Ostateczne magazynowanie energii: Amoniak

Wyzwania zielonej energii

Wobec zmian klimatycznych powodujących częstsze ekstremalne zjawiska pogodowe oraz wyznaczenia przez IPCC celów redukcji emisji w celu zapobieżenia wzrostowi temperatury o kolejne 1,5 stopnia, świat podejmuje wysiłki w celu przejścia na Energię Odnawialną. Wraz z globalnym przejściem od paliw kopalnych do zielonej energii, istnieje potrzeba długoterminowego przechowywania i przesyłania tej zielonej energii na duże odległości. Amoniak dobrze nadaje się do obu tych zastosowań, ponieważ w temperaturze pokojowej ciekły amoniak jest bardzo wydajnym nośnikiem wodoru, który może być łatwo transportowany. Ogniwa paliwowe, które mogą wykorzystać wodór z amoniaku, oferują znaczący przełom w pokonywaniu kluczowych wyzwań zielonej energii:

• Dostarczanie zielonej energii, gdy inne źródła odnawialne są dostępne z przerwami

Energia słoneczna jest produkowana tylko wtedy, gdy świeci słońce. Energia wiatru jest produkowana tylko wtedy, gdy wieje wiatr. Fakt, że dostępność tych coraz bardziej popularnych źródeł energii odnawialnej jest ograniczona przez warunki pogodowe, nabiera coraz większego znaczenia w miarę jak te źródła energii stanowią większą część całkowitej wytwarzanej energii. Niedopasowanie produkcji energii odnawialnej do zapotrzebowania konsumentów jest widoczne w słynnej krzywej kaczek energii odnawialnej; wahania bilansu energetycznego spowodowane przez energię odnawialną stanowią poważne wyzwanie dla przedsiębiorstw energetycznych, które muszą sprostać temu zapotrzebowaniu. Odpowiedzią na to wyzwanie będą łatwo dostępne rozwiązania w zakresie magazynowania energii odnawialnej. Ogniwa paliwowe o wysokiej dostępności mogą być ważnym składnikiem tych rozwiązań.

• Wykorzystanie nadmiaru mocy ze źródeł odnawialnych

Zamiast ograniczać nadmiar mocy generowany przez źródła odnawialne, ten nadmiar energii może być przechowywany jako ciekły amoniak do przyszłego wykorzystania przez ogniwa paliwowe. Takie źródło amoniaku byłoby czystą alternatywą dla amoniaku przemysłowego, który jest wytwarzany w procesie produkcji Habera-Boscha.

• Oferowanie ekologicznej, tańszej alternatywy dla oleju napędowego
  Generatory diesla do tej pory odgrywały główną rolę w dostarczaniu energii w biednych gospodarkach sieciowych krajów rozwijających się. Generatory te są przynajmniej częściowo odpowiedzialne za zanieczyszczenie powietrza olejem napędowym i innymi paliwami kopalnymi, które powoduje śmierć 7 milionów ludzi na całym świecie każdego roku. Zastąpienie oleju napędowego „zielonym amoniakiem” jako nośnikiem energii sprawiłoby, że czysta, niezawodna zielona energia stałaby się dostępna dla 3,5 miliarda ludzi, którzy żyją poza siecią energetyczną lub na obszarach ubogich. Wprowadzenie na rynek rozwiązania GenCell A5 dla wież telekomunikacyjnych i elektryfikacji obszarów wiejskich zasilanych amoniakiem umożliwi dostęp do energii milionom ludzi, którzy obecnie wciąż pozostają poza siecią energetyczną.

Podejścia do magazynowania energii odnawialnej

Do dziś rynek energetyczny koncentruje się głównie na dwóch głównych podejściach do magazynowania energii odnawialnej – akumulatorach i wodorze. Do opracowania baterii wielokrotnego ładowania o różnych typach i rozmiarach stosuje się różne technologie. Zalety akumulatorów to wydajność energetyczna i długa żywotność dzięki możliwości ładowania i transportu. Z drugiej strony, ich wady obejmują znaczną wagę i powierzchnię, wysokie koszty produkcji, szybkie zużycie, zagrożenia bezpieczeństwa i problemy związane z ich utylizacją.

Równolegle do baterii, inny popularny trend w zakresie magazynowania energii opiera się na technologii wodorowej, takiej jak aplikacje, które wykorzystują wodór do napędzania ogniw paliwowych, pojazdów z możliwością ładowania i maszyn mobilnych, wśród innych innowacyjnych zastosowań. Aplikacje takie jak elektroliza wytwarzają czysty, ekologiczny wodór z wody przy pomocy nadwyżki energii odnawialnej; wodór ten może być transportowany, przechowywany i umożliwiać ponowną elektryfikację przy użyciu ogniw paliwowych.

Możliwość przechowywania energii w postaci wodoru jest znacznie wyższa niż w przypadku baterii. Dlaczego więc technologia ta nie podbiła jeszcze rynku? Powodem jest fakt, że magazynowanie energii w postaci wodoru stanowi wyzwanie. Zbudowanie opłacalnej infrastruktury wodorowej do dostarczania wodoru z miejsc produkcji do miejsc konsumpcji nie jest sprawą prostą. Masowa, scentralizowana produkcja wodoru, czy to w postaci gazu, czy cieczy, pociąga za sobą wysokie koszty dostawy i dystrybucji, podczas gdy rozproszona produkcja na małą skalę jest zaporowo kosztowna. Dostarczanie wodoru jest ograniczone przez wysokie koszty, straty wydajności energetycznej podczas transportu, problemy z czystością wodoru i skłonność do wycieków.

Naukowcy pracują nad nowymi nośnikami wodoru, aby przezwyciężyć te ograniczenia. Nośniki wodoru mogą przechowywać wodór w stanie chemicznym innym niż wolne cząsteczki wodoru. Jedna z interesujących metod dostarczania wodoru polega na uwodnieniu związku chemicznego w miejscu produkcji, a następnie odwodnieniu go w miejscu dostawy lub w ogniwie paliwowym. Potencjalne nośniki obejmują technologie chemicznego i fizycznego magazynowania, takie jak wodorki metali, nanostruktury węglowe lub inne oraz odwracalne węglowodory. Inne podejścia obejmują pompowanie wodoru do podziemnych kawern, z których wiele powstało w wyniku działalności górniczej, gdzie jest on bezpiecznie przechowywany. Technologia Power to Gas polega na wtłaczaniu wodoru do gazu ziemnego, który jest transportowany za pomocą istniejącej infrastruktury. Spalanie uwalnia energię; zastępując 20% węgla wodorem, emisje są podobnie zmniejszone o 20%.

Amoniak jako nośnik energii

Inną opcją jest wykorzystanie amoniaku jako nośnika energii. Zalety są liczne. Po pierwsze, amoniak jest ekonomiczny. Dostępność – drugi najczęściej produkowany związek chemiczny na świecie, rocznie produkuje się 200 milionów ton amoniaku. Łatwość transportu – amoniak jest łatwy do magazynowania i nie wymaga przechowywania pod wysokim ciśnieniem. Inną kluczową zaletą jest chemiczna kompatybilność amoniaku z alkalicznymi ogniwami paliwowymi, które wykorzystują elektrolit alkaliczny. A kiedy amoniak jest krakowany w celu wytworzenia wodoru, nie są emitowane żadne szkodliwe zanieczyszczenia. Ponieważ nie ma węgla, nie powstają żadne węglowe produkty uboczne – amoniak jest więc „neutralną węglowo” opcją na przyszłość. Chociaż amoniak jest toksycznym związkiem chemicznym o silnym zapachu, przy ostrożnym i zgodnym z przepisami obchodzeniu się z nim, jest on bezpiecznie stosowany m.in. w rolnictwie, chłodnictwie, półprzewodnikach, farbach do włosów i oczyszczaniu wody. Jednak największą zaletą amoniaku jako nośnika wodoru jest fakt, że jako ciecz, przy łagodnym ciśnieniu i bez ograniczeń kriogenicznych, oferuje on wysoką gęstość magazynowania wodoru.

Już dziś GenCell opracował ogniwo paliwowe, które wykorzystuje ciekły amoniak do zasilania rozwiązania off-grid, które działa jako autonomiczna „nano-elektrownia” poza siecią, umożliwiając nam zastąpienie zanieczyszczających generatorów diesla w dostarczaniu energii elektrycznej poza siecią. Obecnie ogniwa paliwowe zasilane są amoniakiem produkowanym przemysłowo, głównie w powszechnie stosowanym, ale bardzo zanieczyszczającym środowisko procesie Habera-Boscha. W procesie syntezy amoniaku metodą Habera-Boscha azot reaguje z wodorem przy użyciu metalowego katalizatora. Proces ten jest prowadzony pod ciśnieniem 200 atm i w wysokiej temperaturze reakcji wynoszącej prawie 500°C. Istnieją opinie, że proces Habera-Boscha jest jednym z największych czynników przyczyniających się do nagromadzenia reaktywnego azotu w biosferze. Aby zaoferować całkowicie zieloną energię, pracujemy nad rozwojem przyjaznego dla środowiska procesu wytwarzania zielonego amoniaku, który może zastąpić zanieczyszczający proces Habera-Boscha. Umożliwiłoby to przemysłową produkcję czystego amoniaku z wykorzystaniem energii odnawialnej do szerokiego zakresu zastosowań, od nawozów i oczyszczania wody po dostarczanie paliwa do alkalicznych ogniw paliwowych. Ponieważ w równaniu tym nie występuje węgiel, technologia ta, gdy zostanie dopracowana, pozwoli nam na w 100% ekologiczne wytwarzanie rozproszonej energii elektrycznej. Przewidujemy umożliwienie w pełni czystej pętli energetycznej poprzez produkcję zielonego amoniaku na miejscu przy użyciu energii słonecznej i wiatrowej, wykorzystując amoniak do zasilania generatorów alkalicznych ogniw paliwowych w dowolnym miejscu poza siecią, umożliwiając elektryfikację obszarów wiejskich i przybliżając świat do parytetu sieci. Aby uzyskać więcej informacji, skontaktuj się z nami pod adresem [email protected].

.