Spowolnienie globalnego ocieplenia to podstawowe zadanie trwającej transformacji energetycznej. Jej kluczowym założeniem jest redukcja emisji dwutlenku węgla do atmosfery. W realizacji ambitnego celu, inżynierów i naukowców wspierają dziś przede wszystkim 3 źródła pozyskiwania energii: OZE, wodór oraz metan. Jakie są ich realne możliwości, by odmienić energetyczną rzeczywistość głównych emitentów dwutlenku węgla – przemysłu i transportu?

Można powiedzieć, że dwutlenek węgla intensywnie podgrzewa obecnie nie tylko ziemską atmosferę, ale również publiczną debatę. Niewiele tematów zajmuje bowiem w przestrzeni medialnej tyle miejsca, co wyzwania związane ze zmianami klimatu. Poszukiwanie sposobów na rozwiązanie kryzysu klimatycznego przyspieszyła dodatkowo destabilizacja międzynarodowej sytuacji politycznej, związana z napaścią Rosji na Ukrainę. Zmniejszona dostępność surowców energetycznych spowodowała gwałtowny wzrost ich cen. W tym kontekście jeszcze mocniej niż do tej pory wybrzmiewają pytania o alternatywne sposoby zabezpieczenia wciąż rosnącego zapotrzebowania na energię społeczeństw i ich gospodarek.

Elektryczność z OZE: wyzwanie – magazynowanie

Obecnie węgiel spalany jest głównie w celu produkcji energii elektrycznej i ciepła. Transformacja tego sektora przemysłu bazuje głównie na przejściu ze źródeł kopalnych (węgla i gazu) na OZE, takie jak elektrownie wiatrowe lub wodne, farmy fotowoltaiczne i biogazownie. Czy są one w stanie całkowicie zastąpić paliwa kopalne we wspomnianych zakresach?

Takiej możliwości niestety nie ma, ponieważ najpowszechniejsze źródła, takie jak farmy wiatrowe i fotowoltaiczne, są źródłami niestabilnymi, zależnymi od warunków atmosferycznych. Pewnym rozwiązaniem jest tu magazynowanie energii, gdy można jej wyprodukować więcej, na przykład przy silnych wiatrach czy dużym nasłonecznieniu. Magazynowanie nadwyżek energii w okresach bardziej wydajnych i wykorzystanie jej przy warunkach niekorzystnych dla produkcji wymaga jednak akumulatorów o dużej pojemności, gdy mówimy o produkcji energii na dużą skalę. To kosztowne urządzenia, a dodatkowo proces ich wytwarzania jest kontrowersyjny w kontekście ekologicznym. Dlatego intensywnie rozwijana jest alternatywa dla klasycznych akumulatorów w postaci elektrolizerów – wyjaśnia Piotr Hargesheimer, Solution Sales Manager w Endress+Hauser.

Elektrolizery to urządzenia, które umożliwiają rozdzielenie atomów wodoru i tlenu z wody. Wsadem do procesu jest woda i energia elektryczna. Uzyskany w procesie wodór może być magazynowany, a w razie potrzeby – spalony w celu wytworzenia energii. W ten sposób nadwyżka energii z np. farmy wiatrowej jest „zamrażana” w postaci wodoru wyprodukowanego przy użyciu tych nadwyżek i używana w razie potrzeby poprzez jego spalenie w momencie zapotrzebowania na energię. Obecnie wodór może być spalany w istniejących już pierwszych turbinach wodorowych albo współspalany z gazem ziemnym w turbinach gazowych.

Transport w drodze do zmian

Drugim istotnym emitentem dwutlenku węgla do atmosfery w wyniku spalania paliw kopalnych do atmosfery jest transport – począwszy od samochodów osobowych, poprzez autobusy i ciężarówki, aż po samoloty i statki. Elektryfikacja pojazdów do transportu indywidualnego nabrała rozpędu w ostatnich latach i wobec stale poprawiających się parametrów wydajnościowych akumulatorów, stopniowo zdobywa coraz większy udział w rynku. Co jednak z transportem ciężkim, gdzie masa i pokonywane przez pojazd dystanse wymagają o wiele większych nakładów energii?

Praktyka pokazuje, że akumulatorowe zasilanie w transporcie ciężkim to raczej mało praktyczna ciekawostka, spotykana rzadko, na przykład w eksperymentalnych autobusach miejskich. Branża rozwija się w kierunku wodorowych silników elektrycznych oraz niskoemisyjnych spalinowych. W pierwszych, zamiast akumulatorów stosowane są ogniwa wodorowe, gdzie energia jest uzyskiwana w procesie odwróconej elektrolizy, której produktem ubocznym jest woda. Zakładając, że wodór został wyprodukowany przy użyciu energii pochodzącej ze źródła odnawialnego, możemy takie pojazdy nazwać bezemisyjnymi. Z kolei niskoemisyjne silniki spalinowe to te działające dzięki spalaniu metanu. Emitują pewne ilości dwutlenku węgla, ale zdecydowanie mniejsze niż silniki diesla czy benzynowe – wyjaśnia Piotr Hargesheimer.

Co istotne, napęd wodorowy rozwijany jest nie tylko w transporcie ciężkim. Toyota testuje obecnie kolejną generację prototypów samochodu osobowego zasilanego ogniwami wodorowymi. Aktualnie osiągnięte zużycie wodoru na 100 przejechanych kilometrów to ok. 0,9 kg przy cenie ok. 25 euro/kg. Oznacza to koszt dwukrotnie wyższy niż w przypadku zastosowania paliwa konwencjonalnego na tym samym dystansie. Cały czas jednak trwają intensywne prace nad rozwojem technologii.

Metan: sprężony czy skroplony?

Stosowanie metanu jako paliwa do silników spalinowych wiąże się z koniecznością zmniejszenia jego objętości. Przy ciśnieniu atmosferycznym, kilogram gazu zajmuje ok. 1,5m3, a przeciętna ciężarówka zużywa go ok. 25kg/100km. Nie ma więc możliwości, by gaz w postaci lotnej był transportowany w zbiornikach paliwowych ciężarówki. Stosuje się tu dwa sposoby na zmniejszenie objętości surowca: sprężanie do CNG (Compressed Natural Gas) i skraplanie do LNG (Liquified Natural Gas).

Po sprężeniu do CNG, metan zmniejsza swoją objętość ok. 300-krotnie. Zasilana nim ciężarówka ze zbiornikiem o pojemności 900 litrów przejedzie ok. 500 km. Nie jest to zatem rozwiązanie dedykowane dla transportu długodystansowego, ale z powodzeniem sprawdza się w transporcie komunikacji miejskiej i średniej wagi transporcie na nieduże odległości.

Skroplenie metanu do LNG pozwala zmniejszyć jego objętość aż 600-krotnie. Odbywa się poprzez schłodzenie gazu do postaci kriogenicznej i temperatury ok. -160°C. Co jednak istotne, taka temperatura powinna być utrzymywana podczas dłuższego magazynowania LNG – w przeciwnym razie, skroplony gaz ogrzewa się i paruje, powodując straty nie tylko finansowe, ale także ekologiczne, bo emisja metanu do atmosfery jest niepożądana.

LNG wymaga więc stosowania chłodzących zbiornik układów, a jeśli ich nie ma – musi być zużyty w ciągu 2-3 dni. Dlatego nie sprawdza się w zasilaniu pojedynczych samochodów osobowych, ale już w przypadku np. transportu morskiego jest perspektywicznym rozwiązaniem. Ta branża jest największym emitentem CO2 w globalnym transporcie, bo spala duże ilości paliw ciężkich, które niejednokrotnie są tanimi, ale szkodliwymi dla środowiska produktami odpadowymi w procesie rafinacji ropy naftowej. Cieszy więc trend w kierunku zasilania LNG dużych jednostek, wyposażanych w instalacje do schładzania skroplonego gazu – mówi Piotr Hargesheimer.

Warto przy tym zauważyć, że skroplony metan jest już na szeroką skalę wykorzystywany w wydzielonych sieciach gazowniczych, zasilających pojedyncze zakłady przemysłowe, a nawet całe gminy. Składowany w postaci LNG gaz ziemny jest w zależności od potrzeb podgrzewany (regazyfikowany) i trafia do wydzielonych gazociągów w postaci lotnej.

Pomiary dostosowane do nowych potrzeb

Dla Endress+Hauser wyzwania związane z transformacją energetyczną są okazją do inwestowania w rozwój rozwiązań pomiarowych, dzięki którym zmiany będą mogły być wprowadzane skutecznie i z wykorzystaniem innowacyjnych technologii. Firma opracowuje koncepcje pomiarowe, algorytmy sterowania oraz podpozycje certyfikacji metrologicznej, dla których brak jest obecnie dostępnego doświadczenia rynkowego i znormalizowanych dokumentów. Takie działania występują m.in. w przypadkach produkcji, transportu i dystrybucji wodoru, a także jego wykorzystywania do współspalania w kotłach eneretycznych i turbinach gazowych. Rozwiązania Endress+Hauser są już stosowane również przy produkcji biometanu z biogazu pochodzenia rolniczego, wtrysku biometanu do krajowej sieci dystrybucji gazu ziemnego oraz przy skraplaniu, kompresji, dystrybucji i wykorzystywaniu biometanu jako alternatywnego dla gazu ziemnego paliwa pochodzenia kopalnego. Przyrządy pomiarowe szwajcarskiego producenta znajdują zastosowanie także przy wychwycie, magazynowaniu i transporcie dwutlenku węgla, składowanego np. na wyeksploatowanych szybach naftowych na Morzu Północnym. Zaś na potrzeby transportu morskiego, Endress+Hauser dostarcza specjalistyczne urządzenia wspierające produkcję oraz wykorzystywanie e-metanolu i e-amoniaku.

Podsumowując, OZE, wodór i metan to bez wątpienia źródła energii, w których upatrywać możemy dziś kluczowego wsparcia w skutecznej transformacji energetycznej. Ich powszechne i efektywne stosowanie wymaga jednak dalszego rozwoju technologii oraz zdolnej do jej wykorzystania infrastruktury. Droga do gospodarki bezemisyjnej jest długa i wyboista, ale jej pokonanie jest konieczne z punktu widzenia ekologii i zapewnienia stabilności energetycznej.

Źródło: Endress+Hauser