Power to Gas: Technologie propojující plynárenský a elektroenergetický trh

Na téma snižování emisí skleníkových plynů bylo již napsáno mnoho. Existuje celá řada cest, jak bude možné dosáhnout kýženého snížení emisí, respektive uhlíkové neutrality. Jednou z cest je rozvoj výrobních kapacit energií z obnovitelných zdrojů, zejména pak využití sluneční a větrné energie. Výhoda této cesty je výroba elektřiny při nulových emisích skleníkových plynů, nevýhodou na druhé straně je jejich intermitentní povaha. Abychom byli schopni využít maximum potenciálu obnovitelných zdrojů, bude nutné mimo jiné vyřešit otázku tzv. sezónní flexibility, anebo lépe akumulace. Jde o to, jak nejlépe využít očekávané přebytky z výroby elektřiny při nižší poptávce v obdobích, kdy situace bude opačná. Jednou ze slibných cest je využití akumulačního potenciálu plynárenských sítí, a to formou technologie Power to Gas.

V roce 2018 začala společnost NET4GAS partnerský pilotní projekt, jehož cílem je ověřit možnost takzvaného ozelenění plynárenské infrastruktury. Projekt je založen na využití dvou technologií, první je technologie na výrobu čistého vodíku pomocí elektrolýzy vody a druhou je bio-metanizace, tedy výroba biometanu, kde zdrojem CO₂ je bioplyn dodávaný z existující bioplynové stanice.

V současné době je projekt ve fázi, kdy byla dokončena studie proveditelnosti, která rámcově potvrdila realizovatelnost projektu. Zpracování studie se zhostila německá společnost microbEnergy, která stála za zrodem obdobného projektu v německém Allendorfu.

Zvolené technologie a jejich kapacita

Jelikož se jedná o pilotní projekt, jehož cílem je ověření funkčnosti celého technologického celku v českých podmínkách, byly zvoleny malé výkony.

Výroba vodíku se předpokládá elektrolýzou vody, pro kterou byla vybrána technologie vodíkové elektrolýzy s polymerním elektrolytem (PEM). Základem PEM technologií je pevný elektrolyt, tedy polymerní membrána, která odděluje elektrodové prostory elektrolytické cely a zároveň slouží k transportu H+ iontů mezi elektrodami. K elektrochemickým reakcím dochází v katalytické vrstvě plynově propustných elektrod, které jsou tvořeny porézními uhlíkovými materiály. Katalyzátor je tvořen nanočásticemi platiny na uhlíkovém nosiči. Účinnost PEM elektrolýzy je v rozmezí 65 až 85 % a její výhodou je také vysoká provozní flexibilita a kompaktnost.

Elektrolýzu vody na vodík a kyslík lze vyjádřit pomocí následující reakční rovnice:

2 H2O → 2 H2 + O2 (∆H0 = +571,8 kJ/mol (@298 K; 1,013bar)

Elektrolyzér má plánovanou instalovanou kapacitu 0,5 MWe a schopnost vyrábět cca 100 m3 vodíku za hodinu. Čistota takto vyrobeného vodíku se předpokládá, že je 99,9 %. Pro možnost vyšší optimalizace, např. díky vysoké volatilitě denních cen elektřiny, se zvažuje umístění vodíkového zásobníku. Elektrolyzér bude připojen k místně příslušné elektrické distribuční soustavě. Pro vtláčení vodíku do plynárenské soustavy bude nutné vodík stlačit na tlak cca 50 barů.

Druhou alternativou bude využití vodíku jako suroviny pro výrobu biometanu. Tu má zajišťovat technologie biologické metanizace, která je založena na schopnosti speciálních mikroorganismů (bakterie Archaea) přeměňovat oxid uhličitý a vodík na metan a vodu. Jedná se o metabolický proces, který probíhá v reaktorovém systému za přísně anaerobních podmínek. Biologická metanizace probíhá v kapalném roztoku obsahujícím mikroorganismy jako biologický katalyzátor. Proces se provádí stechiometricky podle následující reakční rovnice:

CO₂ + 4 H₂ → CH₄ + 2 H₂O (∆H0 = -164 kJ/mol)

Jak již bylo uvedeno, zdrojem CO₂ je v tomto případě bioplyn, který může dodávat již existující bioplynová stanice, v jejíž blízkosti se technologie plánuje umístit. Aby byl zajištěn stabilní proces výroby biometanu, je nezbytné řídit přesný poměr mezi tokem oxidu uhličitého a vodíku.

Při plném využití produkce vodíku se předpokládá výroba 50 m₃ metanu za hodinu, včetně metanu obsaženého v dodaném bioplynu. Jde tedy o směs syntetického metanu a biometanu. Po vyčištění a úpravě tlaku je bio-syntetický metan připraven pro vtláčení do plynárenské soustavy, nebo může být po vyšším stlačení využíván jako vhodný zdroj BioCNG. V pilotním projektu se počítá s ročním provozem v rozmezí 1000 až 3000 hodin.

Technologie Power to Gas je v České republice stále ještě na svém začátku a z důvodu vysokých pořizovacích nákladů má do ekonomicky soběstačného provozu ještě daleko. Pomineme-li ekonomiku, realizace uvedeného projektu také naráží na stávající podmínky legislativně-právního rámce, který realizaci velmi komplikuje. Zkušenosti ze zahraniční, ale i z přípravy tohoto projektu však již dnes potvrzují, že tato technologie, za využití existující plynárenské infrastruktury, bude vhodným doplňkem akumulace pro využití výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů. Vodík je v současnosti velkým tématem a příslibem do budoucna. Jestli jeho využití bude jako nosič energie nahrazující paliva v dopravě, anebo se ve velké míře stane surovinou pro výrobu biometanu, ukáže až čas.

Biologická syntéza

Biologické pochody vedoucí ke vzniku bioplynu z biomasy jsou známy již nějaké století. Vše, co bakterie umí, však nepřestává vědce překvapovat. Výzkum v tomto segmentu je stále velmi aktivní, a tak je slibné, že právě biologická syntéza metanu bude převládat nad katalytickou. V současné době jsou již provozně připravené technologie popisované výše, tzn. ze surového bioplynu přidáním H₂ produkovat vysoce čistý metan. Jsou ale i takové, které to umí pouze z CO₂ a H₂. Je tedy úplně jedno, zda jde o CO₂ z bioplynu anebo ze zachyceného CO₂ ze spalování fosilních paliv.

Je tedy možné tvořit velmi krátký koloběh uhlíku, který není třeba vázat na biomasu. Syntéza dokonce nemusí probíhat ani ve speciálních reaktorech (fermentorech), ale může se přesunout do podzemních zásobníků zemního plynu. Metanogenní bakterie zdárně žijí i v těchto, pro běžný život extrémních podmínkách.

V podzemí tak může probíhat syntéza metanu z uloženého CO₂ za přídavku H₂. Takový projekt již funguje v sousedním Rakousku a je připravován i u nás. Plánovali jsme tam exkurzi, ale museli jsme ji zrušit, a proto jestli tato technologie někoho zaujme, je možné se na ni podívat alespoň virtuálně na stránkách https://www.rag-austria.at/.

A jak to tak bývá, k objevení principu metanizace v podzemních zásobnících, pomohla náhoda. Podzemní zásobníky, často po vytěžení zemního plynu, sloužily k uskladnění svítiplynu. Hlavní energetické složky svítiplynu jsou tvořeny H₂ a metanem. Ve svítiplynu se však nachází i CO a CO₂. Složení svítiplynu se již v samých počátcích plynové éry monitorovalo a ze záznamů bylo patrné, že objem H₂ se snižoval s rostoucím časem skladování. Tenkrát to bylo přisuzováno těkavosti H₂ a jeho samovolné migraci do pórovité struktury zásobníku. Až o mnoho let později bylo zjištěno, že je úměrnost mezi snížením objemu H₂ + CO₂ a zvýšením objemu metanu ve svítiplynu. Pak už moc nechybělo, aby byl odhalen princip metanizace biologickými metodami v extrémních podmínkách. Dnes podzemní zásobníky mohou sloužit jako obří reaktory pro biologickou metanizaci a současně jako sklady neuplatněné elektřiny ze slunce, větru či vody.

Článek byl publikován v časopisu Biom 1/2021 Flexibilita energie biomasy a bioplynu.

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu