Мощность-к-X
Power-to-X (также P2X и P2Y ) — это электроэнергии пути преобразования , хранения и реконверсии 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, полученную 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 значений: энергия в аммиак , энергия в химикаты , энергия в топливо , [3] энергия в газ (энергия в водород, энергия в метан), энергия в жидкость ( синтетическое топливо ), энергия в пищу, [4] мощность на 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 путей и технологий. В 2016 году правительство Германии профинансировало первый этап исследовательского проекта Power-to-X стоимостью 30 миллионов евро. [5]
Энергия-топливо
[ редактировать ]Избыточная электроэнергия может быть преобразована в энергию газового топлива для хранения и повторного преобразования. [6] [7] [8] [9] постоянным током Электролиз воды (эффективность в лучшем случае 80–85%) может быть использован для получения 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
[ редактировать ]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 ( NH3 ) .
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 эффективность туда и обратно остается ограниченной на уровне 35–50%. [2] Электролиз стоит дорого, а процессы преобразования энергии в газ требуют значительного количества 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 ссылка ] Это означает, что большие объемы энергии можно хранить в течение длительных периодов времени с использованием технологии Power-to-Power, что идеально подходит для сезонного хранения. Это может быть особенно полезно для систем с высоким уровнем переменного проникновения возобновляемой энергии , поскольку во многих районах наблюдается значительная сезонная изменчивость выработки солнечной, ветровой и русловой гидроэлектроэнергии.
Батареи
[ редактировать ]в основе своей также основана на электролитических химических реакциях, Несмотря на то, что аккумуляторная батарея она обычно не считается концепцией преобразования энергии в топливо.
Мощность-нагрев
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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 отопления предлагает дешевый способ использования излишков возобновляемой энергии и часто заменяет углеродоемкое ископаемое топливо. для этой задачи [1] Крупномасштабные тепловые насосы в системах централизованного теплоснабжения с накоплением тепловой энергии являются особенно привлекательным вариантом для производства электроэнергии в тепло: они обеспечивают исключительно высокую эффективность для балансировки избыточной ветровой и солнечной энергии и могут быть выгодными инвестициями. [17] [18]
Системы хранения тепла
[ редактировать ]Другие формы Power-to-X
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и академический; 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.
- ^ Jump up to: а б с д и Лунд, Питер Д; Линдгрен, Юусо; Миккола, Яни; Салпакари, Юри (2015). «Обзор мер по гибкости энергетической системы для обеспечения высокого уровня переменной возобновляемой электроэнергии» (PDF) . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 45 : 785–807. дои : 10.1016/j.rser.2015.01.057 .
- ^ 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.
- ^ Силман, 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 .
- ^ «Power-to-X: вход в энергетический переход с Коперником» (Пресс-релиз). Ахен, Германия: RWTH Ахен. 5 апреля 2016 года . Проверено 9 июня 2016 г.
- ^ Jump up to: а б с д Штернберг, Андре; Бардоу, Андре (2015). «Энергия для чего? — Экологическая оценка систем хранения энергии». Энергетика и экология . 8 (2): 389–400. дои : 10.1039/c4ee03051f .
- ^ Агора Энергевенде (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.
- ^ Стернер, Майкл; Эккерт, Фабиан; Тема, Мартин; и др. (2014). переходе . Долговременное хранение при — Презентация энергетическом Регенсбург, Германия: Исследовательский центр энергетических сетей и хранения энергии (FENES), OTH Регенсбург . Проверено 9 мая 2016 г.
- ^ 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; Шуэт, Ферди; Столтен, Детлеф; Тессмер, Гиза; Вагеманн, Курт; Зиган, Карл-Фридрих (май 2016 г.). Системы хранения энергии: вклад химии — Документ с изложением позиции (PDF) . Германия: Координационная группа по исследованиям в области химической энергии (Объединенная рабочая группа по исследованиям в области химической энергии). ISBN 978-3-89746-183-3 . Проверено 9 июня 2016 г.
- ^ 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 .
- ^ Завод по производству возобновляемого метанола Джорджа Олы
- ^ Король, Даниэль Хельмут; Баукс, Надин; Краай, Джерард; Вернер, Антье (18–19 февраля 2014 г.). «Разработка и оценка концепций процессов хранения нестабильной возобновляемой энергии в жидких углеводородах » . Ежегодное собрание группы специалистов по энергетическому инжинирингу ProcessNet . Карлсруэ, Германия . Проверено 9 мая 2016 г.
- ^ 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 .
- ^ Блосс, Андреас; Шилл, Вольф-Петер; Зерран, Александр (15 февраля 2018 г.). «Электроэнергия-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 .
- ^ Штернер, Стадлер, Майкл, Инго (2014). Хранение энергии – требования, технологии, интеграция . Берлин и Гейдельберг.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Швайгер, Джеральд (2017). «Потенциал производства электроэнергии в тепло в шведских системах централизованного теплоснабжения». Энергия . 137 : 661–669. дои : 10.1016/j.energy.2017.02.075 .
- ^ Закери, Бехнам; Ринне, Самули; Сири, Санна (31 марта 2015 г.). «Интеграция ветроэнергетики в энергосистемы с высокой долей атомной энергетики – каковы компромиссы?» . Энергии . 8 (4): 2493–2527. дои : 10.3390/en8042493 . ISSN 1996-1073 .
- ^ Салпакари, Юри; Миккола, Яни; Лунд, Питер Д. (2016). «Повышение гибкости при крупномасштабном использовании возобновляемых источников энергии в городах за счет оптимального управления спросом и преобразования электроэнергии в тепло» . Преобразование энергии и управление . 126 : 649–661. дои : 10.1016/j.enconman.2016.08.041 . ISSN 0196-8904 .
- ^ «Связь секторов – Формирование интегрированной системы возобновляемых источников энергии» . Провод чистой энергии . 18 апреля 2018 года . Проверено 6 марта 2019 г.
- ^ Онодера, Хироаки; Делаж, Реми; Наката, Тошихико (1 октября 2023 г.). «Систематические эффекты гибкой работы power-to-X в системе возобновляемой 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.
