Energetyka wodorowa - Tadeusz Chmielniak, Tomasz Chmielniak
«
»
Reflow text when sidebars are open.
Cały system energetyczny doznaje obecnie istotnych zmian technologicznych. Dotyczy to wszystkich jego podstawowych modułów (podsystemów). Od struktury wykorzystywanej energii pierwotnej poprzez technologie jej konwersji do końcowych użytkowych postaci energii (elektryczności, ciepła, nowych paliw, chłodu, energii mechanicznej), technologie jej przesyłu, rozdziału i użytkowania u odbiorców końcowych. Kryteria optymalizacyjne procesu transformacji obok podstawowych techniczno-ekonomicznych (sprawności, kosztów wytwarzania) powinny ujmować funkcje celu wynikające z wyzwań ekologicznych (ochrona klimatu, zmniejszenie zanieczyszczeń atmosfery, ochrona zasobów paliwowych i innych).
W poszukiwaniach racjonalnych rozwiązań intensywnie dyskutuje się rolę wodoru jako ważnego nośnika energii w uzyskaniu pożądanych efektów transformacji energetycznej. Temu zagadnieniu poświęca się wiele studiów i opracowań scenariuszowych przygotowywanych przez międzynarodowe i krajowe agencje oraz instytucje zajmujące się przyszłością energetyczną. Można także zauważyć dużą dynamikę wzrostu liczby opracowań naukowych i publikacji z tej tematyki.
Przekazywana w ręce Czytelnika książka zawiera wykład obejmujący główne technologie wytwarzania wodoru, jego transportu i składowania oraz energetycznego wykorzystania. W wyborze tematyki kierowano się stanem zaawansowania rozwoju poszczególnych technologii, gwarantującym praktyczne zastosowanie danych rozwiązań. Starano się także wskazać na możliwe kierunki rozwoju w 20-30-letniej perspektywie.
W rozdziałach zawierających omówienie poszczególnych technologii wiele zagadnień szczegółowych ilustrowano przykładami obliczeniowymi, co powinno ułatwić zrozumienie istoty danego zagadnienia oraz być źródłem wiedzy praktycznej.
Książka może być pomocna dla pracowników nauki pracujących w dyscyplinie inżynieria środowiska, górnictwo i energetyka oraz w innych dyscyplinach naukowych (np. automatyka, elektronika i elektrotechnika, inżynieria chemiczna, inżynieria mechaniczna, transport), dla studentów wszystkich kierunków związanych z energetyką i transportem. Książka może być także interesująca dla studentów studiów podyplomowych oraz pracowników instytucji przemysłowych i projektowych.
Podziękowania
Przy opracowaniu książki autorzy korzystali z pomocy wielu współpracowników z Katedry Maszyn i Urządzeń Energetycznych oraz Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla. Pragniemy podziękować współautorom opracowań ( artykułów naukowych, referatów konferencyjnych, raportów z realizacji projektów badawczych), których wyniki wykorzystano w trakcie opracowania książki oraz którzy pomogli nam przygotować przykłady obliczeniowe i rysunki. Przede wszystkim dziękujemy Pani inż. Grażynie Roskosz oraz Panom: prof. dr. hab. inż. Andrzejowi Rusinowi, prof. dr. hab. inż. Januszowi Kotowiczowi, dr. hab. Leszkowi Remiorzowi prof. PŚ., dr. hab. inż. Łukaszowi Barteli prof. PŚ., dr inż. Katarzynie Stoleckiej, dr. inż. Sebastianowi Lepszemu, dr. inż. Danielowi Węclowi.
Gorące podziękowanie pragniemy przekazać Panu Redaktorowi Adamowi Filutowskiemu oraz innym osobom zaangażowanym w wydanie tej książki.
Jesteśmy wdzięczni recenzentowi prof. dr. hab. inż. Wojciechowi Nowakowi za cenne uwagi, które pomogły nam w pracy nad książką.
Autorzy
ATR
- reforming autotermiczny (ang. autothermal reforming)
BFB
- reaktory ze złożem pęcherzykowym (ang. bubbling fluidized bed)
CAPEX
- nakłady inwestycyjne (ang. capital expenditures)
CCS
- wychwyt i składowanie ditlenku wegla (ang. carbon capture and storage)
CCU
- wychwyt i wykorzystanie ditlenku wegla (ang. carbon capture and utilization)
CFB
- reaktory z cyrkulującym złożem fluidalnym (ang. circulating fluidized bed)
CIS
- (ang. copper indium selenide)
DGM
- modelu gęstego gazu (ang. dusty-gas model)
DRI
- bezpośrednia redukcja rudy żelaza (ang. direct reduced iron)
HTU
- hydrotermiczna waloryzacja biomasy (ang. hydrothermal upgrading)
IEA
- Międzynarodowa Agencja Energetyczna (ang. International Energy Agency)
KRA
- katalityczny rozkład amoniaku
LPG
- gaz skroplony (ang. liquid petroleum gas)
OPEX
- koszty operacyjne (ang. operating expenditures)
PEM(E)
- elektrolizer membranowy (ang. proton exchange membrane electrolyzer)
PEM(FC)
- ogniwo paliwowe z protonowymienną membraną (ang. proton exchange membrane fuel cell)
POX
- częściowe utlenianie (ang. partial oxidation)
PSA
- adsorpcja zmienno-ciśnieniowa(ang. pressure swing adsorption)
SMR
- reforming parowy (ang. steam methane reforming)
SNG
- syntetyczny gaz naturalny (ang. synthetic natural gas)
SOEC
- elektrolizery tlenkowo-ceramiczne (ang. solid oxide electrolysis cell)
SOFC
- tlenkowo-ceramiczne ogniwa paliwowe (ang. solid oxide fuel cell)
SR
- (ang. steam reformer)
WGS
- proces konwersji CO - hydroliza tlenku węgla (ang. water gas shift reaction)
WTA
- fluidalna technologia suszenia paliwa (niem. Wirbelschicht-Trocknung mit interner Abwärmenutzung, ang. fluidized-bed drying with internal waste heat utilization)
1.1. Ogólna charakterystyka scenariuszy zwiększenia roli wodoru w gospodarce
Rosnące potrzeby energetyczne świata, degradacja środowiska naturalnego oraz wzrost zagrożenia bezpieczeństwa energetycznego wskazują na konieczność poszukiwania nowych, bezpiecznych, wysokosprawnych i przyjaznych dla środowiska technologii energetycznych. Wydaje się, że obiecującym kierunkiem, mogącym znaleźć szerokie zastosowanie w przewidywalnej perspektywie czasowej, jest wykorzystanie wodoru jako paliwa przyszłości. Zastąpienie paliw kopalnych wodorem pozwala na praktycznie całkowite wyeliminowanie emisji substancji szkodliwych do atmosfery, w tym wpływających na zmiany klimatyczne gazów cieplarnianych.
Rozwój technologii wodorowych oraz globalnego zrównoważonego systemu energetycznego wykorzystującego wodór - tzw. gospodarki (energetyki) wodorowej, daje realną możliwość rozwiązania trzech głównych wyzwań stojących przed energetyką światową. Należą do nich: konieczność zaspokojenia rosnącego zapotrzebowania na czyste paliwa gazowe, ciekłe oraz energię elektryczną, konieczność wzrostu efektywności produkcji paliw i energii oraz minimalizacja emisji szkodliwych substancji do atmosfery, w tym emisji gazów cieplarnianych, na końcowym etapie wykorzystania energii.
Pod pojęciem energetyka wodorowa rozumiemy zespół procesów i modułów technologicznych obejmujących etap wytwarzania wodoru (wodór nie jest paliwem czerpalnym wprost z zasobów przyrody), jego magazynowania, transportu i konwersji do pożądanych postaci energii (głównie elektryczności i energii mechanicznej oraz nowych paliw). Wszystkie z nich są istotne dla końcowej efektywności techniczno-ekonomicznej i ekologicznej. Szczegółowiej rzecz biorąc z energetyką (gospodarką) wodorową identyfikuje się następujące obszary, w których konieczne jest poszukiwanie rozwiązań techniczno-ekonomicznych, ekologicznych i społeczno-organizacyjnych [1.1-1.8]:
- wytwarzanie wodoru z różnych nośników energii, w tym z węgla i innych paliw węglowodorowych oraz energii jądrowej,
- nowe technologie wytwarzania wodoru z odnawialną energią napędową: elektrolityczne, termicznego rozkładu wody (termoliza, cykliczne procesy termochemiczne, hybrydowe termochemiczne procesy rozkładu), fotokatalityczne,
- wodór jako paliwo napędowe środków transportu,
- wysokosprawne ogniwa paliwowe,
- systemowy wpływ wodoru na strukturę technologiczną i sposób zarządzania energetyką oraz na zmianę infrastruktury przemysłowej, integracja energetycznych technologii wodorowych z energetyką wielkoskalową paliw węglowodorowych,
- społeczno-polityczne warunki bezpieczeństwa inwestycyjnego w zakresie gospodarki wodorowej.
Na podstawie wymienionych obszarów poszukiwania rozwiązań widać, że myślenie o gospodarce wodorowej nie może ograniczyć się jedynie do pozyskania nowego nośnika energii, musi obejmować jego rolę w rozwiązaniu problemów dekarbonizacji gospodarki i transportu, w decentralizacji wysokosprawnego wytwarzania i zasilania w finalne postacie energii, a także dostrzegać konieczność zmian infrastruktury przemysłu. W tym sposobie podejścia systemowego wymagane jest sformułowanie wielu programów badawczych i przemysłowych, których rozwiązań nie można oczekiwać w sposób natychmiastowy. Czas transformacji może obejmować całe dekady.
Dostępnych jest wiele opracowań wskazujących na możliwe scenariusze rozwoju technologii wodorowych w różnych obszarach aktywności przemysłowej i transportu, na przykład [1.1-1.8].
W opracowaniu [1.2] wyraża się opinię, że wodór może spełnić podstawową rolę w procesie transformacji energetycznej wymaganej do ograniczenia wzrostu temperatury globu do dwóch stopni Celsjusza (two-degree scenario). Głównym celem ekologicznym transformacji jest ograniczenie emisji ditlenku węgla w procesach energetycznych do 2050 r. o 60%. W tym procesie wodór może spełniać wiele funkcji, w tym przez:
- wzrost upowszechnienia źródeł odnawialnych i ich optymalnej integracji w procesach wytwarzania elektryczności i paliw,
- dystrybucję energii odnawialnej w różnych sektorach i regionach,
- działanie jako bufor i rezerwa strategiczna mocy, zwiększając odporność systemu energetycznego,
- dekarbonizację transportu,
- dekarbonizację technologii przemysłowych,
- obniżenie emisyjności procesów wytwarzania ciepła i elektryczności w gospodarce komunalnej i mieszkalnictwie,
- zapewnienie czystego surowca dla przemysłu.
Scenariusz przedstawiony w [1.2] zakłada 18-procentowy udział wodoru w końcowym zapotrzebowaniu na energię w 2050 r., eliminację emisji 6 Gt ditlenku węgla przez zastosowanie technologii wodorowych, wartość sprzedaży wodoru i wyposażenia instalacji wodorowych na poziomie 2,5 biliona dolarów oraz powstanie 30 mln nowych miejsc pracy. Dynamika upowszechnienia technologii wodorowych według rozpatrywanego scenariusza jest największa w dekadzie 2040-2050. Między rokiem 2015 a 2050 roczne zapotrzebowanie na energię wodoru powinno wzrosnąć ok. 10-krotnie - z 8 EJ do 78 EJ, a między rokiem 2040 a 2050 przewidziano wzrost z 28 EJ do 78 EJ (1 Eksadżul ? 277,8 TWh). Struktura technologiczna wykorzystania wodoru w 2050 r. obejmuje zużycie 10 EJ w obszarach gospodarki, w których jest wykorzystywany obecnie, 9 EJ w nowych procesach przemysłowych (CCU, bezpośrednia redukcja rudy żelaza - DRI), 11 EJ w gospodarce komunalnej i mieszkalnictwie, 16 EJ w przemysłowej gospodarce energetycznej, 22 EJ w transporcie i 9 EJ w procesach wytwarzania elektryczności (buforowanie, rezerwa strategiczna, magazynowanie). Wskazuje to na duży potencjał technologii wodorowych w dekarbonizacji transportu i doskonaleniu procesów przemysłowych. Wszystkie scenariusze są optymistyczne, należy je traktować jako określenie możliwego potencjału. Ich realizacja wymaga spełnienia wielu warunków techniczno-ekonomicznych i politycznych [1.1]. Ważnym jest cena unikniętej emisji ditlenku węgla oraz technologiczne opanowanie magazynowania energii.
W opracowaniu Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) dla szczytu G20 w Japonii [1.1] przedstawiono aktualny stan w zakresie technologii i ekonomii produkcji wodoru oraz nakreślono scenariusze jego potencjalnych zastosowań, głównie w perspektywie do 2030 r. Wskazano na współcześnie identyfikowane wyzwania dla upowszechnienia technologii wodorowych. Ogólnie rzecz biorąc są one następujące:
- produkcja wodoru z wykorzystaniem niskoemisyjnej energii napędowej jest obecnie kosztowna (według analizy IEA koszt produkcji wodoru z wykorzystaniem elektryczności ze źródeł odnawialnych może się zmniejszyć o 30% w 2030 r. w wyniku spadku kosztów energii odnawialnej i zwiększenia skali w produkcji wodoru; sprzyjać to będzie doskonaleniu technologii elektrolizerów, rozwojowi i upowszechnieniu ogniw paliwowych oraz sprzętu do tankowania);
- rozwój infrastruktury wodorowej jest powolny, co nie sprzyja upowszechnieniu wodoru (ma to wpływ na ceny wodoru dla konsumentów, które w dużym stopniu zależą od ilości stacji tankowania i niezawodności dostaw; rozwiązanie tego problemu może wymagać planowania i koordynacji na szczeblu międzynarodowym i poszczególnych krajów, a także zaangażowania samorządów i władz lokalnych oraz instytucji przemysłowych i inwestorów prywatnych);
- wodór jest obecnie prawie w całości wytwarzany z gazu ziemnego i węgla, przy czym mimo zaawansowania technologicznego ta generacja jest odpowiedzialna za duże ilości emisji ditlenku węgla (roczna emisja CO2 równa emisji Indonezji i Wielkiej Brytanii łącznie); konieczna jest zatem intensyfikacja generacji wodoru z wykorzystaniem energii źródeł odnawialnych, a także wychwyt ditlenku węgla w procesach wykorzystania paliw kopalnych i jego zastosowanie w technologiach przemysłowych;
- obecne przepisy ograniczają rozwój przemysłu czystego wodoru; koniecznym jest m.in. opracowanie wspólnej międzynarodowej normy bezpieczeństwa transportu i przechowywania dużych ilości wodoru oraz śledzenie wpływu różnych technologii dostaw wodoru na środowisko.
Do walki z tymi wyzwaniami przedstawia się zalecenia dotyczące zwiększenia skali wykorzystania wodoru:
1. Należy określić rolę wodoru w długoterminowych strategiach energetycznych. Dotyczy to zarówno polityki na szczeblu krajowym, jak i regionalnym. Firmy powinny mieć wyraźnie określone cele długoterminowe (kluczowe sektory to: chemia - rafinacja, chemikalia; metalurgia - żelazo i stal; transport towarowy i dalekobieżny; budynki oraz wytwarzanie i magazynowanie energii).
2. Konieczne jest stymulowanie komercyjnego zapotrzebowania na czysty wodór. Technologie wykorzystania czystego wodoru są dostępne, aczkolwiek ich koszty są wysokie. Dążenie do tworzenia zrównoważonych rynków dla czystego wodoru powinno być wzmacniane programowo i inwestycyjnie. Celem powinno być także wspieranie technologii zmniejszania emisji CO2 w procesach wytwarzania wodoru z paliw kopalnych. Należy wspierać inwestycje dostawców, dystrybutorów i użytkowników. Inwestycje te mogą przyczynić się do redukcji kosztów, czy to technologii, dla których energię napędową stanowi niskoemisyjna energia elektryczna, czy technologii wytwarzania wodoru z paliw kopalnych z wychwytywaniem i wykorzystaniem ditlenku węgla w innych procesach.
3. Wskazane jest łagodzenie ryzyka finansowego pierwszych podejmujących inwestycje. Aktualny stan rozwoju technologii wodorowych powoduje, że jesteśmy w ważnym i jednocześnie obarczonym dużym ryzykiem momencie ich wdrażania. Ukierunkowane i ograniczone w czasie pożyczki, gwarancje i inne mechanizmy wspomagania mogą pomóc prywatnemu sektorowi podjąć odpowiednie inwestycje, wspomagać proces uczenia przy racjonalnym podziale ryzyka i korzyści.
4. Konieczne jest wspieranie badań i prac badawczo-rozwojowych dotyczących doskonalenia technologii i obniżenia kosztów. Mają one kluczowe znaczenie dla obniżenia kosztów i poprawy efektywności wszystkich modułów technologicznych gospodarki wodorowej (w tym ogniw paliwowych, generacji nowych paliw opartych na wodorze, elektrolitycznego wytwarzania wodoru, opanowania nowych technologii wytwarzania wodoru, jego transportu i magazynowania). Działania rządu, w tym wykorzystanie środków publicznych, mają podstawowe znaczenie w procesie formułowania programów badawczo-rozwojowych, we wdrożeniu wyników badań, podejmowaniu ryzyka badawczego i zachęcaniu prywatnego kapitału do podejmowania działań innowacyjnych.
1.2. Produkcja i wykorzystanie wodoru. Główne zadania i możliwości rozwoju
Mimo że wodór jest najpowszechniej występującym pierwiastkiem chemicznym we Wszechświecie, jednak w stanie wolnym w środowisku ziemskim jest rzadkością (w powietrzu atmosferycznym suchym jego stężenie wynosi 0,5 ppm). Z tego powodu jego wykorzystanie do celów energetycznych wymaga zastosowania różnych procesów technologicznych do jego pozyskiwania. Może on być produkowany z szeregu zawierających wodór substancji, w tym paliw kopalnych (węgiel, ropa, gaz ziemny), odnawialnych źródeł energii i wody.
Obserwujemy ciągły wzrost zapotrzebowania na wodór. Między rokiem 1975 a 2018 jego zużycie wzrosło z ok. 29 Mln ton do 115 Mln t rocznie. Należy oczekiwać, że w związku z powstaniem nowych obszarów jego zastosowania (np. transport) będzie następował dalszy intensywny wzrost jego produkcji. Po stronie substratów (2018 r.) w dedykowanej produkcji czystego wodoru (73 Mln t) największy udział miał gaz ziemny (196 Mtoe), następnie wegiel (75 Mtoe), inne to ropa (2 Mtoe) i elektryczność (2 Mtoe). Pozostałe zapotrzebowanie na wodór pokrywa produkcja w procesach, w których wodór jest produktem ubocznym [1.1].
Na skalę przemysłową produkowany jest on głównie z gazu ziemnego przy wykorzystaniu procesu parowego reformingu metanu (ang. steam methan reforming, SMR), który jest obecnie najtańszą opcją produkcji wodoru [1.9-1.14]. Ponadto do komercyjnie dostępnych technologii produkcji wodoru z gazu ziemnego należą [1.9]: proces częściowego utleniania (ang. partial oxidation, POX; catalitical partial oxidation, CPOX), łączący oba powyższe reforming autotermiczny (ang. autothermal reforming, ATR), katalityczna dehydrogenacja, piroliza, elektroliza. W różnym stadium rozwoju są: procesy fotokatalityczne, reforming plazmowy, reaktory membranowe, procesy biologiczne.
Ogólną charakterystykę technologii wytwarzania wodoru z paliw kopalnych i biomasy zawarto w tab. 1.1 (szczegółowiej jest to opisane w rozdz. 4). Dane tam zawarte potwierdzają fakt największej efektywności termodynamicznej i ekonomicznej technologii reformingu parowego w tej grupie paliw. Doskonalenie tej klasy metod wytwarzania wodoru powinno obok zwiększenia efektywności ekonomicznej obejmować redukcję emisji ditlenku węgla z procesów wytwarzania. Publikowane oceny wskazują na istotne zróżnicowanie kosztów wytwarzania wodoru w zależności od regionów geograficznych i krajów oraz zastosowania lub niezastosowania w procesach wytwarzania CCUS (ang. carbon cupture utilisation and storage). Zróżnicowanie geograficzne wynika z faktu, że głównym składnikiem kosztu jest cena dostępnego paliwa - substratu. I tak na przykład cena wodoru z reformingu gazu ziemnego bez instalacji CCUS w USA jest równa ok. 1 USD/kg H2, po zastosowaniu wychwytu ditlenku węgla wzrasta do 1,5 USD/kg H2. Odpowiednie ceny dla UE są równe: 1,7 USD/kg H2, 2,35 USD/kg H2. Dla Chin można przyjąć: 1,75 USD/kg H2, 2,4 USD/kg H2. W wypadku Rosji i krajów Środkowego Wschodu ceny są porównywane do cen w USA [1.1]. Koszty inwestycyjne mieszczą się w granicach 500-900 USD/kWH2 dla układów bez CCUS i 900-1600 USD/kWH2 dla CCUS.
Tabela 1.1. Charakterystyka technologii wytwarzania wodoru
Proces
Paliwo
Sprawność całkowita, %
Koszt H2 USD/GJ
Koszty inwestycyjne USD/GJ H2
Uwagi
Reforming parowy
- gaz ziemny
- ropa naftowa
65-751)
5-8
9-15
- dobrze poznany
- rozbudowana infrastruktura
Częściowe utlenienie
- gaz ziemny
- ropa naftowa
501)
7-10
9-22
- dobrze poznany
- brak infrastruktury
Zgazowanie
- węgiel
- biomasa
42,5-46,52)
10-12
9-13
33-34
20-42
- tanie paliwa
- słaba infrastruktura
- jednoczesna separacja CO2
- skoncentrowany strumień CO2 idealny dla procesu sekwestracji
Piroliza
- węgiel
- biomasa
47,92)
9-13
15-19
- tanie paliwa
- brak infrastruktury
- jednoczesna separacja CO2
- skoncentrowany strumień CO2 idealny dla procesu sekwestracji
1) wartość opałowa, 2)ciepło spalania
Dalszy rozwój energetyki wodorowej jest ściśle związany z wykorzystaniem do produkcji wodoru energii źródeł odnawialnych. Obecnie dominująca technologią jest elektroliza wody. W tabeli 1.2 przedstawiono charakterystykę trzech rodzajów elektrolizerów: alkalicznych, PEM, ceramicznych (SOEC) [1.1, 1.15]. Dwa pierwsze są komercyjnie dostępne i konkurują na rynku. Trzeci jest we stadium komercjalizacji. W eksploatacji są obecnie mniej więcej równie upowszechnione elektrolizery alkaliczne i typu PEM. Największa dynamika wprowadzania do eksploatacji instalacji demonstracyjnych występuje w latach 2015-2019 [1.1, 1.16, 1.17]. Obecnie (2019) moc pracujących elektrolizerów alkalicznych przekracza 45 MW, a moc elektrolizerów typu PEM 38 MW (tej klasie elektrolizerów towarzyszy w ostatnim okresie największe zainteresowanie). Sumaryczna moc instalacji z elektrolizerami SOEC nie przekroczyła 1 MW. Łączna liczba instalacji przekroczyła wartość 180. Średnia moc pojedynczej instalacji uruchamianej w latach 2015-2018 wynosiła ok. 1 MWel [1.1]. Prowadzone są liczne studia możliwości budowy instalacji o mocach 5 i 100 MW wykorzystujących stosy elektrolizerów alkalicznych i PEM, na przykład [1.15, 1.18].
Tabela 1.2. Stan rozwoju elektrolizerów i oczekiwane ich charakterystyki w późniejszych latach
Stan rozwoju
Parametr
Elektrolizery alkaliczne
Elektrolizery polimerowe (PEM)
Elektrolizery tlenkowe (SOEC)
obecnie (2018)
2030
> 2030
obecnie (2018)
2030
> 2030
obecnie (2018)
2030
> 2030
Sprawność elektryczna[%, Wd]
63-70
65-71
70-80
56-60
63-68
67-74
74-81
77-84
77-90
CAPEX
[USD/kWel]
500-1400
400-850
200-700
1100-1800
650-1500
200-900
2800-5600
800-2800
500-1000
Ciśnienie pracy [bar]
1-30
30-80
1
Temperatura pracy [°C]
60-80
50-80
650-1000
Czas pracy [h]
60 000-90 000
90 000-100 000
100 000-150 000
30 000-90 000
60 000-90 000
100 000-150 000
10 000-30 000
-40 000
-60 000
75 000-100 000
Zakres obciążenia (% w stosunku do nominalnego)
10-110
0-160
20-100
Wskaźnik powierzchniowy [m2/kWel]
0,095
0,048
brak danych
Konkurencyjność generacji wodoru z odnawialnej energii napędowej w porównaniu z reformingiem parowym gazu ziemnego zależy od ceny elektryczności, gazu i uprawnień do emisji ditlenku węgla. Obecnie koszt wytwarzania jest wysoki, co wymaga wysiłków w doskonaleniu wszystkich modułów jego wytwarzania i konsekwencji w polityce klimatycznej. Według analiz zawartych w [1.1] konkurencyjność mogłaby obecnie zostać osiągnięta przy cenie elektryczności mniejszej niż 40 USD/kWhel i przy cenie uprawnień do emisji ok. 50 USD za tonę CO2.
Wodór ma potencjał do zastosowań w średniej i długoterminowej perspektywie w energetyce i wielu gałęziach przemysłu. Poniżej zwrócimy uwagę na możliwości upowszechnienia wodoru w transporcie, ogrzewnictwie i energetyce. Transport, energetyka, gospodarka komunalna mają potencjał wykorzystania wodoru, jeżeli jego koszty produkcji i utylizacji będą mniejsze niż innych opcji. Skomplikowana materia rozwoju i rozpowszechnienia technologii wodoru sprawia, że dobrze rozumiana polityka wsparcia może mieć podstawowe znaczenie.
Dla upowszechnienia technologii energetycznego wykorzystania wodoru duże znaczenie ma rozwój ogniw paliwowych. Konkurencyjność ogniw paliwowych w transporcie zależy od kosztów ogniw oraz od budowy i eksploatacji stacji ładowania wodoru. Dla samochodów podstawowe znaczenie ma obniżenie kosztów ogniw i zbiornika wodoru w samochodzie. To powinno uczynić ich konkurencyjnymi w stosunku do baterii i zapewnić zasięg 400-500 (1000) km. Dla ciężarówek kluczowym jest obniżenie ceny dostarczania wodoru. W tab. 1.3 przedstawiono dane dotyczące stanu rozwoju technologii paliwowych ogniw polimerowych i dodatkowej infrastruktury w zastosowaniach transportowych [1.3, 1.4]. Potencjał wodorowy dla wszystkich rodzajów transportu jest opisany w tab. 1.4 [1.1, 1.2].
Największe możliwości w krótkiej i średniej perspektywie czasowej zwiększenia zużycia wodoru w ciepłownictwie daje domieszanie wodoru do istniejącej infrastruktury gazowej. W 2030 r. przewiduje się zużycie 4 mln ton wodoru domieszkowego. Potencjał jest szczególne istotny dla budynków wielorodzinnych i gmachów publicznych. W dłuższej perspektywie w ciepłownictwie należy oczekiwać zastosowania ogniw paliwowych i kotłów wodorowych (tab. 1.5) [1.1].
W energetyce istnieje wiele możliwości wykorzystania wodoru i paliw generowanych z wodoru. W najbliższej przyszłości możliwe jest współspalanie amoniaku w blokach węglowych. Wodór i amoniak mogą być elastyczną opcją paliwową dla ogniw paliwowych i turbin gazowych. Dla małych obciążeń koszt wodoru ok. 2,5 USD/kg ma duży potencjał konkurencyjny. Główne opcje konkurencyjne to gaz ziemny z CCUS i biogaz. W dłuższej perspektywie wodór może odgrywać dużą rolę w energetyce wielkoskalowej i jako nośnik energii w układach magazynowania energii (tab. 1.6) [1.1].
Tabela 1.3. Stan rozwoju technologii ogniw polimerowych i dodatkowej infrastruktury do zastosowań w transporcie [1.3, 1.4]
Technologia
Moc lub wydajność
Sprawność
Początkowe nakłady inwestycyjne
Żywotność(trwałość)
Stan rozwoju technologii
Polimerowe ogniwa transportowe
80-100 kW
do 60%(HHV)
ok. 500 USD/kW
do 5 tys. h
wstępne stadium rynkowe
Sprężarki 18 MPa
-
88-95%
70 USD/kWH2
20 lat
dojrzały do wdrożenia
Sprężarki 70 MPa
-
80-91%
200-400 USD/kWH2
20 lat
wstępne stadium rynkowe
Instalacje skraplania
15-80 MW
ok. 70%
800-2000 USD/kW
30 lat
dojrzały do wdrożenia
Zbiorniki wodoru w samochodzie, 70 MPa
5-6 kg H2
ok. 100% (bez uwzględnienia sprężenia)
17-33 USD/kWh
(dla 10-500 tys. produkowanych instalacji w ciągu roku)
15 lat
wstępne stadium rynkowe
Zbiorniki ciśnieniowe
0,1-10 MWh
ok. 100% (bez uwzględnienia sprężenia)
6 000-10 000 USD/MWh
20 lat
dojrzały do wdrożenia
Składowanie w stanie ciekłym
0,1-100 GWh
straty odparowania 0,3% na dobę
800-10 000
USD/MWh
20 lat
dojrzały do wdrożenia
Rurociągi
-
95%( łącznie ze sprężaniem)
obszary wiejskie: 300 tys.-1,2 mln USD/km;
obszary miejskie: 700 tys.-1,5 mln USD/km (w zależności od średnicy)
40 lat
dojrzały do wdrożenia
Tabela 1.4. Potencjał transportowy [1.1, 1.2]
Stan obecny
Przewidywane zapotrzebowanie
Przyszłościowe rozpowszechnienie
Uwagi
Pojazdy lekkie
ok. 11 200 samochodów w eksploatacji (głównie w USA, Japonii i Europie)
flota samochodowa będzie wzrastać, część tego wzrostu będzie dotyczyć napędu wodorowego
potencjał
wyzwania
Transport morski
pewna liczba instalacji demonstracyjnych dla małych jednostek
przewidywany wzrost transportu morskiego o 45% w 2030 r. oraz cele klimatyczne powinny sprzyjać zastosowaniu paliw na bazie wodoru
wodór i amoniak są paliwami, które mogą warunkować dekarbonizację transportu morskiego, przynajmniej ograniczyć użycie paliw klasycznych
wodór: koszt magazynowania wodoru jest większy niż klasycznych paliw płynnych,
wodór/amoniak: strata ładunku podczas magazynowania jest większa niż dla paliw ciekłych
Transport kolejowy
dwa pociągi wodorowe w Niemczech
kolej to filar infrastruktury transportu osobowego i towarowego
pociągi wodorowe mogą być istotnie konkurencyjne na liniach lokalnych oraz w transporcie międzynarodowym
kolej jest w dużej mierze zelektryfikowana, pociągi wodorowe i na baterie są opcjonalnym rozwiązaniem dla obszarów z częściową elektryfikacją sieci kolejowych i dla braku elektryfikacji
Lotnictwo
ograniczona liczba instalacji demonstracyjnych, prace studialne
dynamiczny wzrost lotniczego transportu osób i towarów
power to liquid: ograniczone zmiany w infrastrukturze dystrybucji i urządzeniach, maksymalizacja wykorzystania biomasy wodór: łącznie z bateriami energetyczne zasilanie na pokładzie, w czasie kołowania i w portach lotniczych
power to liquid: 4-6 razy większe koszty wytwarzania paliwa w porównaniu do benzyn lotniczych
Tabela 1.5. Wodór w ogrzewaniu budynków [1.1]
Strategia
Zalety
Warunki
Przykłady
Mieszanie paliw (domieszka wodoru)
niskonakładowe rozwiązanie komplementarne z istniejącą gazową infrastrukturą i urządzeniami
5-20% domieszki
projekt GRHYD (Francja 2017),
projekt HyDeploy (Wielka Brytania 2019)
Produkcja metanu z czystego wodoru
pełna dekarbonizacja procesu wytwarzania przy odnawialnych źródłach napędowych w produkcji wodoru i separacji ditlenku węgla z procesów konwersji biomasy lub z separacji z otoczenia,
bezproblemowe wykorzystanie sieci gazowych
inwestycje w instalacje produkcji metanu, prace badawczo-rozwojowe dla zwiększenia efektywności metanizacji,
źródło pierwiastka węgla takie jak ditlenek węgla
projekt STORE&GO europejski (2016) katalitycznej i biologicznej metanizacji (instalacje demonstracyjne: 250 kW i 1 MW)
100% wodór
pełna dekarbonizacja przy odnawialnych źródłach napędowych w produkcji wodoru,
mniejsze straty niż w procesie wytwarzania syntetycznego metanu
inwestycje w modernizację sieci i dodatkową infrastrukturę
H21 Leeds City Gate (Wielka Brytania, po 2025)
H21 Network Innovation Competition (NIC) (Wielka Brytania 2018)
Ogniwa paliwowe i kogeneracja
wzrost elastyczności rozproszonych poligeneracyjnych systemów energetycznych,
potencjał w zakresie zarządzania popytem
inwestycje w układ kogeneracyjny z ogniwami paliwowymi,
prace badawczo-rozwojowe na rzecz zwiększenia efektywności
ENE - FARM (Japonia od 2009, gaz ziemny), Energy Efficiency Incentive Programme (Niemcy 2016, ogniwa paliwowe w mieszkalnictwie)
Tabela 1.6. Wodór w energetyce
Rola wodoru w energetyce
Stan obecny
Perspektywa wzrostu zapotrzebowania
Przyszłe upowszechnienie
Uwagi
Współspalanie amoniaku w elektrowniach węglowych
brak wdrożeń, ogólna demonstracja w jednej z elektrowni w Japonii
20% udziału we współspalaniu w globalnej flocie elektrowni węglowych mogłoby być do osiągnięcia w 2030 r.; doprowadziłoby to do zapotrzebowania na amoniak do 670 Mt lub odpowiadającego mu zapotrzebowania na wodór wynoszącego 120 MtH2
szanse na zmniejszenie zużycia węgla w istniejących elektrowniach węglowych w najbliższym czasie
problem ograniczenia kosztów emisji CO2, mogą być one niskie, ale wymaga to dostawy taniego amoniaku; należy zwrócić także uwagę na emisje NOx; konieczne może być dalsze ograniczenie emisji NOx, ale jest to tylko zabieg przejściowy - nadal bowiem pozostaje znaczna pozostała emisja CO2
Elastyczne wytwarzanie energii
niewiele jest komercyjnych turbin gazowych wykorzystujących gazy bogate w wodór, zainstalowano 363 000 jednostek ogniw paliwowych (1 600 MW)
przy założeniu, że 1% światowej mocy wytwarzanej z gazu (25 GW) będzie zastąpione wodorem do 2030 r., do wytworzenia
90 TWh energii elektrycznej odpowiadającej tej mocy zużyje się 4,5 MtH2
wspieranie integracji OZE z systemem elektroenergetycznym, niektóre instalacje turbin gazowych mogą już pracować na gazie o dużym udziale wodoru
dostępność taniego i niskoemisyjnego wodoru i amoniaku, konkurencja z innymi elastycznymi opcjami generacji, a także innymi opcjami elastyczności (np. odpowiedź na żądanie, szybkie zmiany obciążenia)
Zasilanie rezerwowe i sieciowe
projekty demonstracyjne w zakresie elektryfikacji wiosek, ogniwo paliwowe w połączeniu z magazynowaniem
wraz z rosnącym rozwojem telekomunikacji rośnie również zapotrzebowanie na niezawodny zasilacz
systemy ogniw paliwowych w połączeniu z magazynowaniem jako opłacalna i mniej zanieczyszczająca alternatywa dla generatorów diesla, bardziej wytrzymałe niż systemy akumulatorowe
często wyższe potrzeby w zakresie inwestycji początkowych w porównaniu z generatorami silnikowymi
Długoterminowe magazyny energii w dużej skali
trzy miejsca do przechowywania wodoru w jaskini solnej w Stanach Zjednoczonych i kolejne trzy w Wielkiej Brytanii
w perspektywie długoterminowej, przy bardzo wysokich udziałach OZE, zapotrzebowanie na wielkoskalowe magazynowanie będzie wzrastać; w połączeniu z handlem na duże odległości można skorzystać z sezonowych różnic w globalnej podaży OZE
ze względu na wysoką zawartość energii wodoru stosunkowo niskie koszty CAPEX za samo magazynowanie, niewiele alternatywnych technologii przechowywania długoterminowego i na dużą skalę, straty konwersji można zmniejszyć, jeżeli zmagazynowany wodór lub amoniak można bezpośrednio wykorzystać w zastosowaniach końcowych
wysokie straty konwersji, dostępność geologiczna kawern solnych przechowywania wodoru, niewielkie doświadczenie z wyczerpanymi złożami ropy i gazu lub i warstwami wodonośnymi do magazynowania wodoru (np. problemy z zanieczyszczeniami środowiska)
1.3. Zakres opracowania
Na rys. 1.1 zilustrowano podstawowe ścieżki technologiczne konwersji energii różnych pierwotnych źródeł energii w elektryczność i ciepło. Ten stan rzeczy jest charakterystyczny dla systemów energetycznych różnych krajów, aczkolwiek wykorzystanie wyodrębnionych technologii w poszczególnych systemach może się istotnie różnić. W niektórych krajach dominować będzie energetyka jądrowa (np. Francja), w innych technologie węglowe (np. Polska), a jeszcze w innych systemach istotny udział w produkcji elektryczności będzie miała konwersja energii źródeł odnawialnych. Najdłuższy ciąg technologiczny jest charakterystyczny dla paliw kopalnych i energetyki jądrowej, najkrótszy dla wody, Słońca i wiatru. Im większa liczba szeregowo połączonych modułów konwersji, tym większe straty i tym samym mniejsza sprawność i większe obciążenie środowiska. Na rys. 1.1 pokazano w sposób schematyczny przepływ substancji szkodliwych do środowiska.
Wprowadzenie do systemu energetycznego wodoru może być zrealizowane według schematu pokazanego na rys. 1.2. Schemat ten może być podstawą do znalezienia optymalnej ścieżki rozwoju technologii wodorowych (z uwzględnieniem zasobów naturalnych i odnawialnych) i ich wykorzystania w całej gospodarce oraz energetyce dla przyjętych kryteriów ekonomicznych i ograniczeń ekologicznych. Obejmuje on procesy wytwarzania wodoru z wykorzystaniem różnych energii napędowych (pominięto ciepło z wysokotemperaturowych reaktorów jądrowych; procesy termolizy są w początkowym stadium rozwoju). Omówiono je w rozdziale czwartym i piatym. Na rys. 1.2 wyodrębniono trzy podstawowe sieci (elektryczną, gazową i wodorową). Można założyć, że w przyszłościowych systemach energetycznych obok funkcji autonomicznych tych sieci nastąpi pewna integracja sieci gazowej i wodorowej. Wybrane zagadnienia transportu i magazynowania wodoru przedstawiono w rozdziale szóstym. Technologie energetycznego wykorzystania wodoru (WISTE) to bardzo zróżnicowany obszar tematyczny (zob. tab. 1.5 i 1.6). Obejmuje on teorię i praktykę eksploatacyjną układów energetycznych ogniw paliwowych, wodorowych turbin gazowych, innych silników (Stirlinga, spalinowych), co przedstawiono w rozdziale siódmym. Należy wyraźnie podkreślić, że często nie można rozdzielić układu wytwarzania wodoru z jego energetyczną aplikacją.
Odnawialne źródła napędowe o probabilistycznym charakterze wymagają specjalnego podejścia do doboru poszczególnych modułów instalacji generacji wodoru i jego wykorzystania. Integracja poszczególnych modułów wymaga przyjęcia odpowiedniej strategii eksploatacyjnej maksymalizującej efektywność całej instalacji. Wybrane zagadnienia z tego zakresu zostały zawarte w rozdziale siódmym. W rozdziale ósmym wskazano na zastosowanie wodoru w transporcie. Opracowanie uzupełniają trzy pierwsze rozdziały obejmujące wprowadzenie w tematykę, podstawy termodynamiczne, podstawowe właściwości wodoru.
Rys. 1.1. Technologie konwersji energii paliw w elektryczność i ciepło: EM - energia mechaniczna, EL - elektryczność, OP - ogniwo paliwowe, PH2 - produkcja wodoru, PV - ogniwa fotowoltaiczne, KS - kolektory słoneczne
Rys. 1.2. Ogólna struktura energetyki wodorowej: Z - zasobnik wodoru, WISTE - wodorowe instalacje energetyczne, - strumień ciepła użytecznego, Nu - moc elektryczna użyteczna
Bibliografia do rozdziału pierwszego
1.1. The Future of Hydrogen, IEA, June 2019.
1.2. Hydrogen scaling up. A sustainable pathway for the global energy transition, Hydrogen Council, November 2017.
1.3. Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells, IEA 2015.
1.4. DOE Hydrogen and Fuel Cell Technologies Program Record, 2015, 2016.
1.5. Ball M., Wietschel M., The future of hydrogen - opportunities and challenges, International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34, s. 615-622.
1.6. Eames M., Towards a sustainable hydrogen economy: A multi-criteria sustainability appraisal of competing hydrogen futures, International Journal of Hydrogen Energy, 2007, 32, s. 4611-4626.
1.7. Solomon B.D., Banerjee A., A global survey of hydrogen energy research, development and policy, Energy Policy, May 2006, Volume 34, 7, s. 781-792.
1.8. Winter C-J., Into the hydrogen energy economy - milestones, International Journal of Hydrogen Energy, 2005, 30, s. 681-685.
1.9. Chmielniak T.M., Badania symulacyjne technologii wytwarzania wodoru w aspekcie emisji CO2 w cyklu - wydobycie, transport i przetwórstwo węgla, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2014, ISBN 978-83-7880-143-6.
1.10. Ke Liu, Chunshan Song, VeluSubramani (Eds), Hydrogen and Syngas Production and Purification Technologies, A John Wiley & Sons, Inc. Publication, 2010.
1.11. Hydrogen production and storage, R&D Priorities and Gaps; International Energy Agency, IEA Hydrogen Implementing Agreement, 2005; http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/hydrogen.pdf (dostęp 02.01.2019).
1.12. McHugh K., Hydrogen Production Methods, MPR Associates Inc., 2005.
1.13. Holladay J.D., Hu J., King D.L., Wang Y., An overview of hydrogen production technologies, Catalysis Today, 2009, 139, s. 244-260.
1.14. Acar C., Dincer I., Comparative assessment of hydrogen production methods from renewable and non-renewable sources, International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39, s. 1-12.
1.15. Flexible combined production of power, heat and transport fuels from renewable energy sources, VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, H2020-LCE-2017-RES-RIA, 2018/08/31.
1.16. Chehade Z., Mansilla Ch., Lucchese P., Hilliard S., Proost J., Review and analysis of demonstration projects on power - to X pathways in the world, International Journal of Hydrogen Energy, 2019, 44, s. 27637-27655.
1.17. Gahleitner G., Hydrogen from renewable electricity: An international review of power-to-gas pilot plants for stationary applications, International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38, s. 2039-2061.
1.18. Studie über die Planung einer Demonstrationsanlage zurWasserstoff-Kraftstoffgewinnung durch Elektrolyse mit Zwischenspeicherung in Salzkavernenunter Druck, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, Stuttgart 2015.