Przyszłość wodoru jako alternatywnego paliwa dla zastosowań przemysłowych nowej generacji; wyzwania i oczekiwane możliwości / Umair Yaqub Qazi

1. Wprowadzenie

Społeczność globalna uważa zrównoważony rozwój za temat długoterminowy ze względu na ciągłe wyzwania stawiane przez zmniejszające się zasoby paliw kopalnych i pogarszające się warunki środowiskowe. Głównymi czynnikami napędowymi tej fundamentalnej zmiany są rosnące zapotrzebowanie na energię, niestabilne ceny paliw kopalnych i ogromne emisje gazów cieplarnianych (GHG) z samochodów i przemysłu napędzanego paliwami kopalnymi [ 1 , 2 , 3 ]. Oczekuje się, że populacja globalna przekroczy 8 miliardów do 2030 roku, a zapotrzebowanie na energię prawdopodobnie wzrośnie jednocześnie. Odnawialne źródła energii, takie jak wiatr, słońce, hydroenergia i energia geotermalna, wzbudziły wiele uwagi w ostatnich dekadach. Tego rodzaju energia nie generuje paliw gazowych ani ciekłych do transportu. Ich nieregularne i sporadyczne występowanie ogranicza ich przydatność [ 4 ]. Ponadto rośliny inwazyjne [ 5 ], odpady żywnościowe (szczególnie przycinki drzew i odpady z upraw rolnych) [ 6 ] są również tanie i szeroko dostępne do transformacji w kierunku produkcji czystej energii. Surowce lignocelulozowe, resztki jedzenia, pozostałości odpadów komunalnych, [ 7 , 8 , 9 ] agrochemiczne, farmaceutyczne, odpady zwierzęce [ 9 , 10 ] i mieszane tworzywa sztuczne [ 11 ] są powszechne i tanie. Energia jest niezbędnym składnikiem życia ludzkiego, cywilizacji społecznej i wzrostu gospodarczego. Przez ponad dwadzieścia dekad używano konwencjonalnych paliw kopalnych, takich jak węgiel, benzyna i gaz ziemny, co skutkowało niezrównoważonym wykorzystaniem ropy naftowej, nieograniczoną eksploatacją i znacznym zanieczyszczeniem. W rezultacie te nieodnawialne towary zbliżają się do degradacji i wyczerpania w alarmującym tempie. W szczególności, kolejny wzrost populacji światowej i szybkie zmiany gospodarcze nieustannie zwiększają zużycie energii i wzmacniają kryzys energetyczny [ 12 ]. Ponadto nadmierna eksploatacja i konsumpcja paliw kopalnych spowodowały znaczne zanieczyszczenie środowiska. W rezultacie większość krajów pragnie opracować alternatywne źródło energii odnawialnej [ 13 , 14 ].

Wodór ma wiele korzystnych cech, w tym ogólną pojemność magazynową, wydajność, odnawialność, czystość, masową dystrybucję, wysoką konwersję, zerową emisję, źródła, wszechstronność i szybkie odzyskiwanie, co czyni go doskonałym wyborem jako źródło energii do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej, wśród wielu innych [ 15 , 16 , 17 ]. W rezultacie jest uważany za najbardziej przyjazne dla środowiska i obiecujące źródło energii XXI wieku. Jest on centralny dla zastosowań przemysłowych, takich jak produkcja amoniaku, rafinacja ropy naftowej i reakcje przełączania wody i gazu. Rysunek 1 ilustruje, jak podaż i popyt mają tendencję do wahań; wodór prawdopodobnie jest bardzo elastyczny, a w rezultacie produkcja wodoru otrzymała wiele uwagi mediów na całym świecie.

Rysunek 1. Ilustracja relacji wodoru pomiędzy łańcuchem dostaw i popytem, ​​z uwzględnieniem odpowiednich potencjalnych źródeł.

Industrializacja w tradycyjnych sektorach wzbogacania ropy naftowej, takich jak hydroodsiarczanie, uwodornienie i przetwarzanie amoniaku, ostatnio doświadczyła gwałtownego wzrostu popytu na wodór. W przetwórstwie przemysłowym większość sprężonego wodoru w stanie ciekłym jest komercyjnie przygotowywana przy użyciu metody sprężania ze względu na jej opłacalność i łatwo dostępne zasoby wodoru [ 18 ]. Jednak wodór ze źródeł odnawialnych, takich jak biomasa lignocelulozowa lub separacja wody, może być również wytwarzany za pomocą energii słonecznej. Wodór z różnych źródeł można uzyskać na różne sposoby, takie jak za pomocą mikroorganizmów, biopaliw, płynów na bazie ropy naftowej lub elektrolizy wody [ 19 , 20 ]. Ilustrację różnych metod produkcji wodoru pokazano na rysunku 2. Chemiczny reforming cieplny opiera się na katalizie metanu (zwykle powyżej 800 C) przy użyciu pary wodnej w celu wytworzenia dwutlenku węgla i wodoru [ 18 ]. Powstały CO wchodzi następnie w interakcję z parą wodną, ​​aby wytworzyć H ₂ i CO ₂ poprzez reakcję wymiany wody z gazem. Istnieje wiele metod wytwarzania wodoru opartych na węglowodorach, w tym ulepszone renowacje alkaliczne, modyfikacje krakingu termicznego, częściowe utlenianie i reformowanie parowe.

Rysunek 2. Technologie produkcji wodoru.

Podczas gdy wodór ma imponujące zdolności wytwarzania energii, tylko ograniczona jego część jest wykorzystywana do takich działań. Znaczna ilość wodoru wytwarzanego komercyjnie jest wykorzystywana w różnych sektorach, w tym w obróbce metali, rafinacji i recyklingu ropy naftowej, nawozach i przetwórstwie chemicznym ( Rysunek 3 ). W obszarze przetwarzania wodoru [ 6 , 19 , 21 , 22 , 23 ] i magazynowania [ 24 , 25 , 26 ] opublikowano kilka znaczących artykułów badawczych. Jednak wraz z rozwojem nowoczesnego przemysłu wodorowego dowody na dostępność nowych zastosowań wodoru są ograniczone, szczególnie w przemyśle lotniczym, morskim i farmaceutycznym.

Rysunek 3. Obecne i przyszłe zastosowania wodoru w przemyśle.

Ponieważ wodór nie występuje naturalnie jako cząsteczka, jest syntetyzowany poprzez konwersję niektórych zawierających wodór źródeł pierwotnych, takich jak woda lub węglowodany. Obecne szacunki wskazują, że około 48%, 30% i 18% wodoru pochodzi odpowiednio z gazu ziemnego, reformingu nafty i zgazowania węgla [ 27 ]. Niestety, większość konwencjonalnych metod produkcji wodoru z paliw kopalnych powoduje znaczną emisję gazów cieplarnianych, zwiększając zanieczyszczenie środowiska i wysokie zużycie energii. W rezultacie kładzie się większy nacisk na wdrażanie powstającej technologii produkcji wodoru ze źródeł zrównoważonych i jądrowych, w połączeniu ze stopniowo bardziej rygorystycznymi i stosowalnymi przepisami dotyczącymi ochrony środowiska na całym świecie [ 28 ]. Te potencjalnie transformacyjne osiągnięcia obejmują elektrolizę wody, biomasę i ścieżki konwersji jądrowej/chemicznej. Pomimo tych faktów produkcja wodoru może mieć wpływ na ekosystem, ponieważ każdy system polegający na obecnej lub nowej technologii zużywa pewną ilość surowych chemikaliów i energii elektrycznej, co powoduje stratę netto dla środowiska [ 29 , 30 , 31 , 32 , 33 ]. Nie możemy krytycznie analizować korzyści ekonomicznych i środowiskowych różnych technologii produkcji wodoru, jeśli nie mamy wszechstronnej wiedzy na temat każdego aspektu procesu mechanistycznego. Niniejsze badania mają na celu wzmocnienie obecnych badań nad następującymi technologiami wytwarzania wodoru i ich zastosowaniami: rafinacja paliw petrochemicznych/węglowodorowych, produkcja dodatków, przetwarzanie węglowodorów, ogniwa paliwowe, synteza materiałów, elektronika, farmaceutyki, wykorzystanie w statkach i przemyśle lotniczym oraz inne zastosowania wodoru [ 30 , 34 , 35 , 36 , 37 , 38 ]. Artykuł podsumowuje wyzwania i postęp związany z wykorzystaniem wodoru.

2. Zielona gospodarka wodorowa w ruchu

Wodór jest pierwszym pierwiastkiem w układzie okresowym i nie można go podzielić na inne pierwiastki poprzez reakcje chemiczne. Wodór wyróżnia się tym, że jest najbardziej podstawowym i najliczniej występującym pierwiastkiem w naturze i jest oznaczany literą H. Wodór jest w rzeczywistości bardzo ważny w świecie chemii. Rzeczywiście, jest tak reaktywny, że prawie zawsze tworzy składnik (substancję) po zmieszaniu z innymi pierwiastkami. Związki składają się z dwóch lub więcej pierwiastków o tych samych lub różnych atomach, które powstają, gdy wodór tworzy wiązanie z innym pierwiastkiem. Tabela 1 zawiera kompleksową listę podstawowych właściwości wodoru.

Najbardziej rozpowszechnionym gazem we wszechświecie jest wodór. Jest bezbarwny, bezwonny, bez smaku i stanowi około 75% masy wszechświata [ 40 ]. Niezależnie od tego, że wodór jest powszechny w całym wszechświecie, nie występuje naturalnie jako wolny pierwiastek lub gaz. Ponadto utrzymuje się naturalnie w związkach z kilkoma innymi pierwiastkami. Woda jest najbardziej rozpowszechnionym związkiem na Ziemi, który zawiera wodór. Metan jest inną cząsteczką zawierającą wodór. Można go również znaleźć w wielu innych związkach. Na przykład wodór może być obecny u prawie wszystkich żywych istot na planecie. Wykorzystanie wodoru jako nośnika energii jest skomplikowane, ponieważ wodór związany z ziemią można znaleźć tylko w związkach z innymi pierwiastkami. Zanim wodór będzie mógł zostać wykorzystany jako źródło energii, musi zostać oddzielony od surowca. Reformowanie parowe gazu ziemnego i elektroliza wody to dwie z najpopularniejszych obecnie stosowanych metod wytwarzania wodoru.

Według oświadczenia Międzynarodowej Agencji Energetycznej, światowe zapotrzebowanie na energię podwoi się do 2030 r. [ 41 ]. Istnieje wyraźna korelacja między wielkością populacji ludzkiej a ilością zużywanej energii. Według amerykańskiej Agencji Informacji Energetycznej (EIA) zapotrzebowanie na energię wzrasta wraz ze wzrostem populacji ludzkiej. Oczekuje się, że populacja świata wzrośnie trzykrotnie do 2030 r. W ciągu najbliższych 30 lat nastąpi 47-procentowy wzrost światowego zapotrzebowania na energię, głównie z powodu wzrostu populacji i ekspansji gospodarczej w rozwijających się krajach azjatyckich. Bez znaczącego postępu technologicznego lub zmian legislacyjnych, będzie to wymagało zwiększenia produkcji ropy naftowej i gazu ziemnego. Około 28% światowego zapotrzebowania na energię będzie zaspokajane przez paliwo płynne do 2050 r. w porównaniu z 27% zasobów energii odnawialnej. Oczekuje się, że zapotrzebowanie na paliwo płynne wzrośnie o 36%, a zapotrzebowanie na energię odnawialną o 165% w porównaniu z wartościami z 2020 r., które są brane pod uwagę w tym scenariuszu. Chociaż intensywność emisji dwutlenku węgla i energii maleje w gospodarkach rozwiniętych i wschodzących, EIA przewiduje, że emisje dwutlenku węgla związane z energią wzrosną do roku 2050 [ 42 ].

Metan, często znany jako gaz ziemny, jest najbardziej rozpowszechnionym źródłem energii, zawierającym jeden atom węgla i cztery atomy wodoru. Wodór wyłonił się jako paliwo alternatywne w ostatnich latach, a jego zapotrzebowanie ma wzrosnąć w przyszłych latach [ 43 ]. Wodór jest wytwarzany z odnawialnych źródeł, takich jak woda, co czyni go odnawialnym źródłem energii. Możliwe jest wykorzystanie małych urządzeń, takich jak ogniwa paliwowe, w celu przekształcania wodoru w wartościowe formy energii, takie jak elektryczność. Woda jest nieszkodliwym produktem ubocznym procesu konwersji wodoru na elektryczność. Wysoka gęstość energetyczna wodoru i korzyści dla środowiska sprawiają, że jest on idealnym źródłem paliwa. Ilustrację zawartości energii w różnych paliwach można znaleźć w tabeli 2 [ 44 ].

Wykorzystanie paliwa wodorowego jako zrównoważonego źródła energii może złagodzić problem ograniczenia paliw kopalnych i ma szeroki zakres zastosowań. Ponadto spalanie paliw kopalnych uwalnia niebezpieczne zanieczyszczenia jako produkty uboczne, w tym dwutlenek węgla, dwutlenek siarki i podtlenek azotu, które przyczyniają się do globalnego ocieplenia [ 45 ]. Istnieje wiele wskaźników paliwa, które dostarczają informacji o tym, jak paliwo wpływa na środowisko i jego wydajność, takich jak współczynnik oddziaływania na środowisko (EIF), współczynnik zazielenienia (GF) i współczynnik zawartości wodoru (HCF), jak pokazano na rysunku 4. Statystyki na rysunku 4 pokazują, że paliwo wodorowe ma minimalny współczynnik oddziaływania i możliwie największy współczynnik zazielenienia, co czyni je jednym z najbardziej ekologicznych paliw.

Rysunek 4. Różnorodne wskaźniki paliwa, które dostarczają informacji o tym, jak paliwo wpływa na środowisko i jego wydajność, są omawiane w czynnikach wpływu, takich jak współczynnik zazielenienia (GF), współczynnik zawartości wodoru (HCF) i współczynnik wpływu na środowisko (EIF) różnych paliw. Odpowiednie linie wskazują, że wraz ze wzrostem zawartości wodoru (HCF) źródła energii stają się bardziej ekologiczne (wzrost GF), a wpływ na środowisko (EIF) maleje. (Przedruk z [ 46 ]. Prawa autorskie (2022), za zgodą).

Przejście na odnawialne źródła energii odpowiada wykorzystaniu wodoru jako paliwa o zerowej emisji dla samochodów, sektorów przemysłowych i elektrowni w bezpieczny, opłacalny i długoterminowy sposób. W obecnej sytuacji gaz ziemny produkuje rocznie około 70 milionów ton wodoru, głównie poprzez reforming parowy, co stanowi 6% światowego wykorzystania gazu ziemnego [ 43 ]. Według Bartelsa i in. węgiel i gaz ziemny są najbardziej opłacalnymi metodami produkcji wodoru, przy czym prognozowane koszty wynoszą odpowiednio 0,36 USD i 1,83 USD za kg [ 47 ]. Reforming parowy jest prawdopodobnie najskuteczniejszą strategią, ale ma również najwyższe emisje CO2 _i innych zanieczyszczeń, co zwiększa ogólny koszt wytwarzania wodoru w celu wychwytywania tych emisji. Według naukowców zgazowanie i piroliza mogą produkować wodór, którego koszt wynosi od 1,44–2,83 USD do 1,47–2,57 USD za kg. Z drugiej strony, koszt wytwarzania wodoru zależy wyłącznie od zdolności rafineryjnych, technologii, właściwości surowców, transportu, komunikacji, wsparcia logistycznego, użyteczności i opłacalności komercyjnej produktów ubocznych.

Możliwości wytwarzania i magazynowania wodoru nadal stanowią największą przeszkodę w jego powszechnym stosowaniu w wielu gałęziach przemysłu. Jeśli chodzi o innowacje technologiczne w produkcji, proces reformingu parowego w celu produkcji wodoru z paliw kopalnych należy do najbardziej ugruntowanych i opłacalnych metod [ 48 ]. To podejście nie jest zrównoważone, ponieważ jest w dużym stopniu uzależnione od paliw kopalnych. Kilka przeszkód uniemożliwia ogólnemu wzrostowi wytwarzania wodoru z reformingu parowego zaspokojenie globalnego popytu. Istnieje kilka przeszkód do pokonania, w tym (a) niewystarczająca ilość gazu ziemnego z powodu zwiększonego globalnego popytu; (b) znaczne finansowanie kapitałowe niezbędne do zaprojektowania infrastruktury wodorowej dostępnej w celu pokrycia globalnego wzrostu; (c) niewystarczające innowacyjne wsparcie dla opłacalnych technologii wychwytywania i składowania dwutlenku węgla oraz (d) ogromne emisje gazów cieplarnianych, które przyczyniają się do globalnego ocieplenia [ 49 ]. Wytwarzanie wodoru ze źródeł odnawialnych przyciąga wiele uwagi. Jednak takie postępy technologiczne są nadal w fazie wstępnej i są niebotycznie kosztowne w porównaniu z wytwarzaniem wodoru z paliw kopalnych.

Wymagane są znaczne środki ostrożności w celu zachowania wodoru w stanie skroplonym przy wysokich ciśnieniach powyżej 100 MPa i temperaturach kriogenicznych około −253 °C. Wielu badaczy interesuje się innowacyjnymi materiałami do magazynowania wodoru, takimi jak nanostruktury węglowe, metale i złożone wodorotlenki, które zostały niedawno odkryte [ 50 ]. Wysokie ciśnienie lub znacznie niższe temperatury kriogeniczne nie są wymagane do magazynowania wodoru w postaci stałej, co czyni go bezpieczniejszą i bardziej opłacalną metodą magazynowania wodoru. Komercyjne wdrażanie wodoru w przemyśle wymaga wydajnego pakowania, magazynowania i transportu. Materiał do magazynowania H ₂ pokazany na rysunku 5 wymaga dalszych badań w celu zagwarantowania, że ​​jest bezpieczny, godny zaufania i niedrogi [ 51 , 52 ]. Koncepcja magazynowania wodoru jest uznawana za trudną. Zastosowane materiały nie mogą aktywnie oddziaływać z wodorem ani żadnym innym procesem. Ponadto tradycyjne metody magazynowania wykorzystujące butle gazowe pod wysokim ciśnieniem (sprężony wodór) i ciekły wodór; dokładnie zbadano fizyczną adsorpcję H2 _na materiałach o istotnych zmiennych, takich jak duża powierzchnia właściwa, oraz interkalację wodoru w metalach i złożonych hydrydkach prowadzącą do magazynowania H2 _{w metalach [} 53 , 54 , 55 , 56 ].

Rysunek 5. Porównanie pojemności magazynowej skroplonego wodoru w dostępnych pojemnikach z pojemnością systemów magazynowania wodoru opartych na różnych materiałach (Przedruk z [ 51 , 52 ]. Copyright (2022), za zgodą).

Vajo i in. pierwotnie opracowali układ 2LiBH ₄ –MgH ₂ i odkryli, że dehydrogenacja MgB ₂ skutkowała redukcją entalpii reakcji do 25 kJ mol ⁻¹ H ₂ . Odwracalne magazynowanie wodoru osiągnięto z akceptowalną wydajnością układu 2LiBH ₄ –MgH ₂ ; jednak napotkano wysokie temperatury i słabą kinetykę dehydrogenacji [ 57 ]. Kilka domieszek o działaniu katalitycznym może zwiększyć szerokie możliwości magazynowania wodoru układu 2LiBH ₄ –MgH ₂ . Jego właściwości dehydrogenacji i rehydrogenacji można w pewnym stopniu poprawić przez domieszkowanie układów LiBH ₄ i LiBH ₄ –MgH ₂ odpowiednią ilością katalizatora, takiego jak metale, tlenki, halogenki, węgiel, kompozyty itp., jak pokazano w tabeli 3 , w celu uwolnienia wodoru w niskich temperaturach [ 58 ].

Całkowita światowa zdolność wytwarzania wodoru, w skrócie MMSCFD, wynosi 14 214 milionów standardowych stóp sześciennych dziennie [ 43 ]. Stany Zjednoczone Ameryki (3859 MMSCFD), Korea Południowa (1532 MMSCFD), Japonia (1425 MMSCFD), Niemcy (742 MMSCFD) i Kanada (446 MMSCFD) były pięcioma krajami produkującymi wodór w 2017 r. na podstawie dostępnych danych [ 68 ]. Wdrażanie wodoru dla odbiorców przemysłowych jest obecnie dochodowym biznesem na całym świecie. Zapotrzebowanie na wodór wzrosło ponad trzykrotnie od 1975 r. i nadal rośnie, jak pokazano na rysunku 6. Roczne zużycie wodoru w czystej postaci szacuje się na ponad 70 milionów ton (MtH ₂ /rok). Wodór ten jest w całości pozyskiwany z paliw kopalnych, przy czym wytwarzanie wodoru stanowi 6% światowego gazu ziemnego i 2% światowego węgla [ 43 ]. W rezultacie wytwarzanie wodoru powoduje emisję CO2 _wynoszącą około 830 milionów ton rocznie (MtCO2 _/ rok), co mniej więcej odpowiada emisjom CO2 _Indonezji i Zjednoczonego Królestwa łącznie. Energy Transitions Commission (ETC) to globalny sojusz profesjonalistów z branży energetycznej, którego celem jest osiągnięcie zerowej emisji netto do 2050 r. zgodnie z celem utrzymania globalnego ocieplenia znacznie poniżej 2 °C, idealnie 1,5 °C [ 69 ]. Porozumienie paryskie, które weszło w życie w listopadzie 2016 r., ma na celu osiągnięcie tego i innych wyznaczonych celów. Jednak osiągnięcie celów paryskich będzie niemożliwe bez znaczących postępów ze strony krajów wschodzących. Wkład krajów wschodzących w globalną emisję gazów cieplarnianych był w przeszłości minimalny. Jednak nastąpiła zmiana w rocznym bilansie emisji. Sześciu z dziesięciu największych producentów paliw kopalnych należy do krajów rozwijających się i odpowiada za około 60% całkowitych rocznych emisji [ 70 ]. Aby sprostać zapotrzebowaniu energetycznemu krajów wschodzących, należy wziąć pod uwagę ograniczenia dotyczące emisji dwutlenku węgla. Nawet jeśli wszystkie uprzemysłowione kraje spełnią cele klimatyczne, biedniejsze kraje nie pójdą w ich ślady. W rezultacie energia bezemisyjna staje się coraz bardziej ekonomiczna. Według danych z 2018 r. całkowite światowe zużycie wodoru może wzrosnąć 5–7-krotnie ze 115 Mt rocznie do 500–800 Mt do 2050 r., wliczając wodór (i jego pochodne), przyczyniając się do 15–20% ostatecznego zapotrzebowania na energię, oprócz prawie 70% emisji spowodowanych przez bezpośrednią energię elektryczną [ 71 , 72 , 73 ].

Rysunek 6. Roczny wzrost światowego zapotrzebowania na wodór od 1975 r. (Przedruk z [ 43 ]. Copyright (2022), za zgodą).

W 2018 roku produkcja paliw kopalnych wyniosła 70 Mt, przy czym gaz ziemny (71%) i węgiel stanowiły większość produkcji (27%). Około 830 Mt CO2 _zostało wyemitowane z powodu tej produkcji, co stanowi około 2,2% emisji CO2 związanych z energią _. Ten wodór był głównie wykorzystywany w rafinacji (38 Mt), produkcji amoniaku (31 Mt, głównie do produkcji nawozów) i produkcji metanolu (12 Mt, używany głównie jako dodatek do paliwa i do produkcji tworzyw sztucznych) [ 71 ]. Zrównoważony wodór będzie coraz częściej zastępował wodór uzyskiwany z nieograniczonych paliw kopalnych w obecnych zastosowaniach i będzie wykorzystywany w różnych nowych technologiach w ciągu najbliższych 30 lat. Jego konkretna rola w porównaniu z innymi podejściami do dekarbonizacji (w szczególności bezpośrednią elektryfikacją) jest z natury nieznana w niektórych obszarach. Jednak realistyczne możliwości szacują, że gospodarka zeroemisyjna w 2050 roku będzie wymagała od 500 do 800 Mt wodoru rocznie [ 71 ].

3. Katalizatory dla technologii magazynowania i konwersji energii bezemisyjnej

Ogniwa paliwowe, baterie metalowo-powietrzne i rozszczepianie wody to przykłady technologii konwersji i magazynowania czystej energii, które są przedmiotem szeroko zakrojonych badań ze względu na ich wysoką wydajność, potencjalne zastosowania na dużą skalę oraz brak zanieczyszczeń lub emisji gazów cieplarnianych [ 74 ]. Jednak katalizatory z metali szlachetnych (takie jak platyna, Pt i jego pochodne) są często stosowane w urządzeniach energetycznych w celu stymulowania krytycznych procesów chemicznych, takich jak reakcja redukcji tlenu (ORR), reakcja wydzielania tlenu (OER) i reakcja wydzielania wodoru (HER). Ograniczone zasoby i wysoki koszt katalizatorów Pt uniemożliwiły komercjalizację tej technologii. W rezultacie konieczne jest opracowanie tanich, wysokowydajnych elektrokatalizatorów. Niniejsze proponowane badanie poświęcone jest temu kluczowemu tematowi w obszarze technologii zrównoważonej energii [ 74 , 75 ].

Zbadano różne materiały mogące zastąpić konwencjonalne katalizatory z metali szlachetnych, w tym metale nieszlachetne, tlenki metali, nanorurki węglowe, struktury metalo-organiczne (MOF), a nawet katalizatory jednoatomowe [ 76 ]. Song i in. zsyntetyzowali wydajny bifunkcyjny elektrokatalizator z mieszanych tlenków metali Ni-Co włączonych do węgla domieszkowanego kobaltem/azotem z hierarchiczną pustą nanostrukturą (H-Co/N–C@NiCo ₂ O). Ich katalizator wykazuje doskonałą aktywność elektrokatalityczną i długoterminową stabilność zarówno dla ORR, jak i OER akumulatorów Zn-powietrze [ 77 ]. Dzięki wysokiemu potencjałowi początkowemu i dużej gęstości prądu granicznego Xiao i in. zsyntetyzowali 3D wysoce uporządkowany mezoporowaty kompozyt nano MnO ₂ @Ni-pc, który znacznie poprawia wydajność ORR MnO ₂ , przy jednoczesnym zachowaniu niskich kosztów [ 78 ]. Według Xu i in. opracowano ogólną technikę wytwarzania bimetalicznych katalizatorów jednoatomowych Ni i Fe ładowanych na grafen w celu zwiększenia aktywności OER [ 79 ]. Niedawno Qazi i in. z powodzeniem zastosowali piankę miedzianą o zmodyfikowanej powierzchni wraz z nano-heterostrukturami NiCo–NiCoO2 _w celu uzyskania lepszego bifunkcyjnego materiału elektrodowego. Rysunek 7 ilustruje proces przygotowania i jego wydajność. Bimetaliczne cienkowarstwowe nano-heterostruktury NiCo–NiCoO2 _@ Cu2O _@ CF wykazują synergistyczny efekt podwójnie aktywnych metali Ni i Co w celu uzyskania imponujących małych nadpotencjałów 133 i 327 mV w celu uzyskania gęstości prądu 10 mA cm ⁻² dla HER i OER [ 36 ].

Rysunek 7. ( a ) Krzywe liniowej woltamperometrii przemiatającej (LSV) OER dla przygotowanych próbek elektrod IrO2 _, CF, Cu2O _@ CF, Ni-NiO@Cu2O _@ CF, Co-CoO@Cu2O@CF _i NiCo-NiCoO2 @ _Cu2O @CF w środowisku alkalicznym. ( b ) Odpowiednie wykresy Tafela. ( c ) Krzywe LSV dla testu stabilności OER (2000 cykli), wstawka przedstawia zależność czasową OER od gęstości prądu przy stałym nadpotencjale ₃₂₇ mV NiCo-NiCoO2 _@ Cu2O _@ CF bez mieszania. ( d ) Krzywe LSV HER dla przygotowanych próbek elektrod Pt/C, CF, Cu ₂ O@CF, Ni-NiO@Cu ₂ O@CF, Co-CoO@Cu ₂ O@CF i NiCo-NiCoO ₂ @Cu ₂ O@CF w środowisku alkalicznym. ( e ) Odpowiednie wykresy Tafela. ( f ) Krzywe LSV dla testu stabilności HER (2000 cykli), wstawka przedstawia zależność czasową HER od gęstości prądu przy stałym nadpotencjale 133 mV NiCo-NiCoO ₂ @Cu ₂ O@CF bez mieszania. (Przedruk z [ 36 ]. Prawa autorskie (2022), za zgodą).

Katalizatory HER (reakcja wydzielania wodoru) są opracowywane na wiele sposobów, jak widać w przykładach podanych w Tabeli 4. Porównanie to opiera się na wydajności elektrokatalitycznej i charakterystyce kinetycznej tych katalizatorów w różnych scenariuszach reakcji. Elektrokatalizatory HER można podzielić na dwie kategorie. Pierwsza kategoria to elektrokatalizatory na bazie metali szlachetnych, a druga to elektrokatalizatory na bazie metali nieszlachetnych, obie omówione poniżej. Badanych jest kilka sposobów na poprawę wydajności elektrokatalizatorów na bazie metali szlachetnych, w szczególności katalizatorów na bazie Pt, przy jednoczesnym obniżeniu ceny elektrokatalizatorów. Na przykład stopowanie Pt z innymi tanimi metalami przejściowymi, które może zwiększyć wykorzystanie Pt, a synergistyczny wpływ stopu może zmienić otoczenie elektryczne w celu zoptymalizowania aktywności metali przejściowych i zwiększenia ich skuteczności. Inną kluczową techniką poprawy aktywności alkalicznych HER jest wiązanie Pt z innymi przyspieszaczami dysocjacji wody, co jest niezwykle istotne w zastosowaniach przemysłowych w różnych dziedzinach. Jeśli chodzi o katalizatory wysokowydajnego utleniania katalitycznego (HER) na bazie metali nieszlachetnych, duży nacisk położono na ich rozwój, głównie ze względu na obawy związane z niskimi kosztami i dostępnością zasobów dla całej planety.

Odkryto również różne metody i procedury, które można wykorzystać do zminimalizowania zużycia metali szlachetnych, zwiększając jednocześnie ich aktywność i stabilność. Ekonomiczny katalizator na bazie Pt unieruchomiony na funkcjonalizowanym węglu Vulcan został zsyntetyzowany przez Luo i in. przy użyciu wykwintnej i łatwej w obsłudze techniki osadzania warstw atomowych (ALD) z procesu hydrotermalnego prekursora Ru i roztworu glikolu etylenowego, który wykazuje znacząco zwiększoną aktywność i stabilność HER [ 87 ]. Li i in. opracowali cztery modele COP (COP-Bn, z n = 3, 4, 5 i 6), przetestowali je przy użyciu metodologii teorii funkcjonału gęstości (DFT) i stwierdzili, że działają dobrze pod względem ORR. Chociaż ustalono, że nanomateriały węglowe domieszkowane heteroatomami mogą być stosowane jako skuteczny elektrokatalizator dla ORR, aktywność tych materiałów jest zmniejszona w warunkach kwaśnych [ 88 ].

Rysunek 8 przedstawia GO i jego pochodne, które są badane w różnych zastosowaniach elektrochemicznego magazynowania energii, w tym w bateriach, kondensatorach i ogniwach paliwowych, ze względu na ich doskonałe i unikalne cechy [ 89 , 90 , 91 ]. GO ma potencjał do działania jako utleniacz poprzez zmniejszanie swoich grup funkcyjnych tlenu, a tworzenie kompozytów przy użyciu niezwykłych właściwości GO jest doskonałym przykładem. Jego niezwykła konstrukcja zaowocowała silnymi i adaptowalnymi funkcjonalnościami, które są wykorzystywane w żywotnych instrumentach systemów energetycznych.

GO i rGO mają dużą powierzchnię, co czyni je idealnymi do wykorzystania jako materiały elektrodowe w różnych zastosowaniach, takich jak baterie, ogniwa paliwowe, kondensatory dwuwarstwowe i ogniwa słoneczne [ 92 , 93 , 94 , 95 ]. Rozwój GO jest łatwiejszy do skalowania niż rozwój niektórych innych związków grafenu. W rezultacie może być on stosowany w niedalekiej przyszłości w zastosowaniach związanych z energią. Ze względu na zdolność do magazynowania wodoru może on pewnego dnia stać się ważnym modelem magazynowania paliwa wodorowego w samochodach hybrydowych. Ze względu na swoją dużą pojemność, baterie litowo-jonowe zawierające nanokompozyty tlenku grafenu i rGO mogą być w stanie magazynować znaczne ilości energii. W tym konkretnym przypadku rGO został zamknięty w nanocząstkach tlenku metalu w celu poprawy wydajności tych materiałów w zastosowaniach w zestawach baterii. Projekt ten obejmował budowę systemu baterii litowo-jonowej przy użyciu materiału anodowego składającego się z Fe ₃ O ₄ pokrytego zredukowanym tlenkiem grafenu . Porównując urządzenie z układem zbudowanym w całości z czystego Fe ₃ O ₄ lub czystego Fe ₂ O ₃ , stwierdzono, że pojemność magazynowania energii i dobra trwałość urządzenia znacznie wzrosły [ 92 , 93 , 94 , 95 , 96 , 97 , 98 , 99 , 100 ].

Zhu i in. zastosowali złuszczanie wspomagane mikrofalami do syntezy rGO o dużej powierzchni, co spowodowało zmniejszenie ilości GO potrzebnej do produkcji superkondensatorów stosowanych w urządzeniach do magazynowania energii; podobne wyniki uzyskano w [ 37 , 101 ]. Po opublikowaniu swojego artykułu, Bo i in. pomyślnie wyprodukowali elektroniczne czujniki gazu i superkondensatory wykorzystujące kwas kawowy (CA)-rGO, obserwując, że mają one wyjątkową wydajność w potencjalnych zastosowaniach czujników i magazynowania energii [ 102 , 103 ].

Rysunek 8. Ilustracja zastosowań magazynowania energii elektrochemicznej opartego na GO (Przedruk z [ 104 ]. Prawa autorskie (2022), za zgodą).

4. Liczne podejścia do zrównoważonej produkcji wodoru

Wszystkie rodzaje wodoru wykorzystywane do przyspieszenia karbonizacji muszą być przyjazne dla środowiska. Można to osiągnąć za pomocą tzw. „zielonej” metody elektrolizy wody przy użyciu energii o zerowej emisji dwutlenku węgla. Z drugiej strony, wodór niskoemisyjny (ale nie zeroemisyjny) można wytworzyć, stosując „niebieską” ścieżkę, która obejmuje wydobywanie wodoru z węglowodorów gazu ziemnego, przy jednoczesnym włączeniu wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS) i zmniejszeniu emisji metanu (znaczącego gazu cieplarnianego) do niemal zera w całym procesie produkcji, przetwarzania, transportu i użytkowania gazu ziemnego. W rezultacie oczekuje się, że zrównoważona zielona metoda będzie dominować w dłuższej perspektywie, a niebieski wodór odegra kluczową rolę w jej przejściu i wybranych wyspecjalizowanych lokalizacjach. Różne ścieżki produkcji wodoru z odpowiadającymi im zaletami, wadami, surowcami, kosztami/kg i wydajnościami omówiono w Tabeli 5 .

Znaczna ilość gazu wodorowego jest obecnie wytwarzana za pomocą gazu ziemnego, reformingu parowo-metanowego (SMR) lub technologii zgazowania węgla (szczególnie w Chinach). Tylko niewielki procent jest wytwarzany w sposób niskoemisyjny/zerowy. Kilka metod może być stosowanych do produkcji wodoru o bardzo niskiej/zerowej zawartości węgla [ 71 ] ( Rysunek 9 ). Jednak wiele z nich znajduje się dopiero we wczesnej fazie rozwoju lub cierpi na wewnętrzne wady. Drogi produkcji wodoru z biomasy prawdopodobnie nie odegrają znaczącej roli ze względu na ogólnie ograniczone zasoby zrównoważonej biomasy; mogą jednak oferować ścieżki do szkodliwych emisji poprzez sekwestrację CO2 _[ 62 , 65 , 71 , 105 ] .

Rysunek 9. Można sobie wyobrazić liczne czyste i zielone drogi wytwarzania wodoru (przedruk za zgodą) [ 71 ]. Z drugiej strony, moc wejściowa jest określana przez konstrukcję zakładu i zbieranie dwutlenku węgla. Proces spalania zazwyczaj generuje energię elektryczną z paliw kopalnych. * CCS oznacza wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla (przedruk z [ 106 ]. Copyright (2022), za zgodą).

5. Strategie zerowej emisji netto do 2050 r.: znaczenie wodoru

Aby osiągnąć zerową emisję netto do roku 2050, potrzebne będą technologie z różnych źródeł. Podczas dekarbonizacji globalnego systemu energetycznego wyróżniają się następujące czynniki: zwiększona wydajność energetyczna, zmiana nawyków konsumentów, elektryfikacja, paliwa alternatywne, wodór oraz wychwytywanie, wykorzystywanie i składowanie dwutlenku węgla (CCUS). Rosnący udział wodoru w całkowitym końcowym zużyciu energii (TFC) odzwierciedla jego znaczenie w scenariuszu zerowej emisji netto. Wodór i paliwa na bazie wodoru stanowiły mniej niż 0,1 procenta w 2020 r., ale do 2030 r. wzrosną do 2% TFC, a do 2050 r. do 10% [ 111 , 112 ].

Jednak samo zwiększenie popytu nie wystarczy, aby wesprzeć wodór, istotny składnik dekarbonizacji. Generowanie wodoru powinno stać się również znacznie bardziej przyjazne dla środowiska niż jest teraz. Na przykład około 80% z 90 Mt H ₂ wykorzystanych w 2020 r. pochodziło z paliw kopalnych, zasadniczo bez ograniczeń. Reszta składała się niemal w całości z gazów resztkowych z rafinerii i przemysłu petrochemicznego. Spowodowało to około 900 Mt emisji CO _{2 z generowania wodoru, co jest równe całkowitym emisjom CO 2} Indonezji i Zjednoczonego Królestwa łącznie [ 43 , 113 ].

Produkcja wodoru doświadczy bezprecedensowej zmiany w ramach Scenariusza Zero Emisji Netto. Do 2030 r., gdy całkowita produkcja przekroczy 200 Mt H ₂ , technologie niskoemisyjne będą stanowić 70% całkowitej produkcji (elektroliza lub paliwa kopalne z CCUS). Do 2050 r. produkcja wodoru wzrośnie do ponad 500 Mt H ₂ dzięki technologii niskoemisyjnej. Aby osiągnąć te cele, operacyjna zdolność elektrolizy musiałaby wzrosnąć z obecnych 0,3 GW do prawie 850 GW do 2030 r. i ponad 3600 GW do 2050 r., podczas gdy CO ₂ absorbowane podczas produkcji wodoru będzie musiało wzrosnąć z obecnych 135 Mt do 680 Mt w 2030 r. i 1800 Mt w 2050 r. ( Rysunek 10 ) [ 114 ].

Rysunek 10. Do roku 2050 rząd wyznaczył cele dotyczące możliwego wykorzystania wodoru w celu osiągnięcia zerowej emisji netto dwutlenku węgla. Z drugiej strony amoniak jest wykorzystywany jako surowiec do syntezy wodoru (Przedruk z [ 114 ]. Copyright (2022), za zgodą).

6. Przyszłe zastosowania wodoru

W 2020 r. globalne zużycie wodoru szacowano na około 90 Mt, co stanowi wzrost o 50% od początku stulecia. Rafinacja i wykorzystanie przemysłowe przyczyniają się do niemal całego tego zapotrzebowania. Rafinerie wykorzystują prawie 40 Mt H ₂ rocznie jako surowiec, odczynniki lub źródła energii. W sektorach produkcji przemysłowej zapotrzebowanie jest nieco większe (ponad 50 Mt H ₂ ), głównie na surowce. Około 45 Mt H ₂ zapotrzebowania jest zaspokajane przez przetwarzanie chemiczne, które obejmuje trzy czwarte amoniaku i jedną czwartą metanolu. Pozostałe 5 Mt H ₂ jest wykorzystywane jako bezpośrednio zredukowane żelazo (DRI) w procesie produkcji stali. Poza niewielkim wzrostem popytu na produkcję DRI, dystrybucja ta pozostała niemal stabilna od 2000 r. Wodór był zużywany w dużych ilościach na innowacyjne sposoby, z których większość miała miejsce w poprzednich dziesięciu latach, kiedy rozpoczęto wdrażanie pojazdów elektrycznych z ogniwami paliwowymi (FCEV), a programy pilotażowe natychmiast rozpoczęły dostarczanie wodoru do sieci gazowych i wykorzystywanie go do wytwarzania energii. Dzięki tym osiągnięciom znaczące postępy technologiczne w zakresie wodoru zmierzały w kierunku komercjalizacji [ 115 ].

Jednocześnie wzrosła świadomość globalnego ocieplenia, rządy i przedsiębiorstwa złożyły stanowcze obietnice zmniejszenia emisji CO ₂ . Pomimo faktu, że przyspieszyło to wdrażanie wodoru w nowoczesnych innowacjach, nadal brakuje popytu w tej dziedzinie. Roczne zużycie wodoru w transporcie wynosi na przykład mniej niż 20 kt H ₂ , co stanowi około 0,02 procent całkowitego zapotrzebowania na wodór. Zgodnie z ramami Net Zero do 2050 r. Międzynarodowej Agencji Energii, spełnienie rządowych celów dekarbonizacji wymagałoby znacznego przyspieszenia wdrażania technologii wodorowych w różnych sektorach przemysłu energetycznego. Wzmocnienie wodoru jako alternatywnego składnika energii jest projektem długoterminowym, ponieważ wschodzące paliwa mogą potrzebować kilku lat, aby w pełni zintegrować się z dostawami energii. W rezultacie konieczna jest natychmiastowa interwencja w celu przyspieszenia operacji skalowania i ustalenia okoliczności niezbędnych do zapewnienia, że ​​do 2030 r. technologie wodorowe będą mogły zostać szeroko przyjęte i wykorzystane w długoterminowej strategii gospodarki niskoemisyjnej [ 116 ].

Pomimo ich obecnego znacznego tempa, istniejące projekty pokazują, że oczekiwane wdrożenie technologii wodorowej w wymagających kategoriach nie odpowiada jeszcze aspiracjom Scenariusza Net Zero Emissions. Obecny nacisk rządu położony jest na dekarbonizację wytwarzania wodoru, a nie na zachęcanie do popytu na nowe zastosowania. Poza godnymi uwagi wyjątkami w Chinach, Korei, Japonii i kilku krajach UE we wdrażaniu wielu rodzajów pojazdów FCEV, niewiele celów rządowych zakłada promowanie paliw opartych na wodorze w branżach końcowego zastosowania [ 117 , 118 ]. Ponadto obecne cele kraju dotyczące promowania wykorzystania wodoru do zastosowań przyszłościowych są niewystarczające, aby spełnić zobowiązania dotyczące zerowej emisji netto. Wyznaczanie celów i zadań jako długoterminowego wskazania jest niewystarczające do wytworzenia dynamiki rynku wymaganej do uwolnienia inwestycji sektora prywatnego i przyspieszenia wdrażania technologii wodorowej. Podstawowe polityki muszą uzupełniać plany, aby pomóc w ich spełnieniu, takie jak znaczące inicjatywy wzrostu, które ustanawiają odrębne rynki [ 116 , 119 , 120 ].

Istnieją cztery możliwe rodzaje zastosowań wodoru w gospodarce zeroemisyjnej, jak pokazano na rysunku 11 [ 121 ]:

Rysunek 11. Różne potencjalne zastosowania wodoru (Przedruk z [ 121 ]. Copyright (2022), za zgodą).

⮚ Obecne zastosowania wodoru stwarzają dobre perspektywy krótkoterminowego przejścia na czysty wodór i wysoki stopień przewidywalności popytu długoterminowego.

⮚ Istnieje pewność, że aplikacje te będą cieszyły się długoterminowym popytem, ​​nawet jeśli ich stworzenie zajmie lata.

⮚ Okazje, które potencjalnie są krótkoterminowe, ale średnioterminowe.

⮚ Przyszłe zastosowania w zakresie względnych kosztów i korzyści w porównaniu z bezpośrednią elektryfikacją i innymi alternatywnymi metodami dekarbonizacji wciąż nie są pewne.

Obecne zastosowania wodoru, w których czysty wodór może tymczasowo zastąpić wytwarzanie szarego wodoru, zazwyczaj przy umiarkowanym ulepszeniu, i wyeliminować wytwarzanie 830 Mt CO2 _, obejmują:

Rafinacja ropy naftowej , odsiarczanie i hydrokraking to dwa procesy, w których wykorzystuje się wodór w celu ulepszenia pozostałych ciężkich olejów. Wraz ze spadkiem zapotrzebowania na paliwa na bazie oleju, szczególnie w sektorze transportu, jego wykorzystanie zmniejszy się w średnim i długim okresie. Produkcja tworzyw sztucznych będzie wymagała mniej oleju ze względu na ponowne przetwarzanie i możliwe wykorzystanie biosurowców.

W 2020 r. największym pojedynczym użytkownikiem wodoru był przemysł rafinacji ropy naftowej (blisko 40 Mt H ₂ ). Wodór jest wykorzystywany w rafineriach do usuwania zanieczyszczeń (szczególnie siarki) i ulepszania składu istniejącego ciężkiego oleju do lekkich produktów. Chiny wykorzystują najwięcej wodoru do rafinacji (około 9 Mt H ₂ /rok), następnie Stany Zjednoczone (około 7 Mt H ₂ /rok) i Bliski Wschód (około 4 Mt H ₂ /rok). Te trzy obszary odpowiadają za znaczną część światowego popytu. Około połowa zapotrzebowania rafinerii na wodór jest zaspokajana przez wodór uboczny z innych operacji rafineryjnych (np. katalityczny reforming nafty) lub inne procesy petrochemiczne włączone do konkretnych rafinerii (np. krakery parowe). Pozostałe zapotrzebowanie jest zaspokajane przez specjalistyczną produkcję na miejscu lub wodór zewnętrznie nabywany od sprzedawców. Reformowanie gazu ziemnego stanowi najistotniejszą część produkcji na miejscu, z wyjątkiem zgazowania węgla, które stanowi około 20% zaangażowanej produkcji wodoru w chińskich rafineriach. Generowanie wodoru w celu zaspokojenia zapotrzebowania rafinacji wyemitowało ponad 200 Mt CO ₂ w 2020 r. [ 122 , 123 ].

Amoniak jest wytwarzany przy użyciu procesu Habera-Boscha, w którym znaczącym graczem jest wodór [ 90 , 124 , 125 , 126 ]. Proces Habera-Boscha produkuje 180 Mt amoniaku rocznie, z czego 80 procent jest wykorzystywane do produkcji nawozów. W świetle rosnącego popytu spowodowanego zaawansowanymi zastosowaniami, przewiduje się, że popyt na amoniak dla obecnych użytkowników pozostanie na stałym poziomie lub nieznacznie wzrośnie. Oczekuje się, że energia wiatrowa i słoneczna odegrają kluczową rolę w przyszłych perspektywach energii zeroemisyjnej [ 91 , 127 , 128 , 129 ]. Długoterminowe zrównoważone magazynowanie energii jest wymagane w celu zrównoważenia popytu na energię z zapewnieniem energii niskoemisyjnej z tych przerywanych źródeł. Zrównoważona produkcja amoniaku ma potencjał, aby wpłynąć na transformację na energię zeroemisyjną poprzez dekarbonizację jego obecnego znaczącego zastosowania w produkcji nawozów. Być może co ważniejsze, ma następujące możliwe zastosowania:

• Energię chemiczną można magazynować i transportować za pomocą amoniaku, który rozkłada się całkowicie lub częściowo, a produktem ubocznym jest wodór.
• Gdy jest stosowany jako paliwo w transporcie, może być bezpośrednio spalany w silniku lub przekształcany w energię elektryczną poprzez reakcję chemiczną z powietrzem otoczenia w ogniwie paliwowym.
• Ciepło jest magazynowane poprzez absorpcję wody i przemiany fazowe materiału (na przykład z cieczy w gaz).

Amoniak może być podstawą nowego, zintegrowanego globalnego systemu magazynowania i dystrybucji energii odnawialnej ze względu na stosunkowo wysoką gęstość energii wynoszącą około 3 kWh/litr oraz istniejącą międzynarodową infrastrukturę transportową i magazynową [ 130 , 131 ]. Te cechy pokazują, że amoniak może być opłacalny do przesyłania energii bezemisyjnej drogą, koleją, statkiem lub rurociągiem. Amoniak jest wykorzystywany jako nawóz od ponad wieku, odgrywając kluczową rolę w zapewnianiu światu wystarczających dostaw żywności. Amoniak jest obecnie produkowany głównie poprzez parową reformę metanu w celu wytworzenia wodoru, a następnie przepuszczany przez proces Habera-Boscha, który syntetyzuje amoniak [ 103 , 132 ]. Łagodna produkcja amoniaku z możliwymi obecnymi i przyszłościowymi zastosowaniami jest pokazana na rysunku 12. Produkcja amoniaku przyczynia się do około 1,8 procent światowych emisji CO ₂. Generowanie wodoru, albo poprzez wychwytywanie i magazynowanie dwutlenku węgla, albo poprzez elektrolizę wody wykorzystującą zrównoważoną energię, jest głównym celem rozwiązań dekarbonizacyjnych. Amoniak może mieć znaczący wpływ na nadchodzące dekady, umożliwiając nam odejście od ogólnoświatowej zależności od paliw kopalnych i wnosząc istotny wkład w łagodzenie zmian klimatycznych.

Rysunek 12. Produkcja łagodnego amoniaku z możliwymi obecnymi i przyszłymi zastosowaniami (Przedruk z [ 132 ]. Prawa autorskie (2022), za zgodą).

Bezpośrednie wychwytywanie i składowanie CO2 z powietrza _: Dobrze znanym faktem jest, że dwutlenek węgla jest jednym ze składników powietrza, które przyczyniają się do globalnego ocieplenia i emisji gazów cieplarnianych [ 133 ]. Globalne emisje dwutlenku węgla przypisuje się głównie działalności przemysłowej, a emisje związane z transportem i innymi podobnymi źródłami przyczyniają się do pozostałej części [ 134 ]. Te niebezpieczne gazy muszą zostać zredukowane, aby przywrócić integralność ekosystemów. W tym celu najwybitniejsze mózgi w dziedzinie nauki o energetyce muszą się zjednoczyć i opracować zrównoważone technologie, aby osiągnąć ten cel. Emisje dwutlenku węgla (CO2 ₎ drastycznie rosną wraz z postępem gospodarki. Eliminacja CO2 _jest wymagana, aby osiągnąć zerową emisję dwutlenku węgla [ 135 , 136 ]. Aktywnie poszukuje się kilku technik wychwytywania i składowania CO2 _, aby utrzymać go poza środowiskiem i zminimalizować potencjalne zniszczenia. Jednak takie postępy są nadal w toku i napotykają problemy, takie jak niska wydajność, utrata energii i inne kwestie. W rezultacie badania skupiły się na skuteczniejszych technologiach ograniczania emisji CO ₂ , takich jak ogniwa paliwowe [ 72 , 137 , 138 , 139 ].

Wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla to przełomowa metoda obniżania poziomu CO2 _w atmosferze i przechowywania CO2 _w sposób zapobiegający jego uwalnianiu. Przez dziesięciolecia CO2 _był wykorzystywany do zwiększania efektywności wydobycia ropy ze złóż; dlatego też technika ta jest znacznie powszechniej stosowana w rafineriach [ 140 , 141 , 142 , 143 ]. CO2 _może być wychwytywany z atmosfery za pomocą różnych metod, w tym sekwestracji geologicznej, składowania go w morzach i stosowania struktur metalo-organicznych (MOF) [ 144 , 145 ]. Ilość wychwytywanego rocznie CO2 _jest ogromna, co wymaga znacznej ilości miejsca do magazynowania. W rezultacie składowanie CO2 _pod ziemią jest postrzegane jako realna opcja, ponieważ dostępna powierzchnia jest wystarczająca do przechowywania całego wychwyconego _CO2 .

Niestety, z tym sposobem magazynowania wiążą się problemy z wyciekami; w związku z tym wiele osób zajmuje się analizą tej technologii i tworzeniem nowych strategii w celu zmniejszenia takich problemów [ 146 , 147 , 148 , 149 ]. Przeprowadzono dokładną ocenę strategii zarządzania magazynowaniem podziemnym. Często lepiej jest wykorzystać zebrany CO2 _w substancjach, takich jak gaz syntezowy, metanol i inne związki chemiczne, poprzez różne procesy, takie jak elektrochemiczna lub biochemiczna transformacja zmagazynowanego CO2 _do wykorzystania w przyszłości. Ze względu na rosnące koszty i brak zysku pieniężnego przedsiębiorstwa uważają, że przechowywanie CO2 w nieskończoność jest wyzwaniem _. Gdy badane są technologie, takie jak elektrochemiczna konwersja CO2 _i ulepszone odzyskiwanie ropy naftowej na bazie CO2 _, mogą one pomóc przedsiębiorstwom w zarabianiu pieniędzy [ 150 , 151 , 152 ].

Ze względu na przełomy technologiczne, wdrażanie zaawansowanych technologii stanie się w przyszłości coraz ważniejsze. Opracowano ogniwa paliwowe elektrochemiczne w celu wytwarzania paliwa i energii z CO2 _[ 153 , 154 , 155 ] . Jest całkiem możliwe, że wytwarzanie energii z węgla, które znacznie zwiększa emisję CO2 _, zostanie zastąpione ogniwami elektrochemicznymi. Ze względu na różne osiągnięcia w systemach, takich jak ogniwa koelektrolizera tlenków stałych (SOCE) i reaktora formowania węgla (CFR), oczekuje się wzrostu rynku ogniw paliwowych elektrochemicznych.

Aby przekształcić CO2 w sole korozyjne i formatowe kwasu mrówkowego, norweska firma DNV GL opracowała metodę elektrochemicznej redukcji dwutlenku węgla do kwasu mrówkowego (ECFORM). Jak pokazano na rysunku 13 , podejście to wykorzystuje reaktor elektrolizy [ 156 , 157 ]. Wytwarza on sole mrówczanowe z CO2 _, używając amalgamatu na bazie cyny jako katod, podczas gdy anoda generuje tlen. Ponadto membrana jonowa jest również częścią konstrukcji reaktora. Potencjał ogniwa reaktora jest niski, a trudności związane z oporem zwiększają wydajność energetyczną procedury, czyniąc ją bardziej wykonalną komercyjnie [ 158 ]. Ogniwo zużywa około 5,5 MWh/tonę energii, co można zaspokoić ze źródeł odnawialnych. Norweski producent opracował półpilotażowy reaktor ECFORM. Dzienny limit obniżania CO2 wynosi około 1 kg dziennie. Kwas mrówkowy jest syntetyzowany w ilości równej ilości wykorzystanego CO2_, przy czym każda tona wykorzystanego CO2 powoduje redukcję emisji CO2 o 1,04 tony _[ 158 , 159 ] .

Rysunek 13. Reaktor elektrolizy ECFORM (Przedruk z [ 157 ]. Prawa autorskie (2022), za zgodą).

Metanol jest obecnie produkowany w tempie 100 Mt rocznie z gazu ziemnego lub wodoru pochodzącego z węgla, dwutlenku węgla i tlenku węgla. Farby, tworzywa sztuczne i materiały wybuchowe to tylko kilka przykładów zastosowań metanolu. Jeśli ta tendencja się utrzyma, zapotrzebowanie na tworzywa sztuczne wykonane ze źródeł odnawialnych niewątpliwie wzrośnie. Produkcja metanolu zajmuje drugie miejsce wśród przemysłowych konsumentów wodoru ze wskaźnikiem zużycia 130 kg H2 _/ t. Wielorakie zastosowania paliw są niezbędne bezpośrednio przed lub po konwersji formaldehydu (np. eter metylowo-tert-butylowy). Szacuje się, że 100 Mt globalnie wytwarzanego metanolu przyczynia się do 28% zużycia wodoru w przemyśle i 25% zapotrzebowania sektora chemicznego. Wykorzystując węgiel jako alternatywę dla tradycyjnych procesów produkcyjnych opartych na ropie naftowej, metanol jest używany jako pośrednik do wytwarzania olefin (niezbędnych półproduktów chemicznych do produkcji tworzyw sztucznych). Średnio produkcja metanolu wytwarza 2,2 tony CO2 _na każdą tonę produktu końcowego. Ze względu na rosnące zapotrzebowanie na amoniak i metanol, przewiduje się wzrost zapotrzebowania przemysłu chemicznego na wodór [ 160 , 161 , 162 ].

Metanol jako źródło produkcji wodoru na pokładzie: Istnieją obawy dotyczące przechowywania i transportu wodoru. Stąd metody produkcji na miejscu zyskują na popularności. Ze względu na wysoki stosunek wodoru do węgla (H/C), wszechstronność i zrównoważony rozwój, metanol jest jednym z nośników wodoru, który przyciągnął najwięcej uwagi w ostatnich latach. Wodór jest promykiem nadziei na transformację energetyczną, ponieważ ma potencjał do zrównoważonej transformacji zarówno transportu, jak i procesów przemysłowych. Jednak obecnie dostępna jest tylko ograniczona podaż, ponieważ transport wodoru jest tak skomplikowaną operacją. Znalezienie rozwiązania tego problemu może być możliwe poprzez przekształcenie wodoru w metanol. Rzeczywiście, metanol jest prostszy w transporcie niż wodór, ale można go również praktycznie przechowywać w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem. Stanowi to podstawę do opracowywania przyjaznego dla środowiska wodoru w miejscach o dużym nasłonecznieniu, a także jego przekształcania w metanol i uproszczonej dostawy. Dwutlenek węgla niezbędny do syntezy metanolu można pozyskać na jeden z dwóch sposobów: albo usuwając go ze środowiska, albo uzyskując go z działalności przemysłowej, takiej jak produkcja cementu. Ponadto jeden litr metanolu może dostarczyć około 4,8 kilowatogodzin energii, co czyni go źródłem paliwa o bardzo dużej gęstości energii. Ponadto Międzynarodowa Agencja Energetyczna prognozuje, że cena metanolu będzie bardzo konkurencyjna, w zakresie sześciu centów za kilowatogodzinę w niedalekiej przyszłości [ 163 , 164 ].

Aby w pełni wykorzystać energię zgromadzoną w metanolu, w miejscu, w którym potrzebny jest wodór, na przykład w samochodzie, wykorzystuje się reformer metanolu i parę wodną, ​​aby przekształcić metanol z powrotem w wodór i dwutlenek węgla. Dlatego też cały ślad węglowy nie jest ani dodatni, ani ujemny. Jednak tradycyjne reformery nadal mają kilka niedociągnięć, które należy rozwiązać. Rozważmy na przykład katalizatory niezbędne do zajścia reakcji. Składają się one z katalizatorów proszkowych, które łączą tlenek miedzi i tlenek cynku, które są wprowadzane do reaktora w postaci wytłaczanych peletek. Z drugiej strony, stały ruch wymagany w zastosowaniach mobilnych zawsze powoduje pogorszenie stanu katalizatora, co zanieczyszcza ogniwo paliwowe. Ponadto materiał katalizatora nie jest wykorzystywany w maksymalnym stopniu, a szybkość reakcji jest niska, ponieważ temperatury, w których zachodzi reakcja, są stosunkowo niskie. Zarządzanie ciepłem stanowi kolejną przeszkodę: reaktor potrzebuje źródła ciepła do zasilania procesu reformowania parowego, ale to również tutaj traci się znaczną część wydajności. Ciepło wytwarzane przez gazy odlotowe ogniwa paliwowego również nie może być efektywnie wykorzystane. Wymagane są zaawansowane badania w celu zbadania i zaprojektowania kompleksowej sieci zaopatrzenia i popytu na wodór, która synchronicznie spełnia ekonomiczne, wydajne i osiągalne punkty odniesienia, biorąc pod uwagę koszty produkcji i transportu, skuteczność konwersji energii, kwestie bezpieczeństwa i ramy czasowe transformacji struktury energetycznej. Jedno z tych podejść obejmuje produkcję wodoru na miejscu przy użyciu ciekłego nośnika wodoru, który jest zarówno odnawialny, jak i wystarczająco stabilny, aby można go było stosować w zastosowaniach pokładowych [ 163 , 164 ].

Żelazo i stal: Przemysł żelaza i stali odpowiada za 10% całkowitego zużycia wodoru w przemyśle, ze względu na jego wykorzystanie w procesie produkcji stali DRI-EAF, co stanowi 7% całkowitej produkcji stali surowej na świecie. Kiedy ruda żelaza jest redukowana do żelaza gąbczastego w procesie DRI, wodór jest wytwarzany jako składnik gazu syntezowego. W oparciu o źródło energii wykorzystywane w produkcji DRI, gaz syntetyczny łączy tlenek węgla i wodór. Na każdą tonę żelaza gąbczastego potrzeba około 40 kg gazu wodorowego. Tradycyjnie kombinacja DRI może mieć zawartość wodoru w zakresie od 0% do 70%. Obecnie najpopularniejsza metoda produkcji stali (zintegrowana droga, składająca się z wielkiego pieca i zasadowego pieca tlenowego) nie wymaga wodoru, ponieważ redukuje rudę żelaza gazami bogatymi w tlenek węgla. Jednak ograniczona ilość wodoru jest nadal wytwarzana jako produkt pośredni i produkt uboczny w gazach odlotowych wielkiego pieca. W prognozie zadeklarowanych zobowiązań zużycie wodoru z żelaza i stali wzrośnie prawie dwukrotnie do roku 2030 i ponad pięciokrotnie do roku 2050 w wyniku opublikowanych programów i strategii, a także zwiększenia produkcji stali poprzez proces DRI-EAF [ 165 , 166 ].

Produkcja stali pierwotnej obecnie odpowiada za 7% (3 Gt) światowych emisji CO2 _z sektora energetycznego i przemysłowego, gdzie wodór może zastąpić węgiel koksowy jako środek redukujący. Procesy bezpośredniej elektrolizy CCU/S i rudy żelaza to dwie opcje głębokiej dekarbonizacji, które osiągnęły dojrzałość technologiczną na skalę przedkomercyjną. Arcelor Mittal, BaoWu Steel, SSAB i ThyssenKrupp należą do czołowych firm stalowych, które ustaliły cele zerowej emisji netto do 2050 r., a technologie wodorowe zostały uznane za znaczącą technologię. Liczne programy pilotażowe badają również możliwość współpodawania wodoru do istniejących wielkich pieców w celu zwiększenia efektywności GHG w fazie przezbrajania [ 167 , 168 , 169 ].

Żegluga dalekobieżna: Nowy artykuł ETC sugeruje, że transport dalekobieżny może wykorzystywać paliwa na bazie wodoru, takie jak amoniak lub metanol, spalane w ulepszonych wersjach obecnych silników morskich. Bezpośrednia elektryfikacja promów i statków wycieczkowych na krótkich dystansach może również wykorzystywać wodór jako paliwo [ 120 , 170 , 171 ].

Lotnictwo długodystansowe: Bezpośrednia elektryfikacja jest obecnie trudna do wdrożenia w przypadku lotów długodystansowych. Najbardziej opłacalna metoda dekarbonizacji prawdopodobnie wymagałaby wdrożenia bezemisyjnego substytutu obecnego paliwa lotniczego. Sektor lotnictwa komercyjnego może potrzebować syntetycznego paliwa lotniczego „power to liquid”, jeśli paliwa odnawialne będą ograniczone. Według niedawnej oceny ATAG (Air Transport Action Group) paliwa syntetyczne będą z czasem dramatycznie rosły. UE poważnie debatuje nad dyrektywą paliwową w celu promowania tworzenia zrównoważonych ścieżek paliw lotniczych (SAF). W przypadku nowoczesnych samolotów wodór może być bezpośrednio wykorzystywany na krótszych dystansach [ 172 , 173 , 174 ].

Równoważenie systemu energetycznego: Paliwa hybrydowe są uważane za istotny interes w utrzymaniu równowagi sezonowej i generatorów synchronicznych w sieciach energetycznych pod wpływem zmiennych odnawialnych źródeł energii (raport ETC na temat czystej elektryfikacji). Dopóki źródło energii jest ważniejsze niż popyt, elektroliza będzie generować wodór. Gdy popyt przekroczy podaż, zostanie on ponownie przekształcony w energię elektryczną (najpewniej poprzez spalanie w turbinach gazowych) [ 175 , 176 ].

Potencjalne zastosowania krótkoterminowe, ale przejściowe: Istnieje wiele możliwych zastosowań krótkoterminowych, przejściowych, które mogą pomóc w ograniczeniu emisji z infrastruktury wysokoemisyjnej, która ostatecznie zostanie wycofana w gospodarce o zerowym bilansie netto w nadchodzących latach [ 177 , 178 ]:

⮚

Współspalanie amoniaku w elektrowniach węglowych : Współspalanie amoniaku będzie opłacalne jedynie w krajach, w których obowiązują znaczne ograniczenia w dostawach energii odnawialnej. W Japonii testowane są obecnie elektrownie amoniaku opalane węglem. Wykorzystanie amoniaku jako produktu ubocznego nie powinno opóźniać zamknięcia elektrowni opalanych węglem [ 179 , 180 , 181 ].

⮚

Współspalanie wodoru w elektrowniach gazowych: Wodór i nowoczesne turbiny mogą wykorzystywać do 50% wodoru przy niskich nakładach inwestycyjnych. Aby osiągnąć pełną dekarbonizację przemysłu elektroenergetycznego, konieczne będzie wdrożenie albo zdolności nowoczesnych turbin do wykorzystywania 100% wodoru, albo fundamentów wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS). (Raport ETC na temat czystej elektryfikacji) [ 180 , 182 ].

⮚

Współzasilanie wodorem wielkich pieców hutniczych : Współzasilanie wodorem wielkich pieców hutniczych, zakładów amoniaku i rafinerii może znacznie przyspieszyć wczesne etapy komercjalizacji zielonego wodoru. Niestety, tylko niewielkie ilości czystego i łagodnego wodoru mogą być współzasilane, zanim konieczne będą poważniejsze dostosowania aktywów [ 183 , 184 , 185 ].

⮚

Włączenie minimalnej ilości wodoru do dostępnych sieci gazu ziemnego: Włączenie skromnej ilości wodoru do istniejącej infrastruktury przesyłowej stymuluje wczesne zapotrzebowanie na wodór bezemisyjny i zmniejsza surowość emisji dwutlenku węgla związaną z wykorzystaniem metanu. Pękanie korozji naprężeniowej rur stalowych i konieczność modyfikacji lub wymiany urządzeń prawdopodobnie ograniczą to mieszanie do 5–20 procent objętości. Większe ilości gazu wymagają rozległych modernizacji sieci gazowych i urządzeń (w tym do 100 procent). Niskopoziomowe łączenie się wodoru w sieci miałoby znaczący wpływ na przemysłowych odbiorców gazu ziemnego (np. sektor petrochemiczny), ponieważ obniża jakość surowca gazu ziemnego [ 186 , 187 , 188 ].

Potencjalne praktyczne implikacje: W przypadku gdy względne korzyści w porównaniu z alternatywnymi możliwościami dekarbonizacji są obecnie nieznane, ponieważ wytwarzanie energii elektrycznej stale się poprawia, a przełomy techniczne/kosztowe, które mogłyby wpłynąć na ich opłacalność ekonomiczną w przypadku wodoru, są prawdopodobne, ale zazwyczaj nie są uwzględniane:

⮚

Transport dalekobieżny: Pociągi, autobusy i wózki widłowe to przykłady transportu dalekobieżnego. Pojazdy elektryczne (BEV) mogą konkurować z wodorowymi FCEV na szerszym zakresie odległości i rozmiarów ze względu na drastyczne obniżki cen akumulatorów litowo-jonowych i ciągły postęp w gęstości energii akumulatorów i czasie ładowania. Jest to szczególna zaleta dla strategii biznesowych i kanałów dystrybucji, które zapewniają urządzenia do ładowania nocnego i są wysoce odpowiednie dla tego produktu. Jednak FCEV mogą odgrywać kluczową rolę w sektorze transportu dalekobieżnego tylko wtedy, gdy ciężarówki rzadko wracają do terminali na noc w regionach, w których nie można zapewnić gniazd ładowania o dużej pojemności, lub w przypadku zastosowań energochłonnych (np. duże obciążenia, chłodnie) [ 189 ]. Ponadto pociągi napędzane wodorem mogą być wykorzystywane w sieciach kolejowych dalekobieżnych, w których zapewnienie energii elektrycznej napowietrznej jest nieopłacalne. Wózki widłowe napędzane wodorem mogą konkurować z pojazdami elektrycznymi zasilanymi akumulatorami (BEV) w różnych zastosowaniach, ponieważ (a) ich niższa tolerancja temperaturowa jest wyższa i (b) BEV ładują się szybciej niż pojazdy konwencjonalne. Podobnie wodór może być stosowany w maszynach górniczych i ciężarówkach o dużej pojemności oraz w pomocniczych usługach lotniskowych. [ 190 , 191 ].

⮚

Systemy ogrzewania domów: Istnieje kilka czynników, które należy wziąć pod uwagę przy dekarbonizacji ogrzewania domów. Energia elektryczna (zwłaszcza jeśli używane są pompy ciepła) jest prawie zawsze bardziej wydajna (nawet pięć lub sześć razy) i tańsza niż doprowadzanie wodoru do kotłów wodorowych w niedawno wybudowanych i odnowionych budynkach. Wykorzystanie spalania paliwa wodorowego może być rozwiązaniem dekarbonizacji w miejscach, w których gaz ziemny jest powszechnie używany do ogrzewania, a bezpośrednia energia elektryczna nie jest dostępna (np. z powodu niewystarczającego materiału izolacyjnego budynku). Jednak w zaangażowanym systemie zasilania wodorem wiązałoby się to z dużymi kosztami i wymagałoby renowacji lub wymiany istniejących sieci gazu ziemnego. Mogłoby to mieć poważne problemy z opinią publiczną i bezpieczną obsługą [ 192 , 193 , 194 ].

⮚

Wodór do krótkotrwałego zasilania awaryjnego w określonych miejscach o dużym zużyciu energii: Jako zapasowe źródło zasilania dla niektórych obiektów o dużym zużyciu energii wodór może być bardziej opłacalny niż ogniwo paliwowe do zasilania infrastruktury danych w przypadku przerw w dostawie prądu. Akumulatory będą prawdopodobnie najbardziej opłacalnym wyborem w przypadku krótszych okresów przechowywania (np. poniżej 4 godz.), ponieważ korzyści skali komercyjnej w branży pojazdów elektrycznych zachęcą do dalszych oszczędności kosztów i poprawy wydajności. Zrównoważone substytuty wodoru mogą być lepszą opcją jako długoterminowy plan awaryjny, niż droższe generatory prądu z silnikiem Diesla [ 195 , 196 , 197 ].

⮚

Przemysłowe wykorzystanie ciepła o wysokiej temperaturze: Na przykład produkcja cementu wymaga wysokich temperatur powyżej 1000°C. Bezpośrednia elektryfikacja tego ciepła może być możliwa w przyszłości, chociaż trwające wysiłki są na poziomie TRL 4 (poziom gotowości technicznej). Produkcja cementu w Wielkiej Brytanii wykorzystuje obecnie bioenergię w 17 procentach procesu, ale oczekuje się, że ogólna zrównoważona podaż biomasy będzie ograniczona (raport ETC na temat biogospodarki). Produkcja cementu może być lepiej obsługiwana przez wykorzystanie paliw kopalnych związanych z CCS (które będą konieczne do zbierania emisji z procesu cementowania w każdym przypadku) niż wodoru, który potencjalnie może być używany do osiągania ekstremalnie wysokich temperatur, zgodnie z szeregiem badań. Jednak dokładna i spójna równowaga między bezpośrednią elektrycznością a wodorem w tych branżach jest nieznana. Ulepszenia techniczne są konieczne dla obu ścieżek w innych procesach ciepła o wysokiej temperaturze (np. piece, kotły, palniki w rafineriach, przemysł szklarski, ceramiczny) [ 198 , 199 , 200 , 201 ].

⮚

Produkcja tworzyw sztucznych i innych chemikaliów: Wodór może być stosowany w nowych metodach produkcji tworzyw sztucznych i chemikaliów, takich jak metanol-olefina (MTO) i metanol-aromaty (MTA). Do tych procedur konieczne będzie wykorzystanie długoterminowych źródeł CO2 ₍ np. pochodzących z bezpośredniego wychwytywania powietrza lub zrównoważonej biomasy). Bardziej wydajne alternatywy dekarbonizacji mogą obejmować połączenie bardziej rozległego recyklingu (co zmniejsza zapotrzebowanie na pierwotną produkcję tworzyw sztucznych) i bezpośredniego wykorzystania biosurowców (jeśli są dostępne, ponieważ istnieje ograniczona zrównoważona podaż) [ 202 , 203 , 204 ].

Zastosowania farmaceutyczne: Wodór jest szeroko stosowany w przemyśle farmaceutycznym, gdzie jest używany do produkcji niektórych leków [ 205 , 206 ]. Wodór może być używany do produkcji nadtlenku wodoru, cukru stołowego i kwasu solnego, które są wykorzystywane w przemyśle farmaceutycznym. W sektorze farmaceutycznym nadtlenek wodoru jest przezroczystą cieczą, często uznawaną za krytyczny środek chemiczny i utleniacz [ 207 ]. Technika autooksydacji antrachinonu wytwarza bezbarwną i bezwonną ciecz [ 208 , 209 ]. Wodór, powietrze i antrachinon są surowymi składnikami tej syntezy. W ciągłym cyklu uwodornienie, filtracja, utlenianie i ekstrakcja następują po sobie. Przeciwdrobnoustrojowe, przeciwzakaźne i biobójcze właściwości nadtlenku wodoru sprawiają, że jest on popularnym wyborem [ 210 , 211 ]. Nadtlenek wodoru może być wykorzystywany w przemyśle jako środek utleniający w długoterminowych procesach utleniania. W naukach biomedycznych wykazano, że nadtlenek wodoru jest silniejszym utleniaczem niż bardziej niebezpieczne utleniacze (np. chromiany i podchloryn) [ 212 ]. Coraz częściej badania naukowe w naukach medycznych skupiają się na wykorzystaniu wodoru jako leczniczego gazu leczniczego. Iida i in. opisali zastosowanie wodoru cząsteczkowego w celu złagodzenia urazów reperfuzyjnych lub reoksygenacyjnych [ 213 , 214 ]. Uszkodzenie tkanek wywołane anoreksją, znane również jako uraz niedokrwienno-reperfuzyjny, występuje, gdy przepływ krwi zostaje przerwany na krótki okres. W badaniach biomedycznych stwierdzono, że wodór ma właściwości przeciwzapalne, przeciwalergiczne i przeciwapoptotyczne (tj. zaprogramowana śmierć komórki) [ 215 ]. Zastosowanie wodoru w leczeniu reumatoidalnego zapalenia stawów, zawału pnia mózgu, cukrzycy, chorób neurodegeneracyjnych, raka i stresu oksydacyjnego wywołanego wysiłkiem fizycznym lub sportem to jedne z innych terapeutycznych zastosowań wodoru, które zostały ustalone [ 216 , 217 , 218 , 219 , 220 , 221 , 222 , 223 , 224 ]. Wodór jest składnikiem regulującym fizjologię i metabolizm, który reguluje fosforylację białek i ekspresję genów [ 225 ]. Wodór może być podawany jako przeciwutleniacz poprzez wstrzyknięcie nasyconego wodorem roztworu soli fizjologicznej, wdychanie wodoru w postaci gazowej, picie lub pływanie w wodzie rozpuszczonej w wodorze lub stymulowanie bakterii jelitowych do produkcji wodoru [ 226 , 227 ].

7. Obecna sytuacja krajowych planów wodorowych na świecie

Przez prawie 100 lat swojej historii Światowa Rada Energetyczna była na czele globalnych, regionalnych i krajowych dyskusji na temat energii, promując idee i naciskając na znaczące środki na całym świecie, aby osiągnąć korzyści czystej energii dla każdego. Pierwsza i jedyna prawdziwa globalna sieć energetyczna oparta na członkach, Rada zrzesza ponad 3000 organizacji z prawie 90 krajów, w tym agencje rządowe, przedsiębiorstwa prywatne i publiczne, naukowców i nowych wpływowych systemowo. Jako międzynarodowe forum transformacji energetycznych, Rada zrzesza najbardziej doświadczonych na świecie profesjonalistów z branży energetycznej, aby katalizować i oświecać globalny dyskurs na temat polityki energetycznej, generować wpływy i napędzać praktyczne działania. Celem Światowej Rady Energetycznej, wraz z EPRI i PwC, jest to, aby badania nad energią zapewniły solidny wgląd w światowe postępy w zakresie wykorzystania wodoru. W lipcu 2021 r. wydano ważny briefing Development Perspectives on Hydrogen w celu rozpoczęcia wielostronnej, globalnej debaty społecznościowej na temat roli wodoru w modernizacji.

Choć jest to dopiero wstępna faza, rośnie światowe zaangażowanie i poparcie dla „gospodarki wodorowej”. Opublikowano krajowe plany wodorowe 12 krajów i UE, przy czym dziewięć planów ukazało się w zeszłym roku. Ponad tuzin krajów ma plany ujawnienia swoich polityk do 2021 r., co wskazuje na rosnący poziom świadomości ze strony rządów, co może pomóc w zachęceniu do takich planów ( Tabela 6 ). Polityka wodorowa w kilku krajach miała znaczący wpływ. Początkowe zaangażowanie Japonii w regionie Azji i Pacyfiku wzbudziło zainteresowanie regionem, a Korea Południowa i Australia wkrótce poszły naprzód. Niemcy były jednymi z pierwszych, które przyjęły plan wodorowy UE i pełniły wówczas funkcję przewodniczącego UE. Chile poczyniło szybkie postępy w Ameryce Łacińskiej, a kilku jego sąsiadów również formułuje swoje plany.

8. Oczekiwane trudności i czynniki umożliwiające

Unikalne właściwości wodoru sprawiają, że jest on atrakcyjną alternatywą do wykorzystania w przyszłości jako paliwo. Wodór jest nośnikiem energii podobnym do elektryczności, który może być wykorzystywany do „ładowania” baterii w taki sam sposób, jak elektryczność (składająca się z ogniw paliwowych). Jest jednak bardzo lotny i wytwarza nadmiar ciepła po zapłonie. Substancje chemiczne o takich właściwościach mogą być przechowywane w zbiornikach lub rurociągach przez dłuższy czas. Pod wieloma względami jest podobny do paliw kopalnych. Jednocześnie wodór odróżnia się od reszty łańcucha dostaw energii. Pomimo faktu, że duża część technologii wodorowej już istnieje, łańcuchy wartości wodoru są nadal niedojrzałe. Technologia wodorowa, którą mamy teraz, nie jest przełomowa, a wodór jest obecny od dziesięcioleci. Jednak w miarę przewidywania pojawiania się nowych technologii, nowe koncepcje, procedury i podejścia będą potrzebne do zaspokojenia zapotrzebowania na energię. Według raportów z badań obecne cele wodorowe niedoceniają ograniczeń i trudności wdrażania. Infrastruktura i przystępność cenowa to dwie z najistotniejszych przeszkód, przy czym właściwe przepisy prawne, a następnie cena węgla, są uważane za najskuteczniejsze czynniki umożliwiające. Ustanowienie gospodarki wodorowej będzie również wymagało zademonstrowania ram zarządzania ryzykiem (patrz tabela 7 ) [ 229 , 230 , 231 ].

Inwestowanie w infrastrukturę i zasoby wspierające nasze cele: Wodór do wdrożenia na skalę komercyjną jest realizowany przez rządy i przemysły w szerokim zakresie sektorów, w tym magazynowanie energii, transport, budownictwo i sektor prywatny. Produkcja wodoru, transport, magazynowanie, dystrybucja i integracja z całym systemem energetycznym wymagają szerokiego zakresu wystarczającej infrastruktury. Gospodarka wodorowa ma znaczący wpływ na transformację energetyczną. Musi być budowana komercyjnie, tania i wygodna [ 232 , 233 ]. Brak postępu w infrastrukturze stanowi poważną przeszkodę w rozwoju gospodarki wodorowej. Niedoinwestowanie infrastruktury wodorowej jest istotnym źródłem obaw dla potencjalnych inwestorów. Ludzie obecnie nie inwestują ani nie uczestniczą w działaniach związanych z wodorem z powodu niewystarczającej infrastruktury. Mogą istnieć pewne wyjątki od tej tendencji w odniesieniu do dostaw gazu ziemnego. Dużą kwotę pieniędzy trzeba by zainwestować w ponowne wykorzystanie gazu ziemnego do produkcji wodoru. Z tego powodu rośnie pewność, że można to skutecznie osiągnąć [ 234 , 235 ].

Bezpieczne i pewne systemy magazynowania wodoru: Ustanowienie gospodarki wodorowej będzie wymagało wysokiego poziomu bezpieczeństwa poprzez rozwiązanie listy problemów, które mogą utrudniać wzrost gospodarki wodorowej. Należy przestrzegać globalnie zatwierdzonych przepisów dotyczących wodoru i sugerowanych metodologii, które są niezbędne do zarządzania bezpieczeństwem. Bezpieczeństwo musi być na pierwszym planie inicjatyw wodorowych w przypadku, gdy wodór zostanie szeroko wdrożony w opiece mieszkaniowej i w przypadku nowoczesnych innowacji poza istniejącym zastosowaniem przemysłowym. Przemysł i władze muszą ustanowić rygorystyczne wytyczne bezpieczeństwa dla każdego indywidualnego przypadku użycia, tak jak miałoby to miejsce w przypadku innych potencjalnie szkodliwych związków [ 236 , 237 , 238 ].

Koszty redukcji: Pomimo potrzeby zwiększenia infrastruktury, cena zielonego i niebieskiego wodoru musi zostać obniżona. Jedną z głównych wymienionych wad jest wysoki koszt produkcji niskoemisyjnego wodoru, który jest obecnie niebotycznie drogi. Od produkcji do dystrybucji i wykorzystania, komercjalizacja jest jedynym sposobem na obniżenie kosztów operacyjnych. Producenci i konsumenci wodoru muszą współpracować w porozumieniu, nie konkurując ze sobą w zakresie obniżek cen. Zapotrzebowanie na energię musi zostać uwzględnione w większości gospodarek, w których znaczna część rozwoju infrastruktury jest zaprojektowana tak, aby umożliwić ludzkości dalsze korzystanie z zielonego wodoru, poza regulacjami i prawami. Co jeszcze bardziej niepokojące, nie można wykorzystać odnawialnej energii elektrycznej wytwarzanej przez farmy wiatrowe i słoneczne w całej gospodarce. Zakładając, że zostaną osiągnięte znaczące postępy techniczne, wodór wkrótce stanie się dominującym paliwem dla postępu technologicznego i światowego transportu [ 239 , 240 , 241 ].

Przepisy są decydującym czynnikiem: ostatnimi zagrożeniami, z którymi mierzą się firmy w gospodarce wodorowej, są zmiany polityki lub brak odpowiednich ram prawnych. Za każdym razem, gdy zadawane jest pytanie, który czynnik będzie najważniejszy w okresie od teraz do 2030 r. w umożliwieniu żywotnej gospodarki wodorowej, przepisy są na pierwszym miejscu. Praktyczne, niezawodne i zachęcające polityki są niezbędne, aby gospodarka wodorowa mogła się rozwijać. Obecnie ramy prawne mogą utrudniać komercjalizację wodoru. Istnieją nie tylko przepisy, które bezpośrednio kontrolują wodór, ale także zawody, w których wodór może być wykorzystywany, lub branże, które mogą promować wytwarzanie wodoru.

Propozycje dotyczące rozwoju gospodarki wodorowej: Zamiar i polityka rządu są zazwyczaj siłą napędową ustawodawstwa. Istnieją inicjatywy mające na celu zwiększenie produkcji i/lub wykorzystania wodoru w szerokim zakresie krajów i regionów, w tym w USA, Korei Południowej, Australii, Kanadzie, Chile, Finlandii, Francji, Niemczech, Japonii, Holandii, Norwegii i Portugalii. Bardzo pomocne jest posiadanie jasnych ram polityki, które wyraźnie określają długoterminowe cele. W wyborach biznesowych, które promują inwestycje w wodór, dodatkową pewność zapewniają na przykład cele UE [ 242 , 243 ].

9. Przyszły kierunek i sugestie

Wodór jest realnym alternatywnym źródłem energii, które nie emituje żadnego węgla. Wodór jest doskonałym wyborem dla społeczeństwa bezemisyjnego i do wspomagania procesu hydrogenacji (wykorzystania wodoru jako głównego źródła energii). Każda metoda wytwarzania wodoru ma swój własny, unikalny zestaw wymagań i działań, aby przezwyciężyć te ograniczenia. Wiele alternatywnych metod produkcji wodoru będzie stosowanych w różnych celach. Żadna technologia nie jest w stanie osiągnąć wszystkich celów, aby osiągnąć optymalne, niezawodne, niedrogie, czyste i wydajne cele produkcji wodoru.

⮚ Wdrażanie trwałej, niezawodnej polityki mającej na celu zachęcenie do stosowania nowych technologii i rozwoju rynku: Rządowe finansowanie prac badawczo-rozwojowych powinno zmierzać do przyjęcia ulepszonych podejść do kwestii odnawialnych źródeł energii i niskiej emisji dwutlenku węgla, a także technologii wychwytywania i składowania dwutlenku węgla.

⮚ Zaawansowane technologie separacji i oczyszczania: W gazyfikatorach wielopaliwowych, instalacje tlenowe są kosztownym elementem; obniżenie tych kosztów przyczyniłoby się do ogólnego rozwoju gospodarczego wytwarzania wodoru. Oczyszczanie wodoru wytwarzanego przez rozproszone innowatory, takie jak te znajdujące się w domach lub na stacjach paliw samochodowych, musi być kompaktowe, tanie i mieć wysoką wydajność. Mimo że konkretne metody oczyszczania działają wydajnie w ogromnych obiektach komercyjnych, ich zmniejszenie do wymaganego poziomu dla rozproszonej generacji jest zazwyczaj trudne.

⮚ Wpływowe reformy: Możliwe jest dostarczanie wodoru do kilku początkowych flot i głównych sprzedawców detalicznych przy użyciu skromnych reformerów, które działają na gaz ziemny, propan lub metanol. Zwiększona niezawodność, wydłużona żywotność katalizatora i interakcje z systemami magazynowania i ogniwami paliwowymi to obszary, w których technologia może zostać ulepszona.

⮚ Ulepszone i niedrogie elektrolizery: Należy położyć nacisk na obniżenie ceny i zwiększenie wydajności elektrolizerów, które nadają się do rozproszonych źródeł energii i mogą zapewnić nowe i rosnące możliwości rynkowe. Bardziej obszerna wiedza na temat elektrolizy wysokotemperaturowej i ciśnieniowej powinna obniżyć cenę elektrolizy, która jest droższa niż produkcja termiczna.

⮚ Innowacyjne, bezemisyjne, odnawialne źródła energii: Metody fotolityczne wykorzystują światło słoneczne do rozszczepiania wody i wytwarzania wodoru, co może przynieść oszczędności i zwiększyć wydajność.

⮚ Ulepszone technologie energii jądrowej do produkcji wodoru: Identyfikacja i rozwój opłacalnych technik wytwarzania wodoru przy użyciu energii jądrowej. Przyszłe modele elektrowni jądrowych mogą obejmować termochemiczny rozszczep wody wykorzystujący ulepszoną energię elektrowni jądrowych.

⮚ Nowe metody wychwytywania CO2 _: Niedroga metoda sekwestracji dwutlenku węgla umożliwiłaby masową produkcję wodoru przy zerowej emisji dwutlenku węgla.

⮚ Zaawansowane technologie wytwarzania wodoru: Bardziej opłacalne będzie łączenie technologii produkcji z innymi częściami struktury wodorowej, takimi jak zastosowania komercyjne. Zainteresowanie rynku może zostać pobudzone przez podkreślanie bezpieczeństwa i innych zalet w takich prezentacjach.

Współpraca akademicka, rządowa i biznesowa musi być trwała i dostosowana do innowacyjnych badań i inwestować w systemy energii wodorowej, które prowadzą do bardziej ekologicznych wyników w przyszłości. Zaawansowane akademicko technologie, praktyczne zaangażowanie rządu i wsparcie prawodawcze, w połączeniu z ogólnoświatowymi inwestycjami przedsiębiorstw publicznych i prywatnych, są niezbędne do osiągnięcia długoterminowego sukcesu. Rysunek 14 przedstawia koncepcję systemów energii wodorowej stosowanych w bardziej ekologicznym społeczeństwie japońskim od produkcji do użytkowników końcowych. Przyszłość istnienia systemów energii wodorowej prawdopodobnie będzie zbudowana na bardziej zrównoważonych formach energii i surowcach (takich jak słońce i woda).

Rysunek 14. W Japonii wyobraża się sobie społeczności zasilane wodorem w przyszłości (Przedruk z [ 244 , 245 ]. Copyright (2022), za zgodą).

10. Wnioski i wyniki

Głównym celem tego artykułu jest zrozumienie znaczenia wodoru w przyszłościowych systemach energetycznych, jego możliwych implementacji i proponowanych rozwiązań konkretnych problemów związanych z powszechnym wykorzystaniem systemów energetycznych wodorowych. Niniejszy artykuł ma również na celu stymulowanie znacznego finansowania infrastruktury, modernizacji, budowy i oceny innowacyjnych systemów energetycznych wodorowych. Rozwój systemów energetycznych wodorowych rośnie, co widać po historycznej zmianie zużycia paliwa. Kiedy technologie spalania drewna zostały wycofane z powodu industrializacji, zawartość wodoru jako paliwa nadal gwałtownie rosła. Węgiel był coraz częściej zastępowany lżejszymi paliwami kopalnymi, takimi jak ropa naftowa, a następnie gaz ziemny. Ostatecznym celem jest redukcja emisji gazów cieplarnianych poprzez wyeliminowanie ogólnej zawartości węgla w paliwach. Dzięki niezwykle wysokiemu GF (potencjałowi globalnego ocieplenia) wodór jest wystarczająco silny, aby wspierać obecne i przyszłe systemy energetyczne. W obecnym stanie rzeczy ponad 90 procent światowej produkcji wodoru pochodzi z paliw kopalnych na energię i surowce. Ta proporcja musi zostać zminimalizowana w jak największym stopniu, aby wyeliminować lub zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych związaną z paliwami kopalnymi. Produkcja amoniaku zasilana wodorem jest obecnie wiodącą branżą. Wodór jest również zużywany w znacznych ilościach przez sektor chemiczny i rafineryjny. Dzięki opracowaniu całej gamy systemów energetycznych wodorowych, w tym produkcji, dystrybucji i użytkowania oraz akceptacji społecznej, przewiduje się, że sektor energetyczny przemysłu wodorowego stanie się jego najważniejszym składnikiem w niedalekiej przyszłości. Ze względu na szeroki zakres zastosowań w sektorze energetycznym (ogniwa paliwowe), przetwarzaniu/ulepszaniu paliw, farmaceutycznym i metalurgicznym, wzrost wodoru nadal dramatycznie wzrasta. Jeśli chodzi o przemysł energetyczny, wodór może być wykorzystywany jako znaczące paliwo, w systemach power-to-gas, w tworzeniu paliw ciekłych i wyższych alkoholi, paliw lotniczych i dywersyfikacji ropy naftowej lub bio-oleju. Wodór jest uważany za obiecującą alternatywę dla rozwoju biopaliw nowej generacji i niezbędny składnik światowej przyszłości energetycznej. Wodór jest wykorzystywany do obrazowania medycznego, spektroskopii i odkrywania leków w przemyśle farmaceutycznym. W procesach metalurgicznych udokumentowano szczegółowo zużycie wodoru w iskrach tlenowo-wodorowych powstających podczas spawania i cięcia metali.

Technologie produkcji wodoru muszą zostać ulepszone i rozszerzone poprzez badania, rozwój i eksperymenty. Konieczne są wysiłki na rzecz obniżenia kosztów produkcji, maksymalizacji wydajności i ustanowienia metod sekwestracji węgla. Ulepszone strategie są wymagane do podstawowej generacji wodoru i równomiernej produkcji wodoru. SMR, gazyfikatory wielopaliwowe, elektroliza wody, elektroliza PEC, technologie biologiczne i zaawansowane techniki, takie jak piroliza biomasy i termochemiczny rozszczep wody jądrowej, powinny podkreślać inicjatywy. Z drugiej strony, globalne prognozy energetyczne muszą zaakceptować, że nie mogą dokładnie przedstawiać przyszłych systemów energetycznych, ponieważ nie obejmują wszystkich niezbędnych drobnych elementów i złożoności. Wymagana jest znacznie większa przejrzystość w zakresie technik i założeń wejściowych leżących u podstaw prognoz energetycznych, aby można było odpowiednio zrozumieć konsekwencje wyników. Projektanci symulacji powinni również dążyć do regularnego ulepszania swoich praktyk, korzystając z wyników z innych źródeł. Wpływ pojawiających się innowacji w przyszłych systemach energetycznych można badać na różne sposoby, w tym poprzez możliwości fenomenologiczne i bardziej kompleksowe modelowanie systemów energetycznych w domenach niższych. Należy wziąć pod uwagę tę eksplorację.

Zrównoważone systemy energetyczne są niezbędne na światowej platformie, aby ustanowić stabilność ekonomiczną i standardy życia. Systemy te muszą zaspokajać konkurujące potrzeby w zakresie nadwyżki produkcji i lepszego bezpieczeństwa energetycznego, przy jednoczesnym zachowaniu niezbędnych elementów, minimalizowaniu wpływu na zdrowie ludzkie ekosystemu i zapobieganiu zanieczyszczeniom. Wodór i systemy energii wodorowej są dobrze ugruntowaną technologią strategiczną w celu osiągnięcia tych celów. Na podstawie ustaleń tych kompleksowych badań, systemy energii wodorowej mają potencjał, aby tworzyć okazje korzystne dla obu stron, zarówno dla podmiotów publicznych, jak i komercyjnych. Po wdrożeniu nagród rządowych i inicjatyw prywatnych w celu promowania i rozwoju kluczowych rynków, sektorów stacjonarnej generacji energii i transportu, przewiduje się, że korzyści zaczną stawać się znaczące i powszechne. Należy to przeprowadzić w uczciwy sposób, który uwzględnia najbardziej opłacalne wykorzystanie alternatywnych źródeł energii pierwotnej i nośników energii, które są obecnie dostępne.

Ponadto istnieją przeszkody związane z magazynowaniem, dystrybucją i transportem wodoru, które negatywnie wpływają na powszechne wykorzystanie wodoru jako nadajnika i wektora energii. W wyniku wysokiej palności i egzotermii systemy magazynowania wodoru muszą spełniać surowe normy regulacyjne. Kilka czynników ogranicza praktyczne wykorzystanie wodoru w pojazdach osobowych lub ciężarowych, takich jak wysoka gęstość grawimetryczna i objętościowa wodoru. Produkcja, dystrybucja i zastosowania wodoru mogą zostać skomercjalizowane, jeśli zostaną opracowane zaawansowane techniki syntezy i magazynowania wodoru.