Lesson 4 - Dostawa wodoru

W licznych projektach udowodniono możliwość napędzania pojazdu z ogniwami paliwowymi z wysoce sprężonym wodorem. Proces tankowania paliwa trwa na ogół podobnie długo jak olej napędowy lub benzyna.

Jednak szeroko dostępna infrastruktura stacji tankowania wodoru nie jest jeszcze dostępna. Oznacza to, że rozwój takiej infrastruktury jest nadal na początku długiej drogi. Aby przyspieszyć, wiodące firmy dołączyły do inicjatywy "H2 Mobility" i uzgodniły plan działania oraz opracowują sieć stacji tankowania wodoru.

Jak powstaje wodór?

Gospodarkę wodorową można zdefiniować jako zestaw rozwiązań technologicznych spełniających potrzeby energetyczne, których wspólnym mianownikiem jest wodór. We wstępie należy podkreślić, że wodór nie jest paliwem w konwencjonalnym rozumieniu, lecz jest nośnikiem energii. W praktyce oznacza to, że nie można tanio i efektywnie wykorzystywać energii (wodór jest praktycznie nieobecny w postaci pierwiastkowej na ziemi) i wykorzystywać jej do wytwarzania energii pierwotnej. Musimy produkować to źródło dość ciężko i z dużą ilością strat energii.

Technologie wodorowe są tylko tak czyste, jak czyste są pierwotne źródła energii i surowce wykorzystywane w produkcji wodoru. Aspekty te skutkują możliwym użyciem technologii wodorowych. Jest to przede wszystkim zapasowe źródło zasilania. Najbardziej perspektywicznym obszarem ich wykorzystania jest prawdopodobnie transport. Istnieje potrzeba zmniejszenia wpływu spalania paliw węglowodorowych – zmniejszenia produkcji substancji, które niszczą zdrowie ludzkie i czynniki środowiskowe przy jednoczesnym ograniczeniu produkcji gazów cieplarnianych. Kolejną obecną potrzebą jest ograniczenie uzależnienia od dostaw ropy naftowej z głównie niestabilnych politycznie obszarów, które według wielu źródeł wystarczą do 50 lat na obecnym poziomie wydobycia.

Oprócz wyższych cen nabycia samych ogniw paliwowych w porównaniu z konwencjonalnymi źródłami energii, ich największą wadą jest nieekonomiczny charakter ich zużycia jako paliwa z użyciem paliwa wodorowego. Wodór jest najczęściej pobierany z gazu ziemnego, rzadziej elektrolitycznie z wody. Oba procesy są energochłonne, a zatem wytwarzanie wodoru do późniejszego wykorzystania w ogniwach paliwowych nie jest korzystne ekonomicznie.

Innym rozwiązaniem jest wytwarzanie wodoru z odnawialnych źródeł energii. Z tych wodór uzyskuje się za pomocą elektrolizy wody, wysokiej temperatury rozkładu wody lub zgazowania lub pirolizy biomasy. Takie urządzenie zostało wprowadzone do eksploatacji w Moguncji, Niemcy i jego produkcja powinna obejmować potrzeby do 2000 pojazdów z ogniw paliwowych. Technologia akumulacji wodoru jest również testowana w praskim Instytucie Badań Jądrowych, gdzie uzyskane paliwo może być również wykorzystywane do napędzania TriHyBus-a zasilanego wodorem, który został opracowany we współpracy z lokalnymi ekspertami.

 

Najbardziej rozpowszechnioną i obecnie najbardziej prawdopodobną technologią wodoru jest:
1) ekstrakcja z gazu ziemnego
Ta technologia jest obecnie najtańszą i najbardziej rozpowszechnioną produkcją wodoru. Ciepło dla reakcji ekstrakcji i późniejszego przekształcenia tlenku węgla jest dostarczane z bezpośredniego spalania części gazu ziemnego. Proces ma dwie fazy; w pierwszej, metan (dominującą część gazu ziemnego) jest podawany w obecności katalizatora do pary wodnej (500-950 °C, 0,3-2,5 MPa). Mieszanina metanu i pary reaguje na wytwarzanie wodoru i tlenku węgla oraz mniejszą część dwutlenku węgla. Reakcja odbywa się w ramach wyżej wymienionych temperatur i ciśnień w reformatorze. Następnie ilość wytwarzanego wodoru wzrasta poprzez konwersję CO z reformowanego z dodatkiem dodatkowej pary. Reakcja ma miejsce w niższych temperaturach.

•         Reakcja reakcyjna: CH₄  + H₂O  →  CO + 3H₂

•         Konwersja CO: CO + H₂O  →  CO₂  + H₂

Efektywność wytwarzania wodoru zależy od stosunku pary/węgla do mieszaniny; wynosi około 80%. Istotną wadą jest wytwarzanie wysokiego poziomu dwutlenku węgla: 7,05 kg CO2 wytwarza się na 1 kg wodoru.

2) Elektroliza
Elektrolizy wody jest procesem, w którym prąd bezpośredni, podczas przechodzenia przez roztwór wodny, rozszczepia wiązanie chemiczne między wodorem a tlenem:

2H₂o  →  2H₂  + O₂

Następnie H+ reaguje na katody, tworząc gaz, który jest zbierany, a następnie przechowywany. Proces elektrolizy odbywa się w temperaturze pokojowej i tylko energia elektryczna jest niezbędna do jego działania. W ten sposób powstaje około 4% całkowitej produkcji wodoru na świecie. Ogólna efektywność produkcji wodoru elektrolitycznego wynika głównie z wydajności wytwarzania energii elektrycznej. Tak więc, całkowita sprawność elektrolizy jest w zakresie około 25-35%. Produktem elektrolizy jest tlen i wysoce czysty gaz wodorowy, dla większości zastosowań bez potrzeby dodatkowego udoskonalania.

Konwencjonalna elektroliza jest szczególnie przydatna, gdy jest tania elektryczność i dużo wody. Przykładem może być Islandia z energią geotermalną. Urządzenie elektrolityczne jest modułowe, może być zaprojektowane jako duża jednostka centralna lub jako małe urządzenie do użytku miejscowego z taką samą wydajnością. Zalety elektrolizy obejmują możliwość wykorzystania różnych źródeł energii wejściowej i wysokiej czystości wodoru elektrolitycznego. Wadą jest wysoki koszt przepony w komórce i wysokie ceny energii elektrycznej.

3) Elektroliza wysokotemperaturowa
Dla elektrolizy w wysokiej temperaturze, czasami nazywanej elektrolizą parową, jest charakterystyczne, że część dostarczonej energii jest energią elektryczną, a część jest dostarczana w postaci ciepła. Reakcja występująca w elektrolizie wysokotemperaturowej jest odwrócona do reakcji występującej w komórkach paliwowych z tlenkiem. Para i wodór wchodzą do elektrolizera. Mieszanina wzbogacona o 75% masy wodoru i 25% masy pary wychodzi z niego. W mieszaninie jony tlenu są oddzielone od anody, która przechodzi przez membranę. Wodór jest następnie oddzielony od pary w jednostce skraplania.

Zaletą jest zwiększenie wydajności procesu ze względu na zmniejszone zużycie energii i łatwiejsze pokonanie bariery aktywacji na powierzchni elektrody. Gdy temperatura pary wzrasta, zużycie energii maleje. Całkowita energia rośnie nieznacznie, co wynika z konieczności ogrzewania parowego. Kolejną zaletą jest obieg wyłącznie H₂O, H₂  i O₂  bez innych chemikaliów, co eliminuje problemy z korozją. Ogólna sprawność elektrolizy w wysokiej temperaturze może wynosić do 45%.

4) Cykle termochemiczne
Cykle termochemiczne były znane od ponad 35 lat; intensywnie studiowano je na przełomie lat 70 i 80-tych XX wieku (w czasie kryzysu naftowego, czyli w czasie poszukiwania ekonomicznej produkcji paliw alternatywnych). Z termochemicznego rozszczepiania wody, woda jest dzielona na tlen i wodór przez szereg reakcji chemicznych, które są inicjowane przez ciepło lub w przypadku cykli hybrydowych przez ciepło i elektryczność. Cykle są zamknięte, więc stosowane chemikalia są poddawane recyklingowi podczas reakcji i ponownie wprowadzane do procesu. Surowiec wejściowy jest zatem tylko wodą, a otrzymany produkt jest wodorem i tlenem.

5) Hybrydowe cykle termochemiczne
Hybrydowy proces termochemiczny łączy cykl termochemiczny i podział wody elektrolitycznej. Generalnie, cykle hybrydowe mogą wydawać się niekonkurencyjne ze względu na zapotrzebowanie na energię elektryczną i wysokie koszty inwestycyjne dla elektrolizera. Woda i dwutlenek siarki wchodzą w reakcję, a przy pomocy elektryczności powstaje wodór i kwas siarkowy, który wraz z dalszymi reakcjami rozkłada się na surowce i tlen. Z drugiej strony, przy użyciu energii elektrycznej, cykl hybrydowy umożliwia reakcje niskotemperaturowe i zmniejsza liczbę etapów chemicznych (mogą one pozostawić brud w wytwarzanym wodoru i zwiększyć koszt dodatkowego czyszczenia). Efektywność tego procesu wynosi około 40%. Zaletą cyklu jest 3 do 4 razy niższe zapotrzebowanie na moc niż dzielenie wody elektrolitycznej. Jest to najprostsza grupa procesów siarkowych (niekoniecznie najskuteczniejsza). Wśród wad są wysokie problemy korozji spowodowane przez kwas siarkowy.

 

Wnioski:

Istnieje wiele sposobów wytwarzania wodoru. Preferencja jednego będzie wynikać z lokalnej produkcji, popytu, a zwłaszcza z inwestycji i kosztów operacyjnych, bardziej niż z ogólnej efektywność samego procesu. Dla masowej zrównoważonej produkcji, potencjalnej produkcji wodoru przez cykle chemiczne lub elektrolizy wysokotemperaturowe w połączeniu z dużym potencjałem źródła ciepła - wybranych reaktorów generacji IV. Konwencjonalna elektroliza będzie prawdopodobnie znajdowała zastosowanie w mniejszych lokalnych źródłach wodoru. Energia odnawialna może być wykorzystywana do lokalnej produkcji wodoru, eliminując komplikacje związane z regulacją systemu przesyłu energii. Biogaz i inne odnawialne biopaliwa prawdopodobnie będą bardziej efektywne pod kątem zużycia paliwa w silnikach spalinowych lub mniejszych źródłach energii. Wytwarzanie wodoru może również stać się obiecującą alternatywą dla kontrolowania poboru mocy z zewnątrz.