Badania możliwości zmian składu mieszanek metanowo-wodorowych na membranach

• Autorzy: Janocha Andrzej , Jakubowicz Piotr

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2023.12.04

Warianty tytułu

EN

Research on the possibility of changing the composition of methane-hydrogen blends on membranes

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W związku z poszukiwaniem źródeł energii alternatywnych do gazu ziemnego można przyjąć, że w najbliższych latach pojawią się odcinki gazociągów, którymi transportowana będzie mieszanka gazu ziemnego z wodorem (HCNG). Gaz ten lokalnie może być częściowo stosowany jako paliwo do silników spalinowych, np. w pojazdach samochodowych. Wykorzystanie paliw alternatywnych, w tym także wodoru i jego mieszanin z gazem ziemnym, jest widocznym trendem szczególnie w zasilaniu pojazdów komunikacji miejskiej. W artykule opisano paliwo CNG (sprężony gaz ziemny) stosowane już w pojazdach spalinowych w Polsce oraz dokonano analizy opisu nowego paliwa gazowego HCNG (sprężone mieszanki wodoru i gazu ziemnego). Paliwo HCNG całkowicie eliminuje z produktów spalania sadze i cząstki stałe oraz obniża emisję CO2, CO i NOx. W artykule podjęto badania zmian zawartości wodoru w mieszankach z metanem z wykorzystaniem technologii membranowej. Omówiono właściwości membran do separacji gazów i opracowano projekt instalacji. Utworzono stanowisko badawcze membranowego rozdziału mieszanki wodoru z gazem ziemnym, na którym przeprowadzono badania zależności przepływu mieszaniny 15% wodoru w metanie przez moduł z kapilarnymi membranami poliimidowymi. Gaz wpływał do modułu do przestrzeni międzykapilarnej w układzie przeciwprądowym. Przeprowadzono serie testów separacji wodoru i metanu w funkcji ciśnień i wydajności uzyskiwanych produktów. Dla ciśnienia wlotowego 60 bar i ciśnienia permeatu na poziomie 1 bar i 4 bar określano składy permeatu i retentatu. Uzyskano bardzo wyraźny rozdział składników gazowych (H2 i CH4) w poszczególnych produktach. Zawartość wodoru z 15% w gazie wlotowym – wzrasta kilkukrotnie w strumieniu permeatu i obniża się w wysokociśnieniowym strumieniu retentatu. Wyniki niniejszej pracy mogą służyć do opracowania wytycznych do projektu uniwersalnego punktu (stacji) tankowania HCNG (lub innych zastosowań) o dowolnie wymaganej zawartości H2 w metanie w zakresie od 2% do 70% wodoru.

EN

It can be assumed that in the coming years there will be sections of gas pipelines where blends of natural gas and hydrogen (HCNG) will be transported. This gas can be partially used locally as a fuel for internal combustion engines, e.g. motor vehicles. The use of alternative drives, including those powered by hydrogen and its blends with natural gas, is a visible trend, especially in public transport vehicles. The already used CNG fuel (compressed natural gas) in vehicles in Poland was described and the description of the new HCNG gas fuel (compressed hydrogen and natural gas mixtures – hytane) was analyzed. The fuel (HCNG) completely eliminates soot and particulate matter from combustion products and lowers CO2, CO and NOx emissions. In this article, studies of changes in the content with the use of membrane technology were made. Gas separation membranes are discussed and a plant design has been developed. A test stand for the membrane separation of a mixture of hydrogen and natural gas was established. The research was carried out on the dependence of the flow of a mixture of 15% hydrogen in methane through a module with capillary polyimide membranes. The gas flowed into the module into the intercapillary space in a countercurrent system. A series of tests on the separation of hydrogen and methane as a function of pressure and efficiency of the obtained products was carried out. The permeate and retentate compositions were determined for an inlet pressure of 60 bar and a permeate pressure of 4 bar and 1 bar. A very clear separation of gaseous components (H2 and CH4) in individual products was obtained. The hydrogen content of 15% in the feed gas increases several fold in the permeate stream and decreases in the high pressure retentate stream. The results of this work can be used to develop guidelines for the design of a universal HCNG refuelling point (station) (or other applications) with any required H2 content in methane in the range from 2 to 70% hydrogen.

Słowa kluczowe

PL

moduły membranowe; poliimidy; CNG; HCNG; wodór; metan; gaz ziemny

EN

membrane modules; polyimides; CNG; HCNG; hydrogen; methane; natural gas

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 79, nr 12
• Strony: 786--795
• Opis fizyczny: Bibliogr. 45 poz., rys.

Twórcy

autor

Janocha Andrzej

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Jakubowicz Piotr

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Baker R.W., 2002. Future directions of membrane gas separation technology. Industrial & Engineering Chemistry Research, 41(6):1393–1411. DOI: 10.1021/ie0108088.
• Baratta M., d’Ambrosio S., Misul D., Spessa E., 2014. Effects of H-2 Addition to Compressed Natural Gas Blends on Cycle-to-Cycle and Cylinder-to-Cylinder. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 136(5): 051502. DOI: 10.1115/1.4026163.
• Bard J., Gerhardt N., Selzam P., Beil M., Wiemer M., Buddensiek M., 2022. The limitations of hydrogen blending in the European gas grid. Fraunhofer Institute for Energy Economics and Energy System Technology, Berlin. <https://www.iee.fraunhofer.de/content/dam/iee/energiesystemtechnik/en /documents/Studies-Reports/FINAL_FraunhoferIEE_ShortStudy_H2_Blending_ EU_ECF Jan22.pdf> (dostęp: 2.06.2022).
• Białecka B., Nowak D.N., 2006. Separacja membranowa gazów procesowych. Prace Naukowe GIG, Górnictwo i Środowisko, 2: 73–80.
• Brinkmann T., 2020. Membrane technology for the separation of H2 from natural gas. Helmholtz-Zentrum Geesthacht Institute of Polymer Research, EERA Joint Programme FCH Virtual. <https://polymerforschung.de> (dostęp: 2.09.2022).
• Burdzik R., Folęga P., Konieczny Ł., Jaworski R., 2017. E-mobilnoś – wyzwanie teraźniejszości. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, 118: 17–28.
• Chłopek Z., 2012. Badanie zużycia energii przez samochód elektryczny. Wydawnictwo Naukowe PIMOT, 105–117.
• Del Toro A., Frailey M., Lynch F., Munshi S., Wayne S., 2005. Development and demonstration of hydrogen and compressed natural gas (H/CNG) blend transit buses. National Renewable
• Energy Laboratory Technical Report NREL/TP-540-38707 for Contract No. DEAC36-99-O10337.
• Economic Times, 2020. <https://economictimes.indiatimes.com/industry/transportation/shipping-/-transport/what-is-hydrogenenriched-compressed-natural-gas-and-why-are-delhi-buses-usingit/hcng-plant-inaugurated/slideshow/78804907.cms> (dostęp:10.11.2022).
• Eichlseder H., Schaffer K., Leitner D., Klell M., Sartory M., 2009. Potential of Synergies in a Vehicle for Variable Mixtures of CNG and Hydrogen. SAE Technical Paper, 2009-01-1420. DOI:10.4271/2009-01-1420.
• Essen M. van, Gersen S., Dijk G. van, Emde M., 2021. Literature review on CNG/H2 Mixtures for heavy-duty CNG vehicles. Report no. 10/21. Concawe Special Task Force on Natural Gas (FE/STF-31), Brussels, Belgium. <https://www.concawe.eu/wpcontent/uploads/Rpt_21_10.pdf> (dostęp: 10.11.2022).
• Farese D., Keller J.O, Somerday B.P., 2010. Hydrogen effects on materials for CNG/H2 blends. International Hydrogen Fuel and Pressure Vessel Forum 2010, September 27–29, Beijing, China.
• Fraile D., 2015. Green Hydrogen Market outlook. DOI: 10.13140/ RG.2.1.1607.4720.
• Gao C., Liao J., Lu J., Ma J., Kianfar E., 2021. The effect of nanoparticles on gas permeability with polyimide membranes and network hybrid membranes: a review. Reviews in Inorganic Chemistry,41(1): 1–20. DOI: 10.1515/revic-2020-0007.
• Garbala K., Piekarski W., Andrzejewska S., Witaszek K., 2016. Analysis of operating parameters and indicators of a compression ignition engine fuelled with LPG. Zeszyty Naukowe. Transport / Politechnika Śląska, 13: 13–22.
• Garbala K., Szczucka-Lasota B., Węgrzyn T., 2018. Badania nieniszczące reduktorów CNG instalacji samochodowych. Zeszyty Naukowe. Organizacja i Zarządzanie / Politechnika Śląska, 131:131–140. DOI: 10.29119/1641-3466.2018.131.10.
• Gifford J.D., 2011. Survey and sustainability of energy technologies. Graduate Theses and Dissertations. Iowa State University.
• Gis W., Menes E., Waśkiewicz J., 2011. Paliwa gazowe w miejskiej komunikacji autobusowej w Polsce. Transport Samochodowy, 2: 71–95.
• HyGrid, 2021. Flexible Hybrid separation system for H2 recovery from NG Grids. Program Horyzont HyGrid, Identyfikator umowy o grant: 700355. <https://cordis.europa.eu/project/id/700355/pl>(dostęp: 2.09.2022).
• Karner D., Francfort J.E., 2003. Advanced Vehicle Testing Activity: High-Percentage Hydrogen/CNG Blend Ford F-150 Operating Summary. U.S. Department of Energy Assistant Secretary for Energy Efficiency and Renewable Energy Under DOE Idaho Operations Office. DOI: 10.2172/809113.
• Klell M., Eichlseder H., Sartory M., 2010. Variable Mixtures of Hydrogen and Methane in the Internal Combustion Engine of a Prototype Vehicle – Regulations, Safety and Potential. International Journal of Vehicle Design, 54(2): 137–155. DOI:10.1504/IJVD.2010.035356.
• Klell M., Eichlseder H., Sartory M., 2012. Mixtures of Hydrogen and Methane in the Internal Combustion Engine – Synergies, Potential and Regulations. International Journal of Hydrogen Energy,37(15): 11531–11540. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.03.067.
• Kouchachyili L., Entchey E., 2018. Power to gas and H2/NG blend in SMART energy networks concept. <https://www.fchea.org/in-transition/2021/3/8/hydrogen-blending> (dostęp: 8.03.2022).
• Kumar N., Arora B.B., Maji S., 2022. Influence of Alternative Fuels on Exhaust Emissions of IC Engine. Renewable Energy Optimization, Planning and Control, Springer, 11–29. DOI:10.1007/978-981-16-4663-8_2.
• Lim G., Lee S., Park Ch., Choi Y.D., Kim Ch., 2013. Effects of compression ratio on performance and emission characteristics of heavy-duty SI engine fuelled with HCNG. International Journal of Hydrogen Energy, 38(11): 4831–4838. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.01.188.
• Ma F., Li S., Zhao J., Qi Z., Deng J., Naeve N., He Y., Zhao S., 2012. Effect of compression ratio and spark timing on the power performance and combustion characteristics of an HCNG engine. International Journal of Hydrogen Energy, 37(23): 18486–18491. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.08.134.
• Nanthagopal K., Rayapati S., Elango T., Ponnusamy B., Annamalai K., Krishnamoorthy A., 2011. Hydrogen Enriched Compressed Natural Gas (HCNG): A Futuristic Fuel For Internal Combustion Engines. Termal Science, 15(4): 1145–1154. DOI: 10.2298/TSCI100730044N.
• Navarro E., Leo T.J., Corral R., 2013. CO2 emissions from a spark ignition engine operating on natural gas-hydrogen blends (HCNG). Applied Energy, 101: 112–120. DOI: 10.1016/j.apenergy.2012.02.046.
• Pal N.K., 2009. Successful Adoption of CNG and Emerging CNG-H2 Program in India. Proceedings to US DOT and DOE Workshop Compressed Natural Gas and Hydrogen Fuels: Lesson Learned for the Safe Development of Vehicles, Washington DC, 10–11 December.
• Pandey V., Badruddin I.A., Yunus Khan T.M., 2002. Effect of H2 blends with compressed natural gas on emissions of SI engine having modified ignition timings. Fuel, 321(23): 123930. DOI:10.1016/j.fuel.2022.123930.
• Perujo A., Dardiotis Ch., Manfredi U., 2013. Evaluation of a Euro 4 vehicle with various blends of CNG/H2 fuel. Reference Report by the Joint Research Centre of the European Commission, Luxembourg. DOI: 10.2790/15791.
• Piskowska-Wasiak J., 2017. Doświadczenia i perspektywy procesu Power to Gas. Nafta-Gaz, 73(8): 597–604. DOI: 10.18668/NG.2017.08.07.
• Ruze M., Wang J., Zhang W., An Z., Wenjun L., Meng Z., Huang Z., 2021. Effect of high hydrogen enrichment on the outer-shearlayer flame of confined lean premixed CH4/H2/air swirl flames. International Journal of Hydrogen Energy, 46(34): 17969–17981. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.02.181.
• Saaidia R., Oyouni R., Almuslam H., 2020. Effect of optimized intake manifold geometry on behaviors and emission level of H2CNG fueled engine. 8th European Conference on Renewable Energy Systems Istanbul/Turkey, 9–11 June.
• Scholes C.A, Stevens G.W., Kentish S.E., 2012. Membrane gas separation applications in natural gas processing. Fuel, 96: 15–28. DOI: 10.1016/j.fuel.2011.12.074.
• Tangöz S., Kahraman N., Akansu S.O., 2017. The effect of hydrogen on the performance and emissions of an SI engine having a high compression ratio fuelled by compressed natural gas. International Journal of Hydrogen Energy, 42(40): 25766–25780. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.04.076.
• Villante C., Pede G., Genovese A., Ortenzi F., 2013. HydrogenCNG Blends as Fuel in a Turbo-charged SI Ice: ECU Calibration and Emission Tests. SAE Technical Paper, 2013-24-0109. DOI:10.4271/2013-24-0109.
• Wojtowicz R., 2019. An analysis of the effects of hydrogen addition to natural gas on the work of gas appliances. Nafta-Gaz, 99(8):465–472. DOI: 10.18668/NG.2019.08.03.
• Xu J., Zhang X., Liu J., Fan L., 2010. Experimental study of a singlecylinder engine fueled with natural gas–hydrogen mixtures. International Journal of Hydrogen Energy, 35(7): 2909–2914. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2009.05.039.
• Yadav K., Sircar A., 2017. Hydrogen compressed natural gas and liquefied compressed natural gas: fuels for future. <https://www.pdpu.ac.in/downloads/3%20Hydrogen-Compressed-Natural-Gas. pdf> (dostęp: 31.05.2022).
• Yong W.F., Lau H.S., Zhang H., 2021. Composite hollow fibers for gas separation. Hollow Fiber Membranes, 385–405. DOI: 10.1016/B978-0-12-821876-1.00001-9.
• Zareei J., Rohani A., Nuñez A.J.R., 2022. The effect of EGR and hydrogen addition to natural gas on performance and exhaust emissions. International Journal of Hydrogen Energy, 47(50):21565–21581. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.04.294.
• Zhunqing H., Nannan S., Yi J., Xin Z., 2022. Experimental research on a blended hydrogen-fuel engine. International Journal of Hydrogen Energy, 48(19): 7115–7121. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.05.053.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• PSW, 2021. Uchwała nr 149 Rady Ministrów z dnia 2 listopada 2021 r. w sprawie przyjęcia „Polskiej strategii wodorowej do roku 2030 z perspektywą do 2040 r.”. Monitor Polski z 2021 r., 7 grudnia, poz. 1138.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).