1.1.
1.2.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
Spis treści
2.7.
2.10.
2.11.
2.12.
2.13.
Rozdział 3 Wodór. Podstawowe właściwości
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
Rozdział 4
4.1. Technologie produkcji wodoru z paliw gazowych i ciekłych
4.1.1.
4.1.3. Reforming parowy ciekłych węglowodorów [4.1]
4.1.4. Częściowe utlenianie węglowodorów
4.1.5. Reforming autotermiczny metanu
4.1.6. Piroliza metanu
4.2. Technologie produkcji wodoru z węgla
4.2.1. Zgazowanie węgla
4.2.2. Piroliza węgla
4.2.3. Opcje technologiczne instalacji wytwarzania wodoru na drodze zgazowania i pirolizy węgla
4.2.4. Obciążenie emisją CO2 procesów produkcji wodoru z węgla
4.2.5. Koszty produkcji wodoru z węgla
4.3. Zgazowanie biomasy
Produkcja wodoru
4.3.3. Koszty produkcji wodoru z biomasy
Rozdział 5 Metody rozkładu wody na wodór i tlen ..........................
5.1. Wprowadzenie ........................................
5.2. Istota działania podstawowego modułu elektrolizera
5.3. Napięcie standardowe procesu ............................
5.4. Ogólna charakterystyka napięcia w rzeczywistym module elektrolizera ..........................................
5.4.1. Nadnapięcie aktywacyjne. Równanie Butlera-Volmera ....
5.4.2. Straty koncentracji ...............................
5.4.3. Straty omowe ....................................
5.5. Bilansowanie substancji i energii w elektrolizerach.
Ogólne założenia ......................................
5.5.1. Bilans substancji w elektrolizerze (polimerowym)
5.6. Bilans energii .........................................
5.7. Sprawność procesu elektrolizy ............................
5.8. Elektrolizery alkaliczne
5.9. Elektrolizery fosforowe (z elektrolitem H3PO4)
5.10.
5.11.
5.11.1.
5.11.3.
Rozdział 6
Wybrane zagadnienia transportu i magazynowania wodoru
6.1. Transport rurociągowy
6.2. Magazynowanie
6.3. Termodynamiczne aspekty ładowania i wyładowania magazynów (zasobników) wodoru
6.4. Bezpieczeństwo
Bibliografia do rozdziału szóstego
Rozdział 7
Energetyczne
7.1. Ogólna charakterystyka
7.2. Ogniwa paliwowe i ich charakterystyki .....................
7.2.1. Ogólna charakterystyka ogniw paliwowych .............
7.2.2. Istota działania ogniwa paliwowego
7.2.3. Bilans energii dla ogniwa ...........................
7.2.4. Siła elektromotoryczna ogniwa ......................
7.2.5. Ogólna charakterystyka strat potencjału w rzeczywistym ogniwie ........................................
7.2.6. Ogólna charakterystyka technologiczna stosowanych ogniw (instalacji) paliwowych .............................
7.3. Instalacje energetyczne z ogniwami paliwowymi ..............
7.3.1. Skojarzona produkcja elektryczności i ciepła ............
7.3.2. Integracja ogniwa paliwowego z turbiną gazową .........
7.4. Charakterystyki modułów pracujących w instalacjach wytwarzania i wykorzystania wodoru zintegrowanych z OZE ..............
7.4.1. Analityczny opis promieniowania słonecznego ..........
7.4.2. Charakterystyki ogniw fotowoltaicznych
7.4.3. Turbiny
7.4.5. Model zbiornika wodoru
7.4.6. Model sprężarki ..................................
7.5. Integracja układów elektrolitycznego wytwarzania wodoru z układami energii napędowej różnej postaci
7.5.1. Bezpośrednie połączenie paneli ogniw fotowoltaicznych i elektrolizerów ..................................
7.5.2. Układy zawierające wiele modułów
7.6. Spalanie wodoru w turbinach gazowych
7.6.1. Wprowadzenie
7.6.2. Analiza prostej wodorowej instalacji turbiny gazowej .....
7.6.3. Obiegi złożone
Bibliografia do rozdziału siódmego
Rozdział 8 Wybrane zagadnienia transportu ...............................
Bibliografia do rozdziału ósmego
Ogólną charakterystykę technologii wytwarzania wodoru z paliw kopalnych i biomasy zawarto w tab. 1.1 (szczegółowiej jest to opisane w rozdz. 4). Dane tam zawarte potwierdzają fakt największej efektywności termodynamicznej i ekonomicznej technologii reformingu parowego w tej grupie paliw. Doskonalenie tej klasy metod wytwarzania wodoru obok zwiększenia efektywności ekonomicznej powinno obejmować redukcję emisji ditlenku węgla z procesów wytwarzania. Publikowane oceny wskazują na istotne zróżnicowanie kosztów wytwarzania wodoru w zależności od regionów geograficznych i krajów oraz zastosowania lub niezastosowania w procesach wytwarzania CCUS (ang. carbon cupture utilisation and storage). Zróżnicowanie geograficzne wynika z faktu, że głównym składnikiem kosztu jest cena dostępnego paliwa – substratu. Koszty inwestycyjne mieszczą się w granicach 500–900 USD/kWH2 dla układów bez CCUS i 900–1600 USD/kWH2 dla CCUS [1.1, 1.8].
Tabela 1.1. Charakterystyka technologii wytwarzania wodoru
Proces Paliwo
Sprawność całkowita, % Koszt H 2 USD/GJ Koszty inwestycyjne USD/GJ H 2 Uwagi
Reforming parowy gaz ziemny ropa naftowa 65–751) 5–89–15 dobrze poznany rozbudowana infrastruktura
Częściowe utlenienie gaz ziemny ropa naftowa 501) 7–109–22 dobrze poznany brak infrastruktury
Zgazowanie węgiel biomasa 42,5–46,52) 10–12 9–13 33–34 20–42 tanie paliwa słaba infrastruktura jednoczesna separacja CO2 skoncentrowany strumień CO2 idealny dla procesu sekwestracji
Piroliza węgiel biomasa 47,92) 9–1315–19 tanie paliwa brak infrastruktury jednoczesna separacja CO2 skoncentrowany strumień CO2 idealny dla procesu sekwestracji
1) wartość opałowa, 2) ciepło spalania
4. Wytwarzanie wodoru z paliw węglowodorowych
Rys. 4.1. Prognoza rozwoju gospodarki wodorowej [4.2, 4.3]
Możliwe ścieżki produkcji wodoru z paliw kopalnych i odnawialnych przedstawiono na rys. 4.2 [4.4].
4.1. Technologie produkcji wodoru z paliw gazowych i ciekłych
Do technologii produkcji wodoru z paliw gazowych i ciekłych należą: reforming parowy, półspalanie i reforming autotermiczny. Reakcje charakterystyczne dla każdego z nich na przykładzie metanu przedstawiono w tab. 4.1.
Tabela 4.1. Charakterystyczne reakcje dla procesu reformingu gazu ziemnego [4.5]
ProcesReakcja
Wydajność produkcji kmol H2/kmol CH4
Reforming parowyCH4 H2O CO 3H2 3
PółspalanieCH4 O2 CO 2H2 2
Reforming autotermicznyCH4 ½H2O ½O2 CO 5/2 H2 2,5
Procesy reformingu różnią się rodzajem utleniacza stosowanego do konwersji ciekłych i gazowych węglowodorów. Zwykle stosowane są para wodna, tlen lub ich mieszanina. W przypadku gazu ziemnego proces reformingu przy wykorzystaniu CO2, nazywany suchym reformingiem, budzi coraz większe zainteresowanie [4.1, 4.5–4.10].
Rys. 4.2. Metody produkcji wodoru [4.4]
5.12. Generatory wodoru
W podrozdziałach 5.1–5.10 przedstawiono informacje o podstawowych elementach (komórkach, celach) różnych rodzajów elektrolizerów. Stanowią one podstawę do budowy generatorów wodoru różnej mocy i wydajności. Generatory wodoru składają się z modułów obejmujących wiele cel (komórek) oraz urządzeń i elementów pomocniczych, takich jak instalacje przygotowania substratów (dejonizacja wody – konduktywność wody mieści się zazwyczaj w przedziale 1–2 μS/cm, wymienniki ciepła, instalacja przygotowania składu elektrolitu w przypadku elektrolizerów alkalicznych i inne), instalacja zasilania z układem przetworników, układ regulacji, pompy obiegowe, wentylatory i sprężarki, separatory i inne. W tab. 5.7 zawarto porównanie podstawowych parametrów komórek elementarnych trzech rodzajów elektrolizerów [5.7, 5.57–5.59]. Sposób łączenia komórek w stosy zależy od rodzaju elektrolizera (rys. 5.40).
Rys. 5.40. Sposób łączenia celi elektrolizera alkalicznego w stos elektrolityczny: A – anoda, BE – blok elektrod, S – separator międzykomórkowy i separator wody
Tabela 5.7. Parametry modułów podstawowych trzech rodzajów elektrolizerów [5.7, 5.57–5.59]
Dane techniczne
Elektrolizer alkaliczny Elektrolizer PEM Elektrolizer tlenkowy
Technologiadojrzaładojrzałaskala demonstracji
Elektrolit
25–30% roztwór KOH lub NaOH stały polimer kwasu perfluorosulfonowego (PFSA), np. Nafion
Y2O3 – ZrO2 Sc2O3 – ZrO2 MgO(Ca) – ZrO2
Nośnik ładunkuOH– H+ O–2
Katalizator katodynikielplatyna Ni – YSZ Ni – GDC cermet
Katalizator anody Ni2CoO4 La – Sr – CoO3 iryd/tlenek rutenu (La,Sr) MnO3 (La,Sr)(Co,Fe) O3
5.7. (cd.)
Dane techniczne
Elektrolizer alkaliczny Elektrolizer PEM Elektrolizer tlenkowy
Materiał płyt bipolarnych Nitytanstopy niklu
Zakres temperatury, C20–12020–90700–1000
Zakres ciśnienia, bar 1–2001–350 (700)1,0–5,0
Standardowe gęstości prądu, A/cm2 0,2–0,50,6–3,01,0–2,0
Napięcie pojedynczej komórki elektrolitycznej, V 1,8–2,41,8–2,21,4–1,6
Sprawność, % 50–8265–9090–100
Zużycie energii komórek elektrolitycznych, kWh/(Nm3H2) 4,2–5,94,2–5,63,2–3,7
Wydajność produkcji H2, Nm3/h 1–5000,01–2501–10
Najniższe częściowe obciążenie, % 20–400–100–20
Możliwość obciążenia cyklicznego średniedobrebrak danych
Trwałość komórki elektrolitycznej, h
100 00010 000–50 000 1000–10 000
Żywotność generatora, lat 20–3010–20brak danych
Właściwości wody zasilającej
dejonizowana, opór właściwy 1 MΩ cm
dejonizowana, opór właściwy 1 MΩ cm para
Na rys. 5.41 przedstawiono ogólny widok stosu elektrolizera niewielkiej mocy (AS500, generator wodoru AL 500, wydajność znamionowa (20 C, 1 bar) 0,5 Nm3/h, moc nominalna 2,4 kW). Łącząc szeregowo stosy elektrolityczne, budujemy generatory wodoru o różnej mocy i wydajności. W [5.60] podano wyniki studium instalacji generatorów typu PEM i alkalicznych o mocach (w obu przypadkach) 5 MW i 100 MW. Ogólną strukturę połączenia stosów elektrolizerów dla obu klas generatorów ilustrują rys. 5.42 i 5.43.
Tabela
Rys. 5.41. Ogólny widok stosu elektrolizera niewielkiej mocy (AS500, generator wodoru AL 500)
Rys. 5.42. Ogólna struktura połączenia N modułów (bloków) elektrolizerów ELN typu alkalicznego: S1, S2 – separatory tlenu i wodoru, PW – instalacja przygotowania wody, KOH –instalacja kontroli stężenia KOH, OD – płuczka, SiO – separacja końcowa i oczyszczanie wodoru
Rys. 5.43. Ogólna struktura połączenia N modułów (bloków) elektrolizerów PEM: SA – separacja tlenu, SH2 – separacja wodoru, SK – skraplacz, IPW – instalacja przygotowania wody, OD – moduł odsalania anody, 1 – odtleniacz