2.2.1 Produkcja termochemiczna

Metody obejmujące termochemię do produkcji wodoru wykorzystują ciepło i procesy chemiczne do produkcji wodoru z różnych podstawowych składników ( Norouzi, 2022 ). Podejścia te są powszechnie stosowane do produkcji wodoru na dużą skalę. Kluczowe procesy termochemiczne obejmują reforming metanu pokładowego (SMR), częściowe utlenianie (POX), reforming autotermiczny (ATR) i zgazowanie biomasy. SMR jest dobrze ugruntowaną podstawową metodą syntezy wodoru na dużą skalę. Obejmuje ona interakcję między metanem, rodzajem gazu ziemnego, a parą w wysokich temperaturach w zakresie od 700 do 1000 °C. Ta reakcja zachodzi w obecności katalizatora, zwykle wykonanego z niklu ( Boretti i Banik, 2021 ). Główne reakcje zaangażowane w SMR są następujące:(1)CH4+H2O→CO+3H2(2)CO+H2O→CO2+H2

Po wyprodukowaniu wodór przechodzi szereg etapów, w tym izolację od innych gazów, oczyszczanie i sprężanie lub skraplanie , aby ułatwić przechowywanie i transport. Proces POX obejmuje wystawienie surowca węglowodorowego , takiego jak ropa, węgiel lub ciężkie pozostałości, na działanie POX przy użyciu powietrza lub tlenu w podwyższonych temperaturach (około 1150–1500 °C) w reaktorze zawierającym elementy ogniotrwałe ( AlHumaidan i in., 2023 ). Główne reakcje obserwowane w procesie POX to:(3)CnHmn2O2→nCO+m2H2(4)CO+H2O→CO2+H2

Powstały gaz syntezowy , który składa się z kombinacji CO2 i tlenku wodoru, przechodzi proces chłodzenia, podczas którego wodór jest oddzielany od tlenku węgla i oczyszczany. Metodologia ATR integruje podstawowe koncepcje zarówno SMR, jak i POX, prezentując w ten sposób bardziej efektywne wykorzystanie zasobów energetycznych. W ATR surowiec węglowodorowy przechodzi POX przy użyciu powietrza lub tlenu, jednocześnie wprowadzając parę do reakcji. Zjawisko ATR występuje w podwyższonych temperaturach, często w zakresie od 900 do 1100 °C i przy umiarkowanym poziomie ciśnienia ( AlHumaidan i in., 2023 ). Główne reakcje wykazują podobieństwa do tych obserwowanych w SMR i POX, prowadząc do produkcji wodoru, który jest następnie poddawany separacji, oczyszczaniu i dalszej obróbce w celu ułatwienia jego przechowywania i transportu. Zgazowanie biomasy to zastosowanie ciepła do materiałów biomasowych, takich jak odpady rolnicze lub drewno, w wysokich temperaturach (około 800–1000 °C) przy użyciu pary, powietrza lub tlenu w gazyfikatorze ( Inayat i in., 2021 ). Kluczowe reakcje, które są istotne, obejmują:(5)C+H2O→CO+H2(6)C+O2→CO2(7)C+CO2→2CO

Powstały gaz syntezowy składa się z tlenku węgla , wodoru i CO2 _. Przed wejściem do reaktora konwersji gazu wodnego w celu zwiększenia produkcji wodoru, gaz syntezowy przechodzi proces chłodzenia i oczyszczania. Trwające badania i rozwój koncentrują się na innowacyjnych technikach termochemicznych w celu poprawy wydajności, zrównoważenia środowiskowego i opłacalności produkcji wodoru. Jednym z takich postępów jest Sorption-Enhanced SMR (SE-SMR), ulepszona wersja konwencjonalnego SMR, która integruje produkcję wodoru z _{wychwytywaniem} CO2 ( Masoudi Soltani i in., 2021 ; _Wu i Wey, 2021 ). W SE-SMR reaktor reformingowy jest wzbogacony o sorbent CO2_, taki jak tlenek wapnia ( CaO ) lub aminę nośną, umożliwiając zbieranie CO2 w reaktorze. Ta modyfikacja zwiększa produkcję wodoru i obniża wymagane temperatury reakcji.

Chemical Looping Reforming (CLR) to kolejny proces termochemiczny, który wykorzystuje nośnik tlenu na bazie tlenku metalu, aby pośrednio dostarczać tlen do POX surowca węglowodorowego ( Hill i in., 2022 ; Zheng i in., 2022 ). Obejmuje on dwa reaktory: reaktor paliwowy i reaktor powietrzny. Cyrkulacja nośnika tlenu między reaktorami ułatwia przenoszenie tlenu z powietrza do paliwa, co skutkuje lepszą kontrolą procesu, zwiększoną wydajnością wodoru i zmniejszoną emisją gazów cieplarnianych w porównaniu z konwencjonalnymi metodami POX.

Z drugiej strony reformacja plazmowa wykorzystuje plazmę nietermiczną, częściowo zjonizowany gaz, w celu wytworzenia reaktywnych gatunków, które pomagają w przekształcaniu surowców zawierających węglowodory w gaz syntezowy ( Saleem i in., 2023 ). Dzieje się to przy niższych ciśnieniach i temperaturach niż w przypadku tradycyjnych procesów termochemicznych, oferując oszczędność energii i redukcję gazów cieplarnianych.

Procesy termochemiczne obejmują różnorodne techniki stosowane w produkcji wodoru. Są one stosowane w wielu sektorach i oferują szereg zalet. Wodór pochodzący z procesów termochemicznych ma potencjał do wykorzystania do produkcji energii w ogniwach paliwowych lub poprzez bezpośrednie spalanie w silnikach. Ponadto pełni funkcję surowca w kilku procesach chemicznych. Techniki te skutkują znacznymi ilościami wodoru i wykazują niezwykłą wydajność konwersji ( Inayat i in., 2020 ). Technika znana jako SMR jest szeroko stosowana do produkcji wodoru od kilku dziesięcioleci ( Chau i in., 2022 ). Jest to ugruntowana i w pełni rozwinięta technologia w tej dziedzinie. Techniki termochemiczne mogą bezproblemowo integrować się z obecną infrastrukturą węglową i gazową, unikając w ten sposób konieczności dalszych inwestycji kapitałowych ( Skorek-Osikowska, 2022 ). Niemniej jednak często są one w dużym stopniu uzależnione od paliw kopalnych , co powoduje uwalnianie gazów cieplarnianych i tym samym pogarsza problem zmiany klimatu ( Amin i in., 2022a ). Metody te wymagają znacznej ilości energii, która jest często pozyskiwana ze źródeł nieodnawialnych. Ponadto procesy te mogą napotkać trudności pod względem skalowalności w celu zaspokojenia rosnącego zapotrzebowania na wodór ( Qureshi i in., 2022 ). Celem tych badań jest zwiększenie wydajności i zrównoważoności procesów termochemicznych, takich jak metodologie napędzane energią słoneczną i wykorzystanie biomasy jako surowca. Procesy termochemiczne mogą współdziałać ze źródłami czystej energii, takimi jak energia słoneczna i wiatrowa, co skutkuje produkcją przyjaznego dla środowiska wodoru. Ta integracja oferuje obiecującą drogę do zmniejszenia zależności od paliw kopalnych i łagodzenia emisji. Wykorzystanie technologii wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS) może zwiększyć zrównoważoność środowiskową tych operacji.

Zrozumienie mechanizmów leżących u podstaw termochemicznych metod produkcji wodoru, takich jak SMR, POX, ATR, zgazowanie biomasy i zaawansowanych technik, takich jak SE-SMR, CLR, reforming plazmowy i SCWG, ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji tych procesów i ich wpływu na środowisko.

Katalizatory odgrywają kluczową rolę w obniżaniu energii aktywacji i zwiększaniu szybkości reakcji. Na przykład katalizatory niklowe w SMR ułatwiają rozrywaniewiązań C H w metanie, inicjując proces reformowania. Dalsze badanie oddziaływań katalizatorów na poziomie molekularnym może doprowadzić do opracowania bardziej wydajnych katalizatorów, potencjalnie obniżając temperatury robocze i zużycie energii ( Norouzi, 2022 ).

Dynamika temperatury i ciśnienia znacząco wpływa na reakcje termochemiczne . Podwyższone temperatury napędzają reakcje endotermiczne w SMR i POX, podczas gdy zmiany ciśnienia wpływają na równowagę reakcji przesunięcia gazu wodnego, wpływając w ten sposób na wydajność wodoru ( Boretti i Banik, 2021 ; AlHumaidan i in., 2023 ). Głębsze zrozumienie tych zasad termodynamicznych może pomóc w optymalizacji warunków w celu uzyskania maksymalnej wydajności i czystości wodoru.

Zaawansowane techniki, takie jak SE-SMR i CLR, pokazują zmianę w kierunku integracji produkcji wodoru ze zrównoważonym rozwojem środowiska ( Masoudi Soltani i in., 2021 ; Wu i Wey, 2021 ). Mechanistyczne spostrzeżenia dotyczące wychwytywania CO2 w SE-SMR i transferu tlenu w CLR mogą pomóc w projektowaniu procesów, które zwiększają produkcję wodoru, jednocześnie redukując emisję gazów cieplarnianych _.

Wybór materiałów do reaktorów i katalizatorów jest krytyczny, biorąc pod uwagę takie czynniki jak stabilność chemiczna, trwałość i reaktywność. Postęp w nauce o materiałach, w szczególności rozwój materiałów odpornych na trudne warunki dla ATR lub wydajnych elektrolitów dla SCWG, może znacząco wpłynąć na wykonalność i opłacalność technologii produkcji wodoru ( Hill i in., 2022 ; Houcinat i in., 2022 ).

Przyszłe badania powinny skupić się na innowacyjnych materiałach i strukturach katalizatorów w celu zwiększenia selektywności i trwałości, zmniejszając tym samym ślad środowiskowy termochemicznej produkcji wodoru. Ponadto integracja procesów termochemicznych z odnawialnymi źródłami energii i technologiami wychwytywania dwutlenku węgla oferuje ścieżkę do prawdziwie zrównoważonej produkcji wodoru.

2.2.2 Produkcja elektrochemiczna

Energia elektryczna jest wykorzystywana do rozszczepiania wody na cząsteczki tlenu i wodoru w procesach elektrochemicznych, zapewniając zrównoważone i przyjazne dla środowiska podejście do produkcji wodoru, gdy jest zasilany odnawialnymi źródłami energii ( Paul i Symes, 2021 ). Elektroliza wody jest podstawową metodą wykorzystywaną w tym celu ( Anwar i in., 2021 ). W tym procesie woda jest dysocjowana na wodór i tlen poprzez przepuszczanie przez nią prądu elektrycznego za pomocą elektrolizera. Urządzenie to składa się z anody i katody, które są rozdzielone elektrolitem i zanurzone w nim w celu przewodzenia prądu. Na anodzie cząsteczki wody są utleniane, uwalniając tlen i różne jony: jony wodorotlenowe ( OH ⁻ ) w elektrolizie alkalicznej, protony ( H ⁺ ) w elektrolizie z membraną wymiany protonów (PEM) lub jony tlenu ( O ²⁻ ) w elektrolizie tlenków stałych (SOE). Jony te przemieszczają się przez elektrolit z anody do katody, gdzie ulegają redukcji do wodoru ( Al-Shara i in., 2021 ). Powstałe gazy wodoru i tlenu są następnie oddzielane, zbierane i albo sprężane, albo skraplane w celu przechowywania i transportu.

Metody elektrolizy dzielą się głównie na trzy typy: alkaliczne, PEM i SOE. Elektroliza alkaliczna wykorzystuje wodne roztwory wodorotlenku sodu ( NaOH ) lub wodorotlenku potasu ( KOH ) jako elektrolit i jest znana ze swojej opłacalności i możliwości adaptacji w różnych skalach ( de Groot i in., 2022 ). Elektroliza PEM wykorzystuje membranę przewodzącą protony, oferując wyższą efektywność energetyczną i możliwość pracy przy wyższych gęstościach prądu ( Sanchez-Molina i in., 2021 ). SOE wykorzystuje stałe tlenki lub elektrolity ceramiczne, które mogą wytrzymać wysokie temperatury (700–1000 °C), zapewniając znaczną efektywność energetyczną, chociaż ma mniej rozwinięte zastosowania komercyjne ze względu na bardziej złożone wymagania systemowe ( Dey i in., 2020 ).

Postępy w technologii elektrochemicznej obejmują mikrobiologiczne ogniwa elektrolizy (MEC), elektrolizę z membraną anionowymienną (AEM) i elektrolizę z membraną bipolarną. Elektroliza AEM, która wykorzystuje membranę anionowymienną i katalizatory z metali nieszlachetnych, działa w niższych temperaturach niż PEM i oferuje bardziej opłacalną alternatywę ( Chen i in., 2021a ). Elektroliza z membraną bipolarną wykorzystuje membranę kompozytową z dwubiegunowym złączem, która pomaga zoptymalizować dysocjację wody i wydzielanie wodoru , potencjalnie zwiększając ogólną efektywność energetyczną procesu ( Sun i in., 2022a ). MEC wykorzystują elektroaktywne mikroorganizmy do produkcji wodoru z biologicznych substratów, takich jak biomasa lub ścieki ( Mayerhöfer i in., 2020 ; Amin i in., 2022b ).

Elektroliza umożliwia przekształcanie nadwyżki energii ze źródeł odnawialnych, takich jak energia słoneczna i wiatrowa, w wodór, który można magazynować, a następnie wykorzystywać do wytwarzania energii elektrycznej za pomocą ogniw paliwowych ( Mayyas i in., 2020 ). Włączenie energii odnawialnej do elektrolizy promuje produkcję wodoru bez gazów cieplarnianych, zwiększając zrównoważony rozwój środowiska ( Amin i in., 2022a ). Systemy elektrolizy można dostosowywać do różnych potrzeb w zakresie produkcji wodoru, wytwarzając wodór o wysokiej czystości, niezbędny do określonych zastosowań, takich jak ogniwa paliwowe ( Yue i in., 2021 ). Jednak systemy te wiążą się z wysokimi początkowymi inwestycjami i kosztami operacyjnymi, głównie ze względu na stosowanie drogich katalizatorów i energochłonnych operacji ( Fragiacomo i in., 2022 ). Podczas gdy elektroliza jest mniej energooszczędna w porównaniu z metodami termochemicznymi, takimi jak SMR, jej wpływ na środowisko zależy od wykorzystanego źródła energii. Ciągłe wysiłki na rzecz poprawy efektywności elektrolizy i obniżenia kosztów mają kluczowe znaczenie, zwłaszcza w obliczu coraz powszechniejszego stosowania energii odnawialnej, co sprawia, że ​​elektroliza staje się kluczową technologią w zrównoważonej produkcji wodoru i magazynowaniu energii ( Younas i in., 2022 ).

2.2.3 . Produkcja biologiczna

Produkcja wodoru poprzez procesy biologiczne wykorzystuje mikroorganizmy lub enzymy do katalizowania konwersji różnych substratów organicznych w wodór ( Pal i in., 2022 ). Techniki te są ogólnie bardziej przyjazne dla środowiska, zrównoważone i przyjazne dla środowiska w porównaniu z tradycyjnymi metodami termochemicznymi i elektrochemicznymi. W dziedzinie biologicznej syntezy wodoru, fermentacja ciemna i fotofermentacja to dwie powszechnie uznawane metody. Fermentacja ciemna wykorzystuje szereg substancji organicznych, takich jak cukry, ścieki, odpady organiczne i biomasę lignocelulozową jako substraty ( Arun i in., 2022 ). Substraty te muszą zawierać składniki fermentowalne, takie jak kwasy organiczne i cukry, często wymagające wstępnej obróbki w celu rozbicia złożonych cząsteczek na prostsze, fermentowalne formy ( Kucharska i in., 2020 ). Obejmuje to różne procesy chemiczne, fizyczne i enzymatyczne. Następnie bioreaktor jest zaszczepiany mieszaną kulturą bakterii beztlenowych wraz z substratem. W środowisku beztlenowym bakterie te rozkładają substancje organiczne, wytwarzając wodór i produkty uboczne, takie jak lotne kwasy tłuszczowe (VFA), alkohole i CO2 _. Następnie wodór jest oddzielany za pomocą technik, takich jak przedmuchiwanie gazem, separacja membranowa i adsorpcja ( Rasheed i in., 2021 ).

Fotofermentacja zazwyczaj wykorzystuje jako substraty kwasy tłuszczowe lotne, które powstają podczas ciemnej fermentacji lub innych procesów beztlenowych ( Jain i in., 2022 ). Bakterie fotosyntetyczne, takie jak fioletowe bakterie bezsiarkowe, są dodawane do bioreaktora zawierającego substrat ( Chen i in., 2023a ). Ten bioreaktor jest wystawiony na działanie światła naturalnego lub sztucznego, aby umożliwić fotosyntezę. W warunkach beztlenowych i oświetlonych bakterie te przekształcają substrat w wodór i produkty uboczne, takie jak CO2 _. Podobnie jak w przypadku ciemnej fermentacji, wytworzony wodór jest oddzielany od innych składników i poddawany procesom oczyszczania w celu przechowywania i transportu.

Ostatnie osiągnięcia w biologicznej produkcji wodoru obejmują produkcję diwodoru sinicowego, która wykorzystuje specyficzne szczepy sinic zdolne do produkcji wodoru poprzez fotosyntezę, wykorzystując tlen i enzymy wiążące azot ( Kamshybayeva i in., 2023 ). Te szczepy są hodowane w kontrolowanych warunkach z określonymi parametrami światła, temperatury i składników odżywczych w celu zmaksymalizowania produkcji wodoru. Wyczerpanie azotu jest wykorzystywane jako warunek stresowy w celu wywołania aktywacji enzymu nitrogenazy w sinicach, co prowadzi do produkcji wodoru ( Sadvakasova i in., 2020 ). Inne podejście obejmuje zwiększenie produkcji wodoru poprzez konsorcja mikrobiologiczne, które wykorzystują substancje organiczne, takie jak węglowodany, ścieki i biomasa lignocelulozowa jako substraty ( Tomasini i in., 2023 ). Te konsorcja, niezależnie od tego, czy występują naturalnie, czy są modyfikowane genetycznie, obejmują różnorodne bakterie lub mikroorganizmy zoptymalizowane w celu poprawy szybkości i wydajności produkcji wodoru ( Joshi i in., 2023 ). W systemach bioelektrochemicznych (BES) substancje organiczne służą jako substraty, gdzie elektroaktywne mikroorganizmy utleniają je na anodzie, wytwarzając elektrony i protony ( Ergal i in., 2022 ; Sharma i in., 2023a ). Elektrony przemieszczają się przez obwód zewnętrzny, podczas gdy protony przemieszczają się przez membranę wymiany jonowej do katody, gdzie wodór jest wytwarzany przez redukcję ( Al-Mamun i in., 2023 ).

2.2.4 . Produkcja fotokatalityczna

Metody fotokatalityczne stosowane w produkcji wodoru wykorzystują fotokatalizatory do wytwarzania wodoru z wody lub alternatywnych substratów w obecności światła ( Shi i in., 2023 ). Szeroko przyjęte podejście do produkcji wodoru poprzez fotokatalizę obejmuje półprzewodnikowe fotokatalizatory zaprojektowane do rozszczepiania wody ( Ishaq i in., 2021 ). Skuteczność procesu fotokatalitycznego w dużym stopniu zależy od wyboru fotokatalizatora, przy czym powszechnymi wyborami są siarczek kadmu ( CdS ), dwutlenek tytanu ( TiO2 ) i różne inne tlenki lub siarczki metali ( _Anucha i in., 2022 ). Podstawowymi cechami materiałów fotokatalizatorów są odpowiednia energia przerwy energetycznej, wysoka stabilność i niskie poziomy toksyczności. Materiały te poddawane są syntezie i przetwarzaniu w celu uzyskania odpowiedniej morfologii, takiej jak nanocząstki , cienkie warstwy lub unieruchomienie na podłożu, co poprawia rozdzielenie ładunków, absorpcję światła i kinetykę reakcji ( Šuligoj i in., 2022 ).

Fotokatalizator umieszczany jest w fotoreaktorze, który może być zaprojektowany jako zamknięta struktura lub otwarty system stawowy, w zależności od zastosowania i projektu procesu. Głównymi celami projektowania fotoreaktora jest maksymalizacja absorpcji światła, ułatwienie transferu masy i zapobieganie odwrotnej reakcji między wodorem a tlenem. Proces rozpoczyna się od wprowadzenia wody do fotoreaktora, który jest następnie oświetlany za pomocą źródła światła, takiego jak sztuczne światło lub naturalne światło słoneczne. To oświetlenie aktywuje fotokatalizator, generując pary elektron-dziura. Elektrony z tych par napędzają redukcję wody, tworząc wodór na powierzchni katalizatora, podczas gdy otwory utleniają wodę, wytwarzając tlen ( Lakhera i in., 2021 ). Wytworzone gazy tlen i wodór są następnie izolowane od siebie, a zebrany wodór przechodzi procesy, takie jak oczyszczanie, sprężanie lub skraplanie w celu przechowywania i transportu.

Zastosowanie półprzewodnikowych fotokatalizatorów w rozszczepianiu wody oferuje obiecującą, przyjazną dla środowiska metodę produkcji wodoru. Obecne osiągnięcia w technologiach fotokatalitycznych koncentrują się na tworzeniu innowacyjnych materiałów, nanostruktur i systemów hybrydowych w celu zwiększenia skuteczności i funkcjonalności. Ostatnie postępy obejmują rozwój fotokatalizatorów z półprzewodnikami o niskiej przerwie energetycznej, materiałami domieszkowanymi i związkami potrójnymi/czwartorzędowymi, które poprawiają absorpcję światła, separację ładunku i kinetykę reakcji ( Zhang i in., 2023a ). Fotokatalizatory zawierające różne nanostruktury, takie jak nanopręty , nanodruty i kropki kwantowe , zostały zaprojektowane w celu zwiększenia absorpcji światła i transferu ładunku, zwiększając ogólną wydajność fotokatalityczną ( Guo i in., 2022a ). Hybrydowe fotokatalizatory, łączące materiały takie jak organiczno-nieorganiczne lub półprzewodnikowo-metaliczne, mają na celu zwiększenie zarówno wydajności, jak i stabilności poprzez wykorzystanie efektów synergistycznych różnych materiałów, a tym samym poprawę separacji ładunków i zmniejszenie rekombinacji ( Zhou i in., 2022a ). Ponadto tandemowe lub oparte na schemacie Z urządzenia fotokatalityczne, które łączą wiele fotokatalizatorów z optymalnym ustawieniem przerwy energetycznej, wykorzystują szersze widmo słoneczne i zmniejszają rekombinację ładunków, aby zwiększyć ogólną wydajność konwersji energii słonecznej na wodór ( Ayodhya, 2023 ).

Produkcja wodoru fotokatalitycznego to zrównoważona metoda wykorzystująca energię słoneczną i wodę do produkcji wodoru, minimalizująca emisję gazów cieplarnianych i znacząco przyczyniająca się do sektora energii odnawialnej ( Hassan i in., 2023a ). Technologia ta stanowi realną opcję magazynowania energii słonecznej, zwiększając stabilność sieci i zarządzanie energią. Jednak obecna wydajność produkcji wodoru fotokatalitycznego pozostaje w tyle za metodami takimi jak SMR i elektroliza ( Oh i in., 2022 ). Wiele materiałów fotokatalitycznych z czasem ulega autokorozji lub dezaktywacji, co zmniejsza wydajność i wymaga częstej wymiany lub regeneracji materiałów ( Priya i in., 2021 ). Produkcja wodoru fotokatalitycznego zależy również od przerywanego światła słonecznego, co ogranicza ciągłą syntezę wodoru i sprawia, że ​​jest on niedostępny w ciągu dnia ( Rahman i in., 2022b ). Trwające badania są ukierunkowane na opracowanie nowych materiałów fotokatalitycznych o zwiększonej stabilności, wydajności i opłacalności. Przyszłe postępy mogą poprawić konstrukcję reaktora, wydajność wychwytywania światła i ogólną optymalizację systemu, zwiększając skuteczność produkcji wodoru za pomocą systemów fotokatalitycznych. Rosnąca akceptacja odnawialnych źródeł energii sprzyja zainteresowaniu potencjałem fotokatalitycznej produkcji wodoru do produkcji zielonego wodoru, uzupełniając istniejące technologie energii odnawialnej i ułatwiając magazynowanie energii.

3.2.1 Transport gazowy

Transport wodoru w stanie gazowym obejmuje sprężanie wodoru pod wysokim ciśnieniem i transportowanie go w specjalistycznych pojemnikach w celu spełnienia protokołów bezpieczeństwa i wymogów regulacyjnych ( Noh i in., 2023 ). Ta metoda jest preferowana ze względu na opłacalność i dostępność ustalonej infrastruktury. Głównymi metodami transportu wodoru w stanie gazowym są przyczepy rurowe i rurociągi wysokociśnieniowe. W przypadku przyczep rurowych wodór jest najpierw sprężany za pomocą sprężarek w celu zmniejszenia jego objętości, co zwiększa wydajność transportu ( Hassan i in., 2021b ). Następnie jest on przechowywany w pojemnikach ciśnieniowych lub butlach w miejscu produkcji, zanim zostanie załadowany do specjalistycznych ciężarówek, które bezpiecznie transportują wodór pod wysokim ciśnieniem ( Hassan i in., 2021c ). Te przyczepy zazwyczaj składają się z wielu butli przymocowanych do podwozia, co umożliwia transport drogowy, morski lub kolejowy, w zależności od konkretnych potrzeb i warunków. Po przybyciu sprężony wodór jest przenoszony do odpowiednich obiektów magazynowych lub wykorzystywany bezpośrednio w miejscach takich jak stacje paliw lub fabryki.

Podobnie transport sprężonego wodoru rurociągami obejmuje wstrzykiwanie wodoru do rurociągów, które mogą rozciągać się na duże odległości ( Di Lullo i in., 2022 ). Aby zapobiec problemom takim jak kruchość wodorowa wodorowa , która może powodować degradację materiałów stosowanych w rurociągach z powodu absorpcji wodoru ( Wang i in., 2022 ), należy stosować materiały kompatybilne z wodorem. Operacje rurociągów wymagają systemów monitorowania, wykrywania nieszczelności , kontroli i awaryjnych wyłączeń, aby działać skutecznie.

Wyzwanie kruchości wodorowej , która odnosi się do degradacji materiałów metalowych z powodu wodoru, jest łagodzone dzięki badaniom nad powłokami, innowacyjnymi materiałami i projektami rurociągów, które zwiększają skuteczność i trwałość infrastruktury wodorowej. Materiały odporne na kruchość wodorową obejmują stopy na bazie niklu, austenityczne stale nierdzewne i niektóre stopy aluminium ( Luo i in., 2020 ). Stopy o wysokiej entropii, które mają unikalne mikrostruktury, są obiecujące w skutecznym łagodzeniu kruchości wodorowej ( Mohammadi i in., 2022 ). Alternatywy niemetaliczne, takie jak materiały kompozytowe polimerowe, również odniosły sukces w radzeniu sobie z zagrożeniami związanymi z kruchością wodorową ( Sun i Cheng, 2022 ). Obróbka powierzchni, taka jak azotowanie, nawęglanie i śrutowanie, może zmieniać właściwości powierzchni w celu zwiększenia odporności materiału na kruchość ( Maleki i in., 2021 ). Powłoki ochronne, takie jak powłoki ceramiczne lub metalowe, działają jak bariery zapobiegające przenikaniu wodoru, zmniejszając w ten sposób ryzyko kruchości ( Laadel i in., 2022 ). Obecność zanieczyszczeń, takich jak siarka, tlen lub woda w wodorze, może zaostrzyć kruchość. Zaawansowane metody oczyszczania, takie jak separacja membranowa , adsorpcja zmiennociśnieniowa i kriogeniczna destylacja, okazały się wysoce skuteczne w minimalizowaniu tych zanieczyszczeń ( Kim i in., 2022 ).

Transport wodoru gazowego jest niezbędny do wydajnego dostarczania wodoru z miejsc produkcji do użytkowników końcowych. Obsługuje wiele zastosowań, w tym ogniwa paliwowe wymagające wodoru o wysokiej czystości ( Gordon i in., 2023 ). Jednak transport wodoru rurociągami może być kosztowny ze względu na niezbędny rozwój i konserwację infrastruktury ( Dehdari i in., 2022 ). Energia zużywana na sprężanie wodoru na potrzeby transportu może również wpływać na ogólną wydajność wodoru jako nośnika energii ( Noh i in., 2023 ). Biorąc pod uwagę wysoką palność wodoru i niską energię zapłonu, rygorystyczne środki bezpieczeństwa mają kluczowe znaczenie podczas jego transportu, przechowywania i obsługi ( Hansen, 2020 ). Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na wodór i rosnącym znaczeniem odnawialnych źródeł energii, poprawa infrastruktury transportu wodoru ma kluczowe znaczenie dla wspierania wydajnego magazynowania i dystrybucji energii. Trwające badania i rozwój są kluczowe dla poprawy technologii sprężania i transportu wodoru, ostatecznie zwiększając wydajność i opłacalność transportu wodoru gazowego.

3.2.2 . Transport

Transport ciekłego wodoru obejmuje rygorystyczny proces kriogeniczny, w którym gazowy wodór ulega skropleniu w temperaturach bliskich −253 °C. Ta metoda, pomimo wysokiego zużycia energii, tworzy gęstszy stan nośnika energii odpowiedni do wydajnego przemieszczania masowego, znacznie poprawiając wydajność transportu ( Ratnakar i in., 2021 ). Po skropleniu wodór jest przechowywany w dobrze izolowanych zbiornikach kriogenicznych w zakładzie produkcyjnym, zaprojektowanych w celu utrzymania bardzo niskich temperatur i zminimalizowania wymiany cieplnej ( Ho Nguyen i Hoon Kim, 2022 ). Następnie jest on przesyłany do kriogenicznych cystern wyposażonych w izolowane zbiorniki i urządzenia odciążające ciśnienie w celu utrzymania niezbędnych niskich temperatur i ciśnień podczas transportu. Cysterny te, często wykorzystujące transport drogowy, ułatwiają dostarczanie wodoru w postaci ciekłej do wyznaczonej lokalizacji, chociaż w zależności od infrastruktury i wymagań można również wykorzystać kolej lub statek ( Ahluwalia i in., 2023 ).

Po przybyciu ciekły wodór jest przenoszony z cysterny do zbiorników magazynowych lub zakładów przetwórczych w siedzibie użytkownika końcowego. Powszechną praktyką jest odparowywanie wodoru do temperatury otoczenia przed użyciem. Ścisłe protokoły bezpieczeństwa podczas transportu mają pierwszorzędne znaczenie, w tym monitorowanie temperatury i ciśnienia, stosowanie systemów wykrywania wycieków i przestrzeganie odpowiednich norm ( Klebanoff i in., 2017 ; Yang i in., 2021 ).

Trwają prace nad zwiększeniem wydajności, obniżeniem kosztów i poprawą bezpieczeństwa transportu ciekłego wodoru. Innowacje w izolacji zbiorników mają na celu zmniejszenie wymiany ciepła, a technologie takie jak panele izolacji próżniowej wykorzystujące materiały takie jak aerożel krzemionkowy w barierze uszczelnionej próżniowo i izolacja wielowarstwowa , obejmująca liczne warstwy materiałów odblaskowych, są kluczowymi obszarami rozwoju ( Resalati i in., 2021 ; Li i in., 2021 ). Ponadto badane jest zastosowanie polimerów wzmocnionych włóknem węglowym (CFRP) do budowy zbiorników ze względu na ich potencjał do odciążenia zbiorników, potencjalnego obniżenia kosztów i zwiększenia ładowności ( Ekeocha i in., 2021 ).

Transport ciekłego wodoru odgrywa kluczową rolę w sektorach takich jak lotnictwo i kosmonautyka, gdzie jest stosowany jako paliwo rakietowe. Większa gęstość energetyczna ciekłego wodoru umożliwia bardziej wydajny transport i przechowywanie w porównaniu z jego formą gazową, chociaż wysokie zapotrzebowanie na energię tego procesu podkreśla potrzebę dalszych badań i optymalizacji ( Noh i in., 2023 ; Okninski i in., 2021 ). Złożoność i koszty związane z utrzymaniem warunków kriogenicznych, a także potencjalne straty spowodowane odparowaniem gazu, wymagają ciągłych innowacji w celu poprawy ekonomiki i wpływu na środowisko transportu ciekłego wodoru ( Sotoodeh i Gudmestad, 2022 ).

Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na wodór, kluczowe stają się rozwój i ekspansja wydajnej infrastruktury transportu ciekłego wodoru. Infrastruktura ta nie tylko wspiera rosnące zapotrzebowanie na wodór w różnych branżach, ale także jest zgodna z globalnymi wysiłkami na rzecz zwiększenia zrównoważonego rozwoju, pozycjonując wodór jako kluczowy element krajobrazu energii odnawialnej.

3.2.3 . Transport nośników wodoru

Nośniki wodoru znacznie ułatwiają transport wodoru, zapewniając alternatywę dla złożoności związanych z transportem wodoru w jego postaci gazowej lub ciekłej. Typowe nośniki obejmują amoniak, wodorotlenki metali i ciekłe organiczne nośniki wodoru (LOHC). Skupiając się na wodorotlenkach metali, wodór jest łączony ze stopami tworzącymi wodorotlenki metali, takimi jak te na bazie magnezu lub sodu, w miejscu produkcji poprzez reakcję egzotermiczną . Ta reakcja umożliwia absorpcję wodoru i zatrzymanie go w strukturze wodorotlenka metalu ( Chen i in., 2021b ). Transportowany do miejsca przeznaczenia za pomocą konwencjonalnych metod, takich jak ciężarówki, pociągi lub statki, wodorotlenek metalu obciążony wodorem jest następnie podgrzewany w punkcie końcowym w celu uwolnienia zmagazynowanego wodoru ( Tong i in., 2021 ). Wodorek metalu może być poddany recyklingowi z powrotem do zakładu produkcyjnego w celu ponownego uwodornienia, tworząc zrównoważony zamknięty system transportu.

Amoniak jest produkowany w procesie Habera-Boscha poprzez reakcję wodoru z azotem przy użyciu katalizatora żelazowego pod wysokim ciśnieniem ( Humphreys i in., 2021 ), podczas gdy LOHC obejmują chemiczną kombinację wodoru z ciekłym nośnikiem organicznym, takim jak dibenzylotoluen lub N-etylokarbazol ( NEC ), zwykle przy użyciu katalizatora pod wysokim ciśnieniem ( Singh i in., 2021 ). Nośniki te zapewniają wydajne i praktyczne rozwiązania do przechowywania i transportu wodoru w różnych zastosowaniach.

Nośniki wodoru oferują wyższe gęstości energii niż wodór gazowy lub ciekły, umożliwiając bardziej wydajne magazynowanie i transport ( Viteri i in., 2023 ). Ponadto wiele nośników stwarza niższe ryzyko łatwopalności i wybuchu, zwiększając bezpieczeństwo podczas transportu i magazynowania. Niektóre nośniki, takie jak amoniak i LOHC, mogą wykorzystywać istniejącą infrastrukturę, taką jak rurociągi, zmniejszając potrzebę znacznych nowych inwestycji ( Di Lullo i in., 2022 ). Jednak uwalnianie wodoru z tych nośników wymaga na ogół dodatkowej energii, co potencjalnie prowadzi do nieefektywności konwersji, która wpływa na ogólną efektywność energetyczną ( Otto i in., 2022 ). Wdrożenie technologii nośników wodoru często obejmuje złożone procesy chemiczne i specjalistyczny sprzęt do magazynowania i uwalniania, co wymaga znacznych inwestycji finansowych, w szczególności w celu opracowania nowych materiałów lub technologii ( Usman, 2022 ; Cloete i in., 2022 ).

Nośniki wodoru łagodzą wyzwania logistyczne związane z transportem wodoru w bardziej tradycyjnych formach. Poprzez chemiczne wiązanie wodoru w formach, które są łatwiejsze w zarządzaniu, nośniki takie jak wodorotlenki metali zapewniają skuteczny mechanizm odwracalnego magazynowania i uwalniania wodoru, podczas gdy amoniak i LOHC oferują wszechstronne alternatywy dla transportu na duże odległości ( Chen i in., 2021b ; Tong i in., 2021 ; Humphreys i in., 2021 ; Singh i in., 2021 ). Ciągły postęp w technologiach nośników wodoru ma na celu poprawę pojemności magazynowej, obniżenie kosztów i wzmocnienie funkcji bezpieczeństwa, dzięki czemu transport wodoru staje się bardziej wydajny i opłacalny. Wysiłki te mają kluczowe znaczenie w miarę wzrostu zapotrzebowania na wodór, wspierając szersze przyjęcie wodoru jako czystego źródła energii i zwiększając elastyczność i odporność łańcucha dostaw wodoru.

4.2.1 . Przechowywanie gazowe

Koncepcja magazynowania wodoru gazowego obejmuje różne techniki bezpiecznego magazynowania wodoru w stanie gazowym, co na ogół wymaga specjalistycznych systemów magazynowania zaprojektowanych tak, aby wytrzymywały wysokie ciśnienia, przy jednoczesnym przestrzeganiu ustalonych norm bezpieczeństwa ( Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office, 2023 ; Dewangan i in., 2022a ). Magazynowanie wodoru gazowego dzieli się przede wszystkim na magazynowanie wodoru sprężonego i magazynowanie wodoru podpowierzchniowego.

W przypadku magazynowania sprężonego wodoru, wodór jest poddawany działaniu podwyższonego ciśnienia, zazwyczaj pomiędzy 200 a 700 barów, w celu zmniejszenia jego objętości i zwiększenia pojemności magazynowej ( Chen i in., 2021b ). Ten typ magazynowania zwykle wykorzystuje cylindry wysokociśnieniowe, które występują w różnych typach w zależności od materiałów konstrukcyjnych i konstrukcji ( Azeem i in., 2022 ). Cylindry typu I są wykonane z wytrzymałych materiałów metalowych, takich jak stal lub aluminium. Cylindry typu II łączą metalową wkładkę z kompozytową osłoną z włókna węglowego lub szklanego, zwiększając integralność strukturalną przy jednoczesnym zmniejszeniu masy. Cylindry typu III charakteryzują się metalową wkładką otoczoną materiałami kompozytowymi, co znacznie zmniejsza wagę cylindra bez uszczerbku dla integralności strukturalnej. Cylindry typu IV wykorzystują wkładkę polimerową, taką jak polietylen o wysokiej gęstości , zapewniając lekką, ale trwałą alternatywę, chociaż mogą być droższe ( Barthelemy i in., 2017 ; Li i in., 2024 ; Kis i Kökai, 2024 ).

Najnowsze badania nad technologią magazynowania sprężonego wodoru obejmują rozwój kaskadowych systemów magazynowania, które wykorzystują wiele zestawów cylindrów wysokociśnieniowych o różnym ciśnieniu w celu ułatwienia wydajnego uzupełniania paliwa lub zasilania, co jest szczególnie przydatne w zastosowaniach stacjonarnych ( Yu i in., 2022 ). Postępy w nauce o materiałach, takie jak eksploracja nanokompozytów i kompozytów z włókna węglowego , mają na celu tworzenie lżejszych i mocniejszych zbiorników do magazynowania wodoru wysokociśnieniowego ( Zhang i Xu, 2022 ). Innym innowacyjnym obszarem jest rozwój konformistycznych zbiorników, zaprojektowanych tak, aby lepiej pasowały do ​​ograniczeń przestrzennych pojazdów lub innych platform, zwiększając gęstość energii i wydajność magazynowania ( Dong i in., 2022 ).

Podpowierzchniowe magazynowanie wodoru polega na przechowywaniu wodoru w formacjach geologicznych pod powierzchnią Ziemi, takich jak kawerny solne lub wyczerpane złoża gazu ( Zhong i in., 2024 ; Hosseini i in., 2022 ; Lankof i Tarkowski, 2020 ; Lankof i in., 2022 ). Kawerny solne powstają za pomocą technik wydobycia roztworów, które polegają na wstrzykiwaniu wody do podziemnych złóż soli w celu rozpuszczenia soli i utworzenia kontrolowanych kawern. Wyczerpane złoża gazu i ropy są również brane pod uwagę do magazynowania wodoru ze względu na ich udowodnioną zdolność do zatrzymywania gazów w ramach geologicznych ram czasowych ( Muhammed i in., 2023 ; Kanaani i in., 2022 ). Inna potencjalna metoda polega na wykorzystaniu warstw wodonośnych, gdzie ograniczone warstwy wodonośne są preferowane od nieograniczonych ze względu na ich naturalne bariery, które zapobiegają migracji gazu ( Mahdi i in., 2021 ).

Trwające badania i rozwój w zakresie podziemnego magazynowania wodoru koncentrują się na optymalizacji wydajności i precyzji tworzenia kawern solnych oraz stosowaniu zaawansowanych technologii, takich jak obrazowanie sejsmiczne 3D, w celu lepszego zarządzania magazynowaniem wodoru w formacjach geologicznych ( Tackie-Otoo i Haq, 2024 ; Wu i in., 2023 ; Khayer i in., 2023 ). Zastosowanie gazów poduszkowych, takich jak N ₂ , CO ₂ lub CH ₄ w celu zwiększenia odzysku wodoru ze składowisk geologicznych jest przykładem tego, w jaki sposób rozwijane są strategie odzyskiwania gazu ( Zamehrian i Sedaee, 2022 ; Heinemann i in., 2021 ).

Magazynowanie gazowego wodoru ma kluczowe znaczenie dla szerokiego zakresu zastosowań, w tym produkcji energii elektrycznej, procesów przemysłowych i integracji systemów energetycznych, pomagając w buforowaniu wahań w produkcji energii odnawialnej i przyczyniając się do stabilizacji sieci ( Sambo i in., 2022 ; Tahan, 2022 ; Abdellatif i in., 2023 ). Podczas gdy magazynowanie gazowego wodoru stwarza wyzwania ze względu na jego niższą gęstość energii w porównaniu z innymi paliwami, co wymaga większych objętości magazynowych lub wyższych ciśnień, rozwój zaawansowanych materiałów i technologii magazynowych nadal poprawia wykonalność i wydajność rozwiązań w zakresie magazynowania wodoru ( Elberry i in., 2021 ; Zivar i in., 2021 ).

Ewolucja magazynowania wodoru gazowego, od innowacji w zakresie butli wysokociśnieniowych po strategiczne wykorzystanie formacji geologicznych, pokazuje jego istotną rolę we wspieraniu gospodarki wodorowej, oferując niezawodne i skalowalne opcje dla sektora czystej energii. Ciągły postęp w technologiach i materiałach do magazynowania wodoru ma kluczowe znaczenie dla maksymalizacji efektywności i zrównoważonego rozwoju wodoru jako kluczowego nośnika energii.

4.2.2 . Przechowywanie cieczy

Przechowywanie wodoru w postaci ciekłej wymaga specjalistycznych zbiorników zaprojektowanych w celu utrzymywania wodoru w temperaturach kriogenicznych, zwykle poniżej −253 °C. Zbiorniki te są kluczowe zarówno do przechowywania, jak i transportu ciekłego wodoru, podkreślając potrzebę utrzymania określonych warunków temperatury i ciśnienia ( Yatsenko i in., 2022 ; Ali i in., 2024 ). Do bezpiecznego przechowywania niezbędne są specjalistyczne zbiorniki lub izolowane pojemniki w celu zminimalizowania wymiany ciepła i utrzymania wymaganych ekstremalnie niskich temperatur. Bezpieczeństwo jest najważniejsze, a ścisłe przestrzeganie przepisów i wytycznych bezpieczeństwa jest konieczne w celu złagodzenia ryzyka związanego z właściwościami kriogenicznymi i potencjalną reaktywnością ciekłego wodoru ( Yatsenko i in., 2022 ).

Postęp technologiczny w zakresie materiałów izolacyjnych i technik stosowanych do utrzymywania niskich temperatur w zbiornikach magazynowych często znajduje zastosowanie również w systemach transportowych. Należą do nich zbiorniki z izolacją próżniową, panele izolacyjne próżniowe, aerożele , kriogeniczne pianki izolacyjne, zbiorniki o podwójnych ściankach i izolacje wielowarstwowe ( Zhang i in., 2023b ). Zaawansowane materiały kompozytowe, takie jak CFRP, zapewniają zarówno izolację, jak i wsparcie strukturalne, zwiększając bezpieczeństwo i wydajność zbiorników do magazynowania ciekłego wodoru i systemów transportowych ( Ekeocha i in., 2021 ; Zhang i in., 2020 ).

Aktywne systemy chłodzenia , takie jak kriogeniczne cykle chłodnicze , są stosowane zarówno w magazynowaniu, jak i transporcie, aby utrzymać niskie temperatury niezbędne dla ciekłego wodoru ( Zhang i in., 2023b ). Badania nad materiałami odpornymi na kruchość wodorową , kompatybilnymi z ciekłym wodorem, mają kluczowe znaczenie dla ulepszenia systemów magazynowania i transportu ( Okonkwo i in., 2023 ).

Podczas gdy technologie i metody nakładają się na siebie, magazynowanie i transport ciekłego wodoru służą odrębnym celom w łańcuchu dostaw wodoru. Magazynowanie koncentruje się przede wszystkim na zachowaniu wodoru do przyszłego wykorzystania lub dystrybucji, podczas gdy transport obejmuje przemieszczanie wodoru z miejsc produkcji do obiektów magazynowych lub użytkowników końcowych. Każdy proces wymaga określonej infrastruktury; magazynowanie obejmuje stałe izolowane zbiorniki w miejscach takich jak zakłady produkcyjne, centra dystrybucyjne lub stacje paliw, podczas gdy transport wykorzystuje mobilne kontenery, takie jak kriogeniczne cysterny, statki lub wagony kolejowe ( Speigel, 2020 ; Noh i in., 2023 ; Yatsenko i in., 2022 ; Dewangan i in., 2022a ).

Przechowywanie wodoru w stanie ciekłym umożliwia zachowanie wodoru w wysoce skondensowanej i czystej formie, co jest przydatne w branżach wymagających wodoru o wysokiej czystości, takich jak produkcja półprzewodników ( Guo i in., 2022b ). Charakteryzuje się on również wyższą gęstością energii objętościowej niż wodór gazowy, co zmniejsza objętość wymaganą do przechowywania i sprawia, że ​​transport jest bardziej wydajny ( Tashie-Lewis i Nnabuife, 2021 ). Jednak skraplanie wodoru wymaga znacznego nakładu energii, co może prowadzić do strat energii w fazie przechowywania ( Niermann i in., 2021 ). Utrzymywanie kriogenicznych temperatur wymaga również dodatkowej energii, co przyczynia się do strat spowodowanych odparowaniem podczas przechowywania i transportu ( Meng i in., 2021 ).

Wyzwania związane z bezpieczeństwem w zarządzaniu ciekłym wodorem w warunkach kriogenicznych obejmują ryzyko odmrożeń i kruchości materiału , co ogranicza jego zastosowanie do określonych branż. Innowacje w materiałach izolacyjnych i procesach magazynowania mają kluczowe znaczenie dla łagodzenia strat spowodowanych parowaniem i zwiększania efektywności magazynowania ciekłego wodoru. Wdrożenie nowych technik skraplania i udoskonalenia aspektów proceduralnych mogłyby zmniejszyć zużycie energii i związane z tym koszty przekształcania wodoru ze stanu gazowego w stan ciekły ( Niermann i in., 2021 ).

Patrząc w przyszłość, integracja magazynowania ciekłego wodoru z systemami energii odnawialnej może zapewnić wydajne rozwiązania w zakresie dystrybucji i magazynowania energii, szczególnie w scenariuszach wymagających wysokiej gęstości energii. Ciekły wodór nadal odgrywa kluczową rolę w eksploracji kosmosu i rozwijającym się komercyjnym przemyśle kosmicznym, gdzie jego właściwości jako paliwa rakietowego są nieocenione.

4.2.3 . Pamięć masowa półprzewodnikowa

Przechowywanie wodoru w stanie stałym obejmuje konserwowanie wodoru w materiałach stałych za pomocą mechanizmów wiązań fizycznych lub chemicznych, które zazwyczaj oferują większe bezpieczeństwo i zwiększoną gęstość energii objętościowej w porównaniu do przechowywania w stanie gazowym lub ciekłym ( Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office, 2023 ). W tej metodzie przechowywania wodór wchodzi w interakcje z metalami lub stopami metali, tworząc stabilne i odwracalne wiązania, tworząc wodorotlenki metali, które zatrzymują wodór w swojej sieci i uwalniają go po podgrzaniu lub obniżeniu ciśnienia ( Shi i in., 2022 ).

Wodorki metali są klasyfikowane na podstawie ich składu i właściwości. Wodorki metali na bazie stopów, takie jak typy AB5 i AB2, są powszechne ze względu na ich wydajne charakterystyki wydajnościowe. Stopy AB5, które obejmują metale ziem rzadkich i metale przejściowe, takie jak kombinacje lantanu _{i niklu (np. LaNi5} ), są wszechstronne ze względu na ich godne podziwu pojemności magazynowania wodoru i zdolność do pracy w umiarkowanych temperaturach ( Joubert i in., 2021 ). Stopy AB2, zwykle składające się ze związków na bazie cyrkonu lub tytanu (np. ZrMn2 _, TiFe), często posiadają wyższe pojemności magazynowania, ale mogą wymagać wyższych temperatur do uwalniania wodoru ( Loh i in., 2023 ).

Wodorek magnezu ( MgH ₂ ), znany ze swojej znacznej pojemności magazynowej, napotyka na wyzwania, takie jak powolna kinetyka absorpcji i desorpcji oraz konieczność stosowania wysokich temperatur w celu uwolnienia wodoru. Ograniczenia te są rozwiązywane poprzez stosowanie technik nanostrukturyzacji w celu zwiększenia powierzchni i kinetyki ( Li i in., 2023 ; Cho i in., 2023 ).

Złożone hydrydy, które obejmują materiały połączone wodorem i pierwiastkami takimi jak aluminium, bor lub azot, oferują wyższe pojemności magazynowania grawimetrycznego. Znanymi przykładami są alaniany metali, takie jak wodorek glinowo-sodowy ( NaAlH ₄ ) i wodorek glinowo-litowy ( LiAlH ₄ ), które skutecznie magazynują wodór i mają niższe temperatury rozkładu ( Le i in., 2023 ; Pratthana i Aguey-Zinsou, 2022 ). Borowodorki, takie jak borowodorek litu ( LiBH ₄ ) i borowodorek sodu ( NaBH ₄ ), mogą przechowywać znaczne ilości wodoru, przy czym borowodorek sodu znany jest ze swojej znacznej regenerowalności i pojemności magazynowania grawimetrycznego, uwalniając wodór poprzez hydrolizę w obecności katalizatora ( Le i in., 2021 ; Ozerova i in., 2020 ). Innym przykładem jest amoniak i boran ( NH ₃ BH ₃ ), który uwalnia wodór poprzez hydrolizę lub termolizę ( Kim i in., 2020 ).

Amidy i imidy zawierające azot, takie jak amidek magnezu ( Mg(NH ₂ ) ₂ ), amidek litu ( LiNH ₂ ) i imid litu ( Li ₂ NH ) również wykazują znaczące zdolności magazynowania wodoru, chociaż do uwolnienia wodoru wymagają wysokich temperatur ( He i in., 2021 ). Borowodorek litu i magnezu ( Li ₂ Mg(BH ₄ ) ₄ ) i bimetaliczne borowodorki, takie jak borowodorek wapnia i litu ( CaLi ₂ (BH ₄ ) ₄ ), wykazują ulepszone właściwości magazynowania wodoru ( Chen i in., 2021c ; Ji i in., 2023 ).

Materiały adsorbujące przechowują wodór poprzez fizysorpcję , w której cząsteczki wodoru przylegają do zewnętrznej warstwy materiału stałego ze względu na ich dużą powierzchnię. Należą do nich węgiel aktywowany, który jest skuteczny ze względu na dużą powierzchnię i zdolność do fizycznej absorpcji przy wysokich ciśnieniach i niskich temperaturach ( Hirscher i in., 2023 ; Doğan i in., 2020 ). Metalowo-organiczne struktury (MOF) o zwiększonej powierzchni i dostosowywalnej szerokości porów oraz nanorurki węglowe (CNT), znane ze swojej rozległej powierzchni, są również wykorzystywane do przechowywania wodoru ( Yousaf i in., 2023 ; Mahmodi i in., 2020 ; Karki i Chakraborty, 2023 ; Ullah i in., 2022 ). Porowate struktury aromatyczne (PAF), porowaty azotek boru ( p-BN ) i nanostrukturyzowane materiały grafenowe to nowsze materiały badane pod kątem ich potencjału w magazynowaniu wodoru ( Li i in., 2022 ; Zu i in., 2022 ; Khossossi i in., 2022 ; Liu i in., 2023 ).

Badania nadal koncentrują się na poprawie kinetyki, temperatur roboczych i pojemności magazynowej materiałów w stanie stałym, aby uczynić je bardziej praktycznymi i wydajnymi w zastosowaniach takich jak pojazdy z ogniwami paliwowymi wodorowymi i zdalna generacja energii ( Yao i in., 2022 ; Jansen i in., 2021 ). Celem jest osiągnięcie wyższych gęstości energii objętościowej, co zmniejsza przestrzeń wymaganą do przechowywania wodoru i rozwiązuje problemy bezpieczeństwa związane z kriogenicznym magazynowaniem cieczy lub magazynowaniem gazu pod wysokim ciśnieniem ( Dewangan i in., 2022a ). Wyzwania, takie jak powolna kinetyka absorpcji i uwalniania wodoru, niekorzystne właściwości termodynamiczne oraz potencjalnie wysokie koszty i złożone procesy syntezy, to obszary ciągłych ulepszeń ( Salehabadi i in., 2023 ; Kumar i in., 2022 ).

Ogólnie rzecz biorąc, magazynowanie wodoru w stanie stałym jest obiecującym podejściem do wydajnego i bezpiecznego magazynowania wodoru, ułatwiającym postęp w technologii wodorowej i jej integrację z różnymi systemami energetycznymi. W miarę postępu badań oczekuje się, że materiały te odegrają kluczową rolę w rozwijającej się gospodarce wodorowej.

5.2.1 Ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe to urządzenia elektrochemiczne, które przekształcają energię chemiczną zmagazynowaną w wodorze w energię elektryczną poprzez proces z udziałem tlenu ( Rashidi i in., 2022 ; Kim i in., 2021 ; Lopes i in., 2021 ; Daneshvar i in., 2021 ). Różne typy ogniw paliwowych są klasyfikowane na podstawie użytego materiału elektrolitu i warunków ich pracy. Na przykład ogniwa paliwowe PEM wykorzystują membranę polimerową, taką jak Nafion, jako elektrolit, działając w stosunkowo niższych temperaturach od 50 °C do 100 °C. Dzięki temu nadają się do szybkiego rozruchu i wdrażania w zastosowaniach takich jak pojazdy elektryczne z ogniwami paliwowymi, stacjonarna generacja energii na małą skalę i przenośne źródła zasilania ( Lan i in., 2023 ).

Ogniwa paliwowe tlenkowe stałe (SOFC) wykorzystują stałe materiały ceramiczne, takie jak tlenek cyrkonu stabilizowany tlenkiem itru (YSZ) jako elektrolit, działając w wyższych temperaturach od 600 °C do 1000 °C. Są one idealne do rozszerzonej stacjonarnej generacji energii, systemów skojarzonego wytwarzania ciepła i energii (CHP) i pomocniczych jednostek energetycznych (APU) ( Mankour i in., 2022 ). Ogniwa paliwowe alkaliczne (AFC) wykorzystują ciekły roztwór alkaliczny, taki jak KOH , jako elektrolit, z zakresem temperatur roboczych od 60 °C do 250 °C, dzięki czemu można je stosować w lotach kosmicznych, ograniczonej stacjonarnej generacji energii i okrętach podwodnych ( Kapoor i in., 2020 ).

Ogniwa paliwowe na stopiony węglan (MCFC) wykorzystują stopioną mieszankę soli węglanowych, takich jak węglany litu i potasu, jako elektrolit, pracując w temperaturach od 600 do 700 °C. Nadaje się to do wytwarzania energii na dużą skalę w środowiskach stacjonarnych i systemach kogeneracji ( Ghorbani i in., 2021 ). Ogniwa paliwowe na kwas fosforowy (PAFC) wykorzystują ciekły kwas fosforowy jako elektrolit i działają w zakresie temperatur od 150 °C do 220 °C, co jest odpowiednie do stacjonarnej produkcji energii i systemów kogeneracji ( Oh ​​i in., 2023 ).

Ogniwa paliwowe ceramiczne protonowe (PCFC) wykorzystują przewodzące protony materiały ceramiczne, takie jak cyrkonian baru lub ceran baru jako elektrolity. Systemy te są zaprojektowane do pracy w temperaturach od 500 do 700 °C, co czyni je wysoce odpowiednimi do stosowania w stacjonarnych systemach wytwarzania energii i układach kogeneracyjnych ( Tsvetkov i in., 2022 ). Bioelektrochemiczne ogniwa paliwowe, czyli mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (MFC), wykorzystują różne elektrolity, w tym ciecze jonowe i membrany polimerowe, do wytwarzania energii elektrycznej. Urządzenia te działają w zakresie temperatur od temperatury otoczenia do stosunkowo wysokich i znajdują zastosowanie w oczyszczaniu ścieków , wytwarzaniu energii na małą skalę i teledetekcji ( Yaqoob i in., 2023 ).

Rys. 5 przedstawia szczegółowe schematy różnych ogniw paliwowych, ilustrując unikalną konstrukcję i układ komponentów każdego typu. Ponadto Tabela 12 oferuje kompleksową analizę porównawczą, która podkreśla odrębne cechy, wskaźniki wydajności i zastosowania różnych typów ogniw paliwowych.

1. Pobierz: Pobierz obraz w wysokiej rozdzielczości (498 KB)
2. Pobierz: Pobierz obraz w pełnym rozmiarze

Rys. 5. Schematyczne diagramy różnych typów ogniw paliwowych: (a) PEM, (b) SOFC, (c) PAFC, (d) MCFC i (e) AFC.

Tabela 12 . Ocena różnych technologii wykorzystania wodoru z wykorzystaniem różnych typów ogniw paliwowych ( Rashidi i in., 2022 ; Kim i in., 2021 ; Lopes i in., 2021 ; Daneshvar i in., 2021 ; Lan i in., 2023 ; Mankour i in., 2022 ; Kapoor i in., 2020 ; Ghorbani i in., 2021 ; Oh i in. in., 2023 ; Tsvetkov i in., 2022 ; Yaqoob i in., 2023 ).

Typ ogniwa paliwowego	Elektrolit	Zalety	Wady
PEMFC	Membrana polimerowa	Szybki rozruch, duża moc wyjściowa, niska temperatura pracy	Wrażliwość na zanieczyszczenia, konieczność nawilżania, wysokie koszty materiałów
SOFC	Materiał ceramiczny stały	Wysoka wydajność, możliwość dostosowania paliwa, potencjał skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej	Podwyższona temperatura pracy, degradacja materiału, wydłużony czas rozruchu
AFC	Płynny roztwór alkaliczny	Wysoka wydajność, ekonomiczne materiały, długotrwała technologia	Wrażliwość na CO2 , zapotrzebowanie na czysty wodór i tlen, ograniczona dostępność komercyjna
MCFC	Mieszanina stopionych soli węglanowych	Wysoka wydajność, możliwość dostosowania paliwa, potencjał skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej	Podwyższona temperatura robocza, skomplikowana konstrukcja systemu, degradacja materiału (korozja)
PAFC	Kwas fosforowy w stanie ciekłym	Umiarkowana temperatura pracy, dobra tolerancja na zanieczyszczenia, dostępny w handlu	Niższa wydajność w porównaniu z innymi typami, ograniczona możliwość adaptacji paliwa, stosunkowo wyższy koszt
PCFC	Materiał ceramiczny przewodzący protony	Niższa temperatura pracy w porównaniu z SOFC, wysoka wydajność, możliwość dostosowania paliwa	Mniej znana technologia, ograniczona dostępność komercyjna, wyzwania związane z trwałością materiałów
MFC	Różne rodzaje	Bezpośrednia konwersja odpadów na energię elektryczną, wykorzystanie energii odnawialnej	Niska gęstość mocy, ograniczona dostępność komercyjna, złożoność systemu

Ogniwa paliwowe oferują różnorodne możliwości wykorzystania wodoru w wytwarzaniu energii, transporcie i innych dziedzinach. W przeciwieństwie do tradycyjnych systemów produkcji energii opartych na spalaniu, ogniwa paliwowe osiągają wyższą wydajność energetyczną poprzez bezpośrednią konwersję energii chemicznej na energię elektryczną ( Chehrmonavari i in., 2023 ). Ponadto wykorzystanie wodoru jako źródła paliwa w ogniwach paliwowych skutkuje jedynie ciepłem i wodą jako produktami ubocznymi, co znacznie zmniejsza emisję gazów cieplarnianych i poziom zanieczyszczenia powietrza. Ogniwa paliwowe mogą być projektowane w różnych rozmiarach i możliwościach, odpowiednich do szerokiego spektrum zastosowań, od kompaktowych urządzeń elektronicznych po produkcję energii na dużą skalę ( Zakaria i in., 2021 ). Są znane z niskiego poziomu hałasu , co zwiększa ich przydatność w warunkach miejskich i mieszkalnych ( Acha i in., 2020 ).

Jednak niektóre typy ogniw paliwowych, szczególnie PEM, mogą wiązać się z wysokimi kosztami ze względu na stosowanie drogich materiałów, takich jak platyna, i konieczność stosowania specjalistycznych komponentów ( Sajid i in., 2022 ). Niektóre typy ogniw paliwowych mogą mieć również ograniczoną żywotność lub z czasem ulegać pogorszeniu wydajności, co wpływa na ich długoterminową niezawodność i opłacalność ( Saadabadi i in., 2021 ).

5.2.2 Spalanie wodoru

Proces spalania wodoru obejmuje inicjowanie zapłonu wodoru za pomocą środka utleniającego, takiego jak tlen lub powietrze, co powoduje uwolnienie energii ( Kim i in., 2021 ). Ta metoda pozyskiwania energii ma znaczące implikacje w szerokiej gamie zastosowań, w tym w silnikach spalinowych i turbinach gazowych. W silnikach spalinowych z wodorem, które działają podobnie do tradycyjnych silników benzynowych lub wysokoprężnych , ale wykorzystują wodór jako paliwo podstawowe, występują dwie główne konfiguracje: silniki z zapłonem iskrowym i silniki z zapłonem samoczynnym ( Boretti, 2020 ). Silniki z zapłonem iskrowym, wykorzystujące świecę zapłonową do inicjowania spalania, przypominają konwencjonalne silniki benzynowe ( Gong i in., 2020 ), podczas gdy silniki z zapłonem samoczynnym wykorzystują ciepło ze sprężania mieszanki wodorowo-powietrznej do zapłonu, podobnie jak silniki Diesla ( Kurien i Mittal, 2022 ). Chociaż silniki z zapłonem iskrowym są bardziej powszechne, silniki z zapłonem samoczynnym charakteryzują się wyższą wydajnością i mniejszą emisją zanieczyszczeń.

Wodór jest również wykorzystywany w turbinach gazowych do wytwarzania energii elektrycznej lub mocy mechanicznej, często w elektrowniach, gdzie mogą być częścią układów cyklu kombinowanego, które zwiększają ogólną wydajność ( Escamilla i in., 2022 ). Godnym uwagi postępem w technologii spalania wodoru jest rozwój turbin gazowych z ogniwami paliwowymi, które integrują wysokotemperaturowe spaliny z SOFC w celu napędzania turbiny gazowej. Ten system łączy wydajność z minimalnymi emisjami, co czyni go idealnym do stacjonarnego wytwarzania energii ( Khoshgoftar Manesh i in., 2022 ).

W silnikach spalinowych ICE na wodór ostatnie postępy koncentrują się na zwiększeniu wydajności, zmniejszeniu emisji i optymalizacji konstrukcji silnika, aby lepiej ułatwić spalanie wodoru ( Shi i in., 2021 ; Wang i in., 2021b ). Ulepszenia te obejmują technologie, takie jak wtrysk bezpośredni, techniki spalania ubogiej mieszanki, zaawansowane układy zapłonowe i inteligentne układy sterowania. Ponadto koncepcja bezpłomieniowego spalania wodoru, które spala paliwo wodorowe w atmosferze z niedoborem tlenu w celu uzyskania równomiernego i niskotemperaturowego spalania, zyskuje na popularności. Ta metoda obiecuje zmniejszenie emisji NO _x , poprawę wydajności i zwiększenie bezpieczeństwa dzięki niskiej temperaturze płomienia i stopniowej kinetyce spalania ( Chen i in., 2023b ; Sharma i in., 2023b ).

Kolejną nową technologią w tej dziedzinie są silniki z obrotowym detonatorem, które wykorzystują ciągłe fale detonacyjne do spalania paliwa, w tym wodoru, zapewniając większą wydajność i mniejszą emisję w porównaniu z tradycyjnymi metodami spalania ( Sun i in., 2023 ).

Spalanie wodoru nie jest stosowane wyłącznie w silnikach spalinowych i turbinach, ale także w kotłach i piecach, gdzie generuje ciepło na potrzeby różnych procesów przemysłowych, takich jak produkcja stali, produkcja szkła i przetwórstwo chemiczne ( Gültekin i Ciniviz, 2023 ; Kusuma i in., 2022 ). Ponadto wodór może zastąpić konwencjonalne źródła ciepła, takie jak gaz ziemny lub olej opałowy, w zastosowaniach związanych z ogrzewaniem budynków, zapewniając czystszą opcję ogrzewania pomieszczeń.

Spalanie wodoru wytwarza przede wszystkim parę wodną , ​​co skutkuje stosunkowo niskim poziomem gazów cieplarnianych i zanieczyszczenia powietrza w porównaniu do paliw kopalnych. Wysoka gęstość energii wodoru na jednostkę masy umożliwia wydajne spalanie i zmniejszone zużycie paliwa ( Ramesh i in., 2023 ). Zintegrowanie spalania wodoru z istniejącymi systemami wytwarzania energii i ogrzewania zwykle wymaga minimalnych modyfikacji, co zmniejsza potrzebę znacznych inwestycji w infrastrukturę ( Von Mikulicz-Radecki i in., 2023 ).

Jednak nadal istnieją wyzwania w zakresie przechowywania i dostarczania wodoru ze względu na jego niższą gęstość energii objętościowej w porównaniu z tradycyjnymi paliwami ( Yu i in., 2020 ). Szeroki zakres palności wodoru budzi również obawy dotyczące bezpieczeństwa podczas transportu, obsługi i stosowania w zastosowaniach opartych na spalaniu ( Abohamzeh i in., 2021 ). Wraz z rozwojem infrastruktury i wzrostem zapotrzebowania na wodór, oczekuje się, że spalanie wodoru będzie odgrywać znaczącą rolę w przejściu na czystą energię. Trwające badania i rozwój są ukierunkowane na poprawę wydajności, opłacalności i bezpieczeństwa technologii spalania wodoru, zwiększając ich konkurencyjność w stosunku do innych metod wytwarzania energii i ogrzewania.

5.2.3 . Procesy przemysłowe

Zastosowanie wodoru w procesach przemysłowych obejmuje szeroki zakres metod i zastosowań, wykorzystując wodór jako surowiec, nośnik energii lub paliwo w różnych środowiskach przemysłowych ( Lopes i in., 2021 ). Metody te zostały opracowane strategicznie w celu osiągnięcia wielu celów, w tym zmniejszenia śladu środowiskowego przemysłu, zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego i ułatwienia przejścia na bardziej przyjazny dla środowiska system energetyczny.

Technologie wykorzystania wodoru obejmują szeroki wachlarz kluczowych procesów przemysłowych w różnych sektorach, takich jak produkcja stali, produkcja metanolu , tworzenie amoniaku, synteza chemiczna, rafinacja ropy naftowej i przemysł półprzewodników. W procesie produkcji stali wodór służy jako środek redukujący, zastępując reduktory na bazie węgla, takie jak koks, które powodują emisję CO2 , tym samym znacznie redukując emisje _gazów cieplarnianych i prezentując bardziej przyjazne dla środowiska podejście do produkcji stali ( Palone i in., 2022 ). Wodór ma kluczowe znaczenie w produkcji amoniaku, który jest podstawowym składnikiem formulacji nawozów. Proces Habera-Boscha syntetyzuje amoniak poprzez poddanie azotu i wodoru wysokiemu ciśnieniu i temperaturze, a wykorzystanie zielonego wodoru ze źródeł odnawialnych może złagodzić wpływ na środowisko związany z produkcją amoniaku ( Yüzbaşıoğlu i in., 2022 ).

Metanol, niezbędny prekursor chemiczny, można syntetyzować przez połączenie wodoru z CO2 lub tlenkiem węgla . „Zielona produkcja metanolu” wykorzystuje wodór ze źródeł odnawialnych i wychwycony CO2 do tworzenia metanolu, co pozwala na redukcję gazów cieplarnianych ( _Sollai i in., 2023 ). W sektorze rafinacji ropy naftowej wodór jest szeroko stosowany w procesach takich jak hydrokraking, hydroodsiarczanie i hydrorafinacja w celu poprawy jakości produktu i zmniejszenia emisji szkodliwych zanieczyszczeń ( van Dyk i in., 2022a ). Wodór działa również jako surowiec lub substrat w różnych procesach produkcji chemicznej, w tym w tworzeniu kwasu solnego , nadtlenku wodoru i specjalistycznych chemikaliów ( Wan i in., 2023 ). Ponadto wodór odgrywa kluczową rolę w przemyśle półprzewodnikowym, służąc jako gaz nośny i środek czyszczący przy wytwarzaniu płytek krzemowych o wysokiej czystości i eliminowaniu zanieczyszczeń w trakcie produkcji ( Elgarahy i in., 2022 ).

Zastosowanie bezpośredniej redukcji wodoru (H-DRI) polega na wykorzystaniu wodoru jako środka redukującego do produkcji żelaza bezpośrednio zredukowanego (DRI) przy użyciu rudy żelaza , co skutkuje znaczną redukcją gazów cieplarnianych w porównaniu z konwencjonalnym procesem produkcji stali wielkopiecowej ( Galitskaya i Zhdaneev, 2022 ). Włączenie wodoru do operacji przemysłowych zapewnia redukcję gazów cieplarnianych, zwiększoną efektywność energetyczną i lepszą jakość produktu, taką jak obniżona zawartość siarki podczas rafinacji ropy naftowej ( Ajanovic i in., 2022 ). Jednak koszty związane z produkcją, magazynowaniem i transportem wodoru mogą stanowić ograniczenia, zwłaszcza biorąc pod uwagę ciągłą dostępność tanich paliw kopalnych ( Tashie-Lewis i Nnabuife, 2021 ; Van Dyk i in., 2022b ). Integracja procesów przemysłowych opartych na wodorze często wymaga nowej infrastruktury lub modyfikacji istniejących obiektów ( Swennenhuis i in., 2022 ). Szczególne właściwości wodoru wymagają uwzględnienia kwestii bezpieczeństwa podczas jego obsługi, przechowywania i stosowania w procesach przemysłowych ze względu na niską energię zapłonu, wysoką palność i skłonność do wywoływania kruchości elementów metalowych ( Abohamzeh i in., 2021 ).

Oczekuje się, że przewidywany wzrost zastosowań wodoru w procesach przemysłowych przyczyni się do dekarbonizacji w energochłonnych branżach, ponieważ wysiłki na rzecz minimalizacji gazów cieplarnianych nasilają się. Działania badawczo-rozwojowe koncentrują się przede wszystkim na udoskonalaniu metod produkcji wodoru, technologii magazynowania i integracji procesów w celu zwiększenia efektywności i przystępności cenowej w zastosowaniach przemysłowych. Integracja wodoru w operacjach przemysłowych jest zgodna z zasadami gospodarki o obiegu zamkniętym, zmniejszając zużycie zasobów i emisje w skali globalnej poprzez wykorzystanie strumieni odpadów z jednego procesu jako surowców do innego procesu.

5.2.4 . Magazynowanie energii i bilansowanie sieci

Wykorzystanie wodoru w magazynowaniu energii i równoważeniu sieci obejmuje szereg metod i zastosowań mających na celu magazynowanie nadwyżek energii i utrzymanie stabilności sieci elektrycznej ( Daneshvar i in., 2021 ). Power-to-Gas (P2G), mieszanie wodoru i metanizacja to kluczowe metody stosowane w tych celach. W procesie P2G nadwyżka odnawialnej energii elektrycznej jest przekształcana w wodór poprzez elektrolizę, co pozwala na przechowywanie wodoru i wykorzystywanie go jako ekologicznego paliwa lub mieszanie z gazem ziemnym do wykorzystania w istniejącej infrastrukturze gazowej ( Sun i in., 2022b ; Colombo i in., 2020 ). Metanizacja polega na łączeniu wodoru wytwarzanego poprzez elektrolizę z _CO2 w celu wytworzenia syntetycznego metanu lub syntetycznego gazu ziemnego (SNG), który może wykorzystywać wychwycony _CO2 z działalności przemysłowej lub bezpośrednio z atmosfery, przyczyniając się do redukcji gazów cieplarnianych ( Katla i in., 2021 ). Ten syntetyczny metan może być następnie wtryskiwany do istniejącej infrastruktury gazu ziemnego, wykorzystywany do wytwarzania energii lub stosowany jako paliwo do ogrzewania i transportu.

Ponadto wodór wytwarzany za pomocą technologii P2G można mieszać z gazem ziemnym w ramach obecnej infrastruktury gazowej, co ma zastosowanie w wytwarzaniu energii, transporcie i ogrzewaniu, przy minimalnych modyfikacjach istniejących systemów ( Erdener i in., 2023 ). Jednak ostrożne stosowanie wodoru w mieszance jest konieczne, aby uniknąć negatywnych skutków dla wydajności operacyjnej i bezpieczeństwa istniejącej infrastruktury gazowej.

Najnowocześniejsze technologie magazynowania energii i równoważenia sieci badają wszechstronność wodoru w integrowaniu odnawialnych źródeł energii, umożliwiając długoterminowe magazynowanie energii i łącząc wiele sektorów, takich jak gaz, elektryczność, transport i przemysł. P2G jest częścią szerszego frameworku Power-to-X, który przekształca nadmiar odnawialnej energii elektrycznej w różne nośniki energii, chemikalia i paliwa, rozszerzając tym samym potencjalne zastosowania magazynowania i wykorzystywania energii odnawialnej ( Baldry i in., 2022 ).

Ostatnie postępy w technologiach elektrolizy zwiększają wydajność, przystępność cenową i skalowalność produkcji wodoru dla zastosowań P2G, przyczyniając się do integracji systemów produkcji, magazynowania i użytkowania wodoru z istniejącymi komponentami infrastruktury energetycznej, w tym wytwarzaniem energii odnawialnej, technologiami inteligentnych sieci i magazynowaniem energii ( Yuan i in., 2020 ). Te zintegrowane systemy energetyczne dążą do optymalizacji wydajności i adaptacyjności wykorzystania energii odnawialnej, jednocześnie poprawiając stabilność i odporność sieci energetycznej.

Technologie magazynowania energii i równoważenia sieci są kluczowe w łagodzeniu wyzwań stawianych przez przerywany charakter odnawialnych źródeł energii. Wodór działa jako medium do magazynowania nadwyżek energii ze źródeł odnawialnych, przekształcając ją z powrotem w energię elektryczną, gdy jest to potrzebne, znacząco przyczyniając się do stabilności sieci, oferując elastyczność w wytwarzaniu i zużyciu energii ( Mayas i in., 2020 ; Hou i in., 2023 ). Umożliwia to bezproblemową integrację przerywanych odnawialnych źródeł energii poprzez efektywne magazynowanie nadwyżek energii do wykorzystania w przyszłości.

Jednak straty energii poniesione podczas konwersji energii elektrycznej na wodór i jej późniejszej ponownej konwersji na energię elektryczną obniżają ogólną wydajność systemu ( Oliveira i in., 2021 ). Początkowe i operacyjne koszty technologii P2G mogą stanowić wyzwanie, potencjalnie wpływając na jej konkurencyjność w porównaniu z alternatywnymi rozwiązaniami w zakresie magazynowania energii ( Jafari i in., 2022 ). Oczekuje się, że ciągłe wysiłki badawczo-rozwojowe zwiększą wydajność i obniżą koszty systemów P2G, zwiększając ich konkurencyjność i powszechną adopcję.

Technologia P2G ma potencjał, aby znacząco przyczynić się do sprzężenia sektorów, ułatwiając płynną integrację systemów energetycznych obejmujących energię elektryczną, ogrzewanie, gaz i transport. Zapewnia rozszerzone rozwiązania w zakresie magazynowania energii, zwiększając elastyczność i niezawodność w skutecznym zarządzaniu dynamiką podaży i popytu na energię. Rozprzestrzenianie się technologii P2G może silnie wspierać rozwój gospodarki skoncentrowanej na wodorze, podnosząc pozycję wodoru jako kluczowego gracza w globalnym krajobrazie energetycznym.