Wind and solar energy technologies of hydrogen production – a review of issues

• Autorzy: Chmielniak Tadeusz

Identyfikatory

DOI

10.33223/epj/114755

Warianty tytułu

PL

Technologie wytwarzania wodoru z wykorzystaniem energii wiatru i słońca. Przegląd zagadnień

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Hydrogen-based power engineering has great potential for upgrading present and future structures of heat and electricity generation and for decarbonizing industrial technologies. The production of hydrogen and its optimal utilization in the economy and transport for the achievement of ecological and economic goals requires a wide discussion of many technological and operational – related issues as well as intensive scientific research. The introductory section of the paper indicates the main functions of hydrogen in the decarbonization of power energy generation and industrial processes, and discusses selected assumptions and conditions for the implementation of development scenarios outlined by the Hydrogen Council, 2017 and IEA, 2019. The first scenario assumes an 18% share of hydrogen in final energy consumption in 2050 and the elimination 6 Gt of carbon dioxide emissions per year. The second document was prepared in connection with the G20 summit in Japan. It presents the current state of hydrogen technology development and outlines the scenario of their development and significance, in particular until 2030. The second part of the paper presents a description of main hybrid Power-to-Power, Power-to-Gas and Power-to-Liquid technological structures with the electrolytic production of hydrogen from renewable sources. General technological diagrams of the use of water and carbon dioxide coelectrolysis in the production of fuels using F-T synthesis and the methanol production scheme are presented. Methods of integration of renewable energy with electrolytic hydrogen production technologies are indicated, and reliability indicators used in the selection of the principal modules of hybrid systems are discussed. A more detailed description is presented of the optimal method of obtaining a direct coupling of photovoltaic (PV) panels with electrolyzers.

PL

Technologie energetyki wodorowej mają duży potencjał dla unowocześnienia obecnych i przyszłych struktur wytwarzania energii elektrycznej, ciepła i dla dekarbonizacji technologii przemysłowych. Wytwarzanie wodoru i jego optymalne wykorzystanie w gospodarce i transporcie dla osiągnięcia celów ekologicznych i ekonomicznych wymaga dyskusji wielu zagadnień technologicznych i eksploatacyjnych oraz intensywnych badań naukowych. W części wstępnej artykułu wskazano na główne funkcje wodoru w osiągnięciu dekarbonizacji energetyki i procesów przemysłowych oraz omówiono wybrane założenia i warunki realizacji scenariuszy rozwojowych Hydrogen Council, 2017 i IEA, 2019. Pierwszy scenariusz zakłada 18% udział wodoru w finalnym zużyciu energii w 2050 i eliminację 6 Gt emisji ditlenku wegla rocznie. Drugi dokument został przygotowany w związku ze szczytem G20 w Japonii. Przedstawia on współczesny stan rozwoju technologii wodorowych oraz nakreśla scenariusz ich rozwoju i znaczenia, w szczególności w perspektywie do 2030 r. W drugiej części artykułu przedstawiono charakterystykę głównych hybrydowych struktur technologicznych Power-to-Power, Power-to-Gas i Power-to-Liquid z elektrolitycznym wytwarzaniem wodoru ze źródeł odnawialnych . Przedstawiono schematy technologiczne wykorzystania koelektrolizy wody i ditlenku węgla w produkcji paliw z wykorzystaniem syntezy F-T i schemat produkcji metanolu. Wskazano na sposoby integracji odnawialnej energii napędowej z elektrolitycznymi technologiami wytwarzania wodoru i omówiono wskaźniki niezawodności wykorzystywane w doborze głównych modułów układów hybrydowych. Szczegółowiej przedstawiono optymalny sposób uzyskania bezpośredniego połączenia paneli ogniw fotowoltaicznych i elektrolizerów.

Słowa kluczowe

EN

hydrogen-based power engineering; development scenarios; wind and solar energy; generation of hydrogen and fuel; hybrid power system

PL

energetyka wodorowa; scenariusz rozwoju; wytwarzanie wodoru i paliwa; energetyczny układ hybrydowy; energetyka wiatrowa; energetyka słoneczna

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN
• Czasopismo: Polityka Energetyczna
• Rocznik: 2019
• Tom: T. 22, z. 4
• Strony: 5--19
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys.

Twórcy

autor

Chmielniak Tadeusz

• Institute of Power Technology and Turbomachinery, Silesian University of Technology, Poland

Bibliografia

• Abbes et al. 2014 – Abbes, D., Martines, A. and Champenois, G. 2014. Life cycle cost, embodied energy loss of power supply probability for the optimal design of hybrid power systems. Mathematics and Computers in Simulation 98, pp. 46–62.
• Bagen, A. and Billinton, R. 2005. Evaluation of Different Operating Strategies in Small Standalone Power Systems. IEEE Transactions on Energy conversion Vol. 20, No. 3, September.
• Breyer et al. 2011 – Breyer, C.H., Rieke, S., Sterner, M. and Schmid, J. 2011. Hybrid PV-wind-renewable methane power plants. [In:] European Photovoltaic Solar Energy Conference, Hamburg, Germany. [Online] <http://www.q-cells.com/uploads/tx_abdownloads/files/6CV.1.31_Breyer2011_HybPV-Wind-RPM-Plants_paper_PVSEC_preprint.pdf>; 2011 [Accessed: 2012-08-27].
• Chaczykowski, M. and Osiadacz, A.J. 2016. Power-to-Gas technology in terms of co-operation with the gas power system (Technologia Power-to-Gas w aspekcie współpracy z systemem gazowniczym). 6th Science and Technology Conference „Gas Power Engineering 2016”.
• Clarke et al. 2009 – Clarke, R., Giddey, E.S., Ciacchi, F.T., Badwal, S.P.C., Paul, B. and Andrews, J. 2009. Direct coupling of an electrolyzer to a solar PV system for generating hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy 34, pp. 2531–2542.
• Fujii et al. 2013 – Fujii, K., Nakamura, S. and Sugiyama, M. 2013. Characteristic of hydrogen generation from water splitting by polymer electrolyte electrochemical cell directly connected with concentrated photovoltaic cell. International Journal of Hydrogen Energy 38, pp. 14424–14432.
• Gahleitner, G. 2013. Hydrogen from renewable electricity: An international review of power-to-gas pilot plants for stationary applications. International Journal of Hydrogen Energy 38, pp. 2039–61.
• Garcia-Valverde et al. 2011 – Garcia-Valverde, R., Espinosa, N. and Urbina, A. 2011. Optimized method for photovoltaic-water electrolyzer direct coupling. International Journal of Hydrogen Energy 36, pp. 10574–10586.
• Garcia, R.S. and Weisser, D. 2006. A wind-diesel system with hydrogen storage: Joint optimisation of design and dispatch. Renewable Energy 31, pp. 2296–2320.
• Graves et al. 2011 – Graves, Ch., Ebbesen, S.D., Mogensen, M. and Lackner, K.S. 2011. Sustainable hydrogen fuels by recycling CO2 and H2O with renewable or nuclear energy. Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, pp. 1–23.
• Hydrogen scaling up. A sustainable pathway for the global energy transition. Hydrogen Council, November 2017.
• Identification of Appropriate Generation and System Adequacy Standards for the Internal Electricity Market 2016 (Final Report EUR 2015.1392EN, AF Mercados, E-Bridge, REF-E, 20 March 2016).
• Jiang et al. 2019 – Jiang, Y.Z., Deng, Z. and You, S. 2019. Size optimization and economic analysis of a coupled wind-hydrogen system with curtailment decisions. International Journal of Hydrogen Energy 44, pp. 19658–19666.
• Kaabeche et al. 2011 – Kaabeche, A., Belhamel, M. and Ibtiouen, R. 2011. Techno-economic valuation and optimization of integrated photovoltaic/wind energy conversion system. Solar Energy 85, pp. 2407–2420.
• Kaviani et al. 2009 – Kaviani, K.A., Riahy, G.H. and Kouhsari, Sh.M. 2009. Optimal design of reliable hydrogen-based standalone wind/PV generating system, considering component outages. Renewable Energy 34, pp. 2380–2390.
• Palej et al. 2019 – Palej, P., Qusay, H., Kleszcz, S., Hanus R. and Jaszczur, M. 2019. Analysis and optimization of hybrid renewable energy systems. Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal Vol. 22, Iss. 2, pp. 107–120.
• Paul, B. and Andrews, J. 2008. Optimal coupling of PV arrays to PM electrolyzers in solar-hydrogen systems for remote area power supply. International Journal of Hydrogen Energy 33, pp. 490–498.
• Peng Hou, et al. 2017. Optimizing investments in coupled offshore wind-electrolytic hydrogen storage systems in Denmark. Journal of Power Sources 359, pp. 186–197.
• Qadrdan et al. 2008 – Qadrdan, M., Saboohi,Y. and Shayegan, J. 2008. A model for investigation of optimal hydrogen pathway, and evaluation of environmental impacts of hydrogen supply system. International Journal of Hydrogen Energy 33, pp. 7314–7325.
• Schmidt, P.R. and Weindorf, W. 2016. Kraftstoffe der Zukunft in der Luftfahrt – Strom tanken mit Power-to-liquids. Bodensee Aerospace Meeting, Uberlingen, 01.03.2016.
• The Future of Hydrogen, IEA, June 2019.
• Yilanci et al. 2009 – Yilanci, A., Dincer, I. and Ozturk, H.K. 2009. A review on solar-hydrogen/fuel cell hybrid energy systems for stationary applications. Progress I Energy and Combustion Science 35, pp. 231–241.
• Zhou et al. 2008 – Zhou, K. Ferreira, J.A. and de Haan, S.W.H. 2008. Optimal energy management strategy and system sizing method for standalone photovoltaic-hydrogen systems. International Journal of Hydrogen Energy 33, pp. 477–489.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).