Magazynowanie energii w wytworzonym paliwie – obowiązkowy element transformacji energetycznej
Nova Energia
Zwiększająca się z każdym rokiem ilość energii wytworzonej przez źródła odnawialne stawia nas w obliczu nowych wyzwań związanych z jej magazynowaniem. Odnawialne źródła energii często charakteryzują się nieregularnością w działaniu, a także skokowymi wzrostami produkcji energii, które w danym momencie dnia przekraczają nasze zapotrzebowanie. Czy użycie nadmiarów tej energii do wytworzenia innego paliwa to krok w dobrą stronę?
Energia z OZE, a zapotrzebowanie
Na początku warto wytłumaczyć, jak działa system prognoz zapotrzebowania na energię. W Polsce zarządzają nim Polskie Sieci Elektroenergetyczne (PSE), które poprzez określenie wymaganej energii z wyprzedzeniem powiadamiają elektrownie o potrzebach zwiększenia lub zmniejszenia mocy. W przypadku elektrowni klasycznych dzieje się to poprzez włączanie do produkcji energii kolejnych bloków i musi być wykonywane z wyprzedzeniem nawet do kilku godzin. Gdy do miksu energetycznego dodamy nieprzewidywalne w produkcji źródła odnawialne, często dochodzi do sytuacji, w której produkowana energia znacząco przewyższa realne zapotrzebowanie, a biorąc pod uwagę czas wygaszania bloków w elektrowniach konwencjonalnych, jedyną sensowną możliwością pozostaje wypięcie z sieci źródeł odnawialnych. Właśnie stąd wynika potrzeba odnalezienia możliwości na zmagazynowanie tej nadmiarowej ilości energii, w taki sposób, aby nie zmarnować możliwości produkcyjnych OZE.
Wodór – przyszłość motoryzacji
Najlepiej rokującym spośród paliw, do których wytworzenia potrzebna jest energia, jest wodór. Wodór to bardzo powszechnie występujący pierwiastek najlepiej kojarzony oczywiście z życiodajnej wody. Rzadko jednak możemy go odnaleźć w czystej (wolnej) formie. Stąd do jego wytworzenia stosuje się reakcję chemiczną elektrolizy, która wymaga zaopatrzenia w energię elektryczną.
Dynamiczny rozwój samochodów napędzanych wodorem nie jest tu przypadkiem. Wydaje się, że najbardziej podatny grunt do rozwoju wodór odnalazł wśród transportu publicznego. Nawet pomimo wciąż wygórowanych cen (które plasują się powyżej tych oferowanych przez standardowe paliwa) coraz więcej miast decyduje się inwestować w autobusy napędzane właśnie wodorem. Dzieje się tak ze względu na poszukiwanie sposobów na ograniczenie emisji CO2 w aglomeracjach miejskich, w które bezemisyjne autobusy wodorowe sprawdzają się bardzo dobrze. Warto tutaj wspomnieć o Solarisie – firmie z polskim rodowodem będącej liderem w produkcji właśnie takich pojazdów. Dodatkowo rozwój transportu publicznego jest kluczowy dla popularyzacji użycia wodoru w samochodach osobowych i ciężarowych. Wznoszone na potrzeby pojazdów miejskich stacje tankowania wodoru, zapewnią bazę również dla innych użytkowników, która w całej Europie wciąż nie jest dobrze rozwinięta.
Wodór i ekologia
Oczywiście główną zaletą wodoru jako paliwa jest jego proekologiczność – jest on bowiem w pełni bezemisyjny, ale czy naprawdę jest tak ekologiczny, jak się go przedstawia?
Lubimy skrótowo postrzegać wodór jako paliwo w pełni odnawialne, jednak należy pamiętać, że to czy wytworzony przez nas wodór będzie „zielony” zależy również od tego, skąd pochodzi energia, która napędzała elektrolizę. Oczywiście idealnie odnajdują się tu źródła energii odnawialnej, które będą mogły nadmiar energii skierować właśnie do produkcji „zielonego” wodoru.
Mówiąc o wodorze, trudno jest przemilczeć pytanie o bezpieczeństwo. Bez dwóch zdań pierwszym, z czym każdemu kojarzy się to paliwo, jest katastrofa niemieckiego sterowca Hindenburg. Obecnie wiemy już jak skutecznie zabezpieczać wodór. Rozwiązania takie jak: dodatkowo wzmocnione zbiorniki paliwowe, a także bardzo restrykcyjne zasady dotyczące stężenia paliwa wodorowego wynoszące dokładnie 99,97% (duże stężenia znacząco zmniejszają możliwość zapłonu) sprawiają, że wodór jest równie bezpieczny co i inne paliwa.
Technologia Power-to-Gas
Technologią Power-to-Gas nazywamy proces metanizacji dwutlenku węgla, czyli uwodornienie CO2 do metanu. Wytworzony z nadmiaru energii wodór, zamiast zastosowania jako paliwo motoryzacyjne, może zostać dalej przekształcony do postaci metanu i być stosowany w elektrowniach gazowych.
Choć w wyniku takiego procesu otrzymujemy metan, nie jest on wcale nie ekologiczny. Technologia Power-to-Gas idealnie nadaje się do spożytkowania przechwytywanych w czasie spalania gazu CO2, które potem w wyniku syntezy z wodorem możemy ponownie wykorzystać jako paliwo. W wyniku otrzymujemy cykl zamknięty, który nie dostarcza dodatkowej emisji dwutlenku węgla, a także dodatkowych zanieczyszczeń, często występujących w gazach kopalnianych.
Głównym problemem technologii Power-to-Gas wydaje się jednak być dostęp do wodoru. Jak już wcześniej wspomniano, wodór rzadko występuje w czystej postaci, a do przeprowadzania procesu metanizacji potrzebujemy go cztery razy więcej niż dwutlenku węgla. Co więcej, choć zamysł teoretyczny wydaje się bardzo pozytywny, jednak w rzeczywistości nigdy nie będziemy w stanie w pełni wychwytywać emitowanego w spalaniu CO2, to też technologia Power-to-Gas nie uczyni z elektrowni gazowych źródeł odnawialnych.
Amoniak – magazyn energii
Kolejnym przykładem paliwa, które możemy wytwarzać za pomocą elektrolizy, jest amoniak. Tak jak w przypadku wodoru amoniak może być spalany bez emisji CO2, nie mniej jednak w tym przypadku nie jest to aż tak proste. Dużą wadą amoniaku jest jego toksyczność, stąd używanie tego paliwa wymaga dodatkowych środków bezpieczeństwa, które ograniczą emisję szkodliwych dla środowiska tlenków azotu.
W porównaniu z wodorem amoniak jest gorszym paliwem. Jego wartość opałowa wynosi zaledwie 18,9 MJ/kg, czyli nieco więcej niż metanol (18,1 MJ/kg), jednak wypada on znacznie lepiej jako tytułowy magazyn energii. W przeciwieństwie do wodoru nie cechuje się tak dużymi właściwościami dyfuzyjnymi, więc jego długoterminowe przechowywanie nie stanowi problemu, a także co ważniejsze nie wiąże się z nadmiarowymi stratami paliwa. Właśnie tutaj pojawia się szansa na jego skuteczne wykorzystanie, ponieważ nadmiary energii generowane przez instalacje fotowoltaiczne w okresie letnim mogą zostać w nim zmagazynowane oraz wykorzystane w zimie, kiedy zapotrzebowanie energetyczne jest znacznie wyższe, a możliwość wytwarzania energii z promieni słonecznych ograniczona.
Amoniak mógłby być bezpośrednio spalany w elektrowniach gazowych, jako paliwo asystujące dla gazu ziemnego, co ograniczyłoby ilość wytwarzanego przez nie CO2. Jednak konieczne w tym temacie jest ich wcześniejsze przygotowanie i wyposażenie w technologie wychwytujące szkodliwe zarówno dla środowiska, jak i dla nas tlenki azotu.
Podsumowanie
Wszystkie przedstawione powyżej paliwa, wciąż potrzebują dalszych prac rozwojowych, które umożliwią ich powszechne zastosowanie. Najbliższy gotowości jest wodór, który jednak stosowany jako paliwo motoryzacyjne nie jest wciąż dostatecznie konkurencyjny, przede wszystkim pod względem cenowym. Koszty wydają się największym problemem związanym z nowoczesnymi paliwami, wymagającymi odpowiednich technologii, instalacji, bądź zabezpieczeń, które pociągają za sobą dodatkowe inwestycje, nie gwarantując przy tym niższych kosztów. Oczywiście nie możemy zapominać, że głównym przeznaczeniem stosowania tych paliw jest troska o klimat, kluczowe są tu jednak inwestycje państwowe, czy też międzynarodowe, które zmniejszą koszty i upowszechnią ich użycie.
Źródła: nowa.elektroenergetyka.pl, wyborkierowcow.pl, knaufautomotive.com, prz.edu.pl
Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Miłosz Ciurkot
