Wodór jako czysta i zrównoważona energia dla zielonej przyszłości / Samy Yousef

0
222

Instalacja zgazowania wodoru dla Belinka Perkemija  [ sl ] , 2015. By Doremo – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=38784549

Streszczenie

Wodór jest najobficiej występującym gazem we wszechświecie i został sklasyfikowany przez Światową Organizację Energetyczną jako najczystsze paliwo na świecie w porównaniu z innymi produktami energetycznymi. Wiążą się zatem nadzieje w realizacji strategii zerowej emisji paliw, którą przyjęły największe kraje świata. Uważa się także, że do 2050 r. zużycie wodoru będzie stanowić 24% światowego sektora energetycznego, a inwestycje będą szacowane na 2,5 biliona dolarów w porównaniu z obecnymi zaledwie 139 miliardami dolarów. Istnieją trzy rodzaje wodoru (szary, niebieski i zielony) sklasyfikowane na podstawie metod produkcji i zawartości węgla. Szary wodór jest zwykle wytwarzany w wyniku spalania gazu ziemnego w wysokich temperaturach, a po usunięciu lub wychwyceniu węgla szary wodór zamienia się w niebieski wodór. Jeśli chodzi o ekologiczny wodór o zerowej emisji, jest on wytwarzany w drodze elektrolizy wody lub przy użyciu odnawialnych źródeł energii, takich jak ogniwa słoneczne, energia wiatrowa itp., aby uniknąć jakichkolwiek emisji na etapach produkcji. Pomimo efektywności zielonego wodoru w porównaniu do innych jego rodzajów, główną przeszkodą w promocji i marketingu pozostaje jego cena, którą szacuje się na 3,5 euro/kg w porównaniu do 1,5 euro/kg w przypadku wodoru niebieskiego. Oprócz kilku innych przeszkód związanych z infrastrukturą i surowcami używanymi na etapach produkcji. Niedawno, aby usunąć wszystkie te przeszkody, wiodące kraje w sektorze energetycznym wpompowały więcej inwestycji w celu zbadania wszystkich tych przeszkód i oceny obecnego rynku wodoru, co z kolei prowadzi do przyspieszenia zwiększania skali produkcji wodoru. W tym kontekście niniejsze badanie opracowano w celu zbadania wszystkich obecnych i przyszłych wyzwań. Oprócz omówienia tradycyjnych i nowoczesnych metod jego produkcji. Poza tym warto przyjrzeć się realizowanym projektom pod tym kątem.

Wodór jako czysta i zrównoważona energia dla zielonej przyszłości

Przegląd najważniejszych wydarzeń

  • Zaprezentowano technologie produkcji wodoru szarego, niebieskiego i zielonego.

  • Przedstawiono wyzwania związane ze zwiększaniem skali produkcji wodoru.

  • Omówiono aktualne światowe zapotrzebowanie na wodór oraz jego ceny.

1. Wstęp

Od początku powstania źródła energii były jednym z głównych wyzwań stojących przed każdą epoką, od epoki kamienia po epokę postindustrialną. Wspólnym wyzwaniem tych epok było znalezienie innych źródeł produkcji energii o wysokiej wartości opałowej, aż do odkrycia paliw kopalnych w XVII wieku [1]. Jednakże ze względu na wiele ograniczeń związanych z emisjami i zrównoważonym rozwojem decydenci pospieszyli z poszukiwaniem innych źródeł, które są zrównoważone i charakteryzują się mniejszą emisją [2, 3]. Z biegiem czasu, po długich wysiłkach i badaniach, świat znalazł sposób na produkcję energii odnawialnej z różnych źródeł, takich jak energia wiatrowa, energia słoneczna, energia wodna itp. [4-6]. Pomimo ogromnego rozkwitu i sukcesu w tej branży, energia wytwarzana w tych technologiach nie może być kontrolowana ani ograniczana przez określony czas, co wymaga baterii do oszczędzania energii i innych urządzeń do regulacji [7]. Oprócz innych problemów związanych z transportem dalekobieżnym, który wymaga do tego dedykowanej infrastruktury i magazynowania [8]. Dlatego świat zaczął myśleć o innych źródłach takich jak konwersja energii z różnego rodzaju odpadów, m.in. rolniczych, plastikowych, drewnianych, tekstylnych itp. [9-13], jednak wciąż w fazie rozwoju jest eliminacja emisji i poprawa współczynnika konwersji. Dlatego też uwaga świata zwróciła się na wodór ze względu na jego wysoką wartość opałową oraz zerową emisję w porównaniu do innych paliw [14, 15], gdyż podczas spalania wodoru powstaje jedynie woda [16].

2. Produkcja wodoru

Wodór wytwarza się kilkoma metodami, a najczęściej stosowaną metodą jest spalanie gazu ziemnego w obecności pary wodnej i niklu metalicznego, w wyniku czego powstaje wodór szary lub niebieski. Niebieski, jeśli powstający w tym procesie dwutlenek węgla jest blokowany (rys. 1) [17-19]. Innym sposobem jest wykorzystanie energii odnawialnej (takiej jak elektroliza wody, energia słoneczna, wiatrowa itp.), która wytwarza zielony wodór [20], oprócz niektórych zaawansowanych technik, takich jak fermentacja [21].

Rys. 1 Produkcja niebieskiego i zielonego wodoru

Produkcja niebieskiego i zielonego wodoru

3. Transport i wykorzystanie wodoru

Wodór jest doskonałym paliwem do transportu dalekobieżnego z tzw. ogniw paliwowych, co czyni go przyszłym wyborem dla samochodów ciężarowych, statków i samolotów [22]. Wodór jest łatwy w transporcie poprzez przekształcenie go w tlenek glinu, a jego prędkość transportu w ten sposób jest trzykrotnie większa niż w przypadku gazu ziemnego [23]. Korzyści płynące ze stosowania wodoru mają charakter nie tylko środowiskowy, ale także ekonomiczny, ponieważ wodór ma szerokie zastosowanie, z których najważniejsze to rafinacja ropy naftowej i przemysł chemiczny, taki jak produkcja nawozów, czy też w gałęziach przemysłu wymagających wysokich temperatur, takich jak stal i szkło, czyli gałęzie przemysłu, w których nie można wykorzystać energii elektrycznej. Może być również stosowany jako paliwo dla elektrowni, a nawet jako źródło ciepła do celów grzewczych [24-26].

4. Globalny popyt

Oczekuje się, że wykorzystanie wodoru zmniejszy emisję o około 30% do 2050 r. [27]. Wpisuje się to także w strategię redukcji emisji gazów cieplarnianych do zera i przejścia na gospodarkę o obiegu zamkniętym, zieloną, którą popiera większość krajów świata [28]. Obecnie światowe zapotrzebowanie na wodór stanowi 4% światowego zapotrzebowania na energię, przy czym oczekuje się wzrostu zapotrzebowania do 24% światowego zapotrzebowania do roku 2050 [27]. Obecnie wodór potrzebuje 85 krajów, co sugeruje, że istnieje duży rynek na wodór. A prognozy wskazują, że rynek wodoru wycenia się na 136 miliardów dolarów, przy czym oczekuje się, że w 2050 roku osiągnie on wartość 2,5 biliona dolarów. Niektórzy szacują, że wzrośnie znacznie więcej [29, 30].

5. Badania i rozwój

Ostatnio wiele wiodących krajów w sektorze produkcji energii na całym świecie przeznaczyło duże budżety na sektor wodorowy w celu zbadania przeszkód w rozwoju i możliwości monitorowania. Przykładowo Unia Europejska uruchomiła strategię wodorową, z inwestycjami na kwotę 400 miliardów euro do 2030 roku. Oprócz zatwierdzenia przez Niemcy Narodowej Strategii Wodorowej, z inwestycjami na kwotę 9 miliardów euro [31]. To samo we Francji, która na produkcję zielonego wodoru przeznaczyła 7 miliardów euro. Australia utworzyła także fundusz o wartości 300 milionów dolarów na finansowanie projektów wodorowych. W regionie arabskim Arabia Saudyjska podpisała umowę na budowę największej na świecie elektrowni wodorowej oraz linię przesyłową wodoru pomiędzy nią a Japonią. Zjednoczone Emiraty Arabskie poleciły także przedsiębiorstwu ADNOC zbadanie i wykorzystanie możliwości w sektorze wodorowym, w związku z czym uruchomiły w regionie pierwszy na świecie tego typu projekt dotyczący zielonego wodoru. Niedawno Chiny planowały produkcję wodoru w 12 spółkach będących własnością rządu.

6. Ceny jednostkowe wodoru

Oczekuje się, że będzie kilka rodzajów wodoru w zależności od koloru. Wodór został wyceniony na podstawie kilku obliczeń w pomieszczeniu produkcyjnym. Konwencjonalny koszt wodoru oszacowano na 1,5 euro/kg, a ekologicznego na 3,5 euro/kg. Nie obejmuje to kosztów transportu i przechowywania. Obecnie nie ma rynków handlu wodorem, ale przy niższych kosztach produkcji oczekuje się, że ceny spadną. Zapewni to większą przejrzystość, co pomoże w rozwoju rynku. Oraz oczekiwana możliwość przyspieszenia wdrożenia produkcji wodoru. Obecnie jesteśmy na etapie realizacji wielu projektów, dzięki którym można dowiedzieć się, czy możliwe było podniesienie wydajności produkcji wodoru, ponieważ pomiędzy Arabią Saudyjską a Japonią prowadzonych jest wiele projektów mających na celu ustalenie kosztów transportu. Oprócz wielu badań i polityk, aby poznać rzeczywisty koszt. Ponadto rynki światowe bardzo szybko uciekają się obecnie do wodoru w porównaniu z przykładem gazu ziemnego, którego produkcja zajęła prawie dziesięć lat, jednak rynki wodoru mogą charakteryzować się znacznie szybszym wzrostem ze względu na energię i marketing dekarbonizacji oraz rolę wodoru w przyszłość energetyczna.

7. Ekonomiczna opłacalność produkcji wodoru

Wodór stanowi długoterminową możliwość inwestycyjną w przyszłości, ponieważ koszty jego produkcji są obecnie dość wysokie. Musimy jednak pamiętać, że to samo przydarzyło się nam, gdy dwadzieścia lat temu eksplodowała gwiazda energii odnawialnej, a produkcja energii słonecznej czy wiatrowej była wówczas bardzo kosztowna. W tamtym czasie większość zakładów produkujących wodór jest niewielka i w niektórych krajach podejmuje się wysiłki, aby zwiększyć ich wielkość, należy jednak uwzględnić wielkość inwestycji w wodór, aby uczynić go bardziej zrównoważonym i ekonomicznym. Mówimy tu o wodorze niebieskim i zielonym, który nie powoduje szkodliwych emisji. Na początku energetyki odnawialnej [32] istniało wsparcie ze strony rządów. Należało znaleźć takie samo wsparcie dla wodoru. Ponadto w ważnych kwestiach należy określić koszt emisji dwutlenku węgla, a inwestycje w wodór mogą być trudne do zwiększenia. Istnieją regiony, które czerpią korzyści z rewolucji wodorowej, na przykład, jeśli dysponuje się tanim gazem, jak na przykład Bliski Wschód i Ameryka, wówczas można produkować niebieski wodór po konkurencyjnych kosztach. Musimy jednak pamiętać, że wydobycie wodoru wymaga złej energii z paliw kopalnych lub energii odnawialnej, dlatego też ta energia ma swoją cenę, a to sprawia, że ​​wodór jest droższy niż inne rodzaje energii, co wymaga wsparcia rządów.

8. Oczekiwania dotyczące produkcji wodoru

Bliski Wschód jest w stanie wypuścić go z rynku wodoru ze względu na swoją infrastrukturę i ilości gazu ziemnego, a według międzynarodowych danych energetycznych Bliski Wschód, obok Chin, jest jednym z najbardziej produktywnych obszarów Chin. Chiny prawdopodobnie pójdą w stronę zielonego wodoru, a Ameryka w stronę błękitu, ponieważ ekologia potrzebuje wzrostu produkcji energii odnawialnej, a błękit potrzebuje gazu i infrastruktury na Bliskim Wschodzie.

9. Wnioski

W pracy omówiono wyzwania związane z produkcją i promocją paliwa wodorowego. Z badania wynika, że ​​produkcja wodoru zaczęła rosnąć bardzo szybko w wyniku największych inwestycji, które wpompowały największe kraje. Często stosowana jest również technologia spalania. Dzieje się tak dzięki dostępności infrastruktury oraz gazu ziemnego, który jest wykorzystywany jako podstawowy surowiec do jego produkcji. Powstają więc odcienie szarości i błękitu. Pomimo wzrostu cen zielonego wodoru wiele krajów zaczęło zachęcać inwestorów i badaczy do poszukiwania nowych rozwiązań i metod produkcji. Wodór stał się także rynkiem w ponad 85 krajach na całym świecie. Można zatem uznać, że wodór będzie kolejną jasną gwiazdą w pociągu czystej energii.

 

Bibliografia

  • Y. Wang i J. Li, „Przestrzenny efekt uboczny wytwarzania energii z paliw niekopalnych na emisję dwutlenku węgla w chińskich prowincjach”, Renewable Energy , tom. 136, s. 317–330, czerwiec 2019, https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.01.012
    Wydawca
  • N. Li, X. Zhang, M. Shi i S. Zhou, „Perspektywy długoterminowego rozwoju gospodarczego Chin i emisji CO 2 w obliczu ograniczeń dostaw paliw kopalnych”, Resources, Conservation and Recycling , tom. 121, s. 11–22, czerwiec 2017, https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2016.03.016
    Wydawca
  • S. Braungardt, J. van den Bergh i T. Dunlop, „Zbycie paliw kopalnych i zmiany klimatyczne: przegląd kwestionowanych argumentów”, Energy Research & Social Science , tom. 50, s. 191–200, kwiecień 2019, https://doi.org/10.1016/j.erss.2018.12.004
    Wydawca
  • SA Gil Ruiz, JEC Barriga i JA Martínez, „Ocena energii wiatrowej w regionie Karaibów w Kolumbii, z wykorzystaniem dziesięciominutowych obserwacji wiatru i danych ERA5”, Renewable Energy , tom. 172, s. 158–176, lipiec 2021, https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.03.033
    Wydawca
  • W. Wei i in., „Ocena zdolności akomodacji energii słonecznej w lokalnych zintegrowanych systemach energetycznych z uwzględnieniem opóźnienia przesyłu sieci ciepłowniczej”, International Journal of Electrical Power & Energy Systems , tom. 130, s. 106821, wrzesień 2021, https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2021.106821
    Wydawca
  • L. Lu i in., „Model optymalizacji krótkoterminowego wspólnego działania połączonego z siecią hybrydowego systemu energii wiatrowo-fotowoltaicznej i wodnej z kaskadowymi elektrowniami wodnymi”, Energy Conversion and Management , tom. 236, s. 236 114055, maj 2021, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.114055
    Wydawca
  • R. Jing, J. Wang, N. Shah i M. Guo, „Wschodzący łańcuch dostaw wykorzystujący wycofane akumulatory pojazdów elektrycznych w rozproszonych systemach energetycznych”, Advances in Applied Energy , tom. 1, s. 1 100002, luty 2021, https://doi.org/10.1016/j.adapen.2020.100002
    Wydawca
  • OE Williamson i in., „Capacidades dinâmicas como diferencial estratégico para a sustentabilidade”, Journal of Business Research, 2016.
    Wyszukaj CrossRef
  • CS Lai i G. Locatelli, „Czy polityka energetyczna wspierająca niskoemisyjne wytwarzanie energii zabija magazynowanie energii?”, Journal of Cleaner Production , tom. 280, s. 124626, styczeń 2021, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.124626
    Wydawca
  • H. Alhazmi i ACM Loy, „Przegląd oceny środowiskowej konwersji odpadów rolniczych na bioenergię różnymi drogami termochemicznymi: obecne i przyszłe trendy”, Bioresource Technology Reports , tom. 14, s. 14 100682, czerwiec 2021, https://doi.org/10.1016/j.biteb.2021.100682
    Wydawca
  • MB Al Rayaan, „Najnowsze postępy w termochemicznej konwersji odpadów z tworzyw sztucznych na biopaliwo – przegląd A”, Cleaner Engineering and Technology , tom. 2, s. 100062, czerwiec 2021, https://doi.org/10.1016/j.clet.2021.100062
    Wydawca
  • Z. Xu, R. Qi, M. Xiong, D. Zhang, H. Gu i W. Chen, „Konwersja odpadów tekstylnych z bawełny na czyste paliwo stałe poprzez karbonizację hydrotermalną wspomaganą środkami powierzchniowo czynnymi: mechanizmy i zachowania spalania”, Bioresource Technology , Tom. 321, s. 124450, luty 2021, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124450
    Wydawca
  • J. Li i in., „Charakterystyka pirolizy i kinetyka nieizotermiczna biomasy drzewnej odpadowej”, Energy , tom. 226, s. 226 120358, lipiec 2021, https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120358
    Wydawca
  • A. Colorado i V. McDonell, „Technologia spalania stabilizowana powierzchniowo: eksperymentalna ocena zakresu elastyczności paliwowej i emisji zanieczyszczeń przy użyciu paliw o niskiej i wysokiej wartości opałowej”, Applied Thermal Engineering , tom. 136, s. 206–218, maj 2018, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.02.081
    Wydawca
  • M.-K. Lee, P. Sivagurunathan, Y.-M. Yun, S. Kang, J.-G. Na i D.-H. Kim, „Wysokokaloryczna produkcja biowodoru w samodzielnie wytwarzanych warunkach wysokiego ciśnienia”, Bioresource Technology , tom. 264, s. 174–179, wrzesień 2018, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.05.074
    Wydawca
  • X. Yu i in., „Wpływ bezpośredniego wtrysku wodoru na charakterystykę spalania i emisji dwupaliwowego silnika o zapłonie iskrowym wodór/aceton-butanol-etanol w warunkach mieszanki ubogiej”, International Journal of Hydrogen Energy , tom. 45, nr 58, s. 34193–34203, listopad 2020, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.09.080
    Wydawca
  • „Solar ma pomóc w szybkim przejściu UE z „szarej” na „zieloną” gospodarkę wodorową, w miarę jak odnawialne źródła energii zyskują na popularności podczas pandemii Covid-19”, Focus Catal., tom. 2020, nr 11, 2020, https://doi.org/10.1016/j.focat.2020.10.010
    Wydawca
  • KR Parmar, KK Pant i S. Roy, „Produkcja niebieskiego wodoru i nanorurek węglowych poprzez bezpośredni katalityczny rozkład metanu w reaktorze ze złożem fluidalnym: wychwytywanie i ekstrakcja węgla w postaci CNT”, Energy Conversion and Management , tom. 232, s. 232. 113893, marzec 2021, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.113893
    Wydawca
  • G. Kakoulaki, I. Kougias, N. Taylor, F. Dolci, J. Moya i A. Jäger-Waldau, „Zielony wodór w Europie – ocena regionalna: Zastępowanie istniejącej produkcji elektrolizą zasilaną źródłami odnawialnymi”, Energy Conversion and Zarządzanie , tom. 228, s. 228 113649, styczeń 2021, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113649
    Wydawca
  • „Niebieski wodór”. 2B1stkonsulting. https://2b1stconsulting.com/blue-hydrogen/
    Wyszukaj CrossRef
  • YH Lai i JC-W. Lan, „Zwiększona produkcja polihydroksymaślanu poprzez włączenie wodorowego ogniwa paliwowego i systemu elektrofermentacji”, International Journal of Hydrogen Energy , tom. 46, nr 31, s. 16787–16800, maj 2021, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.08.117
    Wydawca
  • H. Xing, C. Stuart, S. Spence i H. Chen, „Alternatywne opcje paliw dla niskoemisyjnego transportu morskiego: Pathways to 2050”, Journal of Cleaner Production , tom. 297, s. 126651, maj 2021, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126651
    Wydawca
  • D. Apostolou, „Optymalizacja systemu produkcji – magazynowania – ponownego zasilania wodoru uczestniczącego w rynkach energii elektrycznej i transporcie. Studium przypadku dla Danii”, Applied Energy , tom. 265, s. 265. 114800, maj 2020, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.114800
    Wydawca
  • J. Tang, M. Chu, F. Li, C. Feng, Z. Liu i Y. Zhou, „Rozwój i postęp w metalurgii wodoru”, International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials , tom. 27, nr 6, s. 713–723, czerwiec 2020, https://doi.org/10.1007/s12613-020-2021-4
    Wydawca
  • JA Okolie, BR Patra, A. Mukherjee, S. Nanda, AK Dalai i JA Kozinski, „Futurystyczne zastosowania wodoru w energetyce, biorafinacji, lotnictwie, farmacji i metalurgii”, International Journal of Hydrogen Energy , tom. 46, nr 13, s. 8885–8905, luty 2021, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.01.014
    Wydawca
  • B. Liu, S. Liu, S. Guo i S. Zhang, „Badanie ekonomiczne dotyczące zastosowania na dużą skalę odnawialnego wodoru z wykorzystaniem nadwyżki energii odnawialnej i transportu rurociągiem gazu ziemnego w Chinach”, International Journal of Hydrogen Energy , tom. 45, nr 3, s. 1385–1398, styczeń 2020, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.11.056
    Wydawca
  • KG Logan, JD Nelson, BC McLellan i A. Hastings, „Japonia i Wielka Brytania: Prognozy emisji pociągów elektrycznych i wodorowych do 2050 r.”, Interdyscyplinarne perspektywy badań transportowych , tom. 10, s. 10 100344, czerwiec 2021, https://doi.org/10.1016/j.trip.2021.100344
    Wydawca
  • W. He i in., „Integracja wodoru odnawialnego w pojazdach lekkich: związek między bezpieczeństwem energetycznym a zasobami o niskiej emisji dwutlenku węgla”, International Journal of Hydrogen Energy , tom. 45, nr 51, s. 27958–27968, październik 2020, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.06.177
    Wydawca
  • D. Apostolou i SN Welcher, „Perspektywy mobilności opartej na wodorze na rynku pojazdów prywatnych. Perspektywa społeczna w Danii”, International Journal of Hydrogen Energy , tom. 46, nr 9, s. 6885–6900, luty 2021, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.11.167
    Wydawca
  • „UNSW i centrum startowe PAG mające na celu wprowadzenie technologii wodorowych na rynek”, Biuletyn dotyczący ogniw paliwowych, 2020.
    Wydawca
  • S. Flamme i in., „ELEGANCJA: Interdyscyplinarne podejście do niemieckiego studium przypadku umożliwiającego gospodarkę niskoemisyjną dzięki wodorowi i CCS”, Energy Procedia , tom. 158, s. 3709–3714, luty 2019, https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.887
    Wydawca
  • TL Berg, D. Apostolou i P. Enevoldsen, „Analiza rynku energii wiatrowej w Danii i przyszłe interakcje z powstającym rynkiem wodoru”, International Journal of Hydrogen Energy , tom. 46, nr 1, s. 146–156, styczeń 2021, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.09.166
    Wydawca
Opublikowano: 21 czerwca 2021 r
Samy Yousef 1
1 Katedra Inżynierii Produkcji, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Projektowania, Politechnika w Kownie, LT-51424 Kowno, Litwa
1 Katedra Inżynierii Materiałowej, Uniwersytet Państwowy Uralu Południowego, Lenin Prospect 76, 454080, Czelabińsk, Rosja
Zacytuj artykuł ściągnij PDF
SŁOWA KLUCZOWE: wodór, energia odnawialna, czysta energia, energia odnawialna
DOI
Link do artykułu: https://www.extrica.com/article/21985

Licencja Creative Commons