Főmenü megnyitása

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 kaszkád-reakcióival 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 történeteSzerkesztés

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 továbbításSzerkesztés

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.

HatásfokSzerkesztés

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.

Teljes energiaátalakítási hatékonyság alkalmazott konverziók és tüzelőanyagok szerint
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 egyenlegSzerkesztés

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] : 

ÁrakSzerkesztés

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 szerepeSzerkesztés

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 eljárásokSzerkesztés

Áram → metánSzerkesztés

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 előállításaSzerkesztés

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.

ElektrolízisSzerkesztés

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 metanizációSzerkesztés

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 rekció 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 metanizációSzerkesztés

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 → hidrogénSzerkesztés

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,..) is jelentős mennyiségű gázt igényelnek.

Áram → szintézisgázSzerkesztés

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 / propanolSzerkesztés

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 kaszkád reakcióinak átvitele a katalitikusan aktív nanorészecskékre döntő lépés lehet a katalizátorok tervezésében" – fejti ki az elvet Wolfgang Schumann, a kutatócsoport vezetője. [26]

JegyzetekSzerkesztés

  1. a b Heymann, Matthias. Die Geschichte der Windenergienutzung 1890 - 1990. Frankfurt / New York, 54. oldal. o. [1995] 
  2. Quaschning, Volker. Erneuerbare Energien und Klimaschutz. München, 323. oldal. o. (2013) 
  3. Michael Sterner, Ingo Stadler. Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration., 2. kiadás, Springer Verlag, 663. oldal. o. (2017) 
  4. Christina Wulf. Review of Power-to-Gas Projects in Europe, 367–378 oldal. o. (2018) 
  5. Ram Gupta – Angelo Basile – T. Nejat Veziroglu: Compendium of Hydrogen Energy: Hydrogen Storage, Distribution and Infrastructure. 2016–02–03. ISBN 9781782423843 Hozzáférés: 2019. szept. 23.  
  6. hi!tech | Der Blog zum Innovationsmagazin von Siemens Österreich (német nyelven). www.hitech.at. (Hozzáférés: 2019. szeptember 23.)
  7. Using the Existing Natural Gas System for Hydrogen (angol nyelven). Issuu. (Hozzáférés: 2019. szeptember 23.)
  8. Blending Hydrogen into Natural Gas Pipeline Networks: A Review of Key Issues. (Hozzáférés: 2019. szeptember 23.)
  9. Jensen, Søren Højgaard, Mogens Bjerg (2015. október 17.). „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.  
  10. 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.  
  11. (German) Fraunhofer -Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes, p. 18
  12. Power-to-Gas: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und Sensitivitätsanalyse. (Hozzáférés: 2019. október 4.)
  13. a b c d Energiepreise und Energiewende. (Hozzáférés: 2019. október 4.)
  14. Günstigen Erdgas-Preis auch im Auto nutzen. www.erdgas.info. (Hozzáférés: 2019. október 17.)
  15. Deutschlandtour: Im Toyota Mirai von Hamburg nach Stuttgart (német nyelven). www.t-online.de. (Hozzáférés: 2019. október 17.)
  16. a b c d Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer Brennstoffe. (Hozzáférés: 2019. október 4.)
  17. Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer. Handbuch Regenerative Energietechnik, 3. kiadás. Berlin/Heidelberg, 763. oldal. o. (2017) 
  18. 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.  
  19. Michael Sterner, Ingo Stadler. Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Berlin – Heidelberg, 420. oldal. o. (2014) 
  20. 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.  
  21. 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.  
  22. Siegert, Michael, Matthew D. (2015. október 17.). „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.  
  23. 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.  
  24. 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.  
  25. Neues Power-to-Gas-Verfahren: Elektrolyse direkt in der Biogasanlage - scinexx | Das Wissensmagazin. www.scinexx.de. (Hozzáférés: 2019. október 2.)
  26. 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.)

FordításSzerkesztés

  • 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 szócikk részben vagy egészben a Power-to-gas című német Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel.