Získávání plynu z obnovitelných zdrojů: Metody a perspektivy

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.

Power to Gas (P2G)

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. 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.

Aplikace technologie Power to Gas

Technologie P2G spočívá ve využití elektrické energie k výrobě vodíku za pomocí elektrolýzy vody. 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. 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.

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. 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 %.

Projekty Power to Gas realizované v Německu

Společnost ITM v roce 2013 ve Frankfurtu nad Mohanem uvedla do provozu Thüga Power to Gas zařízení. 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. 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.

Čtěte také: Získávání energie

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.

Biometan

Biometan by mohl podle zástupců Komory obnovitelných zdrojů energie do roku 2030 nahradit zemní plyn až ve čtvrtině českých domácností. Biometan je vyčištěný bioplyn obsahující alespoň 95 % metanu. Má srovnatelné vlastnosti jako zemní plyn, který je do České republiky dovážen převážně z Ruska.

Biometan může představovat alternativu zemního plynu ve všech sférách využití. Místo zemního plynu jej lze nasadit bez nutnosti úprav technologií nebo jakýchkoliv dalších investic. Biometan má v rámci běžných biopaliv nejnižší emise skleníkových plynů a nejnižší spotřebu energie ve svém životním cyklu - zejména, pokud je produkován z odpadní biomasy.

Obrovská výhoda biometanu oproti jiným obnovitelným zdrojům spočívá v tom, že je možné jej vyrábět kontinuálně bez závislosti na počasí. Vyprodukovaný biometan je navíc možné uložit a skladovat. Právě tento akumulační potenciál zvyšuje možnosti obnovitelných zdrojů jako celku - biometan může být ideálním doplňkem k solárním nebo větrným elektrárnám.

Výroba biometanu

Na počátku vzniku biometanu je bioplyn. Ten vzniká anaerobní digescí organických materiálů - zjednodušeně přeměnou organických látek bez přístupu vzduchu. Výsledkem tohoto procesu je bioplyn skládající se převážně z metanu a oxidu uhličitého. Obsah metanu v bioplynu se liší, standardně se však pohybuje okolo 50-55 %. Oxid uhličitý tvoří zhruba třetinu bioplynu.

Čtěte také: Získávání barev

Pro vznik biometanu je třeba zajistit hodnotu metanu minimálně 95 %, naopak podíl oxidu uhličitého by měl klesnout pod 2,5 %. Způsobů, jakým biometan z bioplynu získat, existuje celá řada. V rámci procesu lze rozlišit dvě hlavní fáze - čištění bioplynu a jeho samotný upgrading neboli zušlechťování. Během čištění bioplynu dochází k odstraňování vody a jiných stopových nečistot, jako je například sulfan nebo amoniak. Upgrading je fáze, ve které je separován metan a oxid uhličitý.

Mezi nejpoužívanější metody úpravy bioplynu patří vysokotlaká vodní vypírka, chemická vypírka, metoda střídání tlaků, kryogenní separace a membránová separace. Každá z technik má své výhody a nevýhody. Všechny z nich jsou provozně ověřené a dostupné pro komerční využití. Nedá se říci, že by některá z těchto technik převládala.

Na podzim roku 2019 se v Rapotíně na Šumpersku rozjela první výrobna biometanu v České republice. Místní bioplynová stanice zpracovává biologicky rozložitelný odpad - zejména obsah hnědých kontejnerů, zkažené a prošlé jídlo z potravinových prodejen a výroben či zbytky z restaurací z blízkého okolí. Doposud byl takto získávaný bioplyn měněn v kogenerační jednotce na elektrickou energii a teplo.

Zatímco kogenerační jednotky mají účinnost zhruba 40 %, membránová separace při výrobě biometanu více než 99 %. Získaný biometan může být vtlačen do plynárenské soustavy, kde se uloží a je připraven ke spotřebě. Současná cena biometanu je vyšší než u konvenčního plynu. Přesto je využíván řadou firem, které chtějí zajistit ekologičtější produkci a provoz. Stejně tak stát se chystá v souladu s požadavky na navýšení podílu obnovitelných zdrojů v dopravě a snížení emisí výrobu biometanu podporovat.

Vodík

Vodík je stále důležitější jako slibný nosič čisté energie - zejména s ohledem na budoucnost, která bude ohleduplnější ke klimatu. Jednoduše řečeno, vodík je bezbarvý plyn bez chuti a bez zápachu. Má pověst nejjednoduššího a nejhojnějšího chemického prvku ve vesmíru. Funguje jako výkonné palivo a lze jej využít k výrobě elektřiny, pohonu vozidel a výrobě tepla.

Čtěte také: Ochrana ovzduší a čištění plynů

Technologie výroby vodíku

Existuje několik technologií pro výrobu vodíku, které lze použít v závislosti na specifických požadavcích a dostupných zdrojích:

• Parní reforming zemního plynu: V současné době se jedná o nejrozšířenější technologii výroby vodíku. V tomto procesu se zemní plyn, který se skládá převážně z metanu, ohřívá vodní párou za přítomnosti katalyzátoru. V tomto procesu reaguje metan v zemním plynu s vodní párou, čímž vzniká vodík (H2) a oxid uhelnatý (CO). Získaný vodík se čistí a lze jej následně použít jako palivo ve vozidlech, k výrobě elektřiny v palivových článcích nebo v různých průmyslových aplikacích. Tento proces je levný, ale má i nevýhody.
• Solární výroba vodíku: V této metodě se k provádění elektrolýzy používá solární energie namísto elektrické energie. Lze k tomu využít buď přímé sluneční světlo, nebo soustředit sluneční záření pomocí slunečních zrcadel nebo kolektorů.
• Termochemická výroba vodíku (biologická výroba vodíku): Některé mikroorganismy, například určité bakterie nebo řasy, dokážou produkovat vodík fermentací nebo fotosyntézou. Tato metoda se stále ještě vyvíjí, ale má potenciál jako udržitelný a ekologický zdroj vodíku.

Udržitelnost výroby vodíku

Je třeba poznamenat, že ne všechny procesy výroby vodíku jsou stejně udržitelné nebo šetrné k životnímu prostředí. Udržitelnost výroby vodíku závisí na použitém zdroji energie a na emisích CO2, jež vznikají během výrobního procesu. Aby bylo možné co nejlépe využít výhod vodíku jako čistého zdroje energie, je velmi důležité využívat k jeho výrobě obnovitelné zdroje energie. Využití obnovitelných zdrojů energie, jako je sluneční či větrná energie nebo energie z vodních elektráren, může výrazně snížit emise CO2 při výrobě vodíku a zajistit větší udržitelnost. Takto se vyrábí vodík šetrný k životnímu prostředí.

Vodík je také často označován jako „šampaňské energetické transformace“. Proces elektrolýzy je nejslibnější. Elektrolýza umožňuje ekologicky šetrnou výrobu vodíku, zejména pokud použitá elektřina pochází z obnovitelných zdrojů energie. Tyto technologie hrají důležitou roli v nástupu čistého vodíku jako trvale udržitelného nosiče energie pro různé aplikace.

Dekarbonizace průmyslu

Průmysl výrazně přispívá ke změně klimatu tím, že vypouští velké množství skleníkových plynů. Zároveň jde o oblast lidské činnosti, jejíž dekarbonizace je velmi obtížná. Při dekarbonizaci průmyslu bude potřeba jednak nahradit zdroje tepelné energie využívané při výrobě, jednak snížit emisní náročnost výrobních procesů, což jsou často chemické reakce.

Možnosti dekarbonizace průmyslu

• CCS (Carbon Capture and Storage): Proces zachytávání CO2 se označuje zkratkou CCS (Carbon Capture and Storage). Zachycené CO2 je následně přepraveno a uloženo v geologických strukturách, například do vytěžených ložisek zemního plynu a ropy či do hluboce uložených geologických vrstev obsahujících slanou vodu. Tato technologie se pro využití v dekarbonizaci průmyslu hodí zejména v případech, kdy chemické reakce, při nichž vzniká CO2, není možné přímo nahradit či nelze výrazně snížit jejich emisní náročnost.
• Zelený vodík: Může nahradit fosilní paliva, která se v průmyslu spalují kvůli dodání tepla. Vhodný je zejména v situacích, kdy je nutné dosáhnout velmi vysokých teplot (např. při výrobě železa je to okolo 1500 °C4). Lze proto očekávat, že zelený vodík bude při dekarbonizaci průmyslu hrát klíčovou roli.
• Elektrifikace: Spalování v průmyslu lze částečně nahradit i využitím elektřiny - k dodání potřebného tepla. V některých odvětvích ovšem výroba vyžaduje tak vysoké teploty, že je zde elektrifikace technicky velmi složitá a zároveň značně neekonomická.
• Recyklace: V mnoha průmyslových odvětvích se v současnosti už využívá relativně vysoká míra recyklace, alespoň v rozvinutých zemích.
• Cirkulární ekonomika: V tradičním (lineárním) ekonomickém modelu se produkt vyrobí, použije a nakonec vyhodí jako odpad, v cirkulární ekonomice jde o to pracovat se zdroji a materiály co nejefektivněji a co nejvíce je recyklovat a znovu využívat.

Ekonomické pobídky a legislativní prostředí

Dekarbonizaci průmyslu by velice pomohly také ekonomické pobídky, systematická podpora a vytvoření vhodného legislativního prostředí. V EU je rovněž v plánu používat mechanismus uhlíkového vyrovnání na hranicích (CBAM), tedy v podstatě uhlíkové clo. Protože nelze čekat výrazný pokles poptávky po základních typech průmyslového zboží a průmysl je zároveň výrazným zdrojem emisí, o to důležitější je podpořit právě dekarbonizaci průmyslu.

tags: #ziskavani #plynu #z #obnovitelnych #zdroju #metody

Oblíbené příspěvky:

• Nakládání s odpady v Kucerově a okolí
• Co je škola v přírodě?
• Emise a Věstník Ministerstva
• Co je základní jednotka ekosystému?
• Tipy na školu v přírodě