VODÍK. Proč vzrůstá zájem o využití vodíku: Produkce vodíku je jedním ze způsobů AKUMULACE PŘEBYTEČNÉ ELEKTRICKÉ ENERGIE

Transkript

1 Proč vzrůstá zájem o využití vodíku: VODÍK Produkce vodíku je jedním ze způsobů AKUMULACE PŘEBYTEČNÉ ELEKTRICKÉ ENERGIE Jeho přímé využití ke zpětné produkci elektřiny vyžaduje zatím drahé zařízení (palivové články), vzhledem k účinnosti převodu dochází k určitým ztrátám K využití v chemickém průmyslu se zatím více používá vodík vyrobený petrochemickými metodami (je levnější) Konverzí na methan se rozšiřují možnosti transportu a využití jeho energie.

2 Důvody akumulace přebytečné energie Dva hlavní energetické systémy rozvod a spotřeba elektřiny a zemního plynu se od sebe zásadně liší v možnostech konzervace a skladování energie. Elektrická energie se nedá skladovat, proto se hledají možnosti využití nárazově vyráběné energie převyšující její spotřebu. Nárazově vyráběná energie z alternativních zdrojů je produkována systémy, jejichž okamžitou účinnost není možno příliš ovlivňovat, jako jsou solární a větrné elektrárny. Přebytečnou elektrickou energii je však možno využít nejen v přečerpávacích elektrárnách, ale konzervovat ji např. ve formě H 2 vyrobeného elektrolýzou vody (power-to-gas system). Využití biomasy a větru jako zdroje obnovitelné energie má např. v dánské energetické politice velký význam. Až 40 % elektřiny z větru je dočasně přebytečné a i když část je exportována do sousedních zemí, potenciál větrných elektráren není plně využit. Atraktivní cesta využití této nadbytečné elektrické energie je elektrolýza vody a produkce vodíku.

3 Problémy zdrojů alternativní energie Nárazově vyráběná elektřina z alternativních zdrojů je produkována systémy, jejichž okamžitou účinnost není možno příliš ovlivňovat, jako jsou solární a větrné elektrárny.

4 Rozdíly mezi produkcí a spotřebou elektřiny jsou výrazné a značně zatěžují distribuční soustavu a snižují ekonomické výnosy výroba spotřeba Energinet.dk

5 Elektrická energie se nedá skladovat, proto se hledají možnosti využití nárazově vyráběné energie převyšující její spotřebu. Přebytečnou elektrickou energii je však možno využít nejen vpřečerpávacích elektrárnách, ale konzervovat ji např. ve formě H 2 vyrobeného elektrolýzou vody (power to gas system, P2G) Prototyp zařízení je instalovaný v elektrárně společnosti RWE vněmeckém Niederaußemu. Dokáže vyrobit od dvou do šesti kilogramů vodíku za hodinu. foto: Siemens

6 Elektrolytická výrobna vodíku dokáže zužitkovávat nárazové produkční špičky a efektivně eliminovat neduhy spojené s nadprodukcí elektřiny z obnovitelných zdrojů. Pro Siemens, který je jedním z největších výrobců větrných elektráren na světě, je tato technologie dalším krokem k efektivní akumulaci elektrické energie. Největší elektrolytická výrobna vodíku na světě Energiepark Mainz, k výrobě zeleného vodíku používá přebytečnou elektřinu z okolních větrných elektráren. Výrobna dokáže během pouhých několika sekund od zaznamenání zvýšené produkce elektřinypojmoutvýkonaž6mw,cožzní činí největší zařízení svého druhu na světě. Předpokládaná produkce vodíku je 200 tun ročně.

7 Přímé energetické využití vodíku je sice ekologicky čisté, ale zatím drahé, jeho skladování je náročné a nemá zavedený transportní systém. Plnoprovozní elektrolyzér na přebytečnou elektrickou energii Elektrolyzér založený na výměně protonů s reakční dobou v řádech milisekund vhodný pro nestabilní toky elektrické energie.

8 V poslední době se zvyšuje zájem o zachycení a uskladnění uhlíku (CCS carbon capture and storage) a zachycení a znovuvyužití uhlíku (CCU carbon capture and utilization) pro snížení emisí skleníkových plynů Certifikáty uhlíkové stopy (zeleného paliva) zohledňují snížení CO 2 vypouštěného do atmosféry. (např. Certifikát vydaný Energinet (DK) reprezentuje 1 MWh biomethanu vtlačeného do sítě, lze snimiobchodovat). Reakce na tento trend je snaha CO 2 zrůzných zdrojů zachytit a přeměnit na využitelný produkt methan nebo různé organické látky, hlavně alkoholy (ve stadiu výzkumu).

9 Konverze CO 2 na methan potřebuje redukční ekvivalenty ve formě vodíku nebo přímo elektronů Sabatierova reakce 4H 2 +CO 2 CH 4 +2H 2 O ΔG = 130,7 kj/mol Ekologická schůdnost konverze závisí na způsobu výroby vodíku: parciální oxidace parní reforming zplyňování uhlí (ve světě zaujímá až 90 % produkce vodíku) elektrolýza vody (4 % celosvětové produkce vodíku) Elektrolytický vodík je nejčistší, ale nejdražší ajevelmidůležitá cena elektrické energie použité na elektrolýzu.

10 Zdroje CO 2 pro syntetický biomethan zachycování ze spalin (drahé, znečištěny dusíkem ze vzduchu) plyny z fermentačních výrob, např. ethanol (znečištěny dusíkem ze vzduchu) CO 2 z bioplynu nejvýhodnější zdroj * zachycený CO 2 z produkce biomethanu * CO 2 přímo v bioplynu

11 Chemicky Konverze CO 2 s vodíkem může probíhat nutné vysoké tlaky a teploty, katalyzátory s drahými kovy, nutnost předčištění odstranění sulfanu z bioplynu Biologicky pomocíhydrogenotrofních methanogenů za podmínek anaerobní fermentace, teploty C Anaerobní fermentace Hydrolýza Acidogeneze produkce vodíku a CO 2 Acetogeneze produkce vodíku a CO 2 Methanogeneze acetotrofní methanogeny CH 3 COOH CH 4 + CO 2 hydrogenotrofní methanogeny CO 2 + H 2 CH 4

12 Methanizace vodíku a oxidu uhličitého - biologicky Vodík je využíván hydrogenotrofními methanogeny na redukci CO 2 podle rovnice 4 H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O ΔG = 130,7 KJ/mol Ve směsných kulturách anaerobních fermentorů jsou hydrogenotrofní methanogeny v určité míře zastoupeny vždy a jejich aktivita i množství přivedením vodíku narůstá.

13 Proces biologického zušlechtění CO2 na biomethan pomocí vodíku Předchozí studie potvrdily, že biologická konverze plynného H 2 aco 2 na CH 4 je schůdná. Tento přístup umožní využít existující technologickou i energetickou infrastrukturu bioplynových stanic a jeho implementace může být velice rychlá. Zušlechtění bioplynu s průměrným % CH 4 kolem 60 na více než 90 % zvyšuje jeho energetickou hodnotu a umožňuje další využití v alternativě k zemnímu plynu. Proces zušlechtění bioplynu na biomethan pomocí vodíku může být realizován dvěma základními způsoby, jednak zaváděním vodíku přímo do anaerobního fermentoru nebo využitím externího bioreaktoru s obohacenou kulturou hydrogenotrofních methanogenů.

14 Zavádění vodíku přímo do anaerobního fermentoru (in situ) Zavádění vodíku do anaerobního fermentoru jako metoda získávání biomethanu má dvě zásadní limitace procesu metabolickou a fyzikálně-chemickou. Metabolická limitace Dávkování vodíku může působit určité problémy vzhledem k inhibičnímu vlivu zvýšeného parciálního tlaku vodíku na průběh metabolismu např. kyseliny máselné a propionové syntrofními acetogeny. To by se mohlo projevit ve snížené účinnosti rozkladu původních substrátů. Během tohoto procesu se může vzhledem ke spotřebě CO 2 významně zvýšit ph až nad 8, což opět zpomaluje některé mikrobiální procesy. V reaktorech obohacovaných H 2 jeho přídavek významně modifikuje mikrobiální komunitu. Fyzikálně-chemická limitace Další výrazná limitace účinnosti procesu je fyzikálně-chemická, hmotnostní transport plynu do kapaliny, protože pro využití mikroorganismy musí být vodík v kapalné fázi rozpuštěn. Koeficient přestupu hmoty je nízký, stejně jako rozpustnost vodíku, protože hydrogenotrofní mikrobiální konsorcia jsou nejaktivnější v termofilním režimu.

15 Závěry z výzkumu přeměny vodíku a CO 2 na biomethan in situ: metoda jednoduchá, účinná, ale má negativní efekt na proces vzhledem ke zvyšování ph. To je nutné nějakým způsobem snížit vnějším zásahem nebo kofermentací s kyselými substráty. Dále je nutné zabezpečit potřebné dávkování vodíku tak, aby byl všechen spotřebován. Zavádění vodíku do externího bioreaktoru (ex situ) Vzhledem k metabolickým omezením přídavku vodíku do fermentoru se další výzkum zabýval externími bioreaktory,kamjepřiváděn bioplyn nebo CO2 spolu s vodíkem a kde mohou být podmínky příznivé pro převažující hydrogenotrofní methanogeny. Zásadní je vliv teplotních podmínek na průběh a rychlost procesu, protože u hydrogenotrofních methanogenů převažují termofilní druhy. Pro vylepšení přestupu vodíku do kapalné fáze a pro zamezení průniku nespotřebovaného vodíku do biomethanu je možné použít pro dávkování membránové moduly.

16 biomethan elektrolýza vody H2 biomethan bioplyn elektrolýza vody H2 anaerobní fermentor anaerobní fermentor hydrogenotrofní methanogeny org. odpady digestát org. odpady digestát zušlechtění bioplynu na biomethan ve fermentoru zušlechtění bioplynu na biomethan v externím bioreaktoru Možnosti biologického zušlechtění bioplynu na biomethan s přídavkem vodíku Zdroj: Angelidaki I., G. Luo, and P. Kougias (2015). "Simultaneous hydrogen utilization and biogas upgrading by anaerobic microorganisms." Proceedings of 14th World Congress of Anaerobic Digestion, Viña del Mar, Chile, , 2. biogas upgrading

17 Kaly a odpady, Brno,

18

19

20

21 Provozní realizace 28. ledna srpna 2016

22 Objekt BioCat ČOV AvedØre (v Dánsku blízko Kodaně) s realizovaným projektem BioCat s plnoprovozní technologií Electrochae biologické zušlechtění bioplynu na biomethan.

23 Konverze CO 2 zbioplynu na CH 4 přivedením elektronů Anaerobní rozklad organických látek je jejich postupná oxidace za současného odebírání elektronů, přenos elektronů se uskutečňuje řetězcem redox reakcí, které jsou zprostředkovány redox enzymy biokatalyzátory. Elektroaktivní bakterie mohou provádět přímou bioelektrokatalýzu, kdy elektronový akceptor je přímo elektroda, převádí elektrony z aktivního místa enzymu na elektrodu bez jakýchkoli mediátorů. V bioelektrochemickém systému (BES) mikroby v anodovém prostoru oxidují substráty a převádějí uvolněné elektrony na anodu, ty jsou vedeny na katodu, kde jsou využívány jinými mikroby na redukci CO 2 na CH 4, proces je nazýván elektromethanogeneze. Biologická elektromethanogeneze je slibná technologie, která je aplikovatelná i na konverzi geologicky skladovaného CO 2 na CH 4 pomocí elektroaktivních mikroorganismů jako biokatalyzátoru

24 Konverze CO 2 z bioplynu na CH 4 přivedením elektronů - elektromethanogeneze Elektroaktivní mikroorganismy MFC mikrobiální palivový článek MEC mikrobiální elektrolýzní článek

25 Schematic diagram of a single-chamber MEC reactor

26 Schematic overview of chemical production in a typical MES

27