Мощность-к-X

Хранение излишков производства электроэнергии в химической форме

Трансформация в объединении отраслей

Power-to-X (также P2X и P2Y ) — это пути преобразования , хранения и реконверсии 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 получена за счет дополнительных инвестиций в производство. ^[1] Этот термин широко используется в Германии и, возможно, возник там.

Буква X в терминологии может относиться к одному из следующих: энергия- аммиак , энергия- химикаты , энергия-топливо , ^[3] энергия-газ (энергия-водород, энергия-газ). метан) энергия в жидкость ( синтетическое топливо ), энергия в пищу, ^[4] энергия в тепло . Зарядка электромобилей, отопление и охлаждение помещений, а также нагрев воды могут быть сдвинуты во времени в соответствии с выработкой электроэнергии — формы реагирования спроса , которые можно назвать «энергия-мобильность» и «энергия- тепло» .

В совокупности схемы power-to-X, в которых используется избыточная мощность, подпадают под категорию мер гибкости и особенно полезны в энергетических системах с высокой долей возобновляемой генерации и/или с сильными целями по декарбонизации . ^{[1] [2]} Этот термин охватывает большое количество направлений и технологий. В 2016 году правительство Германии профинансировало  первый этап исследовательского проекта Power-to-X стоимостью 30 миллионов евро. ^[5]

Энергия-топливо

Избыточная электроэнергия может быть преобразована в энергию газового топлива для хранения и повторного преобразования. ^{[6] [7] [8] [9]} Электролиз воды постоянным током (эффективность в лучшем случае 80–85%) может использоваться для производства водорода , который, в свою очередь, может быть преобразован в метан (CH ₄ ) посредством метанирования . ^{[6] [10]} Другая возможность — преобразование водорода вместе с CO ₂ в метанол. ^[11] Оба этих вида топлива можно хранить и снова использовать для производства электроэнергии через несколько часов или месяцев.

Хранение и преобразование энергии в топливо

Водород и метан можно использовать в качестве топлива для последующей переработки , подавать в сеть природного газа или использовать для производства синтетического топлива . ^{[12] [13]} В качестве альтернативы их можно использовать в качестве химического сырья , как и аммиак ( NH ₃ ).

Технологии реконверсии включают газовые турбины , установки с комбинированным циклом , поршневые двигатели и топливные элементы . Под соотношением мощности к мощности подразумевается эффективность двустороннего преобразования. ^[6] Для хранения водорода КПД туда и обратно остается ограниченным на уровне 35–50%. ^[2] Электролиз стоит дорого, а процессы преобразования энергии в газ требуют значительных часов полной нагрузки, чтобы быть экономичными. ^[1] Однако, хотя эффективность преобразования энергии в мощность в обоих направлениях ниже, чем у батарей, а электролиз может быть дорогим, хранение самого топлива обходится довольно недорого. ^{[ нужна цитация ]} Это означает, что большие объемы энергии могут храниться в течение длительных периодов времени с использованием полной мощности, что идеально подходит для сезонного хранения. Это может быть особенно полезно для систем с высоким уровнем переменного проникновения возобновляемых источников энергии , поскольку во многих районах наблюдается значительная сезонная изменчивость выработки солнечной, ветровой и русловой гидроэлектроэнергии.

Батареи

Несмотря на то, что аккумуляторная батарея также основана на электролитических химических реакциях, она обычно не считается концепцией преобразования энергии в топливо.

Мощность-нагрев

Целью систем преобразования электроэнергии в тепло является использование избыточной электроэнергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую. В зависимости от контекста, электроэнергия-тепло может либо храниться в виде тепла, либо передаваться в виде тепла для удовлетворения потребностей. ^[14]

Системы отопления

В отличие от простых систем электрического отопления, таких как ночное отопление, которое покрывает все потребности в отоплении, системы «энергия-тепло» представляют собой гибридные системы, 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 электрической энергии, в противном случае будет использоваться традиционная система отопления. Для повышения гибкости системы производства электроэнергии и тепла часто объединяются с тепловыми аккумуляторами. Электроснабжение происходит в основном через местные и центральные тепловые сети. Системы преобразования электроэнергии в тепло также способны снабжать теплом здания или промышленные системы. ^[16]

Переработка электроэнергии в тепло предполагает участие в секторе теплоснабжения либо за счет резистивного нагрева , либо с помощью теплового насоса . Нагреватели сопротивления имеют единичный КПД, а соответствующий коэффициент полезного действия (КПД) тепловых насосов составляет 2–5. ^[6] Резервный погружной нагрев как бытовой горячей воды, так и централизованного теплоснабжения предлагает дешевый способ использования излишков возобновляемой энергии и часто заменяет для этой задачи углеродоемкое ископаемое топливо. ^[1] Крупномасштабные тепловые насосы в системах централизованного теплоснабжения с накоплением тепловой энергии являются особенно привлекательным вариантом для производства электроэнергии в тепло: они предлагают исключительно высокую эффективность для балансировки избыточной ветровой и солнечной энергии и могут быть выгодными инвестициями. ^{[17] [18]}

Системы хранения тепла

Другие формы Power-to-X

Под «энергией к мобильности» подразумевается зарядка аккумуляторных электромобилей (BEV). Учитывая ожидаемое распространение электромобилей, потребуется специальная диспетчеризация. Поскольку транспортные средства большую часть времени простаивают, изменение времени зарядки может обеспечить значительную гибкость: окно зарядки составляет относительно продолжительное время (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 энергопотребляющих секторов потребует цифровизации и автоматизации многочисленных процессов для синхронизации спроса и предложения. ^[19]

В исследовании 2023 года изучалась роль, которую power-to-X может сыграть в высоковозобновляемой энергетической системе будущего Японии . Рассматриваемые технологии P2X включают электролиз воды , метанирование , синтез Фишера-Тропша и синтез Габера-Боша , а в исследовании использовалось линейное программирование для определения структуры и работы системы с наименьшими затратами. Результаты показывают, что эти различные технологии P2X могут эффективно перераспределить нагрузку на электроэнергию и сократить ее сокращение на 80% и более. ^[20]

Смотрите также

• Сетевое хранилище энергии
• Маховик

Рекомендации

1. acatech; Лепольдина; Академический союз, ред. (2016). Концепции гибкости энергоснабжения Германии 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 года . Проверено 10 июня 2016 г.
2. Лунд, Питер Д; Линдгрен, Юусо; Миккола, Яни; Салпакари, Юри (2015). «Обзор мер по обеспечению гибкости энергетической системы для обеспечения высокого уровня использования переменной возобновляемой электроэнергии» (PDF) . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 45 : 785–807. дои : 10.1016/j.rser.2015.01.057.
3. Тракимавичюс, Лукас (декабрь 2023 г.). «Миссия Net-Zero: прокладывая путь к использованию электронного топлива в вооруженных силах». Центр передового опыта НАТО в области энергетической безопасности.
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: начало энергетического перехода с Коперником» (пресс-релиз). Ахен, Германия: RWTH Ахен. 5 апреля 2016 года . Проверено 9 июня 2016 г.
6. Штернберг, Андре; Бардоу, Андре (2015). «Энергия для чего? — Экологическая оценка систем хранения энергии». Энергетика и экология . 8 (2): 389–400. дои : 10.1039/c4ee03051f.
7. Агора Энергивенде (2014). Хранение электроэнергии при энергетическом переходе в Германии: анализ потребностей в хранении электроэнергии на рынке электроэнергии, рынке вспомогательных услуг и распределительной сети (PDF) . Берлин, Германия: Agora Energiewende . Проверено 30 декабря 2018 г.
8. Стернер, Майкл; Эккерт, Фабиан; Тема, Мартин; и другие. (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. Проверено 9 июня 2016 г.
10. Пальяро, Марио; Констандопулос, Афанасиос Г (15 июня 2012 г.). Солнечный водород: топливо будущего . Кембридж, Великобритания: Издательство RSC. дои : 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, Исаак С; де Хаарт, Ламбертус Г.Дж. (1 октября 2016 г.). «Энергия в синтез-газ – передовая технология для перехода энергетической системы? Производство специализированного синтетического топлива и химикатов с использованием электроэнергии, вырабатываемой из возобновляемых источников». Angewandte Chemie, международное издание . 56 (20): 5402–5411. дои : 10.1002/anie.201607552. ISSN  1521-3773. ПМИД  27714905.
14. Блосс, Андреас; Шилл, Вольф-Петер; Зерран, Александр (15 февраля 2018 г.). «Энергия-тепло для интеграции возобновляемых источников энергии: обзор технологий, подходов к моделированию и потенциала гибкости». Прикладная энергетика . 212 : 1611–1626. дои : 10.1016/j.apenergy.2017.12.073 . HDL : 10419/200120 . ISSN  0306-2619.
15. Стернер, Стадлер, Майкл, Инго (2014). Energiespeicher – Бедарф, Технологии, Интеграция . Берлин и Гейдельберг.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
16. Швайгер, Джеральд (2017). «Потенциал производства электроэнергии и тепла 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 атомной энергетики – какие компромиссы?». Энергии . 8 (4): 2493–2527. дои : 10.3390/en8042493 . ISSN  1996-1073.
18. Салпакари, Юри; Миккола, Яни; Лунд, Питер Д. (2016). «Повышение гибкости благодаря крупномасштабному использованию возобновляемых источников энергии 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 возобновляемых источников энергии» . Провод чистой энергии . 18 апреля 2018 года . Проверено 6 марта 2019 г.
20. Онодера, Хироаки; Делаж, Реми; Наката, Тошихико (1 октября 2023 г.). «Систематические эффекты гибкой работы power-to-X в системе возобновляемых источников энергии: пример из Японии». Преобразование энергии и управление: X . 20 : 100416. doi : 10.1016/j.ecmx.2023.100416 . ISSN  2590-1745 . Проверено 1 сентября 2023 г.