Przegląd metod wytwarzania energii elektrycznej z wodoru i ocena potencjału ich zastosowania w krajowym systemie elektroenergetycznym

• Autorzy: Łukasik Jakub , Jewartowski Marcin

Warianty tytułu

EN

An overview of hydrogen electricity production methods and assessment of their potential for application in the national electricity system

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule dokonano przeglądu dostępnych metod wytwarzania energii elektrycznej z udziałem technologii wodorowych i podjęto próbę oceny potencjału ich zastosowania w polskim systemie elektroenergetycznym. Szczególną uwagę poświęcono ogniwom paliwowym, omawiając dostępne na rynku typy ogniw oraz ich podstawowe parametry techniczne. W zakresie technologii wodorowych, rozważono możliwość samodzielnej pracy ogniw paliwowych, turbin gazowych i silników tłokowych w strukturze rozproszonej, jak też zasadność współpracy wybranych układów w formie systemów hybrydowych. Przytoczono przy tym zalety i wady omawianych rozwiązań. Zwrócono uwagę na wysoki potencjał niektórych układów do pracy w poligeneracji. W oparciu o studia literaturowe, oszacowano jednostkowe koszty inwestycyjne i operacyjne omawianych technologii w perspektywie roku 2050. Mają one istotne znaczenie w aspekcie aktualnych proekologicznych strategii energetycznych, które są bodźcem do transformacji krajowego systemu elektroenergetycznego.

EN

The article reviews the available methods of generating electricity with the use of hydrogen technologies and attempts to assess the potential of their application in the Polish power system. Particular attention was paid to fuel cells, discussing the types of cells available on the market and their basic technical parameters. In the field of hydrogen technologies, there were considered the possibility of independent operation of fuel cells, gas turbines and piston engines in a dispersed structure, as well as the legitimacy of cooperation of selected systems in the form of hybrid configurations. The advantages and disadvantages of the presented solutions were discussed. The attention was paid to the high potential of some systems to work in polygeneration. Based on literature studies, the unit investment and operating costs of the technologies in question were estimated by 2050. They have significant importance in the aspect of current pro-ecological energy strategies that stimulate the transformation of the national power system.

Słowa kluczowe

PL

energetyka wodorowa; ogniwa paliwowe; układy hybrydowe; układy gazowo-parowe

EN

hydrogen energy; fuel cells; hybrid systems; combined cycle power plant

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2022
• Tom: Nr 2
• Strony: 10--20
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Łukasik Jakub

• firma Gazuno

autor

Jewartowski Marcin

• Instyt Energii, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Okrętownictwa, Politechnika Gdańskiej

• https://orcid.org/0000-0003-2455-8837

Bibliografia

• [1] Akinyele D., Olabode E., Amole A.: Review of Fuel Cell Technologies and Applications for Sustainable Microgrid Systems, „Inventions 2020”, 5 (3), 42. DOI: 10.3390/inventions5030042.
• [2] Balestri M., Benelli G., Donatini F., Arlati F., Conti G.: Enel's Fusina hydrogen-fed power generation plant, 05.2007, International Conference on Clean Electrical Power 2007, 456-463. DOI: 10.1109/ICCEP.2007.384254.
• [3] Ballard Power Systems and Ford Power Products unveil hydrogen generator set, 09.08.2002. Dostępne pod adresem: https://www.powerengineeringint.com/coal-fired/equipment-coal-fired/ballard-power-systems-and-ford-power-products-unveil-hydrogen-generator-set/.
• [4] Biert L., Woudstra T., Godjevac M., Visser K., Aravind P. V.: A thermodynamic comparison of solid oxide fuel cell-combined cycles, „Journal of Power Sources”, 397, 09.2018, 382-396. DOI: 10.1016/j.jpow-sour.2018.07.035.
• [5] Burrin D., Roy S., Roskilly A. P., Smallbone A.: A combined heat and green hydrogen (CHH) generator integrated with a heat network, „Energy Conversion and Management”, 246, 10.2021, 114686. DOI: 10.1016/j.enconman.2021.114686.
• [6] Chmielniak T., Chmielniak T.: Energetyka wodorowa, Wyd. PWN, Warszawa 2020.
• [7] Chorowski M.: Wodór – własności, wytwarzanie, zastosowania. Technologie kriogeniczne, [data dostępu: 30.09.2021]. Dostępne pod adresem: http://www.itcmp.pwr.wroc.pl/~kriogen/Wyklady/techkrio/Wodor%20wlasnosci%20wytwarzanie%20zastosowania.pdf.
• [8] Ciechanowska M.: Strategia w zakresie wodoru na rzecz Europy neutralnej dla klimatu, „Nafta-Gaz”, 2020, nr 12, s. 951–954. DOI: 10.18668/NG.2020.12.09.
• [9] Co rozumiemy pod pojęciem kruchości wodorowej?, [data dostępu: 16.10.2021]. Dostępne pod adresem: https://portal-cynkowniczy.pl/qa/26-co-rozumiemy-pod-pojeciem-kruchosci-wodorowej/.
• [10] Communication from The Commission to The European Parliament, The Council, The European Economic and Social Committee and The Committee of The Regions: A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe, 08.07.2020, Brussels. Dostępne pod adresem: https://eur-lex.europa.eu/legal-con-tent/EN/TXT/?uri=CELEX:52020DC0301.
• [11] Deczyński J., Żółtkowski B.: Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewnętrznym, „Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management”, 2014, nr 69, str. 18-31.
• [12] European Marine Energy Centre: Green hydrogen to decarbonise Kirkwall airport, 27.01.2021. Dostępne pod adresem: https://www.emec.org.uk/green-hydrogen-to-decarbonise-kirkwall-airport/.
• [13] Fukumoto Y.: Toyota's 'hydrogen engine' car roars through 24-hour enduro, 25.05.2021. Dostępne pod adresem: https://asia.nikkei.com/Business/Automobiles/Toyota-s-hydrogen-engine-car-roars-through-24-hour-enduro.
• [14] Guandalini G., Robinius M., Grube T., Campanari S., Stolten D.: Long-term power-to-gas potential from wind and solar power: A country analysis for Italy, „International Journal of Hydrogen Energy”, 05.2017, 42, 19, 13389-13406. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.03.081.
• [15] Hydrogen for Clean CHP Systems, [data dostępu: 19.10.2021]. Dostępne pod adresem: https://www.2g-energy.com/products/hydrogen-chp/.
• [16] Hydrogen Use in Internal Combustion Engines, materiały naukowe College of the Desert, 12.2001 [data dostępu: 16.10.2021], Palm Desert, California. Dostępne pod adresem: https://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/tech_validation/pdfs/fcm03r0.pdf.
• [17] Integration von Wind-Wasserstoff-Systemen in das Energiesystem, projekt PLANET Planungsgruppe Energie und Technik GbR, 31.03.2014.
• [18] Nastasi B., Lo Basso G., Garcia A. D., Cumo F., de Santoli L.: Power-to-gas leverage effect on power-to-heat application for urban renewable thermal energy systems, „International Journal of Hydrogen Energy”, 12.2018, 43, 52, 23076-23090. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.08.119.
• [19] Nsour W., Taa'mneh T., Ayadi O., Al. Asfar J.: Design of Stand-Alone Proton Exchange Membrane Fuel Cell Hybrid System under Amman Climate, „Journal of Ecological Engineering”, 10.2019, 20, 9, 1–10. DOI: 10.12911/22998993/111800.
• [20] Ogniwa paliwowe PEM, [data dostępu: 13.10.2021]. Dostępne pod adresem: https://wme-z1.pwr.edu.pl/wp-content/uploads/2020/01/4-ogniwa-paliwoweMTS-II.pdf.
• [21] Ogniwa Paliwowe w „Odnawialne źródła energii”, materiały dla szkół ponadgimnazjalnych, Wyd. Horizon Fuel Cell Technologies, Shanghai 2009.
• [22] Olszowiec P.: Turbiny gazowe na wodór, „Energia Gigawat”, 11-12/2020.
• [23] Payne R., Love J., Kah M.: Generating Electricity at 60% Electrical Efficiency from 1 - 2 kWe SOFC Products, „Electrochemical Society”, 2009, 25, 23, DOI: 10.1149/1.3205530.
• [24] Powering Fuel Cells with Nafion™ Membranes, data dostępu: 12.10.2021. Dostępne pod adresem: https://www.nafion.com/en/applications/fuel-cells.
• [25] Prywatna korespondencja z przedstawicielem działu marketingu European Marine Energy Centre.
• [26] Rycroft M.: Co-generation: Hybrid fuel-cell gas turbine systems, 04.2017. Dostępne pod adresem: https://www.ee.co.za/article/co-generation-hybrid-fuel-cell-gas-turbine-systems.html.
• [27] Skłodowska M.: Producenci turbin przygotowują się do spalania wodoru, 12.01.2021. Dostępne pod adresem: https://wysokienapiecie.pl/34759-turbiny-na-wodor-pojawia-sie-na-rynku-w-przyszlosci/.
• [28] Spalinowy silnik na wodór może być bliżej niż myślimy, 26.04.2021. Dostępne pod adresem: https://www.cire.pl/item,216187,1,0,0,0,0,0,spalinowy-silnik-na-wodor-moze-byc-blizej-niz-myslimy.html.
• [29] Stellen M., Jörissen L.: Chapter 10 - Hydrogen Conversion into Electricity and Thermal Energy by Fuel Cells: Use of H2-Systems and Batteries, „Electrochemical Energy Storage for Renewable Sources and Grid Balancing”, 2015, 143-158. DOI: 10.1016/B978-0-444-62616-5.00010-3.
• [30] Technologia ogniw paliwowych, [data dostępu: 13.10.2021]. Dostępne pod adresem: http://www.ogniwa-paliwowe.com/.
• [31] The National Hydrogen Association: Hydrogen Workshop for Fleet Operators, [data dostępu: 16.10.2021]. Dostępne pod adresem: http://www.mwcog.org/uploads/committee-documents/v1ldW1s20060524145809.ppt.
• [32] The UKs first 100% hydrogen CHP, 19.02.2021. Dostępne pod adresem: https://www.2ea.co.uk/The-UKs-first-100Percent-hydrogen-CHP.html.
• [33] Trigeneracja, [data dostępu: 17.10.2021]. Dostępne pod adresem: https://www.innio.com/pl/rozwiazania/generacja-energii/trigeneracja.
• [34] Types of Fuel Cells, [data dostępu: 16.10.2021]. Dostępne pod adresem: https://www.energy.gov/eere/fuel-cells/types-fuel-cells.
• [35] Virkar, A. V., Fung K. Z., Singhal S. C.: The effect of pressure on solid oxide fuel cell performance, Conference: IEEE - Region 3 Southeastcon `97 Conference, Blacksburg, VA (United States), 04.1997. DOE: FETC/C-98/7303.
• [36] Welder L., Stenzel P., Ebersbach N., Markewitz P., Robinius M., Emonts B., Stolten D.: Design and evaluation of hydrogen electricity reconversion pathways in national energy systems using spatially and temporally resolved energy system optimization, „International Journal of Hydrogen Energy”, 04.2019, 44, 19, 9594-9607. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.11.194.
• [37] Wolf E.: Chapter 9 - Large-Scale Hydrogen Energy Storage, „Electrochemical Energy Storage for Renewable Sources and Grid Balancing”, 2015, 129-142. DOI: 10.1016/B978-0-444-62616-5.00009-7.
• [38] Wołowicz M., Milewski J., Badyda K.: Analiza i porównanie układów energetycznych zawierających węglanowe ogniwa paliwowe, „Rynek Energii", 2014, nr 4, s. 66-73.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).