Gaz w dobie transformacji energetycznej

Mianem P2G określana jest transformacja energii elektrycznej do postaci syntetycznego paliwa gazowego (przeważnie wodoru). Przebiega ona w procesie elektrolizy zachodzącej np. w blokach gazowo-parowych wyposażonych w instalacje do produkcji wodoru oraz zbiorniki magazynowe wodoru. Instalacje tego typu mogą pełnić funkcję wielkoskalowych magazynów energii elektrycznej. Ma to szczególne znaczenie w sieciach energetycznych z wysokim udziałem odnawialnych źródeł energii, które podatne są na wahania podaży prądu w zależności od warunków pogodowych. Instalacje P2G można montować np. w okolicach farm wiatrowych (wind-gas) lub fotowoltaicznych. Aktualnie z uwagi na wysoki koszt instalacje tego typu mają nie są stosowane komercyjnie na szeroką skalę. Znajdują się głównie w lokalizacjach pilotażowych i przy ośrodkach badawczych. Wraz ze spadkiem cen instalacji P2G i rozwojem energetyki odnawialnej rozwiązanie to może się jednak okazać kluczowym elementem systemu energetycznego zapobiegającym wahaniom podaży energii elektrycznej. Dlatego idealnie wpisuje się ono w scenariusz “RES-topii” i znajduje zastosowanie w scenariuszu “Nuclear Hot”.

Jedną z możliwości odzyskania energii z wodoru jest spalanie syntetycznego metanu. Syntetyczny metan powstaje z wodoru oraz dwutlenku węgla w procesie metanizacji. Metanizacja przebiega w tzw. bioreaktorach, w których wykorzystywane są specjalne szczepy bakterii. Przekształcenie wodoru w metan pozwala na dalszą dystrybucję i produkcję energii w tradycyjnych instalacjach gazowych. Proces metanizacji i spalania metanu jest neutralny węglowo. Dwutlenek węgla wykorzystany przy metanizacji jest zwracany do atmosfery w momencie spalania metanu. Metanizacja wodoru dobrze wpisuje się w scenariusz “Res-topii”, w którym szybko rosnący udział OZE w miksie energetycznym rodzić będzie potrzebę magazynowania i odzyskiwania nadwyżek energii ze słońca i wiatru.

Biometan określany jest mianem gazu odnawialnego (ang. Renewable Natural Gas – RNG). Uzyskuje się go w procesie oczyszczania biogazu pozyskanego z biomasy. Jego skład i właściwości są identyczne do właściwości klasycznego gazu ziemnego. Dzięki temu może być stosowany w tradycyjnych zastosowaniach gazu ziemnego z wykorzystaniem klasycznych sieci przesyłowych i instalacji gazowych. Po przekształceniu w gaz płynny sprawdza się również w transporcie do napędzania pojazdów zasilanych LPG. Biogaz wywiera znacznie mniej niekorzystny wpływ na klimat niż gaz ziemny. Uznawany jest za neutralny z punktu widzenia generacji dwutlenku węgla, jednak może powodować efekt cieplarniany w przypadku nieszczelności instalacji i wycieków (metan jest silnym gazem cieplarnianym). Jego spalanie generuje takie same zanieczyszczenia powietrza jak spalanie gazu ziemnego, w tym stanowi źródło tlenków azotu. Zwraca się również uwagę na niekorzystny wpływ dla środowiska procesów pozyskiwania biogazu z biomasy oraz oczyszczania biogazu. Charakter i siła tego wpływu zależy jednak od konkretnych zastosowanych technologii i zabezpieczeń. Biometan wykorzystywany jest już w wielu krajach europejskich. Główne ograniczenie popularyzacji na rynku polskim stanowią aktualnie kwestie prawne. Rozwiązanie to wpisuje się we wszystkie trzy scenariusze 2050. Jest relatywnie korzystne dla środowiska, proste do wdrożenia i umożliwia wykorzystanie istniejącej infrastruktury.

Pojawienie się nowych technologii pozyskiwania i spalania amoniaku sprawia, że gaz ten staje się kandydatem na paliwo przyszłości. Jego gęstość energii jest istotnie wyższa niż w przypadku wodoru, przez co amoniak może sprawdzać się lepiej w procesach P2G i magazynowaniu energii. Może być on także łatwo przekształcany w wodór na potrzeby ogniw paliwowych zasilających pojazdy. Tradycyjny sposób produkcji amoniaku dla rolnictwa (metoda Habera i Boscha) pozostawia wysoki ślad węglowy. Obecnie jednak w fazie rozwojowej znajdują się odwrócone ogniwa paliwowe (ang. reverse fuel cell – RFC) umożliwiające czystą konwersję azotu i wody do amoniaku pod wpływem energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych. Z kolei dzięki nowemu katalizatorowi odkrytemu przez naukowców z IROAST w Japonii możliwy staje się odzysk energii z amoniaku przez spalanie w niskich temperaturach bez emisji szkodliwych tlenków azotu. Produktami ubocznymi reakcji są wyłącznie azot i woda. Magazynowanie i pozyskiwanie energii z amoniaku wpisuje się dobrze w scenariusz “RES-topii” jako uzupełnienie energetyki opartej na OZE. Przydatny może być także w scenariuszu “Nuclear Hot”, gdzie następuje późny odwrót od paliw kopalnych.

Mianem sztucznej fotosyntezy określane są metody tworzenia paliw z wykorzystaniem dwutlenku węgla, promieniowania słonecznego oraz wody. Spalanie tworzonych w ten sposób węglowodorów (tzw. paliw słonecznych) jest neutralne węglowo, gdyż do atmosfery zwracana jest taka sama ilość dwutlenku węgla, jaka została wykorzystana w procesie ich produkcji. Metody te stanowią alternatywny sposób pozyskiwania energii słonecznej względem tradycyjnych ogniw słonecznych. Efektywność i opłacalność metod sztucznej fotosyntezy jest aktualnie niższa niż ogniw słonecznych, jednak potencjalne korzyści związane z produkcją paliw słonecznych (możliwość zastosowania w miejscu paliw kopalnych) sprawiają, że trwają prace nad rozwojem tej klasy rozwiązań. Rozwiązania te jako neutralne węglowo wpisują się szczególnie dobrze w scenariusz “RES-topii”. Z uwagi na możliwość bezpośredniego wykorzystania paliw słonecznych w miejscu paliw kopalnych nie można też wykluczyć ich zastosowania w scenariuszu “Powrotu Węgla”.

Od kilku lat działy badawczo-rozwojowe producentów turbin gazowych pracują nad technologią współspalania wodoru wraz z gazem ziemnym. Już obecnie istnieje technologiczna możliwość współspalania wodoru na istniejących turbinach gazowych. Rozwój tej technologii może umożliwić w przyszłości spalanie 100% wodoru na większości turbin gazowych. Pozwoli to na wykorzystanie istniejącej infrastruktury do odzysku energii z wodoru. Może mieć to zastosowanie w scenariuszach, w których wodór będzie odgrywać istotną rolę w magazynowaniu energii elektrycznej.

Wiadomo, że wodór może, teoretycznie, być przesyłany systemem gazociągów. Jednak ze względu na właściwości wodoru oraz aktualny stan istniejących gazociągów, jego transport w dużych ilościach jest znacznie ograniczony. Być może w przyszłości infrastruktura gazociągowa zostanie dostosowania do przesyłu większej ilości wodoru. Analogicznie jak w przypadku poprzedniego rozwiązania zmiana ta będzie mieć zastosowanie w scenariuszach, w których możliwe jest powszechne wykorzystanie wodoru w energetyce.

Rozwój technologii druku 3D może spowodować zmniejszenie kosztów produkcji energii elektrycznej z gazu poprzez obniżenie kosztów zakupu części zamiennych turbin i zmniejszenie czasu ich dostawy. Istnieją już drukarki 3D, które potrafią “wydrukować” całą turbinę gazową. Druk 3D części zamiennych np. łopatek turbin trwa około tygodnia, czyli wielokrotnie krócej niż w tradycyjnym procesie produkcyjnym. Może to znacząco obniżyć koszty zakupu części zamiennych oraz serwisu. Rozwiązanie to szczególnie dobrze wpisuje się w scenariusz “Powrotu węgla”, w którym prąd w przyszłości produkowany jest w sposób zbliżony do obecnego. Całkowita zmiana systemu produkcji energii elektrycznej w scenariuszu “RES-topii” będzie sprawiać, że usprawnienia efektywnościowe dotychczasowych rozwiązań raczej nie będą miały racji bytu, stąd rozwiązanie to nie wpisuje się dobrze w scenariusz.

Przewiduje się, że w niedalekiej przyszłości, szczególnie w okresie letnim, będą pożądane jak najbardziej elastyczne jednostki układów z turbiną gazową. Zarówno układy proste, jak i układy złożone gazowo-parowe powinny współpracować z akumulatorami ciepła oraz być gotowe do codziennych odstawień na kilka godzin. Jest to szczególnie istotne w godzinach nocnych gdzie występuje niekorzystna cena za energię elektryczną, tak aby optymalizować produkcję prądu oraz ciepła sieciowego. Będzie to szczególnie istotne w scenariuszach, w których następuje znaczące ocieplenie klimatu do roku 2050 i w których utrzymuje się kogeneracja prądu i ciepła.

Ogniwa paliwowe to urządzenia produkujące w procesie elektrolizy prąd elektryczny i energię cieplną o bardzo wysokiej sprawności. Wykorzystują do tego celu gaz ziemny, który ulega transformacji do wodoru albo wodór produkowany ze źródeł odnawialnych. Ich dzisiejszy status jest przedkomercyjny, trwają intensywne prace nad zmniejszeniem kosztów i zwiększeniem mocy jednostkowej. Mogą mieć doskonałe zastosowanie w transporcie oraz w lokalnych kogeneracyjnych źródłach energii elektrycznej. Szeroko pojęte ogniwa paliwowe z uwagi na mnogość zastosowań wpisują się w pewnym stopniu we wszystkie scenariusze 2050.

W La Porte w Teksasie powstała pierwsza demonstracyjna bezemisyjna elektrownia, w której jako paliwo wykorzystuje się gaz ziemny, a podczas spalania zamiast powietrza stosowany jest czysty tlen. Ten sposób spalania określany jest mianem cyklu Allama. Pozyskanie energii elektrycznej z gazu ziemnego następuje tutaj przy jednoczesnym wychwytywaniu wytworzonego dwutlenku węgla i wody. W procesie nie zachodzi również typowa dla spalania gazu ziemnego emisja tlenków azotu. Umożliwia to wykorzystanie gazu ziemnego bez negatywnego wpływu na środowisko, zaś zastąpienie go spalaniem biometanu lub innych syntetycznych węglowodorów pozwala na ujemną emisję CO₂ w całym procesie. Rozwiązanie to może znaleźć pewne zastosowanie we wszystkich Scenariuszach 2050, ale szczególnie pasuje do scenariusza NUCLEAR HOT, w którym następuje gwałtowny wzrost zapotrzebowania na czystą energię.