Файл: Хранение энергии в контексте энергетического перехода обзор технологий Аннотация.docx

2.2.4. Технологии хранения химической энергии

2.2.4.1. Power-to-Gas (PtG).

Power-to-Gas — это технология накопления химической энергии, имеющая целостный подход к энергетическому сектору. После преобразования электроэнергии полученный хранимый энергоноситель может быть не только преобразован обратно в электроэнергию, но и интегрирован на другие энергетические рынки, например, в качестве топлива для отопления и транспорта или даже в качестве сырья для химической промышленности.

С учетом будущего энергетического ландшафта, возникающего в результате перехода к энергетике с растущим участием ВВИЭ, химическая технология хранения энергии, такая как PtG, является важным CO2-бесплатное решение для преобразования излишков электроэнергии в хорошо известные энергоносители (такие как метан), используя хорошо развитую инфраструктуру (такие как газопроводы) [74,115].

Технологии PtG перегруппировывают по существу два газообразных энергоносителя: водород и метан. Как показано в Рис. 10, PtG можно разделить на три основных процесса: первый представляет собой преобразование на входе, при котором из электричества получается водород, за которым может следовать другое преобразование, при котором из водорода и двуокиси углерода образуется метан; второй — результирующее хранение энергоносителя, а третий — процесс утилизации, который может включать в себя несколько применений.[74].
Электричество преобразуется в водород с использованием нескольких различных электролизных технологий. В настоящее время наиболее зрелым и коммерческим является щелочной электролизер с умеренной эффективностью преобразования энергии в водород (43–66%).

Электролизеры на основе мембран из полимерного электролита находятся на ранней коммерческой стадии и демонстрируют более высокую эффективность преобразования энергии в водород (68–72%).

Наконец, высокотемпературные электролизеры твердого оксида, которые также способны расщеплять CO2, все еще находятся в стадии НИОКР, но имеют наиболее перспективный уровень энергоэффективности по водороду (до 98%) [44,74,115,156,157].

После электролиза водород может храниться в виде сжатого газа в подземных кавернах или в надземных резервуарах под давлением, в виде жидкости в изолированных резервуарах или адсорбироваться/ абсорбироваться в металлогидридах и пористых углеродных структурах [18, 44,157].

---

Эффективность хранения для всех этих технологий составляет почти 100 %, а плотность энергии различается между ними: ниже в хранилищах сжатого газа (530–750 Вт·ч/л при 200–300 бар) и выше в жидкостных (2360 Вт·ч/л) и адсорбированные/абсорбированные накопители (1800 Вт·ч/л в графене, 3180 Вт·ч/л в металлогидридах) [158–160].

Недостатки связаны с вопросами безопасности в хранилищах сжатого газа, расходом энергии на поддержание криогенного состояния для хранения жидкости и высокой стоимостью адсорбционных/абсорбированных хранилищ. Технологии хранения сжатого газа и жидкости хорошо разработаны, а решения по адсорбции/абсорбции находятся в стадии НИОКР [74,115].

С учетом использования водород можно напрямую вводить в сеть природного газа (NG) в концентрациях до 4–5%.[74]. Это решение даже позволяет избежать потребности в хранении, поскольку водород будет смешиваться с NG, и все конструкции ПГ будут использоваться для транспортировки и хранения. Водород обычно преобразуется в электричество в топливных элементах (FC), которые могут быть очень эффективными (до 70%), но газовые двигатели и турбины также могут быть адаптированы для использования водорода в качестве топлива, хотя они менее эффективны (около 40%).[74,115,156,157].

FC можно разделить на пять категорий: FC с полимерной электролитной мембраной (PEMFC), щелочной FC (AFC), FC с фосфорной кислотой (PAFC), FC с расплавленным карбонатом (MCFC) и FC с твердым оксидом (SOFC). В то время как PEMFC и AFC работают при низких температурах (80–100°C), PAFC, MCFC и SOFC работают при более высоких температурах (до 600°C в случае SOFC), что позволяет применять эти технологии в решениях по комбинированному производству тепла и электроэнергии (ТЭЦ)[157].

Для системы преобразования энергии в энергию (PtP), включающей электролизер, накопитель и FC или газовый двигатель / турбину, эффективность обратного хода низкая (30-50%), что является недостатком для преобразования энергии в энергию с использованием водорода в качестве энергоносителя. Другим недостатком является то, что вся система может быть очень дорогой [44,74,105,115,156,157].

Тем не менее, PtG является очень многообещающей технологией, поскольку она может выполнять долговременное хранение энергии, учитывая тот факт, что возможные решения для хранения имеют очень низкую скорость саморазряда и могут быть масштабируемы до очень большой емкости размеры. Такое долгосрочное хранение будет более привлекательным в сценарии энергетического перехода, когда VRES достигают высоких уровней [18,44,74,156,157].

---

Метан, еще один энергоноситель PtG, требует дополнительного процесса преобразования, называемого метанированием, и подачи CO2 [115]. Метан в три-четыре раза более энергоплотный, чем водород, однако эти модификации делают PtG более сложным, дорогим и менее эффективным в PtP (25–35%).[115,161].

Интерес в данном случае состоит в том, что энергоноситель полностью совместим со всеми NG и, следовательно, он может заменить использование метана ископаемого происхождения при сохранении существующих конструкций (например, трубопроводов) и непосредственного использования в существующих устройствах конечных пользователей (например, газовых котлах).

Еще одним преимуществом является то, что для метанирования требуется двуокись углерода, что позволяет интегрировать PtG в биогазовые установки, превращая биогаз в биометан или в сточные воды, биоэтанол и другие промышленные установки, имеющие выхлопные газы, богатые CO₂ [162].



2.2.4.2. Power-to-Liquids (PtL).

Power-to-Liquids, как показано на Рис. 11, представляет собой технологическую интеграцию производства водорода с Реакцией обратной конверсии водяного газа (RWGS) для получения синтез-газа (синтез-газа), который затем используется в синтезе Фишера-Тропша или другом процессе синтеза топлива, в результате чего получается жидкое топливо. Как и в случае синтеза метана в рамках процесса PtG, добавление новых процессов трансформации увеличивает общие затраты и снижает общую эффективность.

Основной мотивацией для развития PtL является замена ископаемого топлива, в данном случае нефтепродуктов, получением выгоды от существующих структур (таких как распределительная инфраструктура) и непосредственное использование в существующих устройствах конечного пользователя (например, в транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания). В процессе синтеза можно получить несколько различных продуктов, таких как метанол, бензин, керосин, ДМЭ (диметиловый эфир), дизельное топливо и даже парафины [163–165].

---

2.2.4.3. Солнечная энергия в топливо.

Технологии Solar-to-Fuels включают широкий спектр процессов возобновляемого производства синтетического топлива с использованием солнечной энергии, углекислого газа и воды.

Солнечный нефтеперерабатывающий завод, как показано на рис. 12, имеет два основных возможных пути использования водорода, полученного из солнечной энергии, в процессе каталитической конверсии или прямого производства топлива из углекислого газа и воды.

Первый путь имеет тот же принцип работы, что и PtL: необходимо производить синтетический газ для питания процесса синтеза топлива. В этом случае электролиз на основе солнечной фотоэлектрической энергии (PV) может использоваться для производства синтез-газа, поскольку это именно процесс PtL.

Помимо этой возможности, другие реакции восстановления с использованием солнечной энергии могут применяться для получения либо окиси углерода, которая позже используется в конверсии водяного газа (WGS) для получения синтез-газа, либо водорода, который позже используется в обратимой конверсии водяного газа (RWGS), также генерируя синтез-газ.

Кроме процесса электролиза, следует выделить три основных восстановительных процесса: фотоэлектрохимический, термохимический и фотокаталитический.

Первый и второй могут демонстрировать такую же эффективность преобразования солнечной энергии в водород, как и электролиз, однако фотоэлектрохимическая система подвержена проблемам деградации, а термохимический процесс основан на сложной и дорогой системе, которая демонстрирует высокие потери тепла из-за повышенной рабочей температуры.

Последний, фотокаталитический, представляет собой простой процесс, но его эффективность преобразования солнечной энергии в водород очень низка, а смешанные водородно-кислородный выход требует дополнительного процесса разделения. Как описано ранее, синтетический газ может быть получен в результате реакции RWGS с использованием водорода из одного из вышеупомянутых процессов и диоксида углерода.

Другая возможность состоит в том, чтобы использовать те же процессы солнечной конверсии для восстановления диоксида углерода до монооксида углерода, который используется в реакции WGS, генерирующей синтез-газ. [166].

---

Вторая широкая категория солнечной энергии в топливе основана на прямом производстве топлива из двуокиси углерода. Для этого пути существует три основных процесса восстановления: фотогальванический электрокаталитический, фотокаталитический и фотоэлектрохимический методы.

Простота этой категории очень привлекательна, она сводит от трех различных процессов к одному единственному процессу.

Однако по сравнению с первой категорией материалы и процессы для прямого восстановления диоксида углерода остаются гораздо менее эффективными и по-прежнему нуждаются в большом количестве исследований и разработок, особенно для повышения степени конверсии и селективности [166].

При разработке преобразования солнечной энергии в топливо обычно в качестве эталона используется производство синтез-газа PtL, а целью является его наивысший уровень эффективности.

Учитывая эффективность 25% для фотоэлектрических панелей и 70–80% для твердооксидных электролизеров, эффективность процесса преобразования солнечной энергии в водород составляет около 18–20%. Для фотокаталитического процесса составляет около 0,5–6%, а для термохимического - около 5–7%.

Очень многообещающим является новый технологический метод в НИОКР, называемый плазмолизом, выполняющий диссоциацию углекислого газа путем активации плазмы.

Результаты исследований, приведенные в литературе, регистрируют эффективность более 50%, что, связанное с источником электроэнергии от фотоэлектрической панели, может привести к эффективности преобразования солнечной энергии в водород примерно на 15–20%, что очень близко к процессу производства синтез-газа, используемому в PtL.[166–172].

Существуют также исследовательские проекты, в которых для производства синтез-газа используется концентрированная солнечная энергия, например, проект SI-SEA/USP (Бразилия).[173]

---