Zachrání technologie Power to Gas obnovitelné zdroje?
Obnovitelné zdroje jsou v České republice často považovány za zdroj potíží, hledají se tam, kde nejsou. Jinde namísto toho hledají řešení. Řešením může být technologie přeměny elektřiny na plyn za účelem uchování energie pro budoucí spotřebu.
Power to Gas (P2G) je způsob uchování energie z obnovitelných zdrojů prostřednictvím výroby plynu – vodíku nebo metanu – a jejich případného přidávání do distribuční soustavy zemního plynu, což umožňuje skladování energie, kterou v dané chvíli není možné spotřebovat nebo kterou by ani nebylo nutno vyrobit, protože by pro ni nebylo využití. Skladování vyrobené energie tímto způsobem na rozdíl od jiných možností má několik zásadních výhod. Má široké uplatnění stejně jako zemní plyn, je to zdroj tepla, palivo pro motorová vozidla, surovina v chemickém průmyslu a v neposlední řadě (což je společné pro ostatní způsoby uchovávání energie) surovina pro výrobu elektřiny v paroplynových elektrárnách, je-li to nutné v období špiček.
Zásadním rozdílem je existence skladiště energie – distribuční soustavy zemního plynu včetně zásobníků, jejichž kapacita je z hlediska množství uložené energie mnohonásobně větší, než kapacita jakéhokoliv jiného způsobu akumulace energie. Díky zúčtování dodávek by bylo možné vyrobit metan v Chebu a ve stejném okamžiku jej spotřebovat v Ostravě bez nutnosti dodatečných investic.
Není divu, že tomuto způsobu uchování energie je věnována velká pozornost nejen z pohledu výzkumných pracovišť, vládních agentur, ale i ze soukromého sektoru, jež zahrnují především významné energetické společnosti, jako jsou E.ON, Wattenfall, RWE, chemické podniky (např. Basf), automobilky (Audi) nebo lokální výrobci elektřiny.
Největší zájem o P2G projevuje Německo, ale pokusné výroby jsou i v Itálii, Velké Británii a ve Francii nebo v Holandsku. V Německu byl představen plán tzv. Roadmap 2022 rozvoje tohoto odvětví, který vytyčuje cíle rozvoje až do roku 2022. Do roku 2020 mají být provozně vyzkoušeny a předvedeny technologie a zohledněny připomínky představitelů státu, vědy, výzkumu, průmyslu, dopravy, či ochrany životního prostředí. V provozu by se měla ověřit funkčnost a reálnost technologií. Cílem tohoto plánu je mít v roce 2022 vybudovány kapacity výroby plynu z elektřiny o celkovém příkonu 1000 MW (elektřiny). Dalším cílem je snížit investiční náklady na pořízení technologie pod 500 Eur/kW (elektřiny).
V Německu je v současné době více než dvacet zařízení, ve kterých je ověřována funkčnost P2G technologie. Zařízení mají různé cíle, společná je ale demonstrace pracovních možností, standardizace výroby a odzkoušení různých variant obchodních modelů. Výkonové spektrum dosud instalovaných zařízení se pohybuje v rozmezí od 100 kW do 6 MW (elektřiny).
Jak napovídá název Power to Gas, jedná se o přeměnu elektřiny na plyn. První možností je pomocí elektrolýzy vyrobit vodík, který může být přidáván do přenosové soustavy zemního plynu do objemového podílu až 2 % bez podstatného vlivu na spalovací vlastnosti plynu. Druhou možností je výroba „umělého“ zemního plynu (SNG) – metanu – prostřednictvím tzv. Sabatierovy reakce (4 H2 + CO2 → CH4 + 2 H2O) – sloučením dvou plynů – vodíku a oxidu uhličitého za vysokého tlaku a teploty.
Při výrobě vodíku přicházejí v úvahu dva způsoby elektrolýzy. První možností je alkalická elektrolýza s tekutým bazickým elektrolytem, druhou je tzv. PEM elektrolýza (kyselá polymerní membránová elektrolýza). PEM elektrolýza se prozatím zdá být technicky výhodnější pro použití P2G, zejména se lépe přizpůsobuje výkyvům v provozu než alkalická. Reaguje na změnu zatížení, dobře pracuje při malém zatížení a rychleji se dostává na provozní teplotu. Obě možnosti jsou ale ve stádiu výzkumu a zkoušek. Při elektrolýze je potřeba ještě rozlišovat, zda se jedná o elektrolýzu při atmosférickém tlaku nebo pod tlakem. Tlaková elektrolýza má výhodu především v kompaktních rozměrech zařízení.
| Vlastnosti | Alkalická elektrolýza | PEM elektrolýza |
|---|---|---|
| Náklady na investice | 800–1500 Eur/kW (elektřiny) | 2000–6000 Eur/kW (elektřiny) |
| Účinnost vztažená na energetickou hodnotu | 67–82 % | 44–86 % |
| Specifická spotřeba | 4–5 kWh/Nm3 H2 | 4–8 kWh/Nm3 H2 |
Účinnost elektrolýzy se pohybuje až kolem 80 % přivedené energie a změněné v energii ve formě vodíku. Přidáním metanizace s 80% účinností se výsledná účinnost sníží na 60 až 70 %. Účinnost procesu přeměny elektřiny na plyn a pak opět na elektřinu může v závislosti na použité technologii dosáhnout až 40 %, což je srovnatelné s konvenčními zdroji. I přesto je zvýšení účinnosti jedním z cílů výzkumu.
Obr. 1: Postavení výroby P2G (zdroj: DENA)
Obr. 2: Umístění výrobních zařízení P2G a jejich zaměření (zdroj: DENA)
Příklady instalací
Obr. 3: Výroba vodíku ve Frankfurtu n. M. (zdroj ITM)
ITM Power spolu s německým partnery Mainova A.G a NRM Netzdienste Rhein-Main GmbH bylo v loňském roce uvedeno do provozu zařízení na výrobu vodíku a jeho přidávání do distribuční sítě zemního plynu ve Franfurktu nad Mohanem. Zařízení je poměrně malých rozměrů – kontejner o rozměrech 2,45×6×3,3 m a o hmotnosti 10 t. Je schopno dodat do sítě 60 m3 vodíku za hodinu. Využívá membránové technologie PEM elektrolýzy. Projekt finančně podporují ministerstva životního prostředí, zemědělství a ochrany spotřebitelů Hesenska a dále se na něm podílí 13 převážně místních energetických společností. První tři roky budou probíhat za účelem odzkoušení této technologie v praxi, součástí má být i navazující projekt na výrobu metanu a jeho přidávání do distribuční sítě, který je naplánován na rok 2016.
Obr. 4: Projekt E.Onu a Swissgasu ve Falkenhagenu (zdroj E.ON)
V srpnu 2013 byl uveden do provozu společný projekt E.Onu a Swissgasu ve Falkenhagenu v Braniborsku. Za úkol má rovněž demonstrovat možnosti výroby plynu z elektřiny z obnovitelných zdrojů. Jedná se návaznost na větrnou elektrárnu, které umožní pracovat i za stavu, kdy by musela být odstavena. I zde se vyrábí vodík, který je následně dávkován do distribuční sítě. Kapacita výroby je 360 m3 vodíku za hodinu, výkon 2 MW (elektřiny).
Audi v červnu 2013 uvedlo do provozu výrobní stanici P2G o výkonu 6 MW jako první výrobce automobilů za účelem provozu automobilů s využitím pohonu energií z obnovitelných zdrojů.Výroba je umístěna v Dolním Sasku ve městě Wertle. Vyrábí se metan, který je následně distribuován do automobilů díky čerpací stanici na stlačený plyn. Část výroby je skladována v distribuční síti zemního plynu.
Enel v italské Puglii provozuje linku P2G na výrobu vodíku o výkonu 1 MW se skladovací kapacitou 33 MWh. Ve Francii (Dunkerque) se připravuje výzkumný program (GRHYD) pod vedením energetické společnosti GDF Suez výroby vodíku z elektřiny z obnovitelných zdrojů a jeho přidávání do veřejné sítě zemního plynu, který by měl zásobovat plynem 200 domácností a zajišťovat provoz 50 autobusů na stlačený plyn CNG.
