Rodzaje zanieczyszczeń i sposoby oczyszczania wodoru magazynowanego w kawernach solnych w aspekcie zastosowania go w urządzeniach wytwarzających energię

• Autorzy: Janocha Andrzej

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2022.04.05

Warianty tytułu

EN

Types of impurities and methods of purifying hydrogen stored in salt caverns in terms of application to energy generating devices

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule dokonano skondensowanego przeglądu literatury na temat podziemnych magazynów gazu (PMG) w kawernach solnych. Przedstawiono analizę możliwości powstawania zanieczyszczeń podczas magazynowania wodoru w kawernach solnych. Część zanieczyszczeń może powstać w początkowej fazie oddawania komory solnej do używania i napełniania, a część – w związku z zachodzącymi procesami chemicznymi i mikrobiologicznymi w trakcie użytkowania kawerny i jej wyposażenia. Wcześniejsze badania wykonane przez Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy w kawernach magazynujących gaz ziemny wykazały obecność pyłów i składników kwaśnych. Oznacza to, że podobnych zagrożeń można się spodziewać przy magazynowaniu wodoru w kawernach solnych. W trakcie prowadzenia prac wiertniczych, a następnie w procesie ługowania komory solnej mogą pozostać w niej składniki, które przez pewien czas mogą generować zanieczyszczenia. Źródłem zanieczyszczeń może być woda słodka używana do ługowania kawerny. Często stosowana jest woda rzeczna (lub ściekowa), która jest tylko filtrowana w celu usunięcia cząstek stałych. Mechanizmy zanieczyszczenia gazowego kawern solnych są także wywoływane obecnością wprowadzonych tam bakterii. Żyją one w komorze solnej na dnie i w obecności siarczanów i węglanów pobierają wodór, wytwarzając H2S i/lub metan. W kolejnej części artykułu wyszczególniono wymagania czystości i zawilgocenia wodoru przerabianego na energię elektryczną: bardzo rygorystyczne wymagania w przypadku ogniw paliwowych i dużo łagodniejsze w przypadku turbin. Następnie przedstawiono oryginalne badania i obliczenia symulacyjne procesu osuszania wodoru z zastosowaniem instalacji glikolowej z wykorzystaniem programu ChemCAD. Uzyskano osuszenie wodoru z zawartością wody na poziomie 0,00048% mol. W końcowej części artykułu dokonano syntetycznego przeglądu technologii oczyszczania wodoru. Wyszczególniono kilka grup metod oczyszczania wodoru. Pierwsza technologia jest oparta na adsorpcji zmiennociśnieniowej gazów PSA. Technologia separacji kriogenicznej nie w pełni pozwala na bezpośrednie wykorzystanie produktu wodorowego do ogniw paliwowych. Trzecią grupą technologii oczyszczania wodoru jest zastosowanie różnych typów membran, z których tylko część pozwala na uzyskanie bardzo wysokiej jakości wodoru. Na otrzymanie najwyższego stopnia czystości wodoru (6N) pozwala technologia elektrochemicznego oczyszczania. System ten oparty jest na membranie do wymiany protonów (PEM-EHP).

EN

The article presents a condensed literature review on underground gas storage (UGS) in salt caverns. An analysis of the possibility of formation of pollution during hydrogen storage in salt caverns is presented. Some of the contaminants may appear in the initial phase of cavern completion and filling, and some due to the ongoing chemical and microbiological processes during the use of the cavern and its equipment operation. Earlier research carried out by the Oil and Gas Institute – National Research Institute in the caverns storing natural gas showed the presence of dust and acid components. This means that similar hazards can be expected when storing hydrogen in salt caverns. During the drilling operation and then in the salt chamber leaching process, components may remain in it, which may generate contamination for some time. The source of contamination may be the freshwater used to leach the cavern. Often, this is river (or sewage) water that is only filtered from solid particles. The mechanisms of gas pollution of salt caverns are also caused by the presence of bacteria introduced there. They live in a salt cavern at the bottom and in the presence of sulphates and carbonates they take up hydrogen, producing H2S and/or methane. The next part of the article lists the requirements for the purity and moisture of hydrogen converted into electricity: very stringent requirements for fuel cells and much milder requirements for turbines. Then, original tests and simulation calculations of the hydrogen drying process were carried out with the use of a glycol installation with the use of the ChemCAD program. Hydrogen was dried with a water content of 0.00048 mol%. At the end of the article, a synthetic review of the hydrogen purification technology is made. Several groups of hydrogen purification methods have been specified. The PSA technology is based on gas adsorption. The cryogenic separation technology does not fully allow the direct use of the hydrogen product in fuel cells. The third group of hydrogen purification technologies is the use of various types of membranes, only some of which allow for obtaining very high-quality hydrogen. The electrochemical purification technology allows to obtain the highest degree of hydrogen purity (6N). The system is based on a proton exchange membrane (PEM-EHP).

Słowa kluczowe

PL

magazynowanie wodoru w kawernach; zanieczyszczenia; wodór; oczyszczanie wodoru

EN

hydrogen storage in caverns; hydrogen; impurities; hydrogen purification

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 78, nr 4
• Strony: 288--298
• Opis fizyczny: Bibliogr. 39 poz., rys.

Twórcy

autor

Janocha Andrzej

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Al-Mufachi N.A., Rees N.V., Steinberger-Wilkens R., 2015. Hydrogen selective membranes: A review of palladium-based dense metal membranes. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 47:540–551. DOI: 10.1016/j.rser.2015.03.026.
• Bagnato G., Sanna A., 2018. Membrane Considerations and Plant Design for Pre-Combustion CO2 Capture. [W:] Basile A., Favvas E.P. (eds.). Current Trends and Future Developments on (Bio-) Membranes. Elsevier. <https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/dense-metallic-membrane> (dostęp: 10.11.2021).
• Bellini E., 2020. Hydrogen storage in salt caverns. <https://www. pv-magazine.com/2020/06/16/hydrogen-storage-in-salt-caverns/> (dostęp: 02.11.2021).
• Braxenholm D., 2016. By-Product Hydrogen to Fuel Cell Vehicles. Goteborg. <http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/237961/237961.pdf> (dostęp: 02.10.2021).
• Budak P., Szpunar T., 2020. Zmiany parametrów mieszaniny gazu ziemnego z wodorem w trakcie eksploatacji komory magazynowej w kawernie solnej. Nafta-Gaz, 76(11): 799–806. DOI: 10.18668/ NG.2020.11.05.
• Bünger U., Michalski J., Crotogino F., Kruck O., 2016. Large-scale underground storage of hydrogen for the grid integration of renewable energy and other applications. [W:] Ball M., Basile A.,
• Veziroğlu T.N. (eds.). Compendium of Hydrogen Energy, vol. 4. Hydrogen Use, Safety and the Hydrogen Economy: 133–163. DOI: 10.1016/B978-1-78242-364-5.00007-5.
• Caglayan D.G., Weber N., Heinrichs H.U., Linßen J., Robinius M., Kukla P.A., Stolten D., 2020. Technical potential of salt caverns for hydrogen storage in Europe. International Journal of Hydrogen Energy, 45(11): 6793–6805. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.12.161.
• Cyran K., 2020. Insight into a shape of salt storage caverns. Archives of Mining Sciences, 65(2): 363–398. DOI: 10.24425/ams.2020.133198.
• Dopffel N., Jansen S., Gerritse J., 2021. Microbial side effects of underground hydrogen storage – Knowledge gaps, risks and opportunities for successful implementation. International Journal of Hydrogen Energy, 46: 8594–8606. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.12.058.
• Douglas Ch., 2022. NOx Emissions from Hydrogen-Methane Fuel Blends. Strategic Energy Institute, Georgia Institute of Technology. <https://smartech.gatech.edu/bitstream/handle/1853/65963/gt_epri_nox_emission_h2_short_paper.pdf?sequence=1> (dostęp:25.01.2022).
• Edlund D., 2010. Hydrogen membrane technologies and application in fuel processing, Hydrogen and syngas production and purification technologies. John Wiley & Sons, Inc.: 357–384.
• Filar B., Miziołek M., Kwilosz T., 2021. Od teorii do praktyki. Rynek Polskiej Nafty i Gazu, 16: 90–95.
• Goldmeer J., Catillaz J., Donohue J., 2022. Hydrogen as a fuel for gas turbines. <https://www.ge.com/gas-power/future-of-energy> (dostęp: 2.11.2021).
• Grande C., 2016. PSA Technology for H2 Separation. [W:] Stolten D.,
• Emonts B. (eds.). Hydrogen Science and Engineering: Materials, Processes, Systems and Technology. Wiley VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. <https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9783527674268.ch21> (dostęp: 02.10.2020).
• Kohl A.L., Nielsen R.B., 1997. Gas Purifications. Fifth Edition. Gulf Publishing Company.
• Kukulska-Zając E., Holewa-Rataj J., 2021, Co należy wiedzieć o wodorze jako paliwie transportowym. Rynek Polskiej Nafty i Gazu, 16: 80–83.
• Kunstman A., Poborska-Młynarska K., Urbańczyk K., 2009. Geologiczne i górnicze aspekty budowy magazynowych kawern solnych. Przegląd Geologiczny, 57(9): 819–828.
• Kuypers M., 2020. EWE and DLR start a pilot project for underground hydrogen storage near Berlin. <https://innovationorigins.com/en/ewe-and-dlr-start-a-pilot-project-for-underground-hydrogenstorage-near-berlin/> (dostęp: 02.10.2020).
• Liemberger W., Groß M., Miltner M., Harasek M., 2017. Experimental analysis of membrane and pressure swing adsorption (PSA) for the hydrogen separation from natural gas. Journal of Cleaner Production, 167: 896–907. DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.08.012.
• Liu K., Song C., Subramani V. (eds.), 2010. Hydrogen and syngas production and purification technologies. John Wiley & Sons, Inc.: 414–450.
• Majkrzak M., 2020. Wykorzystanie komercyjnego symulatora złożowego jako narzędzia wspomagającego w symulacji i analizie parametrów pracy podziemnego magazynu gazu w kawernie solnej. Nafta-Gaz, 76(9): 592–600. DOI: 10.18668/NG.2020.09.05.
• Malek A., Farooq S., 2004. Hydrogen purification from refinery fuel gas by pressure swing adsorption. AIChE Journal. DOI: 10.1002/aic.690440906.
• Małek A., Wendeker M., 2010. Ogniwa paliwowe typu PEM – teoria i praktyka. Politechnika Lubelska, Lublin. <http://bc.pollub.pl/Content/576/PDF/ogniwa.pdf> (dostęp: 02.10.2021).
• Panfilov M., 2016. Underground and pipeline hydrogen storage. [W:]Gupta R.B., Basile A., Veziroğlu T.N. (eds.). Compendium of Hydrogen Energy, vol. 2. Hydrogen Storage, Distribution and Infrastructure: 91–115. DOI: 10.1016/B978-1-78242-362-1.00004-3.
• Peramanu S., Cox B.G., Pruden B.B., 1999. Economics of hydrogen recovery processes for the purification of hydroprocessor purge and of gases. International Journal of Hydrogen Energy, 24: 405–424.
• Raport, 2020. Zespół ds. Rozwoju Przemysłu OZE i Korzyści dla Polskiej Gospodarki. Raport Zespołu nr 4, Gospodarka Wodorowa.
• Schorer L., Schmitz S., Weber A., 2019. Membrane based purification of hydrogen system (MEMPHYS). International Journal of Hydrogen Energy, 44(25): 12708–12714. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.01.108.
• Sircar S., Golden T.C., 2000. Pressure swing adsorption technology for hydrogen production. Separation Science and Technology, 35(5): 667–687. DOI: 10.1081/SS-100100183.
• Staniszewska A., Kunicka-Styczyńska A., Ziemiński K., 2017. Zanieczyszczenia mikrobiologiczne podziemnych magazynów gazu i gazociągów. Post. Mikrobiol., 56(4): 381–388.
• Such P., 2020. Magazynowanie wodoru w obiektach geologicznych. Nafta-Gaz, 76(11): 794–798. DOI: 10.18668/NG.2020.11.04.
• Tarkowski R., 2017. Wybrane aspekty podziemnego magazynowania wodoru. Przegląd Geologiczny, 65(5): 282–291.
• Tarkowski R., Czapowski G., 2018. Salt domes in Poland – Potential sites for hydrogen storage in caverns. Int. J. Hydrogen Energy, 43(46): 21414–21427.
• Therkelsen P., Werts T., McDonell V., Samuelson S., 2009. Analysis of NOx Formation in a Hydrogen-Fueled Gas Turbine Engine. J. Eng. Gas Turbines Power, 131(3): 031507. DOI: 10.1115/1.3028232.
• Turkiewicz A., Brzeszcz J., Kapusta P., 2013a. The application of biocides in the oil and gas industry. Nafta-Gaz, 69(2): 103–111.
• Turkiewicz A., Kania M., Janiga M., 2013b. Badanie mikrobiologiczne i analizy chemiczne zawartości związków siarki w mediach złożowych pochodzących z warstw solnych obiektu magazynowania gazu ziemnego. Nafta-Gaz, 69(8): 588–598.
• Turkiewicz A., Steliga T., Kluk D., Gminski Z., 2021. Biomonitoring Studies and Preventing the Formation of Biogenic H2S in the Wierzchowice Underground Gas Storage Facility. Energies, 14(17): 5463. DOI: 10.3390/en14175463.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady UE 2015/2193 z dnia 25 listopada 2015 r. w sprawie ograniczenia emisji niektórych zanieczyszczeń do powietrza ze średnich obiektów energetycznego spalania. Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 313.
• Norma ISO 14687:2019 Hydrogen fuel quality – Product specification.
• Norma ISO 14687-2:2012 Hydrogen fuel – Product specification – Part 2: Proton exchange membrane (PEM) fuel cell applications for road vehicles.

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).