W artykule przedstawiono koncepcję sprzężenia (coupling) odnawialnych źródeł energii (OZE), biomasy oraz zielonego wodoru (Bio-H2) w procesie produkcji metanolu. W ramach dyskusji nad kształtem Zielonego Ładu opisano korzyści środowiskowe i ekonomiczne wynikające z synergii tych technologii, podkreślając ich rolę w uzyskiwaniu przewag konkurencyjnych opartych na pozyskiwaniu energii z lokalnych surowców. Artykuł korzysta z case study innowacyjnego projektu Fabryki Metanolu wykonanej dla inwestora oraz wyników symulacji stochastycznych.
Technologia sprzężenia Bio-H2-OZE
Idea włączenia wodoru do sieci łańcuchów dostawy energii jest omawiana w licznych artykułach naukowych. Przedstawiane są założenia koncepcyjne funkcyjnych modeli stabilizacji sieci elektroenergetycznej w zielonym systemie łańcucha dostaw wodoru1 oraz próby poprawy transformacji energetycznej poprzez sprzężenie sektorów wykorzystując nowe technologie i modele2.
Sprzężenie technologii odnawialnych źródeł energii z produkcją zielonego wodoru i jego integracja w procesach przetwarzania biomasy na metanol to innowacyjne podejście, które może znacząco zwiększyć efektywność energetyczną oraz zrównoważenie ekologiczne. Kluczowym elementem systemu jest połączenie elektrolizy zasilanej energią z OZE, taką jak wiatr, czy słońce, z technologiami zgazowania biomasy, co umożliwia produkcję gazu syntezowego wzbogaconego wodorem. W procesie tym wykorzystuje się katalizatory Cu/ZnO/Al2O3, a dzięki zaawansowanym systemom zgazowania, takim jak Direct Gasification (DG), osiągana jest wysoka efektywność węglowa na poziomie 90%3.
Systemy te charakteryzują się elastycznością operacyjną, pozwalając na dostosowanie produkcji wodoru i metanolu do zmiennych warunków rynkowych i cen energii. Ponadto, technologia pozwala na optymalne wykorzystanie zasobów biogennych, minimalizując emisje CO2 oraz promując zamknięte cykle węglowe. Zastosowanie modeli symulacyjnych, takich jak Monte Carlo, umożliwia przewidywanie wydajności i stabilności systemu w perspektywie długoterminowej, wspierając podejmowanie decyzji inwestycyjnych oraz operacyjnych.
Fabryka metanolu
Produkcja metanolu może być oparta na wodorze pochodzącym z OZE. Kluczowym problemem jest bilansowanie nieregularnej energii OZE i utrzymanie stabilnej pracy elektrolizera. Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono model bilansowania energii oraz wyniki symulacji stochastycznej bazującej na dziennych profilach generacji OZE (2023 r.). Na rysunku 3 przedstawiono schemat modelu bezpośredniej integracji strumieni syngazu i wodoru dla Fabryki Metanolu. Schemat ten obejmuje (1) sekcję zgazowania, (2) sekcję oczyszczania, (3) kondycjonowania i sprężania gazu syntezowego, (4) syntezę i oczyszczanie metanolu oraz (5) cykl pary i odzysku ciepła, aby można było
elastycznie obsługiwać cały proces produkcji metanolu.
Rys. 1. Model bilansowania energii w instalacji wodorowej
Ze względu na wysokie zapotrzebowanie na tlen w gazyfikatorze, zakład oparty na bezpośrednim zgazowaniu uzyskuje dużą przewagę, ponieważ może on pracować między minimalnym, a maksymalnym obciążeniem dostosowując się do rynkowego poziomu cen. Pozwala to uniknąć dużych magazynów, co przynosi znaczne korzyści w zakresie nakładów inwestycyjnych i kwestii bezpieczeństwa.
Rys. 2. Wyniki symulacji bilansowania energii w instalacji produkcji wodoru
Rys. 3. Schemat Fabryki Metanolu [opracowanie własne na podstawie artykułu4
Założenia do studium wykonalności
Do symulacji finansowych przyjęto następujące założenia:
- Produkcja metanolu: 3000 ton,
- Biomasa drzewna: 3000 ton,
- Moc hubu wodorowego: 1,8 MW,
- Moc gazyfikatora: 3 MW,
- Moc syntezy metanolu: 2 MW.
Wyniki symulacji finansowej przedstawiono na rysunku 4.
Rys. 4. Założenia do studium wykonalności
Korzyści środowiskowe i ekonomiczne technologii PBtX
Technologia Power-Biomass-to-X (PBtX) osiąga efektywność węglową na poziomie 90%, co przekłada się na znaczną redukcję emisji dwutlenku węgla w porównaniu z tradycyjnymi procesami opartymi na paliwach kopalnych. Produkcja metanolu w tym systemie pozwala na skuteczne wykorzystanie biomasy jako źródła surowca, minimalizując emisję gazów cieplarnianych i wspierając cele klimatyczne.
System PBtX umożliwia dostosowanie produkcji do dynamicznie zmieniających się warunków rynkowych, w tym cen energii elektrycznej i dostępności surowców. Dzięki integracji z odnawialnymi źródłami energii (OZE), technologia ta jest w stanie wykorzystać nadwyżki energii elektrycznej z OZE do produkcji zielonego wodoru, co zwiększa efektywność operacyjną i zmniejsza koszty.
Inwestycje w technologie PBtX wspierają lokalne społeczności poprzez tworzenie miejsc pracy, wykorzystanie lokalnych zasobów biomasy
oraz rozwój infrastruktury. Projekty te sprzyjają budowie wiejskich społeczności energetycznych, przyczyniając się do lokalnego zrównoważonego rozwoju i zmniejszenia zależności od zewnętrznych dostaw energii. Z analizy przedstawionej na załączonym rysunku 4 wynika, że projekt osiąga wskaźniki NPV na poziomie 7 mln zł i IRR 12%, co świadczy o jego ekonomicznej opłacalności. Koszt wewnętrzny zielonego wodoru wynosi jedynie 12 zł/kg, a produkcja metanolu na poziomie 3 141 ton rocznie zapewnia stałe przychody z jego sprzedaży. Wykorzystanie biomasy jako surowca oraz odzysk energii cieplnej z procesów produkcyjnych minimalizują odpady i wspierają gospodarkę obiegu zamkniętego.
Podsumowanie
W artykule przedstawiono innowacyjne podejście do produkcji metanolu poprzez sprzężenie odnawialnych źródeł energii (OZE), biomasy i zielonego wodoru (Bio-H2). System PBtX oferuje znaczną redukcję emisji CO2 (efektywność węglowa na poziomie 90%) oraz elastyczność operacyjną, umożliwiając dostosowanie produkcji do zmiennych warunków rynkowych i cen energii. Projekt wspiera lokalny rozwój gospodarczy poprzez wykorzystanie zasobów biomasy i tworzenie nowych miejsc pracy. Produkcja metanolu jest oparta na nowoczesnych technologiach, takich jak zgazowanie biomasy, elektroliza oraz synteza gazu syntezowego. Dzięki wykorzystaniu nadwyżek energii z OZE i minimalizacji inwestycji w magazyny, produkcja zielonego metanolu jest ekonomicznie opłacalna (NPV 7 mln zł, IRR 12%) przy rynkowych cenach (2500 zł/tonę). Artykuł podkreśla potencjał technologii PBtX w realizacji celów klimatycznych i uzyskiwaniu przewag konkurencyjnych.
Przypisy:
1 Frankowska M., Rzeczycki A. et al. Functional Model of Power Grid Stabilization, Energies, 2023, https://www.researchgate.net/publication/366611261_Functional_Model_of_
Power_Grid_Stabilization_in_the_Green_Hydrogen_Supply_Chain_System-Conceptual_Assumptions.
2 Wang Q., Hou Z., et al. Enhancing Energy Transition through Sector Coupling: A Review of Technologies and Models, Energies, 2023, https://www.researchgate.net/publication/
372236189_Enhancing_Energy_Transition_through_Sector_Coupling_A_Review_of_Technologies_and_Models.
3 Poluzzi A. et al., Flexible Power and Biomass-To-Methanol Plants with Different Gasification Technologies, https://www.frontiersin.org/journals/energy-research/articles/10.3389/
fenrg.2021.795673/full.
4 A. Poluzzi et al. Flexible Power and Biomass-To-Methanol Plants With Different Gasification Technologies, https://www.frontiersin.org/journals/energy-research/articles/10.3389/
fenrg.2021.795673/full.
Źródło: Dr inż. Andrzej Węgrzyn, Stowarzyszenie Dolnośląska Dolina Wodorowa
Artykuł pochodzi z wydania 1/2025 “Nowa Energia”