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, 11-12 kwietnia 2011 1
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
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
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
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
Magazynowanie wodoru Metody magazynowania wodoru 1. Wodór sprężony: do 700bar, zbiorniki kompozytowe lub metalowe, nakłady na sprężenie ~ 10% wartości cieplnej wodoru 6
Magazynowanie wodoru Metody magazynowania wodoru 1. Wodór sprężony: do 700bar, zbiorniki kompozytowe lub metalowe, nakłady na sprężenie ~ 10% wartości cieplnej wodoru 7
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
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
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
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
Zgazowanie biomasy Rozwój technologii zgazowania biomasy 12
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
Fermentacja biomasy HYVOLUTION 2006-2010 (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
Fermentacja biomasy CEL GŁÓWNY: Opracowanie procesu technologicznego rokującego opłacalność ~70ºC ~30ºC 15
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
Fermentacja biomasy Schemat węzła fermentacji termofilnej 17
Fermentacja biomasy Cukrownia 10 000 t/d + wytwórnia wodoru 60 kg H 2 /h Fermentacja termofilna i wzbogacanie gazu Fotofermentacja - bioreaktor rurowy 18
Fermentacja biomasy Cukrownia 10 000 t/d + wytwórnia wodoru 60 kg H 2 /h Fotofermentacja - bioreaktor panelowy Fermentacja termofilna i wzbogacanie gazu 19
Fermentacja biomasy Typy fotobioreaktorów rurowy panelowy 20
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
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, % 84 68 70 Fotofermentacja Tempo produkcji, mmol H 2 /(l*h) - 0,2 0,5 Współczynnik konwersji, % - 47 45 22
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
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
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
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
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
Fermentacja biomasy Produkcja wodoru i biogazu biogaz melas sok surowy, sok gęsty (wysłodki) BIOGAZOWNIA inne surowce do przetworzenia na biogaz 28
Koniec Dziękuję za uwagę rgrabarczyk@onet.eu cered.pw.plock.pl 29