Power to Gas - budoucnost akumulace elektřiny?

Power to Gas nebo také P2G je technologie přeměny elektrické energie na plynná paliva – vodík či metan, která je následně možné přidat do stávající infrastruktury zemního plynu bez vlivu na jeho spalovací vlastnosti. Tato metoda je využívána pro akumulaci elektrické energie z obnovitelných zdrojů, především solárních a větrných elektráren, v době jejich špičkové výroby, kdy je energie nadbytek a není pro ní jiné využití.

Akumulace energie

Se zvyšujícím se podílem výroby elektřiny v obnovitelných zdrojích se stává udržování vyrovnané bilance mezi vyrobenou a spotřebovanou energií stále problematičtější. Nalezení řešení pro skladování energie v měřítku elektrizačních soustav je pro budoucnost obnovitelné energie rozhodující. Současným řešením s 99 % veškeré akumulační kapacity jsou přečerpávací vodní elektrárny, ty včetně baterií, setrvačníků a dalších technologií mají své nedostatky a žádná z nich prozatím není schopna nabídnout uspokojivé řešení v dostatečném měřítku.

Mnoho technologií akumulace elektrické energie prochází v současné době výzkumem a testováním, baterie a setrvačníky jsou vynikající pro rychle dostupnou energii a regulaci frekvence, ale nejsou vhodné pro dlouhodobé skladování. Přečerpávací vodní elektrárny a ukládání energie do stlačeného vzduchu CAES nabízejí dlouhodobější skladování, ale jsou zásadně omezeny požadavkem vyhovujících lokalit.

Metoda Power to Gas se zdá být elegantním řešením, které by mohlo být budoucností akumulace energie. Vyrobený vodík a metan mohou být skladovány a distribuovány skrze stávající rozvinutou infrastrukturu zemního plynu – soustavu plynovodů a zásobníků, která například v Německu dosahuje akumulační kapacity 200 000 GWh. To je kapacita dostatečná k pokrytí několikaměsíční spotřeby energie celého Německa.

Pro srovnání, celková akumulační kapacita německých přečerpávacích vodních elektráren se pohybuje okolo 40 GWh.

Princip technologie Power to Gas

Výroba vodíku – elektrolýza vody

Technologie P2G spočívá ve využití elektrické energie k výrobě vodíku za pomocí elektrolýzy vody. Ten může být následně využit jako CO2 neutrální palivo pro automobily nebo přidán do soustavy zemního plynu až do výše 2 % objemového podílu bez vlivu na spalovací vlastnosti plynu.

Výroba vodíku může být provedena následujícími typy elektrolýzy:

• alkalická elektrolýza – elektrolýza s tekutým elektrolytem
• PEM elektrolýza – polymerová membrána
• SOEC elektrolýza – palivový článek s pevnými oxidy

Technickými problémy při využívání starších generací alkalické elektrolýzy byl pomalý náběh za studena, který značně omezuje flexibilitu a tím efektivitu využití pro integraci do elektrizační soustavy. Nové generace byly navrženy, aby snížily dobu ze studeného startu z minut na sekundy.

PEM elektrolýza je považována za velice perspektivní metodu a její výhodou je velmi rychlá odezva, rychlejší náběh na provozní teplotu a tedy rychlé přizpůsobení výkyvům v provozu oproti alkalické elektrolýze. Jelikož se jedná v podstatě o reverzní vodíkový palivový článek, očekává se snížení nákladů s vývojem palivových článků pro vozidla.

Všechny metody elektrolýzy jsou v současné době ve stádiu výzkumu a zkušebních provozech.

Výroba metanu – metanizace

Další možností využití vodíku je následná výroba syntetického zemního plynu (SNG) neboli metanu tzv. metanizací neboli sloučením vodíku a oxidu uhličitého prostřednictvím Sabatierovy reakce za vysoké teploty a tlaku. Při splnění požadované čistoty vyrobeného plynu je možné jej přidat do soustavy zemního plynu bez omezení.

Účinnost přeměny energie

Systémová účinnost a náklady na technologii Power to Gas se značně liší případ od případu a jsou úzce spjaty s celkovou systémovou integrací zejména v případě CO2 metanizace.

Výroba vodíku elektrolýzou dosahuje účinnosti až 80 %, za nejpříznivějších okolností se následná účinnost výroby metanu pohybuje okolo 90% a celý proces výroby metanu tak dosahuje účinnosti okolo 70 %. Vše ovšem záleží na metodě získávání oxidu uhličitého, využívání vzniklého tepla a dalších okolnostech.

Proces přeměny elektřiny na plyn a následné opětovné výroby elektřiny spalováním plynu dosahuje účinnosti okolo 45 % v případě vodíku a 40 % při přeměně metanu.

Instalace

V současné době probíhá testovací provoz a veškeré využívané metody jsou prozatím ve stádiu výzkumu za cílem snížení nákladů, které se podle odborníků očekává v horizontu 10 let.

Power to Gas v České republice

Pilotní projekt v České republice se nachází v pražské Řeži, kde výzkum akumulace pomocí vodíku probíhá již od roku 2009. V loňském roce proběhl testovací provoz projektu, kde se o výrobu elektřiny stará 60 fotovoltaických panelů a dlouhodobá akumulace je řešena přeměnou elektřiny na vodík a jeho následné ukládání v zásobní nádrži o kapacitě 330 kWh.

Zhruba před týdnem byla oznámena spolupráce České republiky a Německa na vývoji vodíkových technologií a palivových článků, jedná o jednu z prvních zemí, které byla spolupráce nabídnuta. Českým výzkumným institucím přinese tato kooperace pšístup k pokročilým technologiím, spolupráci s německými společnostmi a investice z německého Národního inovačního programu.

Power to Gas v Německu

V Německu je v současné době v provozu 17 instalací technologií Power to Gas, další 3 jsou ve výstavbě a 2 momentálně plánované.

Společnost ITM v roce 2013 ve Frankfurtu nad Mohanem uvedla do provozu Thüga Power to Gas zařízení. To se stalo na konci roku 2013 vůbec prvním, které vpravilo elektrolyticky vyrobený vodík do německé distribuční soustavy zemního plynu.

Celé zařízení,  využívající PEM elektrolýzy, je ve formě kontejneru o rozměrech 2,45×6×3,3 m, o hmotnosti 10 t a je schopno vyrobit 60 m³ vodíku za hodinu. Na projektu se podílí 13 energetických společností a je finančně podporován ministerstvem zemědělství, životního prostředí a ochrany spotřebitelů Hesenska.

V roce 2016 má být spuštěn navazující projekt, jež bude využívat vodíku k výrobě metanu a ten posléze vpravovat do distribuční soustavy.

Další zkušební provoz technologie uvedl do provozu E.ON a Swissgas v srpnu 2013 na východě Německa ve Falkenhagenu. Využívá se energie z větrné elektrárny pro výrobu vodíku a jeho následné vpravování do distribuční soustavy plynu. Zařízení disponuje výkonem 2 MWe a kapacitou výroby  vodíku 360 m³ za hodinu.

Společnost Audi se zabývá vývojem CO2 neutrálních paliv Audi e-fuels od roku 2009. Mimo proces výroby paliva e-diesel, který také vychází z elektrolýzy vody, Audi v továrně ve Werlte v Dolním Sasku vyrábí plynné palivo Audi e-gas, což je syntetický metan, který si mohou majitelé vozu Audi A3 Sportback g‑tron tankovat za pomocí speciální palivové karty. Výrobní stanice Audi ve Werlte dosahuje výkonu 6 MW.