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パワー・ツー・ガス（P2Gと略されることが多い）は、電力を使用してガス燃料を生産する技術です。[1]
ほとんどのP2Gシステムは、電気分解を利用して水素を生成します。水素は直接使用することもできますが、[2] 、さらに段階を踏んで（2段階P2Gシステムとして知られています）、水素を合成ガス、メタン、[3]またはLPGに変換することもできます。[4 ]可逆固体酸化物セル（rSOC）技術 など、メタンを生成するための1段階P2Gシステムも存在します。 [5]
ガスは化学原料として使用することも、ガスタービンなどの従来の発電機を使用して電気に戻すこともできます。[6] Power-to-Gasにより、電気からのエネルギーを圧縮ガスの形で貯蔵および輸送することができ、多くの場合、天然ガスの長期輸送および貯蔵のための既存のインフラストラクチャが使用されます。P2Gは、季節的な再生可能エネルギー貯蔵のための最も有望な技術と見なされることがよくあります。[7] [8]
エネルギー貯蔵と輸送
パワー・ツー・ガス・システムは、風力発電所や太陽光発電所の補助として導入されることがある。風力発電機や太陽光発電アレイによって生成された余剰電力やオフピーク電力は、数時間、数日、または数ヶ月後に電力網用の電力を生成するために使用されることがある。ドイツの場合、天然ガスに切り替える前は、ガス網は50～60%が水素からなる都市ガスを使用して運営されていた。ドイツの天然ガス網の貯蔵容量は200,000 GWhを超え、これは数か月間のエネルギー需要を満たすのに十分な量である。比較すると、ドイツのすべての揚水式水力発電所の容量は約40 GWhに過ぎない。[要出典] 天然ガス貯蔵は、ビクトリア朝時代から存在している成熟した産業である。ドイツにおける貯蔵/回収電力需要は、2023年に16GW、2033年に80GW、2050年に130GWと推定されている。 [9]キロワット時あたりの貯蔵コストは、水素で0.10ユーロ、メタンで0.15ユーロと推定されている。[10]
既存の天然ガス輸送インフラは、パイプラインを使用して大量のガスを長距離輸送し、収益を上げています。現在、LNG船を使用して大陸間で天然ガスを輸送することは収益性があります。ガスネットワークを介したエネルギーの輸送は、電力伝送ネットワーク（8％）よりもはるかに少ない損失（<0.1％）で行われます。このインフラは、P2Gで生成されたメタンを改造せずに輸送できます。最大20％の水素に使用することが可能です。[11] [12]既存の天然ガスパイプラインを水素に使用することは、EU NaturalHyプロジェクト[13]と米国エネルギー省（DOE）によって研究されました。[14]ブレンディング技術はHCNGでも使用されます。
効率
2013年、電力ガス貯蔵の往復効率は50％を大きく下回っており、複合サイクル発電所を使用することで、水素経路では最大効率が約43％、メタンでは約39％に達することができました。電気と熱の両方を生成するコジェネレーションプラントを使用すると、効率は60％を超える可能性がありますが、揚水発電やバッテリー貯蔵よりもまだ低くなります。[15]ただし、電力ガス貯蔵の効率を高める可能性があります。2015年にEnergy and Environmental Scienceに掲載された研究では、可逆固体酸化物セルを使用し、貯蔵プロセスで廃熱をリサイクルすることで、低コストで70％を超える電気から電気への往復効率を達成できることがわかりました。[16]さらに、加圧可逆固体酸化物セルと同様の方法を使用した2018年の研究では、往復効率（電力から電力）が最大80％になる可能性があることがわかりました。[17]
電気分解技術
- 電気分解技術の相対的な利点と欠点。[19]
電力から水素へ
現在のすべてのP2Gシステムは、電気分解によって水を水素と酸素に分解するために電気を使用することから始まります。「電力から水素」システムでは、生成された水素は天然ガスグリッドに注入されるか、別のガスタイプを生成するために使用されるのではなく、輸送や産業で使用されます。[2]
ITM Power は、2013 年 3 月に Thüga グループのプロジェクト入札を勝ち取り、360 kW の自己加圧高圧電解迅速応答プロトン交換膜(PEM)電解装置 Rapid Response Electrolysis Power-to-Gas エネルギー貯蔵プラントを納入しました。このユニットは 1 日あたり 125 kg の水素ガスを生成し、AEGパワーエレクトロニクスを組み込んでいます。ヘッセン州フランクフルトのシーレ通りにあるMainova AG の施設に設置されます。運用データは、約 100 の自治体公益事業メンバーを擁するドイツ最大のエネルギー企業ネットワークである Thüga グループ全体で共有されます。プロジェクトパートナーには、badenova AG & Co. kg、Erdgas Mittelsachsen GmbH、Energieversorgung Mittelrhein GmbH、erdgas schwaben GmbH、Gasversorgung Westerwald GmbH、Mainova Aktiengesellschaft、Stadtwerke Ansbach GmbH、Stadtwerke Bad Hersfeld GmbH、Thügaが含まれます。 Energienetze GmbH、WEMAG AG、e-rp GmbH、ESWE Versorgungs AG、プロジェクト コーディネーターは Thüga Aktiengesellschaft です。科学的パートナーは運用段階に参加します。[20] 1 時間あたり 60 立方メートルの水素を生成し、1 時間あたり 3,000 立方メートルの水素富化天然ガスを送電網に供給できます。パイロットプラントの拡張は2016年から計画されており、生成された水素のメタンへの完全な変換が促進され、天然ガスグリッドに直接注入される。[21]
2013年12月、ITM Power、Mainova、NRM Netzdienste Rhein-Main GmbHは、 ITM Power HGas（迅速応答型プロトン交換膜 電解装置）を使用して、ドイツのガス配給ネットワークに水素を注入し始めました。電解装置の消費電力は315キロワットです。毎時約60立方メートルの水素を生産し、1時間で3,000立方メートルの水素濃縮天然ガスをネットワークに供給することができます。[22]
2013年8月28日、E.ON Hanse、Solvicore、Swissgasはドイツのファルケンハーゲンに商用のPower-to-Gasユニットを開設した。2メガワットの容量を持つこのユニットは、1時間あたり360立方メートルの水素を生産することができる。[23]このプラントは、風力発電とHydrogenics [24]の電気分解装置を使用して水を水素に変換し、それを既存の地域天然ガス輸送システムに注入する。100を超える地元の天然ガス公益事業を代表するSwissgasは、20％の資本金を持ち、生産されたガスの一部を購入する契約を結んでいるプロジェクトのパートナーである。2番目の800kWのPower-to-Gasプロジェクトはハンブルク/ライトブルック地区で開始されており[25]、2015年にオープンする予定である。[26]
2013年8月、メクレンブルク＝フォアポンメルン州グラプツォウにあるE.ON所有の140MWの風力発電所に電解装置が設置された。生産された水素は内燃機関で使用したり、地元のガス網に注入したりすることができる。水素圧縮貯蔵システムは最大27MWhのエネルギーを貯蔵し、そうでなければ無駄になる風力エネルギーを活用することで風力発電所全体の効率を高めている。[27]電解装置は210Nm 3 /hの水素を生産し、RH2-WKAによって運営されている。[28]
INGRIDプロジェクトは2013年にイタリアのプーリアで開始されました。これは、スマートグリッドの監視と制御のための39MWhのストレージと1.2MWの電解装置を備えた4年間のプロジェクトです。[29]水素は、グリッドバランシング、輸送、産業、ガスネットワークへの注入に使用されます。[30]
ドイツのブランデンブルクにある12MWのプレンツラウ風力発電所[31]の余剰電力は、2014年以降、ガスグリッドに注入される予定です。
マインツ(ドイツ) のシュタットベルケ マインツ、ラインマイン応用科学大学、 リンデ、シーメンスによる6 MW エネルギーパーク マインツ[32]が 2015 年にオープンします。
再生可能エネルギーを貯蔵・活用するための電力からガスへの変換やその他のエネルギー貯蔵計画は、ドイツのエネルギー転換計画（ Energiewende）の一部である。 [33]
フランスでは、AFUL Chantrerie（地方公共団体連合）のMINERVEデモンストレーターが、選出された代表者、企業、より一般的には市民社会とともに、将来のエネルギーソリューションの開発を促進することを目指しています。さまざまなリアクターと触媒の実験を目的としています。MINERVEデモンストレーターによって生成された合成メタン（0.6 Nm 3 / hのCH 4）は、CNG燃料として回収され、AFUL Chantrerieボイラープラントのボイラーで使用されます。この設備は、Leafの支援を受けて、フランスの中小企業Top Industrieによって設計および構築されました。2017年11月、予測されたパフォーマンスであるCH 4 93.3%を達成しました。このプロジェクトは、ADEMEとERDF-Pays de la Loire Regionのほか、ロワール県議会-アトランティック、Engie-Cofely、GRDF、GRTGaz、Nantes-Metropolis、Sydela、Sydevなどのパートナーからも支援を受けた。[34]
EWEとTree Energy Solutionsが運営する1GWのフルスケール電解槽が、ドイツのヴィルヘルムスハーフェンのガスターミナルに計画されている。最初の500MWは2028年に稼働を開始する予定である。ヴィルヘルムスハーフェンには2番目の発電所を建設することができ、総潜在容量は2GWになる。[35]
圧縮なしのグリッド注入
このシステムの中核はプロトン交換膜（PEM）電解装置である。電解装置は電気エネルギーを化学エネルギーに変換し、それが電気の貯蔵を容易にする。ガス混合プラントは、天然ガス流中の水素の割合が、天然ガス充填ステーションが地域の配給ネットワーク内にある場合に技術的に許容される最大値である体積比2％を超えないようにする。電解装置は、ガス配給ネットワークと同じ圧力、つまり3.5バールで水素とメタンの混合物を供給します。 [36]
電力からメタンへ
電力からメタンを生成するシステムは、電力から水素を生成するシステムからの水素と二酸化炭素を結合して、サバティエ反応や生物学的メタン化などのメタン化反応を使用してメタンを生成します[37]（天然ガスを参照） 。その結果、8％の追加エネルギー変換損失が発生します[要出典]。純度要件が満たされた場合、メタンは天然ガスグリッドに供給される可能性があります。[38]
ZSW（太陽エネルギー・水素研究センター）とSolarFuel GmbH（現ETOGAS GmbH）は、ドイツのシュトゥットガルトで250kWの電力入力による実証プロジェクトを実現しました。[39]このプラントは2012年10月30日に稼働しました。[40]
最初の産業規模の電力メタン化プラントは、ドイツのヴェルテにあるアウディAGのためにETOGASによって実現されました。6MWの電力入力を持つこのプラントは、廃棄物バイオガスプラントからのCO2と断続的な再生可能電力を使用して合成天然ガス（SNG）を生産し、地元のガスグリッド（EWEによって運営）に直接供給されます。[41]このプラントはAudi e-fuelsプログラムの一部です。生産された合成天然ガスはAudi e-gasと名付けられ、標準的なCNG車でCO2ニュートラルなモビリティを可能にします。現在、Audiの最初のCNG車であるAudi A3 g-tronの顧客が利用できます。[42]
2014年4月、欧州連合の共同出資とKITの調整による[43] HELMETH [44]（統合型高温EL電気分解およびメタネーションによる効果的な電力からガスへの変換）研究プロジェクトが開始されました。[45]このプロジェクトの目的は、高温電気分解（ SOEC技術）とCO2メタン化を熱的に統合することによる、高効率な電力からガスへの技術の概念実証です。発熱メタン化と高温蒸気電気分解のための蒸気発生の熱統合により、85％を超える変換効率（使用電気エネルギーあたりの生成メタンの発熱量が高い）が理論的に可能です。このプロセスは、加圧高温蒸気電気分解と加圧CO2メタン化モジュールで構成されています。このプロジェクトは2017年に完了し、プロトタイプで76％の効率を達成し、産業規模のプラントでは80％の成長可能性が示されています。[46] CO 2メタン化の運転条件は、ガス圧が10～30 bar、SNG生産量が1～5.4 m 3 /h（NTP）、反応物の変換によりH 2 < 2 vol.-%、CH 4 > 97 vol.-%のSNGが生成されるというものである。[47]したがって、生成された代替天然ガスは、ドイツの天然ガスネットワーク全体に制限なく注入することができる。[48]発熱反応の冷却媒体として、最大300 °Cの沸騰水が使用され、これは約87 barの水蒸気圧に相当する。SOECは最大15 barの圧力、最大90%の蒸気変換率で動作し、メタン化の原料として 3.37 kWhの電力から1標準立方メートルの水素を生成する。
Power to Gasの技術的成熟度は、欧州の27のパートナープロジェクトSTORE&GOで評価されており、2016年3月に開始され、4年間のランタイムが予定されている。[49] 3つの異なる技術コンセプトが3つの異なる欧州諸国（ドイツのファルケンハーゲン、スイスのゾロトゥルン、イタリアのトロイア）で実証されている。関連する技術には、生物学的および化学的メタン化、大気からのCO2の直接回収、合成メタンのバイオLNGへの液化、ガスグリッドへの直接注入などがある。プロジェクトの全体的な目標は、これらの技術とさまざまな使用方法を技術的、[50]経済的、 [51] 法的[52]側面から評価し、短期的および長期的なビジネスケースを特定することである。このプロジェクトは、欧州連合のホライズン2020研究イノベーションプログラム（1,800万ユーロ）とスイス政府（600万ユーロ）が共同出資し、参加する産業界のパートナーからさらに400万ユーロが出資されている。[53]プロジェクト全体のコーディネーターは KITにあるDVGW [54]の研究センターです。
微生物によるメタン生成
生物学的メタン化は、水を電気分解して水素を生成し、続いてこの水素を使用して CO 2をメタンに還元するという2 つのプロセスを組み合わせたものです。このプロセスでは、メタン生成微生物（メタン生成古細菌またはメタン生成菌）が酵素を放出し、非触媒電極（カソード）の過電位を低下させて水素を生成できるようにします。[55] [56]この微生物による電力からガスへの反応は、室温および pH 7 などの周囲条件で、通常 80～100% の効率で発生します。[57] [58]ただし、温度が低いため、メタンの生成はサバティエ反応よりも遅くなります。水素生成の必要性を回避して、CO 2からメタンへの直接変換も仮定されています。[59]微生物による電力からガスへの反応に関与する微生物は、通常、メタノバクテリア 目のメンバーです。この反応を触媒することが示されている属は、メタノバクテリウム[60]、[61]、メタノブレビバクター[62]、メタノサーモバクター（好熱菌）[63]である。
LPG生産
メタンから高圧低温で部分的な逆水素化によりSNGを合成することでLPGを生産することができます。LPGはアルキレートに変換することができ、アルキレートは優れたノック防止特性を持ち、クリーンな燃焼をもたらすため、プレミアムガソリンブレンド原料として使用されます。[4]
食料の力
電気から生成される合成メタンは、メチロコッカス・カプスラタス細菌培養によって、土地と水の使用量が極めて少ない、牛、鶏、魚用のタンパク質を豊富に含む飼料を経済的に生成するためにも使用できる。[64] [65] [66] [要引用]これらのプラントから副産物として生成される二酸化炭素ガスは、合成メタン（SNG）の生成にリサイクルすることができる。同様に、水の電気分解とメタン化プロセスから副産物として生成される酸素ガスは、細菌培養の培養に消費することができる。これらの統合プラントにより、豊富な再生可能な太陽光と風力の潜在能力を、水質汚染や温室効果ガス（GHG）排出 なしに、高価値の食品に変換することができる。[67]
バイオガスからバイオメタンへのアップグレード
3番目の方法では、バイオガスアップグレーダー後の木材ガス発生器またはバイオガスプラントの出力に含まれる二酸化炭素を、電解装置から生成された水素と混合してメタンを生成します。電解装置から発生する自由熱は、バイオガスプラントの暖房コストを削減するために使用されます。ガスをパイプライン貯蔵に使用する場合は、損傷を防ぐために、不純物である二酸化炭素、水、硫化水素、および粒子を取り除く必要があります。[3]
2014年 -コペンハーゲン（デンマーク）のアヴェーデレにあるアヴェーデレ廃水処理サービスは、下水汚泥からの嫌気性消化バイオガスをアップグレードするために1MWの電解プラントを追加しています。[ 68 ]生成された水素は、バイオガスからの二酸化炭素とともにサバティエ反応でメタンを生成するために使用されます。Electrochaea [69]は、P2G BioCatの外で、生体触媒メタン化の別のプロジェクトをテストしています。同社は、好熱性メタン生成菌Methanothermobacter thermautotrophicusの適応株を使用し、工業環境における実験室規模でその技術を実証しました。[70] 10,000リットルの反応容器を使用した商業化前の実証プロジェクトは、デンマークのFoulumで2013年1月から11月まで実行されました。[71]
2016年にTorrgas、Siemens、Stedin、Gasunie、A.Hak、Hanzehogeschool /EnTranCe、Energy Valleyは、デルフザイル（オランダ）に12MWのPower to Gas施設を開設する予定です。そこでは、Torrgas（バイオコール）からのバイオガスが電気分解からの水素でアップグレードされ、近くの産業消費者に供給されます。[72]
電力から合成ガスへ
電力から合成ガスを生成するプロセス
合成ガスは水素と一酸化炭素の混合物です。ビクトリア朝時代から使用され、当時は石炭から生成され「タウンガス」と呼ばれていました。電力から合成ガスを生成するシステムは、電力から水素を生成するシステムからの水素を使用して合成ガスを生成します。
- 1 番目のステップ: 水の電気分解 ( SOEC ) - 水は水素と酸素に分解されます。
- 第2ステップ：変換反応器（RWGS）−水素と二酸化炭素が変換反応器に入力され、水素、一酸化炭素、水が出力されます。3H 2 + CO 2 →（2H 2 + CO）合成ガス+ H 2 O
- 合成ガスは合成燃料の製造に使用されます。
取り組み
二酸化炭素と水から合成ガスを生成する他の取り組みでは、異なる水分解方法が使用される可能性があります。
- ＣＳＰ
- 2004 太陽光からガソリンへ —サンディア国立研究所[ 73] [74] [75] [76] [77]
- 2013 NewCO2Fuels —New CO2 Fuels Ltd ( IL ) とワイツマン科学研究所。[78] [79] [80] [81]
- 2014 年ソーラー ジェット燃料 — コンソーシアム パートナーETH、SHELL、DLR、 Bauhaus Luftfahrt、ARTTIC。[82] [83] [84] [85] [86] [87]
- HTE /アルカリ水電気分解
- 2004 合成燃料 —アイダホ国立研究所およびセラマテック社（米国）。[88] [89] [90] [91] [92] [93]
- 2008 WindFuels —Doty Energy（米国）[94] [95]
- 2012 エア・フューエル・シンセシス —エア・フューエル・シンセシス社（英国）。[96] [97] [98] [99] [100]エア・フューエル・シンセシス社は破産した。[101]
- 2013 グリーンフィード — BGUとイスラエル戦略的代替エネルギー財団（I-SAEF）。[102] [103] [104] [105]
- 2014 E-ディーゼル—クリーンテクノロジー企業のサンファイアとアウディ。[106] [107] [108]
米国海軍研究所（NRL）は、フィッシャー・トロプシュ法を使用して海上の船上で燃料を生成する液体燃料システムを設計しており、[109]基本生成物である二酸化炭素（CO2）と水（H2O）は、「アルカリ水源の連続酸性化と連続水素ガス生成によるCO2回収のための電気化学モジュール構成」によって海水から抽出される。 [ 110] [111]
参照
- カーボンニュートラル燃料
- 電気メタン生成
- 電気燃料
- 電気水素生成
- グリッドエネルギー貯蔵
- 水素経済
- メタン化
- エネルギー貯蔵発電所一覧
- パワー・ツー・エックス
- 再生可能天然ガス
- 水素技術のタイムライン
注記
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海洋の溶解した重炭酸イオンと炭酸塩は、基本的に結合した CO
2
であり、これらの種とガス状 CO
2
の合計は、次の式に示すように、世界の海洋の
総二酸化炭素濃度 [CO
2
]
Tを表します。Σ[CO
2
]
T
=[CO
2
(g)]
l
+[HCO
3
−
]+[CO
3
2−
]
[確認が必要]
さらに読む
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- Méziane Boudellal。「電力からガスへ。エネルギー転換のための再生可能水素経済」。第2版。249ページ。英語版。編集者：de Gruyter、2023年3月。https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/9783110781892/html
外部リンク
- エネルギー技術研究所による 3 分間の説明ビデオ(2016 年)
- ゾンネンエネルギーとヴァッサーシュトフ フォルシュング国立公園 (ZSW) バーデン ヴュルテンベルク州