Referencje 20 października 2021
Power-to-Gas: powiązanie elektroenergetyki, gazownictwa i ciepłownictwa

W przyszłości dużą rolę na rynku energetycznym mogą odegrać instalacje Power-to-Gas, które przetworzą nadwyżki energii elektrycznej na nadające się do przechowywania gazy – wodór i metan. Instalacje te łączą bowiem sektor energii elektrycznej z branżą ciepłowniczą i mobilnością, włączając tym samym kolejne obszary do ochrony klimatu. Sterowniki WAGO ułatwiają integrację i komunikację urządzeń w elastycznie sterowanych wirtualnych elektrowniach.

W Niemczech kładzie się duży nacisk na ochronę klimatu. Do roku 2050 udział OZE w zużyciu energii powinien wzrosnąć z obecnego poziomu, wynoszącego niecałe 35 procent, do 100 procent. Eksperci uważają nawet, że jest to możliwe w jeszcze krótszym czasie. Zgodnie z ich opinią, jeżeli mamy ograniczyć globalne ocieplenie do 1,5 stopnia Celsjusza, to do roku 2050 sektory mobilności i ciepłownictwa powinny być w pełni zasilane energiami odnawialnymi. Jednak linie energetyczne osiągają już granice swoich możliwości ze względu na szybki rozwój energii słonecznej i wiatrowej. Produkcja ekologicznej energii elektrycznej podlega bowiem wahaniom związanym z pogodą i musi być dostosowana do zapotrzebowania, aby nie zagrażać stabilności sieci.

Z prądu powstaje gaz – po czym znowu energia elektryczna. Ze wsparciem od WAGO:

łatwe połączenie instalacji Power-to-Gas do poziomu sterowania za pomocą WAGO Telecontrol Gateway WTG
bezproblemowa integracja w wirtualnych elektrowniach poprzez nowy standard komunikacji VHPready
szyfrowany przesył danych przez OpenVPN lub IPSec

Powiązanie sektora energetycznego, ciepłowniczego i mobilności

Magazyny energii rozwiązują problem, gromadzą nadwyżki energii a następnie oddają je w zależności od potrzeb. Podczas gdy akumulatory-magazyny energii nadają się do szybkiego odbierania nadwyżek prądu z sieci i ich tymczasowego przechowywania, instalacje Power-to-Gas mogą spełniać rolę docelowych magazynów odciążających sieć. Technika ta jest obecnie testowana w licznych projektach. Zawsze gdy turbiny wiatrowe wytwarzają za dużo energii elektrycznej, elektrolizer przekształca nadwyżki w wodór. Gaz jest gromadzony w zbiornikach, zaś ciepło powstające w procesie elektrolizy jest odprowadzane do sieci ciepłowniczej. Jeżeli zapotrzebowanie na energię elektryczną wzrośnie, wodór zostanie ponownie spalony w podłączonej biogazowni.

Kluczowa technika – elektroliza

Ta technika może odgrywać w przyszłości dużą rolę, gdyż wodór będzie wykorzystywany nie tylko w sektorze energetycznym. Może być on także surowcem w przemyśle chemicznym lub paliwem w pojazdach z ogniwem paliwowym. Możliwe jest także jego przekształcenie w metan i zmagazynowanie w sieci gazu ziemnego, zasilającej systemy grzewcze, elektrownie i stacje paliw. Przed wprowadzeniem instalacji Power-to-Gas na rynek należy jednak rozwiązać kilka problemów technicznych. Ze względu na zmienną wydajność produkcji energii ekologicznej, instalacje muszą stale reagować na zmiany obciążenia. Mogą do tego służyć nowoczesne ogniwa paliwowe z membraną polimerową (Polymer Electrolyte Membrane), które będą szybko reagować na wahania. W procesie PEM jako elektrolit wykorzystywana jest woda destylowana, która przez specjalną membranę przewodzącą proton w ciągu milisekund zostaje za pomocą prądu elektrycznego rozdzielona na wodór i tlen.

Szybki rozwój innowacji technicznych

Aby jednak móc wykorzystywać szybkie przetworniki na dużą skalę, muszą być one bardziej kompaktowe i trwałe. Kolejnym problemem jest ich efektywność. Elektrolizery przekształcają prąd elektryczny w wodór ze skutecznością sięgającą maksymalnie 80 procent. W przypadku metanizacji wartość ta spada do 50 procent. Jeżeli na końcu wytwarzana jest energia elektryczna, efektywność spada do niecałych 40 procent. Ponadto, metanizacja odbywa się tylko z udziałem dwutlenku węgla (CO₂), który w połączeniu z wodorem jest przekształcany w metan i wodę. Tylko skąd brać w przyszłości CO₂? Rozważa się filtrowanie gazu bezpośrednio na miejscu, przy użyciu instalacji adsorpcyjnych. Niestety, ta technika również nie jest do końca dopracowana. Pomimo licznych przeszkód eksperci są zdania, że w instalacjach Power-to-Gas nastąpi przełom, gdyż są one stale udoskonalane. Nie mówiąc o tym, że skuteczność instalacji można zwiększyć dzięki odpowiedniej konfiguracji. Ich efektywność wzrasta na przykład, jeżeli wykorzystamy ciepło powstające w procesie elektrolizy i metanizacji w ciepłownictwie.

Sieć gazu ziemnego jako magazyn długoterminowy

Aby rozpocząć korzystanie z instalacji Power-to-Gas firmy wykorzystują tę technologię w różnych projektach. Chcą one między innymi przetestować, ile wodoru można zmagazynować w sieci gazu ziemnego. Obecnie udział ten ze względu na wysoką gęstość energii wodoru nie może przekraczać pięciu procent. Czy jednak nie dałoby się przesunąć tej granicy w górę, zachowując przy tym bezpieczeństwo eksploatacji? Wówczas można by wykorzystać sieć gazu ziemnego jako magazyn długoterminowy. Inną możliwością wykorzystania wodoru jest jego przekształcenie w paliwo węglowe. W wyniku elektrolizy część wodoru jest redukowana do tlenku węgla (CO₂). Miesza się on z pozostałym wodorem i stwarza podstawę dla reakcji, w której powstaje paliwo o wysokiej czystości i które może zastąpić olej napędowy.

Poszukiwane kompatybilne rozwiązania

WAGO może pomóc we włączeniu instalacji Powet-to-Gas do sieci Smart Grid, a następnie ich zintegrowaniu w ramach elastycznie regulowanych zespołów, tak zwanych wirtualnych elektrowni. Zaopatrzenie w energię elektryczną, gaz, ciepło i wodę staje się, ze względu na rosnącą ilości instalacji rozproszonych, coraz bardziej złożone. Powstaje sieć obejmująca wiele interfejsów różnych producentów. Dlatego bardziej niż kiedykolwiek potrzebne są inteligentne i elastyczne rozwiązania do telesterowania, które zaspokoją zapotrzebowanie użytkowników na kompatybilne rozwiązania. Takim rozwiązaniem jest bramka WAGO Telecontrol. Umożliwia ona podłączenie do systemu w ramach otwartej struktury nawet 16 podstacji telesterowania. Dzięki nim użytkownicy zyskują niespotykaną dotychczas niezależność, przejrzystość i efektywność. Bramka WTG (WAGO-Fernwirk-Gateway) wprowadza po raz pierwszy otwarty poziom transmisji pomiędzy uczestnikami w terenie a systemem sterowania. W tym celu sterownik PFC200 z oprogramowaniem do telesterowania spełnia funkcję bramki komunikacyjnej, łącząc podstację z dyspozytornią. Bramka sprawdza się wszędzie tam, gdzie podłączane podstacje pochodzą od różnych producentów.

Łatwa komunikacja przez VHPready

Kolejnym problemem przy połączeniu instalacji rozproszonych, jak instalacje Power-To-Gas, jest to, iż ze względu na różnych producentów "mówią one różnymi językami", co stwarza problemy z koordynacją. WAGO zapewnia prawidłową komunikację: sterowniki z protokołem telesterowania spełniają wymagania standardu przemysłowego VHPready (Virtual Heat and Power) i dzięki temu umożliwiają podłączanie instalacji do wirtualnej elektrowni. Aktualna wersja specyfikacji to VHPready 4.0. Opisuje ona sterowanie i komunikację w ramach wirtualnej elektrowni i służy jako swoisty tłumacz, dzięki któremu dyspozytornia i instalacje mogą się porozumiewać. VHPready standaryzuje obiekty oraz zmienne pochodzące z różnych protokołów komunikacyjnych i jednoznacznie je interpretuje. W przypadku VHPready komunikacja przebiega nie jak dotychczas, poprzez zestaw zmiennych, lecz przez zdefiniowane wcześniej modele danych. Standard VHPready definiuje nie tylko komunikację, lecz także specyficzne dla danej domeny parametry dotyczące trybu roboczego i czasów reakcji. W ten sposób można bezpiecznie sterować harmonogramem pracy elektrowni. Dzięki temu w ciągu 24 godzin dyspozytornia może przesłać do instalacji parametry sterujące w formie poleceń/zestawów danych/komunikatów/plików. Bezpieczeństwo danych jest tutaj priorytetem. Możliwe jest zbudowanie tunelu VPN do szyfrowanej transmisji danych pomiędzy PLC a centrum dystrybucji, bezpośrednio w sterowniku WAGO (przez Open-VPN lub IPsec). Technika pozwalająca na integrację Power-to-Gas w sieciach Smart Grid jest gotowa.

Tekst: Daniel Wiese, WAGO

WAGO w praktyce

Referencje i opinie ekspertów z branży energetyki

WAGO realizuje wiele interesujących projektów jako partner i lider innowacji. Poznaj nasze kreatywne i efektywne rozwiązania w przemyśle energetycznym.

Referencje

Paliwo słoneczne – dostępne także nocą

Biuro inżynierskie Fehringer opracowało stację ładowania pojazdów elektrycznych, łączącą fotowoltaikę z magazynami energii. Rozwiązanie WAGO obsługuje zarządzanie interfejsami.

Referencje 20 października 2021 Power-to-Gas: powiązanie elektroenergetyki, gazownictwa i ciepłownictwa