TENNESSEE: Opracowanie przemysłowej konstrukcji węglanowych ogniw paliwowych oraz ceramicznych elektrolizerów dających możliwość integracji z instalacjami energetycznymi power-to-gas

Energia elektryczna w dużej skali jest obecnie trudna do zmagazynowania. Co oznacza, iż w każdej sekundzie wymagany jest zerowy bilans energetyczny pomiędzy producentami tej energii a jej konsumentami. Powoduje to sytuację, w której wytwórcy energii elektryczną muszą dostosowywać się do zmian obciążenia występującego w sieci elektroenergetycznej. Pomocniczą rolę odgrywają tu elektrownie szczytowe (głównie turbiny gazowe) oraz elektrownie szczytowo-pompowe. Turbiny gazowe używane w okresie szczytowym mają stosunkowo niską sprawność i są zasilane bardzo drogim paliwem (gazem ziemnym lub ropą naftową). Elektrownie szczytowo-pompowe są uzależnione od struktur geologicznych, przez co wybór lokalizacji jest bardzo ograniczony.

Elektrownie do produkcji syntetycznego gazu ziemnego (synthetic natural gas – SNG) magazynujące energię są tutaj realną alternatywą. Elektrownia taka magazynuje energię elektryczną w czasie niskiego zapotrzebowania na prąd w postaci związku chemicznego (substytutu gazu ziemnego), a produkuje ją ze zmagazynowanego gazu w czasie szczytowego zapotrzebowania. Taki system ma dużo zalet, między innymi znacząco ogranicza emisję gazów cieplarnianych (jest praktycznie zeroemisyjny) przy jednocześnie wysokiej sprawności. Układ do magazynowania nadwyżek energii ze źródeł odnawialnych w postaci SNG wydaje się, zatem bardzo korzystnym sposobem na magazynowanie energii elektrycznej. Pomysł polega na zamianie dwutlenku węgla pochodzącego z instalacji przemysłowych (np. elektrowni węglowych, zakładów chemicznych, metalurgicznych lub cementowni) w metan podczas reakcji chemicznej z wodorem, wytworzonym w procesie elektrolizy zasilanej nadwyżką taniej energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych. W ten sposób instalacje typu power-to-gas jest są wyłącznie dobrym rozwiązaniem problemu nadprodukcji energii elektrycznej przez źródła odnawialne, ale także rozwiązują problem wykorzystania wychwyconego CO₂.

Celem projektu jest ulepszenie technologii wytwarzania wodoru, co będzie polegać na zastosowaniu wysokotemperaturowych ogniw elektrolizerów ceramicznych (Solid Oxide Electrolysis---SOE), oraz ulepszenie technologii power-to-gas poprzez zastosowanie węglanowych ogniw paliwowych (Molten Carbonate Fuel Cells---MCFC) do wychwytu dwutlenku węgla ze spalin.

Parametry pracy instalacji power-to-gas będą poprawione dzięki obniżeniu kosztów energetycznych wytwarzania wodoru (niższa moc jest wymagana do pracy elektrolizera). Dodatkowo, w podcza separacji CO₂ ze spalin, MCFC generuje dodatkową energię i ciepło w odróżnieniu do instalacji monoetyloaminowej (MEA). Obie opracowywane technologie (SOE i MCFC) mogą być połączone w jeden moduł i zoptymalizowane pod względem energetycznym i cieplnym---taka koncepcja jest docelowym rozwiązaniem projektu.

Obecnie używane metody produkcji wodoru (niskotemperaturowa elektroliza) i wychwytu CO₂  (MEA) nie do końca przystają do instalacji typu power-to-gas z powodu ich pracy w zakresie niskich temperatur, podczas gdy reaktor Sabatiera pracuje przy podwyższonej temperaturze (powyżej 200^oC).

Wysokotemperaturowe elektrochemiczne technologie do produkcji energii są bardzo atrakcyjną alternatywą tutaj, a także szansą na znaczącą redukcję kosztów energetycznych.