Dwunastocylindrowy silnik BMW Hydrogen 7. Autorstwa Claus Ableiter – Praca własna, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3541727
Streszczenie
Niniejszy przegląd zapewnia kompleksową i interdyscyplinarną ocenę rosnącej roli wodoru w umożliwianiu zrównoważonych transformacji energetycznych w sektorze transportu. W odróżnieniu od poprzednich przeglądów, niniejsze badanie wnosi oryginalne spostrzeżenia dotyczące zaawansowanych technologii magazynowania wodoru, integracji w różnych systemach energetycznych oraz ewoluujących ram politycznych. Przegląd analizuje zastosowanie wodoru w silnikach spalinowych, napędach turbin gazowych i pojazdach elektrycznych z ogniwami paliwowymi, ze szczególnym uwzględnieniem najnowszych postępów w zakresie fizycznych i chemicznych metod magazynowania, takich jak sprężony gaz, ciecz kriogeniczna, wodorki metali i systemy oparte na sorbentach. Podkreśla innowacje w materiałoznawstwie i kombinowanych strategiach magazynowania, których celem jest poprawa bezpieczeństwa, zwiększenie gęstości energii i obniżenie kosztów operacyjnych. Ponadto, przegląd analizuje integrację wodoru z odnawialnymi źródłami energii i systemami przemysłowymi, identyfikując jego rolę we wspieraniu inteligentnych sieci energetycznych, bilansowaniu energetycznym i elastycznym magazynowaniu energii. Analiza polityki podkreśla strategiczne działania krajowe i międzynarodowe promujące wdrażanie wodoru, w tym zachęty finansowe, rozwój infrastruktury i normy regulacyjne. Przegląd analizuje również wyniki oceny cyklu życia, porównując wpływ na środowisko różnych metod produkcji wodoru i zastosowań końcowych. Szczególną uwagę poświęcono roli alternatywnych nośników wodoru, takich jak amoniak i ciekłe organiczne związki wodoru, które oferują obiecujące rozwiązania w transporcie dalekobieżnym i handlu międzynarodowym. Na koniec, badanie identyfikuje obecne wyzwania związane ze standaryzacją technologii, przepisami bezpieczeństwa i dostosowaniem rynku globalnego, jednocześnie nakreślając kluczowe priorytety w zakresie badań i innowacji, niezbędne do osiągnięcia zrównoważonej i inkluzywnej przyszłości wodoru w transporcie.
W niniejszym przeglądzie przedstawiono kompleksową i interdyscyplinarną ocenę rosnącej roli wodoru w umożliwianiu zrównoważonych transformacji energetycznych w sektorze transportu.
1. Wprowadzenie
Przejście z paliw kopalnych na odnawialne źródła energii ma kluczowe znaczenie dla przeciwdziałania zmianom klimatu i osiągnięcia celów zrównoważonego rozwoju Organizacji Narodów Zjednoczonych. 1 Spalanie paliw kopalnych powoduje emisję gazów cieplarnianych, zwłaszcza dwutlenku węgla, który w znacznym stopniu przyczynia się do globalnego ocieplenia. 2 To z kolei prowadzi do szeregu szkodliwych konsekwencji dla środowiska, takich jak częstsze kataklizmy pogodowe, podnoszenie się poziomu mórz oraz zagrożenia dla ekosystemów i zdrowia ludzi. 3 Ponadto, uzależnienie od malejących zasobów paliw kopalnych zwiększa wrażliwość energetyczną, zaostrza napięcia geopolityczne i sprzyja niestabilności gospodarczej. 4,5 Odnawialne źródła energii, takie jak energia wodna, słoneczna, geotermalna i wiatrowa, stanowią czystszą i bardziej zrównoważoną alternatywę. 6 Przyczyniają się one do zmniejszenia szkód dla środowiska i wspierają osiągnięcie trwałej stabilności energetycznej. Zasoby te generują niewielkie lub żadne emisje i są powszechnie dostępne na całym świecie. 7 Wdrażanie odnawialnych źródeł energii zmniejsza szkody dla środowiska, zwiększa niezależność energetyczną, poprawia jakość powietrza i zdrowie publiczne oraz pobudza gospodarkę poprzez tworzenie miejsc pracy w rozwijających się zielonych gałęziach przemysłu. Aby stawić czoła kryzysowi klimatycznemu i zapewnić bardziej sprawiedliwą i stabilną przyszłość, kluczowe jest, aby społeczność globalna przyspieszyła przejście na energię odnawialną. 9 To przejście jest kluczowe dla budowania silniejszych, bardziej odpornych społeczeństw i ochrony planety dla przyszłych pokoleń. 10
Przejście z paliw kopalnych na odnawialne źródła energii stanowi kluczowe podejście do walki z globalnym kryzysem klimatycznym i realizacji celów zrównoważonego rozwoju ONZ. 11 Spalanie paliw kopalnych jest głównym czynnikiem emisji gazów cieplarnianych wywoływanych przez człowieka, które napędzają wzrost globalnych temperatur, nasilają ekstremalne zjawiska pogodowe, przyspieszają wzrost poziomu mórz i stanowią poważne zagrożenie dla integralności ekologicznej i dobrobytu ludzi. 12,13 Ponadto wyczerpywanie się rezerw paliw kopalnych potęguje obawy o bezpieczeństwo energetyczne i zwiększa napięcia geopolityczne. 14 Z kolei odnawialne źródła energii, takie jak energia wodna, słoneczna, geotermalna i wiatrowa, stanowią zrównoważone ekologicznie alternatywy, które przyczyniają się do poprawy jakości środowiska, zwiększenia stabilności systemu energetycznego i rozwoju społeczno-gospodarczego poprzez tworzenie możliwości zatrudnienia. 15,16 Globalne przejście na te źródła energii jest niezbędne dla wspierania zrównoważonej, niskoemisyjnej i odpornej na zmiany klimatu przyszłości. 17 W tym kontekście wodór jawi się jako szczególnie obiecujący nośnik energii ze względu na swoją obfitość, wysoką energię właściwą (∼120 kJ g −1 LHV) oraz przyjazne dla środowiska spalanie, w którym powstaje jedynie para wodna, a nie dwutlenek węgla. 18 Te atrybuty pozycjonują wodór jako kluczowy element redukcji emisji gazów cieplarnianych i wspierania zróżnicowanego, zdekarbonizowanego portfela energetycznego. 19,20 Oferuje on zrównoważony sposób na redukcję emisji gazów cieplarnianych i poprawę jakości powietrza. 21 Wszechstronny w użyciu wodór może napędzać pojazdy, wytwarzać energię elektryczną i wspierać procesy przemysłowe, takie jak rafinacja ropy naftowej. 22,23 Ponadto elastyczność technologii odnawialnych umożliwia produkcję energii z różnorodnych źródeł naturalnych, co czyni je kluczowymi czynnikami napędzającymi globalne odejście od uzależnienia od paliw kopalnych. 24
Wodór zyskuje na popularności jako wszechstronne, niskoemisyjne źródło energii, z rosnącym zastosowaniem w sektorach takich jak transport i produkcja. W sektorze transportu wodór stanowi niskoemisyjną alternatywę dla konwencjonalnych paliw kopalnych. 25 Technologia wodorowych ogniw paliwowych jest obecnie wykorzystywana w różnych typach pojazdów, a trwające prace badawczo-rozwojowe badają jej potencjalne zastosowanie w lotnictwie, w tym w rozwoju samolotów napędzanych wodorem. 26 Zainteresowanie badaniami gwałtownie wzrosło, co pokazuje rys. 1 , który przedstawia publikacje indeksowane w bazie Scopus, zawierające w tytule słowo „wodór” i terminy związane z transportem. Od 2020 r. liczba badań gwałtownie wzrosła, osiągając średnio 32% roczny wzrost, ze szczytowym wzrostem na poziomie około 65% w 2021 r. 27
Rys. 1. Roczne wyniki badań nad zastosowaniem wodoru w transporcie. (Dane uzyskano za pomocą baz danych Scopus i Science Direct, stosując kombinację słów kluczowych typu boolowskiego: („wodór” i („transport” lub „ogniwo paliwowe” lub „motoryzacja” lub „lotnictwo”)). Zakres wyboru obejmował recenzowane artykuły naukowe opublikowane w latach 2002–2024).
Chociaż wodór oferuje znaczące korzyści jako czyste paliwo, wciąż istnieje kilka wyzwań, które należy rozwiązać, zanim w pełni wykorzysta swój potencjał. Jednym z głównych wyzwań są koszty związane z produkcją i magazynowaniem energii odnawialnej. 28 Obecnie najczęściej stosowaną techniką produkcji wodoru jest reforming parowy metanu (SMR). Proces ten jest jednak energochłonny i wytwarza dwutlenek węgla jako produkt uboczny. Opracowano bardziej wydajne i zrównoważone metody, takie jak elektroliza i procesy biologiczne, ale nie są one jeszcze tak powszechnie stosowane. 29 Ponadto infrastruktura do tankowania wodoru pozostaje ograniczona. Chociaż liczba stacji tankowania wodoru rośnie, nadal pozostaje ona daleko w tyle za liczbą konwencjonalnych stacji benzynowych, co zmniejsza zużycie energii wodorowej i opóźnia upowszechnienie się samochodów napędzanych ogniwami paliwowymi napędzanymi wodorem. 30
Trwające przedsięwzięcia badawczo-rozwojowe, w połączeniu z rozwojem infrastruktury wspomagającej, pozycjonują wodór jako fundamentalny element globalnej zmiany w kierunku zrównoważonej przyszłości energetycznej. 31 Niniejszy przegląd analizuje perspektywy wykorzystania wodoru jako paliwa w transporcie, koncentrując się w szczególności na jego roli w sektorach motoryzacyjnym i lotniczym. Artykuł składa się z dziewięciu części: wstępu i przeglądu metodologii, a następnie analizy kwestii magazynowania wodoru i bezpieczeństwa (część 3). Części 4 i 5 omawiają odpowiednio wykorzystanie wodoru w silnikach spalinowych i turbinowych układach napędowych. Część 6 koncentruje się na pojazdach elektrycznych napędzanych wodorowymi ogniwami paliwowymi, natomiast część 7 przedstawia kompleksową ocenę efektywności środowiskowej i energetycznej w całym okresie eksploatacji produktu, uwzględniając wpływ wodoru na środowisko i energię. Przyszłe perspektywy i wyzwania omówiono w części 8, a przegląd kończy się w części 9 syntezą kluczowych spostrzeżeń i rekomendacji. 32–34 Wodór wyłania się jako kluczowe, czyste rozwiązanie energetyczne, przyczyniające się do realizacji globalnych celów klimatycznych, zwłaszcza w transporcie. Wysoka zawartość energii i przyjazne dla środowiska spalanie sprawiają, że jest to mocny zamiennik paliw kopalnych.
2. Strategia badawcza
Niniejszy przegląd przedstawia kompleksową i wielowymiarową analizę wodoru jako elastycznego wektora energii w sektorze transportu, ze szczególnym uwzględnieniem jego zastosowania w silnikach spalinowych, układach napędowych napędzanych turbiną oraz pojazdach napędzanych ogniwami paliwowymi zasilanymi wodorem. Badanie opiera się na ustrukturyzowanej i przejrzystej metodologii, opracowanej w celu zapewnienia zarówno dokładności, jak i powtarzalności w ocenie postępu technicznego, innowacji w zakresie magazynowania oraz ram polityki. Przegląd literatury przeprowadzono z zastosowaniem metodycznego, etapowego podejścia. Rozpoczął się on od identyfikacji najnowszych i istotnych publikacji naukowych, odzwierciedlających pojawiające się trendy i najnowocześniejsze osiągnięcia w zakresie technologii magazynowania i zastosowania wodoru. 35 Następnie uwzględniono wcześniejsze badania podstawowe, aby uchwycić ewolucję i kontekst historyczny badań nad wodorem. Okres selekcji literatury obejmował lata 2010–2024, obejmując zarówno wiedzę podstawową, jak i najnowsze postępy w nauce i polityce związanej z wodorem.
Do włączenia do przeglądu uwzględniono recenzowane artykuły naukowe, artykuły przeglądowe, raporty techniczne i dokumenty dotyczące polityki renomowanych organizacji międzynarodowych. Skonsultowano bazy danych, takie jak Science Direct, Scopus, Springer Link, Wiley Online Library i Google Scholar, zapewniając interdyscyplinarne pokrycie w dziedzinach inżynierii, energetyki i regulacji. Strategia wyszukiwania wykorzystywała ukierunkowane słowa kluczowe i kombinacje boolowskie, takie jak „technologie magazynowania wodoru”, „pojazdy elektryczne z ogniwami paliwowymi”, „silniki spalinowe z wodorem”, „spalanie wodoru z turbiną gazową”, „infrastruktura transportu wodoru”, „polityka energetyczna w zakresie wodoru” i „ocena cyklu życia wodoru”. Zastosowano również terminy uzupełniające, takie jak „zielony wodór”, „integracja wodoru z odnawialnymi źródłami energii” i „stacja tankowania wodoru”. Aby zachować naukowy rygor i istotność przeglądu, zastosowano ścisłe kryteria włączenia: (1) recenzowane badania naukowe i przeglądy systematyczne, (2) badania prezentujące wyniki eksperymentalne, modele technoekonomiczne lub oceny cyklu życia oraz (3) dokumenty dotyczące polityki wydane przez agencje rządowe lub instytucje o zasięgu globalnym. Kryteria wykluczenia obejmowały: (1) literaturę nierecenzowaną lub niebędącą publikacją naukową, taką jak dokumenty techniczne, artykuły redakcyjne i blogi, (2) dokumenty niedostępne w języku angielskim, (3) duplikację treści w bazach danych oraz (4) publikacje skupiające się wyłącznie na niesprawdzonych lub ograniczonych metodach produkcji wodoru, takich jak elektroliza mikrobiologiczna, bez walidacji terenowej. To systematyczne przeszukiwanie zaowocowało wyborem ponad 220 źródeł pierwotnych, które następnie podzielono tematycznie na kluczowe obszary zainteresowania: technologie magazynowania i dystrybucji wodoru, układy napędowe, charakterystyka emisji, analiza bezpieczeństwa oraz wspierające ramy polityki.
W przeglądzie dokonano dalszej oceny szeregu rozwiązań w zakresie magazynowania wodoru – w tym metod fizycznych, takich jak magazynowanie sprężone i kriogeniczne, oraz rozwiązań chemicznych, w tym wodorków metali i nośników ciekłych – uwzględniając jednocześnie kluczowe czynniki, takie jak bezpieczeństwo systemu, sprawność objętościowa i logistyka dystrybucji. W zastosowaniach napędowych analizowane są kluczowe wskaźniki wydajności, takie jak charakterystyka spalania, sprawność cieplna, oszczędność paliwa i emisja. W przypadku turbin gazowych badanie kładzie szczególny nacisk na zachowanie się wodoru w procesie spalania i jego adaptowalność. W kontekście pojazdów elektrycznych zasilanych ogniwami paliwowymi (FCEV), wpływ na środowisko i efektywność energetyczną ocenia się poprzez analizę cyklu życia (LCA), która dostarcza informacji na temat całkowitego zużycia energii, zrównoważonego rozwoju i emisji dwutlenku węgla.
Cała metodologia składa się z trzech głównych faz: definiowania zakresu badań, pozyskiwania i przesiewania odpowiedniej literatury oraz interpretacji ustaleń w wymiarach technicznych, środowiskowych, ekonomicznych, społecznych i związanych z bezpieczeństwem. Rys. 2 przedstawia wizualną reprezentację tej metodologii, przedstawiając krok po kroku przepływ od definiowania celów do analizy danych. 36,37 Przegląd literatury przeprowadzono z wykorzystaniem ustrukturyzowanego i metodycznego podejścia, zaczynając od najnowszych i najbardziej istotnych publikacji, aby uchwycić najnowsze postępy i pojawiające się trendy w tej dziedzinie. 38 Początkowa faza obejmowała ukierunkowane przeszukiwania baz danych akademickich i platform, takich jak Google Scholar i Science Direct, z wykorzystaniem określonych słów kluczowych związanych z magazynowaniem wodoru, silnikami spalinowymi, układami napędowymi napędzanymi turbiną i pojazdami napędzanymi ogniwami paliwowymi na wodór. 39 Na tym etapie położono nacisk na najnowsze recenzowane artykuły w czasopismach, pogłębione artykuły przeglądowe i szczegółowe raporty techniczne. 40 Następnie zakres przeglądu rozszerzono o wcześniejsze badania, co pozwoliło na dogłębne zrozumienie historycznego rozwoju i postępu badań w tej dziedzinie. 41 Przeprowadzono ustrukturyzowany przegląd literatury obejmujący lata 2010–2024 w celu oceny magazynowania wodoru, integracji pojazdów i ewolucji polityki. Podejście to zapewnia zrównoważone, interdyscyplinarne zrozumienie.
Rys. 2. Schemat blokowy kroków metodologicznych.
3. Zapewnienie bezpiecznego i wydajnego przechowywania wodoru
Magazynowanie wodoru stanowi fundamentalne zagadnienie przy ocenie jego przydatności jako nośnika energii, jak pokazano na rys. 3. W tej sekcji omówiono obecne technologie fizycznego i chemicznego magazynowania wodoru, analizując ich wydajność, bezpieczeństwo i praktyczność w transporcie. Obecnie stosuje się szereg metod magazynowania, w tym magazynowanie chemiczne, sprężonego gazu i ciekłego wodoru. 42 Każde z tych podejść oferuje odrębne zalety i stawia określone wyzwania, szczególnie pod względem bezpieczeństwa, opłacalności i gęstości energii. 43 Unikalne właściwości fizyczne i chemiczne wodoru stwarzają znaczne przeszkody techniczne dla jego magazynowania i dystrybucji, co wymaga ciągłych badań i innowacji w celu opracowania wydajnych i skalowalnych rozwiązań. 44 Magazynowanie sprężonego gazu jest powszechne ze względu na stosunkowo prostą infrastrukturę, ale wiąże się z bardzo wysokim poziomem ciśnienia, co prowadzi do potencjalnych zagrożeń dla bezpieczeństwa. 45 Z drugiej strony, ciekły wodór oferuje lepszą gęstość energii, ale wymaga zaawansowanych systemów kriogenicznych do utrzymania bardzo niskich temperatur. 46 Magazynowanie chemiczne wyróżnia się jako potencjalnie bezpieczniejsza metoda, chociaż zazwyczaj wymaga dodatkowej energii do wydobycia użytecznego wodoru. Patrząc w przyszłość, kluczowe jest inwestowanie w badania mające na celu udoskonalenie tych metod magazynowania, aby osiągnąć większą wydajność, wyższe standardy bezpieczeństwa i niższe koszty. Innowacje w materiałoznawstwie mogą prowadzić do bardziej praktycznych rozwiązań w zakresie magazynowania chemikaliów, a zintegrowane lub hybrydowe systemy łączące wiele technologii mogą zwiększyć ogólną wydajność i niezawodność systemu. 47,48
Rys. 3. Magazynowanie wodoru: metody i klasyfikacje.
3.1. Technologie magazynowania wodoru: podejście fizyczne
Podejście fizyczne – przedstawia metody takie jak magazynowanie sprężonego i kriogenicznego wodoru oraz ocenia ich parametry techniczne i bezpieczeństwa.
3.1.1. Wodór sprężony: metody i technologie magazynowania
Magazynowanie sprężonego wodoru jest jedną z najczęściej stosowanych metod ze względu na swoją względną prostotę i opłacalność. To podejście zazwyczaj obejmuje magazynowanie wodoru pod ciśnieniem od 350 do 700 barów (około 5000 do 10 000 psi) w butlach wykonanych ze stali, aluminium lub zaawansowanych materiałów kompozytowych. 49 Pomimo powszechnego stosowania, magazynowanie wodoru pod wysokim ciśnieniem wprowadza wyzwania związane z naprężeniami mechanicznymi, które mogą prowadzić do zmęczenia materiału i potencjalnego uszkodzenia konstrukcji. Aby rozwiązać te problemy, zwłaszcza ryzyko kruchości indukowanej wodorem, niezbędne jest stosowanie wytrzymałych i odpornych chemicznie materiałów. 50 Zbiorniki magazynowe są generalnie klasyfikowane do 4 grup: Typ I składa się w całości z metalu; Typ II zawiera wkładkę metalową wzmocnioną kompozytami żywicznymi na bazie włókien; Typ III wykorzystuje wkładkę metalową zamkniętą w kompozytowej powłoce; a Typ IV składa się ze struktury kompozytowej z włókna węglowego z wkładką polimerową. Chociaż zbiorniki typu IV charakteryzują się wydajnością i lekkością, wysokociśnieniowe systemy magazynowania nadal stwarzają ograniczenia pod względem objętości i bezpieczeństwa, szczególnie w zastosowaniach mobilnych lub transportowych. 51,52 Wodór można magazynować metodami fizycznymi (sprężony gaz, kriogeniczne) lub chemicznymi (wodorki metali, sorbenty). Ciągłe innowacje mają kluczowe znaczenie dla poprawy bezpieczeństwa, gęstości i skalowalności w zastosowaniach transportowych.
3.1.2. Badania nad wykorzystaniem wodoru kriogenicznego i ciekłego do celów transportu i energetyki
Kriogeniczne przechowywanie wodoru polega na schłodzeniu gazu do temperatur poniżej minus 253 stopni Celsjusza, przekształcając go w ciecz, co pozwala na znaczne zwiększenie intensywności energetycznej. 53 Zastosowania tej techniki są szczególnie powszechne w sektorze lotniczym, gdzie możliwość magazynowania znacznych ilości energii w ograniczonej objętości jest wymogiem krytycznym. 54 Jednak utrzymanie wodoru w stanie ciekłym wymaga stosowania zaawansowanych, izolowanych próżniowo systemów magazynowania, powszechnie wykonanych z materiałów takich jak aluminium lub stal. 55 Produkcja tych zbiorników jest skomplikowana i kosztowna ze względu na rygorystyczne wymagania dotyczące izolacji termicznej i integralności strukturalnej wymagane do pracy w tak ekstremalnie niskich temperaturach. Aby zaradzić niektórym ograniczeniom, badane są alternatywne metody. 56 Należą do nich krioadsorpcja, kriokompresja wysokociśnieniowa (do 800 barów) oraz ulepszone technologie skraplania. W szczególności kriokompresja pomaga ograniczyć odparowanie wodoru, ale wymaga zaawansowanego sprzętu i precyzyjnej kontroli temperatury i ciśnienia. Przyszłe postępy powinny koncentrować się na poprawie izolacji termicznej, minimalizacji zużycia energii podczas magazynowania i przesyłu oraz rozwoju solidnej infrastruktury do tankowania, zwłaszcza w transporcie komercyjnym. Jak pokazano na rys. 4, trwają prace nad różnymi butlami do magazynowania wodoru, z których każda została zaprojektowana z myślą o zachowaniu równowagi między bezpieczeństwem, wydajnością i wydajnością. Chociaż magazynowanie kriogeniczne charakteryzuje się wysoką gęstością energii, nadal wiąże się ze znacznymi przeszkodami finansowymi i technicznymi, które należy usunąć, aby mogło zostać szerzej przyjęte.
Rys. 4. Różne konfiguracje zbiorników wodoru.
3.2. Magazynowanie wodoru metodami chemicznymi
Strategie składowania substancji chemicznych, takie jak materiały sorbentowe, wodorki metali i wodorki chemiczne, stanowią realny substytut konwencjonalnych metod składowania wodoru ze względu na ich zdolność do osiągania wyższych objętościowych gęstości energii. 58 Wodorki metali, w tym te na bazie magnezu i litu, mogą absorbować wodór w umiarkowanych warunkach, ale ich praktyczne zastosowanie jest utrudnione przez powolne tempo uwalniania wodoru i koszty materiałów. Wodorki chemiczne magazynują wodór w gęstej postaci, chociaż ich zastosowanie często zależy od katalizatorów ułatwiających uwalnianie wodoru. 59 Sorbenty, takie jak struktury metaloorganiczne (MOF) i zeolity, oferują odwracalne pochłanianie wodoru, jednak nadal wymagają znacznej poprawy pojemności magazynowej i wydajności operacyjnej. Aby rozwijać te technologie, przyszłe wysiłki powinny priorytetowo traktować rozwój lekkich, ekonomicznych materiałów, które uwalniają wodór szybciej. Połączenie różnych mechanizmów magazynowania, w tym integracji wodorków metali z sorbentami, mogłoby zapewnić systemy o zwiększonym bezpieczeństwie, wydajności i skalowalności. Ponadto przełomowe odkrycia w projektowaniu katalizatorów i inżynierii nanomateriałów mogą przyspieszyć wykonalność magazynowania wodoru do wykorzystania w szerokim zakresie sektorów energetycznych. 60–62
3.3. Wodór napędza przyszłość transportu
Efektywny transport wodoru z zakładów produkcyjnych do użytkowników końcowych jest niezbędny dla jego akceptacji jako praktycznego substytutu tradycyjnych paliw kopalnych. 63 Wysokociśnieniowe cysterny rurowe, zbiorniki kriogeniczne i niestandardowe rury to przykłady powszechnych podejść do transportu. Jednak dystrybucję wodoru na dużą skalę komplikuje kilka wyzwań technicznych i logistycznych, co ilustruje rys. 5. Ze względu na wysoką palność i niską masę cząsteczkową, wodór nie może być bezpiecznie ani efektywnie transportowany za pomocą standardowej infrastruktury dystrybucji gazu. 64 Pomimo wysokiej zawartości energii w stosunku do masy, wodór wymaga specjalistycznych systemów magazynowania, aby zapewnić bezpieczne obchodzenie się z nim i dostarczanie. Aby umożliwić powszechne wykorzystanie wodoru, należy rozwiązać kilka kluczowych kwestii. Należą do nich opracowanie znormalizowanych protokołów transportowych, wzmocnienie środków bezpieczeństwa, poprawa opłacalności ekonomicznej, zwiększenie zaangażowania i świadomości społecznej oraz wdrożenie wspierających ram regulacyjnych. Uwzględnienie tych czynników będzie kluczowe dla pozycjonowania wodoru jako zrównoważonego i szeroko stosowanego rozwiązania energetycznego. 65–67
Rys. 5. Ograniczenia zrównoważonego rozwoju w rozwoju wodoru.
Transport wodoru rurociągami stwarza wyzwania pod względem bezpieczeństwa i kosztów. Ze względu na niską gęstość wodór wymaga transportu pod wysokim ciśnieniem i zajmuje więcej miejsca, co zwiększa koszty. Ryzyko wycieku wiąże się również z obawami o wybuch, ponieważ wodór łatwo reaguje z tlenem. 68,69 Mimo to bezpieczny transport rurociągowy jest możliwy dzięki zastosowaniu zaworów ciśnieniowych, czujników wycieków i systemów przeciwpożarowych. Bai i współbadacze70 przeprowadzili kompleksowy przegląd sześciu różnych ścieżek dostarczania wodoru. Obejmują one transport gazowego wodoru w cysternach, dystrybucję dedykowanymi rurociągami wodorowymi, transport ciekłego wodoru za pomocą specjalistycznych ciężarówek, włączenie wodoru do obecnych sieci gazu ziemnego, a także wykorzystanie nośników chemicznych, takich jak ciekły amoniak i metanol. Spośród nich rurociągi krótkiego zasięgu (do 1800 km) okazały się najbardziej opłacalne. Rurociągi dalekiego zasięgu charakteryzowały się niższymi kosztami transportu, ale wymagały wysokich nakładów inwestycyjnych.71 Jak pokazano na rys. 6 , Niemcy dopuszczają mieszankę wodoru do 10%, co stanowi najwyższy dopuszczalny odsetek wśród porównywanych krajów. Mieszanie wodoru z gazociągami NG to kolejna opcja. Trudności operacyjne są zazwyczaj niewielkie, gdy wodór jest mieszany z gazem ziemnym w stężeniach niższych niż około 5–15%. Mieszaniny o stężeniu 15–50% mogą wymagać modernizacji sprzętu, podczas gdy powyżej 50% budzą poważne obawy dotyczące bezpieczeństwa i materiałów. W Niemczech obecnie dozwolone jest mieszanie do 10% wodoru. Badania sugerują, że 15–20% jest generalnie bezpieczne. 73
Rys. 6. Dane dotyczące krajowych przepisów dotyczących udziału wodoru w dostawach gazu ziemnego, wyodrębnione z ref. 72 , z wykorzystaniem dokumentacji regulacyjnej open source i zweryfikowane krzyżowo z repozytoriami polityk Międzynarodowej Agencji Energii (IEA) i krajowych agencji energetycznych. Kryteria wyszukiwania obejmowały słowa kluczowe: „mieszanie wodoru”, „gazociągi gazu ziemnego”, „przepisy”, „limity procentowe”, „porównanie krajów”.
Kontenery, takie jak zbiorniki na sprężony gaz, zbiorniki kriogeniczne i systemy z wodorkami metali, stanowią alternatywę dla rurociągów, ale nadają się jedynie do transportu wodoru na krótkie odległości. Aby zapewnić zrównoważony rozwój, zasób musi być opłacalny zarówno w przypadku importu, jak i eksportu. Łatwopalność wodoru utrudnia transport. Cysterny do transportu ciekłego wodoru mogą być używane do eksportu, ale są drogie i wymagają specjalistycznego sprzętu. 74 Transport ciężarowy jest obecnie najtańszą opcją. Ogólnie rzecz biorąc, eksport wodoru wciąż się rozwija, wiążąc się z wieloma wyzwaniami technicznymi i ekonomicznymi. Jednak wraz ze wzrostem zapotrzebowania na czystą energię oczekuje się ciągłych innowacji. 75
4. Silniki spalinowe zasilane wodorem: zrównoważona przyszłość
Zastosowanie wodoru w silnikach spalinowych (ICE) zyskało znaczną uwagę ze względu na jego potencjał w zakresie redukcji emisji bez utraty osiągów. Wykorzystanie istniejącej infrastruktury ICE poprzez modernizację lub systemy dwupaliwowe oferuje praktyczną drogę do czystszej energii. Niniejsza część omawia zastosowanie wodoru w silnikach spalinowych, koncentrując się na strategiach wtrysku, parametrach wydajności, emisjach i korzyściach dla środowiska. Wraz ze zmniejszaniem się zasobów ropy naftowej i zaostrzaniem przepisów ochrony środowiska, wodór wyróżnia się jako paliwo odnawialne ze względu na dużą prędkość płomienia, wysoką zawartość energii i nietoksyczne produkty spalania. Zainteresowanie silnikami spalinowymi zasilanymi wodorem rośnie, o czym świadczy rosnąca liczba publikacji ( rys. 7 ). Przyszłe badania powinny mieć na celu optymalizację konstrukcji silników w celu poprawy spalania wodoru i zwiększenia jego wydajności. 76,77
Rys. 7. Trendy w badaniach naukowych nad silnikami spalinowymi zasilanymi wodorem (H 2 ICE) w latach 1925–2023: (a) roczna liczba publikacji i (b) roczna liczba cytowań.
Rys. 8 ilustruje różne metody wtrysku wodoru. W przypadku wtrysku bezpośredniego wodór jest dostarczany bezpośrednio do komór spalania silnika, gdzie miesza się z powietrzem i ulega zapłonowi, wytwarzając energię. Wodór wykazuje duży potencjał jako paliwo towarzyszące w silnikach wysokoprężnych z zapłonem iskrowym. Jego wysoka dyfuzyjność umożliwia lepsze mieszanie paliwa z powietrzem i wydajne spalanie. Naukowcy badali wodór jako paliwo wtórne, aby zmniejszyć zależność od węglowodorów. Ze względu na wysoką temperaturę samozapłonu, wodór może być stosowany w silnikach o zapłonie samoczynnym z wykorzystaniem świec zapłonowych lub żarowych. Mieszanie wodoru z olejem napędowym skraca czas spalania ze względu na większą prędkość płomienia. 78,79 Wodór można wprowadzać do układu wtrysku bezpośredniego lub końcowego. Wtrysk pośredni, w którym wodór dostaje się do kolektora dolotowego przed powietrzem, jest preferowany ze względu na swoją prostotę. W przypadku wtrysku bezpośredniego wodór jest dostarczany bezpośrednio do cylindrów silnika. Rys. 8 ilustruje różne metody wtrysku wodoru. 80
Rys. 8. Metody wtrysku wodoru do systemów energetycznych i transportowych.
Wtrysk do kolektora dolotowego jest uważany za ekonomiczną metodę wprowadzania wodoru do silników spalinowych. Jednak jego wydajność jest ograniczona przez różne parametry pracy silnika. Technika ta często wiąże się z problemami takimi jak zapłon wsteczny, spalanie stukowe i przedwczesny zapłon, które są spowodowane głównie przez niewystarczającą energię zapłonu. Aby zminimalizować te zagrożenia i zapobiec potencjalnym uszkodzeniom silnika, powszechnie stosuje się przerywacze płomienia. 81,82 Krótka droga gaszenia wodoru zwiększa ryzyko spalania stukowego, niezależnie od prędkości obrotowej silnika. Ogranicza to również przepływ powietrza dolotowego, powodując niedobory tlenu i obniżając sprawność objętościową. Aby temu zaradzić, przepływ wodoru jest regulowany w oparciu o ustawienia silnika. Jak pokazano na rys. 9, do 40% wodoru można stosować przy średnim obciążeniu, ale należy go zmniejszyć do 25% przy wysokim momencie obrotowym i prędkości. Optymalizacja stosunku wodoru i obciążenia silnika zwiększa sprawność cieplną i umożliwia pracę bez spalania stukowego. Wtrysk bezpośredni jest zalecany w celu wyeliminowania spalania stukowego i spalania wstecznego. 83,84 W układzie wykorzystano jednocylindrowy, czterosuwowy silnik wysokoprężny (model: Kirloskar TV1) sprzężony z dynamometrem wiroprądowym do pomiaru obciążenia. Wodór wprowadzano za pomocą wtryskiwacza Bosch GDI o ciśnieniu 20 MPa. Ciśnienie powietrza dolotowego utrzymywano na poziomie atmosferycznym, a ciśnienie wodoru regulowano za pomocą pompy doładowującej. Parametry spalania monitorowano za pomocą analizatora spalania AVL z przetwornikiem ciśnienia w cylindrze (Kistler 6056A). Testy silnika przeprowadzono przy zmiennym obciążeniu (25%, 50%, 75%, 100%) w temperaturze otoczenia (∼27°C) i kontrolowanej wilgotności. Czas wtrysku i ciśnienie dostosowano w celu zapobiegania spalaniu stukowemu i optymalizacji osiągów.
Rys. 9. Konfiguracja eksperymentalna silnika Diesla wzbogaconego wodorem.
Bezpośredni wtrysk wodoru do silników spalinowych oferuje znaczące korzyści, w tym redukcję strat sprawności objętościowej i ułatwienie rozwarstwienia mieszanki, co razem przyczynia się do wzrostu mocy wyjściowej. 85,86 Ponadto precyzyjna kontrola momentu wtrysku odgrywa kluczową rolę w zmniejszeniu ryzyka spalania stukowego. W porównaniu z innymi odnawialnymi paliwami gazowymi, takimi jak gaz ziemny, bioetanol i amoniak, wodór charakteryzuje się wyższą sprawnością cieplną, co podkreśla jego potencjał jako wysokowydajnej alternatywy. 87 W niedawnym badaniu Liu i współpracownicy 88 wprowadzili wodór bezpośrednio do komory tłokowej za pomocą zmodyfikowanego układu bezpośredniego wtrysku benzyny. Wtryskiwacz ten został zainstalowany przez otwór świecy żarowej i strategicznie umieszczony obok wtryskiwacza pilotującego diesla, aby poprawić charakterystykę spalania. Wybrano wtryskiwacz GDI (Bosch) ze względu na jego szczelność, bez odnotowanych awarii wtryskiwaczy. Przed każdym testem dodawano kroplę oleju w celu smarowania. Wodór wtryskiwano pod ciśnieniem 20 MPa za pomocą pompy doładowującej, a wzrost ciśnienia mierzono metodą Zeucha. 89
Zaawansowane układy zapłonowe pomagają zapobiegać zdmuchnięciu płomienia w komorach spalania. Spośród badanych zaawansowanych technik zapłonu, systemy zapłonu wspomagane laserowo i plazmowo cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na ich potencjał w zakresie poprawy efektywności spalania i ogólnej wydajności silnika. W niedawnym badaniu Yilmaz i współpracownicy [ 90] wykorzystali laser z przełączaniem dobroci (Q-switched) do inicjacji spalania w mieszankach paliwowych metanu i wodoru, wykazując tym samym skuteczność tej metody w poprawie niezawodności zapłonu i wykorzystania paliwa. Ich wyniki pokazały, że zapłon laserowy zapewnia bardziej precyzyjne i kontrolowane spalanie niż tradycyjne systemy iskrowe, szczególnie w warunkach liniowych, co prowadzi do niższej emisji i zużycia paliwa. Dodatek wodoru zwiększył prędkość płomienia, skutkując bardziej pomarszczonym frontem płomienia. Jednak systemy laserowe mogą stwarzać zagrożenia dla bezpieczeństwa, takie jak cofanie się płomienia i detonacja. Zhao i współpracownicy [91] badali zapłon plazmy, wykorzystując zero-wymiarowy model symulacyjny, który zintegrował SENKIN z ZDplaskin. Ich odkrycia wykazały, że zapłon plazmy nie tylko zapewniał szybszy zapłon w porównaniu z konwencjonalnym zapłonem iskrowym, ale także wymagał zaledwie jednej dziesiątej energii wejściowej. Poprawę wydajności przypisano powstawaniu wysoce reaktywnych rodników, takich jak tlen atomowy, wodór i grupa hydroksylowa, które powstawały w wyniku interakcji amoniaku z tlenem. Obecność tych związków znacząco usprawniła proces spalania, podkreślając potencjał zapłonu plazmowego jako energooszczędnej i skutecznej alternatywy dla inicjowania spalania paliwa. 92
4.1. Sprawność cieplna silnika
4.1.1. Ocena sprawności cieplnej hamulców w układach napędowych
Optymalizacja stosunku powietrza do paliwa w zależności od warunków obciążenia silnika odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu sprawności cieplnej hamulców (BTE). Kluczowymi czynnikami wpływającymi na ten parametr są wartość kaloryczna paliwa oraz jakość rozpylenia. Wodór, ze względu na swoje doskonałe właściwości dyfuzyjne i spalania, ułatwia lepsze rozpylenie, tym samym zwiększając BTE. 93 Chociaż zmiany szybkości wtrysku mają zazwyczaj minimalny wpływ na BTE, dostosowanie czasu wtrysku – a w szczególności jego przyspieszenie – może nieznacznie zmniejszyć BTE w warunkach podwyższonego ciśnienia w cylindrze. Ogólnie rzecz biorąc, mieszanki paliw wzbogacone w wodór mają tendencję do generowania wyższych BTE, co przypisuje się ich wyższej prędkości płomienia i lepszej skuteczności ogrzewania. Kanth i in. 94 ustalili , że dostarczanie wodoru z natężeniem przepływu 7 litrów na minutę prowadziło do wzrostu BTE o 3,32% dla mieszanki zawierającej 10% biodiesla i o 1,92% dla mieszanki zawierającej 20% biodiesla. Co więcej, podczas gdy zwiększone ciśnienie wtrysku poprawiło BTE w silnikach napędzanych olejem napędowym, spowodowało spadek BTE w przypadku mieszanek biodieselowych, gdy ciśnienie przekroczyło 240 barów. Stwierdzono, że lepszy moment wtrysku jest korzystny dla spalania biodiesla, przyczyniając się do wyższej sprawności cieplnej poprzez pełniejsze utlenianie paliwa. W badaniu uzupełniającym Seelam i in. 95 donieśli, że wprowadzanie wodoru w tempie 12 litrów na minutę przy 75% obciążeniu silnika doprowadziło do wzrostu szczytowego ciśnienia w cylindrze o 6,77% i zmniejszenia szybkości uwalniania ciepła o 1,50% w porównaniu z pracą silnika Diesla. Ponadto emisja węglowodorów i tlenków azotu została zmniejszona odpowiednio o 6,66% i 10%, a sprawność cieplna wzrosła o 5%. Poprawa ta jest przede wszystkim przypisywana katalitycznemu wpływowi wodoru na spalanie, sprzyjającemu możliwości uzyskania bardziej spójnej kombinacji paliwa z powietrzem, co z kolei sprzyja szybszemu spalaniu i większemu udziałowi spalania wstępnego. 96
4.1.2. Analiza jednostkowego zużycia paliwa na hamulcach (BSFC)
Wprowadzenie wodoru do silnika zmniejsza BSFC przy różnych obciążeniach poprzez zwiększenie wartości opałowej w komorze spalania, poprawę BTE i obniżenie zużycia paliwa. Wysoka palność wodoru, duża prędkość płomienia, krótka droga gaszenia i niska lepkość umożliwiają bardziej wydajne spalanie, co pozwala silnikowi zużywać mniej oleju napędowego. Niezależnie od siły hamowania i obciążenia silnika, dodatkowa wartość opałowa obniża zużycie paliwa. Ponieważ BSFC i wartość opałowa są ze sobą powiązane, zwiększenie dopływu wodoru zmniejsza zużycie oleju napędowego przy wszystkich poziomach mocy hamowania, jak pokazano na rys. 10 .
Rys. 10. Wpływ wodoru na jednostkowe zużycie paliwa podczas hamowania (BSFC). 97 .
4.1.3. Zużycie energii na moc wyjściową hamulca
Wykazano, że integracja wodoru w silnikach Diesla zmniejsza zużycie energii hamowania (BSEC), głównie ze względu na wysoką zawartość energii wodoru w porównaniu z konwencjonalnym olejem napędowym. Ze względu na wyższą wartość opałową wodór przyczynia się do niższego całkowitego zużycia energii podczas pracy silnika. Wraz ze wzrostem udziału wodoru w mieszance paliwowej, zwykle obserwuje się stopniowe zmniejszenie BSEC. 98 Seelam i in. 99 zbadali, że mieszanka składająca się w 70% z oleju napędowego i w 30% z 1-pentanolu (oznaczana jako D70P30), wtryskiwana 15° przed górnym martwym punktem (bGMP), skutkowała wzrostem BSEC o 7,21% w warunkach pełnego obciążenia. Jednak włączenie wodoru do tej mieszanki prowadzi do 6% zmniejszenia BSEC w porównaniu z samą mieszanką D70P30. Ta odwrotna zależność jest przypisywana szybkim właściwościom spalania wodoru i jego węższej drodze gaszenia w porównaniu z olejem napędowym, co razem sprzyja bardziej efektywnemu uwalnianiu energii i lepszej dynamice spalania.
4.1.4. Wskaźniki wytwarzania energii i efektywności
W komorze spalania ułamek energii wodoru wpływa na współczynnik zmienności i średnie ciśnienie efektywne (IMEP). Poniżej 50% udziału wodoru, IMEP pozostaje stabilny, ale rośnie wraz ze wzrostem udziału wodoru, osiągając szczyt na poziomie 80%. W tym momencie sprawność osiąga imponujące 50,6%, znacznie przewyższając olej napędowy. Podobnie, współczynnik zmienności maleje wraz ze wzrostem udziału wodoru.
4.2. Właściwości spalania paliwa wodorowego
Czas wtrysku ma istotny wpływ na dynamikę ciśnienia w cylindrach silników Diesla. Przyspieszenie czasu wtrysku zazwyczaj prowadzi do wzrostu ciśnienia szczytowego i szybszego jego wzrostu, głównie ze względu na wydłużone opóźnienie zapłonu, które umożliwia lepsze mieszanie paliwa z powietrzem. Natomiast opóźniony czas wtrysku zapewnia bardziej stopniowy wzrost ciśnienia. Na szczytowe ciśnienie w cylindrze i maksymalną temperaturę spalania wpływa kombinacja czasu wtrysku, charakterystyki paliwa i warunków pracy silnika. 100 Modyfikując czas wtrysku, szczyt ciśnienia powinien idealnie występować wkrótce po górnym martwym punkcie (GMP), co pozwala konstruktorom silników skutecznie zarządzać temperaturą i ciśnieniem spalania. Przyspieszenie czasu wtrysku inicjuje spalanie wcześniej, co prowadzi do dłuższego opóźnienia zapłonu i zwiększonego HRR w warunkach wstępnej mieszanki. Jednak nadmierne przyspieszenie może zmniejszyć wydajność spalania. Ponadto zwiększenie ilości wtryskiwanego paliwa podnosi ciśnienie w cylindrze i przyspiesza spalanie. Po zmieszaniu wodoru z biodieslem często obserwuje się znaczny wzrost ciśnienia w cylindrze. To wzmocnienie wiąże się z lepszym procesem rozpylania i przerywaniem procesu zapłonu, co można dodatkowo dostroić poprzez poprawę penetracji strumienia. Opóźnienie zapłonu jest wrażliwe na temperaturę w cylindrze i obciążenie silnika, przy czym wyższe obciążenia zazwyczaj skutkują krótszymi czasami wtrysku, zwłaszcza biorąc pod uwagę stosunkowo wysoką temperaturę samozapłonu wodoru. 101 W mieszankach wodoru z biodieslem opóźnienie zapłonu może ulec wydłużeniu ze względu na właściwości spalania wodoru, co stwarza problemy z rozruchem silnika. Ciśnienie w cylindrze znacząco wpływa zarówno na proces zapłonu, jak i spalania.
Paliwa wzbogacone wodorem generalnie prowadzą do wyższych ciśnień w cylindrze ze względu na ich wyższą prędkość laminarnego płomienia. W warunkach wysokiej stechiometrii wodór spala się szybciej niż przy niższym stosunku wodoru do powietrza, szczególnie przy niższym obciążeniu silnika. Szybkość uwalniania ciepła (HRR), wskaźnik czasu spalania, zależy od kilku właściwości paliwa, w tym wartości opałowej, lepkości, ciepła parowania i liczby cetanowej. 102 Paliwa o wyższej lepkości wprowadzają do cylindra większą masę paliwa, co wymaga zwiększenia ciśnienia wtrysku w celu uzyskania drobniejszego rozpylenia. Zwiększa to HRR poprzez poprawę wydajności spalania. HRR zależy również od równowagi między fazą spalania wstępnego i dyfuzyjnego. W silnikach Diesla zwiększenie zawartości wodoru sprzyja uboższym mieszankom i wyższemu HRR. 103 Jednak nadmierne stężenie wodoru może obniżyć HRR ze względu na szybsze tempo spalania wodoru w porównaniu z olejem napędowym, przy czym większość spalania ma miejsce w fazie wstępnego zmieszania. Opóźniony zapłon może prowadzić do niepełnego spalania, ale wzmocniona atomizacja, która wytwarza drobniejsze krople paliwa, pomaga utrzymać wyższy współczynnik HRR i ciśnienie w cylindrze niż czysty olej napędowy. Te drobne krople spalają się wydajniej, skracając całkowity czas spalania. Wczesny początek zapłonu (SOI) związany z wodorem można złagodzić poprzez opóźnienie SOI, co zmniejsza stukanie silnika i emisję akustyczną, jednocześnie łagodząc HRR. 104
Wraz ze wzrostem udziału wodoru, HRR ma tendencję do rozszerzania się i zmniejszania, co wskazuje na mniej jednorodną mieszaninę wodoru z powietrzem. Wyższa zawartość wodoru zmniejsza spalanie stukowe, ale zwiększa ciśnienie szczytowe, umożliwiając modulację prędkości płomienia poprzez strategie spalania z mieszanką wstępną. Liu i in. 105 podkreślili, że przejście ze spalania konwencjonalnego na spalanie z mieszanką wstępną wodoru może nasilić ciśnienie szczytowe i HRR ze względu na wynikającą z tego nierównowagę. Wysoka prędkość rozprzestrzeniania się płomienia wodoru skraca czas spalania w porównaniu z konwencjonalnymi mieszankami biodiesla i olejem napędowym. Kanth i in. 106 nie zaobserwowali spójnej zależności między momentem wtrysku, ciśnieniem wtrysku a zużyciem wodoru. Ponadto stwierdzono, że podwyższone ciśnienia wtrysku obniżają temperaturę cylindrów i ograniczają rozprzestrzenianie się płomienia, co potwierdzają Liu i in. 107 oraz Seelam i in. 108.
4.3. Emisja zanieczyszczeń i wpływ na środowisko
4.3.1. Trendy i analiza emisji CO2
Zastosowanie silników Diesla zasilanych wodorem oferuje obiecującą strategię znacznego ograniczenia emisji dwutlenku węgla, głównie dlatego, że wodór nie zawiera węgla. Wraz ze wzrostem stężenia wodoru w mieszance paliwowej wzrasta również temperatura spalania. Zwiększa to sprawność cieplną i poprawia równomierność rozpylenia dzięki wysokiej prędkości płomienia wodoru. W rezultacie emisja dwutlenku węgla znacznie spada, z 643 gramów na kilowatogodzinę do 142 gramów na kilowatogodzinę, jak pokazano na rys. 11. Ta znacząca redukcja wynika głównie z pełniejszego spalania, które sprzyja przekształcaniu tlenku węgla w dwutlenek węgla.
Rys. 11. Porównanie emisji dwutlenku węgla dla różnych rodzajów paliw. 109 .
4.3.2. Emisje NO x w transporcie i przemyśle
Gdy wodór jest dodawany do silnika wysokoprężnego, wytwarza się więcej tlenków azotu. Ze względu na wysoką temperaturę samozapłonu, wodór powoduje wzrost NO x i temperatury cylindra. Zwiększenie stosunku powietrza do paliwa przyspiesza spalanie, co zmniejsza produkcję NO x . Lepsze spalanie paliwa skutkuje wyższą emisją NO x . Ponadto, więcej NO x zostało wytworzone w wyniku ulepszonego czasu wtrysku. Jedną z największych przeszkód dla obecnych badań jest obniżenie NO x . Produkcja NO x może zostać zmniejszona poprzez obniżenie wartości opałowej paliwa. 110 Z drugiej strony, BTE i BP znacznie się zmniejszą. Od wielu lat toczy się dyskusja na temat tego, jak zrównoważyć zmniejszoną emisję NO x ze zwiększoną wydajnością. Długoterminowa zrównoważoność paliw pochodzących z wodoru w sektorze energetycznym pozostaje przedmiotem debaty, ponieważ emisje tlenków azotu nadal stanowią poważne wyzwanie. Chociaż zaawansowane technologie, takie jak recyrkulacja spalin, selektywna redukcja katalityczna i wykorzystanie nanocząstek wykazały potencjał w zakresie ograniczania poziomu tlenków azotu w pewnym stopniu, wytwarzane emisje są nadal znaczne i nie można ich ignorować. Związek między kompromisami NO x i mocą wyjściową został zbadany przez Liu i in. 111 Jak pokazano w Tabeli 1. Emisja NO x rośnie wraz ze wzrostem udziału wodoru. Wykazano, że stężenia wodoru między 20% a 90% wytwarzają najwięcej NO x . W porównaniu z olejem napędowym, wodór stymuluje płomień adiabatyczny, co skutkuje wyższą szybkością generowania NO x. Produkcja termiczna NO jest stymulowana przez ulepszoną fazę spalania wstępnie zmieszanego. Ponadto podwyższone temperatury w cylindrze i ubogie mieszanki paliwowe są kluczowymi czynnikami przyczyniającymi się do powstawania tlenku azotu. Jednak w warunkach późniejszego początku wtrysku wodoru, wzrost udziału wodoru wiązał się ze spadkiem emisji tlenku azotu. Dokładniej rzecz biorąc, udział wodoru w energii na poziomie od 50 do 80 procent skutkował redukcją emisji tlenku azotu o około 300 części na milion w porównaniu ze spalaniem konwencjonalnego oleju napędowego. 112
Tabela 1. Emisja NO x przy zmiennej mieszance wodoru, czasie wtrysku i składzie paliwa.
| Nr S. | Mieszanka wodoru (%) | Moment wtrysku (°BTDC) | Emisja NOx (ppm) | Kompozycja | Uwagi |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0% (czysty olej napędowy) | 10° | 850 | 100% oleju napędowego | Linia bazowa |
| 2 | 10% | 10° | 910 | 90% oleju napędowego, 10% wodoru | Nieznaczny wzrost NO x |
| 3 | 20% | 10° | 980 | 80% oleju napędowego, 20% wodoru | Zauważalny wzrost |
| 4 | 30% | 10° | 1050 | 70% oleju napędowego, 30% wodoru | Wyższa temperatura spalania → więcej NO x |
| 5 | 20% | 15° | 920 | 80% oleju napędowego, 20% wodoru | Zaawansowany timing nieznacznie obniża NO x |
| 6 | 20% | 20° | 870 | 80% oleju napędowego, 20% wodoru | Dalsza redukcja NO x |
| 7 | 30% | 20° | 890 | 70% oleju napędowego, 30% wodoru | Optymalny punkt dla kompozycji mieszanki i czasu |
4.3.3. Przegląd emisji węglowodorów
Emisja niespalonych węglowodorów ulega redukcji, gdy paliwo i powietrze są odpowiednio wymieszane. Na powstawanie HC ma również istotny wpływ wartość ciśnienia w cylindrze. Niepełne spalanie występuje, gdy ciśnienie w cylindrze jest utrzymywane poniżej 260 barów. 113 W wyniku niepełnego spalania powstają zanieczyszczenia. Możliwe jest zmniejszenie emisji HC poprzez zwiększenie szybkości spalania. Zwiększenie HRR również obniża emisję HC. Słabe spalanie zazwyczaj skutkuje niską temperaturą cylindra, co ma znaczący wpływ na HRR. W pierwszym etapie spalania utlenianie paliwa jest stymulowane przez zwiększenie temperatury w cylindrze. Emisję HC można zmniejszyć, regulując ciśnienie wtrysku, utrzymując jednocześnie wystarczającą ilość bogatego tlenu. Uderzanie strumienia paliwa jest poprawione, a mieszanie zwiększone poprzez przyspieszenie czasu wtrysku. 114,115 Ciśnienie wtrysku podczas pracy silnika odgrywa kluczową rolę w regulowaniu penetracji końcówki rozpylacza i zakresu uderzenia strumienia. W porównaniu z olejem napędowym, wodór ma większą penetrację strumienia, ponieważ jest bardziej palny. W związku z tym wodór spala się na początku właściwego spalania, co powoduje redukcję HC. Co więcej, obecność wodoru obniża zużycie paliwa, co otwiera drzwi do potencjalnej niższej emisji HC. Zgodnie ze stosunkiem wodoru, Seelam i in. 116 wykazali również redukcję produkcji HC. Brak HC w wodorze spowodował znaczny spadek emisji HC.
4.3.4. Emisja tlenku węgla: źródła i skutki
Z powodu niskiej temperatury cylindra i braku tlenu silnik emituje zanieczyszczenia CO. Słabe utlenianie powoduje wzrost produkcji CO wraz ze spadkiem temperatury cylindra. Podczas spalania tlen zazwyczaj łączy się z atomami węgla, tworząc CO, który następnie jest utleniany do CO₂ . Stężenie CO₂ spada , a emisja CO₂ rośnie, gdy czas utleniania jest krótki. Poprzez staranną regulację czasu wtrysku i ciśnienia, przy jednoczesnym utrzymaniu odpowiedniego stosunku powietrza do paliwa, można zoptymalizować dostarczanie paliwa, aby zwiększyć szybkość utleniania w komorze spalania, zwłaszcza biorąc pod uwagę, że tlenek węgla stanowi większe zagrożenie dla środowiska niż dwutlenek węgla. W przypadku wielu mieszanek biodiesla, przyspieszenie momentu wtrysku wiązało się ze zwiększoną emisją tlenku węgla. 117 Wynika to ze zwiększonej fazy spalania mieszanki wstępnej, która zmniejsza stopień utleniania tlenku węgla do dwutlenku węgla. Jednak optymalizacja ciśnienia wtrysku, szczególnie poniżej 240 barów, wykazała znaczny potencjał w zakresie redukcji emisji tlenku węgla. 118 Paliwo można spalać efektywnie, utrzymując stosunek stechiometryczny na dokładnych wartościach. Jak widać na rys. 12, Seelam i in. 119 stwierdzili, że dodatek wodoru spowodował zmniejszenie całkowitej ilości wytwarzanego CO. Główną przyczyną zmniejszenia emisji CO jest szybsze rozprzestrzenianie się płomienia. Ponieważ wodór zmniejsza powstawanie rodników OH w paliwie, powstaje mniej CO₂ i CO₂ .
Rys. 12. Porównanie emisji tlenku węgla w przypadku testowanych paliw. 120 .
4.3.5. Emisja cząstek stałych i sadzy
Wpływ domieszkowania wodoru na emisję sadzy w silnikach zasilanych biodieslem można skutecznie zilustrować za pomocą schematu przedstawiającego kluczowe mechanizmy i skutki. Początkowo skład paliwa zmienia się od czystego biodiesla (B100) do biodiesla z dodatkiem wodoru o rosnącym stężeniu (10%, 20%, 30% i 40%), podawanego do układu silnika. Obecność wodoru w komorze spalania sprzyja wyższej prędkości płomienia, pełniejszemu spalaniu, podwyższonym temperaturom w cylindrach i obniżonemu stosunkowi węgla do wodoru. Te modyfikacje łącznie zwiększają wydajność spalania i zmniejszają powstawanie cząstek stałych. Analiza porównawcza strefy tworzenia się sadzy przed i po dodaniu wodoru ujawnia, że w przypadku braku wodoru, zlokalizowane obszary bogate w paliwo i niepełne spalanie powodują powstawanie większych zarodków sadzy. Z kolei wzbogacanie w wodór prowadzi do czystszego procesu spalania, krótszych opóźnień zapłonu i lepszego utleniania sadzy. Potwierdza to dodatkowo analiza trendów emisji, która wykazuje znaczną redukcję poziomu sadzy wraz ze wzrostem zawartości wodoru, przy czym mieszanka 40% wodoru daje około 70% redukcję emisji sadzy w porównaniu z czystym biodieslem. Jednakże zauważono pewne kompromisy, w tym potencjalny wzrost emisji tlenków azotu (NO x ), konieczność zoptymalizowanej kalibracji silnika i ryzyko spalania stukowego przy wyższych stężeniach wodoru. Odkrycia te podkreślają potencjał suplementacji wodoru jako strategii łagodzenia emisji sadzy w silnikach biodiesel, a także podkreślają znaczenie rozwiązywania związanych z tym problemów ze spalaniem. Istnieje ścisła korelacja między wtryskiem paliwa a zadymieniem. Idealnie, wraz ze wzrostem ciśnienia w cylindrze, wzrasta również poziom zadymienia. Możliwe jest znaczne obniżenie zadymienia poprzez wydłużenie czasu wtrysku. Innymi przyczynami zmniejszonego wytwarzania sadzy są bogate strefy paliwa i lepsze rozpylanie paliwa. Skrócony czas spalania zwiększa ilość niespalonego paliwa uwalnianego przez wydech, co sprzyja rozwojowi sadzy. Dodatek wodoru, zwiększając dyfuzyjność podczas spalania, obniża ilość sadzy. Ponieważ wodór ma wysoką dyfuzyjność, Seelam i in. [121] wykazali redukcję cząstek stałych. Wyniki Tutaka i in. [122] są zgodne z tą obserwacją, którzy zaobserwowali znaczną redukcję emisji sadzy po dodaniu wodoru w porównaniu ze stosowaniem wyłącznie biodiesla, co ilustruje ryc. 13 .
Rys. 13. Emisja sadzy z silników na biodiesel pracujących przy różnym poziomie wzbogacania wodorem. 123 .
4.4. Wodór jako klucz do czystych rozwiązań transportowych i energetycznych
Metoda śladu ciśnienia jest użytecznym narzędziem do dokładnego pomiaru hałasu silnika. Wysoki poziom spalania wstępnego jest identyfikowany jako główne źródło hałasu. Jednak wraz ze wzrostem udziału wodoru w mieszance paliwowej, hałas silnika ma tendencję do znacznego spadku. W badaniu 124 mieszanki wodorowe wykazały maksymalny poziom hałasu wynoszący 98,6 decybeli, czyli tylko o 1,5 decybela wyższy niż ten wytwarzany przez konwencjonalny olej napędowy. Oba przypadki H2SOI powinny idealnie wskazywać na niższy poziom hałasu silnika. Jednak płomienie dyfuzyjne są w głównej mierze odpowiedzialne za redukcję hałasu, która jest wyraźnie widoczna dla wielu frakcji wodoru. Zaobserwowano niewielki spadek hałasu wraz ze wzrostem ciśnienia wlotowego. 125 Przepisz zdanie w całości i usuń je.
4.5. Wyzwania techniczne w praktycznym zastosowaniu silników wodorowych
Silniki spalinowe napędzane wodorem, choć obiecujące pod względem redukcji emisji dwutlenku węgla, napotykają na szereg przeszkód technicznych, które muszą zostać pokonane przed ich wdrożeniem na szeroką skalę. Wyzwania te są szczególnie widoczne w zakresie trwałości materiałów, bezpieczeństwa magazynowania pod wysokim ciśnieniem, stabilności spalania i kompatybilności z modernizacjami. Jednym z najpilniejszych wyzwań technicznych we wdrażaniu silników spalinowych napędzanych wodorem (ICE) jest kruchość wodorowa, w której atomowy wodór infiltruje elementy metalowe, znacznie zmniejszając ciągliwość i powodując wczesne uszkodzenie materiału pod wpływem naprężeń cyklicznych. Zjawisko to zaobserwowano w systemach magazynowania pod wysokim ciśnieniem oraz w elementach silników, takich jak zawory i wtryskiwacze. San Marchi i in. odnotowali 30–50% spadek odporności na pękanie stali nierdzewnej 304L po wystawieniu na działanie wodoru pod ciśnieniem 70 MPa, co wskazuje na podatność materiału na uszkodzenia w praktycznych warunkach eksploatacji. 126 Aby ograniczyć tę degradację, naukowcy zalecają stosowanie zaawansowanych materiałów, takich jak austenityczne stale nierdzewne, stopy aluminium lub kompozyty z włókna węglowego, a także powłok ochronnych i tulei nieprzepuszczalnych dla wodoru. Kolejnym istotnym problemem jest długoterminowe bezpieczeństwo zbiorników wodoru pod wysokim ciśnieniem, gdzie cykle ciśnieniowe prowadzą do zmęczenia materiału, rozwarstwienia i mikropęknięć. Ponadto stabilność spalania pozostaje kluczowym wyzwaniem ze względu na niską energię zapłonu wodoru i wysoką prędkość płomienia, które przyczyniają się do przedwczesnego zapłonu, zapłonu wstecznego i spalania stukowego w pewnych warunkach obciążenia. Niniejsze badanie podkreśla potrzebę zwiększenia odporności materiałów, strategii kontroli spalania oraz zaawansowanych technologii wtryskiwaczy i środków smarnych dla zapewnienia praktycznej żywotności układów wodorowych silników spalinowych.
5. Innowacyjne podejście do integracji wodoru w silnikach turbin gazowych
Silniki turbin gazowych, szeroko wykorzystywane zarówno w sektorze lotniczym, jak i w energetyce, oferują realną ścieżkę do włączenia wodoru jako zrównoważonego, niskoemisyjnego paliwa. W tej sekcji przeanalizowano wykonalność integracji wodoru z systemami turbin gazowych, podkreślając jego adaptowalność jako paliwa, zróżnicowane strategie spalania, profile emisji oraz kluczowe przeszkody techniczne związane ze spalaniem wodoru. Oczekuje się, że przemysł lotniczy, stale rozwijający się od swoich początków, będzie się nadal rozwijał, a emisja CO2 znacznie wzrośnie. W latach 2013 i 2019 emisje wyniosły odpowiednio 707 i 920 milionów ton, co oznacza wzrost o 30% w ciągu sześciu lat. Zgodnie z celami Porozumienia Paryskiego w sprawie walki z globalnym ociepleniem, międzynarodowe inicjatywy mające na celu ograniczenie emisji gazów cieplarnianych przyspieszają na całym świecie, dążąc do osiągnięcia zerowej emisji netto do roku 2050. W ramach tej zmiany, wodór jest badany jako zrównoważona alternatywa dla paliw konwencjonalnych, zarówno w sektorze lotniczym, jak i energetycznym. Paliwa bogate w wodór, choć wykorzystywane od lat, charakteryzują się wyjątkowymi właściwościami spalania, które wymagają dalszych badań w celu uzyskania optymalnej wydajności turbiny gazowej. 130
Silniki turbin gazowych zazwyczaj składają się z dyfuzora, komory spalania, sprężarki, dyszy i turbiny. Przystosowanie tych systemów do zasilania wodorem wymaga modyfikacji kilku komponentów, aby uwzględnić specyficzne właściwości przepływu i spalania wodoru. Dyfuzory i sprężarki, w tym łopatki wlotowe, wymagają optymalizacji, aby uwzględnić różne stosunki paliwa do utleniacza i parametry pracy związane z wodorem. Sekcja turbiny również wymaga przeprojektowania, w szczególności łopatek turbiny, aby poradzić sobie ze zmienną dynamiką przepływu i podwyższonymi temperaturami wynikającymi ze spalania wodoru. Spośród nich komora spalania stanowi największe wyzwanie. Szybkie rozprzestrzenianie się płomienia wodoru może powodować niestabilność spalania i wysokie temperatury płomienia, zwiększając tym samym powstawanie tlenków azotu (NOx ) . Wysiłki badawcze koncentrują się na rozwiązaniu tych problemów poprzez modernizację konwencjonalnych turbin gazowych lub zastąpienie tradycyjnych paliw wodorem lub alternatywnymi paliwami wzbogaconymi w wodór. W tej sekcji przedstawiono krytyczny przegląd dotychczasowych badań nad wprowadzaniem wodoru do układów turbin gazowych, oceniając jego wydajność w napędach lotniczych i stacjonarnych źródłach energii w porównaniu z paliwami konwencjonalnymi, takimi jak nafta i gaz ziemny. 131
5.1. Refleksje w czasie
Wysoka prędkość rozprzestrzeniania się płomienia wodoru, wynikająca z jego wyższej prędkości dyfuzji i reaktywności chemicznej, stwarza problemy ze stabilnością silników turbin gazowych. Na przykład, szybkość reakcji wodoru jest nawet siedmiokrotnie szybsza niż w przypadku paliwa Jet-A, co może prowadzić do problemów z cofaniem się płomienia. Może to powodować niestabilność spalania, wahania ciśnienia i zagrożenia dla bezpieczeństwa. Nawet mieszanki wodoru, takie jak mieszanka 50% wodoru i gazu ziemnego, charakteryzują się prędkością płomienia ponad dwukrotnie wyższą niż w przypadku metanu. W przeciwieństwie do wybuchów, w których płomień się odrywa, cofanie się płomienia występuje, gdy płomień rozprzestrzenia się w górę strumienia szybciej niż paliwo, co potencjalnie może powodować wybuchy w strefie wstępnego zmieszania. Rys. 14 ilustruje cofanie się płomienia wodoru w porównaniu ze spalaniem ciągłym. Komory spalania z płomieniem mieszanym, które łączą paliwo i utleniacz przed spaleniem, są szczególnie podatne na cofanie się płomienia, co przekłada się na niższą emisję NOx i niższą temperaturę płomienia. Natomiast komory spalania dyfuzyjnego oddzielają paliwo i utleniacz, tworząc stechiometryczną strefę spalania, w której występują najwyższe temperatury, co prowadzi do wyższych emisji NOx . Komory spalania dyfuzyjnego mogą wykorzystywać rozcieńczalniki (regulacja na mokro) w celu obniżenia temperatury płomienia i emisji NOx , ale może to mieć wpływ na osiągi silnika. Ubogie płomienie z gotową mieszanką również mogą obniżyć temperaturę i emisję NOx bez użycia rozcieńczalników, ale konwencjonalne suche komory spalania o niskiej emisji napotykają na problemy z cofaniem się płomienia w przypadku wodoru ze względu na jego wysoką prędkość płomienia. Opracowanie komór spalania odpornych na cofanie się płomienia jest niezbędne do integracji wodoru z silnikami turbin gazowych, co stanowi kluczowe wyzwanie, zanim wodór będzie mógł w pełni zastąpić tradycyjne paliwa w turbinach gazowych.
Rys. 14. Przedstawia zachowanie płomienia wodorowego w palniku wirowym w trzech warunkach: (a) wystąpienia cofnięcia płomienia, (b) warunków prowadzących do cofnięcia płomienia oraz (c) stabilnego i kontrolowanego spalania. Adaptacja z pozycji 132 (CC BY 4.0).
5.2. Mieszaniny wodoru i wszechstronność paliw w nowoczesnych systemach energetycznych
Początkowa integracja wodoru z turbinami gazowymi rozpoczęła się od badań eksploracyjnych skoncentrowanych na ocenie wykonalności mieszania wodoru jako paliwa z tradycyjnymi paliwami, takimi jak gaz ziemny i nafta, w zmiennych proporcjach. To stopniowe podejście ma ostatecznie umożliwić pracę turbin zasilanych w 100% wodorem. Chociaż wodór oferuje wyższą gęstość energetyczną w przeliczeniu na masę w porównaniu z gazem ziemnym, jego niska objętościowa zawartość energii – wynikająca z niskiej gęstości – sprawia, że jest on mniej wydajny pod względem wartości opałowej w przeliczeniu na objętość. Ponieważ wodór znacznie różni się pod względem właściwości fizycznych i spalania od paliw konwencjonalnych, turbiny gazowe wymagają modyfikacji systemu, aby dostosować je do jego zastosowania. W przeciwieństwie do nafty, powszechnie stosowanej w lotnictwie, i metanu, typowego dla energetyki, wodór charakteryzuje się wyższą wartością opałową, wyższą adiabatyczną temperaturą płomienia i szerszym zakresem palności. 133
Wskaźnik Wobbego (WI) to podstawowy parametr służący do oceny zamienności różnych paliw, wskazujący na ich kompatybilność w tym samym układzie spalania. Powiązany wskaźnik, zmodyfikowany wskaźnik Wobbego (MWI) 83 , uwzględnia zmiany zarówno gęstości paliwa, jak i wartości opałowej, oferując bardziej kompleksowy pomiar wydajności paliwa w różnych warunkach.
Zawartość energetyczna paliwa gazowego jest określana przez jego wyższą wartość opałową (HHV) i niższą wartość opałową (LHV), natomiast ciężar właściwy (SG) wskazuje na jego gęstość względem powietrza. W połączeniu z temperaturą bezwzględną ( T ) gazu, parametry te służą do obliczenia kluczowego wskaźnika, który ocenia gęstość energetyczną paliw gazowych. 134 Wskaźnik ten został pierwotnie wprowadzony w celu oceny przydatności różnych składów gazu ziemnego – często niespójnych – do stosowania w turbinach gazowych. Jeśli dwa gazy mają podobne wartości wskaźnika, zazwyczaj można je stosować zamiennie w turbinach gazowych z minimalnym wpływem na wydajność. Wskaźnik zależy zarówno od właściwości termicznych, jak i fizycznych gazu i można go modyfikować poprzez staranne dostosowanie jego zmiennych w celu utrzymania stałej wartości. Na przykład wodór i metan mają porównywalne wartości wskaźnika – odpowiednio około 45 MJ Nm³ i 50 MJ Nm³ – co sugeruje potencjalną zamienność pomimo różnic w strukturze chemicznej. 135
Integracja wodoru z tradycyjnymi paliwami, takimi jak nafta do napędu lub metan do wytwarzania energii, była badana jako podejście przejściowe w kierunku systemu energetycznego opartego na wodorze. Badania wykazały techniczną wykonalność takich mieszanek, podkreślając szereg zalet. Należą do nich: zmniejszona emisja dwutlenku węgla, wydłużone limity spalania ubogiej mieszanki, które pomagają zapobiegać cofaniu się płomienia i wydmuchom, zmniejszone powstawanie tlenków azotu (NOx ) w warunkach ubogiej mieszanki, poprawiona stabilność spalania oraz udane wdrożenie układów hybrydowych łączących wodór gazowy i naftę ciekłą w komorach spalania wirowego. Jednakże wskaźnik stosowany do określania kompatybilności paliw nie uwzględnia wszystkich krytycznych właściwości spalania, takich jak profile emisji czy reakcja dynamiczna. W rezultacie, chociaż wskaźnik może sugerować dobrą kompatybilność, rzeczywista wydajność może się znacznie różnić. Na przykład paliwa zawierające 57% i 100% wodoru objętościowo mogą wykazywać podobne wartości wskaźnika, ale różnić się pod względem mieszania powietrza z paliwem, prędkości wtrysku i dynamiki spalania ze względu na niską gęstość wodoru, wyższą dyfuzyjność i lepkość. 136
W jednym z badań wprowadzono modyfikacje mające na celu dostosowanie wtryskiwacza paliwa, pierwotnie zaprojektowanego do paliw ciekłych, do obsługi wodoru gazowego. Zmiana ta wymagała również unowocześnienia metody pomiaru zużycia paliwa, aby precyzyjnie regulować natężenie przepływu, zapewniając zarówno wydajność, jak i bezpieczeństwo. Wyniki tych badań pokazały, że rosnąca dostępność wodoru w mieszance paliwowej prowadzi do wyższych temperatur w komorze spalania w porównaniu z naftą, co budzi obawy dotyczące obciążenia cieplnego i trwałości materiału ze względu na podwyższoną temperaturę płomienia. 137
Chociaż istniejące technologie turbin gazowych mogą działać z paliwami wzbogaconymi wodorem bez konieczności całkowitego przeprojektowania, konieczne są dalsze badania, aby wesprzeć pełne przejście na wodór. Badania eksperymentalne są szczególnie ważne dla oceny wpływu wodoru na proces spalania – zwłaszcza jego wysokiej reaktywności, tendencji do cofania się płomienia oraz skłonności do wytwarzania NOx w wysokich temperaturach płomienia. Rozwiązanie tych problemów będzie wymagało optymalizacji warunków spalania, przeprojektowania wtryskiwaczy i palników oraz opracowania strategii sterowania w celu utrzymania stabilnej, wydajnej i bezpiecznej pracy, gdy wodór jest paliwem podstawowym.
5.3. Rodzaje spalania w celu uzyskania stabilnego płomienia wodorowego
Konstrukcja komory spalania z mieszaniem wstępnym w turbinach gazowych dobrze nadaje się do minimalizacji emisji tlenków azotu (NOx ) ; jednak wysoka reaktywność wodoru i duża prędkość płomienia stwarzają znaczne ryzyko cofnięcia się płomienia, w którym płomień rozprzestrzenia się w górę strumienia do sekcji mieszania. Aby temu zaradzić, zaproponowano komory spalania z wieloma małymi wtryskiwaczami, które wspomagają szybkie mieszanie ubogiej mieszanki paliwowo-powietrznej. Wtryskiwacze te mają małe otwory, aby zwiększyć prędkość przepływu, zapobiegając cofnięciu się płomienia i umożliwiając wygaszenie płomienia. Kluczowym rozwiązaniem jest spalanie mikromieszankowe, które wykorzystuje zminiaturyzowane wtryskiwacze, aby zapobiec cofnięciu się płomienia poprzez zwiększenie prędkości przepływu paliwa i intensywności mieszania lokalnego. Badania pokazują, że odpowiednio skalowane wtryskiwacze, takie jak te sprawdzone przez Dhal, zmniejszają emisję NOx poprzez promowanie efektywnego mieszania paliwa z utleniaczem, obniżając lokalne temperatury spalania i czas przebywania. Spalanie mikromieszankowe zostało z powodzeniem zastosowane w systemach takich jak pomocniczy agregat zasilany wodorem o mocy 1,6 MW, w którym zminiaturyzowane płomienie skracają czas przebywania, obniżając emisję NOx . 138
Rys. 15 pokazuje, że zastosowanie zmniejszonych wtryskiwaczy wielokrotnych skutkowało niską emisją NO x poprzez promowanie szybkiego mieszania paliwa i utleniacza. To ulepszone mieszanie obniżyło zarówno temperaturę spalania, jak i czas przebywania, skutecznie minimalizując emisje bez wywoływania cofania się płomienia. Konstrukcja wtryskiwacza ma kluczowe znaczenie, ponieważ panele kierujące powietrzem, głębokość wtrysku paliwa i wiry recyrkulacyjne wpływają na stabilność płomienia i kontrolę emisji. Mniejsza głębokość wtrysku paliwa pomaga utrzymać krótki czas przebywania i niską emisję NO x , podczas gdy nadmierna głębokość wydłuża czas przebywania i emisję NO x . Różne badania testowały wtryskiwacze wielootworowe, zgłaszając, że te z większą liczbą punktów wtrysku wytwarzają mniej NO x, chociaż rozmiar wtryskiwacza i wysoka temperatura spalania wodoru stanowią wyzwania. Innowacyjne konstrukcje, takie jak kanały rozbieżne i przepływy toroidalne, zostały zasugerowane w celu stabilizacji płomieni, redukcji gorących punktów i poprawy jakości mieszania, przyczyniając się do niższej emisji NO x . Badania Hussaina z 61-otworowym mikromieszalnikiem do spalania tlenowo-paliwowego wykazały, że wtryskiwacze te działają dobrze nawet przy wysokim udziale wodoru (nawet do 90%), nie powodując problemów z cofaniem się płomienia. 139
Rys. 15. Emisja sadzy w silnikach na biodiesel przy różnych mieszankach wodoru.
Zmodyfikowana konstrukcja, zilustrowana na rys. 16, charakteryzuje się pierścieniową strukturą wyposażoną w 1600 portów wtrysku wodoru, każdy o średnicy 0,3 mm. Skalowalne mikro-mieszacze okazały się skuteczne w większych zastosowaniach przemysłowych. Na przykład, skalowalne wtryskiwacze wielootworowe testowane w turbinach gazowych wykazały stabilną wydajność dla różnych paliw, w tym wodoru i gazu ziemnego, przy minimalnej emisji NOx . Skalowalność wtryskiwaczy dla zmiennego zapotrzebowania na moc (od MW do dziesiątek MW) została pomyślnie zademonstrowana, a wtryskiwacze wykazały się solidnością pod względem elastyczności i funkcjonalności paliwa. Mikro-mieszacze zostały z powodzeniem zastosowane w turbinach przemysłowych, osiągając stabilne spalanie wodoru z emisją NOx poniżej 25 ppm. Ponadto, współosiowe wtryskiwacze paliwowo-powietrzne o wirowej dynamice przepływu zostały wykorzystane do stabilizacji stabilnych płomieni i poprawy pracy z niską emisją NOx . Konfiguracja wtryskiwaczy, płaska lub wypukła, wpływa na stabilność płomienia i ryzyko cofnięcia się płomienia, a konstrukcje wypukłe oferują lepszą kontrolę i szersze zakresy pracy. 140
Rys. 16. (a) Zasada spalania mikromieszankowego: ilustracja pokazująca wtrysk wodoru (H 2 ) i powietrza, a także dynamikę przepływu krzyżowego. (b) Schemat mikrodyszy do wtryskiwania wodoru i powietrza. (c) Budowa układu spalania w mikroskali. 141 .
5.4. Wodór i jego wpływ na ryzyko łatwopalności
Nowoczesne silniki turbin gazowych są często projektowane do pracy w warunkach spalania z ubogą mieszanką wstępną, aby ograniczyć emisję tlenków azotu (NOx ) . Jednak takie warunki zbliżają stabilność płomienia do granicy wydmuchu, gdzie może nastąpić zgaśnięcie płomienia, jeśli prędkość płomienia stanie się niewystarczająca do zrównoważenia prędkości strumienia mieszanki paliwowo-powietrznej wprowadzanego przez wtryskiwacze. Wodór, ze względu na swoją wysoką reaktywność chemiczną i szybkie rozprzestrzenianie się płomienia, okazał się obiecującym materiałem do wydłużenia granicy wydmuchu z ubogą mieszanką. Umożliwia to szerszy zakres stabilnej pracy i poprawia stabilność płomienia w warunkach spalania z ubogą mieszanką. Ponadto, zastosowanie wodoru może przyczynić się do zmniejszenia termicznego wytwarzania NOx ze względu na jego korzystną kinetykę spalania. 142
Wodór charakteryzuje się wysoką palnością w porównaniu z paliwami konwencjonalnymi ze względu na wysoką temperaturę spalania i niski stosunek paliwa do powietrza, co sprzyja zapłonowi. Współczynnik równoważności roboczej, który zmienia się wraz z obciążeniem silnika, wpływa na temperaturę płomienia. Przy pełnym obciążeniu, praca w stosunku stechiometrycznym skutkuje najwyższą temperaturą, natomiast przy niższych obciążeniach, uboższa mieszanka do spalania skutkuje niższą temperaturą płomienia. Pomimo wyższej temperatury spalania wodoru w porównaniu z naftą w warunkach stechiometrycznych, cechę tę można kontrolować poprzez regulację stosunku utleniacza do paliwa. Pozwala to na obniżenie emisji NOx , szczególnie w warunkach spalania w uboższej mieszance, dzięki niższej granicy wydmuchu wodoru i szerszemu zakresowi stabilnych stosunków równoważności. Spalanie wodoru w ubogiej mieszance nie tylko przyczynia się do redukcji NOx , ale także zwiększa trwałość materiałów i bezpieczeństwo eksploatacji. 143
Dwie różne konfiguracje konstrukcyjne komory spalania typu micro-mix wykazały zróżnicowane poziomy emisji NOx podczas pracy z paliwem wodorowym i naftą. Zgodnie z wynikami przedstawionymi w tabeli 2, wodór charakteryzował się niższą granicą wydmuchu ubogiej mieszanki w porównaniu z naftą. W tym zakresie roboczym wodór wytwarzał również mniej emisji NOx niż nafta. Eksperymenty z płomieniami wodorowymi, a także mieszankami wodoru i metanu, wykazały, że zastąpienie metanu wodorem wpływa na stabilność płomienia. Wraz ze wzrostem stężenia wodoru z 70% do 100% granica wydmuchu przesunęła się w kierunku mieszanki o niższej zawartości paliwa, co wskazuje na lepszą stabilność płomienia bliżej punktu wygaszenia. Współczynnik równoważności, przy którym wystąpił wydmuch, spadł z 0,4 do 0,12, co podkreśla zwiększoną stabilność płomienia przy wyższych poziomach wodoru w mieszance paliwowej. Mikromieszarki okazały się obiecujące w stabilizowaniu spalania wodoru, wpływając na jego palność i zapewniając lepszą kontrolę płomienia. 144
Tabela 2. Porównanie emisji NO x dla konfiguracji komory spalania APU GTCP 36–300.
| Nr S. | Konfiguracja komory spalania | Rodzaj paliwa | Współczynnik równoważności ( Φ ) | Emisja NO x (ppm) | Kompozycja | Uwagi |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Oryginalny palnik na naftę | Nafta oczyszczona | 0,9 | ∼400 | 100% nafty | Emisje bazowe dla standardowej eksploatacji |
| 2 | Komora spalania Micro-mix (wodór) | Wodór | 0,9 | ∼250 | 100% wodoru | Początkowa adaptacja wodoru ze znaczną redukcją NO x |
| 3 | Ulepszony mikrokomórkowy palnik (wodór) | Wodór | 0,9 | ∼150 | 100% wodoru | Ulepszona konstrukcja zapewniająca dalszą redukcję NO x |
| 4 | Spalanie wstępne (wodór) | Wodór | 0,9 | ∼100 | 100% wodoru (wstępnie zmieszanego) | Optymalne mieszanie prowadzące do najniższych emisji NO x |
Badanie z wykorzystaniem komory spalania z mikromieszanką wykazało, że spalanie wodoru charakteryzowało się niższym limitem wydmuchu ubogiej mieszanki niż spalanie nafty, co z kolei powodowało spadek emisji NOx w zakresie spalania ubogiej mieszanki. Sugeruje to, że wodór, efektywnie spalany za pomocą mikromieszarki, oferuje szerszy zakres roboczy i generuje niższą emisję NOx w warunkach spalania ubogiej mieszanki. Dalsze udoskonalenia w konstrukcji mikromieszarki mogą doprowadzić do jeszcze niższej emisji NOx , wzmacniając potencjał wodoru w zakresie wydajnego, niskoemisyjnego spalania w silnikach turbin gazowych.
Stabilność płomienia wodorowego analizowano przy użyciu prototypowej mikroturbiny gazowej pracującej pod ciśnieniem atmosferycznym. 145 System wykorzystywał ubogą mieszankę wodoru i powietrza, która była wprowadzana przez wtryskiwacz wirowy do komory spalania. Średnia prędkość mieszanki powietrza i paliwa w dyszy wtryskiwacza oraz współczynnik równoważności miały największy wpływ na zakres stabilności płomienia. Zaobserwowano, że wraz ze wzrostem współczynnika równoważności w zakresie od 0,15 do 0,25, wzrastała również prędkość, przy której płomień zdmuchnął się. Jednak przy współczynniku równoważności 0,4 oscylacje wywołane spalaniem występowały niezależnie od prędkości wtrysku. Wraz z dalszym wzrostem zawartości wodoru, problem cofania się płomienia stał się problemem, szczególnie przy współczynniku równoważności 0,6. Stwierdzono, że uzyskane okno stabilnej pracy dla tego komory spalania mieści się pomiędzy współczynnikami równoważności wynoszącymi około 0,25 a 0,4, co jest wartością węższą niż typowo podawana dla dyfuzyjnych komór spalania wodoru.
W innym badaniu eksperymentalnie przetestowano płomienie wstępnie zmieszane, składające się z różnych mieszanek wzbogaconych wodorem, w celu zrozumienia ich zachowania podczas wydmuchu i cofania się płomienia w zakresie frakcji wodoru od 0% do 75%. Zwiększenie zawartości wodoru przesunęło zarówno granice cofania się płomienia, jak i wydmuchu w kierunku uboższych parametrów spalania. Zmiana ta była spowodowana głównie zwiększoną reaktywnością chemiczną i prędkością płomienia związaną z wyższym stężeniem wodoru. Co istotne, granica wydmuchu przesuwała się niemal liniowo w kierunku niższych współczynników równoważnikowych wraz ze wzrostem stężenia wodoru. Natomiast granica cofania się płomienia wykazywała bardziej stromą reakcję, szczególnie w bogatszych mieszankach wodoru, odzwierciedlając intensywniejsze reakcje spalania. Te trendy prędkości wtrysku wpływały na obie granice stabilności, z wyraźniejszym wpływem na zachowanie się cofania się płomienia. Wizualizacja płomienia w pobliżu tych granic, pokazana na rys. 17 , ujawniła, że wraz ze zmniejszaniem się zawartości wodoru w mieszance, płomień w pobliżu granicy wydmuchu wydawał się ciemniejszy, prawdopodobnie z powodu zmniejszonego ciepła radiacyjnego. Płomień wydmuchu miał również tendencję do kurczenia się i utrzymywania się bliżej krótszej kwarcowej struktury ograniczającej zastosowanej w układzie. Z drugiej strony płomień wsteczny nie wykazywał istotnych zmian kształtu, chociaż jego kolor zmieniał się w zależności od zawartości wodoru, co wskazywało na zmiany w charakterystyce spalania.
Rys. 17. Ilustruje różne struktury płomienia obserwowane podczas spalania wzbogaconego wodorem metanu w pobliżu progów wybuchu i cofnięcia płomienia, przy różnych poziomach zawartości wodoru. Reprodukowano z pozycji nr 146 za zgodą Elsevier, prawa autorskie 2016, numer pozwolenia 6060291057549.
5.5. Ograniczanie emisji NO x w transporcie i przemyśle
Tlenki azotu (NO x ) stanowią główną emisję powstającą podczas spalania wodoru, odróżniając go od standardowych paliw węglowodorowych, takich jak nafta, paliw węglowodorowych, takich jak nafta i gaz ziemny. W przeciwieństwie do węglowodorów, które uwalniają znaczne ilości tlenku węgla (CO), dwutlenku węgla (CO 2 ) i niespalonych węglowodorów (UHC), które wszystkie w znacznym stopniu przyczyniają się do globalnego ocieplenia. Spalanie wodoru powoduje przede wszystkim powstawanie NO x z powodu reakcji wysokotemperaturowych z udziałem azotu atmosferycznego. Podczas spalania wodoru dominującym tlenkiem azotu jest tlenek azotu, który następnie może utleniać się do dwutlenku azotu. Emisje tlenku azotu stają się kluczowym czynnikiem przy ocenie ekologicznych konsekwencji wodoru jako źródła energii. Powstawanie tych emisji jest w dużym stopniu zależne od temperatury, a nawet niewielki wzrost temperatury spalania prowadzi do znacznego wzrostu produkcji tlenku azotu, szczególnie w warunkach wysokich temperatur. Correa (147) zaobserwował, że tempo wytwarzania NOx może się podwoić dla temperatur płomienia przekraczających 2200 K, zgodnie z równaniem Arrheniusa. Wyższe adiabatyczne temperatury płomienia wiążą się ze zwiększoną emisją NOx dla różnych paliw, a znaczne różnice w tworzeniu NOx między paliwami występują w podwyższonych temperaturach. Tendencja wzrostu emisji tlenków azotu w mieszankach wodoru i powietrza wraz ze wzrostem temperatury spalania w zakresie od 2200 do 2500 kelwinów.
Badania nad hybrydowymi systemami spalania, wykorzystującymi zarówno ciekłą naftę, jak i gazowy wodór, przeprowadzono z wykorzystaniem komór spalania typu wirowego. Stwierdzono, że wprowadzenie wodoru do procesu spalania obniża granicę wydmuchu w porównaniu z użyciem samej nafty, jednocześnie redukując emisję tlenków azotu i sadzy. Mieszanka paliwowa zawierająca 10% wodoru w postaci energii była w stanie utrzymać stabilne warunki płomienia przy minimalnym wpływie na emisję. Co istotne, zwiększenie zawartości wodoru z 10% do 50% doprowadziło do znacznej poprawy wydajności spalania, dalszej redukcji emisji tlenków azotu i przesunięcia granicy wydmuchu w kierunku uboższych mieszanek spalania. Wyższe frakcje wodoru powyżej 50% wykazywały charakterystykę podobną do płomieni czystego wodoru, wykazując minimalną zmianę emisji NOx , ale z jeszcze większym obniżeniem temperatury płomienia i tworzenia się NOx , co naśladowało spalanie ubogiej mieszanki wodoru. 148
Emisje NO jako funkcja stechiometrii mieszanin wodoru i metanu wskazują, że emisje NO x rosną wraz ze wzrostem temperatur spalania, szczególnie dla objętości frakcji wodoru od 0% do 35%. W przypadku mieszanek bogatych w paliwo, dodatkowy wodór nieznacznie zmniejszył powstawanie NO, chociaż zmiana była marginalna. W warunkach zbliżonych do spalania stechiometrycznego, termiczne powstawanie NO x jest promowane ze względu na wzrost adiabatycznej temperatury płomienia związany z wyższymi stężeniami wodoru, co zwiększa produkcję NO. Jednak w ubogich reżimach spalania, szczególnie w mieszankach metanowo-wodorowych, zależność między zawartością wodoru a emisjami NO staje się mniej przewidywalna i nie obserwuje się żadnego spójnego trendu. Badanie wykazało również, że stężenia wodoru poniżej 35% objętości w mieszankach gazu ziemnego miały minimalny wpływ na emisje NO x .
Podczas oceny spalania przy pełnym obciążeniu z wykorzystaniem mieszanki wodoru i gazu ziemnego 149 stwierdzono, że integracja wodoru poprawia ogólne parametry spalania. Zaobserwowano wzrost emisji NOx wraz ze wzrostem zawartości wodoru, z około 12 ppm dla 25% wodoru do 30 ppm dla frakcji wodoru powyżej 40%. Emisja tlenku azotu wzrosła z 10 części na milion do 35 części na milion, a zawartość wodoru w mieszance paliwowej wzrosła z 0% do 47%.
Donoszono, że stosowanie mikromikserów poprawia wydajność spalania poprzez redukcję zarówno cofania się płomienia, jak i emisji NOx . Systemy spalania Micromix zostały zaprojektowane w celu skrócenia czasu przebywania reagentów w komorze spalania, co jest kluczowym czynnikiem wpływającym na powstawanie tlenków azotu (NOx ) . Jednakże badania wskazują, że podwyższony poziom recyrkulacji mieszanki paliwowo-powietrznej w obszarze wiru kierującego powietrzem może prowadzić do zwiększonej emisji NOx w takich systemach. 150 Z kolei dodanie azotu (N2) do gazu syntezowego bogatego w wodór prowadziło do niższych temperatur płomienia, a tym samym do redukcji emisji NOx , zwłaszcza gdy rozcieńczenie N2 przekraczało 60%, chociaż stabilność płomienia była zagrożona przy tak wysokim poziomie rozcieńczenia. 151
Emisja NOx różni się również w zależności od rodzaju zastosowanego układu wtrysku paliwa. Funke i in. 152 porównali emisję NOx ze zwykłych dysz naftowych i wodorowych oraz dysz wodorowych typu micromix. Spalanie wodoru, ze względu na jego podwyższoną reaktywność i temperaturę płomienia, ma tendencję do wytwarzania wyższych poziomów NOx niż nafta , gdy jest stosowane z konwencjonalną dyszą. Jest to w dużej mierze przypisywane wydłużonemu czasowi przebywania w regionach o wysokich temperaturach, co sprzyja powstawaniu NOx . Z kolei zastosowanie dysz typu micromix skutecznie skraca długość płomienia i obniża szczytowe temperatury spalania, tym samym ograniczając emisję NOx . W podobnych warunkach pracy taka konfiguracja może osiągnąć nawet 95% redukcję emisji NOx . Tę znaczną redukcję NOx zaobserwowano również po optymalizacji średnicy dyszy, przy czym większe średnice sprzyjały kosztom produkcji i solidnym charakterystykom spalania, pomimo niewielkiego wzrostu emisji NOx . 153
Technologia Micromixer została również zastosowana w silniku turbiny gazowej (GTCP36-300) pomocniczej jednostki napędowej (APU), który pierwotnie był przeznaczony do spalania nafty. Po modyfikacji pod kątem spalania wodoru, palniki Micromix zostały użyte do wytworzenia płomienia dyfuzyjnego o odwróconej dyfuzji. Wyniki wykazały znaczną redukcję emisji NOx , co potwierdza, że spalanie wodoru metodą Micromix jest skuteczną strategią redukcji NOx na poziomie systemowym w silnikach turbiny gazowej.
5.6. Niestabilności w dynamice spalania
Niestabilność spalania w silnikach turbin gazowych, szczególnie w przypadku stosowania wodoru jako paliwa, stanowi poważny problem ze względu na jego wysoką reaktywność. Zjawisko to wiąże się z oscylacjami ciśnienia wynikającymi z wahań szybkości uwalniania ciepła podczas spalania. Chociaż badano spalanie czystego wodoru, badania często koncentrowały się na mieszankach wodoru z innymi paliwami, szczególnie w warunkach wstępnej mieszanki, gdzie skład mieszanki ma znaczący wpływ na charakterystykę niestabilności. Na przykład Yoon i in. 154 przeprowadzili badanie niestabilności spalania gazu syntezowego, czyli mieszanki wodoru i metanu, i stwierdzili, że wzrost stężenia wodoru znacząco wpływa zarówno na częstotliwość, jak i modę niestabilności. Częstotliwość niestabilności zmieniała się z naturalnej modu podłużnego wynoszącego około 259 herców do podwyższonej fazy harmonicznej bliskiej 1750 herców wraz ze wzrostem poziomu wodoru. Wahania te przypisano zmianom czasu trwania konwekcji, który szacuje się, dzieląc średnią prędkość wylotową niespalonej mieszanki paliwowo-powietrznej przez długość jej drogi. Wyniki badań podkreśliły rolę czasu konwekcyjnego jako kluczowego czynnika determinującego charakterystykę niestabilności spalania w komorach spalania z częściowo wstępnym mieszaniem.
Podobnie, Jin i Kim [ 155] badali zachowanie się spalania mieszanek paliwowych zawierających wodór, metan i propan w systemie wyposażonym w sześćdziesiąt indywidualnych wtryskiwaczy wielopaliwowych. Ich wyniki wykazały, że w spalaniu ubogiej mieszanki wstępnie zmieszanej zaburzenia ciśnienia generalnie wzrastały wraz z zawartością wodoru. Największa niestabilność wystąpiła przy mieszance 75% wodoru i 25% metanu. Ponadto, Taamallah i in. [156] zbadali, że dodatek wodoru wpływał na trwałość mieszanki wodoru i metanu podczas spalania. Ich praca wykazała, że wyższy udział wodoru nie powodował automatycznie bardziej niestabilnego spalania. W zależności od warunków pracy, spalanie mogło przechodzić między trybem stabilnym i niestabilnym. Przy stałym współczynniku równoważności 0,55, zwiększenie udziału wodoru powodowało zwiększoną niestabilność dynamiczną. I odwrotnie, przy niższym współczynniku równoważności 0,48, gdzie wygaszenie płomienia zazwyczaj występowałoby w systemie opartym na metanie, płomień pozostawał stabilny przy dodatku wodoru do 20%. Ponadto wraz ze wzrostem stężenia wodoru z 0% do 20% minimalny próg wybuchu wzrósł z 0,47 do 0,37, co jest zgodne z wynikami porównywalnych badań.
Ponadto, inne badania wykazały, że wprowadzenie wodoru może zmienić stabilność spalania poprzez zmianę współczynnika równoważności. W eksperymencie laboratoryjnym z komorą spalania z mieszanką wstępną, mieszanina gazu ziemnego i wodoru wykazała, że dodanie wodoru do 25% zmniejszyło niestabilność poprzez zmianę współczynnika równoważności niestabilności z 0,7 do 0,6. Ze względu na znacznie niższą zawartość ciepła w wodorze w porównaniu z metanem, nastąpił spadek ilości ciepła na jednostkę objętości mieszanki paliwowej, co doprowadziło do poprawy stabilności. Ponadto, na częstotliwość niestabilności wpływała również niższa temperatura płomienia i niższy współczynnik równoważności, co skutkowało obniżeniem częstotliwości drgań własnych komory spalania.
Podsumowując, chociaż obecność wodoru w mieszankach paliwowych może wpływać na niestabilność spalania, zależność ta jest złożona i silnie zależna od takich czynników, jak skład paliwa, współczynnik równoważności oraz warunki eksploatacji. Badania sugerują, że wzrost udziału wodoru może stabilizować lub destabilizować spalanie, w zależności od konkretnych okoliczności, co sprawia, że zrozumienie tych interakcji jest kluczowe dla optymalizacji wydajności turbin gazowych z wykorzystaniem mieszanek wodorowych. 157
6. Przyszłość transportu: pojazdy elektryczne zasilane ogniwami paliwowymi
Wykorzystanie pojazdów elektrycznych zasilanych ogniwami paliwowymi to realny sposób na osiągnięcie przyjaznego dla środowiska transportu, przede wszystkim ze względu na ich wysoką sprawność i brak szkodliwych emisji podczas eksploatacji. W tej sekcji omówiono podstawowe zasady działania pojazdów elektrycznych zasilanych ogniwami paliwowymi, podkreślono ich główne zalety w porównaniu z tradycyjnymi pojazdami z silnikami spalinowymi oraz wskazano główne wyzwania utrudniające ich szersze wdrożenie. Jako taktykę uzupełniającą, oceniono wykonalność pozyskiwania wodoru z pokładu pojazdu poprzez parowe reformowanie etanolu, uwzględniając obecne postępy w dziedzinie hybrydowych pojazdów elektrycznych zasilanych ogniwami paliwowymi.
Wraz ze wzrostem globalnej potrzeby ograniczenia wpływu na środowisko, przejście na bardziej ekologiczne metody transportu nabiera tempa. Pojazdy elektryczne (EV) są coraz częściej uznawane za obiecującą drogę do ograniczenia, poprawy jakości powietrza, zwiększenia autonomii energetycznej i redukcji emisji gazów cieplarnianych. Wiele krajów wprowadziło agresywne strategie mające na celu zwiększenie popularności pojazdów elektrycznych w nadchodzących latach, wspierane przez rządowe zachęty, takie jak ulgi podatkowe, subsydia i rozwój infrastruktury. Jednocześnie producenci samochodów intensywnie inwestują w badania i innowacje, aby uczynić pojazdy elektryczne bardziej dostępnymi i opłacalnymi dla ogółu społeczeństwa. Pomimo przeszkód, takich jak krótki zasięg i niewystarczająca infrastruktura ładowania, globalny trend w kierunku pojazdów elektrycznych stanowi znaczący krok naprzód w kierunku bardziej świadomej ekologicznie, zrównoważonej przyszłości. Obecny stan i przewidywane trendy w technologii pojazdów elektrycznych przedstawiono na rys. 18 .
Rys. 18. (A) Trendy w rozmieszczaniu stacji tankowania wodoru wraz ze wzrostem floty pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi. (B) Średni stosunek liczby pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi do liczby dostępnych stacji tankowania. (C) Krajowe cele dotyczące wdrażania pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi i rozwoju infrastruktury do roku 2030. (D) Prognozy globalnej liczby pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi na nadchodzące lata. (Otwarty dostęp), przedruk z ref. 158 za zgodą Elsevier, copyright 2024, numer pozwolenia 6060211272443.
Pojazdy elektryczne można ogólnie podzielić na kilka typów, w tym pojazdy elektryczne zasilane bateriami (BEV), 127–129 hybrydowe pojazdy elektryczne (HEV), a także (PHEV) hybrydowe pojazdy elektryczne typu plug-in. 133–135 BEV polegają wyłącznie na zasilaniu bateryjnym, podczas gdy HEV i PHEV integrują silnik spalinowy z elektrycznym układem napędowym, aby zwiększyć zasięg i wydajność. Pojazdy elektryczne z ogniwami paliwowymi (FCEV) stanowią rosnący segment w dziedzinie zrównoważonego transportu, polegając na ogniwach paliwowych składających się z wodoru w celu wytwarzania energii elektrycznej dla silnika napędzanego elektrycznie. 159 Podstawową zasadę działania ogniwa paliwowego zasilanego wodorem zilustrowano na rys. 19. W przeciwieństwie do konwencjonalnych pojazdów elektrycznych zasilanych bateriami, FCEV emitują jedynie parę wodną jako produkt uboczny, co pozycjonuje je jako korzystne rozwiązanie w zakresie redukcji emisji i poprawy jakości powietrza. Jednak kluczowym ograniczeniem pozostaje: brak infrastruktury do tankowania wodoru. Niemniej jednak stałe inwestycje producentów samochodów i coraz większe zainteresowanie rządów rozwojem sieci tankowania wodoru wskazują na rosnące poparcie dla technologii FCEV.
Rys. 19. Szczegółowe wyjaśnienie schematu ogniwa paliwowego wodorowego.
Układy napędowe w pojazdach elektrycznych z ogniwami paliwowymi (FCEV) i hybrydowych pojazdach elektrycznych z ogniwami paliwowymi (FCHEV) mają kilka wspólnych podstawowych komponentów, przy czym FCHEV wykorzystują dodatkową technologię hybrydową w celu poprawy wydajności i osiągów. W obu typach pojazdów, ogniwa paliwowe stanowią główne źródło zasilania, przetwarzając wodór w energię elektryczną poprzez reakcję elektrochemiczną z tlenem, wytwarzając jedynie wodę i ciepło jako produkty uboczne. Wodór jest magazynowany w wysokociśnieniowych zbiornikach wodoru i dostarczany do ogniwa paliwowego w razie potrzeby. Zarówno FCEV, jak i FCHEV wykorzystują silnik elektryczny do napędzania kół, zasilany energią elektryczną generowaną przez ogniwo paliwowe. Silnik w obu systemach zapewnia płynne przyspieszenie i natychmiastowy moment obrotowy, typowy dla pojazdów elektrycznych.
Akumulator odgrywa ważniejszą rolę w pojazdach FCHEV w porównaniu z FCEV. Podczas gdy niektóre pojazdy FCEV mogą wykorzystywać mały akumulator do magazynowania nadmiaru energii z hamowania odzyskowego lub energii z ogniwa paliwowego, FCHEV posiadają większy akumulator, który magazynuje energię odzyskaną w procesie hamowania odzyskowego. Akumulator ten wspomaga ogniwo paliwowe, dostarczając dodatkową moc podczas przyspieszania lub w innych sytuacjach dużego zapotrzebowania na paliwo, pomagając zoptymalizować zużycie paliwa i wydajność. Jednostka sterująca mocą (PCU) w obu typach pojazdów zarządza przepływem energii między ogniwem paliwowym, akumulatorem i silnikiem elektrycznym. Jednak w pojazdach FCHEV PCU pełni bardziej złożoną funkcję, ponieważ musi zarządzać interakcjami między ogniwem paliwowym a akumulatorem, aby zapewnić efektywną dystrybucję energii w trybie hybrydowym.
W obu systemach falownik jest używany do konwersji prądu stałego z ogniwa paliwowego i akumulatora na prąd przemienny, który napędza silnik elektryczny. Zarówno pojazdy FCEV, jak i FCHEV posiadają również układ chłodzenia, który utrzymuje optymalną temperaturę ogniwa paliwowego, akumulatora i silnika, zapewniając wydajną pracę i długą żywotność podzespołów. Dodatkowo, pojazdy FCHEV posiadają układ hamowania regeneracyjnego, który odzyskuje energię podczas hamowania i magazynuje ją w akumulatorze, zwiększając efektywność paliwową. Wreszcie, zarówno pojazdy FCEV, jak i FCHEV wykorzystują jednostkę sterującą pojazdu (VCU) do koordynacji całego systemu, optymalizując osiągi podzespołów układu napędowego, zapewniając płynną i wydajną jazdę. Podsumowując, podczas gdy pojazdy FCEV koncentrują się wyłącznie na zasilaniu z wodorowych ogniw paliwowych i silników elektrycznych, pojazdy FCHEV łączą ogniwa paliwowe z technologią akumulatorów hybrydowych, aby zwiększyć wydajność, moc wyjściową i zasięg. Rys. 20 przedstawia porównanie architektur układów napędowych standardowych pojazdów FCEV i FCHEV.
Rys. 20. Schemat układu napędowego w (a) pojazdach elektrycznych z ogniwami paliwowymi i (b) hybrydowych pojazdach elektrycznych z ogniwami paliwowymi.
Jedną z głównych wad pojazdów FCEV jest konieczność przechowywania wodoru pod ekstremalnie wysokim ciśnieniem, co stwarza obawy dotyczące bezpieczeństwa i kosztów. Innowacyjnym sposobem rozwiązania tego problemu jest produkcja wodoru na pokładzie. Reformowanie parowe etanolu to obiecująca metoda, którą można wykorzystać w tym celu w czystszy i bardziej zrównoważony sposób. Etanol, który można uzyskać z biomasy poprzez fermentację cukrów zawartych w uprawach, zbożach i innych źródłach roślinnych, stanowi odnawialny i powszechnie dostępny surowiec. 160 Produkcja etanolu jest generalnie bardziej opłacalna niż benzyny, a chociaż proces reformowania emituje dwutlenek węgla, całkowita emisja jest znacznie niższa niż w przypadku tradycyjnych paliw kopalnych. Ponadto etanol jest nietoksyczny zarówno w postaci ciekłej, jak i gazowej. Rys. 21 przedstawia proces wytwarzania wodoru na pokładzie z wykorzystaniem reformowania parowego etanolu w systemie FCEV.
Rys. 21. Schematyczna ilustracja pojazdu elektrycznego z ogniwami paliwowymi (FCEV) zintegrowanego z pokładowym systemem parowego reformowania etanolu w celu produkcji wodoru.
Architektura systemowa pojazdów FCEV obejmuje zbiorniki wodoru pod wysokim ciśnieniem, stos ogniw paliwowych, silniki elektryczne oraz jednostkę sterowania mocą, która zarządza przepływem energii. W hybrydowych pojazdach elektrycznych z ogniwami paliwowymi (FCHEV) dodatkowy komponent akumulatora umożliwia lepsze odzyskiwanie energii podczas hamowania i zapewnia dodatkową moc w sytuacjach wysokiego zapotrzebowania. Innowacyjne rozwiązania, takie jak wytwarzanie wodoru na pokładzie poprzez parowe reformowanie etanolu, dodatkowo zwiększają opłacalność pojazdów FCEV, rozwiązując ograniczenia w infrastrukturze magazynowania i dystrybucji wodoru. Etanol może być pozyskiwany z odnawialnej biomasy, co potencjalnie tworzy zamknięty obieg węgla do produkcji paliwa na pokładzie. Chociaż te cechy techniczne podkreślają wydajność operacyjną pojazdów FCEV, pełne zrozumienie ich wpływu na środowisko musi uwzględniać wszystkie etapy ich cyklu życia. Ocena cyklu życia (LCA) odgrywa kluczową rolę w ujawnieniu pełnego wpływu pojazdów FCEV na środowisko, od produkcji wodoru po utylizację pojazdu. Pojazdy FCEV zapewniają bezemisyjny transport o wysokiej efektywności energetycznej. Kluczowe przeszkody to rozwój infrastruktury i wysokie koszty produkcji, ale globalne inwestycje szybko rosną.
7. Przegląd wpływu cyklu życia
Chociaż wodór jest powszechnie uważany za ekologiczny nośnik energii, dokładna ocena całkowitego wpływu paliw na środowisko wymaga gruntownej analizy ich wydajności we wszystkich kanałach produkcji. Niniejsza sekcja analizuje ślad środowiskowy wodoru od produkcji do końcowego wykorzystania, porównując emisje w całym cyklu życia dla różnych nośników energii. Analiza cyklu życia zapewnia holistyczną ocenę emisji, zużycia zasobów i innych skutków ekologicznych od początkowej fazy wydobycia do końcowego wykorzystania. Do wsparcia tych ocen często wykorzystuje się narzędzia analityczne, takie jak te opracowane przez Argonne National Laboratory należące do Ministerstwa Energii Stanów Zjednoczonych. Model GREET ocenia zużycie energii, emisje gazów cieplarnianych, zanieczyszczenie powietrza i zużycie wody i jest stale aktualizowany w celu zapewnienia większej dokładności. Model 45VH2-GREET 2023 szczegółowo ocenia emisje „od studni do bramy” w kontekście produkcji wodoru. Liczne badania koncentrują się na analizie cyklu życia wodoru (LCA), zwłaszcza w procesie produkcji. Osman i in. przeanalizowali cykl życia wodoru – produkcję, magazynowanie i użytkowanie – podkreślając rolę analizy cyklu życia (LCA) we wspieraniu niskoemisyjnej przyszłości. Hammi i jego współpracownicy zbadali wiele ścieżek produkcji wodoru, takich jak konwersja biomasy, reforming biogazu, termochemiczny rozkład wody i elektroliza, podkreślając znaczenie zielonego wodoru we wspieraniu gospodarki neutralnej pod względem emisji dwutlenku węgla. W dodatkowym badaniu Ang i Khoo ocenili różne podejścia do produkcji wodoru, wykorzystując parametry ekonomiczne i ekologiczne. 161 Ich analiza wykazała, że chociaż reforming metanu parowego i zgazowanie węgla stwarzają możliwości udoskonalenia poprzez technologie wychwytywania dwutlenku węgla lub integrację z odnawialnymi źródłami energii, metody takie jak elektroliza i zgazowanie biomasy oferują większą zrównoważoność, aczkolwiek przy wyższych kosztach. 162
Wodór wytwarzany poprzez parowy reforming metanu wytworzył średnio 11 kilogramów dwutlenku węgla na kilogram wodoru, co pokazano na rys. 22. 163 Dla porównania, elektroliza zasilana energią odnawialną i źródłami jądrowymi skutkowała znacznie niższymi emisjami, odpowiednio 2,02 i 0,41 kilograma dwutlenku węgla na kilogram wodoru. 164 Jednak elektroliza oparta na energii sieciowej wykazywała znacznie wyższe emisje, sięgające 41,4 kilograma dwutlenku węgla na kilogram wodoru. Piroliza odpadów i zgazowanie wytworzyły jeszcze większe emisje niż parowy reforming metanu, podczas gdy wykorzystanie resztkowej biomasy znacznie zmniejszyło powiązany ślad węglowy. Pod względem potencjału zakwaszania większość metod wykazała porównywalne wpływy, chociaż zgazowanie biomasy charakteryzowało się wyższymi i bardziej zmiennymi wartościami. 165
Rys. 22. Analiza porównawcza potencjału globalnego ocieplenia (GWP). W różnych ścieżkach produkcji wodoru.
Integrując charakterystykę eksploatacyjną pojazdów na ogniwa paliwowe (FCEV) z danymi z oceny cyklu życia, można uzyskać dokładniejsze i pełniejsze zrozumienie ich zrównoważonego rozwoju. Na przykład, chociaż pojazdy na ogniwa paliwowe (FCEV) nie emitują spalin podczas eksploatacji, ich rzeczywista wartość dla środowiska zależy od tego, czy wykorzystywany wodór pochodzi ze źródeł niskoemisyjnych. Z kolei dane z cyklu życia wspierają decyzje dotyczące inwestycji w infrastrukturę, zachęt politycznych i strategii pozyskiwania paliwa.
To zintegrowane podejście gwarantuje, że rozwiązania w zakresie mobilności zasilanej wodorem są zgodne z celami klimatycznymi i przynoszą wymierne korzyści środowiskowe. Wspiera ono również ciągłe innowacje w technologii pojazdów, systemach energetycznych i ramach regulacyjnych. Połączenie rozwoju pojazdów z ogniwami paliwowymi z oceną cyklu życia stanowi solidny fundament dla stworzenia czystszej, wydajniejszej i bardziej odpowiedzialnej przyszłości transportowej. Wodór pochodzący ze źródeł odnawialnych oferuje niskoemisyjną ścieżkę energetyczną. Oceny cyklu życia potwierdzają jego korzyści środowiskowe w porównaniu z paliwami konwencjonalnymi.
8. Wykorzystanie wodoru: innowacje w energetyce i transporcie
8.1. Paliwo wodorowe: wyzwania i szanse na przyszłość
Raport „Wyzwania i perspektywy dla gospodarki wodorowej” identyfikuje główne przeszkody we wdrażaniu wodoru, takie jak koszty, infrastruktura, luki w polityce, a także przedstawia perspektywy dotyczące innowacji i ścieżek strategicznych. Zdolność wodoru do redukcji emisji gazów cieplarnianych i poprawy wydajności uczyniła go popularnym, zrównoważonym paliwem dla przemysłu samochodowego i lotniczego. 166 Jednak przeszkody, takie jak wygórowane ceny, niewystarczająca infrastruktura i ograniczenia technologiczne, uniemożliwiają jego powszechne wdrożenie. Rozwiązanie tych przeszkód wymaga skoordynowanych działań decydentów, liderów branży i badaczy. Przy odpowiednim wsparciu wodór może przejść z niszowych zastosowań do powszechnego wykorzystania w różnych sektorach. Korzyści środowiskowe sprawiają, że wodór jest szczególnie atrakcyjny dla dekarbonizacji transportu. Jednak koszty magazynowania, bezpieczeństwa i produkcji pozostają istotnymi problemami. 167 Emisje można ograniczyć, produkując wodór z wykorzystaniem zrównoważonych źródeł energii, takich jak energia wodna, geotermalna, słoneczna i wiatrowa. Ustawodawcy mogą pomóc, wymagając kontyngentów wodoru odnawialnego i zapewniając zachęty do budowy infrastruktury. Współpraca branży w zakresie standardów magazynowania i dystrybucji może zwiększyć bezpieczeństwo i skalowalność. Badania powinny skupić się na zaawansowanych materiałach magazynujących i ulepszonych środkach bezpieczeństwa, aby zapewnić, że wodór pozostanie realnym rozwiązaniem długoterminowym. 168
Wodór zapewnia niższą emisję CO2 i lepszą sprawność cieplną w silnikach spalinowych (ICE), ale może również powodować przedwczesny zapłon w silnikach Diesla i wyższą emisję NOx . 169 Optymalizacja spalania poprzez odpowiednie ustawienie kąta wtrysku, proporcji mieszanki wodoru i lepsze mieszanie paliwa z powietrzem okazała się obiecująca, ale konieczne są dalsze prace. Postęp w tym obszarze może sprawić, że silniki spalinowe będą bardziej przyjazne dla środowiska i stanowić drogę przejściową do wdrażania wodoru z wykorzystaniem istniejącej infrastruktury pojazdów. 170 Polityki wspierające silniki spalinowe zoptymalizowane pod kątem wodoru – poprzez ulgi podatkowe lub dotacje – mogą przyspieszyć tę zmianę, jednocześnie dostosowując się do globalnych celów zrównoważonego rozwoju.
W lotnictwie wykorzystanie wodoru w turbinach gazowych mogłoby znacząco obniżyć emisję CO2 . Stabilność płomienia i emisja NOx stanowią jednak wyzwania techniczne. Opracowywane są nowe konstrukcje palników i wtryskiwaczy, które mają na celu redukcję emisji i poprawę wydajności. 171 Sukces w lotnictwie może wpłynąć na inne sektory, takie jak transport morski i towarowy, oraz promować inwestycje we wspólną infrastrukturę wodorową. Współpraca międzynarodowa i finansowanie są kluczowe dla skalowania wodoru w zastosowaniach o wysokim zapotrzebowaniu na energię i ustalania globalnych norm emisji. 172 Pojazdy elektryczne z ogniwami paliwowymi (FCEV) stanowią kolejną czystą opcję transportu, wytwarzając jedynie parę wodną. Jednak wysokie koszty, ograniczony zasięg i ograniczone sieci tankowania utrudniają ich wdrożenie. Trwające prace badawczo-rozwojowe ukierunkowane są na redukcję kosztów i ulepszone magazynowanie wodoru, w tym produkcję na pokładzie poprzez parowy reforming etanolu. 173 Wraz z rozwojem technologii, zachęty polityczne i inwestycje w infrastrukturę mogą stymulować wzrost na rynku pojazdów FCEV i tworzyć miejsca pracy w sektorze wodoru. Integracja pojazdów FCEV z systemami wodoru odnawialnego wpłynie również na szerszą politykę czystej energii. Aby wspierać rozwój sektora wodorowego, decydenci polityczni powinni wdrażać zachęty finansowe, finansować infrastrukturę i ustanawiać jasne standardy. Przemysł musi inwestować w innowacje i współpracować w różnych sektorach, aby skalować technologie wodorowe. Naukowcy powinni skupić się na ocenie cyklu życia, hybrydowych systemach paliwowych i praktycznych rozwiązaniach infrastrukturalnych. Badania regionalne mogą pomóc w opracowaniu dostosowanych strategii, które umożliwią powszechną i efektywną integrację wodoru z różnymi sektorami energetycznymi. 174
8.2. Przepisy i polityka dotycząca wdrażania paliwa wodorowego
Przyspieszenie integracji wodoru z krajobrazem energetycznym w dużej mierze zależy od solidnych ram regulacyjnych i wdrożenia wspierających środków politycznych. Japonia stanowi znaczący przykład, dokonując przeglądu swojej Podstawowej Strategii Wodorowej w 2023 r. w celu wzmocnienia swojego wkładu w globalne inicjatywy klimatyczne. Niniejsza aktualizacja opiera się na fundamencie położonym przez jej pierwotną strategię z 2017 r., która była pierwszą kompleksową krajową mapą drogową wdrażania wodoru. Zmieniony plan obejmuje subsydia, zachęty do korzystania z wodoru odnawialnego oraz cele, takie jak inwestycje o wartości 15 bilionów jenów i sześciokrotny wzrost wykorzystania wodoru do 2040 r. Wyznacza on również cele, takie jak produkcja 12 milionów ton wodoru rocznie, ograniczenie emisji do 3,4 kg CO2 na kg H2 i zdobycie 10% globalnego rynku elektrolizerów. Podobnie, niemiecka Narodowa Strategia Wodorowa promuje wodór przyjazny dla klimatu poprzez znaczne finansowanie federalne i stanowe. Ma ona na celu osiągnięcie neutralności klimatycznej do 2045 r . i zawiera szczegółowy plan działania mający na celu zwiększenie inwestycji prywatnych. Niemcy szacują, że do 2030 r. popyt na wodór osiągnie 95–130 TWh, z czego 50–70% będzie pochodzić z importu. Do 2045 r. wzrośnie on do 360–500 TWh, doliczając 200 TWh na instrumenty pochodne.
Wcześniejsze strategie wodorowe koncentrowały się na badaniach i rozwoju, a planowanie infrastruktury było ograniczone, co ograniczało adopcję. Obecnie kraje takie jak Japonia i Niemcy kładą nacisk na rozwój infrastruktury, sieci tankowania i zachęty oparte na wynikach. Ta zmiana odzwierciedla szerszą strategię skoncentrowaną na skoordynowanych strategiach i współpracy interesariuszy w celu budowania zrównoważonych ekosystemów wodorowych. Tabela 3 porównuje istniejące i nowe strategie oraz inicjatywy, które ułatwiają integrację technologii wodorowych.
Tabela 3. Przedstawia globalną politykę i strategie w zakresie wodoru: analiza porównawcza.
| Nr S. | Kraj/region | Polityka/strategia | Rok | Opis | [Odnośnik] |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Unia Europejska | Strategia wodorowa UE | 2020 | Koncentruje się na produkcji zielonego wodoru z wykorzystaniem energii odnawialnej, dążąc do zainstalowania w UE co najmniej 40 GW elektrolizerów do 2030 r. | 175 |
| 2 | Niemcy | Narodowa strategia wodorowa | 2020 | Inwestycja o wartości 9 miliardów euro na wsparcie produkcji zielonego wodoru, infrastruktury i partnerstw międzynarodowych | 176 |
| 3 | Japonia | Podstawowa strategia wodorowa | 2017 | Pierwsza krajowa strategia wodorowa; ma na celu stworzenie „społeczeństwa wodorowego” ze szczególnym uwzględnieniem wytwarzania energii wodorowej, pojazdów z ogniwami paliwowymi i importu | 177 |
| 4 | Korea Południowa | Mapa drogowa gospodarki wodorowej | 2019 | Dąży do stania się światowym liderem w dziedzinie wodoru do 2040 r., dysponując milionami pojazdów z ogniwami paliwowymi i rozległą infrastrukturą | 178 |
| 5 | Australia | Narodowa strategia wodorowa | 2019 | Koncentruje się na zostaniu głównym globalnym eksporterem wodoru, wspierając zarówno technologie niebieskiego, jak i zielonego wodoru | 179 |
| 6 | Chiny | Plan rozwoju przemysłu wodorowego | 2022 | Do 2025 r. planuje się wybudowanie 50 000 pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi wodorowymi oraz stworzenie solidnego systemu produkcji i dostaw wodoru. | 180 |
| 7 | Stany Zjednoczone | Energia wodorowa Earthshot („strzał wodorowy”) | 2021 | Celem jest obniżenie kosztów czystego wodoru do 1 USD za 1 kg w ciągu 1 dekady (cel „1 1 1”) przy wsparciu finansowym ze strony rządu federalnego i prac badawczo-rozwojowych | 181 |
| 8 | Indie | Narodowa misja zielonego wodoru | 2023 | Koncentruje się na produkcji zielonego wodoru, dążąc do osiągnięcia 5 mln ton metrycznych rocznie do 2030 r. i stania się globalnym centrum eksportu wodoru | 182 |
| 9 | Zjednoczone Królestwo | Strategia wodorowa Wielkiej Brytanii | 2021 | Cel: osiągnięcie 10 GW zdolności produkcyjnej wodoru niskoemisyjnego do 2030 r., wspierając zarówno niebieskie, jak i zielone ścieżki wodorowe | 183 |
| 10 | Kanada | Strategia wodorowa dla Kanady | 2020 | Cel: osiągnięcie zerowej emisji netto do 2050 r., w którym wodór będzie odgrywał kluczową rolę, ze szczególnym uwzględnieniem mocnych stron regionu i czystych metod produkcji | 184 |
8.3. Integracja wodoru: wnioski z analiz przypadków przemysłowych
Rosnące znaczenie wodoru w systemach energetycznych potwierdzają przykłady z życia wzięte. Aby wesprzeć krajową strategię wodorową, japoński rząd zainstalował 180 stacji tankowania wodoru i zachęcał do korzystania z pojazdów z ogniwami paliwowymi (FCV), dążąc do sprzedaży 7600 pojazdów FCV do 2023 roku. 185 Firmy takie jak Toyota, Honda, Air Liquide Japan, ENEOS i Iwatani odgrywają kluczową rolę, a CJPT – partnerstwo dużych producentów samochodów – prowadzi projekty dotyczące ciężarówek z ogniwami paliwowymi, w tym demonstrację w Fukushimie. 186 Japonia prowadzi również pilotażowe projekty pociągów napędzanych wodorem, planuje wykorzystanie wodoru i amoniaku w statkach i samolotach oraz rozwija Woven City – inteligentne miasto zasilane wodorem, ze zintegrowanymi rurociągami i zapasowymi generatorami ogniw paliwowych. 187 188
Stan Kalifornia zatwierdził propozycję o wartości 1,4 miliarda dolarów (2024–2028) na rozbudowę całkowicie bezemisyjnej infrastruktury transportowej, takiej jak ładowarki pojazdów elektrycznych i stacje wodorowe. Początkowe finansowanie w wysokości 95,2 miliona dolarów w latach 2024–2025 wspiera szkolenia pracowników oraz infrastrukturę pojazdów elektrycznych ze zmiennym obciążeniem (ZEV) dla pojazdów lekkich i ciężkich. 189 W latach 2025–2026 fundusze GGRF dodadzą 510 milionów dolarów na ładowanie w domu, modernizację autobusów szkolnych i infrastrukturę dla ciężarówek. 190 Chociaż większość finansowania spada w latach 2026–2027, 130 milionów dolarów jest zarezerwowane na pojazdy elektryczne ze zmiennym obciążeniem (ZEV) w portach. Plan osiąga szczyt w latach 2027–2028, z kwotą 436 milionów dolarów na ładowanie pojazdów elektrycznych i czysty transport. Do końca roku Kalifornia spodziewa się osiągnąć 250 000 stacji ładowania pojazdów lekkich. 191
8.4. Zastosowania w świecie rzeczywistym i projekty demonstracyjne
Integracja technologii wodorowych z rzeczywistymi systemami energetycznymi poczyniła znaczne postępy, a różne projekty demonstracyjne podkreślają ich potencjał w różnych sektorach. W sektorze transportu Niemcy przodują we wdrażaniu pociągów napędzanych wodorem. Coradia iLint firmy Alstom, pierwszy na świecie pociąg pasażerski napędzany ogniwami paliwowymi wodorowymi, funkcjonuje w Dolnej Saksonii, oferując bezemisyjną alternatywę dla niezelektryfikowanych linii kolejowych. Podobnie, przemysł motoryzacyjny odnotował postęp we wdrażaniu pojazdów elektrycznych z ogniwami paliwowymi (FCEV). NEXO FCEV firmy Hyundai jest przykładem integracji technologii wodorowej w pojazdach użytkowych, a Korea Południowa aktywnie promuje wodór jako paliwo alternatywne i wyznacza ambitne cele w zakresie wdrażania pojazdów wodorowych. W sektorze energetycznym powstały wielkoskalowe zakłady produkcji zielonego wodoru, aby wspierać integrację energii odnawialnej. Fukushima Hydrogen Energy Research Field (FH2R) w Japonii wykorzystuje jednostkę produkcyjną wodoru o mocy 10 MW zasilaną energią odnawialną, dążąc do opracowania tanich technologii produkcji wodoru bez emisji CO2 . Ponadto w regionie Morza Północnego obserwuje się rozwój morskich centrów energetyki wiatrowej zintegrowanych z produkcją wodoru. Badania wskazują, że taka integracja może zwiększyć elastyczność systemu energetycznego i znacząco przyczynić się do realizacji celów dekarbonizacji Europy. Przykłady te podkreślają praktyczne zastosowania technologii wodorowych w rzeczywistych warunkach, podkreślając ich potencjał w tworzeniu zrównoważonych systemów energetycznych i transportowych. 192–194
8.5. Nowość i aktualność niniejszego przeglądu
(1) Niniejszy przegląd wnosi nowatorską i aktualną perspektywę, zapewniając kompleksową i wielosektorową analizę roli wodoru w zrównoważonym transporcie, obejmującą silniki spalinowe, układy napędowe turbin gazowych i pojazdy elektryczne z ogniwami paliwowymi, a jednocześnie poruszając kluczowe kwestie magazynowania, bezpieczeństwa, emisji, oceny cyklu życia i wykonalności technoekonomicznej. W przeciwieństwie do poprzednich przeglądów, które koncentrują się na pojedynczych technologiach lub kontekstach regionalnych, niniejsza praca oferuje zintegrowaną perspektywę, zgodną z trwającymi globalnymi przejściami na niskoemisyjne systemy energetyczne. Przegląd jest szczególnie istotny w świetle rosnącego tempa międzynarodowych strategii wodorowych, takich jak program Hydrogen Shot Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, inicjatywa REPowerEU Unii Europejskiej oraz trwające demonstracje wodorowe w sektorach lotnictwa, kolei i transportu ciężkiego. Ponadto, niniejszy przegląd identyfikuje kilka niedostatecznie zbadanych, ale szybko rozwijających się kierunków, które rokują nadzieję na przyspieszenie wdrażania wodoru. Należą do nich zastosowanie sztucznej inteligencji i technologii cyfrowych bliźniaków w celu optymalizacji spalania wodoru, systemów magazynowania i diagnostyki pojazdów; integracja energii wodorowej z inteligentnymi sieciami i zastosowaniami typu pojazd-sieć poprzez sprzężenie sektorowe; Rozwój podejścia gospodarki o obiegu zamkniętym w zakresie odzysku zużytych komponentów ogniw paliwowych i elektrolizerów; oraz potrzeba sprawiedliwych strategii wdrażania wodoru w krajach Globalnego Południa, szczególnie w rozwijających się regionach eksportowych, borykających się z niedoborem wody i ograniczeniami infrastrukturalnymi. Ponadto, ostatnie postępy w dziedzinie alternatywnych nośników wodoru, takich jak amoniak, kwas mrówkowy i ciekłe organiczne nośniki wodoru, oferują obiecujące rozwiązania problemów związanych z magazynowaniem i transportem na duże odległości. Poprzez syntezę tych interdyscyplinarnych aspektów, niniejszy przegląd ma na celu konsolidację istniejącej wiedzy, a jednocześnie ukierunkowanie przyszłych badań, rozwoju polityki i praktyk przemysłowych w rozwijającym się obszarze transportu opartego na wodorze. Główne bariery obejmują luki w infrastrukturze, koszty, bezpieczeństwo i dostosowanie przepisów. Długoterminowy sukces zależy od skoordynowanej polityki globalnej, postępu technologicznego i zachęt rynkowych.
Schemat ilustrujący obiecujące perspektywy transformacji energetycznej wodorowej przedstawiono na rys. 23. Kluczowe obszary zainteresowania obejmują alternatywne nośniki wodoru, takie jak LOHC, amoniak i kwas mrówkowy; postęp w infrastrukturze magazynowania i dystrybucji; wspierające ramy polityczne i inwestycje strategiczne; oraz zrównoważone ścieżki produkcji wodoru. Te zintegrowane podejścia są niezbędne dla zapewnienia odpornej i czystej przyszłości energetycznej opartej na wodorze.
Rys. 23. Schematyczny przegląd przyszłych perspektyw w zakresie energii wodorowej, ze szczególnym uwzględnieniem alternatywnych nośników (LOHC, amoniak, kwas mrówkowy), postępów w zakresie magazynowania, wsparcia politycznego i zrównoważonych ścieżek produkcji.
9. Wnioski
Niniejszy przegląd oferuje dogłębną ocenę potencjalnego wykorzystania wodoru jako realnego nośnika energii w szerokim zakresie zastosowań, w tym w silnikach spalinowych, pojazdach elektrycznych z ogniwami paliwowymi i turbinach gazowych. Wraz ze wzrostem globalnego nacisku na czystsze, alternatywne źródła energii, mające na celu przeciwdziałanie transformacji klimatu i zmniejszenie uzależnienia od ograniczonych zasobów paliw kopalnych, wodór jawi się jako obiecująca substancja ze względu na znaczną ilość energii, a także nieszkodliwe zanieczyszczenia powstające podczas spalania, głównie parę wodną. Jednak powszechne wdrożenie wodoru w sektorach energetyki wiąże się z szeregiem wyzwań technicznych i infrastrukturalnych. W silnikach spalinowych konieczne są istotne modyfikacje, aby umożliwić bezpieczne i wydajne wykorzystanie wodoru. Ponadto ograniczenia ekonomiczne i brak powszechnej infrastruktury, takiej jak sieci tankowania i systemy dystrybucji, pozostają istotnymi barierami, które należy pokonać, aby umożliwić szersze wdrożenie. Niemniej jednak, dynamika rośnie. Kilku dużych producentów samochodów wprowadziło już na rynek pojazdy napędzane wodorem, a obecnie obserwuje się rosnące zainteresowanie wodorem jako potencjalnym paliwem lotniczym. Uświadomienie sobie skuteczności wodoru będzie wymagało silnego wsparcia politycznego, ciągłych innowacji technologicznych i współpracy międzysektorowej w celu przezwyciężenia istniejących ograniczeń. Aby utorować drogę do przyszłości opartej na wodorze, przyszłe badania powinny priorytetowo traktować obszary o dużym wpływie. Kluczowe obszary rozwoju obejmują zwiększenie efektywności produkcji wodoru poprzez innowacyjne podejścia, takie jak elektroliza i systemy fotoelektrochemiczne, obniżenie kosztów produkcji poprzez opracowanie niedrogich i powszechnie dostępnych katalizatorów oraz poszerzenie kompetencji i integrację doskonałej syntezy wodoru i łańcucha dostaw. Równie ważny jest rozwój skalowalnych systemów dystrybucji i magazynowania, takich jak innowacyjne materiały do magazynowania wodoru i solidna infrastruktura tankowania. Ocena praktycznego zastosowania wodoru w sektorze transportu wymaga kompleksowej i długoterminowej perspektywy, uwzględniającej postęp technologiczny, wykonalność ekonomiczną, wpływ na środowisko i rozwój infrastruktury. Dzięki skoordynowanym globalnym działaniom wodór może stać się kamieniem węgielnym zrównoważonego transportu, umożliwiając znaczące korzyści środowiskowe, ekonomiczne i energetyczne.
• Wodór umożliwia głęboką dekarbonizację w wielu środkach transportu.
• Wspiera realizację globalnych celów klimatycznych i jakości powietrza poprzez czyste spalanie.
• Innowacje technologiczne mają kluczowe znaczenie w zakresie magazynowania, bezpieczeństwa i integracji silników.
• Konieczne jest rozwijanie infrastruktury i standaryzacja przepisów.
• Międzynarodowa koordynacja polityki i finansowanie mogą przyspieszyć wdrażanie.
• Gospodarka oparta na wodorze niesie ze sobą korzyści zarówno ekologiczne, jak i ekonomiczne.
Kompleksowe podejście, uwzględniające aspekty środowiskowe, społeczne, ekonomiczne, regulacyjne i techniczne, jest niezbędne do ukierunkowania planowania strategicznego i rozwoju polityki. Podsumowując, włączenie wodoru do istniejących systemów energetycznych stanowi kluczowy krok w kierunku osiągnięcia globalnych celów zrównoważonego rozwoju. Dzięki silnemu wsparciu politycznemu i wspólnym wysiłkom interesariuszy branży, wodór ma potencjał, aby odegrać kluczową rolę w transformacji w kierunku czystszej i bardziej odpornej przyszłości energetycznej, szczególnie w sektorze transportu.
Konflikty interesów
Nie występują żadne konflikty interesów.
Podziękowanie
Autorzy pragną wyrazić wdzięczność Dziekanowi ds. Badań Naukowych i Studiów Podyplomowych Uniwersytetu Króla Khalida za sfinansowanie niniejszej pracy w ramach Dużego Projektu Badawczego na podstawie grantu o numerze RGP 2/64/46.
Dostępność danych
W ramach tego przeglądu nie uwzględniono żadnych wyników badań pierwotnych, oprogramowania ani kodu, a także nie wygenerowano ani nie przeanalizowano żadnych nowych danych.
Odniesienia
- de Souza TAZ Coronado CJR Silveira JL Pinto GM Ocena ekonomiczna kogeneracji wodoru i energii elektrycznej poprzez reforming parowy-układ SOFC w brazylijskim przemyśle biodiesla. J. Clean. Prod. 2021;279:123814. doi: 10.1016/j.jclepro.2020.123814. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Pinto GM de Souza TAZ da Costa RBR Roque LFA Frez GV Coronado CJR Analiza spalania, wydajności i emisji silnika o zapłonie samoczynnym (CI) pracującego na odnawialnych paliwach wysokoprężnych (HVO/FARNESANE) w trybie dwupaliwowym poprzez wtrysk wodoru do portu. Int. J. Hydrogen Energy. 2023;48:19713–19732. doi: 10.1016/j.ijhydene.2023.02.020. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Grady C. McWhorter S. Sulic M. Sprik SJ Thornton MJ Brooks KP i in., Narzędzie projektowe do szacowania charakterystyk układu magazynowania wodoru w adsorpcji dla lekkich pojazdów z ogniwami paliwowymi. Int. J. Hydrogen Energy. 2022;47:29847–29857. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.06.281. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- da Costa RBR Valle RM Hern andez JJ Malaquias ACT Coronado CJR Pujatti FJP Badania eksperymentalne nad potencjałem silnika z zapłonem iskrowym o podwójnym paliwie biogaz/etanol do wytwarzania energii: analiza spalania, wydajności i emisji zanieczyszczeń. Appl. Energy. 2020;261:114438. doi: 10.1016/j.apenergy.2019.114438. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Shet KHN Moholkar kontra Porównawcza analiza cyklu życia pojazdów elektrycznych z ogniwami paliwowymi wodorowymi i pojazdów elektrycznych zasilanych bateriami: perspektywa indyjska. Int. J. Hydrogen Energy. 2025;103:729–739. doi: 10.1016/j. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Lehmann J. Wabbes A. Miguelanez Gonzalez E. Scheerlinck S. Obliczanie uśrednionego kosztu wodoru z instalacji fotowoltaicznych poza siecią przy użyciu różnych metod. Sol. RRL. 2022;6:2100482. doi: 10.1002/solr.202100482. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Sun H. Wang Z. Meng Q. White S. Postęp w technologiach magazynowania wodoru: zwiększanie efektywności, bezpieczeństwa i opłacalności ekonomicznej na rzecz zrównoważonej transformacji energetycznej. Int. J. Hydrogen Energy. 2025;105:10–22. doi: 10.1016/j.ijhydene.2025.01.176. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Wen Y. Chai X. Gu Y. Wu W. Ma W. Zhang J. i in., Postępy w materiałach do magazynowania wodoru w celu fizycznej adsorpcji H2. Int. J. Hydrogen Energy. 2025;97:1261–1274. doi: 10.1016/j.ijhydene.2024.11.459. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Hammond J. Rosenberg M. Brown S. Zrozumienie kosztów w sieciach infrastruktury wodorowej: wieloetapowe podejście do projektowania rurociągów z uwzględnieniem przestrzeni. Int. J. Hydrogen Energy. 2025;102:430–443. doi: 10.1016/j.ijhydene.2024.12.273. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Lu X. Krutoff A.-C. Wappler M. Fischer A. Kluczowe czynniki wpływające na koszty magazynowania i transportu wodoru: systematyczny przegląd literatury. Int. J. Hydrogen Energy. 2025;105:308–325. doi: 10.1016/j.ijhydene.2025.01.196. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Paulino de Azevedo JH Pradelle F. Botelho V. Torres Serra E. Nohra Chaar Pradelle R. Leal BS Zintegrowany model geoprzestrzenny do oceny potencjału technicznego i ekonomicznego produkcji wodoru z energii wiatrowej na morzu w Brazylii. Int. J. Hydrogen Energy. 2025;100:800–815. doi: 10.1016/j.ijhydene.2024.12.333. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Casanovas A. Divins NJ Rejas A. Bosch R. Llorca J. Znalezienie odpowiedniego katalizatora do reformingu etanolu na pokładzie samolotu z wykorzystaniem ciepła spalin z silnika spalinowego. Int. J. Hydrogen Energy. 2017;42:13681–13690. doi: 10.1016/j.ijhydene.2016.11.197. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Bueno-Lopez M., Campo DAC i Ordonez MTR, Rozdział 8 – hybrydowy system generacji energii oparty na niekonwencjonalnych źródłach energii dla rybołówstwa rzemieślniczego, w: Zrównoważone planowanie energetyczne w inteligentnych sieciach energetycznych, red. Borge-Diez D. i Rosales-Asensio E., Elsevier, 2024, s. 135–157, 10.1016/B978-0-443-14154-6.00008-9 [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Silva TC Pinto GM de Souza TAZ Valerio V. Silverio NM Coronado CJR i in., Techniczna i ekonomiczna ocena systemu fotowoltaicznego w brazylijskich budynkach publicznych: studium przypadku dla godzin szczytowych i poza szczytem. Energy. 2020;190:116282. doi: 10.1016/j.energy.2019.116282. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Caliskan A. Percin HB Analiza techniczno-ekonomiczna hybrydowego systemu produkcji wodoru na terenie kampusu. Int. J. Hydrogen Energy. 2024;75:428–437. doi: 10.1016/j.ijhydene.2024.02.140. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Rhiat M. Karrouchi M. Atmane I. Touhafi A. Bossoufi B. Almalki MM i in., Maksymalizacja efektywności wykorzystania energii słonecznej: zoptymalizowana konwersja prądu stałego dla obciążeń rezystancyjnych. Comput. Electr. Eng. 2024;120:109867. doi: 10.1016/j. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Pinto GM De Souza TAZ Da Costa RBR Roque LFA Frez GV Vidigal LPV Dwupaliwowe zasilanie wodorem i CNG 6-cylindrowego silnika zasilanego HVO i olejem napędowym: analiza emisji, sprawności i spalania. Int. J. Hydrogen Energy. 2025;111(20):407–432. doi: 10.1016/j.ijhydene.2025.02.306. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Pinto GM da Costa RBR de Souza TAZ Rosa AJAC Raats OO Roque LFA i in., Eksperymentalne badanie osiągów i emisji silnika o zapłonie samoczynnym (CI) pracującego z HVO i farnezanem w trybie dwupaliwowym z gazem ziemnym i biogazem. Energy. 2023;277:127648. doi: 10.1016/j.energy.2023.127648. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Gültekin N. Ciniviz M. Badanie wpływu geometrii komory spalania i stosunku mieszania na osiągi i emisje w silniku z zapłonem samoczynnym zasilanym paliwem dwupaliwowym wodorowo-dieselowym. Int. J. Hydrogen Energy. 2023;48:2801–2820. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.10.155. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Bhardwaj S. Jayant A. Postęp w technologiach elektrolizy: badanie potencjału tlenowodoru jako czystego źródła energii. Fuel. 2025;389:134522. doi: 10.1016/j.fuel.2025.134522. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Xie Y. Luo F. Yang Z. Strategie poprawy wydajności katalitycznej i stabilności anodowego elektrokatalizatora w rozszczepianiu wody PEM. Energy Rev. 2024;3:100103. doi: 10.1016/j.enrev.2024.100103. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Wang C. Feng L. Najnowsze osiągnięcia i perspektywy katalizatorów anodowych na bazie jonów Ir w elektrolizie wody PEM. Energy Adv. 2024;3:14–29. doi: 10.1039/D3YA00492A. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Wang S. Weber AZ Peng X. Postępy i perspektywy w zakresie tworzenia wydajnych i trwałych regeneracyjnych ogniw paliwowych z jednostkową membraną wymiany protonów. Curr. Opin. Electrochem. 2023;40:101340. doi: 10.1016/j.coelec.2023.101340. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Glenk G. Holler P. Reichelstein S. Postęp w technologiach power-to-gas: koszty i efektywność konwersji. Energy Environ. Sci. 2023;16:6058–6070. doi: 10.1039/D3EE01208E. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Rocha HMZ Pereira R. da S. Nogueira MFM Belchior CRP Tostes ME de L. Badania eksperymentalne dodawania wodoru do powietrza dolotowego silników o zapłonie samoczynnym zasilanych mieszanką biodiesla. Int. J. Hydrogen Energy. 2017;42:4530–4539. doi: 10.1016/j.ijhydene.2016.11.032. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Karagoz Y. Güler ˙ I. Sandalcı T. Yüksek L. Dalkılıç AS Wpływ wzbogacania wodorem na charakterystykę spalania, emisje i wydajność silnika wysokoprężnego. Int. J. Hydrogen Energy. 2016;41:656–665. doi: 10.1016/j.ijhydene.2015.09.064. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Deka TJ Abd Elaziz M. Osman AI Ibrahim RA Baruah DC Rooney DW Optymalizacja nowych mieszanek metanolu i oleju napędowego jako zrównoważonych alternatyw paliwowych: ocena wydajności i modelowanie predykcyjne. Energy Convers. Manag. 2024;321:118943. doi: 10.1016/j.enconman.2024.118943. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Dwivedi SK Vishwakarma M. Kruchość wodorowa w różnych materiałach: przegląd. Int. J. Hydrogen Energy. 2018;43:21603–21616. doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.09.201. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Larson E., Greig C., Jenkins J., Mayfield E., Pascale A. i Zhang C. i in. , Ameryka zerowa netto: potencjalne ścieżki, infrastruktura i skutki, podsumowanie raportu końcowego, https://netzeroamerica.princeton.edu/the-report , 2021
- Hand E. Ukryty wodór: czy Ziemia posiada ogromne zasoby odnawialnego, bezemisyjnego paliwa? Science. 2023;379:630–636. doi: 10.1126/science.adh1477. [ DOI ] [ PubMed ] [ Google Scholar ]
- Wallington TJ Woody M. Lewis GM Keoleian GA Adler EJ Martins JRRA i in., Zielony wodór: efektywność energetyczna i intensywność w transporcie lądowym, powietrznym i morskim. Joule. 2024;8:2190–2207. doi: 10.1016/j.joule.2024.07.012. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Connelly E., Penev M., Elgowainy A. i Hunter C., Aktualny stan kosztów skraplania wodoru, Dokument programu DOE Hydrogen and Fuel Cells #19001, 2019, https://www.hydrogen.energy.gov/docs/hydrogenprogramlibraries/pdfs/19001_hydrogen_liquefaction_costs.pdf [ Google Scholar ]
- Australijskie Biuro Bezpieczeństwa Transportu, dochodzenie MO-2022-001, https://www.atsb.gov.au/publications/investigation_reports/2022/mair/mo-2022-001 , 2023
- Papadias DD Ahluwalia RK Magazynowanie wodoru w dużych ilościach. Int. J. Hydrogen Energy. 2021;46:34527–34541. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.08.028. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Rusman NAA Dahari M. Przegląd aktualnych postępów w zakresie materiałów z wodorotlenków metali do zastosowań w magazynowaniu wodoru w stanie stałym. Int. J. Hydrogen Energy. 2016;41:12108–12126. doi: 10.1016/j.ijhydene.2016.05.244. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Elgowainy A. i Reddi K., Model analizy scenariuszy dostarczania wodoru (HDSAM) wersja 4.5, Argonne National Laboratory, 2024, https://hdsam.es.anl.gov/ [ Google Scholar ]
- Fesmire JE Sass JP Nagy Z. Sojourner SJ Morris DL Augustynowicz SD Ekonomiczne przechowywanie kriogenów. AIP Conf. Proc. 2008;985:1383–1391. doi: 10.1063/1.2908498. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Hileman JI, Perspektywy wodoru dla lotnisk i zastosowań lotniczych, prezentacja na warsztatach H2@Airports, 020, https://www.energy.gov/sites/prod/files/2020/12/f81/hfto-h2-airports-workshop-2020-hileman.pdf [ Google Scholar ]
- Gu Y. Wiedemann M. Ryley T. Johnson ME Evans MJ Samoloty napędzane wodorem na lotniskach: przegląd wymagań infrastrukturalnych i wyzwań planistycznych. Zrównoważony rozwój. 2023;15:15539. doi: 10.3390/su152115539. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Cullen DA Neyerlin KC Ahluwalia RK Mukundan R. More KL Borup RL i in., Nowe drogi i wyzwania dla ogniw paliwowych w transporcie ciężkim. Nat. Energy. 2021;6:462–474. doi: 10.1038/s41560-021-00775-z. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Borup RL Kusoglu A. Neyerlin KC Mukundan R. Ahluwalia RK Cullen DA i in., Najnowsze osiągnięcia w zakresie trwałości ogniw paliwowych PEM związanych z katalizatorami. Curr. Opin. Electrochem. 2020;21:192–200. doi: 10.1016/j.coelec.2020.02.007. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Pei P. Chen H. Główne czynniki wpływające na żywotność ogniw paliwowych z membraną wymiany protonów w zastosowaniach w pojazdach: przegląd. Appl. Energy. 2014;125:60–75. doi: 10.1016/j.apenergy.2014.03.048. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Zhang T. Wang P. Chen H. Pei P. Przegląd degradacji ogniw paliwowych z membraną wymiany protonów w pojazdach z systemem Start-Stop. Appl. Energy. 2018;223:249–262. doi: 10.1016/j.apenergy.2018.04.049. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Argonne National Laboratory, model GREET 2, Argonne National Laboratory, 2023, [Przedruk] [ Google Scholar ]
- Cano ZP Banham D. Ye S. Hintennach A. Lu J. Fowler M. i in., Akumulatory i ogniwa paliwowe dla rozwijających się rynków pojazdów elektrycznych. Nat. Energy. 2018;3:279–289. doi: 10.1038/s41560-018-0108-1. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Lohse-Busch H. Stutenberg K. Duoba M. Liu X. Elgowainy A. Wang M. i in., Sprawność ogniw paliwowych i ich układów w pojazdach oraz zużycie paliwa na podstawie testów pojazdu na hamowni podwoziowej w temperaturach od -18° do +35°. Int. J. Hydrogen Energy. 2020;45:861–872. doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.10.150. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Abdelkareem MA Elsaid K. Wilberforce T. Kamil M. Sayed ET Olabi A. Aspekty środowiskowe ogniw paliwowych: przegląd. Sci. Total Environ. 2021;752:141803. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.141803. [ DOI ] [ PubMed ] [ Google Scholar ]
- Onorati A. Payri R. Vaglieco BM Agarwal AK Bae C. Bruneaux G. i in., Rola wodoru w przyszłych silnikach spalinowych. Int. J. Engine Res. 2022;23:529–540. doi: 10.1177/14680874221081947. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Brynolf S. Hansson J. Anderson JE Skov IR Wallington TJ Grahn M. i in., Przegląd wykonalności elektropaliw – perspektywy dla transportu drogowego, morskiego i lotniczego. Prog. Energy. 2022;4:042007. doi: 10.1088/2516-1083/ac8097. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Boretti A. Silniki spalinowe na wodór do 2030 roku. Int. J. Hydrogen Energy. 2020;45:23692–23703. doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.06.022. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Iyer RK Kelly JC Elgowainy A. Analiza cyklu eksploatacji i cyklu życia pojazdów ciężarowych o średniej i dużej ładowności w Stanach Zjednoczonych. Sci. Total Environ. 2023;891:164093. doi: 10.1016/j.scitotenv.2023.164093. [ DOI ] [ PubMed ] [ Google Scholar ]
- Chu K.-C., Miller KG, Schroeder A., Gilde A. i Laughlin M., Strategia krajowego korytarza towarowego o zerowej emisji, https://driveelectric.gov/files/zef-corridor-strategy.pdf , 2024
- Morrison G. Stevens J. Joseck F. Względna konkurencyjność ekonomiczna lekkich pojazdów elektrycznych zasilanych bateriami i ogniwami paliwowymi. Transp. Res. Część C Emerg. Technol. 2018;87:183–196. doi: 10.1016/j.trc.2018.01.005. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Li Y. Taghizadeh-Hesary F. Ekonomiczna opłacalność pojazdów elektrycznych na zielony wodór i ogniwa paliwowe w transporcie drogowym w Chinach. Polityka energetyczna. 2022;160:112703. doi: 10.1016/j.enpol.2021.112703. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Ajanovic A. Haas R. Perspektywy ekonomiczne i ramy polityki dla wodoru jako paliwa w sektorze transportu. Polityka energetyczna. 2018;123:280–288. doi: 10.1016/j.enpol.2018.08.063. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- AAR (Stowarzyszenie Amerykańskich Linii Kolejowych), Kolej 101. https://www.aar.org/wp-content/uploads/2020/08/AAR-Railroad-101-Freight-Railroads-Fact-Sheet.pdf , 2022
- Ledna C. Muratori M. Yip A. Jadun P. Hoehne C. Podkaminer K. Ocena całkowitego kosztu konkurencyjności pojazdów ciężarowych bezemisyjnych. iScience. 2024;27:109385. doi: 10.1016/j.isci.2024.109385. [ DOI ] [ Artykuł darmowy PMC ] [ PubMed ] [ Google Scholar ]
- Agencja Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych. Szybkie fakty: Emisja gazów cieplarnianych w sektorze transportu w USA w latach 1990–2017. EPA-420-F-19-047, https://nepis.epa.gov/Exe/ZyPDF.cgi?Dockey=P100WUHR.pdf , 2019
- Nunno R., Elektryfikacja kolei w USA: mrzonki czy realistyczny cel? Environmental and Energy Study Institute, 2018, https://www.eesi.org/articles/view/electrification-of-us-railways-pie-in-the-sky-or-realistic-goal
- Popovich ND Rajagopal D. Tasar E. Phadke A. Korzyści ekonomiczne, środowiskowe i w zakresie odporności sieci energetycznej wynikające z przekształcenia pociągów spalinowych na elektryczne z napędem akumulatorowym. Nat. Energy. 2021;6:1017–1025. doi: 10.1038/s41560-021-00915-5. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Wabtec: Wodór to paliwo lokomotyw przyszłości, Trains.com, https://www.trains.com/trn/news-reviews/news-wire/wabtec-hydrogen-is-the-locomotivefuel-of-the-future/ , 2024
- Miller AR, Hess KS, Erickson TL i Dippo JL. Lokomotywa manewrowa hybrydowa na ogniwa paliwowe: największy pojazd lądowy na ogniwa paliwowe, konferencja IET poświęcona systemom trakcji kolejowej (RTS2010), 2010, s. 13–15, 10.1049/ic.2010.0046 [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Rail Safety and Standards Board Ltd, Badania w skrócie. DECARB: dekarbonizacja i poprawa jakości powietrza w branży kolejowego transportu towarowego (T1160), Londyn, Wielka Brytania: 5 stron, 2021, https://www.rssb.co.uk/research-catalogue/CatalogueItem/T1160 [ Google Scholar ]
- Kent S., Iwnicki S. i Houghton T., Opcje dekarbonizacji energii trakcyjnej w transporcie kolejowym: ocena opcji, Options for Traction Energy Decarbonisation in Rail (T1145) 2018, Londyn, Wielka Brytania, Rail Safety and Standards Board Limited, str. , str. 110, https://www.rssb.co.uk/research-catalogue/CatalogueItem/T1145 [ Google Scholar ]
- Karta oceny infrastruktury ACSE 2021. https://infrastructurereportcard.org/cat-item/rail-infrastructure/ https://infrastructurereportcard.org/cat-item/rail-infrastructure/
- Brelje B. Martins JRRA Elektryczne, hybrydowe i turboelektryczne samoloty ze stałym skrzydłem: przegląd koncepcji, modeli i podejść projektowych. Prog. Aero. Sci. 2019;104:1–19. doi: 10.1016/j.paerosci.2018.06.004. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Cabrera Ed. Sousa JMM Wykorzystanie paliw zrównoważonych w lotnictwie — przegląd. Energies. 2022;15:2440. doi: 10.3390/en15072440. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Prussi M. Lee U. Wang M. Malina R. Valin H. Taheripour F. i in., CORSIA: pierwsze międzynarodowe podejście do obliczania emisji gazów cieplarnianych w cyklu życia paliw lotniczych. Renew. Sustain. Energy Rev. 2021;150:111398. doi: 10.1016/j.rser.2021.111398. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Brewer GD, Technologia samolotów wodorowych. Technologia samolotów, CRC Press, Boca Raton, Floryda, 1991, 10.1201/9780203751480 [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Brand J., Sampath S., Shum F., Bayt R. i Cohen J.. Potencjalne zastosowanie wodoru w napędzie lotniczym. w: Międzynarodowe Sympozjum i Wystawa Lotnictwa i Kosmonautyki AIAA: Następne 100 Lat, Amerykański Instytut Aeronautyki i Astronautyki, 2003, 10.2514/6.2003-2879 [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Spencer KM i Martin CA, Badanie potencjalnego zastosowania ogniw paliwowych w samolotach, dokument IDA D-5043, Tech. Rep., Instytut Analiz Obronnych, grudzień 2013 r., https://www.ida.org/-/media/feature/publications/i/in/investigation-of-potential-fuel-cell-use-in-aircraft/d-5043.ashx [ Google Scholar ]
- Brewer GD, Morris RE, Davis DW, Versaw EF, Cunnington JrG. R. i Riple JC i in., Badanie układów paliwowych poddźwiękowych samolotów transportowych zasilanych LH2, NASA, 1978, Raport wykonawcy NASA/CR–145369, https://ntrs.nasa.gov/citations/19780023142 [ Google Scholar ]
- Verstraete D. Samoloty transportowe dalekiego zasięgu wykorzystujące paliwo wodorowe. Int. J. Hydrogen Energy. 2013;38:14824–14831. doi: 10.1016/j.ijhydene.2013.09.021. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Ustolin F. Campari A. Taccani R. Obszerny przegląd ciekłego wodoru w transporcie ze szczególnym uwzględnieniem sektora morskiego. J. Mar. Sci. Eng. 2022;10:1222. doi: 10.3390/jmse10091222. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- ABS, Wyznaczanie kursu na transport niskoemisyjny: perspektywy zerowej emisji dwutlenku węgla, American Bureau of Shipping, Houston, Teksas, USA, 2022, https://ww2.eagle.org/en/publication-flip/zero-carbonoutlook.html [ Google Scholar ]
- Bilgili L. Przegląd systematyczny dotyczący akceptacji alternatywnych paliw morskich. Renew. Sustain. Energy Rev. 2023;182:113367. doi: 10.1016/j.rser.2023.113367. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Fu Z. Lu L. Zhang C. Xu Q. Zhang X. Gao Z. i in., Ogniwa paliwowe i wodór w zastosowaniach morskich: przegląd aspektów technologii, kosztów i regulacji. Sustain. Energy Technol. Assess. 2023;57:103181. doi: 10.1016/j.seta.2023.103181. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Gadducci E. Lamberti T. Rivarolo M. Magistri L. Kampania eksperymentalna i ocena kompletnego systemu zasilania ogniw paliwowych z membraną wymiany protonów o mocy 240 kW do zastosowań morskich. Int. J. Hydrogen Energy. 2022;47:22545–22558. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.05.061. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Alkhaledi AN Batra A. Sampath S. Pilidis P. Ocena techniczno-środowiskowa turbiny gazowej z cyklem kombinowanym zasilanej wodorem do tankowca do przewozu ciekłego wodoru. Energy Rep. 2022;8:10561–10569. doi: 10.1016/j.egyr.2022.08.202. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Fernandez-Ríos A. Santos G. Pinedo J. Santos E. Ruiz-Salmon I. Laso J. i in., Zrównoważony rozwój środowiskowy alternatywnych technologii napędowych dla statków zasilanych wodorem – podejście oparte na ocenie cyklu życia. Sci. Total Environ. 2022;820:153189. doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.153189. [ DOI ] [ PubMed ] [ Google Scholar ]
- Wang Y. Maidment H. Boccolini V. Wright L. Ocena cyklu życia alternatywnych paliw morskich dla superjachtów. Reg. Stud. Mar. Sci. 2022;55:102525. doi: 10.1016/j.rsma.2022.102525. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Chen ZS Lam JSL Ocena cyklu życia układów napędowych z silnikami wysokoprężnymi i wodorowymi w holownikach. Transp. Res. D: Transp. Environ. 2022;103:103192. doi: 10.1016/j.trd.2022.103192. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Gore K. Rigot-Müller P. Coughlan J. Ocena kosztów paliw alternatywnych w transporcie morskim w Irlandii. Transp. Res. D: Transp. Environ. 2022;110:103416. doi: 10.1016/j.trd.2022.103416. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Peřcic M Vladimir N. Fan A. Ocena techniczno-ekonomiczna alternatywnych paliw morskich dla żeglugi śródlądowej w Chorwacji. Renew. Sustain. Energy Rev. 2021;148:111363. doi: 10.1016/j.rser.2021.111363. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Lagouvardou S. Lagemann B. Psaraftis HN Lindstad E. Erikstad SO Krańcowy koszt redukcji emisji alternatywnych paliw morskich i rola środków rynkowych. Nat. Energy. 2023;8:1209–1220. doi: 10.1038/s41560-023-01334-4. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Solakivi T. Paimander A. Ojala L. Konkurencyjność kosztowa alternatywnych paliw morskich w nowych ramach regulacyjnych. Transp. Res. D: Transp. Environ. 2022;113:103500. doi: 10.1016/j.trd.2022.103500. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Madsen RT Klebanoff LE Cauglan SAM Pratt JW Leach TS Appelgate JrT. B. i in., Feasibility of the Zero-V: przybrzeżny statek badawczy o zerowej emisji z wodorowymi ogniwami paliwowymi. Wewnętrzne J. Energia wodorowa. 2020;20:25328–25343. doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.06.019. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- O’Connell A., Pavlenko N., Bieker G. i Searle S., Porównanie emisji gazów cieplarnianych w całym cyklu życia europejskich pojazdów ciężarowych i paliw, Biała księga ICCT, 2023, https://theicct.org/wp-content/uploads/2023/02/lca-ghg-emissions-hdv-fuels-europe-feb23.pdf [ Google Scholar ]
- Derwent RG Collins WJ Johnson CE Stevenson DS Przejściowe zachowanie prekursorów ozonu troposferycznego w globalnym 3-D CTM i ich pośrednie efekty cieplarniane. Clim. Change. 2001;49:463–487. doi: 10.1023/A:1010648913655. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Paulot F. Paynter D. Naik V. Malyshev S. Menzel R. Horowitz LW Globalne modelowanie wodoru z wykorzystaniem GFDL-AM4.1: wrażliwość na usuwanie gleby i wymuszanie radiacyjne. Int. J. Hydrogen Energy. 2021;46:13446–13460. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.01.088. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Hoelzen J. Silberhorn D. Zill T. Bensmann B. Hanke-Rauschenbach R. Lotnictwo napędzane wodorem i jego zależność od infrastruktury zielonego wodoru – przegląd i luki w badaniach. Int. J. Hydrogen Energy. 2022;47:3108–3130. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.10.239. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- De-Leon Almaraz S. Azzaro-Pantel C. Montastruc L. Domenech S. Optymalizacja łańcucha dostaw wodoru w scenariuszach wdrożeniowych w regionie Midi-Pyrénées we Francji. Int. J. Hydrogen Energy. 2014;39:11831–11845. doi: 10.1016/j.ijhydene.2014.05.165. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Sabio N. Gadalla M. Jimenez L. Guill’en-Gosalbez G. Wielokryterialna optymalizacja łańcucha dostaw wodoru do pojazdów, z uwzględnieniem wskaźników ryzyka ekonomicznego i finansowego. Studium przypadku Hiszpanii. Comput.-Aided Chem. Eng. 2010;28:121–126. doi: 10.1016/S1570-7946(10)28021-5. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Kim J. Lee Y. Moon I. Optymalizacja łańcucha dostaw wodoru w warunkach niepewności popytu. Int. J. Hydrogen Energy. 2008;33:4715–4729. doi: 10.1016/J.IJHYDENE.2008.06.007. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Almansoori A. Betancourt-Torcat A. Projekt modelu optymalizacyjnego dla łańcucha dostaw wodoru w warunkach ograniczeń emisyjnych – studium przypadku Niemiec. Energy. 2016;111:414–429. doi: 10.1016/J.ENERGY.2016.05.123. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- IATA/ICAO, kody lotnisk na świecie. Kod lotniska w Tuluzie dla Blagnac, Francja (IATA i ICAO), 2022, https://www.world-airport-codes.com/france/blagnac-9401.html
- Sharmina M. Edelenbosch OY Wilson C. Freeman R. Gernaat DEHJ Gilbert P. i in., Dekarbonizacja kluczowych sektorów lotnictwa, żeglugi, transportu drogowego i przemysłu w celu ograniczenia ocieplenia do 1,5–2°C. Polityka klimatyczna. 2021;21:455–474. doi: 10.1080/14693062.2020.1831430. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Becattini V. Gabrielli P. Mazzotti M. Rola wychwytywania, składowania i wykorzystania dwutlenku węgla w umożliwieniu sektora lotnictwa o zerowej emisji netto CO2. Ind. Eng. Chem. Res. 2021;60:6848–6862. doi: 10.1021/ACS.IECR.0C05392/ASSET/IMAGES/LARGE/IE0C05392_0013.JPEG. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Chiaramonti D. Prussi M. Buffi M. Tacconi D. Zrównoważona bionafta: ścieżki technologiczne i demonstracje przemysłowe w biopaliwach lotniczych. Appl. Energy. 2014;136:767–774. doi: 10.1016/J.APENERGY.2014.08.065. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Walker A. Artykuł gościnny: Johnson Matthey Technology Review, wydanie specjalne poświęcone czystej mobilności. Johnson Matthey Technol. Rev. 2020;64:234–235. doi: 10.1595/205651320X15874763002058. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Drews M. Larsen MAD Penã Balderrama JG Prognozowane zużycie wody i emisje wynikające ze zmiany użytkowania gruntów w produkcji biomasy (2015–2050) Strategia energetyczna Rev. 2020;29:100487. doi: 10.1016/J.ESR.2020.100487. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Dincer I. Acar C. Przegląd potencjalnego wykorzystania wodoru w zastosowaniach lotniczych. Int J Sustain Aviat. 2016;2:74. doi: 10.1504/IJSA.2016.076077. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Seymour K. Held M. Georges G. Boulouchos K. Oszacowanie zużycia paliwa w transporcie lotniczym: modelowanie globalnego zużycia paliwa w lotnictwie komercyjnym. Transp. Res. D: Transp. Environ. 2020;88:102528. doi: 10.1016/J.TRD.2020.102528. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Hubert T. Vidalenc E. Potencjał energii odnawialnej we Francji: perspektywa długoterminowa. Energy Proc. 2012;20:247–257. doi: 10.1016/J.EGYPRO.2012.03.025. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Solar Power Europe, Perspektywy rynku energii słonecznej w UE na lata 2021–2025 – SolarPower Europe, 2020, https://www.solarpowereurope.org/insights/market-outlooks/eu-market-outlook-for-solar-power-2021-2025
- IRENA, Koszty wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych w 2021 r., 2021, https://www.irena.org/publications/2022/Jul/Renewable-Power-Generation-Costs-in-2021
- Frey HC Patil SR Identyfikacja i przegląd metod analizy wrażliwości. RiskAnal. 2002;22:553–578. doi: 10.1111/0272-4332.00039. [ DOI ] [ PubMed ] [ Google Scholar ]
- Khan Al-SI Ziani A. Idriss H. Demonstracja produkcji zielonego wodoru z wykorzystaniem energii słonecznej o sprawności 28% i ocena jej opłacalności ekonomicznej. Sustain. Energy Fuels. 2021;5:1085–1094. doi: 10.1039/D0SE01761B. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Sreenath S. Sudhakar K. Yusop AF Cuce E. Solomin E. Analiza olśnienia fotowoltaicznego w środowisku lotniska: potencjalne rozwiązania. Results Eng. 2020;5:100079. doi: 10.1016/J.RINENG.2019.100079. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Sreenath S. Sudhakar K. Yusop AF Solomin E. Kirpichnikova IM System fotowoltaiczny na lotnisku w Malezji: analiza olśnienia, ogólny projekt i ocena wydajności. Energy Rep. 2020;6:698–712. doi: 10.1016/J.EGYR.2020.03.015. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Velazquez Abad A. Dodds PE Inicjatywy dotyczące charakterystyki zielonego wodoru: definicje, standardy, gwarancje pochodzenia i wyzwania. Polityka energetyczna. 2020;138:111300. doi: 10.1016/J.ENPOL.2020.111300. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- IATA. Program kompensacji emisji dwutlenku węgla IATA, Międzynarodowe Zrzeszenie Przewoźników Powietrznych IATA, 2021
- Weidner T. Tulus V. Guill’en-Gos albez G. Ocena zrównoważonego rozwoju środowiska w produkcji wodoru na dużą skalę z wykorzystaniem prospektywnej analizy cyklu życia. Int. J. Hydrogen Energy. 2023;48:8310–8327. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.11.044. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Wulf C. Reuß M. Grube T. Zapp P. Robinius M. Hake JF i in., Ocena cyklu życia opcji transportu i dystrybucji wodoru. J. Clean. Prod. 2018;199:431–443. doi: 10.1016/J.JCLEPRO.2018.07.180. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Rumayor M. Corredor J. Rivero MJ Ortiz I. Perspektywiczna ocena cyklu życia produkcji wodoru poprzez fotoreformowanie odpadów. J. Clean. Prod. 2022;336:130430. doi: 10.1016/J.JCLEPRO.2022.130430. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Tayarani H. Ramji A. Ocena cyklu życia szlaków transportu wodoru rurociągami i naczepami ciężarowymi: implikacje jako paliwa niskoemisyjnego. Sustain. Times. 2022;14:12510. doi: 10.3390/SU141912510.2022;14:12510. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Cui Q. Jia Z.-K. Korespondencja YL Li Y. Analiza ścieżki wykorzystania energii wodorowej do redukcji emisji gazów cieplarnianych w globalnym lotnictwie. Cell Reports Sustain. 2024:100133. doi: 10.1016/J.CRSUS.2024.100133. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Gaz dla klimatu. Gaz dla klimatu – Gaz dla klimatu 2050, 2022. https://gasforclimate2050.eu/ , 2023
- Riera JA Lima RM Knio OM Przegląd modelowania i optymalizacji produkcji wodoru oraz łańcucha dostaw. Int. Fragiacomo P. Genovese M. Opracowanie narzędzia matematycznego do produkcji , sprężania i magazynowania wodoru . Int .
- Fragiacomo P. Genovese M. Modelowanie i analiza zapotrzebowania na energię w skalowalnym systemie produkcji zielonego wodoru. Int. J. Hydrogen Energy. 2019;44:30237–30255. doi: 10.1016/J.IJHYDENE.2019.09.186. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Fragiacomo P. Genovese M. Numeryczne symulacje wydajności energetycznej stacji tankowania wodoru pod wysokim ciśnieniem z elektrolizą wody PEM. Int. J. Hydrogen Energy. 2020;45:27457–27470. doi: 10.1016/J.IJHYDENE.2020.07.007. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Fabianek P. Madlener R. Analiza techniczno-ekonomiczna i optymalne dobieranie wielkości hybrydowych systemów fotowoltaiczno-wiatrowych do produkcji wodoru metodą elektrolizy PEM w Kalifornii i północnych Niemczech. Int. J. Hydrogen Energy. 2023;67(20):1157–1172. doi: 10.1016/J.IJHYDENE.2023.11.196. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Won W. Kwon H. Han JH Kim J. Projektowanie i eksploatacja systemu zasilania wodorem opartego na odnawialnych źródłach energii: integracja i optymalizacja technologii. Renew. Energy. 2017;103:226–238. doi: 10.1016/J.RENENE.2016.11.038. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Pleshivtseva Y. Derevyanov M. Pimenov A. Rapoport A. Kompleksowy przegląd projektów wodorowych o niskiej zawartości węgla w kierunku ścieżki dekarbonizacji. Int. J. Hydrogen Energy. 2022;48(10):3703–3724. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.10.209. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Cullen DA Neyerlin KC Ahluwalia RK Mukundan R. More KL Borup RL i in., Nowe drogi i wyzwania dla ogniw paliwowych w transporcie ciężkim. Nat. Energy. 2021;6:462–474. doi: 10.1038/s41560-021-00775-z. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- San Marchi C. Balch DK Nibur K. Somerday BP Wpływ wodoru pod wysokim ciśnieniem na pękanie stali austenitycznych. ASME. J. Pressure Vessel Technol. 2008;130(4):041401. doi: 10.1115/1.2967833. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Li R. Fan W. Rao P. Luo J. Li J. Deng P. Wu D. Huang W. Jia C. Liu Z. Miao Z. Tian X. Wielometaliczne katalizatory jednoatomowe do dwufunkcyjnej elektrokatalizy tlenu. ACS Nano. 2023;17(18):18128–18138. doi: 10.1021/acsnano.3c04945. [ DOI ] [ PubMed ] [ Google Scholar ]
- He Y. Kang Z. Li J. Li Y. Tian X. Najnowsze postępy w dziedzinie elektrokatalizatorów na bazie dwutlenku manganu do reakcji wydzielania tlenu. Chemia przemysłowa i materiały. 2023;1(1):312–331. doi: 10.1039/D3IM00034F. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Yu Y. Li G. Xiao Y. Chen C. Bai Y. Wang T. Li J. Hua Y. Wu D. Rao P. Deng P. Tian X. Yuan Y. Elektrokatalizatory na bazie irydu do reakcji wydzielania kwaśnego tlenu. J. Energy Chem. 2025;103:200–224. doi: 10.1016/j.jechem.2024.11.033. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- de las Nieves Camacho M. Jurburg D. Tanco M. Ciężarówki ciężarowe z ogniwami paliwowymi wodorowymi: przegląd głównych tematów badawczych. Int. J. Hydrogen Energy. 2022;47:29505–29525. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.06.271. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Klopcic N. Regenfelder R. Hafner T. Winkler F. Rasche C. Rink M. i in., Testy tankowania zbiornika wodoru do zastosowań ciężkich. Int. J. Hydrogen Energy. 2024;49:1237–1249. doi: 10.1016/j.ijhydene.2023.09.109. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Zhao D. Guan Y. Reinecke A. Charakterystyka pulsacyjnego spalania zasilanego wodorem w kontekście właściwości termodynamicznych komory spalania. Commun. Phys. 2019;2:44. doi: 10.1038/s42005-019-0142-8. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Ahluwalia RK Wang X. Star AG Papadias DD Wydajność i koszt ogniw paliwowych do pojazdów terenowych o dużej ładowności. Int. J. Hydrogen Energy. 2022;47:10990–11006. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.01.144. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Raman R. Nair VK Prakash V. Patwardhan A. Nedungadi P. Badania nad zielonym wodorem: co osiągnęliśmy i dokąd zmierzamy? Analiza bibliometryczna. Energy Rep. 2022;8:9242–9260. doi: 10.1016/j.egyr.2022.07.058. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Fragiacomo P. Genovese M. Analiza techniczno-ekonomiczna instalacji do produkcji wodoru w technologii power-to-gas i mobilności wodorowej z wykorzystaniem różnych źródeł odnawialnych w południowych Włoszech. Energy Convers. Manag. 2020;223:113332. doi: 10.1016/j.enconman.2020.113332. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Corigliano O. Genovese M. Fragiacomo P. Dynamiczne modelowanie i symulacja elektrowni wodorowej do ciągłej produkcji energii i odpornego magazynowania. J. Power Sources. 2025;629:236076. doi: 10.1016/j.jpowsour.2024.236076. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- De Lorenzo G. Corigliano O. Fragiacomo P. Analiza reżimu termicznego i stanów przejściowych z wykorzystaniem modelowania numerycznego dla elektrolizera tlenków stałych wspomaganego promieniowaniem słonecznym. Int. J. Therm. Sci. 2022;177:107545. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2022.107545. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Hübner T. von Roon S. Paliwa syntetyczne w niemieckim sektorze przemysłowym w zależności od poziomu ochrony klimatu. Smart Energy. 2021;3:100042. doi: 10.1016/j.segy.2021.100042. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Seeger K. Genovese M. Schlüter A. Kockel C. Corigliano O. Díaz Canales EB i in., Analiza techniczno-ekonomiczna scenariuszy dostaw wodoru i paliw ekologicznych, oceniająca trzy trasy importu: z Kanady, Chile i Algierii do Niemiec. Int. J. Hydrogen Energy. 2025;116:558–576. doi: 10.1016/j.ijhydene.2025.02.379. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Langenmayr U. Ruppert M. Pochodzenie odnawialnych źródeł energii, dodatkowość, korelacja czasowa i geograficzna – produkcja e-paliw w Niemczech w ramach systemu RED II. Polityka energetyczna. 2023;183:113830. doi: 10.1016/j.enpol.2023.113830. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Kumar A. Tiwari AK Cearnaigh DU Analiza porównawcza technologii benchmarkingowych i technologii aeon blue w celu zrównoważonej produkcji e-paliw: integracja bezpośredniego wychwytywania z powietrza i podejścia do zielonego wodoru. Energy Convers. Manag. 2024;308:118384. doi: 10.1016/j.enconman.2024.118384. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- McKinlay CJ Turnock SR Hudson DA Droga do transportu morskiego bez emisji: wodór, amoniak czy metanol? Int. J. Hydrogen Energy. 2021;46:28282–28297. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.06.066. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Makhloufi C. Kezibri N. Rozkład zielonego amoniaku na dużą skalę w celu produkcji czystego wodoru. Int. J. Hydrogen Energy. 2021;46:34777–34787. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.07.188. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Yanxing Z. Maoqiong G. Yuan Z. Xueqiang D. Jun S. Analiza termodynamiczna magazynowania wodoru w oparciu o sprężony wodór gazowy, ciekły wodór i wodór kriosprężony. Int. J. Hydrogen Energy. 2019;44:16833–16840. doi: 10.1016/J.IJHYDENE.2019.04.207. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Sollai S. Porcu A. Tola V. Ferrara F. Pettinau A. Odnawialna produkcja metanolu z zielonego wodoru i wychwyconego CO2: ocena techniczno-ekonomiczna. J. CO2 Util. 2023;68:102345. doi: 10.1016/j.jcou.2022.102345. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Rashwan SS Ibrahim AH Abou-Arab TW Nemitallah MA Habib MA Eksperymentalne badanie częściowo zmieszanych płomieni metanu z powietrzem i metanu z tlenem, stabilizowanych nad palnikiem z płytą perforowaną. Appl. Energy. 2016;169:126–137. doi: 10.1016/j.apenergy.2016.02.047. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Rennuit-Mortensen AW Dalgas Rasmussen K. Grahn M. Jak zastąpienie paliw kopalnych paliwami elektrycznymi może wpłynąć na zapotrzebowanie na energię odnawialną i powierzchnię gruntów. Smart Energy. 2023;10:100107. doi: 10.1016/j.segy.2023.100107. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Tamor MA Stechel EB Elektryfikacja transportu oznacza o wiele więcej niż tylko większą liczbę pojazdów elektrycznych. iScience. 2022;25:104376. doi: 10.1016/j.isci.2022.104376. [ DOI ] [ Artykuł bezpłatny PMC ] [ PubMed ] [ Google Scholar ]
- Ababneh H. Hameed BH Elektropaliwa jako nowe, zielone paliwo alternatywne: przegląd najnowszej literatury. Energy Convers. Manag. 2022;254:115213. doi: 10.1016/j.enconman.2022.115213. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Alameer LAAA Tohidi S. Tabar VS Planowanie z uwzględnieniem ryzyka, z jednodniowym wyprzedzeniem, centrum energetycznego zintegrowanego z jednostką wychwytywania dwutlenku węgla, z uwzględnieniem koncepcji systemu cap-and-trade, rynków energii i emisji dwutlenku węgla oraz elastyczności popytu. Sustain. Cities Soc. 2024;104:105313. doi: 10.1016/j.scs.2024.105313. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Sabzevari K. Habib S. Tabar VS Shaillan HM Hassan Q. Muyeen SM Obrót na rynku energii w zielonych mikrosieciach w warunkach wrażliwości informacyjnej odnawialnych źródeł energii: podejście oparte na danych. Energy Rep. 2024;11:4467–4484. doi: 10.1016/j.egyr.2024.03.059. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Siekmann A. Sujan V. Optymalizacja długoterminowych planów infrastruktury tankowania wodoru w korytarzach towarowych dla ciężkich pojazdów elektrycznych z ogniwami paliwowymi. SAE International Journal of Advances and Current Practices in Mobility. 2023;5(6):2405–2420. doi: 10.4271/2023-01-0064. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Siekmann A. Sujan V. Uddin M. Liu Y. Xie F. Optymalizacja planów infrastruktury tankowania wodoru w korytarzach towarowych dla ciężkich pojazdów elektrycznych z ogniwami paliwowymi. SAE International Journal of Sustainable Transportation, Energy, Environment, & Policy. 2023;5:89–111. doi: 10.4271/13-05-01-0008. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Rose PK Neumann F. Sieci stacji tankowania wodoru dla pojazdów ciężarowych w przyszłych systemach energetycznych. Transp. Res. D: Transp. Environ. 2020;83:102358. doi: 10.1016/j.trd.2020.102358. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Wang Y. Fenton JM Brooker P. Dynamiczne modelowanie i eksploatacja stacji tankowania zielonego wodoru dla pojazdów ciężarowych z ogniwami paliwowymi. ECS Meet Abstr. 2023;1(36):1976. doi: 10.1149/ma2023-01361976mtgabs. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Di Ilio G. Di Giorgio P. Tribioli L. Bella G. Jannelli E. Wstępny projekt hybrydowego układu napędowego z ogniwami paliwowymi i akumulatorem dla ciężkiego samochodu ciężarowego do obsługi logistyki portowej. Energy Convers. Manag. 2021;243:114423. doi: 10.1016/j.enconman.2021.114423. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Hernandez B. Alkayas A. Azar E. Mayyas AT Model matematyczny rozmieszczenia stacji tankowania wodoru w celu wsparcia przyszłych ciężarówek napędzanych ogniwami paliwowymi. IEEE Access. 2021;9:148118–148131. doi: 10.1109/ACCESS.2021.3123901. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Halder P. Babaie M. Salek F. Shah K. Stevanovic S. Bodisco TA Zare A. Wydajność, emisja i analiza ekonomiczna pojazdów z ogniwami paliwowymi wodorowymi. Renew. Sustain. Energy Rev. 2024;199:114543. doi: 10.1016/j.rser.2024.114543. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Sujan V. i Galigekere, wiceprezes ds. oceny wydajności technologii układu napędowego i drogowskazów dotyczących kosztów dla zelektryfikowanych ciężkich pojazdów użytkowych, dokument techniczny SAE 2024-01-2032, 2024, 10.4271/2024-01-2032 [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Seeger K., Genovese M., Schluter A., Kockel C., Corigliano O., Canales E. i in., Ocena scenariuszy dostaw wodoru i paliw ekologicznych z Kanady, Chile i Algierii do Niemiec za pomocą oceny techniczno-ekonomicznej, 2024, 10.2139/ssrn.4966589 [ DOI ]
- Ravi SS Aziz M. Czysty wodór dla mobilności – quo vadis? Int. J. Hydrogen Energy. 2022;47:20632–20661. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.04.158. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Yadav J. Deppenkemper K. Pischinger S. Wpływ paliw odnawialnych na osiągi i emisje silników pojazdów ciężarowych. Energy Rep. 2023;9:1977–1989. doi: 10.1016/j.egyr.2023.01.016. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Wojcieszyk M. Kroyan Y. Kaario O. Larmi M. Prognozowanie wydajności silników wysokoprężnych zasilanych paliwami odnawialnymi na podstawie charakterystyki właściwości paliw. Energy. 2023;285:129494. doi: 10.1016/j.energy.2023.129494. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Fragiacomo P. Piraino F. Genovese M. Corigliano O. De Lorenzo G. Działania eksperymentalne nad systemem ogniw paliwowych tlenkowych zasilanych wodorem oraz wytyczne dotyczące jego wdrożenia w sektorach lotniczym i morskim. Energies. 2023;16:5671. doi: 10.3390/en16155671. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Fragiacomo P. Lucarelli G. Genovese M. Florio G. Wielokryterialny model optymalizacji dla systemów energetycznych poligeneracyjnych opartych na ogniwach paliwowych. Energy. 2021;237:121823. doi: 10.1016/J.ENERGY.2021.121823. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Cigolotti V. Genovese M. Fragiacomo P. Kompleksowy przegląd technologii ogniw paliwowych do zastosowań stacjonarnych jako zrównoważonych i wydajnych systemów energetycznych poligeneracyjnych. Energies. 2021;14:4963. doi: 10.3390/en14164963. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Fragiacomo P. Genovese M. Modelowanie i analiza zapotrzebowania na energię w skalowalnym systemie produkcji zielonego wodoru. Int. J. Hydrogen Energy. 2019;44:30237–30255. doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.09.186. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Fragiacomo P. Genovese M. Numeryczne symulacje wydajności energetycznej stacji tankowania wodoru pod wysokim ciśnieniem z elektrolizą wody PEM. Int. J. Hydrogen Energy. 2020;45:27457–27470. doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.07.007. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Colelli L. Segneri V. Bassano C. Vilardi G. Paliwa elektroniczne, analiza techniczna i ekonomiczna produkcji syntetycznego prekursora nafty jako zrównoważonego paliwa lotniczego. Energy Convers. Manag. 2023;288:117165. doi: 10.1016/j.enconman.2023.117165. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Bube S. Bullerdiek N. Voß S. Kaltschmitt M. Produkcja nafty z gazu syntezowego – porównanie techniczne ścieżki Fischera-Tropscha i metanolu. Fuel. 2024;366:131269. doi: 10.1016/j.fuel.2024.131269. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Yaïci W. i Longo M., Analiza wykonalności infrastruktury tankowania dla ciężarówek dalekobieżnych zasilanych sprężonym gazem ziemnym odnawialnym w Kanadzie, w ASME 2021 15. Międzynarodowa Konferencja na temat Zrównoważonego Rozwoju Energetycznego, Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Mechaników; 2021, 10.1115/ES2021-62478 [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Peppas A. Kottaridis S. Politi C. Ocena oddziaływania na środowisko wykorzystania paliw alternatywnych w transporcie ciężkim w przemyśle wydobywczym. Next Energy. 2024;5:100173. doi: 10.1016/j.nxener.2024.100173. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Motte J. Cadena E. Escobar YR Gripekoven J. Vlaeminck K. De Clercq F. i in., Wykorzystanie CO2 z produkcji wapna w procesie Columbus do produkcji E-metanu dla sektora transportu – kompleksowa ocena cyklu życia. J. CO2 Util. 2024;88:102949. doi: 10.1016/j.jcou.2024.102949. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Shaillan HM Tohidi S. Hagh MT Tabar VS Planowanie z uwzględnieniem ryzyka z wyprzedzeniem dnia następnego w przypadku centrum energetycznego o zerowym zużyciu energii zintegrowanego z technologią przetwarzania zielonej energii na wodór, z wykorzystaniem teorii decyzyjnej luki informacyjnej i podejścia stochastycznego, z uwzględnieniem elastyczności strony popytowej. Energy Rep. 2023;10:4302–4317. doi: 10.1016/j.egyr.2023.10.053. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- DOE, Krajowa Mapa Drogowa Energii Wodorowej, Departament Energii Stanów Zjednoczonych, 2002 [ Google Scholar ]
- DOE, Inicjatywa na rzecz paliwa wodorowego, Departament Energii USA, 2003 [ Google Scholar ]
- Platforma technologii wodoru i ogniw paliwowych, Partnerstwo na rzecz czystego wodoru, https://www.clean-hydrogen.europa.eu/about-us/our-story_en , 2025
- Mikami J., Watanabe Y., Miyagi E. i Kawai S.. Podstawowa strategia wodorowa w Japonii, w: NO&T Japan Legal Update No.40, Nagashima Ohno & Tsunematsu, 2023 [ Google Scholar ]
- COAG, Australijska krajowa strategia w zakresie wodoru, COAG Energy Council, 2019, https://www.dcceew.gov.au/sites/default/files/documents/australias-national-hydrogen-strategy.pdf [ Google Scholar ]
- Strategia wodorowa dla neutralnej dla klimatu Europy, Komisja Europejska, 2020, https://energy.ec.europa.eu/system/files/2020-07/hydrogen_strategy_0.pdf [ Google Scholar ]
- Europejskie partnerstwo na rzecz technologii wodorowych, Partnerstwo europejskie. https://www.clean-hydrogen.europa.eu/index_en , 2025 [ Google Scholar ]
- DOE, amerykańska krajowa strategia i plan działania w zakresie wodoru, Departament Energii USA, https://www.hydrogen.energy.gov/library/roadmaps-vision/clean-hydrogen-strategy-roadmap , 2025 [ Google Scholar ]
- Krajowa strategia wodorowa ZEA, Ministerstwo Energii i Infrastruktury ZEA, 2023
- Ogłaszamy strategię rozwoju energii wodorowej w Wietnamie. Vietnam Energy Online, https://vietnamenergy.vn/announcing-the-hydrogen-energy-development-strategy-of-vietnam-32233.html
- METI, wizja i działania Japonii w kierunku gospodarki wodorowej. Ministerstwo Gospodarki, Handlu i Przemysłu, 2023, https://www.oecd.org/content/dam/oecd/en/events/2023/3/implications-of-low-carbon-hydrogen-production-on-renewable-energy-systems-webinar/SessionHirokiYoshidaMETIPresentation.pdf [ Google Scholar ]
- FASTECH. „Kalifornia inwestuje 1,4 mld dolarów w rozwój infrastruktury pojazdów elektrycznych i wodorowych”, https://www.fastechus.com/blog/california-boosts-ev-hydrogen-infrastructure (dostęp: 2 marca 2025 r.)
- Van LP Chi KD Duc TN Przegląd technologii wodorowych opartych na mikrosieci: systemy zarządzania energią, wyzwania i przyszłe zalecenia. Int. J. Hydrogen Energy. 2023;48(38):14127–14148. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.12.345. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Benghanem M. i in., Metody produkcji wodoru w oparciu o energię słoneczną i wiatrową: przegląd. Energies. 2023;16(2):757. doi: 10.3390/en16020757. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Shah M. Prajapati M. Yadav K. Sircar A. Przegląd zintegrowanego systemu produkcji wodoru geotermalnego jako zrównoważonego sposobu rozwiązania potencjalnych niedoborów paliwa. J. Clean. Prod. 2022;380:135001. doi: 10.1016/j.jclepro.2022.135001. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Liu G. Sheng Y. Ager JW Kraft M. Xu R. Postępy badań w kierunku produkcji wodoru słonecznego z wody na dużą skalę. EnergyChem. 2019;1(2):100014. doi: 10.1016/j.enchem.2019.100014. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Andrus SR Diffely RJ Alford TL Teoretyczna analiza zielonego wodoru z hydroenergii: studium przypadku systemu rzeki Kolumbia w północno-zachodniej części kraju. Int. J. Hydrogen Energy. 2023;48(22):7993–8001. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.12.345. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Egeland-Eriksen T. Amin H. Sartori S. Systemy oparte na wodorze do integracji energii odnawialnej w systemach energetycznych: osiągnięcia i perspektywy. International Journal of Hydrogen Energy. Int. J. Hydrogen Energy. 2021;46(63):31963–31983. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.06.218. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Steidl S. Peer RAM Alhamwi A. i in., Modelowanie integracji wodoru w miejskich systemach energetycznych oparte na GIS – przegląd systematyczny. Curr. Sustainable/Renewable Energy Rep. 2024;11:85–94. doi: 10.1007/s40518-024-00242-9. [ DOI ] [ Google Scholar ]
- Soleimani A. Hosseini Dolatabadi S. Heidari M. i in., Postęp w dziedzinie pojazdów z ogniwami paliwowymi wodorowymi i obiecujące technologie transportu ekologicznego: ocena międzynarodowa. Model wieloskalowy i wielodyscyplinarny. Eksp. i projekt. 2024;7:3153–3172. doi: 10.1007/s41939-024-00482-8. [ DOI ] [ Google Scholar ]
Maha Awjan Alreshidi a , Krishna Kumar Yadav b, c , G Shoba d , Amel Gacem e , S Padmanabhan f , S Ganesan g , L Guganathan h , Javed Khan Bhutto i , P Saravanan j , Ahmed M Fallatah k , Muhammad A Abo El-Khair l , Jawaher Faisal Almalawi m , Mir Waqas Alam n , C Kavitha o, ✉ , P Tamizhdurai o, ✉ , A Subramani p
Informacje o autorach:
a Wydział Chemii, Wydział Nauk Ścisłych, Uniwersytet w Ha’il, Ha’il 81441, Arabia Saudyjska
b Wydział Nauk o Środowisku, Instytut Nauk Stosowanych Parul, Uniwersytet Parul, Vadodara, Gujarat 391760, Indie
c Grupa badawcza nauk o środowisku i atmosferze, Centrum Badań Naukowych, Uniwersytet Al-Ayen, Nasiriyah, Thi-Qar, Irak
d Wydział Biotechnologii, Dwaraka Doss Goverdhan Doss Vaishnav College (autonomiczny) (stowarzyszony z Uniwersytetem w Madrasie, Chennai), 833, Gokul Bagh, EVR Periyar Road, Arumbakkam, Chennai 600 106, Tamil Nadu, Indie
e Katedra Fizyki, Wydział Nauk, Uniwersytet 20 sierpnia 1955, Skikda, Algieria
f Wydział Inżynierii Mechanicznej, Vel Tech Rangarajan Dr Sagunthala R&D Institute of Science and Technology, Chennai, Tamil Nadu, Indie
g Wydział Inżynierii Mechanicznej, Instytut Nauki i Technologii Sathyabama, Ćennaj, Tamil Nadu, Indie
h Wydział Fizyki, Wydział Inżynierii Saveetha, Instytut Nauk Medycznych i Technicznych Saveetha (SIMATS), Thandalam, Chennai-602105, Tamil Nadu, Indie
i Wydział Elektrotechniki, Wydział Inżynierii, Uniwersytet Króla Khalida, Abha, Arabia Saudyjska
j Wydział Chemii, St. Joseph’s College of Engineering, OMR, Chennai-600119, Tamil Nadu, Indie
k Wydział Chemii, Wydział Nauk Ścisłych, Uniwersytet Taif, Skrytka pocztowa 11099, Taif, 21944, Arabia Saudyjska
l Egipski Instytut Badań Naftowych (EPRI), Nasr City, Kair 11727, Egipt
m Wydział Biologii, Adham University College, Umm Al-Qura University, Mekka 21955, Arabia Saudyjska
Wydział Fizyki, Wydział Nauk Ścisłych, Uniwersytet Króla Faisala, Al Ahsa 31982, Arabia Saudyjska
o Wydział Chemii, Dwaraka Doss Goverdhan Doss Vaishnav College (autonomiczny) (stowarzyszony z Uniwersytetem w Madrasie, Chennai), 833, Gokul Bagh, EVR Periyar Road, Arumbakkam, Chennai 600 106, Tamil Nadu, Indie, E-mail: tamizhvkt2010@gmail.com, E-mail: kavithakandhan@gmail.com
p Wydział Biochemii, Dwaraka Doss Goverdhan Doss Vaishnav College (Autonomous) Arumbakkam, Chennai 600 106, Tamil Nadu, Indie
Czasopismo jest objęte prawami autorskimi © Królewskiego Towarzystwa Chemicznego
Niniejszy artykuł jest dostępny na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Unported . Możesz wykorzystać materiały z tego artykułu w innych publikacjach bez konieczności ubiegania się o dalsze pozwolenia ze strony RSC, pod warunkiem podania prawidłowego podziękowania.
Identyfikator PMCID: PMC12242986 Identyfikator PMID: 40642470
Link do artykułu: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12242986/