Power-to-X: przyszłość neutralna pod względem emisji CO2
Dekarbonizacja i gospodarka niskoemisyjna to tematy obecne dziś w sektorze energetycznym bardziej niż kiedykolwiek. Nic dziwnego, że w WAGO mamy już w tym zakresie przygotowaną paletę rozwiązań:
Od produkcji i magazynowania
do wykorzystania energii odnawialnej
Nasze produkty i rozwiązania dla zielonego wodoru
1. Produkcja – energia odnawialna
Zielony wodór będzie odgrywał kluczową rolę w dążeniu do obniżenia emisyjności, a w perspektywie długoterminowej zastąpi kopalne źródła energii. W chwili obecnej kładzie się nacisk na wykorzystanie wodoru jako surowca, na przykład do produkcji paliw syntetycznych lub produkcji amoniaku i metanolu.
Zielony wodór pozyskiwany jest z odnawialnych źródeł energii w procesie elektrolizy. Możliwości jego magazynowania pozwalają na odseparowanie wytwarzania energii od jej zużycia. Przykładowo, nadwyżki energii słonecznej z instalacji fotowoltaicznych mogą być gromadzone w sezonie letnim na czas zimowy lub okresy mniejszego nasłonecznienia, i w razie potrzeby można po nie sięgać w późniejszym terminie. Ogromny potencjał magazynowania energii tkwi w obszarze rozwiązań telesterowania. Umożliwiają one magazynowanie energii w kraju, zamiast sprzedaży nadwyżek energii za granicę.
W celu dostosowania do warunków w sieci trybu pracy urządzeń do wytwarzania energii (OZE) zalecamy zastosowanie w punkcie przyłączenia do sieci sterownika OZE z WAGO Power Plant Control. Nasze solidne rozwiązania RTU z protokołami IEC 61850, IEC 60870, DNP3 lub Modbus umożliwiają optymalizację telesterowania.
2. Produkcja – elektroliza
Elektroliza to sprawdzona metoda rozkładu wody (H2O) na wodór (H2) i tlen (O2) poprzez przepływający prąd elektryczny. Najbardziej znane metody elektrolizy to elektroliza alkaliczna (AEL), elektroliza membranowa z wymianą protonów (PEM) i elektroliza wysokotemperaturowa (HTE). Zielony wodór uzyskiwany w procesie elektrolizy z wykorzystaniem energii z odnawialnych źródeł, jako bezbarwny, przezroczysty gaz, ma w przyszłości pokryć zapotrzebowanie w wielu obszarach, które nadal są zasilane przez kopalne źródła energii. Może się znacząco przyczynić do obniżenia emisyjności naszego społeczeństwa. Aby w perspektywie długoterminowej przestawić się na zrównoważoną gospodarkę wodorową, potrzebne są mniejsze, rozproszone instalacje produkcji wodoru oraz centralne elektrolizery o bardzo wysokiej sprawności.
3. Transformacja
Szczególnie w przemyśle chemicznym i rafineryjnym często stosuje się wodór jako materiał wyjściowy do transformacji matodami Power-to-X. Stosuje się go między innymi do produkcji amoniaku i metanolu.
Produkcja amoniaku i metanolu
Amoniak jest wytwarzany w procesie tzw. syntezy amoniaku. Roztwór amoniaku, jako nośnik energii, dobrze nadaje się do transportu i magazynowania. Dzięki temu w przyszłości amoniak będzie można stosować jako paliwo w technologii Power-to-X, na przykład do napędzania silników i elektrowni. Metanol jest organiczną substancją chemiczną produkowaną w dużych ilościach, która może być również stosowana jako chemiczny surowiec lub nośnik energii. Podobnie jak przy produkcji amoniaku, do syntezy mentanolu potrzebne są wodór i CO2.
W przyszłości, dzięki paliwom syntetycznym, tak zwanym e-paliwom (eFuels), silniki spalinowe mogłyby być neutralne pod względem emisji CO₂. Produktem wyjściowym do produkcji paliwa syntetycznego jest wodór. Wytwarza się go w procesie elektrolizy, przez rozkład wody na wodór (H2) i tlen. Aby wodór stał się paliwem ciekłym, dodaje się do niego dwutlenek węgla (CO₂), który powstaje jako produkt odpadowy w przemyśle lub biogazowniach. Mieszanina powstała w wyniku tego procesu przyjmuje w wyniku określonych procesów chemicznych właściwości benzyny, nafty lub oleju napędowego i nadaje się do zastosowania w silnikach benzynowych, wysokoprężnych lub w napędach statków powietrznych. Co więcej, wodór zawarty w amoniaku może zostać odzyskany i ponownie wykorzystany.
Transformacja – eFuels, paliwa syntetyczne
Podczas gdy tradycyjne paliwo jest wytwarzane z ropy naftowej, gazu ziemnego lub węgla, alternatywne paliwa powstają z materiałów biopochodnych lub syntetycznych. Biopaliwa otrzymuje się z roślin, resztek roślinnych lub z obornika. Natomiast paliwa syntetyczne, neutralne pod względem emisji CO2, są produkowane w procesie chemicznym, który z reguły nie wymaga użycia surowców kopalnych. Produktem wyjściowym do produkcji paliwa syntetycznego jest wodór. Aby wodór stał się paliwem ciekłym, dodaje się do niego dwutlenek węgla (CO₂), który powstaje jako produkt odpadowy w przemyśle lub biogazowniach. Procesy te prowadzą do powstania syntetycznie wytworzonej benzyny, kerozyny lub oleju napędowego, które mogą być stosowane w konwencjonalnych silnikach spalinowych.
4. Transport
Transport wodoru jest możliwy bez ponoszenia ogromnych nakładów za pomocą zbiorników ciśnieniowych, jeżeli ma on postać gazową, lub za pomocą specjalnych zbiorników, jeżeli jest transportowany w postaci płynnej. W Niemczech do transportu, magazynowania i dystrybucji wykorzystuje się częściowo istniejącą sieć gazu ziemnego. Wariant ten jest znacznie tańszy niż tworzenie zupełnie nowych systemów. Przy zastosowaniu elektrolizerów nadwyżki energii z elektrowni słonecznych lub wiatrowych mogą być gromadzone przez dłuższy czas w postaci wodoru. Aby szybko i elastycznie reagować na wahania zasilania energią elektryczną, wodór można szybko przekształcić w energię elektryczną, stosując technologię ogniw paliwowych lub przy szczytowych obciążeniach łączyć ten proces z elektrowniami gazowymi.
W celu dalszego ograniczenia emisji CO2, istnieje techniczna możliwość zastąpienia gazu ziemnego w przemyśle wodorem, lub tymczasowych domieszek wodoru do gazu ziemnego bez konieczności przeprowadzania gruntownych modyfikacji infrastruktury.
Podobnie wygląda sytuacja w przypadku syntetycznych pochodnych (eFuels) lub surowce chemiczne takie jak amoniak lub metanol. Także w tym przypadku można wykorzystać istniejącą infrastrukturę i procedury.
5. Zastosowanie – przemysł metalurgiczny
Przemysł metalurgiczny odpowiada obecnie w UE za ok. 5% całkowitej emisji gazów cieplarnianych. W konwencjonalnej produkcji stali w procesie wielkopiecowym powstają znaczne ilości CO2. W celu obniżenia poziomu emisji, istotne dla procesu redukcji związki wodoru i tlenku węgla mogą być dostarczane poprzez elektrolizę wysokotemperaturową. Najprostszym sposobem sprzężenia tych procesów jest domieszanie wodoru do gazu ziemnego. Zastosowanie zielonego wodoru może przyczynić się do znacznych redukcji emisji CO2.
6. Zastosowanie – przemysł chemiczny/rafineryjny
W przemyśle chemicznym i rafineryjnym wodór jako surowiec odgrywa ogromną rolę. Aby jednak osiągnąć neutralność pod względem emisji CO2, transportu drogowego, morskiego i lotniczego, potrzebne są znaczne ilości wodoru. W celu pokrycia tego zapotrzebowania, stosuje się tzw. metody Power-to-X (PTX), na przykład w celu przekształcenia nadwyżek energii elektrycznej w wodór, a następnie w paliwo. Do produkcji paliw syntetycznych można wykorzystać zielony wodór i CO2 z atmosfery, a także z procesów przemysłowych i biomasy. Zasadniczo bardziej efektywne jest bezpośrednie wykorzystanie energii elektrycznej, niż jej przekształcanie w inne formy. Ponieważ jednak odnawialne źródła energii nie gwarantują ciągłego i stałego wytwarzania energii, metody Power-to-X w połączeniu z technologiami magazynowania energii mogą stać się w przyszłości ważnym elementem transformacji energetycznej.
7. Zastosowanie – sektor mobilności
Dzięki technologiom i procesom Power-to-X energia z odnawialnych źródeł może być długotrwale magazynowana i wykorzystywana w sposób przyjazny dla środowiska, niezależnie od miejsca, w którym została wytworzona. „Zielony" wodór i jego pochodne stają się w pełni bezemisyjnymi źródłami energii – przede wszystkim syntetyczną kerozyną w transporcie lotniczym, amoniakiem lub metanolem.
Wodór stanowi zrównoważoną alternatywę dla napędu statków, ogniw paliwowych dla transportu ciężkiego i kolejowego oraz pojazdów z napędem bateryjnym w transporcie indywidualnym – zwłaszcza tam, gdzie napędy akumulatorowe osiągają granice swoich możliwości.
