stringtranslate.com

Power-to-X

Трансформация в объединении секторов

Power-to-X (также P2X и P2Y ) — это пути преобразования , хранения и повторного преобразования электроэнергии из избыточной возобновляемой энергии . [1] [2] Технологии преобразования Power-to-X позволяют отделить электроэнергию от электроэнергетического сектора для использования в других секторах (таких как транспорт или химическая промышленность), возможно, используя электроэнергию, которая была предоставлена ​​дополнительными инвестициями в генерацию. [1] Этот термин широко используется в Германии и, возможно, возник там.

X в терминологии может относиться к одному из следующих: power-to- ambiance , power-to- chemicals , power - to-fuel , [3] power-to-gas (power-to-hydrogen, power-to-methane), power-to-liquid ( синтетическое топливо ), power-to-food, [4] power-to-heat . Зарядка электромобилей, отопление и охлаждение помещений, а также нагрев воды могут быть смещены во времени для соответствия генерации, формы реагирования на спрос , которые можно назвать power-to-mobility и power-to- heat .

В совокупности схемы power-to-X, которые используют избыточную энергию, попадают под категорию мер гибкости и особенно полезны в энергосистемах с высокой долей возобновляемой генерации и/или с сильными целями декарбонизации . [1] [2] Большое количество путей и технологий охватываются этим термином. В 2016 году правительство Германии профинансировало  исследовательский проект первой фазы стоимостью 30 миллионов евро по вариантам power-to-X. [5]

Электроэнергия в топливо

Избыточная электроэнергия может быть преобразована в энергию газового топлива для хранения и повторного преобразования. [6] [7] [8] [9] Электролиз воды постоянным током (эффективность 80–85% в лучшем случае) может быть использован для производства водорода , который, в свою очередь, может быть преобразован в метан (CH4 ) путем метанирования . [6] [10] Другая возможность заключается в преобразовании водорода вместе с CO2 в метанол. [11] Оба эти вида топлива могут храниться и использоваться для повторного производства электроэнергии, от нескольких часов до нескольких месяцев спустя.

Хранение и повторное преобразование электроэнергии в топливо

Водород и метан могут использоваться в качестве топлива для последующих этапов , подаваться в сеть природного газа или использоваться для производства синтетического топлива . [12] [13] В качестве альтернативы их можно использовать в качестве химического сырья , как и аммиак ( NH3 ).

Технологии реконверсии включают газовые турбины , установки комбинированного цикла , поршневые двигатели и топливные элементы . Мощность в мощность относится к эффективности обратного преобразования. [6] Для хранения водорода эффективность обратного преобразования остается ограниченной на уровне 35–50%. [2] Электролиз является дорогостоящим, а процессы преобразования энергии в газ требуют значительных часов полной нагрузки, чтобы быть экономичными. [1] Однако, хотя эффективность обратного преобразования энергии в энергию ниже, чем у батарей, а электролиз может быть дорогим, хранение самого топлива довольно недорого. [ требуется ссылка ] Это означает, что большие объемы энергии могут храниться в течение длительных периодов времени с помощью мощности в мощность, что идеально подходит для сезонного хранения. Это может быть особенно полезно для систем с высокой переменной степенью проникновения возобновляемой энергии , поскольку во многих районах наблюдается значительная сезонная изменчивость солнечной, ветровой и русловой гидроэлектростанции .

Аккумуляторы

Несмотря на то, что аккумуляторные батареи в своей основе также основаны на электролитических химических реакциях, их обычно не рассматривают как концепцию преобразования энергии в топливо.

Электроэнергия в тепло

Целью систем преобразования энергии в тепло является использование избыточного электричества, вырабатываемого возобновляемыми источниками энергии, которое в противном случае было бы потрачено впустую. В зависимости от контекста, энергия в тепло может либо храниться в виде тепла, либо поставляться в виде тепла для удовлетворения потребности. [14]

Системы отопления

В отличие от простых электрических систем отопления, таких как ночное отопление с аккумулированием, которое покрывает все потребности в отоплении, системы преобразования энергии в тепло являются гибридными системами, которые дополнительно имеют традиционные системы отопления, использующие химическое топливо, такое как древесина или природный газ. [15] : 124  При наличии избыточной энергии производство тепла может происходить за счет электроэнергии, в противном случае будет использоваться традиционная система отопления. Для повышения гибкости системы преобразования энергии в тепло часто сочетаются с тепловыми аккумуляторами. Подача энергии осуществляется в основном в местных и районных сетях теплоснабжения. Системы преобразования энергии в тепло также способны снабжать здания или промышленные системы теплом. [16]

Электроэнергия в тепло предполагает вклад в сектор отопления, либо посредством резистивного нагрева , либо через тепловой насос . Резистивные нагреватели имеют единичную эффективность, а соответствующий коэффициент производительности (КПД) тепловых насосов составляет 2–5. [6] Резервный погружной нагрев как бытовой горячей воды , так и центрального отопления предлагает дешевый способ использования излишков возобновляемой энергии и часто заменяет углеродоемкие ископаемые виды топлива для этой задачи. [1] Крупномасштабные тепловые насосы в системах централизованного теплоснабжения с накоплением тепловой энергии являются особенно привлекательным вариантом для электроэнергия в тепло: они обеспечивают исключительно высокую эффективность для балансировки избыточной ветровой и солнечной энергии, и они могут быть выгодными инвестициями. [17] [18]

Системы аккумулирования тепла

Другие формы power-to-X

Power-to-mobility относится к зарядке аккумуляторных электромобилей (BEV). Учитывая ожидаемое распространение электромобилей, потребуется специальная диспетчеризация. Поскольку транспортные средства простаивают большую часть времени, смещение времени зарядки может обеспечить значительную гибкость: окно зарядки составляет относительно долгое 8–12  часов, тогда как продолжительность зарядки составляет около 90  минут. [2] Аккумуляторы электромобилей также можно разряжать в сеть, чтобы они работали как устройства хранения электроэнергии, но это приводит к дополнительному износу аккумулятора. [2]

Влияние

Согласно немецкой концепции объединения секторов, объединение всех секторов, использующих энергию, потребует цифровизации и автоматизации многочисленных процессов для синхронизации спроса и предложения. [19]

Исследование 2023 года изучало роль, которую power-to-X может играть в высоковозобновляемой будущей энергетической системе Японии . Рассматриваемые технологии P2X включают электролиз воды , метанирование , синтез Фишера-Тропша и синтез Габера-Боша , а исследование использовало линейное программирование для определения структуры и работы системы с наименьшими затратами. Результаты показывают, что эти различные технологии P2X могут эффективно смещать электрические нагрузки и сокращать сокращение на 80% и более. [20]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcde acatech; Lepoldina; Akademienunion, ред. (2016). Концепции гибкости для немецкого энергоснабжения в 2050 году: обеспечение стабильности в эпоху возобновляемых источников энергии (PDF) . Берлин, Германия: acatech — Национальная академия наук и техники. ISBN 978-3-8047-3549-1. Архивировано из оригинала (PDF) 6 октября 2016 г. . Получено 10 июня 2016 г. .
  2. ^ abcde Lund, Peter D; Lindgren, Juuso; Mikkola, Jani; Salpakari, Jyri (2015). «Обзор мер по гибкости энергетической системы для обеспечения высоких уровней переменного возобновляемого электричества» (PDF) . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 45 : 785–807. doi :10.1016/j.rser.2015.01.057.
  3. ^ Тракимавичюс, Лукас (декабрь 2023 г.). «Миссия Net-Zero: прокладывание пути для E-fuels в армии». Центр передового опыта по энергетической безопасности НАТО.
  4. ^ Силлман, Дж.; Ууситало, В.; Руусканен, В.; Оджала, Л.; Кахилуото, Х.; Сукка, Р.; Ахола, Дж. (1 ноября 2020 г.). «Анализ экологической устойчивости жизненного цикла производства микробного белка с использованием подходов преобразования энергии в пищу». Международный журнал оценки жизненного цикла . 25 (11): 2190–2203. дои : 10.1007/s11367-020-01771-3 . ISSN  1614-7502.
  5. ^ "Power-to-X: entry the energy transition with Kopernikus" (пресс-релиз). Ахен, Германия: Рейнско-Вестфальский технический университет Ахена. 5 апреля 2016 г. Получено 9 июня 2016 г.
  6. ^ abcd Стернберг, Андре; Бардов, Андре (2015). «Power-to-What? — Экологическая оценка систем хранения энергии». Энергетика и наука об окружающей среде . 8 (2): 389–400. doi :10.1039/c4ee03051f.
  7. ^ Agora Energiewende (2014). Хранение электроэнергии в немецком энергетическом переходе: анализ хранения, необходимого на рынке электроэнергии, рынке дополнительных услуг и распределительной сети (PDF) . Берлин, Германия: Agora Energiewende . Получено 30 декабря 2018 г.
  8. ^ Стернер, Майкл; Эккерт, Фабиан; Тема, Мартин; и др. (2014). Langzeitspeicher in der Energiewende — Präsentation [ Длительное хранение в Energiewende — Презентация ]. Регенсбург, Германия: Forschungsstelle für Energienetze und Energiespeicher (FENES), OTH Регенсбург . Проверено 9 мая 2016 г.
  9. ^ Аусфельдер, Флориан; Бейльманн, Кристиан; Браунингер, Зигмар; Элсен, Рейнхольд; Хауптмайер, Эрик; Хайнцель, Анжелика; Хоер, Рената; Кох, Вольфрам; Малендорф, Фалько; Метцельтин, Аня; Рейтер, Мартин; Шибан, Себастьян; Шваб, Эккехард; Шют, Ферди; Столтен, Детлеф; Тессмер, Гиза; Вагеманн, Курт; Зиган, Карл-Фридрих (май 2016 г.). Системы хранения энергии: вклад химии — Документ с изложением позиции (PDF) . Германия: Koordinierungskreis Chemische Energieforschung (Объединенная рабочая группа по исследованиям в области химической энергии). ISBN 978-3-89746-183-3. Получено 9 июня 2016 г.
  10. ^ Pagliaro, Mario; Konstandopoulos, Athanasios G (15 июня 2012 г.). Солнечный водород: топливо будущего . Кембридж, Великобритания: RSC Publishing. doi : 10.1039/9781849733175. ISBN 978-1-84973-195-9. S2CID  241910312.
  11. ^ Завод по производству возобновляемого метанола Джорджа Олы
  12. ^ Кениг, Даниэль Хельмут; Баукс, Надин; Краай, Джерард; Вернер, Антье (18–19 февраля 2014 г.). «Разработка и оценка технологических концепций хранения колеблющейся возобновляемой энергии в жидких углеводородах». Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Energieverfahrenstechnik . Карлсруэ, Германия . Проверено 9 мая 2016 г.
  13. ^ Фойт, Северин; Эйхель, Рюдигер-А; Винке, Изак К; де Хаарт, Ламбертус Г. Дж. (1 октября 2016 г.). «Power-to-Syngas – технология, способствующая переходу энергетической системы? Производство специализированного синтетического топлива и химикатов с использованием возобновляемой электроэнергии». Angewandte Chemie International Edition . 56 (20): 5402–5411. doi :10.1002/anie.201607552. ISSN  1521-3773. PMID  27714905.
  14. ^ Блосс, Андреас; Шилль, Вольф-Петер; Зерран, Александр (15 февраля 2018 г.). «Power-to-heat для интеграции возобновляемых источников энергии: обзор технологий, подходов к моделированию и потенциалов гибкости». Applied Energy . 212 : 1611–1626. doi : 10.1016/j.apenergy.2017.12.073 . hdl : 10419/200120 . ISSN  0306-2619. Значок открытого доступа
  15. ^ Стернер, Стадлер, Майкл, Инго (2014). Energiespeicher – Бедарф, Технологии, Интеграция . Берлин и Гейдельберг.{{cite book}}: CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  16. ^ Швайгер, Джеральд (2017). «Потенциал преобразования электроэнергии в тепло в шведских системах централизованного теплоснабжения». Энергия . 137 : 661–669. doi :10.1016/j.energy.2017.02.075.
  17. ^ Закери, Бехнам; Ринне, Самули; Сири, Санна (31 марта 2015 г.). «Интеграция ветра в энергетические системы с высокой долей ядерной энергии — каковы компромиссы?». Energies . 8 (4): 2493–2527. doi : 10.3390/en8042493 . ISSN  1996-1073.
  18. ^ Салпакари, Юри; Миккола, Яни; Лунд, Питер Д. (2016). «Повышенная гибкость с крупномасштабной переменной возобновляемой энергией в городах за счет оптимального управления спросом и преобразования электроэнергии в тепло». Преобразование энергии и управление . 126 : 649–661. doi :10.1016/j.enconman.2016.08.041. ISSN  0196-8904.
  19. ^ "Связь секторов – Формирование интегрированной системы возобновляемой энергии". Clean Energy Wire . 18 апреля 2018 г. Получено 6 марта 2019 г.
  20. ^ Онодера, Хироаки; Делаж, Реми; Наката, Тосихико (1 октября 2023 г.). «Систематические эффекты гибкой работы power-to-X в системе возобновляемой энергии: исследование случая из Японии». Energy Conversion and Management: X . 20 : 100416. doi : 10.1016/j.ecmx.2023.100416 . ISSN  2590-1745 . Получено 1 сентября 2023 г.  Значок открытого доступа