120x240


120x240


120x240


120x240


120x240





648x60
468x60

Power-to-Gas_-_DNV_KEMA

 

گرایش به سوی سیستم‌های انرژی پاک و پایدارتر تا سال ۲۰۵۰، نیازمند استفاده و بهره‌مندی از منابع تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ   می‌باشد. در اتحادیه اروپا هدف گذاری جهت کاهش ۸۰ درصدی تولید CO2 تا سال ۲۰۵۰ نسبت به سال ۱۹۹۰، مدنظر قرار گرفته شده است. منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و خورشید به طور عمده به دلیل آلودگی کم کربنی آن و دیگر اینکه دارای خاصیت تناوبی می‌باشند (اینکه به دلیل فاکتورهایی که تحت کنترل ما نیستند، قابل دسترسی به طور پیوسته نمی‌باشند)، متمایز از انرژی های فسیلی          می‌باشند. لذا بر اساس رویکرد استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر نیاز به انعطاف‌پذیری کلی در سیستم‌های انرژی به شدت افزایش     می‌یابد.

روش‌های متعددی برای ایجاد این انعطاف‌پذیری در سیستم‌های قدرت وجود دارد؛ مانند استفاده از باطری و یا استفاده از هوای فشرده برای ذخیره انرژی. یک روش دیگر برای ذخیره سازی انرژی (Energy Storage) استفاده از سیستم تبدیل برق به گاز (P2G) می‌باشد. استفاده از سیستم های تبدیل برق به گاز از یک طرف به دلیل ایجاد انعطاف‌پذیری در سیستم و کمک به انرژی‌های تجدیدپذیر در زمینه ذخیره آن‌ها و از طرف دیگر به دلیل این که همزمان منجر به افزایش پایداری در بخش‌های دیگر من جمله صنعت و تولید هیدروژن بدون کربن می شود، بسیار مورد توجه قرارگرفته است.

فرآیند تبدیل برق به گاز (P2G):

با توجه به ملاحظات اگزرژی، برق می‌بایست همواره در شبکه توزیع برق جاری باشد (راندمان بالا). با این وجود در صورت بروز مشکل در بخش تولید و توزیع برق (مانند بروز مشکل در سیستم ها، ازدحام مصرف، سیاست‌های قیمت‌گذاری برق) و یا عدم وجود زیرساخت‌های مناسب در بخش تولید و مصرف، می‌توان از روش‌های ذخیره‌سازی استفاده نمود. یکی از این روش‌ها استفاده از سیستم‌های تبدیل برق به گاز (P2G) می‌باشد.  P2G نوعی از تکنولوژی می باشد که انرژی الکتریکی را به سوخت گاز تبدیل می‌کند. بدین منظور سه روش وجود دارد. در هر سه روش از الکترولیز آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌گردد.

در روش اول، هیدروژن تولیدی به شبکه خطوط گاز تزریق می‌شود و یا از آن در صنعت حمل و نقل و یا سایر صنایع استفاده می شود. روش دوم ترکیب هیدروژن با دی‌اکسیدکربن و تبدیل آن به متان (گاز طبیعی) با استفاده از واکنش Sabatier می‌باشد. سپس متان را می‌توان به شبکه گاز طبیعی تزریق نمود. روش سوم استفاده از گاز خروجی Wood Gas Generator و یا واحد‌های بیوگاز می باشد. مخلوط نمودن هیدروژن تولیدی از الکترولیز آب باعث ارتقاء و بهبود کیفیت بیوگاز می شود.

اگرچه در این سه طریق ذکر شده، تولید هیدروژن و تزریق مستقیم آن به خطوط گاز ترجیح داده می‌شود ولی به دلیل محدودیت در میزان تزریق هیدروژن به خطوط (تغییر در Wobble index گاز، تغییر در رفتار احتراق در مخلوط گاز و تغییر در خصوصیات مواد)، تولید متان بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. میزان هیدروژنی که می‌توان به طور ایمن به خطوط گاز تزریق کرد بدون اینکه منجر به برگشت شعله و بروز ضربات در محفظه احتراق تجهیزات شود، بسیار وابسته به خصوصیات گاز می باشد. این میزان به طور تئوری در بهترین حالت حدود ۲۵درصد و در بدترین حالت صفر درصد می باشد. بدیهی است برای تبدیل هیدروژن به متان، به منابع کربن مانند  CO2 نیازمند خواهیم بود. متان تولیدی می‌تواند به عنوان سوخت در شبکه گازرسانی مورد استفاده قرار گیرد و یا مجدداً توسط نیروگاه‌های گازی به برق تبدیل شود. با استفاده از این روش‌ها برق به طور پیوسته به هیدروکربن تبدیل می شود. این پروسس در شکل زیر نشان داده شده است.

کارکرد ذخیره سازی (Storage) :

سیستم‌های تبدیل برق به گاز (P2G) ممکن است به عنوان کمکی و به صورت یک بخش الحاقی به مزارع بادی و یا تولید انرژی برق خورشیدی توسعه یابند. توان اضافی تولیدی و یا انرژی تولید شده در ساعات غیر پیک به وسیله توربین‌های بادی و یا آرایه‌های خورشیدی، می‌تواند در ساعات دیگری برای بالانس انرژی شبکه به کار رود. به عنوان مثال در کشور آلمان قبل از تغییر سوخت به گاز طبیعی، از گاز تولید شده توسط ذغال سنگ و یا سایر موارد استفاده می‌کردند و این در حالی بود که این گازها بالغ بر ۵۰ درصد تا۶۰ درصد هیدروژن بودند. درحال حاظر ظرفیت ذخیره سازی شبکه گاز طبیعی آلمان بیش از GWh 200.000 می‌باشد که این برای تأمین انرژی چندین ماه آلمان کفایت می‌کند. در مقایسه با ظرفیت ذخیره سازی انرژی نیروگاه‌های تلمبه ذخیره‌ای آلمان که تنها در حدود GWh 40 می باشد، ذخیره سازی به روش تولید گاز بسیار بیشتر می‌باشد. هم چنین میزان هزینه انتقال انرژی در خطوط گاز به مراتب کمتر از میزان انتقال انرژی در خطوط قدرت می‌باشد. این میزان در خطوط گاز کمتر از ۰،۱ درصد می‌باشد درحالی که در خطوط قدرت حدود ۸ درصد است، همچنین هزینه ذخیره سازی انرژی به روش تولید هیدروژن به طور تخمینی ۰،۱ و برای تولید متان ۰،۱۵ یورو به ازای هرکیلووات ساعت می‌باشد.

راندمان سیستم تبدیل برق به گاز (P2G) :

جدول زیر راندمان تبدیل انرژی را به صورت کلی نشان می دهد. این جدول براساس استفاده از الکترولیز آب بعلاوه روش تولید متان توسط شرکت  Fraunhofer IWES در آلمان تهیه شده است.

راندمان تبدیل انرژی

الکترولیز آب:

همانطور که گفته شد اصلی‌ترین قسمت سیستم‌های تولید برق به گاز و اولین قدم آن، الکترولیز آب به منظور تولید هیدروژن می‌باشد. جهت الکترولیز آب می‌بایست از آب با درجه خلوص بالا استفاده نمود. با توجه به این مورد لازم است از روش های تصفیه آب مانند روش اسمز معکوس، قبل از انجام الکترولیز استفاده کرد. همچنین برای گرفتن یون‌های آب نیز از جاذب‌های یون استفاده می‌نمایند. روش‌های مختلفی برای الکترولیز آب وجود دارد: الکترولیز قلیایی آب (به صورت تجاری مورد استفاده قرار می گیرد)، الکترولیز تبادل غشاء پروتون (که روش معمول‌تری می‌باشد)، و نیز الکترولیز به روش اکسید جامد که در حال بررسی می‌باشد و هنوز به طور عمومی مورد استفاده قرار نمی‌گیرند.

 

الکترولیز قلیایی:

استفاده از روش الکترولیز قلیایی به دلیل پایداری و کامل بودن روش انجام کار و همچنین هزینه پایین، بطور بسیار گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. محلول الکترولیز در این روش KOH غلیظ می‌باشد. موردی که لازم است در این روش مورد توجه قرار گیرد، نرخ شیب تولید پایین این روش می‌باشد و اینکه استارت از حالت سرد در این روش روش، کند می‌باشد. این مورد وابسته به میزان خلوص مورد نیاز هیدروژن نیز بوده و می تواند تا ۱۰دقیقه نیز برسد.

Kangen-Electrolysis

الکترولیز قلیایی آب به خوبی قادر است در توان‌های بین ۵ درصد تا۱۰۰ درصد به خوبی عمل نماید. راندمان این روش بین ۶۲ درصد تا ۸۲ درصد می باشد.

 

PEM Fuel Cellالکترولیز تبادل غشاء پروتون :

مناسب ترین روش برای جایگزینی الکترولیز به روش قلیایی، الکترولیز تبادل غشاء پروتونی می‌باشد. در این روش از آند (تولید اکسیژن)، کاتد (تولید هیدروژن) و غشاء تبادل پروتون در بین آن ها که یک پلیمر رسانای پروتونی است، استفاده می شود.

این روش به وفور در پیل سوختی مورد استفاده قرار می‌گیرد. راندمان این روش بین ۷۴ درصد تا ۸۷ درصد می‌باشد و طبق پیش بینی‌ها با توسعه آن تا سال ۲۰۲۰ راندمان این روش به بین ۸۷ درصد تا ۹۳ درصد خواهد رسید.

 

 

الکترولیز اکسید جامد:

این روش الکترولیز به لحاظ تکنولوژی متمایز با روش‌های دیگر می‌باشد. این روش قادر به تولید گازهای سینتتیک  (CO , H2)می‌باشد. همچنین درجه حرارت در این روش به طور مشخص بالاتر از روش‌های دیگر است (۷۰۰ تا ۱۰۰۰درجه سانتیگراد). راندمان واکنش در این روش نیز بالاتر بوده و نزدیک به ۱۰۰ درصد می باشد، (البته به جز در نظر گرفتن انرژی صرف شده برای رساندن درجه حرارت مورد نیاز واکنش). با در نظر گرفتن این مورد راندمان این روش بین ۵۰ درصد تا ۹۰ درصد خواهد بود. عمده تمرکز بر استفاده از این روش در نیروگاه‌های هسته‌ای و استفاده از حرارت تلف شده در آن‌ها می‌باشد و بر همین اساس می توان در محاسبه راندمان، از حرارت لازم برای رساندن درجه حرارت به مقدار مورد نیاز در این روش، صرف نظر کرد. یکی از مواردی که کاربرد این روش را در استفاده از سیستم تبدیل برق به گاز (P2G) با مشکل مواجه خواهد ساخت، عدم انعطاف پذیری آن می باشد به طوری که این روش برای شرایط پایدار کاربرد دارد. همچنین زمان راه اندازی این روش در حالت سرد بیش از یک ساعت خواهد بود.

تولید متان:

با توجه به وجود محدودیت‌های ذکر شده که در تزریق هیدروژن به خطوط گاز وجود دارد، تولید متان مرحله دوم در فرآیند P2G می‌باشد. بدین منظور از تبدیل کاتالیستی دی‌اکسیدکربن و هیدروژن استفاده می شود. پایه و اساس این روش واکنش ساباتیر است. روش گرفتن CO2 برای انجام واکنش، از عوامل مهم در بهره‌وری انرژی می‌باشد. منابع تهیه CO2 می تواند از اتمسفر، بیوگاز، بیومس، مراکز فاضلاب و تصفیه‌خانه‌ها و یا سوخت‌های فسیلی استفاده شده در نیروگاه‌های حرارتی به دست آید. استفاده از CO2 از اتمسفر می‌تواند موجب مجزا بودن واحد تولید متان از محل گرفتن CO2  شود و این باعث می‌شود بهترین و مناسب ترین مکان برای این نوع واحد را در نظر بگیریم، ولی نکته قابل توجه در این مورد راندمان پایین آن به دلیل مقدار بسیار کم CO2 در هوا (۳۹۰ ذره در میلیون) می‌باشد.

 

نتیجه گیری:

مطالعه و بررسی روش‌های ذخیره انرژی (Energy Storage) به منظور ایجاد پایداری در تولید و کاهش عدم قطعیت‌ها، افزایش بهره‌وری و کاهش استهلاک واحد‌های تولیدی در تغییر بار مورد نیاز شبکه، ضرورت دارد و سیستم‌های تبدیل برق به گاز (P2G) به این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

ترجمه و تدوین: رضا ایرانی و بیژن مشکینی

منبع: نشریه پیام تولید برق


Notify via Email Only if someone replies to My Comment



دعوت به همکاری

1- از کلیه علاقمند به همکاری در بخش آموزش دعوت بعمل می‌آید رزومه فعالیتهای آموزشی خود را به آدرس info [at] danyar.ir ارسال فرمایند.

2- از کلیه علاقمندان به انرژی های تجدیدپذیر دعوت به همکاری می‌گردد. چنانچه تمایل دارید در کار ترجمه اخبار و مطالب روز با دانیار همکاری نمایید با آدرس ایمیل info [at] danyar.ir مکاتبه فرمایید.

×