Energetska tranzicija neće doživjeti neuspjeh zbog nedostatka prostora za skladištenje. S daljnjim razvojem tehnologije za pretvaranje energije u plin, tu će ulogu preuzeti vodik.

Kompenzacija za fluktuacije u proizvodnji

Bez novih postrojenja za skladištenje energije energetska tranzicija neće uspjeti. Stručnjaci su na konvencijama o tehnologijama skladištenja isticali da reverzibilne elektrane, baterijski blokovi ili elektrane na vodik najkasnije do sljedećeg desetljeća moraju biti spremne uravnotežiti potražnju i proizvodnju zelene električne energije. Oko toga su se složili znanstvenici, javna komunalna poduzeća, operateri i političari svih stranaka. Međutim, kada i gdje bi se koje tehnologije za skladištenje trebale koristiti gotovo nitko se ne usuđuje predvidjeti. Ne radi se samo o nedostatku jake strategije za povećanje skladišnih kapaciteta. Konceptima također nedostaje financijski održiv plan izgradnje i upravljanja elektranama, što bi prema procjeni analitičara za energetska pitanja iz Deutsche Banka samo u Njemačkoj zahtijevalo ulaganja od 30 milijardi eura do 2030. godine. To pak ne sprečava industriju od ubrzavanja razvoja važnih ključnih tehnologija.

„U ovom trenutku nije u redu plašiti ljude i govoriti im da će energetska tranzicija propasti zbog nedostatka postrojenja za skladištenje”, rekao je Norman Gerhardt, stručnjak za skladištenje Fraunhofer Instituta za energiju vjetra i tehnologiju energetskih sustava (IWES) u Kasselu. Ali sat otkucava. Prema istraživanju Udruženja za električne, elektroničke i informacijske tehnologije (VDE), nova skladišna postrojenja bit će nužno izgraditi onda kada udio električne energije iz obnovljivih izvora dosegne 40 posto.

Ovo predviđanje potvrdio je i Ulrich Wagner, direktor za Energiju i transport Njemačkog centra za aeronautiku (DLR): „Očekujem da će od 2025. godine nadalje postojati potražnja koja će postojano rasti tijekom godina.” Isprva će sustavi koji se mogu brzo podesiti, poput reverzibilnih elektrana, elektrana s komprimiranim zrakom i baterijskih blokova morati uravnotežiti fluktuacije između sekundi i sati. Sezonska postrojenja za skladištenje, koja moraju ujednačiti proizvodnju i potražnju tijekom tjedana i mjeseci, mogla bi uslijediti od približno 2035., kada će otprilike 60 posto električne energije u Njemačkoj dolaziti iz obnovljivih izvora (Energetski plan njemačke vlade predviđa barem 50 posto do 2030. godine i bar 63 posto do 2040. godine).

 Metoda kojoj se ovdje daje prednost tehnologija je za pretvaranje energije u plin, kroz koju se višak električne energije koristi za dobivanje vodika (H2) i metana (CH4) za prijelazni sustav skladištenja u spremnicima plina, podzemnim skladištima i u raširenoj mreži prirodnog plina.

Međutim, Siemens vjeruje da će se tehnološka potreba za elektranama za pretvaranje energije u plin pojaviti ranije. „Sasvim je logično uskoro stvoriti zalihe energije koje se temelje na tehnologijama za pretvaranje energije u plin”, tvrdi Erik Wolf, stručnjak za postrojenja za elektrolizu u sektoru Industrija tvrtke Siemens u Erlangenu. Naveo je nekoliko razloga za ovakvo stajalište: Kao prvo, električna energija dobivena iz energije vjetra i solarna energija već sada dosežu više od 50 posto u pojedinim regijama, kao što su Brandenburg i Schleswig-Holstein. Budući da ne postoji dobro razvijena mreža električne energije za daljnji prijenos energije, uskoro će postati logično ovdje sagraditi regionalna prijelazna skladišta zbog proizvodnje vodika. Kao drugo, postrojenja za pretvaranje energije u plin mogla bi pružiti mogućnosti regulacije koje su važne za stabilizaciju električne mreže s obzirom na to da one kompenziraju fluktuacije vjetroelektrana i solarnih elektrana. Starije bi se elektrane, poglavito elektrane na ugljen, koje su do sada obavljale tu zadaću, postupno mogle ukloniti iz mreže a da se ne ugrozi sigurnost opskrbe.

Prednosti pretvorbe energije u plin su očite. Nijedna druga tehnologija nema potencijala osigurati dostupnost tolike količine električne energije na minute ili čak mjesece i odigrati glavnu ulogu u stabilizaciji mreže električne energije. „Neće biti moguće izbjeći korištenje sustava za skladištenje plina”, tvrdi Peter Caselitz, direktor Kontrolnog inženjeringa i sustava za skladištenje energije IWES Fraunhofer Instituta u Kasselu. Postojeća mreža prirodnih plinova samo u Njemačkoj pruža raspon od približno 200 teravatsata (TWh). Uz spremnike plina i podzemna postrojenja za skladištenje to bi se moglo povećati na 700 TWh. Kada bi se to koristilo u plinskim turbinama s visokom učinkovitosti, moglo bi se proizvoditi 400 TWh električne energije. To čini oko dvije trećine ukupne potrošnje električne energije u cijeloj Njemačkoj za godinu dana.

Međutim, ono što se mora promatrati na kritički način niža je učinkovitost u usporedbi s ostalim tehnologijama za skladištenje kroz cijeli ciklus od proizvodnje plina do ponovne proizvodnje električne energije. Na putu do električne energije, elektrolize, vodika i plinske turbine ili gorivih članaka izgubi se više od pola iskoristive energije. Kada se sintetički metan, koji se može upotrijebiti za ponovnu proizvodnju električne energije u suvremenim elektranama na plin, proizvede iz vodika kroz reakciju s ugljičnim dioksidom (CO2), učinkovitost se dodatno smanjuje na oko 30 posto. Stručnjaci procjenjuju da su troškovi skladištenja po kilovatsatu u rasponu od 0,10 eura (vodik) do 0,15 eura (metan).

Njemački inovatori sada su novi svjetski predvodnici s 18 projekata pretvaranja energije u plin, a cilj im je postići još više uporabom boljih katalizatora za elektrolitičko razlaganje vode i naknadnom proizvodnjom metana s ugljikovim dioksidom. U Vaihingenu (Stuttgart) od jeseni 2012. godine u pogonu je elektrana od 250 kilovata (kW). Ona može obaviti cijeli lanac procesa, a  pod vodstvom je Centra za istraživanje solarne energije i vodika (ZSW). Usporedo s time stručnjaci traže najjeftinije moguće izvore čistog CO2. Elektrane na fosilna goriva u kojima se CO2 odvaja od otpadnih plinova obećavajući su kandidati za to.

Spoj električne energije i CO2

Ovi procesi, koji također pružaju rješenje za izravno podzemno skladištenje CO2, još uvijek nisu financijski isplativi. Umjesto toga, bioplinovi koji sadrže CO2 također bi se mogli izravno koristiti za proizvodnju metana. Za izgradnju elektrana za pretvaranje energije u plin važno je da su u blizini izvor energije (poput pučinske vjetroelektrane), i izvor CO2 (poput elektrane, bioplinskog postrojenja ili tvornice cementa).

Uzevši to u obzir, Siemens je uveo sustav elektrolize u suradnji s tvrtkama RWE Power i Bayer Material Sciences u elektrani u Niederaussemu kraj Kölna. U pokusnom razdoblju koje je  u tijeku, višak energije koristi se za razdvajanje vode elektrolizom na vodik i kisik. Sustav, koji ima veličinu spremnika, opremljen je takozvanim membranama za razmjenu protona (PEM) i predviđen je za unos energije od 100 kW, ali uspješno može raditi i na do tri puta većim preopterećenjima. „Ova visoka razina fleksibilnosti izdvaja PEM elektrolizu od ostalih sustava”, kaže Wolf. Stoga se načelno može dobro prilagoditi fluktuirajućoj opskrbi proizvedenom energijom. Ovisno o razini korištenja, učinkovitost se kreće između 60 posto do preko 75 posto.

Vodik koji se dobiva na ovaj način (već je proizvedeno više od 1000 kubičnih metara) može se koristiti na različite načine. Može se koristiti izravno za proizvodnju električne energije s pomoću gorivih ćelija i posebnih plinskih turbina. Nadalje, plin bi se mogao iskoristiti i za reakciju s CO2 na drugoj ispitnoj platformi za katalizatore za proizvodnju metana. Ovdje glavni fokus nije na dodavanju metana postojećoj mreži prirodnog plina. Daljnjim koracima u procesu za proizvodnju plastike bila bi moguća sinteza (primjerice metanola i primarnih proizvoda).

Na taj način, operater – bila to energetska  ili kemijska tvrtka – može odlučiti sukladno potražnji koji je krajnji proizvod poželjan da bi elektrana ostvarila dobit. Trenutačno se planiraju nove pilot-elektrane koje se služe PEM elektrolizom. „S obzirom na to da se moduli mogu dobro podesiti, pozornost nam je usmjerena i na elektrane koje mogu izdržati opterećenja od nekoliko megavata”, rekao je Wolf.  On vjeruje da će ta postrojenja za elektrolizu potencijalno biti spremna za tržište 2015. godine.

Međutim, najučinkovitija moguća proizvodnja vodika iz prethodno neiskorištene električne energije samo je jedna od ključnih komponenti načela pretvorbe energije u plin. Druga su komponenta plinske turbine koje ponovno proizvode električnu energiju iz uskladištenog vodika s visokom razinom učinkovitosti. Postoji nekoliko načina da bi se to postiglo. Na primjer, vodik se može u malim količinama dodavati prirodnom plinu, a zatim koristiti u plinskim turbinama koje danas postoje. „Ali veliki strojevi podešeni su za visoku učinkovitost i niske vrijednosti emisije. Potrebna im je vrlo visoka razina kvalitete goriva”, rekao je Wolf.

Može se dodati pet posto vodika ako se unesu male izmjene. Međutim, prema Wolfu, stvari postaju problematične ako se dodaje više od 10 posto. Nadalje, jednom kada se prilagode, plinske turbine moraju se opskrbljivati plinom postojane kvalitete. U slučaju da ne bude dovoljno vodika, primjerice kako bi se zadovoljile potrebe elektrane kapaciteta 500 megavata, elektrana više ne bi mogla raditi učinkovito.

Viša temperatura izgaranja

„Naš se posao stoga usredotočava na manje industrijske plinske turbine s izlaznom snagom od 50 megavata”, tvrdi Wolf. Teoretski, već je moguće spaliti smjese koje sadrže do 50 posto vodika. Temperature izgaranja koje prelaze 1200 Celzijevih stupnjeva u slučaju vodika te koje su više od onih za prirodni plin ne predstavljaju najveći izazov. „Zahvaljujući pametnoj regulaciji sekundarnog i tercijarnog zraka, željeni temperaturni profil može se postaviti na ulazu turbine”, kaže Wolf.  Bilo je čak moguće iskoristiti mnoge komponente klasičnih turbina prirodnog plina – od kompresora do same turbine. Dizajn plamenika mnogo je veći izazov. On mora biti prilagođen na mnogo veću brzinu širenja plamena prilikom korištenja vodika.  Ovo postignuće čak bi moglo rezultirati plinskim turbinama koje izgaraju isključivo čisti vodik. „Ali korak prema izgaranju stopostotnog vodika predstavlja izazov čak i za nas”, kaže Wolf.  Iz tog je razloga unutarnja i vanjska suradnja sa stručnjacima koji se bave turbinama Njemačkog centra za aeronautiku (DLR) u Kölnu intenzivna. Energetska tranzicija neće doživjeti neuspjeh zbog nedostatka prostora za skladištenje. S daljnjim razvojem tehnologije za pretvaranje energije u plin, tu će ulogu preuzeti vodik.

"U ovom trenutku nigdje drugdje u svijetu ne postoji usporedivi centar za testiranja koji nudi takve izvrsne mogućnosti", kaže profesor Reinhard Moenig, šef DLR Instituta za tehnologije propulzije. Od ovog istraživanja neće profitirati samo graditelji elektrana poput Siemensa, nego i razvojni inženjeri zrakoplovnih turbina, koje bi u budućnosti mogle raditi na čisti vodik.

Za učinkovita postrojenja za elektrolizu kao i za plinske turbine koriste se manja postrojenja od samo nekoliko megavata kao pokretači inovacije za tehnologije pretvaranja energije u plin. Postoji mogućnost da će industrijske tvrtke ili regionalni operateri vjetroelektrana ovu metodu za skladištenje električne energije koristiti puno prije predviđene godine provedbe (2035.). Na temelju tih iskustava, u budućnosti bi se mogle razviti elektrane na vodik s nekoliko stotina megavata, te bi u kombinaciji s obnovljivim energijama mogle osigurati mreže električne energije s potrebnom sigurnosti opskrbe.