Wybrane zagadnienia energetyki wodorowej

Transkrypt

1 Centrum Doskonałości CERED Redukcja Wpływu Przemysłu Przetwórczego na Środowisko Naturalne Wybrane zagadnienia energetyki wodorowej Robert Grabarczyk, Krzysztof Urbaniec Konferencja naukowo-techniczna: Postęp techniczny w przemyśle cukrowniczym Zakopane, kwietnia

2 Wybrane zagadnienia energetyki wodorowej Plan prezentacji 1. Wodór w gospodarce 2. Wodór w transporcie samochodowym 3. Magazynowanie wodoru 4. Produkcja wodoru ze źródeł odnawialnych 5. Fermentacja biomasy 2

3 Wodór w gospodarce Źródła wodoru na świecie Przeróbka gazu ziemnego i ropy naftowej Zgazowanie węgla kamiennego Zgazowanie biomasy Elektroliza wody 80% 14% 1% 5% Zastosowanie wodoru - produkcja nawozów azotowych - przetwórstwo ropy naftowej - przemysł tłuszczowy - metalurgia - paliwo rakietowe - paliwo dla transportu 3

4 Wodór w transporcie samochodowym Metody napędzania wodorem pojazdów samochodowych 1. Zasilanie wodorem silników spalinowych Pozytywne wyniki testów BMW i Mazdy: - niezawodny system dwupaliwowy benzyna/h 2 - osiągi porównywalne Przy zasilaniu H 2 : - eliminacja emisji CO 2, CO - znaczna redukcja emisji NO X 4

5 Wodór w transporcie samochodowym Metody napędzania wodorem pojazdów samochodowych 2. Zasilanie wodorem ogniw paliwowych i napęd poprzez silnik elektryczny - w sprzedaży m.in. Kia, Honda - w fazie testów - większość koncernów Zalety: - niska emisja hałasu - wysoki moment obrotowy/duża elastyczność - brak emisji CO 2, CO, NO X, - spaliny - para wodna 5

6 Magazynowanie wodoru Metody magazynowania wodoru 1. Wodór sprężony: do 700bar, zbiorniki kompozytowe lub metalowe, nakłady na sprężenie ~ 10% wartości cieplnej wodoru 6

7 Magazynowanie wodoru Metody magazynowania wodoru 1. Wodór sprężony: do 700bar, zbiorniki kompozytowe lub metalowe, nakłady na sprężenie ~ 10% wartości cieplnej wodoru 7

8 Magazynowanie wodoru Metody magazynowania wodoru 2. Wodór w stanie ciekłym: zbiorniki izolowane, -253ºC, ciągłe parowanie H 2, nakłady na skroplenie ~ 30% wartości cieplnej wodoru 8

9 Magazynowanie wodoru Metody magazynowania wodoru 3. Wodór w postaci związków chemicznych - wodorków metali: małe nakłady energetyczne, małe zagrożenie wybuchem, długi czas napełniania, stosunkowo duża masa zbiornika Zastosowanie w łodziach podwodnych 9

10 Wodór ze źródeł odnawialnych Metody produkcji wodoru z zasobów odnawialnych 1. Zgazowanie biomasy 2. Elektroliza wody z wykorzystaniem energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych, 3. Fermentacja biomasy 10

11 Zgazowanie biomasy biomasa medium zgazowujące - powietrze - tlen - para wodna produkt gazowy Reaktor zgazowujący, t > 500ºC popiół Charakterystyka - dostępność kilku różnorodnych technologii - szeroka paleta potencjalnych surowców - silna zależność składu gazu surowego od typu surowca - konieczność dalszej obróbki surowego gazu zwierającego wodór (duża zawartość zanieczyszczeń) - problemy z zagospodarowaniem popiołu 11

12 Zgazowanie biomasy Rozwój technologii zgazowania biomasy 12

13 Elektroliza wody Charakterystyka - produkcja czystego wodoru - dojrzała i prosta technologia - sprawność wykorzystania energii elektrycznej <75% zależnie od typu elektrolizera (węgiel - H 2 < 25%) Bateria elektrolizerów 750 kg H 2 /h - w okresach nadwyżki produkcji energii elektrycznej możliwość magazynowania energii w postaci wodoru 13

14 Fermentacja biomasy HYVOLUTION (6 Program Ramowy UE) Produkcja czystego wodoru z biomasy metodą nietermiczną Food & Biobased Research (Holandia) - koordynator Wiedemann Polska, PW - CERED 9 firm Francja, Holandia, Niemcy, Rosja, Wielka Brytania, Włochy 10 instytutów i uczelni Austria, Grecja, Holandia, Niemcy,Rep. Płd Afryki, Rosja, Szwecja, Turcja, Węgry 14

15 Fermentacja biomasy CEL GŁÓWNY: Opracowanie procesu technologicznego rokującego opłacalność ~70ºC ~30ºC 15

16 Fermentacja biomasy CELE CZĄSTKOWE Rozpoznanie najlepszych surowców i sposobów ich przygotowania do fermentacji Dobór najkorzystniejszych szczepów bakterii Optymalizacja parametrów procesu Bioreaktory i urządzenia do wzbogacania gazu konstrukcja, testy prototypów Projekt studialny wytwórni wodoru (dwa warianty) Rozpoznanie warunków i potencjalnych efektów wdrożenia 16

17 Fermentacja biomasy Schemat węzła fermentacji termofilnej 17

18 Fermentacja biomasy Cukrownia t/d + wytwórnia wodoru 60 kg H 2 /h Fermentacja termofilna i wzbogacanie gazu Fotofermentacja - bioreaktor rurowy 18

19 Fermentacja biomasy Cukrownia t/d + wytwórnia wodoru 60 kg H 2 /h Fotofermentacja - bioreaktor panelowy Fermentacja termofilna i wzbogacanie gazu 19

20 Fermentacja biomasy Typy fotobioreaktorów rurowy panelowy 20

21 Fermentacja biomasy Wnioski Nie osiągnięto celu głównego, potrzebne dalsze prace Najkorzystniejsze surowce: burak cukrowy, odpady ziemniaczane (słoma jęczmienna) Bakterie genetycznie zmodyfikowane poprawiają fotofermentacji efekty Wodorowa fermentacja termofilna możliwa do wdrożenia w połączeniu z produkcją biogazu 21

22 Fermentacja biomasy Wybrane parametry fermentacji technicznych roztworów cukru Fermentacja termofilna sok surowy sok gęsty melas Tempo produkcji, mmol H 2 /(l*h) 12,8 7,4 14,7 Współczynnik konwersji, % Fotofermentacja Tempo produkcji, mmol H 2 /(l*h) - 0,2 0,5 Współczynnik konwersji, %

23 Fermentacja biomasy Koszty produkcji wodoru - założenia do obliczeń Surowiec: melas F. termofilna: proces ciągły Fotofermentacja: 10h/d Roczny czas pracy: 8000 h/rok Okres eksploatacji: 15 lat Wydajność instalacji: 60 kg H 2 /h Para wodna, 2 bary: 20,5 /t Woda chłodząca: 0,01 /m 3 Woda procesowa: 0,3 /m 3 Cena energii el.: 0,086 /kwh 23

24 Fermentacja biomasy Struktura kosztów produkcji wodoru 18,00 16,00 16,47 14,00 Udział w kosztach, /kg H 2 12,00 10,00 8,00 6,00 12,11 4,00 2,00 2,25 1,42 0,00 Koszt surowca Koszt inwestycyjny Koszt eksploatacyjny Koszt zatrudnienia 24

25 Udział w kosztach, % Fermentacja biomasy Struktura kosztów produkcji wodoru 60,00 50,00 51,08 40,00 37,54 30,00 20,00 10,00 6,97 4,41 0,00 Koszt surowca Koszt inwestycyjny Koszt eksploatacyjny Koszt zatrudnienia 25

26 Udział w koszcie, % Fermentacja biomasy Struktura kosztów inwestycyjnych 100,00 93,23 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 5,03 1,70 0,04 Fermentacja termofilna Fotofermentacja Oczyszczanie gazu Układ wody chłodzącej 26

27 Udział w koszcie, % Fermentacja biomasy Struktura kosztów eksploatacyjnych 70,00 60,00 62,04 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 13,61 0,87 1,72 0,06 6,20 11,15 4,37 27

28 Fermentacja biomasy Produkcja wodoru i biogazu biogaz melas sok surowy, sok gęsty (wysłodki) BIOGAZOWNIA inne surowce do przetworzenia na biogaz 28

29 Koniec Dziękuję za uwagę cered.pw.plock.pl 29