Artykuł prezentuje wybrane zagadnienia podejmowane w Zakładzie Wysokotemperaturowych Procesów Elektrochemicznych przez zespół, w którego skład wchodzą: Ajdys Leszek, Andruszków Ewa, Bąkała Maciej, Błesznowski Marcin, Boguszewicz Paweł, Grądalska Weronika, Jagielski Stanisław, Kania Anna, Kicinger Anna, Kosiorek Magdalena, Dawid Kojder, Kupecki Jakub, Łazor Monika, Machaj Krystian, Majewska Karolina, Naumovich Yevgeniy, Niemczyk Anna, Ostrowski Piotr, Skrzypkiewicz Marek, Skrzypkiewicz Michał, Wierzbicki Michał, Żurawska Agnieszka

Podstawą transformacji energetycznej oraz szeroko pojętych działań dekarbonizacyjnych gospodarki, których zakres został zdefiniowany m.in. w Polityce Energetycznej Polski do 2040, są wysokosprawne i niskoemisyjne technologie prężnie rozwijane w ostatnich dekadach związane m.in. z odnawialnymi źródłami energii oraz wodorem [1]. Idea Power-to-X (P2X) stanowi szczególnie obiecujące rozwiązanie problemów związanych z niestabilnością i sezonowością OZE, a także remedium na wyzwania związane z dekarbonizacją sektorów trudnych do bezpośredniej elektryfikacji (ang. hard-to-abate sectors), m.in. sektor chemiczny, transport dalekobieżny, petrochemia, sektor nawozowy czy cementowy. Instalacje P2X, a także układy magazynowania energii w myśl koncepcji Power-to-X-to-Power stanowią realne rozwiązanie do zagospodarowania nadwyżek energii odnawialnej zarówno w dużej skali, jak i w dłuższych, niż magazyny na bazie baterii, horyzontach czasowych. Schematyczna idea systemów P2X została przedstawiona na Rys. 1. Niewątpliwie, wdrożenie takich układów ułatwi integrację energii odnawialnej z różnymi gałęziami gospodarki m.in. z transportem dalekobieżnym (kołowym czy morskim), rolnictwem, energetyką, czy przemysłem chemicznym oraz hutniczym, skutecznie eliminując  zapotrzebowanie na paliwa kopalne, jednocześnie minimalizując ślad węglowy danego sektora.

 

Rys. 1 Schemat idei Power-to-X. Opracowanie IEN-PIB na bazie [2-3].

 

Ze względu na rodzaj produktu końcowego („X”) systemów Power-to-X wyróżnia się kilka głównych rodzajów układów [2-3]:

• Power-to-Gas (P2G)

W tych systemach nadmiar energii elektrycznej jest wykorzystywany do produkcji wodoru w procesie elektrolizy, który może zostać bezpośrednio wykorzystany jako paliwo w transporcie lub przemyśle, zostać zmieszany z gazem ziemnym i wprowadzony do istniejącej sieci gazowej (tzw. blending) bądź stanowić substrat do wytworzenia metanu zwanego również SNG – „syntetyczny gaz ziemny” lub „substytut gazu ziemnego” poprzez reakcję wodoru z dwutlenkiem węgla (reakcja Sabatiera - metanizacja).

• Power-to-Liquid (P2L)

Instalacje P2L przekształcają energię elektryczną w syntetyczne paliwa płynne. Zwykle proces ten obejmuje produkcję wodoru poprzez elektrolizę, a następnie jego reakcję z CO₂ (np.  wychwyconym z atmosfery lub procesów przemysłowych) w celu wytworzenia węglowodorów. Możliwa jest także jednoczesna elektroliza pary wodnej oraz dwutlenku węgla do wodoru i tlenku węgla (II) – syngazu, który stanowić substrat do produkcji paliw syntetycznych (e-paliw) m.in. w syntezie Fischera-Tropscha, w tym także paliw lotniczych (e-SAF). Ponadto, systemy P2L mogą być łączone z produkcją metanolu - używanego jako paliwo lub surowiec w przemyśle chemicznym np. związek ten jest stosowany jako surowiec do produkcji olefin, eteru dimetylowego i formaldehydu, kolejno stosowanych w przemyśle tekstylnym, wytwarzaniu opakowań czy farb. P2L ma ogromny potencjał w redukcji emisji m.in. lotnictwa czy żeglugi międzynarodowej. Co więcej, syntetyczne paliwa płynne mogą wykorzystywać istniejącą infrastrukturę paliwową, co ułatwia ich wdrożenie, bez konieczności oczekiwania na dedykowane systemu magazynowania i dystrybucji wodoru.

• Power-to-Chemicals (P2C), w tym Power-to-Ammonia

Instalacje te pozwalają na wykorzystanie energii elektrycznej do produkcji różnych chemikaliów przemysłowych, zastępując tradycyjne procesy oparte na paliwach kopalnych. P2C obejmuje szereg procesów m.in. wytwarzanie etylenu będącego kluczowym surowcem przemysłu tworzyw sztucznych (elektrochemiczna redukcja CO₂), synteza kwasu mrówkowego oraz produkcja amoniaku. Produkcja amoniaku, głównie w kontekście rynku nawozów, z wykorzystaniem niskoemisyjnego wodoru wydaje się być kluczowa, gdyż jest to jedna z najbardziej energochłonnych oraz obarczonych wysokim śladem  gałęzi przemysłu chemicznego. W przemyśle, amoniak otrzymuje się głównie metodą Habera-Boscha, który to wymaga wysokiego ciśnienia i temperatury, a także wodoru o wysokiej czystości, a także azotu. Aby zdekarbonizować tę część przemysłu, aktywnie poszukuje się innowacyjnych metod przetwarzania energii na amoniak. Rozważane jest wykorzystanie odnawialnego wodoru w syntezie Habera-Boscha, konwersję czystego azotu w amoniak za pomocą elektrolizy, utlenianie czystego powietrza do azotanów i azotynów, ale a następnie redukcja do amoniaku czy wychwytywanie NOx z elektrowni w postaci azotanów i azotynów, a następnie ich redukcja do amoniaku.

• Power-to-Heat (P2H)

Instalacje P2H mają za zadanie przekształcić w sposób ciągły nadmiaru energii elektrycznej w ciepło, które może być następnie magazynowane i wykorzystywane w różnych zastosowaniach. Układy te mają ogromny potencjał w dekarbonizacji sektora ciepłowniczego, odpowiadającego za znaczną część krajowej i europejskiej emisji CO₂. Idea P2H może być stosowana zarówno w małej skali np. w gospodarstwach domowych, jak również w dużych systemach ciepłowniczych miejskich.

Systemy Power-to-X oferują szerokie możliwości wsparcia transformacji energetycznej i zwiększenia udziału odnawialnych źródeł energii w globalnym miksie energetycznym. Jednym z kluczowych aspektów P2X jest jego elastyczność, która pomaga rozwiązać problem niestabilności OZE. Systemy te oferują możliwość długoterminowego magazynowania energii, pozwalające na zarządzanie sezonowymi wahaniami w produkcji energii oraz zapotrzebowaniu na nią, dodatkowo zwiększając stabilność systemów energetycznych opartych na OZE. Znaczącym atutem technologii P2X jest jej zdolność do łączenia różnych sektorów gospodarki – energetyki, transportu, przemysłu i rolnictwa, tzw. sector coupling. Warto również podkreślić, że systemy P2X, szczególnie P2G, mogą korzystać z istniejącej infrastruktury gazowej. W związku z tym transformacja energetyczna może przebiec szybciej, gdyż nie wymaga budowy nowych, dedykowanych systemów przesyłowych, co ogranicza koszty i pozwala zmniejszyć skalę inwestycji w nową infrastrukturę.

Rozwój systemów P2X na bazie rozwiązań IEN-PIB

Kluczowy element systemów Power-to-X stanowią elektrolizery, gdyż to one pozwalają na wysokoefektywną konwersję energii elektrycznej w energię chemiczną zawartą w paliwie np. wodorze i w jego nośnikach (np. metanolu, amoniaku czy metanie). W aspekcie energochłonności rozumianego jako nakład na wyprodukowanie 1 kg wodoru oraz możliwość integracji cieplnej z procesami przemysłowymi elektrolizery stałotlenkowe (SOE, z ang. Solid Oxide Electrolyzer) rozwijane w Instytucie Energetyki – Państwowym Instytucie Badawczym wydają się jedną z strategicznych technologii. Cechą wyróżniającą elektrolizery SOE spośród dostępnych technologii elektrolizy – elektrolizerów alkalicznych oraz typu PEM z elektrolitem w formie membrany polimerowej, jest ogniwo stałotlenkowe składające się jedynie z ceramicznych warstw funkcjonalnych w formie stałej. Aspekty materiałowe rzutują na  temperaturę ich pracy mieszcząca się
w zakresie 650-850 °C, a to natomiast powoduje o ok. 15-20% niższe zapotrzebowanie na energię elektryczną. Ponadto, w elektrolizerach stałotlenkowych możliwa jest ko-elektroliza pary wodnej i dwutlenku węgla, będącą jedną z efektywniejszych metod produkcji niskoemisyjnego gazu syntezowego. Stos ogniw SOC dodatkowo, bez żadnych zmian konstrukcyjnych ma możliwość pracy w trybie odwrotnym do elektrolizy - w trybie ogniwa paliwowego (SOFC, z ang. Solid Oxide Fuel Cell), w którym następuje konwersja energii chemicznej paliwa i utleniacza do energii elektrycznej i ciepła (kogeneracja). Wspomniana funkcjonalność – naprzemienna praca w obu trybach (praca w trybie odwracalnym rSOC, z ang. reversible Solid Oxide Cell), spełnia rolę magazynu energii elektrycznej. Ideę zastosowania opracowanych w IEN-PIB instalacji na bazie ogniw stałotlenkowych w systemach Power-to-X oraz Power-to-X-to-Power przedstawiono na Rys. 2.

Rys. 2. Schemat idei Power-to-X-to-Power w oparciu o układy z ogniwami stałotlenkowymi (Opracowanie IEN-PIB).

W Instytucie Energetyki – Państwowym Instytucie Badawczym technologia ogniw, stosów oraz instalacji SOC rozwijana jest na wielu płaszczyznach od aspektów materiałowych, po aspekty konstrukcyjne, systemowe, jak i operacyjne w połączeniu z procesami przemysłowymi wykorzystującymi wodór, jego pochodne czy syngaz. Prace związane z SOC realizowane są w IEN-PIB od blisko 20 lat w ramach projektów krajowych oraz międzynarodowych, finansowanych m.in. ze środków NCN, NCBR, Komisji Europejskiej, NFOŚiGW, prac statutowych czy prac zlecanych bezpośrednio przez przemysł. Efektem wspomnianych projektów jest stos ogniw SOC o zoptymalizowanych parametrach, porównywalnych do konkurencyjnych rozwiązań, a także instalacje SOE, SOFC, jak i rSOC, które zostały opracowane, wykonane i zintegrowane przez zespół IEN-PIB m.in. w ramach projektów HYDROGIN, VETNI (Rys. 3) czy Mikrokogeneracja H₂ [4-6].

Oprócz wielu krajowych i międzynarodowych projektów o charakterze badawczo-rozwojowych, prowadzących zarówno udoskonaleń technologii i poprawy parametrów pracy samych ogniw, prowadzone są projekty ukierunkowane na rozpowszechnianie wiedzy na temat systemów P2X integrujących OZE z technologiami wodorowymi, np. projekt Renewstart for Hydrogen Technologies [7].

Rys 3. Instalacja elektrolizy klasy 30 kW zintegrowana z obiektem rafinerii w Jaśle stworzona w ramach projektu VETNI realizowanego przez konsorcjum IEN-PIB, ORLEN oraz AGH.

Źródła:

[1] https://www.gov.pl/web/klimat/polityka-energetyczna-polski

[2] https://ptx-hub.org/how-ptx-works/

[3] Samuel Simon Araya, Xiaoti Cui, Na Li, Vincenzo Liso, Simon Lennart Sahlin, Power-to-X: Technology overview, possibilities and challenges, Aalborg University, AAU Energy (2022)

[4]https://www.gramwzielone.pl/woddor/20145998/pierwszy-elektrolizer-zintegrowany-z-elektrocieplownia-dziala-w-elblagu

[5]https://obserwatorgospodarczy.pl/2024/02/29/orlen-liderem-projektu-vetni-to-innowacyjny-system-wytwarzania-wodoru/

[6] https://www.linkedin.com/company/pgnig-sa/posts/ 

[7] https://www.euki.de/en/euki-projects/renewstart-for-hydrogen-technologies/