Underground Sun Storage – skladovanie energie dnes a v budúcnosti

Existuje viacero možných spôsobov uskladňovania elektrickej energie, ktoré sú viac či menej účinné a vhodné na krátkodobé, prípadne dlhodobé skladovanie. Obr. 1 opisuje vhodnosť jednotlivých spôsobov z pohľadu množstva uskladňovanej energie a doby uskladňovania.

Zdroj: Prezentácia Herwing Van Greenhoven Gasunie Global EnergyVillage Copenhagen Denmark, 24 April 2015, (preklad NAFTA)

Vzhľadom na to, že skladovanie metánu a vodíka má z tohto pohľadu veľmi podobné vlastnosti, prirodzene sa ponúka synergia skladovania vodíka v súčasných podzemných zásobníkoch zemného plynu.

Téma skladovania energií je v posledných rokoch pomerne frekventovaná, či už v odborných kruhoch, ale aj v odborných časopisoch. Väčšinou však ide o teoretické štúdie, prípadne laboratórne pokusy. Pravdou však zostáva, že ani dokonalé výpočty a dokonalý laboratórny pokus skutočne neopíšu reálnu prevádzku. A tak medzi laboratórnymi pokusmi a reálnou prevádzkou zostáva priestor na pilotný testovací projekt.

Princíp a realizácia projektu „Underground Sun Storage“

Projekt „Underground Sun Storage“ je práve takýmto pilotným projektom. Je to vôbec prvý projekt skladovania zmesi zemného plynu a vodíka v poréznom type podzemného zásobníka, vedený firmou RAG a čiastočne financovaný z verejných prostriedkov (Climate energy funds).

V rôznych štúdiách bol už analyzovaný a i prakticky hodnotený vplyv vodíka na súčasnú plynárenskú sieť, zatiaľ však nikdy jeho vplyv na existujúce systémy podzemného zásobníka plynu.

Do projektu je zapojené konzorcium univerzít Montanuniversität Leoben, IFA-Tulln university, Energetický ústav na Univerzite Johanna Keplera v Linzi, firiem Verbund AG, Axiom Angewandte Prozesstechnik GmbH a partnerov, medzi ktorých patrí aj NAFTA a.s., DVGW, ETOGAS GmbH a Hychico.

Úlohou konzorcia a partnerov projektu je otestovať a preukázať možnosti skladovania vodíka (do 10 % zmesi vodíka so zemným plynom) systémom „Power to Gas“ v reálnom prostredí porézneho zásobníka.

Skladovanie plynného vodíka v podzemnom zásobníku je jednou „vetvou“ celkového systému „Power to Gas“ (P2G). Ide o komplexný systém, od výroby elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov cez použitie jej prebytkov v elektrolýze na výrobu vodíka, následné skladovanie v zásobníkoch a spätné použitie v plynárenskej sieti, prípadne na výrobu elektrickej energie. Súčasťou tohto cyklu môže byť i metanizácia, t. j. výroba syntetického metánu z H2 a CO2.

Obr. 2 zjednodušene ukazuje toky plynu v systéme a približné energetické hodnoty vstupov a výstupov zo systému.

Začiatok tohto jedinečného projektu bol v treťom štvrťroku 2013, keď sa ako skúšobný objekt vytipovalo vyťažené ložisko zemného plynu v Hornom Rakúsku. Jeho hĺbka je približne 1 000 m a pôvodné zásoby plynu predstavovali hodnotu 5 mil. Nm3 zemného plynu pri počiatočnom tlaku 107 barov.

Fyzické uskladňovanie 10 % zmesi vodíka a zemného plynu sa začne na jeseň tohto roka v celkovom množstve 1,7 mil. Nm3 až do tlaku 70 barov. Ako vtlačná sonda bude použitá pôvodná ťažobná sonda z primárnej produkcie, ktorá bola prestavaná na účely tohto projektu. Počas vtláčania a tiež následne až do času spätného vyťaženia zmesi plynov sa bude skúmať vplyv vodíka na ložisko vrátane zmeny koncentrácie vodíka v zmesi s plynom, možné chemické reakcie v horninovom prostredí a mikrobiálnej aktivity. Spätná ťažba bude prebiehať po geologickej prestávke v priebehu roku 2016, pričom sa budú skúmať aj možnosti separácie vodíka zo zmesi H2 a zemného plynu. Zmes plynu a vodíka sa bude následne ťažiť do plynárenskej siete tak, aby objemové percento vodí­ka neprekročilo dvojpercentnú hranicu.

Na obr. 3 je názorne vidieť rozsah nadzemnej technológie a rozmiestnenie jej najdôležitejších zariadení.

Oblasti riešenia problematiky skladovania zmesi vodíka a zemného plynu

V rámci projektu bolo definovaných desať pracovných skupín (WP), ktoré sa zaoberajú problematikou skladovania zmesi vodíka so zemným plynom.

WP 1 Riadenie projektu

Skupinu vedie firma RAG a zahŕňa riadenie projektu, koordináciu jednotlivých pracovných skupín, šírenie poznatkov výskumu a podávanie správ o projekte.

WP 2 Geochémia a reaktívne modelovanie prúdenia v ložisku

V rámci tejto pracovnej skupiny (Geochemistry and Reactive Transport modelling) sa NAFTA podieľa na modelovaní zmien v horninovom prostredí ložiska, spôsobených prítomnosťou vodíka v plynovej zmesi.

WP 3 Mikrobiálne procesy v ložisku exponovaného vodíkom

V tejto skupine pracujeme na získaní znalostí mikrobiálnych aktivít, ktoré môžu ovplyvňovať zmeny v poréznom prostredí v dôsledku skladovania zemného plynu obsahujúceho vodík. Úlohy sú zamerané na charakteristiku mikrobiálnych aktivít vo vybraných plynových ložiskách prostredníctvom laboratórnych experimentov použitím originálnych vzoriek ložiskových jadier a tekutín. To umožní odhadnúť spotrebu vodíka mikroorganizmami a definovať prevádzkové podmienky potrebné na zníženie energetických strát. 

WP 4 Vydeľovanie zemného plynu a vodíka

Pracovná skupina WP4 je zameraná na charakterizovanie správania zmesi zemného plynu a vodíka pri statických a dynamických podmienkach v ložisku. Hlavný dôraz sa kladie na experimentálne overenie samočinného procesu oddeľovania vodíka zo zmesi so zemným plynom.

WP 5 Materiály vystrojenia sond a korózia

Úlohou je pomocou laboratórnych testov preveriť, či prímes vodíka v zemnom plyne môže spôsobiť koróziu ocelí typicky používaných pri skladovaní zemného plynu. Taktiež má preveriť, či existuje možnosť zmien v cementovom kameni, ktorými sú vyplnené medzikružia vtlačno-ťažobných sond medzi pažnicami a horninou.

WP 6 Separácia zmesi plynov

Práca je zameraná na experimentálny výskum a identifikáciu vhodných membrán na separáciu plynov zo zmesi. Ďalšie kroky zahŕňajú tiež numerické modelovania procesu separácie a overenia prúdenia plynu.

WP 7 Projektovanie a výstavba testovacieho strediska

Predmetom je projektovanie a výstavba pilotného zariadenia/strediska na testovanie skladovania zmesi vodíka a zemného plynu v reálnej podzemnej štruktúre. V rámci tohto strediska NAFTA a.s. dodáva kompresorovú jednotku na zatláčanie plynovej zmesi s vodíkom.

WP 8 Testovacia prevádzka

Práce zahŕňajú prevádzku pilotného zariadenia na in situ testovanie skladovania zmesi vodíka a zemného plynu v podzemnom ložisku. Počas tohto testu budú získavané cenné vedecké údaje, ktoré prispejú k lepšej interpretácii laboratórnych testov a simulácií.

WP 9 Hodnotenie rizík počas životného cyklu

Zahŕňa posúdenie rizík spojených s uskladňovaním metánu a zmesi vodíka.

WP 10 Ekonomické hodnotenie a regulácia

Skupina bude ekonomicky hodnotiť možné biznis modely pre uplatnenie tejto technológie v budúcnosti. Práca bude tiež zahŕňať analýzu súčasného právneho rámca a jeho pripravenosť na využívanie takýchto technológií.

Podiel spoločnosti NAFTA na projekte

Tak ako bolo spomenuté, NAFTA a.s. sa významnou mierou podieľa na práci jednotlivých pracovných skupín najmä v štyroch oblastiach:

Geochémia, reaktívne modelovanie prúdenia a mikrobiálne procesy v ložisku

V rámci WP2 sa podieľame na geochemickom modelovaní zmien, spôsobených prítomnosťou vodíka v plynovej zmesi v ložisku. Pre ložiskové parametre skladovacieho objektu pracujeme v spolupráci s RAG na statickom modeli pre tento skladovací objekt (softvér GEMS, Paul Scherer Institut, Švajčiarsko).

Výsledkom spolupráce by malo byť získanie znalostí o stanovení vplyvu plynu obsahujúceho vodík na skladovací objekt pomocou statického modelu reaktívneho transportu pre skladovací objekt NAFTA. Navyše bude užitočné porovnať výsledky tohto vplyvu na sonde Lehen 2 a v skladovacom objekte v NAFTA.

V rámci WP3 pracujeme na získaní znalostí mikrobiálnych aktivít, ktoré môžu ovplyvňovať skladovanie zemného plynu obsahujúceho vodík. K samotnému získaniu znalostí tohto druhu by mala slúžiť analýza testov vykonaných na sonde Lehen 2 a analýza laboratórnych testov mikrobiálnych aktivít vykonaných na vzorkách vody z dvoch sond (dvoch rôznych skladovacích objektov) spoločnosti NAFTA. Tieto znalosti by mali viesť k schopnosti posúdiť procesy a ich dosah na ložiská NAFTA pri skladovaní plynu s obsahom vodíka.

Vplyv vodíka na materiály vystrojenia sond

Všetky doteraz urobené laboratórne pokusy s vodíkom v rámci prípravy na reálne testy indikujú, že neexistuje žiadny priamy vplyv molekulárneho vodíka na materiály používané v technológii vystrojenia sond. Pracovníci NAFTA v rámci práce tejto skupiny preverovali aj požiadavky niektorých dodávateľov materiálov na vystrojenie sond na maximálne koncentrácie vodíka. Na základe pozitívnych výsledkov týchto testov a preverenia vhodnosti najmä tesniacich materiálov bolo rozhodnuté o materiáloch na vystrojenie sondy Lehen 2. Pracovníci NAFTA sa tiež zúčastnili na samotnej oprave/vystrojenia sondy (obr. 4).

Návrh a prevádzka testovacieho zariadenia najmä z pohľadu použitia kompresorovej jednotky

Na vtláčanie zmesi zemného plynu a vodíka bude použitý piestový kompresor poháňaný elektromotorom (KJ), ktorý bol plne technicky definovaný a komerčne zabezpečovaný firmou NAFTA, jedného z partnerov projektu. V rámci prípravy testovacieho strediska sa NAFTA okrem technickej špecifikácie KJ významne podieľala na príprave technickej špecifikácie i ostatnej technológie súvisiacej s vtláčaním zmesi plynov do ložiska.

Súčasťou podpory tohto projektu je aj inštalácia KJ na testovacom stredisku a tiež následná starostlivosť o údržbu, či už diaľkovým monitoringom prevádzkových parametrov alebo priamou účasťou našich technických pracovníkov na stredisku.

Ekonomické a právne posúdenie využitia technológie skladovania vodíka

Ekonomické a právne posúdenie využitia technológie skladovania vodíka prebieha pod záštitou Energetického inštitútu na Univerzite Johannesa Keplera v Linzi. V rámci ekonomickej analýzy, ktorá je úzko spätá s technickou analýzou projektu, sa detailne skúmajú a hodnotia kľúčové otázky optimálnej integrácie technológie v energetickom sektore a v ekonomike, ako aj možné biznis modely. Právna analýza sa zameriava na možné legislatívne prekážky v existujúcom právnom systéme, pričom jej cieľom je navrhnúť zmeny právneho rámca, ktoré by zjednodušovali využitie technológie v praxi.

Záver

V súvislosti s nárastom výroby elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov je len otázkou času, kedy budeme konfrontovaní s potrebou uskladňovať prebytky elektrickej energie. Jednou z foriem uskladňovanie je aj technológia výroby vodíka elektrolýzou vody a jeho primiešavanie do zemného plynu s využitím existujúcej plynárenskej infraštruktúry. Spoločnosť NAFTA ako jeden z lídrov v oblasti skladovania zemného plynu v strednej Európe už skúma možnosti skladovania elektrickej energie vo forme vodíka, ktorý sa má v budúcnosti stať významným energonosičom.

Lektor: Ing. František Novotný, NAFTA a.s.

Autor: Ing. Stanislav Rehák

Je absolventom Strojníckej fakulty STU Bratislava, ktorú ukončil v roku 1985. V tom istom roku nastúpil do spoločnosti NAFTA a.s., kde pracuje dodnes. Počas pôsobenia vo firme pracoval a viedol tímy pri modernizácii technických zariadení firmy, vrátane prípravy a spúšťania všetkých kompresorových staníc. V súčasnosti pracuje ako vedúci odboru technickej koncepcie a podpory v divízii podzemných zásobníkov zemného plynu. Vedie tím špecialistov, ktorí určujú technickú koncepciu kľúčových projektov alebo ich častí a ich aplikáciu v prevádzke firmy. Spolupracuje so špecialistami európskych plynárenských spoločností na pôde združenia Marcogaz.

Analýza bola publikovaná v odbornom plynárenskom časopise Slovgas (4/2015).

© energia.sk

K téme