Power-to-Gas
A Power-to-gas (rövidítve P2G vagy PtG, magyarra a „Villanyenergia gázzá konvertálása” körülírással fordítható, „áram → gáz”-ként lehet hivatkozni rá) egy energiagazdálkodási koncepció, illetve technológia. Ennek alkalmazásával a villamos energiából több lépésben gáznemű tüzelőanyagot állítanak elő, többnyire elektrolízis és kémiai, biológiai eljárások alkalmazásával. Ez a gáz sokkal egyszerűbben és gazdaságosabban tárolható, mint a villamos energia. Főbb felhasználási területei:
- üzemanyagként különösen gépjárművek, repülőgépek és hajók esetén
- vegyipari alapanyagként
- villamos generátorok hajtására is alkalmazható elsődleges tüzelőanyagként gázerőművekben, vagy gázmotorok hajtására
- reverzibilis tüzelőanyag-cellák üzemanyagaként
- földgázhoz hozzátáplálásra
- szintézisgázként közvetlenül felhasználva vagy matanol előállítására
- enzimek kaszkádreakcióival etanol és propanol előállítására
Ez a tüzelőanyag leggyakrabban vagy hidrogén, vagy metán. Az elektrolízis elsődleges terméke az oxigén és a hidrogén. A hidrogént földgázhoz hozzátáplálásra, vagy például a közlekedésben hidrogéncellákhoz lehet közvetlenül felhasználni.
Az elektrolízisből keletkező hidrogén és szén-dioxid felhasználásával például az ún. Sabatier-reakció alkalmazásával vagy más metanizációs eljárásokkal metángáz állítható elő. Ez az átalakítás általában további 8% energiakonverziós veszteséggel jár, de a metán széleskörű felhasználási lehetőségei kompenzálják ezt. További szintézis-eljárásokkal például LPG-vé alakítható.
Enzimek alkalmazásával az eljárás végterméke etanol vagy propanol is lehet.
A villamos továbbító hálózatokat meglehetősen megterheli a napjainkban terjedő alternatív energiaalkalmazások áramfelvétele, például a villanyautók, a hőszivattyús fűtési rendszerek. A P2G metán alkalmazásához a rendelkezésre álló, már kiépített földgáz-infrastruktúrát lehetne felhasználni, ezáltal:
- ki lehet váltani a nem megújuló földgázt például a P2G metánnal, a fűtési rendszerek erre áthangolhatóak
- a smart grid rendszerekhez lehetne ezzel szállítani a tüzelőgázt, és a villamos energiát decentrálisan ebből előállítani
Ebben az esetben a rendszer össz.-hatásfoka például az egyenáramú energiatovábbító rendszereket is meghaladná.
A P2G története
[szerkesztés]A szélenergia segítségével elektromosan előállított hidrogén energiahordozóként történő felhasználási lehetősége már a 19. század közepén felbukkant. Nollet belga professzor nyújtott be erre vonatkozóan egy javaslatot 1868-ban.[1] 1874-ben Jules Verne írt egy hidrogéngazdaságról.[2] Maga az ötlet technikailag először 1895-ben valósult meg, amikor szélerőművek úttörője, a dán Poul la Cour szélerőműhöz csatlakoztatott egy elektrolízis berendezést, mely durranógázt szolgáltatott a közeli Askov iskola megvilágításához. [1]
A kilenc fokozatú technológiai készültségi skála szerint osztályozva a P2G metántermelés 2017-ben a 7. szint („üzemben lévő prototípus”) és 8. szint („minősített rendszer, amely igazolja a felhasználási területének megfelelő funkcionalitását”) közé került besorolásra.[3]
2018 májusában 128 P2G kutatási és bemutatólétesítmény működött Európában az átadás és a tervezés különböző szakaszaiban; 63 közülük már működött. [4]
A támogatásoknak köszönhetően napjainkban is nagyon sok pilot-projekt üzemel Nyugat-Európában, főleg Németországban. Ezeknek az elsődleges célja a P2G eljárás továbbfejlesztése és kommercializációja.
Tárolás és továbbítás
[szerkesztés]A P2G eljárásokkal biztosítható az energiatermelés és energiafelhasználás kiegyensúlyozása. A csúcsidőn kívüli és többlet villamos energiából az eljárással hidrogén vagy metán állítható elő, ami energiaigény esetén, például csúcsidőben, vagy a megújuló források kiesése esetén ismét villamos energiává alakítható (nyilván ez az oda-vissza alakítás veszteséggel jár, ezt be kell kalkulálni a rendszer működésébe). Hosszútávon például Németországban számolnak a földgázüzem P2G-vel való kiváltásával.
Nagyon sok helyen a földgázhálózatokat korábban városi gáz továbbítására használták, az 50-60% hidrogént tartalmazott (napjainkban ez az érték nem haladhatja meg a 10%-ot). A földgáz jellemzően 85-98%-ban tartalmaz metánt. A pillanatnyi német földgáz-tárolókapacitás a 200 000 GWh is meghaladja, ami az ország több hónapos energiaigénynek a kielégítésére elég – ezzel szemben például a teljes német szivattyúturbinás tárolókapacitás mindössze 40 GWh. [5]
Az energiatovábbítás a gázhálózatokon kevesebb mint 0,1% veszteséggel jár, míg a villamoshálózatok vesztesége nagyjából 8%. A kilowatt-óránkénti tárolási költségek becslések szerint 0,10 euróra rúgnak a hidrogén és 0,15 euróra a metán esetén.[6] A meglévő földgázvezetékek P2G használatát az EU NaturalHy projekt[7] és az USA DOE [8] is vizsgálta.
Hatásfok
[szerkesztés]2013-ban a P2G technológiára épülő tárolórendszerek hatásfoka még jóval 50% alatt maradt. Napjainkban a kombinált ciklusú erőművekben a P2G hatásfoka már meghaladhatja a 60%-ot, de ez még mindig jelentősen elmarad a szivattyúturbinás rendszerek (PHES, pumped hydroelectric energy storage) 70-80%-os hatásfokától.
Egy 2015-ben, az Energy and Environmental Science-ben közzétett tanulmány szerint reverzibilis szilárd oxidos tüzelőanyag-cella alkalmazásával és a hulladékhő megfelelő alkalmazásával ez az érték viszonylag alacsony ráfordítással 70%-ra emelhető. [9]
Egy másik, 2019-ben megjelentetett tanulmány szerint ez a megoldás továbbvihető a technológiai nyomás növelésével, ez esetben már a 80%-os hatásfok sem kizárt. [10] A fentiek alapján kijelenthető, hogy a technológia napjainkban jelentős továbbfejlesztések alatt áll, az elvárható hatásfok-értékek gyakorlatilag évről-évre javulnak. A lenti táblázat bár jó áttekintést ad az eljárásokról, 2011-es keltezésű, azaz elavultnak tekinthető.
| Tüzelőanyag | Hatásfok | Körülmények |
|---|---|---|
| Konverzió: villanyáram → gáz | ||
| Hidrogén | 54-72% | 200 bar nyomás |
| Metán (SNG) | 49-64% | |
| Hidrogén | 57-73% | 80 bar nyomás (földgázvezeték) |
| Metán (SNG) | 50-64% | |
| Hidrogén | 64-77% | nyomás nélkül |
| Metán (SNG) | 51-65% | |
| Konverzió: villanyáram → gáz → villanyáram | ||
| Hidrogén | 34-44% | 80 bar nyomás és 60% villanyáram visszanyerés |
| Metán (SNG) | 30-38% | |
| Konverzió: villanyáram → gáz → villanyáram + hőhasznosítás | ||
| Hidrogén | 48-62% | 80 bar nyomás és 40-45% villanyáram / hő visszanyerés |
| Metán (SNG) | 43-54% | |
| Forrás: Fraunhofer IWES, 2011 február (német) [11] | ||
Ökológiai egyenleg
[szerkesztés]A P2G egyik – talán legkomolyabb – előnye, hogy fosszilis források nélkül képes tüzelőanyagot előállítani, így a felhasználás során felszabaduló széndioxid – a teljes folyamatot figyelembe véve – nem növeli a levegő széndioxid tartalmát, azaz a folyamat széndioxid (kibocsátás) semleges[12] :
Árak
[szerkesztés]Kijelenthető, hogy a P2G-vel előállított áram jelen árképzés szerint még nem piacképes. Nyilván figyelembe kell venni, hogy ez az energiahordozó megújuló technológiákon alapul, de a technológiája még nem kiforrott, így egyelőre nem tud versenyre kelni a többi (fosszilis eredetű) piaci energiahordozóval:
| Energiahordozó | Ára (adó nélkül) | Ára (adóval) | Egyéb adatok
(fűtőérték) |
|---|---|---|---|
| Benzin (Super) | 7,31 ct/kWh[13] | 14,8 ct/kWh | 8,77 kWh/kg |
| Dízel | 4,73 ct/kWh[13] | 12,2 ct/kWh | 9,86 kWh/kg |
| Földgáz | 2,19 ct/kWh[13] | 8,2 ct/kWh[14] | 10-13,9 kWh/kg |
| Áram | 14,1 ct/kWh[13] | 30,22 ct/kWh | |
| Hidrogén | 12-20 ct/kWh[15] | 28 ct/kWh | 33,3 kWh/kg |
| P2G metán (2020)[16] | 17-25 ct/kWh | 15,39 kWh/kg | |
| P2G metán (2030)[16] | 13-20 ct/kWh | ||
| P2G metán (2050)[16] | 10-13 ct/kWh | ||
| A táblázat összehasonlításként a német árakat tartalmazza. Az árak (adóval) oszlopban a 2019-es árak szerepelnek.
A P2G árak a jövőbeli becslésekkel együtt szerepelnek.[16] | |||
A P2G energiagazdálkodási szerepe
[szerkesztés]Az energiatermelési rendszerekben egyre nagyobb hangsúly jut a megújuló energiák alkalmazásának. Ez egyfelől, főleg környezetvédelmi szempontból egy rendkívül fontos és üdvözlendő fejlemény, de a meglevő struktúrákat, az energiatovábbító és elosztó rendszereket komoly kihívások elé állítja. Az energiatovábbító rendszerek nincsenek igazán felkészülve az új energiaszállítási irányokra, és a hálózati energiatárolás sem megoldott még.
Jelenleg az energiahálózatok csak nagyon korlátozott mértékben alkalmasak energiatárolásra, de az újonnan felmerülő energiaingadozásokat ezek a rendszerek (például szivattyúturbinás tározóművek) sem képesek lassan a fejlődés dinamikájával követni. A P2G ebből a szempontból egy különleges megoldást kínál, hiszen az megújuló energiákat gázzá alakítja át, így azok a továbbiakban nem a villamoshálózat határait feszegetnék tovább, hanem a sokkal nagyobb és gazdaságosabb gázrendszerek tárolókapacitását terhelnék meg. Ráadásul míg a villamoshálózatban mindig a pillanatnyi energiamennyiséget kell megbízható módon kezelni, a gáztározás esetén ez az időkorlát sokkal tágabb.
Alkalmazott eljárások
[szerkesztés]Áram → metán
[szerkesztés]Az (angolul power to methane) eljárással a (főleg megújuló forrásokból nyert) villamos áramot első lépcsőben vízbontáshoz használják. Az elektrolízis során nyert hidrogént metanizációs eljárással szén-dioxid hozzáadásával metánná alakítják. Ezt a gázt a földgázhálózatokhoz adagolják, ahonnan aztán a végfelhasználókon kívül például kombinált ciklusú erőművek is tüzelőanyagként veszik fel, illetve üzemanyagként is alkalmazható.
Szintetikus metán előállítása
[szerkesztés]A P2G-vel előállított szintetikus metángáz nagyon fontos szerepet játszhat a megújuló technológiák világában, mivel a villamos energiával szemben alacsony költségvonzattal tárolható, a hagyományos földgázvezetékeken szállítható, a földgázhoz keverhető, illetve (idővel) akár teljes egészében ki is válthatja azt. A P2G eljárás hatékonyságát jelentősen növeli, ha a szintetikus gáz előállításkor keletkező hulladékhő is felhasználásra kerül, például távfűtési célra.
Elektrolízis
[szerkesztés]A víz elektrolízise során az elektródokra vezetett egyenáram nyomán hő, hidrogén és oxigén keletkezik. Az oxigént a P2G eljárások jellemzőn nem használják fel, a folyamat melléktermékeként más célra az eljárásból elvezethető. A keletkező hidrogén közvetlenül is felhasználásra kerülhet, például hidrogéncellás járművek üzemanyagaként. Az elektrolízis folyamata az alábbi reakcióval jellemezhető:
A hidrogénnek az egyik legnagyobb felhasználója a vegyipar, mely napjainkban még jellemzően a fosszilis földgázból állítja elő a szükséges mennyiséget. A hidrogént többek között a finomítók használják fel, illetve ammónia és metanol előállításához is nagy mennyiségben van rá szükség. Csak Németországban, 2010-ben 60 TWh energiát használtak el előállításához, mely mennyiség legalább részben a megújuló energiával előállított hidrogénnel kiváltható.[17]
A napjainkban zajló P2G fejlesztések egyik fontos célja az elektrolízis eljárás hatásfokának az emelése, a hulladékhő arányának a csökkentése. Ezekben a kutatásokban fontos irány a szilárd oxidos tüzelőanyag-cella fejlesztése.[18]
Kémiai metanizáció
[szerkesztés]
A metanizációs eljárások célja az elektrolízissel előállított hidrogén és szén-dioxid felhasználásával metángáz előállítása. A metán a hidrogénnel szemben egyrészt kevésbé illékony (nagyobb a molekulamérete), így könnyebben és hatékonyabban tárolható, másrészt tüzelőanyagként / üzemanyagként könnyebben felhasználható a már meglevő infrastruktúrákkal is. Harmadrészt továbbalakítható etanollá vagy propanollá.
A metán előállítása a következő reakció alkalmazásával történhet:
A fenti reakció exoterm, hőfelszabadulással jár. Maga a reakció két rész-reakcióval írható le:
- (1)
- (2)
Az első részreakció a WGS (Wassergas-Shift-Reaktion) endoterm, végterméke szénmonoxid és víz. A második részreakció egy Fischer–Tropsch-eljárással leírható exoterm folyamat, melynek eredményeként hő, metán és víz keletkezik. Amennyiben a reakció során keletkező hőt egyéb eljárásokra, például víz elgőzölögtetésére használják el, az átalakítás hatásfoka akár 16%-kal növelhető. A berendezés üzemeltetése jól kombinálható biogáz és víztisztító berendezésekkel, ahol sok szén-dioxid keletkezik melléktermékként, és sok hőt (gőzt) igényelnek technológiai eljárásaikhoz. [19]
Az átalakítás a Sabatier-folyamat felhasználásával is végrehajtható, ilyenkor a reakció magas hőmérsékleten és nyomáson történik, többnyire nikkel katalizátor jelenlétében. A reakció-hatékonyság növelésére ruténiumot és alumínium-oxidot is használnak.
Biológiai metanizáció
[szerkesztés]A metán biológiai előállításának az első lépcsője az elektrolízis, mely (többnyire) ebben az esetben is elektromos árammal történik. Az elektrolízis során viszont ügyelni kell a víz pH semlegességére és szobahőmérséklet fölötti hőmérsékletet kell tartani azt a bioreaktorban. A keletkező hidrogén metánná átalakítását a metanogén archeák (korábbi nevükön ősbaktériumok) végzik el. Ezeknek a mikroorgazmusoknak az alkalmazása lehetővé teszi, hogy alacsonyabb hidrogénkoncentráció esetén is végbemenjen a metanizáció. A biológiai átalakítás több lépcsőben zajlik; A metanogén archeák először kolonizálják a reaktort, majd a katódfelületeken megtelepedne enzimeket választanak ki, ezek segítségével a hidrogént metánná alakítják át.[20][21][22][23][24]
Egy fejlesztés alatt álló eljárásban a metanizációt közvetlenül a biogázüzemek fermentorában végeztetik el az archeákkal. Az eljárás egyik fontos újítása, hogy ide vezetik be a hidrogént, ahol jelentős mennyiségű széndioxid keletkezik a bomlási folyamatok végeredményeként. Ezzel az eljárással 95%-os metán-hozam érhető el úgy, hogy az itt keletkező hulladékhő továbbra is felhasználható marad.[25]
Áram → hidrogén
[szerkesztés]Az áram hidrogénné történő átalakítását jelenleg szinte kizárólag a elektrolízissel valósítják meg. Ez az eljárás voltaképpen az első résztechnológiája a P2G-nek, de természetesen önálló technológiaként is figyelembe lehet és kell venni, főleg annak tükrében, hogy csak Németországban 2010-ben 60 TWh energiát használtak fel a hidrogén előállításhoz. Ezt a hidrogénmennyiséget főleg a vegyipar használja fel, de a hidrogéncellás járművek (autók, buszok, vonatok stb.) is jelentős mennyiségű gázt igényelnek.
Áram → szintézisgáz
[szerkesztés]A metán vízgőzzel való reakciójakor (1000 °C, nikkel katalizátor jelenlétében) keletkezik a szintézisgáz (CO és H2 bármilyen arányú elegye), melyből több szerves vegyületet pl. metanolt állíthatnak elő, ezért fontos vegyipari alapanyag. A szintézisgáz az alapanyaga a szintetikus üzemanyagoknak.
Áram → etanol / propanol
[szerkesztés]Az etanol és propanol a vegyiparban igen keresett alapanyagoknak számítanak, így a P2G-vel kapcsolatos kutatások is részben ezeknek az alapanyagoknak az előállítására koncentrálnak. Egy nemzetközi kutatócsoport, ami főleg a bochumi Ruhr Egyetem kutatóiból és az Új-Dél-Wales Egyetem szakembereiből állt össze, egy meglehetősen újszerű eljárást talált. Megállapításuk szerint bizonyos enzimek kaszkád-reakcióival (egymást követő spontán reakciófázisok) közvetlenül és biológiai úton is előállítható a P2G végtermékeként az etanol és a propanol. „Az enzimek kaszkádreakcióinak átvitele a katalitikusan aktív nanorészecskékre döntő lépés lehet a katalizátorok tervezésében” – fejti ki az elvet Wolfgang Schumann, a kutatócsoport vezetője. [26]
Jegyzetek
[szerkesztés]- ↑ a b Heymann, Matthias. Die Geschichte der Windenergienutzung 1890– 1990. Frankfurt / New York, 54. oldal. o. [1995]
- ↑ Quaschning, Volker. Erneuerbare Energien und Klimaschutz. München, 323. oldal. o. (2013)
- ↑ Michael Sterner, Ingo Stadler. Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration., 2. kiadás, Springer Verlag, 663. oldal. o. (2017)
- ↑ Christina Wulf. Review of Power-to-Gas Projects in Europe, 367–378 oldal. o. (2018)
- ↑ Ram Gupta – Angelo Basile – T. Nejat Veziroglu: Compendium of Hydrogen Energy: Hydrogen Storage, Distribution and Infrastructure. 2016–02–03. ISBN 9781782423843 Hozzáférés: 2019. szeptember 23.
- ↑ hi!tech | Der Blog zum Innovationsmagazin von Siemens Österreich (német nyelven). www.hitech.at. (Hozzáférés: 2019. szeptember 23.)
- ↑ Using the Existing Natural Gas System for Hydrogen (angol nyelven). Issuu. (Hozzáférés: 2019. szeptember 23.)
- ↑ Blending Hydrogen into Natural Gas Pipeline Networks: A Review of Key Issues. (Hozzáférés: 2019. szeptember 23.)
- ↑ Jensen, Søren Højgaard, Mogens Bjerg (2015. november 6.). „Large-scale electricity storage utilizing reversible solid oxide cells combined with underground storage of CO2 and CH4”. Energy & Environmental Science 8, 2471–2479. o. DOI:10.1039/C5EE01485A. ISSN 1754-5692.
- ↑ Butera, Giacomo, Lasse Røngaard (2019. január 1.). „A novel system for large-scale storage of electricity as synthetic natural gas using reversible pressurized solid oxide cells”. Energy 166, 738–754. o. DOI:10.1016/j.energy.2018.10.079. ISSN 0360-5442.
- ↑ (German) Fraunhofer -Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes Archiválva 2021. március 5-i dátummal a Wayback Machine-ben, p. 18
- ↑ Power-to-Gas: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und Sensitivitätsanalyse. (Hozzáférés: 2019. október 4.)
- ↑ a b c d Energiepreise und Energiewende. (Hozzáférés: 2019. október 4.)[halott link]
- ↑ Günstigen Erdgas-Preis auch im Auto nutzen. www.erdgas.info. [2019. július 18-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2019. október 17.)
- ↑ Deutschlandtour: Im Toyota Mirai von Hamburg nach Stuttgart (német nyelven). www.t-online.de. (Hozzáférés: 2019. október 17.)
- ↑ a b c d Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer Brennstoffe. [2020. január 20-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2019. október 4.)
- ↑ Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer. Handbuch Regenerative Energietechnik, 3. kiadás. Berlin/Heidelberg, 763. oldal. o. (2017)
- ↑ Gahleitner, Gerda (2013. február 19.). „Hydrogen from renewable electricity: An international review of power-to-gas pilot plants for stationary applications”. International Journal of Hydrogen Energy 38 (5), 2039–2061. o. DOI:10.1016/j.ijhydene.2012.12.010. ISSN 0360-3199.
- ↑ Michael Sterner, Ingo Stadler. Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Berlin – Heidelberg, 420. oldal. o. (2014)
- ↑ Beese-Vasbender, Pascal F., Julia (2015. április 1.). „Selective microbial electrosynthesis of methane by a pure culture of a marine lithoautotrophic archaeon”. Bioelectrochemistry 102, 50–55. o. DOI:10.1016/j.bioelechem.2014.11.004. ISSN 1567-5394.
- ↑ Siegert, Michael, Alfred M. (2015. július 6.). „Methanobacterium Dominates Biocathodic Archaeal Communities in Methanogenic Microbial Electrolysis Cells”. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 3 (7), 1668–1676. o. DOI:10.1021/acssuschemeng.5b00367.
- ↑ Siegert, Michael, Matthew D. (2015. november 6.). „The presence of hydrogenotrophic methanogens in the inoculum improves methane gas production in microbial electrolysis cells” (english nyelven). Frontiers in Microbiology 5. DOI:10.3389/fmicb.2014.00778. ISSN 1664-302X.
- ↑ Sato, Kozo, Hajime (2013. február 1.). „Bio-electrochemical conversion of carbon dioxide to methane in geological storage reservoirs”. Energy Conversion and Management 66, 343–350. o. DOI:10.1016/j.enconman.2012.12.008. ISSN 0196-8904.
- ↑ Cheng, Shaoan, Douglas F. (2009. május 15.). „Direct Biological Conversion of Electrical Current into Methane by Electromethanogenesis”. Environmental Science & Technology 43 (10), 3953–3958. o. DOI:10.1021/es803531g. ISSN 0013-936X.
- ↑ Neues Power-to-Gas-Verfahren: Elektrolyse direkt in der Biogasanlage - scinexx | Das Wissensmagazin. www.scinexx.de. (Hozzáférés: 2019. október 2.)
- ↑ Nanopartikel machen aus Kohlendioxid nutzbares Ethanol – ingenieur.de (de-DE nyelven). ingenieur.de – Jobbörse und Nachrichtenportal für Ingenieure, 2019. szeptember 30. (Hozzáférés: 2019. október 9.)
Fordítás
[szerkesztés]- Ez a szócikk részben vagy egészben a Power-to-gas című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.
- Ez a szócikk részben vagy egészben a Power-to-gas című német Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.