Power-to-Gas

Power-to-Gas (P2G of Power-to-Molecules) is een energieopslagtechniek waarbij elektrische energie omgezet wordt in chemische energie in de vorm van gas. Gas is gemakkelijker op te slaan dan elektriciteit.

Er zijn verschillende methoden te onderscheiden, waarbij de belangrijkste verschillen te zien zijn aan wat er geproduceerd wordt.

Het gas dat gemaakt wordt kan namelijk waterstof of methaan zijn. Ook ammoniak of methanol kunnen dienen als opslaggas.[1][2]

Toepassing

Principe van Power-to-Gas

Door toename in het gebruik van zonne- en windenergie ontstaat een gat tussen de vraag en het aanbod van elektriciteit. Het overschot aan elektriciteit kan niet uitgewisseld worden met andere landen als de daluren synchroon lopen en door de lange afstand treden er transmissieverliezen van boven de 10% aan energie op. Power-to-Gas wordt over het algemeen toegepast op momenten dat de vraag naar elektriciteit lager ligt dan de productie, om deze overtollige elektriciteit van windturbines en zonnepanelen te benutten voor de productie van gas. Dit zorgt voor evenwicht van vraag en aanbod op het elektriciteitsnet. Op deze manier kunnen grote hoeveelheden elektrische energie dan ook (tijdelijk) worden opgeslagen als waterstof of methaan voor later gebruik. In de Benelux worden projecten onderzocht in Groningen,[3] Zeebrugge[4] en Oostende.[5] Het geproduceerde waterstof of methaan kan dienen om te verwarmen, om elektriciteit op te wekken in een warmte-krachtkoppeling (WKK), te koken of om er auto's op te laten rijden. Het mixen van waterstof in gas wordt bijvoorbeeld ook toegepast bij het vervaardigen van het mengsel HCNG.

Opslag

Voordat er werd omgeschakeld naar aardgas bevatte het aardgasnetwerk stadsgas dat voor 50-60% uit waterstof bestond. De opslagcapaciteit van het Duitse aardgasnetwerk is meer dan 200.000 GWh, voldoende voor een aantal maanden van de energievraag. Het transportverlies door een aardgasnetwerk is met <0,1% kleiner dan het transportverlies van 8-10% in een hoogspanningsnet. De opslagkosten per kWh worden geschat op €0,10 voor waterstof en €0,15 voor methaan.[6] Er zijn meerdere studies van het gebruik van het bestaande aardgasnetwerk voor waterstofopslag waaronder het NaturalHy project[7] en DOE.[8] De hoeveelheid waterstof die in het aardgasnetwerk aanwezig mag zijn, wordt door de Nederlandse overheid vastgesteld. Met het oog op P2G is in Nederland de maximale concentratie verhoogd van 0,02% tot 0,1% in een Ministeriële Regeling.[9]

Technieken

Elektrolyse

Bij elektrolyse splitst de elektrische energie water in waterstof (H₂) en zuurstof (O₂).

${\displaystyle {\ce {2 H2O ->2 H2 ^ + O2 ^}}}$

De geproduceerde waterstof kan worden bijgemengd met aardgas en in beperkte mate worden ingevoed op het aardgasnetwerk. De electrolyzer volgt de PEM brandstofcel in prijsontwikkeling. De EU heeft als doelstelling de kapitale kosten te halveren en het rendement met 10% te verhogen.[10]

• Sinds 2013 bedrijft E.ON samen met Hanse, Solvicore en Swissgas te Falkenhagen een installatie van 2 MW.[11] (Injectie in het aardgasnetwerk)
• Een 800 kW power-to-gas project is onderweg in Hamburg/Reitbrook district[12] en gaat online in 2015.[13] (Injectie in het aardgasnetwerk)
• Het GRHYD project (2013-2020) van GDF SUEZ en Areva in Frankrijk is begonnen met het injecteren van waterstof in het aardgasnetwerk van 200 huizen.[14]
• In 2014 werd het 360 kW project van de Thüga Group bij de Mainova Aktiengesellschaft in Frankfurt gestart.[15] (Injectie in het aardgasnetwerk)
• Het 6 MW Energiepark Mainz[16] van Stadtwerke Mainz, Hochschule RheinMain, Linde en Siemens in Mainz (Duitsland) start in 2015. (Injectie in het aardgasnetwerk)

Methanisatie

Bij methanisatie kan de waterstof geproduceerd door elektrolyse volgens de Sabatier-reactie samen met koolstofdioxide (CO₂) omgezet worden naar methaan (CH₄) en water (H₂O).

${\displaystyle {\ce {CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2H2O}}}$

Het methaan wordt direct ingevoed of eerst op groengas-kwaliteit gebracht door bijmenging van koolstofdioxide dan wel stikstof, waarna het SNG (substitute- of synthetic natural gas) genoemd kan worden. Het methaniseren is minder efficiënt dan het gebruik van waterstof en er zijn extra kosten voor de installatie.[17]

• ETOGAS heeft voor Audi te Werlte een installatie van 6 MW gebouwd die SNG in het gasnet van EWE stuwt, maar ook kan dienen als cng in de Audi A3 g-tron.[18]

Biogasupgrade

Het waterstof kan ook worden gebruikt om biogas op te werken. Dit is een specifieke toepassing van methanisatie Biologische methanisatie waarbij de CO₂ die in biogas zit wordt gemethaniseerd. Deze methode van upgraden is een alternatief voor opwerkingstechnieken waarbij de CO₂ wordt afgescheiden en resulteert in een hogere gasopbrengst. De gratis warmte die vrijkomt bij de elektrolyse wordt dan gebruikt om de verwarmingskosten in de biogas installatie te verminderen.

• Te Delfzijl wil een consortium van Torrgas, Siemens AG, Stedin, Gasunie, A.Hak, Hanzehogeschool/EnTranCe en Energy Valley tegen 2016 een installatie starten met een vermogen van 12 MW om biogas van Torrgas te verrijken met waterstof.[19]

Efficiëntie

Efficiëntie van relevante energieomzettingen per betrokken gas, opgedeeld per soort omzetting:

gas	efficiëntie	opmerkingen
elektriciteit → gas
waterstof	54 – 72%	200 bar compressie
methaan (SNG)	49 – 64%
waterstof	57 – 73%	80 bar compressie (aardgaspijpleidingen)
methaan (SNG)	50 – 64%
waterstof	64 – 77%	zonder compressie
methaan (SNG)	51 – 65%
elektriciteit → gas → elektriciteit
waterstof	34 – 44%	80 bar compressie tot 60% terug naar elektriciteit
methaan (SNG)	30 – 38%
elektriciteit → gas → elektriciteit & warmte (warmte-krachtkoppeling)
waterstof	48 – 62%	80 bar compressie en elektriciteit/warmte 40/45%
methaan (SNG)	43 – 54%

Zie ook

• Power to liquid

Bronnen, noten en/of referenties

1. Nuon gaat stoken op ammoniak - deingenieur.nl, 29 maart 2016
2. Power-to-Molecules
3. Plannen voor het grootste Europese waterstofproject in Groningen. nos.nl. Geraadpleegd op 28 februari 2020.
4. Plannen voor waterstofinstallatie in Zeebrugge. Focus en WTV. Gearchiveerd op 28 februari 2020. Geraadpleegd op 28 februari 2020.
5. VRT NWS, Grootste groene-waterstoffabriek van Benelux komt in Oostende. vrtnws.be (27 januari 2020). Geraadpleegd op 28 februari 2020.
6. (en) Wind power to hydrogen. hi!tech. Siemens.
7. (en) NaturalHY Project, Using the Existing Natural Gas System for Hydrogen. EXERGIA. Geraadpleegd op 21 juni 2014.
8. (en) NREL - Blending hydrogen into natural gas pipeline networks A review of key issues
9. Overheid.nl internetconsultatie: Regeling gassamenstelling
10. (en) EU -Research in electrolysis for cost effective hydrogen production
11. (en) E.ON inaugurates power-to-gas unit in Falkenhagen in eastern Germany
12. E.on Hanse starts construction of power-to-gas facility in Hamburg
13. (en) E.ON power-to-gas pilot unit in Falkenhagen first year of operation
14. (en) The GRHYD demonstration project
15. (en) Thüga plant delivered on schedule
16. (de) (en) Energiepark Mainz
17. Power-to-Gas belangrijk voor CO2-reductie, maar te duur als back-up zon en wind
18. (de) (en) Neues Verfahren zur Herstellung des synthetischen Kraftstoffs Audi e-gas
19. Delfzijl krijgt grote Power-to-Gas installatie^[dode link]

Mediabestanden

Zie de categorie Power to gas van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.