Jednym z największych problemów energetyki odnawialnej pozostaje magazynowanie energii. Farmy wiatrowe i słoneczne produkują prąd nieregularnie. Czasem energii jest za dużo, a czasem za mało. Krótkoterminowo można radzić sobie bateriami albo elektrowniami szczytowo-pompowymi, które wykorzystują wodę pompowaną do zbiorników położonych wyżej. Problem zaczyna się wtedy, gdy energię trzeba przechować przez tygodnie lub miesiące.
„Jeśli mówimy o magazynowaniu sezonowym, trzeba zamienić energię w formę chemiczną” – mówi prof. Bruce Logan z uniwersytetu Penn State w USA. Właśnie tym zajmuje się technologia rozwijana przez jego zespół. Badacze chcą wykorzystywać nadwyżki energii odnawialnej do produkcji syntetycznego metanu.
Metan jako magazyn energii
Sam pomysł nie jest nowy. Od lat rozwijane są technologie określane jako power-to-gas. W skrócie chodzi o wykorzystanie energii elektrycznej do produkcji paliwa gazowego. Najczęściej proces zaczyna się od elektrolizy wody, czyli rozbijania jej na wodór i tlen przy użyciu prądu. Wodór można później wykorzystać bezpośrednio albo połączyć z dwutlenkiem węgla, produkując metan.
To właśnie robi nowy system z Penn State. Kluczową rolę odgrywają jednak nie tylko elektrody i chemia, ale również mikroorganizmy. Prąd z odnawialnych źródeł rozszczepia wodę i produkuje wodór. Następnie mikroorganizmy zwane metanogenami wykorzystują wodór do przekształcenia CO2 w metan, czyli główny składnik gazu ziemnego.
„Możemy używać taniej energii odnawialnej do produkcji metanu, który da się przesyłać i magazynować przy użyciu istniejącej infrastruktury” – mówi Logan. To ważne, bo oznacza możliwość wykorzystania istniejących gazociągów, magazynów gazu i elektrowni gazowych bez budowy całkowicie nowej sieci energetycznej.
Problemem było skalowanie technologii
Tego typu systemy rozwijane są od lat, ale zwykle działały głównie w laboratoriach. Największym problemem pozostawała skala. W małych eksperymentalnych reaktorach można osiągać dobre wyniki, ale po zwiększeniu rozmiaru urządzenia sprawność zwykle spadała. Pojawiały się problemy z przepływem gazów, oporem elektrycznym i stabilnością mikroorganizmów.
Zespół z Penn State postanowił przeprojektować sam reaktor. Badacze stworzyli tzw. zero-gap reactor, w którym elektrody oddziela jedynie cienka membrana. Taka konstrukcja zmniejsza opór elektryczny i poprawia transport protonów oraz gazów wewnątrz systemu.
Nowa wersja urządzenia miała powierzchnię elektrod około dziesięć razy większą niż wcześniejsze konstrukcje. Wydłużono też drogę przepływu gazów i cieczy do około 30 centymetrów. Mimo większego rozmiaru system zachował wysoką sprawność. „Choć znacząco powiększyliśmy system, opór wewnętrzny się nie pogorszył” – mówi Logan.
Mikroorganizmy pracują razem z elektrolizerem
Badanie pokazało też dokładniej, jak przebiega sam proces produkcji metanu. Wcześniej część naukowców zakładała, że mikroorganizmy mogą bezpośrednio pobierać elektrony z elektrod. Problem polegał na tym, że taki mechanizm działał stosunkowo wolno.
Nowy system opiera się na szybkiej produkcji wodoru bezpośrednio przy powierzchni elektrod. Metanogeny natychmiast zużywają powstający wodór do produkcji metanu. „Rozbijamy wodę, produkujemy wodór, a metanogeny są od razu obok i mogą go wykorzystać” – tłumaczy Logan.
Badacze porównują system do połączenia klasycznego elektrolizera z biologicznym reaktorem. Kluczowe okazało się też równomierne rozprowadzanie gazów i cieczy wewnątrz urządzenia. Reaktor wyposażono w kilka portów przepływowych, które pomagają utrzymać stabilne warunki dla mikroorganizmów.
Sprawność wyższa niż w wielu wcześniejszych systemach
W testach laboratoryjnych reaktor osiągnął produkcję metanu na poziomie 6,9 litra na litr objętości reaktora dziennie. Sprawność energetyczna wyniosła około 45 proc. To jeden z najwyższych wyników uzyskanych dotąd dla systemów microbial electrosynthesis działających w standardowych warunkach temperaturowych.
W praktyce oznacza to, że niemal połowa energii elektrycznej trafiającej do układu została zamieniona w energię chemiczną zgromadzoną w metanie. System osiągnął też sprawność kulombowską przekraczającą 95 proc. Oznacza to, że zdecydowana większość elektronów dostarczonych do reaktora została wykorzystana do produkcji metanu, zamiast tworzyć produkty uboczne.
„Bierzemy elektrony i dwutlenek węgla, a potem zamieniamy je w metan ze sprawnością rzędu 45-47 proc. To naprawdę dobry wynik” – mówi Logan. Technologia wpisuje się w szerszy trend poszukiwania sposobów zagospodarowania nadwyżek energii odnawialnej.
Przy dużym udziale fotowoltaiki i energetyki wiatrowej coraz częściej zdarzają się momenty, gdy produkcja prądu przewyższa zapotrzebowanie. W takich sytuacjach część energii bywa po prostu ograniczana lub marnowana. Produkcja syntetycznego metanu mogłaby pozwolić na wykorzystanie tych nadwyżek. Gaz można magazynować znacznie łatwiej niż energię elektryczną.
Podobne koncepcje testowano wcześniej m.in. w Niemczech i Skandynawii. W jednym z projektów prowadzonych przez Karlsruhe Institute of Technology metan produkowano z biomasy, wodoru i CO2 w instalacji mieszczącej się w kontenerze transportowym.
Nowe badanie z Penn State koncentruje się jednak na systemie biologiczno-elektrochemicznym, który ma działać wydajniej i łatwiej skalować się do większych rozmiarów.
Problemem pozostają wycieki metanu
Naukowcy podkreślają jednocześnie, że technologia nie jest pozbawiona problemów. Metan jest bardzo silnym gazem cieplarnianym. W perspektywie 20 lat jego wpływ na ocieplenie klimatu jest wielokrotnie większy niż CO2. Nawet niewielkie wycieki podczas produkcji, przesyłu i magazynowania mogłyby ograniczyć korzyści klimatyczne całego systemu.
Dużym wyzwaniem pozostają także koszty. Opłacalność technologii zależy przede wszystkim od dostępności bardzo taniej energii odnawialnej. Badacze przyznają też, że potrzebne będą dalsze prace nad materiałami elektrod, katalizatorami i samą konstrukcją reaktorów.
Mimo to Logan uważa, że system może znaleźć praktyczne zastosowania. „Widzę instalacje produkujące metan budowane obok farm słonecznych albo wiatrowych. Zamiast wysyłać energię do sieci, można na miejscu produkować metan i wtłaczać go do gazociągów” – mówi.
