Stosowane obecnie zasobniki energii elektrycznej wyrównują, co do zasady, nierówność podaży i popytu w zakresie krótkich okresów, najczęściej minut lub godzin. W systemie elektroenergetycznym opartym o źródła odnawialne, w znacznej mierze niestabilne, konieczne będzie wyrównywanie różnic w wytwarzaniu i konsumpcji energii elektrycznej w okresach dłuższych: dni, tygodni, być może nawet miesięcy.

Nowa potrzeba wymaga nowych rozwiązań. Jednym z nich jest magazynowanie energii elektrycznej w formie gazów palnych: wodoru i metanu. Zaletą tej metody jest możliwość wykorzystania istniejącej infrastruktury gazowej. Szacuje się, że system gazowy kraju europejskiego to potencjalnie magazyn energii o pojemności rzędu kilkudziesięciu do kilkuset TWh. Przykładowo, obecnie istniejące podziemne magazyny gazu w Niemczech mogłyby stać się zasobnikiem o pojemności 200 TWh, co odpowiada zdolnościom magazynowania energii przez 23 tysiące nowoczesnych elektrowni szczytowo-pompowych.

Magazynowanie energii elektrycznej w postaci gazu
Magazynowanie energii elektrycznej w postaci gazu to prosta koncepcja, w dużej mierze opierająca się na znanych procesach. Nadwyżki energii elektrycznej z odnawialnych źródeł wykorzystywane są do wytworzenia wodoru. Spośród dostępnych technologii stosowaną na szeroką skalę od połowy ubiegłego wieku jest elektroliza wody. W jej wyniku otrzymywany jest wodór o bardzo wysokim stopniu czystości oraz tlen. W pewnych ilościach wodór może być zatłaczany do sieci gazowych.
W chwili obecnej w Niemczech domieszka wodoru nie mogłaby, zgodnie z obowiązującymi normami, przekroczyć progu 5%. Jednak są analizy wykazujące, że domieszka wodoru nawet na poziomie 15% czy 20% byłaby bezpieczna bez konieczności wymiany armatury sieciowej. Niezależnie od tego jaki, w średnim czy długim okresie, poziom domieszek wodoru w sieci gazowej będzie dopuszczalny, nie rozwiąże to problemu magazynowania całości wytworzonego wodoru. Z kolei przechowywanie go w innej formie jest niezwykle kłopotliwe.
Gaz ten zajmuje bardzo dużo miejsca, nawet sprężony. Dodatkowo pojemniki do przechowywania sprężonego wodoru muszą być wytrzymałe konstrukcyjnie, ze względu na wysokie ciśnienie i małe rozmiary cząsteczek tego gazu. W formie ciekłej miejsca zajmuje mniej, ale ma wtedy temperaturę niewiele wyższą od temperatury zera absolutnego. Przechowywanie wodoru w postaci wodorków metali lub związanego w sorbentach to metody obiecujące, jednak na obecną chwilę jeszcze niewystarczająco wydajne. W obliczu tych trudności rozwiązaniem najbardziej racjonalnym wydaje się poddanie wodoru procesowi metanizacji. W wyniku syntezy wodoru z dwutlenkiem węgla, uzyskuje się metan, stanowiący główny składnik gazu ziemnego. W zależności od miejsca wydobycia, jego udział w gazie ziemnym wynosi 85-98%. Metan uzyskany w procesie metanizacji może zostać zatłoczony do sieci gazowej. W sytuacji niedoboru energii elektrycznej, turbiny gazowe przetwarzają gaz na energię elektryczną.

Zamiana energii odnawialnej na gaz: rozwiązanie systemowe
Zamiana nadwyżkowej energii elektrycznej na gaz to jednak o wiele więcej niż jedynie metoda magazynowania energii. To rozwiązanie systemowe zmieniające dotychczasowe myślenie o systemie elektroenergetycznym w kategoriach systemu autonomicznego. Dzięki tej metodzie dochodzi do konwergencji systemów elektroenergetycznego i gazowego. Wodór otrzymywany przy użyciu energii ze źródeł odnawialnych trafia do sieci gazowej, jest używany do tankowania samochodów z ogniwami wodorowymi czy stosowany w przemyśle. Poddany procesowi metanizacji może trafić do magazynów gazu lub sieci gazowej i zostać wykorzystany do wytworzenia prądu i/lub ciepła w centralnych gazowych jednostkach wytwórczych, gospodarstwach domowych albo stać się paliwem dla samochodów z napędem gazowym.

Czy zamiana prądu w gaz będzie się kiedyś opłacać?
Obecnie proces zamiany energii elektrycznej w gaz nie ma uzasadnienia ekonomicznego, nawet przy założeniu zerowego kosztu energii elektrycznej. Dodatkowo związany jest ze znacznymi stratami energii używanej na jego kolejnych etapach. Jeżeli metan zostanie wykorzystany do generacji prądu, uzyska się zaledwie 30% ilości energii elektrycznej, która była potrzebna do przeprowadzenia procesu zamiany energii elektrycznej w metan. Jeżeli zostanie użyty jako paliwo, możliwe jest odzyskanie zaledwie około połowy energii. Pojawiają się opracowania, według których zamiana energii elektrycznej w gaz nie stanie się w średnim horyzoncie czasowym technologią stosowaną na szerszą skalę. Jednym z takich raportów jest opublikowane w marcu 2014 roku studium Öko-Institut z Berlina. Jednak wątpiącym w przyszłość koncepcji zamiany energii elektrycznej w gaz przeciwstawione są głosy tych, którzy w tą metodę wierzą.

Źródła:
• Audi AG, www.audi-mediaservices.com
• Centrum Badań Energii Słonecznej i Wodoru Badenii-Wirtembergii (ZSW), www.zsw-bw.de
• HYPOS, Inventurliste der relevanten Forschungs-und Demo-Projekte im Rahmen der Roadmap-Erstellung, luty 2014
• Öko-Institut e.V., Prüfung der klimapolitischer Konsistenz und der Kosten von Methanisierungsstrategien, Berlin, marzec 2014
• Strategieplatform Power to Gas, www.powertogas.info

Barbara Adamska, ADM Poland

Cały artykuł  w GLOBEnergia 4/2014
okladka 4 2014