Jak vydělat na sluneční a větrné energii? Možností jsou syntetická tekutá paliva

Datum: 6.4.2018  |  Autor: Maxim Lyubovsky, překlad: Olga Kališová, MSc.  |  Zdroj: Journal of Energy Security

© Fotolia.com

Úvod

Množství solární energie dopadající na Zemi daleko přesahuje současnou lidskou spotřebu. Problémem s využitím solární a větrné energie je však její rozptyl. Na rozdíl od ropy a zemního plynu, kde malá vrtná souprava na zemském povrchu umožňuje těžbu velkého množství energie, musí být větrná a sluneční energie sbírána na velkých plochách půdy. Problém čisté energie tedy není v hledání energie – množství větrné a solární energie daleko převyšuje lidské potřeby – výzva spočívá v přeměně energie na formu vhodnou pro spotřebu, její akumulaci a dodávku spotřebiteli na přání a za konkurenceschopnou cenu.

Současné energetické nosiče

Obrázek 1 ukazuje schéma toku energie ve Spojených státech. V současné době se sluneční a větrná energie využívá téměř výlučně jako elektřina a na dopravním trhu s palivy neuspějí jinak než v podobě elektrifikované dopravy. Přesto elektřina představuje pouze asi 18 % energie dodané spotřebitelům (3724,9 z celkového počtu 21 353,2 tWh spotřebovaných ve všech odvětvích dohromady). Zatímco investice zaměřené na zvýšené využívání elektřiny v průmyslu a dopravě byly značné, úplné nahrazení zemního plynu a ropy v dopravě elektřinou (i kdyby to bylo technologicky proveditelné) by vyžadovalo téměř pětinásobné zvýšení kapacity elektrické sítě, což představuje extrémně náročný a nákladný závazek.

Obrázek 1. Energetický vývojový diagram v USA v roce 2015.
Obrázek 1. Energetický vývojový diagram v USA v roce 2015.

Obrázky 2 a 3 ukazují rozložení solárních a větrných zdrojů ve Spojených státech. Obnovitelné zdroje jsou soustředěny v oblastech jihozápadu a velkých plání (Great Planes), ale populace je koncentrována na pobřeží, kde se nakonec energie spotřebovává. Obrázek 4 znázorňuje umístění zařízení pro výrobu elektřiny v USA. Ukazuje, že dnes se elektrická energie vyrábí v těsné blízkosti spotřebitelů, aby nedocházelo k přenosu elektřiny na velké vzdálenosti. Uhlí a zemní plyn se z větší části využívají k přenosu energie do měst a aglomerací, kde se přeměňují na elektřinu.

Obrázek 2. Mapa fotovoltaických zdrojů v USA.
Obrázek 2. Mapa fotovoltaických zdrojů v USA.
Obrázek 3. Mapa větrných zdrojů v USA.
Obrázek 3. Mapa větrných zdrojů v USA.
Obrázek 4. Provozuschopné elektrárny v září 2015.
Obrázek 4. Provozuschopné elektrárny v září 2015.

Přenos energie elektrickými vodiči je mnohem nákladnější než doprava fosilních paliv. Přímé náklady na výstavbu dvouvodičových třífázových síťových vedení o výkonu 500 kV se špičkovou kapacitou 3 000 MW přes venkovskou oblast se odhadují na zhruba 5 milionů dolarů za kilometr. Pro přenosovou vzdálenost přibližně 1 000 kilometrů se náklady na přenos odhadují na přibližně 76 USD za MWh. Navíc průměrné ztráty přenosu v elektrických vedeních jsou asi 6 % a při špičkovém výkonu (proudové zatížení ve špičce) se může zvýšit až na 20 %. Pro přepravu ropy cisternovými vagony po železnici je průměrná cena asi 10-15 dolarů za barel na vzdálenost asi 1 000 mil. To znamená přibližně 6,3 až 9,4 USD na MWh. Přeprava ropy potrubím je dokonce levnější. Zatímco náklady na přepravu elektřiny a ropy se mohou lišit v závislosti na místních podmínkách, průměrná doprava energie na dlouhé vzdálenosti ve formě kapalného paliva je zhruba řádově levnější než ve formě elektrického proudu.

Aby energie z obnovitelných zdrojů byla schopna konkurovat zavedeným palivům, musí s nimi mít srovnatelnou hustotu energie a náklady. Pro srovnání je několik běžných kapalných a plynných chemikálií, které jsou používány nebo často považovány za možné nosiče energie, uvedeno v tabulce 1. Hustota energie byla vypočtena normalizací nižší výhřevnosti paliva (LHV) na objemovou hmotnost za specifikovaných podmínek (propan a amoniak jsou uvedeny jako kapaliny při saturačním tlaku, který je nižší než 20 barů při teplotách menších než 50 °C). Cenový rozsah byl odhadnut normalizací velkoobchodních cen komoditních trhů s výhřevností paliva. Pokud jde o vodík, trh s touto komoditou není zaveden tak, jako je tomu u jiných chemikálií, takže americké Ministerstvo energetiky (DOE) používá na dodávku vodíkového paliva v podchlazených cisternách přibližné smluvní ceny ve výši od 4 USD/kg (přibližně 10 milionů standardních kubických stop (MSCF)) do 20 USD/MSCF/kg.

Dle očekávání mají nejvyšší energetickou hustotu benzín a nafta. Tento parametr byl jedním z důležitých faktorů, které pomohly zvítězit autům se spalovacími motory nad alternativními technologiemi pohonu začátkem 20. století. Zemní plyn je zdaleka nejlevnějším palivem (situace v USA, pozn. red.), ale má mnohem nižší energetickou hustotu, dokonce i při vyšším tlaku. Díky nízkým cenám je zemní plyn velmi atraktivní pro výrobu elektřiny a pro využití v průmyslu, kam ho lze dodávat stávajícím potrubím, ale nízká energetická hustota snižuje možnosti jeho využití jako paliva v dopravě.

PalivoPodmínkyEnergetická hustota
kWh/litr
Rozsah tržních cenJednotkyNormalizovaný cenový rozsah
$/MWh
NaftaBěžné okolní prostředí9,91,5 - 3$/galon40 – 80
BenzínBěžné okolní prostředí9,71,5 - 3$/galon40 – 80
EthanolBěžné okolní prostředí5,91,5 - 3$/galon70 – 140
MethanolBěžné okolní prostředí4,41 - 2$/galon60 – 120
Propan a propan butan / LPG~ 20 barů6,61 - 2$/galon40 – 80
Amoniak~ 20 barů3,5300 - 600$/MT60 – 120
Zemní plyn250 barů2,73 - 6$/MSCF10 – 20
Vodík (plyn)700 barů1,34 - 8$/kg120 -240
Vodík (chlazený)-253 °C2,410 - 20$/MSCF125 – 250

Tabulka 1. Energetické hustoty a cenová rozpětí běžných paliv a chemikálií.

Ethanol a methanol mohou být vyrobeny z obnovitelných zdrojů energie (tzv. power to liquid, pozn. red.) a jsou kapalné při normálních podmínkách okolního prostředí. Jejich energetická hustota je zhruba dvoutřetinová oproti ropným palivům. Ethanol se vyrábí ve velkých množstvích v biorafineriích z obilí a nedávno také z celulózové biomasy a používá se jako přísada do benzinu v palivech E10, E15 a E85.

V posledních desetiletích přitahuje vodík velkou pozornost jako čistý nosič energie zejména v odvětví dopravy. Vodíková paliva by se pravděpodobně vyráběla v místě spotřeby ze zemního plynu, elektřiny ze sítě nebo z obnovitelných paliv stejně, jako je elektřina vyráběna v těsné blízkosti spotřebitelů, jelikož nízká energetická hustota vodíku, a to i při velmi vysokém tlaku, činí jeho velkoobjemovou přepravu na dlouhé vzdálenosti nepravděpodobnou.

Alternativa v podobě kapalných paliv z obnovitelných zdrojů

Zatímco fyzikální vlastnosti plynného vodíku z něj nedělají vhodný energetický nosič, jeho chemické vlastnosti z něj dělají jedinečný energetický prostředek. Elektrická nebo solární energie může být přímo a účinně přeměněna na chemickou energii rozdělením vody na vodík a kyslík, ukládáním asi 40 kWh energie na kilogram separovaného vodíku. Elektrolýza vody je osvědčená technologie na komerční bázi produkující několik tun vodíku denně. Prozkoumává se řada dalších pokrokových technologií, jak dosáhnout elektrolytického rozkladu vody přímo slunečním zářením. Díky účinnějším a levnějším technologiím elektrolýzy mohou být elektrolyzéry propojeny s větrnými elektrárnami a fotovoltaickými panely a lze vyrábět vodík prostřednictvím těchto obnovitelných zdrojů energie. Vysoká reaktivita vodíku umožňuje snadno reagovat s jinými látkami při výrobě tekutých paliv. Ve skutečnosti se drtivá většina vyráběného vodíku dnes používá v ropných rafinériích k výrobě amoniaku a syntéze methanolu. Stejné chemické reakce lze použít k přeměně vodíku vyrobeného z obnovitelných zdrojů energie na kapalné energetické nosiče, které lze snadno skladovat, přepravovat a distribuovat spotřebitelům energie.

Amoniak, který je kapalný při tlaku nad 20 barů, může být vyroben kombinací vodíku a dusíku Haber–Boschovým procesem, kterým se již více než století vyrábí především hnojiva a chemikálie. Dusík potřebný pro tento proces je získáván ze vzduchu během dobře zavedeného a energeticky náročného průmyslového procesu. Vysoká pevnost chemické vazby dusíku (N-N) vyžaduje vysokou teplotu ke spuštění reakce a aby mohlo dojít k překonání termodynamických omezení, je nutné pracovat při vysokém tlaku. Haber-Boschovy reaktory obvykle pracují při teplotách okolo 450-500 °C a tlaku až 300 barů. Jedna nevýhoda amoniaku jako energetického nosiče, mimo potřebu zvýšeného tlaku k jeho udržení v kapalné formě, proto spočívá v tom, že jeho použití ve formě paliva by v podstatě vyžadovalo vybudování nové infrastruktury. Přesto může být zajímavá distribuovaná výroba amoniaku využívajícího vodík vyrobený elektřinou z obnovitelných zdrojů k nahrazení amoniaku vyrobeného ze zemního plynu při výrobě hnojiv, zejména pro místní zemědělské využití.

Fischer-Tropschova syntéza (FTS) je dalším průmyslovým procesem využívajícím vodík k výrobě kapalných uhlovodíkových paliv přímo kompatibilních se stávající benzinovou a naftovou infrastrukturou. V současné době využívají jednotky FTS zemní plyn, který se přeměňuje na směs oxidu uhelnatého CO a vodíku H2 (syngas neboli svítiplyn) a pak na syntetické uhlovodíky. Proto se tato technologie často označuje jako „Gas-to-Liquid“ (GTL) – přeměňuje zemní plyn na kapalné palivo. Několik velkých projektů GTL produkujících desítky tisíc barelů GTL za den probíhá po celém světě. Reaktory FTS obvykle pracují při nižší teplotě a tlaku, než je požadováno při syntéze amoniaku při teplotě ~ 230-240 °C a tlaku ~ 25-40 barů. Aby se využil vodík vyrobený z obnovitelných zdrojů namísto zemního plynu při procesu FTS, oxid uhelnatý potřebný pro tento proces může být vyroben ze zachyceného oxidu uhličitého (diskutováno níže) reakcí „Reverse Water-Gas-Shift“ (RWGS) – (přeměna vodíku a oxidu uhličitého na oxid uhelnatý a vodu, pozn red.), která je rovněž zavedeným průmyslovým procesem.

Methanol se může vyrábět přímou reakcí vodíku a CO2. Výroba methanolu je také osvědčeným průmyslovým procesem, který probíhá v několika velkokapacitních jednotkách vyrábějících methanol ze zemního plynu nebo uhlí v objemu milionů tun ročně. Reaktory pro syntézu methanolu pracují při tlaku ~ 40-100 barů a teplotě ~ 220-280 °C. Methanol je také komerčně vyráběn různými malými podniky v objemu až několika tun za den. Tyto malé podniky mohou využívat vodík vyráběný elektrolyzéry využitím energie z obnovitelných zdrojů o výkonu 10-20 MW a mohou být přímo integrovány do větrných nebo fotovoltaických farem.

Methanol je kapalný za běžných podmínek okolního prostředí a může být smíchán s benzinem stejným způsobem jako ethanol. Při menších úpravách motoru lze methanol a jeho deriváty používat přímo jako palivo do motorů s vnitřním spalováním. Je také možné přeměnit methanol na benzín (nebo jiné běžné druhy paliva) procesem „Methanol-to-Gasoline“ (MTG), který předvádí společnost ExxonMobil. Alternativně se může v místě použití snadno převést zpět na vodík. Metanol je nejjednodušší molekula alkoholu a je biologicky odbouratelný bakteriemi, které se přirozeně vyskytují v půdě a podzemních vodách. To je žádoucí vlastnost paliva, protože jakékoliv úniky by přirozeně zmizely během asi dvou týdnů.

Převedení vodíku na kapalné uhlovodíky pomocí Fischer-Tropschovy syntézy nebo syntézy methanolu vyžaduje přidání oxidu uhličitého do procesu. Tento CO2 lze zachytit z mnoha elektráren a průmyslových pecí. Několik velkých projektů na zachycování uhlíku s kapacitou do 1 milionu tun CO2 ročně bylo v posledních letech uvedeno do provozu ve Spojených státech. V těchto projektech je CO2 vyčištěn, stlačen až na nadkritický tlak tekutiny kolem 100 barů, přepravován přes stovky kilometrů potrubím a vstřikován hluboko do podzemí v ropných polích pro zlepšení získávání ropy (EOR) nebo pro trvalé skladování CO2 v geologických formacích.

Rovněž jsou dobře vyvinuty technologie pro přepravu CO2. Existuje síť potrubí s CO2 pro jeho přesun z míst, kde se zachytává, do ropných polí a k využití pro EOR. V menším měřítku je CO2 transportován cisternovými přívěsy jako chlazená kapalina při teplotě -30 °C a tlaku 5-10 barů (CO2 se přemění na „suchý led“ při běžném okolním tlaku). Poptávka po CO2 pro výrobu obnovitelných paliv nakonec pravděpodobně povede k vývoji technologií „Direct Air Capture“ (DAC), které přímo zachycují CO2 z okolního vzduchu, což eliminuje potřebu přepravy CO2. Systémy DAC by byly integrovány a umístěny přímo v provozech výroby obnovitelných paliv. Často se tvrdí, že technologie DAC by nebyla proveditelná, protože velmi nízká koncentrace CO2 v okolním vzduchu by vyžadovala nadměrnou energii k jeho separaci. Termodynamická minimální práce potřebná pro separaci CO2 ze vzduchu při okolní teplotě 300 kelvinů (asi 26,9 °C) a koncentrace CO2 při 400 ppm je přibližně 19,5 kJ/mol CO2. Při použití CO2 při syntéze kapalného paliva by se tato separační energie měla porovnávat s energií potřebnou pro výrobu vodíku. Termodynamická energie pro rozdělení vody je 285,6 kJ/mol H2 a tři moly H2 je potřeba na mol CO2, takže výroba vodíku vyžaduje asi 40krát více energie než oddělení CO2 od vzduchu. Rozvíjení procesů DAC má proto spíše konstrukční než termodynamická omezení, které lze úspěšně překonat, jestliže existuje dostatečná tržní síla.

Nedávné hodnocení DAC naznačuje, že náklady na tyto technologie jsou v současné době příliš vysoké a musely by být výrazně sníženy, dokud je nebude možno aplikovat v praxi. Zatím se technologii DAC věnuje několik společností ve snaze dosáhnout snížení nákladů. Kombinace DAC se syntézou kapalného paliva by umožnilo alokovat systémy obnovitelných paliv do vzdálených lokalit, kde je půda levná a je k dispozici stabilní a konzistentní větrná nebo fotovoltaická energie, a to bez ohledu na blízkost zdrojů CO2.

Odhad nákladů pro výrobu pohonných hmot z větrné energie

Odhad nákladů na výrobu methanolu z vodíku vyrobeného za pomoci elektřiny z obnovitelných zdrojů a zachyceného CO2 na základě výsledků nezávislých studií o nákladech na obnovitelnou elektřinu, elektrolýzu vody, zachytávání CO2 a výrobu methanolu ze zemního plynu je uveden v tabulce 2.

Náklady na výrobu H2 pomocí elektrolýzy PEM o výkonu 1 500 kg/den$4,23 /kg_H2
Elektrická složka výroby vodíku elektrolýzou při přibližné ceně $ 0.0688/kWh$3,46 /kg_H2
Vyrovnávací PPA pro pobřežní větrné elektrárny$0,0235 /kWh
Náklady na výrobu H2 elektrolýzou PEM při přibližné ceně $0.0235 /kWh$1,95 /kg_H2
Vodík v methanolu (MeOH)0,19 kg/kg
Náklady na vodík v methanolu (MeOH)$1,10/galon MeOH
Předpokládané náklady na zachycování CO2$40/tun_CO2
CO2 v methanolu 1,38 kg/kg
Náklady na CO2 v methanolu (MeOH)$0,17/galon MeOH
Náklady na kapitál a provoz a údržbu pro syntézu methanolu$0,5/galon MeOH
Náklady na methanol (MeOH) vyrobený z H2 a CO2$1,77/galon

Tabulka 2. Odhady nákladů na výrobu methanolu z H2 a CO2.

Náklady na výrobu obnovitelného vodíku elektrolyzérem kombinovaným s větrnou turbínou jsou založeny na analýze nákladů na membránovou elektrolýzu vody (PEM) o výkonu 1 500 kg vodíku za den. Pro výrobu vodíku elektřinou z obnovitelných zdrojů byla položka nákladů na elektrickou energii úměrně snížena o cenu elektřiny ve výši 0,0688 USD/kWh předpokládané v  vůči odhadovaným nákladům na větrnou elektřinu po podpisu dohody o dodání elektřiny (PPA) ve výši 0,0235 USD/kWh. To se odrazilo v nákladech na vodík ve výši 1,95 USD/kg, což odpovídá současnému odhadu amerického Ministerstva energetiky (DOE) nákladů na výrobu vodíku. Zároveň je potřeba vzít v úvahu, že pokud je elektrický výstup z větrné turbíny přímo připojen na přívod elektrolyzéru, náklady na elektrickou energii mohou být dokonce nižší než předpokládaná PPA ve, protože náklady na linkový kondicionér a přenos energie by byly vyloučeny. Také v případě, kdy je elektrolyzér společně umístěn a integrován s zařízením pro syntézu methanolu, budou náklady na stlačení a přepravu vodíku eliminovány, protože tlak potřebný pro syntézu methanolu bude vytvářen přímo elektrolyzérem.

Přesné informace o nákladech a zachycování a ukládání CO2 (CCS) ve stávajících obchodních projektech jsem obchodním tajemstvím, náklady na zachycování uhlíku proto odhaduje Ministerstvo energetiky (DOE) na 40 USD za metrickou tunu CO2.

Množství a náklady u vodíku a oxidu uhličitého při produkci methanolu se odhadují na základě výpočtu relativního množství reaktantů a produktů (stechiometrie) během syntézy methanolu. Ten předpokládá stoprocentní přeměnu H2 a CO2 na methanol. I když se jedná o poněkud optimistický předpoklad, téměř úplná přeměna může být dosažena recyklováním nepřeměněných reakčních složek po odstranění produktů methanolu a vody, což je společný design zařízení na syntézu methanolu. Syntéza methanolu je exotermický proces, při kterém se uvolňuje asi 1,55 MJ tepla na kilogram vyrobeného methanolu. Toto teplo se obvykle odvádí do vroucí vody a může být využito v jiných částech závodu, např. v separační koloně, takže je zapotřebí menší nebo žádné dodatečné energie. Jakýkoli dodatečné napájení pro provoz rovnováhy komponentů zařízení by byl primárně dodán větrnou nebo fotovoltaickou elektrárnou.

Náklady na kapitál a provoz a údržbu pro syntézu methanolu jsou přejaty ze studie NETL v roce 2014 o nákladech na výrobu methanolu z uhlí a zemního plynu (POZNÁMKA: cifry NETL zahrnují náklady na zachycování CO2). Je třeba vzít v úvahu, že tento odhad nákladů na provoz a údržbu je pravděpodobně nadhodnocený, jelikož drahé vysokoteplotní parní reformování methanu nebo sekce zplyňování uhlí v methanolovém závodě budou vyloučeny při zahájení procesu s dodávkami vodíku a oxidu uhličitého namísto zemního plynu nebo uhlí.

S tímto souborem předpokladů se cena methanolu vyrobeného z obnovitelného vodíku a zachyceného oxidu uhličitého odhaduje na cca 1,8 dolaru za galon (~ 590 USD/MT nebo ~ 106 USD/MWh). Pro srovnání studie NETL odhaduje náklady na výrobu methanolu ze zemního plynu včetně zachycování CO2 na hodnotu ~ 0,8 USD/galon při ceně zemního plynu ve výši 3 USD/MMBTU a náklady na výrobu methanolu z uhlí včetně zachycování CO2 na cca 1,6 USD/galon za cenu uhlí 2 USD/MMBTU. Odhadované náklady na obnovitelnou výrobu methanolu spadají do rozmezí historických velkoobchodních změn cen trhu s methanolem, které jsou uvedeny na obrázku 5.

Obrázek 5. Historická velkoobchodní cena methanolu v USD/galon. Zdroj: Methanex.
Obrázek 5. Historická velkoobchodní cena methanolu v USD/galon. Zdroj: Methanex.

Pro přesnou analýzu nákladů je zásadně důležité zvážit integraci celého systému a zvážit případné změny nákladů, jako je zabránění přeměně stejnosměrného proudu na střídavý a naopak, sušení a stlačování vodíku, využívání tepla uvolňovaného při syntéze methanolu a tak dále.

Odhad nákladů naznačuje, že náklady na obnovitelný methanol musí být ještě sníženy, aby byly konkurenceschopné v porovnání s methanolem vyráběným ze zemního plynu, zejména při současných nízkých cenách zemního plynu v USA. Dokonce i se stávající úrovní vývoje technologií může být obnovitelný methanol konkurenceschopný s methanolem vyráběným z uhlí, který tvoří velkou část globální produkce methanolu, zejména v Číně. Rostoucí využívání methanolu vyráběného ze zemního plynu jako pohonné hmoty a pro další energetické aplikace v blízké budoucnosti se může stát branou k postupnému přechodu na obnovitelný methanol kvůli klesajícím výrobním nákladům.

Zatímco zde uvedená analýza nákladů je pouze hrubým odhadem, naznačuje kritické problémy, které je třeba řešit, aby se snížily systémové náklady a vytvořila nákladově konkurenceschopná obnovitelná paliva. Analýza nákladů naznačuje, že vodík vyrobený elektřinou z obnovitelných zdrojů představuje více než 60 % nákladů na obnovitelný methanol, zatímco náklady na CO2 představují poměrně malou část. Snížení nákladů na „obnovitelný vodík“ je proto klíčem k výrobě nákladově konkurenceschopných syntetických kapalných paliv. Je proto vhodné umístění výroby palivových systémů v místech, kde jsou k dispozici bohaté a spolehlivé větrné či fotovoltaické zdroje, půda je levná a náklady na obnovitelné zdroje energie jsou nízké. Náklady na přepravu CO2 do těchto vzdálených míst by přitom neměly výrazně zvýšit celkové výrobní náklady paliva. Při nízké ceně primárních obnovitelných zdrojů energie (v zásadě jde o ceny pozemků pro instalaci systému obnovitelných paliv) by měly být vybrány komponenty systému, jednotlivé technologie, návrhové kompromisy a provozní parametry, aby se minimalizovaly kapitálové náklady na systém i na úkor možné nižší účinnosti.

Tabulka 3 ukazuje odhad výroby methanolu v systému obnovitelných paliv spojeným s 10MW zdrojem energie. Tento výkon, který může být dodán několika větrnými turbínami nebo fotovoltaickou farmou, byl stanoven tak, aby odpovídal výkonu elektrolýzy a výrobní velikosti malých závodů s methanolem. Analýza předpokládá stoprocentní využití systému a výsledkem je 57 % odhad efektivity procesu (za předpokladu nižší výhřevnosti paliva (LHV) z vyrobeného methanolu). Pro přesnější odhad výstupu a účinnosti procesu je vyžadován podrobný návrh systémové integrace a posouzení výkonu zátěže bilance komponentů.

Předpokládaná dodávka větrné nebo solární energie10 MW
Předpokládaná výroba vodíku @ 54,6 kWh/kg_H24 400 kg H2/den
Poptávka po CO232 metrických tun/den
Výroba methanolu23 metrických tun/den
186 barelů ropy/den

Tabulka 3. Odhad rychlosti výroby methanolu.

Nejméně dvě pilotní elektrárny vyrábějící obnovitelný methanol byly již předvedeny. Od roku 2012 společnost Carbon Recycling International provozuje ve Svartsengi na Islandu závod George Olah produkující ročně 4 000 metrických tun methanolu z vodíku vyráběného z elektrolýzy vody za využití místní geotermální a vodní elektrárny a z CO2 zachyceného z geotermálních elektráren. V Japonsku společnost Mitsui Chemicals demonstrovala provoz pilotního provozu na výrobu 100 metrických tun obnovitelného methanolu ročně. Závod využíval CO2 zachycený z místních průmyslových producentů emisí a vodík vyrobený fotokatalytickým štěpením vody.

Diskuze

Přeměna větrné a fotovoltaické energie na běžné tekuté palivo za konkurenceschopné ceny v porovnání s palivy vyrobenými z ropy nebo zemního plynu umožní obnovitelné energii otevřít si cestu do stávající infrastruktury paliv. Obnovitelné zdroje energie ve formě kapalných paliv mohou být využity ve všech hospodářských odvětvích, které v současnosti obsluhují ropné produkty, aniž by se musely omezovat na použití v elektrické síti. Rozvoj technologií obnovitelných tekutých paliv by odstranil několik překážek, které v současné době brání rozšíření využívání obnovitelných zdrojů energie.

Přeměna větrné a fotovoltaické elektřiny na snadno přepravitelné tekuté palivo by oddělila větrné a fotovoltaické projekty od elektrické rozvodné sítě a umožnila jejich rozšíření do vzdálených, řídce obydlených oblastí s dostatečnými a spolehlivými větrnými a fotovoltaickými zdroji, které v současné době nejsou dostupné kvůli vysokým cenám přenosu elektřiny. Bude také poskytovat téměř nekonečnou skladovací kapacitu pro obnovitelnou energii, a tím pomůže vyhnout se problému „krácení“ (anglicky „curtailment“), který omezuje pronikání obnovitelné energie do elektrické sítě.

Zavedení technologií pro přeměnu obnovitelné energie na uhlovodíková paliva by vytvořilo poptávku po oxidu uhličitém a vytvořilo tak trh pro zachycování CO2. Zpočátku by se CO2 pravděpodobně zachytával z koncentrovaných emisí z bodových zdrojů, jako jsou uhelné elektrárny, cementárny apod. Rozvoj trhu s CO2 povede ke snížení nákladů na zachytávání CO2 a k šíření technologie do míst, kde je obtížnější CO2 zachytit. Až budou náklady na přímé zachytávání CO2 ze vzduchu dostatečně sníženy, bude možné ho integrovat do výroby obnovitelných paliv ve velkém měřítku. Kombinace DAC se syntézou kapalného paliva z větrné a fotovoltaické energie v podstatě vytvoří umělý proces „fotosyntézy“ a uhlíkový cyklus podobný umělému procesu fixace dusíku vyvinutému chemiky na počátku 20. století.

Analýza nákladů v tomto dokumentu naznačuje, že vodík vyrobený elektřinou z obnovitelných zdrojů představuje nejvýznamnější položku ve výrobních nákladech obnovitelných tekutých paliv. Snížení nákladů na pokročilé technologie dělení vody je proto klíčem k využití obnovitelné energie. Zatímco elektrolýza vody je dobře zavedenou komerční technologií, jejímu širokému přijetí v současnosti brání vysoké náklady na elektřinu ze sítě a konkurence vodíku vyráběného ze zemního plynu. Vývoj a zavádění nízkoteplotní a vysokoteplotní elektrolýzy, jakož i alternativní technologie pro přímou výrobu vodíku působením slunečního světla, jako je fotoelektrochemické (PEC) a termochemické (STCH) štěpení vody, které umožňují dramaticky snížit náklady na „obnovitelný vodík“, jsou součástí iniciativy H2@Scale Ministerstva energetiky ve Spojených státech.

Systémy pro výrobu syntetických kapalných paliv budou využívat rozptýlené větrné nebo solární primární zdroje energie. To vyžaduje poměrně malé projekty, cenově a velikostně srovnatelné s instalací větrné nebo fotovoltaické farmy. Úspora plynoucí z velkovýroby by byla dosažena rozmístěním identických zařízení na obrovských řídce osídlených územích. Vzhledem k tomu, že vstupy do procesu, zejména ve formě větru, slunce, vody a CO2, budou stejné na každém místě, nebudou vyžadovány žádné úpravy systémů. Vzhledem k poměrně malé velikosti každého systému by finanční riziko rozvoje počátečních pilotních projektů nebylo příliš vysoké.

Shrnutí

Zapojení obnovitelných zdrojů do sektoru paliv pro dopravu skýtá ekonomickou příležitost ve smyslu využití těchto zdrojů pro výrobu syntetických tekutých energetických nosičů, které jsou kompatibilní se stávající infrastrukturou. Příkladem takového energetického nosiče může být methanol, protože ho lze snadno vyrobit z vodíku získaného z obnovitelných větrných a fotovoltaických zdrojů a ze zachyceného CO2 a může být využit v široké škále stávajících i vyvíjených energetických aplikací. Náklady na „obnovitelný vodík“ představují zhruba 60 % celkových nákladů na výrobu obnovitelného methanolu, a proto je snížení nákladů na technologii štěpení vody klíčem k vývoji levných syntetických obnovitelných tekutých paliv.

Maxim Lyubovsky, vědecký pracovník ORISE, Úřad pro technologie palivových článků, Ministerstvo energetiky ve Spojených státech.

Zdroj:
Lyubovsky, Maxim. Shifting the paradigm: Synthetic liquid fuels offer vehicle for monetizing wind and solar energy. Journal of Energy Security [online]. [cit. 2018-03-22].
Dostupné z: http://www.ensec.org/index.php?option=com_content&view=article&id=604:shifting-the-paradigm-synthetic-liquid-fuels-offer-vehicle-for-monetizing-wind-and-solar-energy&catid=131:esupdates&Itemid=414.

 

Hodnotit:  

Datum: 6.4.2018
Autor: Maxim Lyubovsky, překlad: Olga Kališová, MSc.



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Google+  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (1 příspěvek, poslední 06.04.2018 01:35)


Témata 2018

Partner - Akumulace elektřiny

Slunce v domě on-line

Stav nabití BAT:--- %
Roční soběstačnost:--- %

CAD a BIM knihovny

Partneři - Obnovitelná energie

 
 

Aktuální články na ESTAV.czCo je to blesk, jak se chovat doma i venku za bouřky a jak funguje hromosvod?Zajímáte se o řízené větrání a tepelná čerpadla? Přijďte na FOR ARCH 2018Lavicové konvektory – ideální řešení vytápění do podkrovních prostorVelký průmyslový areál v Hlinsku, kde se dříve upravovala příze, jde do prodeje