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 kaszkádreakcióival 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 története 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. 1874-ben Jules Verne írt egy hidrogéngazdaságról. 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.
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.
2018 májusában 128 P2G kutatási és bemutatólétesítmény működött Európában az átadás és a tervezés különböző szakaszaiban; 63 közülük már működött.
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 továbbítás 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.
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. A meglévő földgázvezetékek P2G használatát az EU NaturalHy projekt és az USA DOE is vizsgálta.
Hatásfok 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.
Egy másik, 2019-ben megjelentetett tanulmány szerint ez a megoldás továbbvihető a technológiai nyomás növelésével, ez esetben már a 80%-os hatásfok sem kizárt. 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 szerintTüzelőanyagHatásfokKörülményekKonverzió: villanyáram → gázHidrogén54-72%200 bar nyomásMetán (SNG)49-64%Hidrogén57-73%80 bar nyomás (földgázvezeték)Metán (SNG)50-64%Hidrogén64-77%nyomás nélkülMetán (SNG)51-65%Konverzió: villanyáram → gáz → villanyáramHidrogén34-44%80 bar nyomás és 60% villanyáram visszanyerésMetán (SNG)30-38%Konverzió: villanyáram → gáz → villanyáram + hőhasznosításHidrogén48-62%80 bar nyomás és 40-45% villanyáram / hő visszanyerésMetán (SNG)43-54%Forrás: Fraunhofer IWES, 2011 február (német) (German) Fraunhofer -Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes , p. 18
Ökológiai egyenleg 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 :alt=|keretnélküli|600px
Árak 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 14,8 ct/kWh 8,77 kWh/kg Dízel 4,73 ct/kWh 12,2 ct/kWh 9,86 kWh/kg Földgáz 2,19 ct/kWh 8,2 ct/kWh 10-13,9 kWh/kg Áram 14,1 ct/kWh 30,22 ct/kWh Hidrogén 12-20 ct/kWh 28 ct/kWh 33,3 kWh/kg P2G metán (2020) 17-25 ct/kWh 15,39 kWh/kg P2G metán (2030) 13-20 ct/kWh P2G metán (2050) 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.
A P2G energiagazdálkodási szerepe 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.
alt=|keretnélküli|600x600px
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 a 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 eljárások
Áram → metán 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 előállítása 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.
Elektrolízis 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.
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.
Kémiai metanizáció alt=A metanizáció fázisai|keret|jobbra|300x300px|A metanizáció fázisai 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 reakció két rész-reakcióval írható le:
(1) (2)