Wodór jako element transformacji energetycznej

• Autorzy: Król Anna , Kukulska-Zając Ewa , Holewa-Rataj Jadwiga , Gajec Monika

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2022.07.04

Warianty tytułu

EN

Hydrogen as part of the energy transformation

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W publikacji zaprezentowano dostępne i perspektywiczne procesy pozyskiwania i oczyszczania wodoru w odniesieniu do planowanych strategicznych zmian rynku wodoru. W związku z koniecznością wprowadzania zmian związanych z ograniczaniem użytkowania paliw kopalnych na rzecz zastąpienia ich mniej emisyjnymi źródłami energii, głównie odnawialnymi (OZE), nieodzowne będą zmiany zarówno w skali, jak i sposobie wykorzystania wodoru. Dokumenty strategiczne tworzone w tym obszarze pokazują, że w perspektywie lat 2025–2030 nastąpi zwiększenie wykorzystania wodoru jako paliwa transportowego (m.in. w transporcie samochodowym, ciężkim kołowym i kolejowym). Rozważane są również zmiany polegające na wykorzystaniu wodoru pochodzącego ze źródeł odnawialnych w obszarze budownictwa i energetyki, a także wytwarzania ciepła technologicznego. Perspektywy zwiększenia zapotrzebowania na wodór pochodzący z OZE powodują konieczność rozwoju nowych lub niszowych obecnie metod jego wytwarzania oraz separacji i oczyszczania. W artykule przeprowadzono analizę dostępnych metod wytwarzania i oczyszczania wodoru, która wykazała, że wodór w skali przemysłowej produkowany jest najczęściej z paliw kopalnych w procesach reformingu parowego i autotermicznego oraz częściowego utlenienia. Natomiast wodór z odnawialnych źródeł energii otrzymywany jest w procesie elektrolizy oraz w procesach biologicznych i termicznych. Wydajność pozyskiwania wodoru w znanych obecnie procesach jest zróżnicowana (0,06–80%). Także skład pozyskiwanej mieszaniny gazowej jest różny i w związku z tym zachodzi konieczność dobrania metod separacji i oczyszczania wodoru nie tylko w zależności od wymagań podczas jego dalszego zastosowania, ale również w zależności od składu mieszaniny poreakcyjnej zawierającej wodór. Do oczyszczania wodoru w skali przemysłowej najczęściej stosowane są technologie adsorpcji zmiennociśnieniowej (PSA), które pozwalają na pozyskanie wodoru o czystości nawet do 99,99%. Jeśli oczekiwana czystość nie przekracza 95%, istnieje możliwość zastosowania metody destylacji kriogenicznej. Trzecia grupa metod separacji i oczyszczania wodoru to technologie membranowe, stosowane od dawna m.in. do oczyszczania gazów. Do oczyszczania i separacji wodoru najczęściej stosowane są membrany polimerowe, metaliczne lub elektrolityczne.

EN

The publication presents the available and prospective processes for obtaining and purifying hydrogen in relation to the planned strategic changes in the hydrogen market. Due to the necessity to introduce changes related to the limitation of the use of fossil fuels in order to replace them with less emitting energy sources, mainly renewable ones (RES), changes in both the scale and the manner of using hydrogen will be indispensable. Strategic documents developed in this area indicate that in the 2025–2030 perspective, the use of hydrogen as a transport fuel will increase (e.g. in car, heavy road and rail transport). Changes involving the use of hydrogen from renewable sources in the fields of construction and energy as well the generation of process heat, are also considered. The prospects for increasing the demand for hydrogen from renewable energy sources generate the need to develop new or niche methods of its production, separation and purification. The article analyzes the available methods for the production and purification of hydrogen, which showed that hydrogen is produced on an industrial scale mostly from fossil fuels in the processes of steam and autothermal reforming and partial oxidation. On the other hand, hydrogen from renewable energy sources is obtained in the electrolysis process as well as in biological and thermal processes. The hydrogen recovery efficiency in the currently known processes varies (0.06–80%). The composition of the obtained gas mixture is also different, and therefore it is necessary to select the methods of hydrogen separation and purification depending not only on the requirements for its further use, but also on the composition of the hydrogen-containing post-reaction mixture. For the purification of hydrogen on an industrial scale, the most commonly used technology is pressure swing adsorption (PSA), which allows to obtain hydrogen with a purity of up to 99.99%. If the expected purity does not exceed 95%, it is possible to use the cryogenic distillation method. The third group of hydrogen separation and purification methods are membrane technologies, which have long been used for gas purification, among other things. Polymer, metallic or electrolytic membranes are most often used for hydrogen purification and separation.

Słowa kluczowe

PL

wodór; polityka wodorowa; odnawialne źródła energii; OZE; metoda; oczyszczanie wodoru; wytwarzanie wodoru

EN

hydrogen; hydrogen policy; renewable energy sources; RES; hydrogen purification; method; hydrogen production

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 78, nr 7
• Strony: 524--534
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Król Anna

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Kukulska-Zając Ewa

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Holewa-Rataj Jadwiga

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Gajec Monika

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Abdalla A.M., Hossain S., Nisfindy O.B, Azad A.T., Dawood M.,
• Azad A.K., 2018. Hydrogen production, storage, transportation and key challenges with applications: A review. Energy Conversion and Management, 165: 602–627. DOI: 10.1016/j.enconman.2018.03.088.
• Acar C., Dincer I., 2015. Impact assessment and efficiency evaluation of hydrogen production methods. International Journal of Energy Research; 39: 1757–1768. DOI: 10.1002/er.3302.
• Baykara S.Z., 2018. Hydrogen: A brief overview on its sources, production and environmental impact. International Journal of Hydrogen Energy, 43(23), 10605–10614. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.02.022.
• 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.
• Chen F., Dong S., Wang Z., Xu J., Xu R., Wang J., 2020. Preparation of mixed matrix composite membrane for hydrogen purification by incorporating ZIF-8 nanoparticles modified with tannic acid.International Journal of Hydrogen Energy, 45: 7444–7454. DOI:10.1016/j.ijhydene.2019.04.050.
• Chmielewski A.G., Wawryniuk K., Antczak J., 2012. Separacja składników gazu syntezowego przy użyciu membran polimerowych i metalicznych. [W:] Traczewska T.M. (red.). Interdyscyplinarne zagadnienia w inżynierii i ochronie środowiska. T. 2. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław.
• Chmielniak T., Chmielniak T., 2020. Energetyka wodorowa. PWN, wydanie 1. ISBN 978-83-01-21104-2.
• Dawood F., Anda M., Shafiullah G.M., 2020. Hydrogen production for energy: An overview. International Journal of Hydrogen Energy, 45(7): 3847–3869. DOI: 10.1016/j.ijhydene. 2019.12.059.
• Dell’Isola M., Ficco G., Moretti L., Jaworski J., Kułaga P., Kukulska-Zając E., 2021. Impact of Hydrogen Injection on Natural Gas Measurement. Energies, 14(24): 8461. DOI: 10.3390/en14248461.
• Dincer I., Acar C., 2014. Review and evaluation of hydrogen production methods for better sustainability. International Journal of Hydrogen Energy, 40(34): 11094–11111. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.12.035.
• Du Z., Liu C., Zhai J., Guo X., Xiong Y., Su W., He G.A., 2021. Review of Hydrogen Purification Technologies for Fuel Cell Vehicles. Catalysts, 11: 393. DOI: 10.3390/catal11030393.
• El-Shafie M., Kambara S., Hayakawa Y., 2019. Hydrogen Production Technologies Overview. Journal of Power and Energy Engineering, 7: 107–154. DOI: 10.4236/jpee.2019.71007.
• Gerard F., van Nuffel L., Smith T., Yearwood J., Cerny O., Michalski J., Altmann M., 2020. Opportunities for Hydrogen Energy Technologies Considering the National Energy & Climate Plans Final
• Report. <https://www.fch.europa.eu/publications/opportunities-hydrogen-energy-technologies-considering-national-energy-climate-plans> (dostęp: lipiec 2021).
• Holewa-Rataj J., Kukulska-Zając E., 2020. Wpływ dodatku wodoru na liczbę metanową gazu ziemnego. Nafta-Gaz, 76(12): 945–950. DOI: 10.18668/NG.2020.12.08.
• Huszał A., Jaworski J., 2020. Studies of the Impact of Hydrogen on the Stability of Gaseous Mixtures of THT. Energies, 13(23):6441. DOI: 10.3390/en13236441.
• International Energy Agency, 2019. The Future of Hydrogen. Seizing today’s opportunities. Technology Report, Report prepared by the IEA for the G20, Japan. <https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen> (dostęp: wrzesień 2021).
• Jaworski J., Dudek A., 2020. Study of the effects of changes in gas composition as well as ambient and gas temperature on errors of indications of thermal gas meters. Energies, 13(20): 5428. DOI:10.3390/en13205428.
• Jaworski J., Kukulska-Zając E., Kułaga P., 2019. Wybrane zagadnienia dotyczące wpływu dodatku wodoru do gazu ziemnego na elementy systemu gazowniczego. Nafta-Gaz, 75(10): 625–632. DOI: 10.18668/NG.2019.10.04.
• Jaworski J., Kułaga P., Blacharski T., 2020. Study of the effect of addition of hydrogen to natural gas on diaphragm gas meters. Energies, 13(11): 3006. DOI: 10.3390/en13113006.
• Kumar S., Himabindu V., 2019. Hydrogen production by PEM water electrolysis – A review. Materials Science for Energy Technologies, 2(3): 442–454. DOI: 10.1016/j.mset.2019.03.002.
• Lambert M., Schulte S., 2021. Contrasting European hydrogen pathways: An analysis of differing approaches in key markets. <https://www.oxfordenergy.org/publications/contrasting-european-hydrogen-pathways-an-analysis-of-differing-approaches-in-key-markets/> (dostęp: wrzesień 2021).
• Li P., Wang Z., Qiao Z., Liu Y., Cao X., Li W., Wang J., Wang S., 2015. Recent developments in membranes for efficient hydrogen purification. Journal of Membrane Science, 495: 130–168. DOI:10.1016/j.memsci.2015.08.010.
• Liguori S., Kian K., Buggy N., Anzelmo B.H., Wilcox J., 2020. Opportunities and challenges of low-carbon hydrogen via metallic membranes. Progress in Energy and Combustion Science,80: 100851. DOI: 10.1016/j.pecs.2020.100851.
• LINDE. Hydrogen Recovery by Pressure Swing Adsorption. <https://web.archive.org/web/20160803141740/http://www.linde-engineering.com/internet.global.lindeengineering.global/en/images/HA_H_1_1_e_12_150dpi19_6130.pdf> (dostęp: wrzesień 2021).
• Maj M., Szpor A., 2019. Kierunki rozwoju i gospodarki wodorowej w Polsce. Polski Instytut Ekonomiczny, Warszawa. ISBN 978-83-66306-61-5.
• Ministerstwo Klimatu i Środowiska, 2021. Polska strategia wodorowa do roku 2030 z perspektywą do 2040 r.. Załącznik do uchwały nr 149 Rady Ministrów z dnia 2 listopada 2021 (poz. 1138).
• Sharma S., Ghoshal S.K., 2015. Hydrogen the future transportation fuel: From production to applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 43: 1151–1158. DOI: 10.1016/j.rser.2014.11.093.
• Staffell I., Scamman D., Velazquez Abad A., Balcombe P., Dodds P.E., Ekins P., Shahd N., Ward K.R., 2019. The role of hydrogen and fuel cells in the global energy systems. Energy and Environmental Science, 12: 463–491. DOI: 10.1039/c8ee01157e.
• Sun C., Zheng X., Bai B., 2019. Hydrogen purification using nanoporous graphene membranes and its economic analysis. Chemical Engineering Science, 208: 115141. DOI: 10.1016/j.ces.2019.07.059.
• Tanco M.A.L., Medrano J.A., Cechetto V., Gallucci F., Tanaka D.A.P., 2020. Hydrogen permeation studies of composite supported alumina-carbon molecular sieves membranes: Separation of diluted hydrogen from mixtures with methane. International Journal of Hydrogen Energy, 46(37): 19758–19767. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.05.088.
• Vermaak L., Neomagus H.W.J.P., Bessarabov D.G., 2021. Recent Advances in Membrane-Based Electrochemical Hydrogen Separation: A Review. Membranes, 11: 127. DOI: 10.3390/membranes11020127.
• Yang E., Alayande A.B., Goh K., Kim C.-M., Chu K.-H., Hwang M.-H., Ahn J.-H., Chae K.-J., 2021. 2D materials-based membranes for hydrogen purification: Current status and future prospects. International Journal of Hydrogen Energy, 46(20): 11389–11410.DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.04.053.
• Zhang F., Zhao P., Niu M., Maddy J., 2016. The survey of key technologies in hydrogen energy storage. International Journal of Hydrogen Energy, 41(33): 14535–14552. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.05.293.
• Żyjewska U., 2021. Rodzaje ogniw paliwowych i ich potencjalne kierunki wykorzystania. Nafta-Gaz, 77(5): 332–339. DOI:10.18668/NG.2021.05.06.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• EN 17124:2018 Paliwo wodorowe – Specyfikacja produktu i zapewnienie jakości – Zastosowanie polimerowych ogniw paliwowych (PEM) dla pojazdów drogowych.
• ISO 14687:2019 Hydrogen product quality – Product specification.
• ISO 19880-8:2019 Gaseous hydrogen – Fuelling stations – Part 8: Fuel quality control.

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).