Kierunki badań nad wytwarzaniem i dystrybucją wodoru jako nośnika energii

Transkrypt

1 ZAKŁAD APARATURY PRZEMYSŁOWEJ CENTRUM DOSKONAŁOŚCI CERED Kierunki badań nad wytwarzaniem i dystrybucją wodoru jako nośnika energii Prof. dr hab. inż. Krzysztof Urbaniec Robert Grabarczyk

2 Wodór w gospodarce światowej Źródła Gaz ziemny Ropa naftowa Węgiel kamienny Elektroliza wody 48% 30% 18% 4% Zastosowania Przemysły: nawozów azotowych, tłuszczowy, petrochemiczny, metalurgiczny

3 Europejska Platforma Technologiczna Wodoru i Ogniw Paliwowych Utworzona z inicjatywy Komisji Europejskiej Zadanie: przygotowanie komercjalizacji technologii wodorowych i ogniw paliwowych Plan prac badawczych na 10 lat, strategia do 2030, zarys strategii do 2050 Grupy robocze: wytwarzanie wodoru, magazynowanie i dystrybucja, zastosowania stacjonarne - w transporcie przenośne, problemy społeczne i ekonomiczne

4 Przyszłość wodoru w gospodarce UE 2000 Lokalne wytwarzanie wodoru, stacje paliwowe 2010 Lokalne sieci dystrybucji wodoru 2020 Łączenie lokalnych sieci dystrybucji wodoru 2030 Powszechna infrastruktura dystrybucji wodoru 2040 Wodór podstawą gospodarki energetycznej 2050

5 Polska Platforma Technologiczna Wodoru i Ogniw Paliwowych Utworzona z inicjatywy MNiI Zadanie: koordynacja polskich prac nt. technologii wodorowych i ogniw paliw. Partnerzy: przemysł paliwowy i nawozów azotowych, energetyka, uczelnie, instytuty Grupy robocze: wytwarzanie wodoru z węgla i gazu, ogniwa paliwowe nisko- i wysokotemperaturowe, strategia rozwoju technologii H2/ogniw, masowe stosowanie H2/ogniw

6 Otrzymywanie wodoru Metody otrzymywania wodoru 1. Metody termochemiczne (zgazowanie węgla kamiennego, konwersja gazu ziemnego, zgazowanie biomasy) 2. Elektrolityczny rozkład wody 3. Metody biologiczne (fermentacja wodorowa, biofotoliza) 4. Metody fotolityczne (fotoelektroliza)

7 Otrzymywanie wodoru Zgazowanie węgla kamiennego Zgazowanie paliwa stałego: zespół reakcji chemicznych składników tego paliwa z tlenem i parą wodną (czynnikami zgazowującymi). proces Lurgi ciśnieniowe zgazowanie drobnych kawałków węgla, (2 3MPa) proces Koppers-Totzek zgazowanie pyłu węglowego (ciśn. atmosferyczne) proces Texaco ciśnieniowe zgazowanie tlenem pyłu węglowego w zawiesinie wodnej ( MPa)

8 Otrzymywanie wodoru Bezemisyjny proces wytwarzania wodoru i elektryczności z węgla kamiennego (tech. ZEC)

9 Otrzymywanie wodoru Konwersja gazu ziemnego Proces konwersji prowadzi się przepuszczając mieszaninę gazu ziemnego i pary wodnej przez złoże katalizatora niklowego. Główne reakcje zachodzące podczas konwersji gazu ziemnego: CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 ΔH = +206 kj/mol CO + H 2 O CO 2 + H 2 ΔH = -42 kj/mol

10 Otrzymywanie wodoru Skład surowych gazów syntezowych (%) Surowiec wyjściowy Skład Proces H 2 CO CH CO Inne Lurgi Węgiel Zgazowanie metodą Koppers -Totzek Gaz ziemny Konwersja z parą wodną 76 0

11 Otrzymywanie wodoru Zgazowanie biomasy Proces złożony z dwóch etapów: odgazowanie rozkład termiczny (piroliza) substancji organicznej, wydzielenie części lotnych i smoły zgazowanie pozostałości koksowej ( o C) Zawartość związków palnych w prod. zgazowania biomasy (%) Związki lotne Smoła CO H 2 CH benzen toluen inne WWA Zastosowanie katalizatora (np. nikiel, dolomit) zwiększa udział H 2 w gazie

12 Otrzymywanie wodoru Zgazowanie biomasy Reaktory zgazowywujące ze złożem stałym fluidalny współprądowy przeciwprądowy

13 Otrzymywanie wodoru Elektrolityczny rozkład wody Elektroliza wody jest odwróceniem procesu spalania wodoru H 2 O H O 2 Katoda 2H 2 O + 2e - H 2 + 2OH - Anoda 2OH - H 2 O + 0.5O 2 + 2e -

14 Otrzymywanie wodoru Metody biologiczne otrzymywania wodoru Fermentacja - beztlenowy proces enzymatycznego rozpadu związków organicznych (konieczne są drobnoustroje lub wytworzone przez nie enzymy). Termofilna fermentacja wodorowa, surowce: buraki cukrowe, ziemniaki, biomasa lignocelulozowa, przemysłowe odpady organiczne C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O 4H 2 + 2CH 3 COOH + 2CO 2 Fotofermentacja wodorowa, surowce: kwasy organiczne CH 3 COOH + 2H 2 O + światło 4H 2 + 2CO 2

15 Otrzymywanie wodoru Metody biologiczne otrzymywania wodoru Dwustopniowa fermentacja wodorowa

16 Otrzymywanie wodoru Metody biologiczne otrzymywania wodoru Biofotoliza rozkład wody enzymem hydrogenazą, występującą m.in. w glonie zielonej algi (Chlamydomonas reinhardti), pod wpływem światła. Proces przebiega w temperaturze otoczenia. Reakcja zachodzi pod wpływem światła 2H + + 2Fd(Fe +2 hydrogenaza ) + światło H 2 + 2Fd(Fe +3 )

17 Otrzymywanie wodoru Metody fotolityczne fotoelektroliza Światło słoneczne, w obecności substancji będących fotokatalizatorami, może doprowadzić do rozkładu cząsteczki wody na tlen i wodór: fotokatalizator H 2 O + światło H O 2 Fotokatalizator adsorbuje kwanty energii promieniowania o określonej długości fali i przekazuje do cząsteczek wody.

18 Magazynowanie i dystrybucja wodoru Rozwiązania systemowe dystrybucji wodoru UE Przesyłanie wodoru do systemów stacjonarnych (gazociągi, transport wodoru sprężonego i ciekłego, magazyny stacjonarne do10 kw), 2. Zaopatrywanie w wodór systemów transportowych (stacje paliw, zbiorniki wodoru w pojazdach) 3. Zaopatrywanie w wodór systemów przenośnych, poniżej 5 kw lub 120 kg ( małe butle gazowe i kasety wymienne, centra napełniania i recyklingu)

19 Magazynowanie i dystrybucja wodoru Metody magazynowania wodoru Wodór sprężony ( bar) Przy jednakowym ciśnieniu i w jednakowej objętości masa wodoru 8 razy mniejsza niż metanu. Nakłady energii na sprężanie: ok. 10% wartości cieplnej sprężonego wodoru.

20 Magazynowanie i dystrybucja wodoru Metody magazynowania wodoru Wodór w postaci skroplonej Ciekły wodór przechowywany w bardzo niskich temperaturach (20K). Nakłady energii na skroplenie: 10 kwh/l H 2, czyli ok. 30% wartości cieplnej ciekłego wodoru.

21 Magazynowanie i dystrybucja wodoru Metody magazynowania wodoru Wodór pochłonięty w nanostrukturach Jedna jednostka objętości np. stopów niklu, żelaza o odpowiednio rozwiniętej powierzchni adsorbuje do kilkuset jednostek objętości wodoru. Badane również zastosowania nanomateriałów na bazie węgla: nanorurki, nanorożki.

22 Magazynowanie i dystrybucja wodoru Metody magazynowania wodoru Wodór w postaci związków chemicznych (wodorków) Stopy m.in. tytanu z żelazem, magnezu z niklem i magnezu tworzą przy chłodzeniu wodorki. Podczas ogrzewania wodorków odzyskuje się ponownie wodór.

23 Projekt badawczy HYVOLUTION 6 Program Ramowy UE, Integrated Project, 5 lat HYVOLUTION Non-thermal production of pure hydrogen from biomass Koordynator: Agro-Food Innovations, NL Partnerzy: A, D, F, GR, H, NL, PL, RU, S, TR, UK (PL: Centrum Doskonałości CERED, WIEDEMANN Polska)

24 WP 5 System integration Simulation Exergy analyses gas gas WP 1 Biomass WP 2 Thermophilic fermentation WP 3 Photofermentation WP 4 Gas upgrading Pretreatment and logistics Fermentables to H 2, CO 2 and organic acids Organic acids to H 2 and CO 2 Cleaning and quality assessment H 2 liquid WP 6Societal integration Socio-economics Dissemination Training