Wykorzystanie wodoru jako paliwa: trend XXI wieku / Charles Bronzo Barbosa Farias, Robson Carmelo Santos Barreiros, Milena Fernandes da Silva, Alessandro Alberto Casazza, Attilio Converti i Leonie Asfora Sarubbo

0
574
Shinzo Abe odwiedza obiekt FH2R w marcu 2020 r.
Uważa się, że Fukushima Hydrogen Energy Research Field (FH2R) jest największym na świecie obiektem do produkcji paliwa wodorowego.  Jest to  jednostka do produkcji wodoru klasy 10 MW, otwarta w marcu 2020 r. w Namie w prefekturze Fukushima. Teren zakładu zajmuje 180 000 m2 ( 1 900 000 stóp kwadratowych), z których większość jest zajęta przez panele słoneczne; energia z sieci wykorzystywana jest również do elektrolizy wody do produkcji paliwa wodorowego.

 

Abstrakt

Nieograniczone wykorzystanie paliw kopalnych jest poważnym problemem, który z biegiem lat staje się coraz bardziej widoczny. Ponieważ paliwa te w znacznym stopniu przyczyniają się do zanieczyszczenia środowiska, istnieje potrzeba znalezienia nowych, zrównoważonych źródeł energii o niskiej emisji gazów cieplarnianych. Zmiany klimatyczne stanowią istotne wyzwanie dla środowiska naukowego. Dlatego też wykorzystanie energii odnawialnej poprzez technologie, które oferują maksymalną wydajność przy minimalnym zanieczyszczeniu i emisji dwutlenku węgla, stało się głównym celem. Technologia związana z wykorzystaniem wodoru jako paliwa jest jednym z najbardziej obiecujących rozwiązań dla przyszłych systemów czystej energii. Celem niniejszego przeglądu było przedstawienie przeglądu elementów związanych z potencjalnym wykorzystaniem wodoru jako alternatywnego źródła energii, z uwzględnieniem jego specyficznych właściwości chemicznych i fizycznych, jak również perspektyw zwiększenia udziału paliwa wodorowego w światowej matrycy energetycznej.

 

1. Wstęp

Efekt cieplarniany jest bezpośrednio związany z produkcją energii, która jest sektorem gospodarki o największej emisji dwutlenku węgla (CO 2 ), odpowiadając za 80% emisji na całym świecie [ 1 ]. Paliwa kopalne stanowią największy procent światowej matrycy energetycznej. Paliwa te są wyczerpywalne i wiążą się z ryzykiem związanym z wydobyciem i zużyciem, a także uwalnianiem gazów przyczyniających się do efektu cieplarnianego. Jednak większość źródeł energii na całym świecie to paliwa kopalne. Oczekuje się, że roczny popyt na produkcję ustabilizuje się w perspektywie długoterminowej i średnioterminowej, przy zmniejszeniu produkcji paliw płynnych (w perspektywie średnio- i długoterminowej) oraz węgla (w perspektywie krótko- i średnioterminowej) (Wykres 1 ) [ 2], podążając za trendem na światowych rynkach zgodnie z międzynarodowymi traktatami o redukcji zanieczyszczenia atmosfery [ 1 , 3 , 4 ].
Rysunek 1. Szacunkowa światowa produkcja paliw kopalnych. Zaadaptowano z Veziroğlu i Şahina [ 2 ].
Rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną doprowadziło do jej produkcji w elektrowniach termoelektrycznych. Jednak takie elektrownie wytwarzają jedno z najdroższych źródeł energii i są głównymi konsumentami produktów ropopochodnych, co podkreśla potrzebę znalezienia odnawialnych, opłacalnych ekonomicznie alternatyw [ 5 , 6 , 7 ]. Wytwarzanie energii elektrycznej na większą skalę przy użyciu oleju napędowego, oleju opałowego B1 lub innych paliw ropopochodnych spowodowało poszukiwanie nowych, mniej agresywnych dla środowiska źródeł energii, które zapewniłyby ograniczenie zanieczyszczenia atmosfery i emisji gazów cieplarnianych. gazów, z dodatkowym potencjałem obniżenia kosztów produkcji energii [ 6 ].

2. Wodór jako zrównoważone źródło energii

Wodór może odegrać kluczową rolę w globalnej transformacji energetycznej. Ta zielona energia jest produkowana ze źródeł odnawialnych i ma prawie zerową emisję dwutlenku węgla. Istnieje istotna synergia między przyspieszonym wprowadzaniem energii odnawialnej a produkcją i wykorzystaniem wodoru. Plany wykorzystania wodoru opracowano w Australii [ 8 , 9 ], Brazylii [ 10 ], Francji [ 11 ], Niemczech [ 12 , 13 ], Japonii [ 14 , 15 ], Holandii [ 16 , 17 ], Wielkiej Wielkiej Brytanii [ 18 ] i USA [ 19]. Różne strategie zależą od metod produkcji wodoru i głównych zastosowań uwodornienia zgodnie ze specyfiką każdego kraju [ 20 , 21 ].
W 2014 r. na całym świecie zainwestowano około 286 mld USD w odnawialne źródła energii, co przewyższyło inwestycje w gaz ziemny i węgiel [ 22 ]. Brazylia była jednym z krajów rozwijających się, które w największym stopniu aplikowały kapitał w procesach wykorzystujących odnawialne źródła energii, co odpowiada inwestycji na poziomie około 73%. Spowodowało to zmianę w brazylijskim matrixie energetycznym, gdyż paliwa kopalne, które zdominowały środki produkcji, zaczęły odpowiadać jedynie za 22% produkcji energii elektrycznej [23] .]. Zwiększając wykorzystanie odnawialnych źródeł energii, wodór zaczął być postrzegany jako paliwo, które może zastąpić produkty ropopochodne w przemyśle motoryzacyjnym. Ponadto wodór może zastąpić węgiel jako paliwo do napędzania turbin w elektrowniach termoelektrycznych oraz mógłby służyć do produkcji energii wtórnej, takiej jak elektrownie słoneczne, wiatrowe i wodne [24].
Wodór był szeroko badany w innowacyjnych badaniach analizujących jego wykorzystanie do celów produkcji energii, okazując się obiecującą opcją jako paliwo w ogniwach paliwowych lub jako dodatek do paliw kopalnych [24 , 25 ]. W ten sposób wyłania się jako ważna alternatywa, biorąc pod uwagę, że występuje w największej ilości wśród pierwiastków we wszechświecie, a jego bezpośrednie spalanie prowadzi do dużej ilości energii, emitując tylko parę wodną.

2.1. Właściwości fizyczne wodoru

Atom wodoru został odkryty w 1766 roku przez Henry’ego Cavendisha w wyniku rozkładu wody. Jednak to Antoine Lavoisier nadał mu nazwę. H (wodór) jest powszechnie dostępny, ponieważ około 93% istniejących cząsteczek ma H w swoim składzie. Jako czysty związek chemiczny wodór ma cząsteczkę dwuatomową (H2), jest bezwonny, bez smaku i bezbarwny w standardowych warunkach temperatury (25 °C) i ciśnienia (1 atm) oraz jest nierozpuszczalny w wodzie. Jest gazem palnym, ma dużą zdolność dyfuzji ze względu na mniejszą gęstość niż powietrze i staje się cieczą w temperaturze -253 °C w kriogenicznym systemie magazynowania [ 4 , 5 ].
Wodór ma kilka cech, które czynią go obiecującym paliwem, takich jak duża ilość energii uwalnianej podczas spalania, tj. wysoka wartość opałowa [ 6 , 26 ] ( Tabela 1 ).
Tabela 1. Wartość opałowa różnych paliw w normalnych warunkach temperatury i ciśnienia. Na podstawie Zhao et al. [ 6 ] oraz Ortiz-Imedio i in. [ 26 ].
Wodór jest obecnie stosowany jako paliwo alternatywne w połączeniu z innymi paliwami w pojazdach. Rosnąca idea jego zastosowania wiąże się z wyższą kalorycznością w porównaniu z benzyną, a także ograniczeniem uwalniania szkodliwych związków do atmosfery podczas spalania. Wysoki koszt produktów ropopochodnych popchnął rynek, a także obszar badań i innowacji w kierunku poszukiwania różnych źródeł energii. Ponadto istnieje możliwość zastosowania H 2 w połączeniu z paliwami konwencjonalnymi w silnikach spalinowych ( rys. 2 ) bez znaczących zmian w pojeździe [ 27 , 28 , 29 , 30 , 31 ].
Rysunek 2. Schemat ogniwa wodorowego w silniku spalinowym. Zaadaptowano z Al-Rousan [ 31 ].
Wodór ma największą ilość energii na jednostkę masy ze wszystkich paliw, co oznacza, że ​​1 g H ma taką samą ilość energii jak 2,8 g benzyny. Po schłodzeniu do stanu ciekłego to paliwo o małej masie cząsteczkowej zajmuje objętość 700 razy mniejszą niż w stanie gazowym. Jego gęstość (0,08967 kg/m 3 ) jest 14,4 razy mniejsza niż powietrza (1,2928 kg/m 3 ) [ 4 ].
Płomień wodorowy ma bardzo wysoki gradient termiczny, przy znacznie większej gęstości energii (38 kWh/kg) w porównaniu z benzyną (14 kWh/kg). Ponieważ energia potrzebna do zapalenia mieszanki powietrze/wodór wynosi tylko 0,04 mJ, podczas gdy energia węglowodorów wynosi 0,25 mJ, H 2 jest niezwykle łatwopalny w powietrzu (między 4% a 75% na objętość powietrza) i w pewnych warunkach samorzutnie może nastąpić spalanie [ 5 ].
Do użytku publicznego wodór musi mieć ten sam poziom zaufania, co nie wiąże się z większym ryzykiem niż paliwa konwencjonalne. Właściwości fizyczne mające wpływ na bezpieczeństwo wodoru porównano w tabeli 2 z właściwościami benzyny, propanu i metanu (CH 4 ) [ 4 , 6 , 32 , 33 ].
Zgodnie z literaturą, gdy wodór jest stosowany jako dodatek do paliw kopalnych, ważna jest znajomość jego poziomu reaktywności dla początku spalania, czyli miejsca, w którym rozwija się płomień [33 , 34 ].
W związku z rosnącym zainteresowaniem wodorem gazowym opracowano badania dotyczące projektowania nowatorskich ogniw paliwowych oraz zastosowania H 2 N w silnikach spalinowych do bezpośredniego zastosowania w przemyśle motoryzacyjnym. Niektóre ustalenia wykazały zmniejszenie zużycia paliwa w silnikach benzynowych wraz z wprowadzeniem H 2 w systemie dopuszczenia. W badaniach tych autorzy stwierdzili, że wprowadzenie wodoru do silników spalinowych można przeprowadzić bez istotnych zmian konstrukcyjnych pojazdu, co skutkuje zwiększeniem momentu obrotowego silnika oraz zmniejszeniem emisji tlenku węgla i niespalonych węglowodorów wraz ze zmniejszeniem jednostkowego zużycia paliwa [ 28 , 29 ,35 ].
W latach 2009-2013 w Laboratorium Wsparcia Technologii we współpracy z firmą badawczo-rozwojową HOD opracowano badania ilościowe energii dotyczące potencjału ekspansji mechanicznej wytwarzanej przez wodór podczas jego przemiany molekularnej podczas zapłonu. Systemy bezpieczeństwa zostały opracowane w celu zapobiegania wybuchom, ponieważ prędkość płomienia gazowego wodoru w obecności tlenu jest tysiąc razy większa niż benzyny [ 36 , 37 , 38 , 39 ].
Te urządzenia regulujące wodór w cyklu spalania silników spalinowych wynikają z tzw. efektu „flashback”, ponieważ takie urządzenia są niezwykle ekspansywne podczas spalania. Bardzo często czas zamknięcia wartości wejściowej jest niewystarczający i iskra palącego się gazu powraca do przewodu zasilającego, przemieszczając się do butli lub źródło dociera do ogniwa wytwarzającego wodór, powodując katastrofalne skutki, jak to miało miejsce w badaniach opracowanych przez Laboratorium Wsparcia Technologicznego. Na podstawie tych doświadczeń opracowano i połączono z łożyskiem osiowym cylindrów urządzenie, którego celem było uzyskanie relacji czasów wydechu i dolotu koordynowanych przez zespół kół zębatych zdolnych do wtrysku do pompy dwusuwowej frakcja wodoru, która zostałaby następnie wpuszczona w momencie aspiracji, unikając w ten sposób retrospekcji. Wyprowadzenie tej technologii może kiedyś zostać zastosowane do wspomaganego wodorem układu wtrysku oleju opałowego w przyszłych badaniach w skali laboratoryjnej [40 , 41 ].

2.2. Właściwości chemiczne wodoru

Z chemicznego punktu widzenia atom wodoru (H) jest bardzo reaktywny i dlatego trudno go znaleźć w naturze w postaci wolnej pierwiastka. W zwykłych temperaturach wodór nie jest bardzo reaktywny, chyba że został w jakiś sposób aktywowany, podczas gdy do dysocjacji cząsteczki wodoru na atomy wodoru wymagane są bardzo wysokie temperatury. W naturze wodór jest związany głównie z atomami tlenu lub węgla.
Aby otrzymać wodór ze związków naturalnych, potrzebny jest wydatek energetyczny. Dlatego wodór należy uznać za nośnik energii – środek magazynowania i przesyłania energii z pierwotnych źródeł energii. Atom wodoru ma również silną zdolność redukującą w temperaturze pokojowej. Na przykład może reagować z licznymi tlenkami lub chlorkami metali, w tym Ag, Cu, Pb, Bi i Hg, z solami, takimi jak azotany, azotyny, cyjanek sodu i cyjanek potasu, uwalniając wolne metale oraz z zestawem zarówno metaliczne, jak i niemetaliczne pierwiastki, takie jak N, Na, K i P, wytwarzające odpowiednie wodorki. Z siarką tworzy zestaw wodorków, z których najprostszym jest H 2 S [ 42 ].
H może również reagować z substancjami organicznymi, tworząc złożoną mieszaninę produktów. Na przykład, w reakcji z H, etan i butan mogą powstać z etenu. Wodór może również gwałtownie reagować z utleniaczami, takimi jak podtlenek azotu, z halogenami, takimi jak F 2 i Cl 2 oraz z nienasyconymi węglowodorami, takimi jak etyn, wydzielając duże ilości ciepła. W wyniku reakcji między wodorem a tlenem podczas spalania lub w procesach elektrochemicznych służących do wytwarzania energii, jako produkt reakcji powstaje para wodna. Taką reakcję, niezwykle powolną w warunkach środowiskowych, można przyspieszyć za pomocą katalizatora, takiego jak platyna lub iskra elektryczna. Z punktu widzenia bezpieczeństwa ważna jest jednak ocena odmiennych właściwości wodoru, takich jak dyfuzja, w porównaniu z paliwami tradycyjnymi.
Dyfuzja wodoru w powietrzu jest szybsza niż w przypadku innych paliw gazowych. Jego współczynnik dyfuzji wynosi 61 m 2 s −1 , co świadczy o dużej szybkości dyspersji, co jest najważniejszą kwestią związaną z bezpieczeństwem jego stosowania. Jeśli chodzi o płynność (gęstość) wodoru, w standardowych warunkach jest on szybszy niż metanu, propanu i oparów benzyny. Wodór i metan mają podobne właściwości, na przykład są bezbarwne, bezwonne, bez smaku i nietoksyczne. Jego palność jest proporcjonalna do jego stężenia i jest wyższa niż metanu i innych paliw [ 43 , 44 ].
Granica palności mieszanek zawierających wodór w obecności utleniaczy zależy od takich czynników jak energia zapłonu, ciśnienie, temperatura, zastosowanie rozcieńczalników oraz wielkość i konfiguracja instalacji, wyposażenia lub urządzenia. Mieszaniny można rozcieńczać dowolnym składnikiem, aż stężenie spadnie poniżej dolnej granicy palności (LFL). Granica palności w powietrzu atmosferycznym wynosi 4-75% obj. dla wodoru, 4,3-15% obj. dla metanu i 1,4-7,6% obj. dla benzyny. Gdy stężenie przekracza wartość LFL, bardzo mała ilość energii może zapalić wodór ze względu na jego niską energię zapłonu (0,02 mJ). Natomiast energia zapłonu benzyny i metanu wynosi odpowiednio 0,24 i 0,28 mJ. Mieszaniny te wykonano stosując dane stechiometryczne. Kiedy jest zamknięty,−1 ) w porównaniu z oparami benzyny (0,42 ms −1 ) i metanem (0,38 ms −1 ). Płomień powietrzno-wodorowy jest gorętszy niż płomień metanu i chłodniejszy niż płomień benzyny w identycznych warunkach stechiometrycznych (odpowiednio 2207, 1917 i 2307°C) [45 ] .

3. Międzynarodowa normalizacja wodoru

Badanie brazylijskich norm ujawniło ogromną wiedzę na temat wykorzystania wodoru, a także zestaw kompleksowych międzynarodowych norm dotyczących jego bezpiecznego stosowania jako paliwa. Ankieta została przeprowadzona w celu uzyskania wiedzy na temat norm ukierunkowanych na ograniczenie emisji gazów, odpowiedzialnych głównie za efekt cieplarniany oraz bezpieczeństwo korzystania z tej zielonej alternatywy. Znaleźliśmy kilka organizacji, które wykonały znakomitą pracę, starając się utrzymać światowy standard procedur, które ułatwiają operacjonalizację/zrozumienie wykorzystania wodoru jako obecnego i przyszłego paliwa. Poniżej przytaczamy kilka przykładów.
Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO) [ 46 ], reprezentowana w Brazylii przez Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Normy dotyczące wodoru wydane w latach 1999 i 2010 to ISO 13984, 13985, 14687-1, 16110-1, 16110-2, 16111, 17268, 22734-1 i 26142, ISO/TS 14687-2 i 15869, do do których możemy dodać m.in. ISO/PAS 15594, ISO/TR 15916, NBR ISO/TS 20100, ABNT/CEE-067, ISO/TC 197, IEC/T 105, ABNT/CB-003 oraz ABNT NBR ISO 16110 .
Za pośrednictwem swojej komisji ds. bezpieczeństwa Stowarzyszenie Ogniw Paliwowych i Energii Wodorowej (FCHEA) publikuje raport zawierający informacje na temat rozwoju kodeksów i norm dotyczących ogniw paliwowych i wodoru, a także powiązanych kwestii bezpieczeństwa.
Partnerstwo publiczno-prywatne Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) jest jedyną firmą w tej dziedzinie, która wspiera badania, rozwój technologii i demonstracje technologii ogniw paliwowych i energii wodorowej w Europie. Jego celem jest przyspieszenie wprowadzania takich technologii na rynek, służąc jako instrument do osiągnięcia czystego systemu energetycznego i reprezentując Komisję Europejską oraz przemysł ogniw paliwowych i wodoru. FCH UJ jest również reprezentowana przez środowisko naukowe.
Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) jest światowym liderem w opracowywaniu i wydawaniu światowych norm dotyczących technologii elektrycznych, elektronicznych i pokrewnych, w tym wykorzystujących wodorowe ogniwa paliwowe do wytwarzania energii mechanicznej, powołując się np. na normę IEC/T 105 do akumulatorów paliwowych. Wraz z ISO i Międzynarodowym Związkiem Telekomunikacyjnym (ITU), IEC jest jedną z siostrzanych organizacji opracowujących globalne standardy i współpracujących w celu zapewnienia idealnego dopasowania i harmonizacji norm międzynarodowych. Wspólne komitety dbają o to, aby światowe normy były zgodne z całą odpowiednią wiedzą specjalistów, którzy pracują w pokrewnych dziedzinach. Tabela 3 zawiera listę niektórych norm występujących w literaturze [ 46 , 47 ].

4. Perspektywy wykorzystania wodoru

Zrównoważony rozwój środowiskowy zastosowany w systemach wytwarzania energii oraz doskonała poprawa jakości życia tych, którzy korzystają ze zrównoważonych systemów, stanowią siłę napędową dostarczania światu czystej, bezpiecznej i niezawodnej energii [ 48 ].
Na przestrzeni lat i przy stałym wzroście liczby ludności zapotrzebowanie na energię na całym świecie wzrastało wraz ze wzrostem gospodarczym. W XX wieku populacja ludzka wzrosła sześciokrotnie, a wraz z tym zużycie energii wzrosło 80-krotnie [ 49 , 50 ].
Ponieważ tendencja zmierza do ulepszeń technologicznych zasobów wykorzystywanych do produkcji energii, wszystko wskazuje na to, że efektywność będzie rosła, powodując wzrost całkowitego zużycia tego surowca w następujący sposób: wzrost efektywności energetycznej czyni energię tańszą i zwiększa wzrost gospodarczy. W obecnej sytuacji prawie 80 % całkowitej podaży energii i prawie 65 % produkcji energii elektrycznej jest uzależnione od paliw kopalnych (węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny) [ 51 ] . Istnieje kilka powodów, dla których wodór powinien być paliwem alternatywnym lub częściowym, co poprawia efektywność energetyczną w porównaniu z paliwami kopalnymi.
Jednym z głównych powodów jest jego nietoksyczność dla środowiska, co oznacza, że ​​eksploatacja H 2 nie ma wpływu na środowisko, ponieważ jako produkt spalania w powietrzu powstaje jedynie woda. Można go łatwo przenosić liniami przesyłowymi w postaci energii elektrycznej. Inne powody to możliwość recyklingu i rozsądny koszt w stosunku do gęstości energetycznej. W różnych regionach koszt wodoru waha się w granicach od 0,8 do 4 USD / kg w zależności od technologii i kosztów surowców [ 51 , 52 ].
Wzrost zapotrzebowania na wykorzystanie wodoru jest proporcjonalny do celów narzucanych przez politykę sektorów rządowych i wdrażania systemu produkcji, ułatwiającego komunikację pomiędzy stronami zaangażowanymi w ten proces. Na rysunku 3 przedstawiono możliwe zastosowania i zastosowanie H2 Wykorzystanie H 2 w perspektywie średnio- i długoterminowej wykazuje tendencję wzrostową proporcjonalną do jego zapotrzebowania i zastosowania, co czyni go cennym i łatwo dostępnym surowcem w przyszłości [ 53 ].
Rysunek 3. Możliwe zastosowania i wykorzystanie wodoru.
W literaturze opisano niektóre długoterminowe scenariusze zastosowań H2, które podają zakresy produkcji energii z wykorzystaniem wodoru jako paliwa w gigawatach (GW) i/lub Terawatach (TWh) rocznie oraz rodzaj zastosowania. Można przytoczyć trzy kategorie przyszłego wykorzystania i zastosowania H 2 zgodnie z każdym zapotrzebowaniem:
  •  Zastosowanie w istniejących procesach przemysłowych wykorzystujących H 2 jako surowiec, charakteryzujących się dużym zapotrzebowaniem na H 2 w swoich procesach;
  • Zastosowanie w sektorze transportowym, gdzie to paliwo jest już wykorzystywane, chociaż obecnie zapotrzebowanie na tankowanie na stacjach H 2 jest niskie, co wskazuje na większą liczbę stacji paliw i większą liczbę pojazdów H 2 dla tego wzrostu wykorzystania;
  • Zużycie proporcjonalne do objętości: wielkość do produkcji energii cieplnej w systemach dystrybucji gazu poprzez mieszanie w sieci dystrybucji gazu metanu lub 100% H 2 ;
  • Zmiana regulacyjna dotycząca przyszłego wykorzystania H 2 musi być jednak regulowana przez każdy z tych sektorów niezależnie i/lub za pomocą zestawu środków polityki mających na celu wzrost popytu na wykorzystanie iw konsekwencji produkcję H 2 na całym świecie [ 53 ].
Po dziesięcioleciach traktowania go jako źródła energii o sporym potencjale na przyszłość, ale z istotnymi wyzwaniami technologicznymi i rynkowymi, wodór stał się strategicznym celem rządów i firm na całym świecie. Oczekuje się, że rynek wodoru nabierze rozpędu dzięki postpandemicznej (COVID-19) polityce energetycznej na rzecz ożywienia gospodarczego, a także przyspieszy transformację energetyczną w różnych krajach.
W 2019 roku światowy rynek wodoru ocenił swoją wartość z ekonomicznego punktu widzenia, odpowiadając łącznie od 118 mld USD do 136 mld USD  Ponadto w nadchodzących latach spodziewany jest znaczny wzrost rynku, który może sięgnąć od 160 mld USD do blisko 200 mld USD [ 54 , 55 , 56 ].
W 2018 roku światowe zapotrzebowanie na wodór wyniosło 115 mln ton, z czego 73 mln ton odpowiadało czystemu H 2. Produkcja amoniaku do nawozów oraz rafinacja ropy naftowej odpowiadały za 96% zapotrzebowania na czysty H 2. Zapotrzebowanie na H 2 w mieszaninach z innymi gazami wyniosło 42 mln ton, z czego produkcja metanolu stanowiła 29%, bezpośrednia redukcja w hutnictwie (DRI) 7%, a pozostała część na inne zastosowania. Rysunek 4 przedstawia ewolucję zapotrzebowania na czysty H 2 oraz w mieszaninach z innymi gazami na zastosowanie [ 21 ].
Rysunek 4. Trend zużycia wodoru w okresie od 1980 do 2018 r. DRI: bezpośrednia redukcja w hutnictwie. Zaadaptowano z IRENA [ 59 ].
Aby zapewnić zrównoważone ekonomicznie środowisko, systemy energetyczne powinny spełniać szereg wymagań społecznych w zakresie przystępnych cen, a mianowicie łagodzenie skutków zmian klimatycznych, redukcję emisji niebezpiecznych zanieczyszczeń oraz strategię stopniowego ograniczania wykorzystania ropopochodnej matrycy energetycznej . Niezastosowanie się do tych wymagań wpłynie nie tylko na gospodarkę i środowisko, ale także na zdrowie ludzi. Dlatego należy podejmować inicjatywy stymulujące efektywniejsze wykorzystanie energii o podaży proporcjonalnej do rozwoju źródeł bezemisyjnych [ 56 , 57 ].
Systemy rurociągów wodorowych ciągnące się przez setki kilometrów znajdują się w kilku krajach i regionach i działają bezawaryjnie przez wiele lat. Podobnie transport wodoru ciężarówkami ma długą historię. Pomimo tych konwencjonalnych zastosowań, które istnieją od dziesięcioleci, wykorzystanie wodoru jest dość skromne. Jego znaczeniu dla transformacji energetycznej prawdopodobnie będą towarzyszyć nowe zastosowania, a jego dostawy powinny być najlepiej zdekarbonizowane. Na całym świecie nastąpił wzrost liczby domowych ogniw paliwowych, do końca 2018 r. zainstalowano ich około 225 000. Krajem przodującym pod względem tych zastosowań jest Japonia, która odpowiada za około 98% takich jednostek. W celach informacyjnych możemy przytoczyć niektóre dane z istniejącego rynku według IEA, takie jak sprzedaż w 2018 roku około 2500, 000 pojazdów elektrycznych. Ponadto na koniec tego samego roku globalna flota pojazdów elektrycznych zasilanych ogniwami paliwowymi osiągnęła poziom 11,2 tys. sztuk, a sprzedaż osiągnęła poziom ok. 4000 sztuk. Aby spojrzeć na te liczby z właściwej perspektywy, Rada ds. Wodoru przewiduje, że do 2025 r. powstanie 3000 stacji wodorowych, co wystarczyłoby do zasilania około dwóch milionów pojazdów elektrycznych napędzanych ogniwami paliwowymi [21 , 58 ].
Według Rady Wodorowej [ 52 ] w 2020 r. energia wodorowa była wykorzystywana w znacznym stopniu i była w stanie zaspokoić 8% światowego zapotrzebowania na energię, przy koszcie produkcji bliskim 2,50 USD / kg. Dzięki temu prognozowana jest redukcja kosztów produkcji H 2 na rok 2030 o około 1,80 USD / kg, a tym samym zaspokojenie światowego zapotrzebowania na energię o około 15%. Rada Wodorowa [ 52 ] stwierdziła również, że do końca 2050 r. popyt i podaż H2 wyniosą 10 heksadżuli (EJ) rocznie, a następnie popyt będzie wzrastał o około 50-10% rocznie. Ponadto H2 byłby w stanie zaspokoić 18% światowego zapotrzebowania na energię w roku 2050. Tym samym w przyszłości powinien stać się atrakcyjnym konkurentem w systemie energetycznym ze względu na niski koszt produkcji, niską gęstość energii i niską emisję [ 51 , 60 ] .

5. Produkcja wodoru

Klimat jest głównym motorem wykorzystania wodoru w transformacji energetycznej. Globalne ocieplenie o nie więcej niż 2°C wymaga około 25% redukcji emisji CO 2 do roku 2030 w stosunku do poziomu z 2010 r., do zera do roku 2070 [ 61 ]. Rozsądna zmiana polegająca na ograniczeniu globalnego ocieplenia do mniej niż 1,5°C wymagałaby zmniejszenia antropogenicznych emisji CO 2 o 45% do 2030 r. w porównaniu z poziomem z 2010 r., osiągając zero dwie dekady później. Pomimo tych celów CO 2emisje związane z energią wzrosły ostatnio i odpowiadają za dwie trzecie światowej emisji gazów cieplarnianych. Zatem transformacja energetyczna jest pilnie potrzebna, aby zerwać związek między rozwojem gospodarczym a wzrostem emisji dwutlenku węgla [ 21 , 62 , 63 ].
2 odegra kluczową rolę w wysiłkach na rzecz redukcji emisji w nadchodzących dziesięcioleciach. Międzynarodowa Agencja Energii Odnawialnej (IRENA) (REmap) wskazuje na 6% udział w całkowitym zużyciu energii do roku 2050 [ 21 ], podczas gdy Rada Wodorowa sugeruje, że do tego samego roku można by osiągnąć udział na poziomie 18 % [ 64 ].
Obecnie roczna produkcja H 2 wynosi około 1,2 × 10 8 ton, z czego 66,7% to czysty H 2 , a 33,3% jest zmieszany z innymi gazami. Według statystyk Międzynarodowej Agencji Energii odpowiada to 14,4 EJ, czyli około 4% całkowitego zużycia. Większość H 2 (95%) jest wytwarzana z węgla i gazu ziemnego, a pozostała część jako produkt uboczny przy produkcji chloru na drodze elektrolizy. Gaz koksowniczy ma również wysoką zawartość H2, który jest częściowo odzyskiwany Chociaż obecny H 2produkcja z biomasy jest znikoma, to wkrótce może się zmienić. Większość wodoru jest wytwarzana i wykorzystywana lokalnie w przemyśle. Rynek koncentruje się głównie na syntezie amoniaku i rafinacji ropy naftowej, odpowiadając za 66,67% zużycia H 2 ( wykres 4 ). Amoniak jest wykorzystywany jako nawóz i do produkcji innych produktów chemicznych. W rafineriach naftowych H 2 jest wykorzystywany do produkcji paliwa transportowego z ropy naftowej [ 65 , 66 ].
2 jest wytwarzany na różne sposoby w zależności od surowca. Ponadto projektowanie systemów energetycznych H 2 zależy od lokalizacji, rodzaju zapotrzebowania, ceny źródeł energii oraz dostępności energii pierwotnej. W typowej analizie produkcji wodoru i dystrybucji różnych surowców szacowany koszt opiera się na prawie identycznych ilościach energii jednego galona benzyny i jednego kg H 2 . Koszt produkcji wodoru różni się znacznie w zależności od rodzaju technologii i kanału dystrybucji. Według ankiety przeprowadzonej w 2004 r. całkowity koszt jednego kg wahał się od 1,91 USD za H 2 wytwarzany z węgla i rozprowadzany rurociągiem do 6,58 USD za ten wytwarzany metodą elektrolizy [45 , 67 ].

6. Magazynowanie i transport wodoru

Magazynowanie wodoru to metoda stosowana do przechowywania wodoru do późniejszego wykorzystania. Jest to jedna z podstawowych barier w jego powszechnym stosowaniu jako nośnika energii. Magazynowanie wodoru zapewnia czystą i zrównoważoną formę energii i nie ma wpływu na środowisko [ 68 ]. Możliwymi sposobami przechowywania są przechowywanie H2 w stanie ciekłym, przechowywanie H2 w sprężonym gazie i przechowalnie H2 w stanie stałym ( Rysunek 5 ).
Rysunek 5. Magazynowanie wodoru w okresie od 1980 do 2018 roku. Zaadaptowano z Singla et al. [ 68 ].
Magazynowanie wodoru jest bardzo ważne ze względu na jego szeroki zakres zastosowań, począwszy od energii stacjonarnej i przenośnej, a skończywszy na transporcie. Jednakże, ponieważ gęstość w temperaturze otoczenia jest niska, energia na jednostkę objętości jest również niska; dlatego konieczne jest opracowanie ulepszonej metody magazynowania, która może zwiększyć gęstość energii.
Wodór może być fizycznie przechowywany w postaci gazu lub cieczy [ 69 ].
Przechowywanie fizyczne oznacza przechowywanie go w postaci molekularnej. Opcje przechowywania H 2 w postaci cząsteczkowej to zbiorniki na ciekły H 2 i zbiorniki na sprężony gaz H 2 . Ciekły H 2 można przechowywać w procesie sprężania i chłodzenia w zbiornikach w systemach kriogenicznych; Przewiduje się, że wymagana praca wyniesie 15,2 kWh/kg, gęstość objętościowa 70,8 kg/m3, a wielkość zbiornika ma wpływ na gęstość grawitacyjną. Zwykle do przechowywania H 2 jako gazu wymagany jest zbiornik wysokociśnieniowy (350–700 barów) [ 70 ].
Obecnie wodór jest najczęściej przechowywany w postaci gazu lub cieczy w zbiornikach do zastosowań mobilnych i stacjonarnych na małą skalę. Jednak sprawne funkcjonowanie wielkoskalowych i międzykontynentalnych łańcuchów wartości H 2 w przyszłości będzie wymagało znacznie szerszego zakresu opcji magazynowania. Na przykład w terminalu eksportowym może być wymagane magazynowanie wodoru przez krótki okres przed wysyłką [ 71]. Na stacjach benzynowych pojazdów wymagane jest przechowywanie wodoru przez wiele godzin, podczas gdy przechowywanie kilku dni lub tygodni pomogłoby użytkownikom stawić czoła możliwym niedopasowaniom podaży i popytu. Długoterminowe opcje magazynowania byłyby potrzebne, gdyby wodór miał być wykorzystywany do sprostania dużym sezonowym zmianom w dostawach energii elektrycznej lub zapotrzebowaniu na ciepło. Najbardziej odpowiednia metoda przechowywania zależy od objętości, która ma być przechowywana, czasu przechowywania, szybkości rozładunku i geograficznej dostępności różnych opcji. Ogólnie jednak składowanie geologiczne jest najlepszą opcją długoterminowego składowania na dużą skalę, podczas gdy zbiorniki najlepiej nadają się do składowania krótkoterminowego [ 71 ].
Zbiorniki, w których przechowywany jest sprężony lub skroplony wodór, odznaczają się wysokim współczynnikiem rozładowania i sprawnością na poziomie około 99%, dzięki czemu nadają się do zastosowań, w których lokalna dostawa paliwa lub surowca musi być łatwo dostępna. Wodór sprężony pod ciśnieniem 700 barów ma tylko 15% gęstości energetycznej benzyny; w związku z tym magazynowanie równoważnej ilości energii na stacji benzynowej wymagałoby prawie siedmiokrotnie większej przestrzeni. Jeśli chodzi o pojazdy, a nie stacje paliw, zbiorniki sprężonego wodoru mają większą gęstość energii niż akumulatory litowo-jonowe, a zatem pozwalają na większy zasięg w samochodach osobowych lub ciężarówkach niż jest to możliwe w przypadku pojazdów elektrycznych na baterie. Trwają badania mające na celu znalezienie sposobów na zmniejszenie rozmiaru zbiorników, co byłoby szczególnie przydatne na obszarach gęsto zaludnionych.2 kompresji [ 71 ].
Groty solne, warstwy wodonośne i wyczerpane złoża gazu ziemnego lub ropy naftowej są możliwymi opcjami długoterminowego przechowywania wodoru [ 72 , 73 ]. Są one obecnie wykorzystywane do magazynowania gazu ziemnego i zapewniają znaczne korzyści skali, wysoką wydajność (ilość zatłaczanego H 2 podzielona przez ilość możliwą do wydobycia) oraz niskie koszty eksploatacji [ 74 ]. Podczas gdy magazynowanie geologiczne stwarza dobre perspektywy długoterminowego magazynowania wodoru na dużą skalę, rozmieszczenie geograficzne, wielkość i wymagania dotyczące minimalnego ciśnienia sprawiają, że jest to mniej odpowiednie do krótkoterminowego magazynowania na mniejszą skalę [ 73 ] . W przypadku tych zastosowań zbiorniki są najbardziej obiecującą opcją [ 71 ].
Jak opisano powyżej, magazynowanie wodoru w stanie ciekłym ma pewne wady, podczas gdy stan gazowy wymaga dużej objętości fizycznej, wysokich kosztów, wysokiego zużycia energii, wysokiego ciśnienia, bardzo niskiej temperatury i, co najważniejsze, kwestii bezpieczeństwa, które sprawiają, że nie nadające się do zastosowań komercyjnych [ 51 ]. Dlatego też, ze względu na różne problemy związane z magazynowaniem H 2 w stanie ciekłym i gazowym, jego przechowywanie środkami chemicznymi zwróciło uwagę naukowców, ponieważ zmniejsza istotne ciśnienie magazynowania i zwiększa pojemność objętościową [68 ].
W chemicznej metodzie przechowywania wodór można przechowywać w materiałach w stanie stałym. Chociaż technologia ta znajduje się na wczesnym etapie rozwoju, może pozwolić na przechowywanie H o jeszcze większej gęstości pod ciśnieniem atmosferycznym  [ 51 ]. W ostatnich dziesięcioleciach materiały półprzewodnikowe były przedmiotem licznych badań. Zbadano różne materiały w poszukiwaniu odpowiedniego materiału, który spełnia wymagania określone przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych (US-DOE), takie jak pojemność magazynowania ponad 8% masy i zdolność operacyjna 40–85 ° C [ 75 , 76]. Do tego celu dostępnych jest kilka materiałów, takich jak sorbenty, wodorki metali lekkich i złożone wodorki metali. W systemach sorbentowych, takich jak materiały na bazie C i metaloorganiczne ramy, wodór jest łączony z powierzchnią poprzez fizysorpcję. Systemy te wymagają bardzo niskiej temperatury roboczej, co jest praktycznie niewykonalne, a ich pojemność magazynowania nie jest tak dobra [ 77 ]; dlatego wodorki metali lekkich i złożone wodorki metali są obiecującymi metodami, ponieważ wymagają odpowiednich temperatur roboczych i dobrej zdolności magazynowania H 2 zgodnie z celami US-DOE [ 78 ]. Koszt napełnienia zbiornika o ciśnieniu 700 barów jest znacznie wyższy (1,94 USD / kg H 2 ) niż ten ( 1,23 USD/kg H 2 )) zbiornika wodorku metalu. Tak więc porównanie wszystkich technologii przechowywania wodoru, wodorków metali i ogniw paliwowych w pojazdach elektrycznych wydaje się być najbardziej obiecującymi opcjami magazynowania [ 79 ]. Transport i magazynowanie wodoru na dużą skalę jest kwestią do rozwinięcia, w związku z czym brakuje opracowań dotyczących kosztów. W przyszłości należy poszukiwać nowych katalizatorów zdolnych do zwiększenia szybkości kinetyki sorpcji H 2 .
Ponadto, aby ocenić aspekty ekonomiczne, należy wziąć pod uwagę dwa rodzaje systemów magazynowania wodoru: (i) zastosowania transportowe oraz (ii) zastosowania stacjonarne. Każdy z nich ma inne potrzeby i wady. W dającej się przewidzieć przyszłości sektor transportu będzie najważniejszym zastosowaniem gospodarki H2 Wymagania dotyczące przechowywania wodoru w zastosowaniach transportowych są bardziej rygorystyczne niż w przypadku zastosowań stacjonarnych [ 51 ].
Wymagania dla sektora transportowego są następujące: obniżenie temperatury roboczej, niskie ciśnienie robocze, konieczność odwracalności wielu cykli wodoru, absorpcja i uwalnianie, szybka kinetyka, wysoka gęstość grawitacyjna i objętościowa H 2 oraz koszt magazynowania H 2 poniżej 15 funtów / kg. Obecnie nie ma dostępnego systemu magazynowania wodoru, który spełniałby wszystkie te warunki. Zastosowania stacjonarne mają mniej ograniczeń dla materiałów magazynujących H 2 w porównaniu z zastosowaniami transportowymi, ponieważ mogą pracować w wysokich temperaturach i ciśnieniach, mogą zajmować dużą powierzchnię i mogą mieć wolniejszą kinetykę. Jednak przechowywanie H 2 do użytku stacjonarnego również wiąże się z wieloma wyzwaniami [ 51 , 68 ].
Opcje magazynowania sprężonego gazu i ciekłego wodoru nie spełniają większości warunków opisanych powyżej. Z drugiej strony postępy w materiałach do przechowywania H 2 w stanie stałym mogą mieć znaczący pozytywny wpływ na gospodarkę wodorową, tak aby jego bezpieczne i wydajne wytwarzanie, przechowywanie i użytkowanie mogło spełnić cel US-DOE 2020 dotyczący magazynowania energii H 2 pod względem gęstości składowania, która nie została jeszcze spełniona, aby całkowicie zastąpić paliwa kopalne [ 68 ].

7. Produkcja zielonego wodoru

Rosnąca potrzeba dekarbonizacji systemu energetycznego oraz najnowsze perspektywy redukcji emisji gazów cieplarnianych zostały potwierdzone przez zakończoną niedawno Konferencję Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu 2021 (COP26) w Glasgow [67 ] .
Zielony wodór, wytwarzany ze źródeł odnawialnych, jest najbardziej odpowiedni dla całkowicie zrównoważonej transformacji energetycznej. Do jej uzyskania stosuje się wiele technologii, ale najczęściej stosowaną, uzyskiwaną przy użyciu odnawialnej energii elektrycznej, jest elektroliza wody. Produkcja zielonego H 2 poprzez elektrolizę to droga, która pozwala na wykorzystanie synergii potrzebnych sektorowi, zmniejszając w ten sposób koszty stosowanej technologii i zapewniając elastyczność systemu elektroenergetycznego. Przy obniżonych kosztach przy użyciu niewielkiej technologii produkcja zielonego H 2 była coraz częściej badana i produkowana, a wraz z tym koszty jej produkcji mają tendencję do proporcjonalnego zmniejszania się. W rezultacie coraz większą uwagę zwraca się na zielony H2 wytwarzany w procesie elektrolizy wody [ 80].
Ponieważ zielony wodór jest odnawialnym źródłem energii w dłuższej perspektywie i może być magazynowany, może być wykorzystywany jako zamiennik węglowodorów jako paliwo w mobilności ludzi, w wytwarzaniu energii cieplnej oraz jako ekologiczny surowiec do zastosowań przemysłowych. Jednak w dłuższej perspektywie najczęściej stosowane metody jej pozyskiwania nie należą do najpowszechniejszych ze względu na uzgodnione cele energetyczne i klimatyczne. Obecnie jedną z ważnych działalności gospodarczych na całym świecie jest dostarczanie H 2 do około 90% branż użytkowników; o jego znaczeniu świadczy fakt, że w 2018 roku jego podaż przekroczyła 74 mln ton, co odpowiada wzrostowi popytu o ponad trzysta procent w porównaniu z 1975 rokiem. Obecnie H 2 jest generowany głównie przez kraking paliw kopalnych, około 6% z gazu ziemnego i 2% z węgla, dlatego nazywany jest szarym wodorem i brązowym wodorem [ 81 , 82 , 83 , 84 ].
Zielony wodór można alternatywnie wytwarzać z biomasy poprzez gazyfikację i pirolizę, które jednak są nadal bardzo kosztowne [ 85 ], lub, co jest jeszcze droższe, poprzez elektrolizę H2O z wykorzystaniem energii wiatrowej lub fotowoltaicznej [ 85 , 86 ]. Badanie FCH przeprowadzone na „zielonym wodorze” [ 87 ] rozpoznało około dziesięciu różnych opcji wytwarzania H 2 ze źródeł odnawialnych, przy czym wykorzystanie biogazu jest najtańsze i najbardziej obiecujące, ponieważ składa się głównie z CH 4jako surowiec do jego produkcji, a także dwutlenek węgla. Chociaż jest podobny do procesu konwersji pary, powinien być stosowany w mniejszych ilościach w porównaniu z istniejącymi jednostkami do produkcji biogazu, ponieważ jest w stanie wyprodukować około 0,25 Nm 3 ·s -1 CH 4 , w porównaniu z 25 do 30 Nm 3 ·s – 1 , gdy jest stosowany na dużą skalę. W 2014 roku w Europie było ponad 17 tysięcy biogazowni o mocy ponad 8000 MW [ 88 ]. W następnym roku UE wyprodukowała 15,6 Mt energii pierwotnej z biogazowni, przy rocznym wzroście > 5% w porównaniu z poprzednią dekadą [ 89 ].
Jednak Niemcy i Włochy mają około 75% małych i średnich biofermentatorów beztlenowych o mocy do 1 MW, w których surowcami do produkcji biogazu są liście, resztki pożniwne i obornik zwierzęcy, podczas gdy Wielka Brytania produkuje biogaz głównie z instalacji zainstalowanych w większe składowiska. Inne prace wykazały już, że ten proces technologiczny jest ekonomicznie opłacalny w produkcji wodoru [ 90 ]. Ponadto, ponieważ biogaz ma podobny skład do gazu ziemnego, nie wymaga znaczących zmian w systemowym procesie reformingu parowego. Reformatory parowe lub autotermiczne posiadają konwencjonalne procesory paliwowe, składające się z 1 lub 2 stopni do wymiany gazu wodnego w celu zwiększenia stężenia wodoru w reformowanym strumieniu, a także zmiennociśnieniowy adsorber do oddzielania i oczyszczania H 2. Alternatywne, niekonwencjonalne techniki stosowane do produkcji wodoru z CH 4 obejmują plazmowy reforming słoneczny lub termiczny, a także rozszczepianie katalityczne [ 87 , 91 , 92 ]. H 2 można również wytwarzać poprzez reforming parowy biogazu w szerokim zakresie temperatur (od 600 do 1000 °C), w obszarze odwracalnych reakcji endergonicznych, które często obejmują zdarzenia połączonej katalizy.
Każdy z tych procesów można prowadzić pod niskim lub barometrycznym ciśnieniem w reaktorze ze stałą rurą lub ze złożem fluidalnym [ 91 , 93 , 94 ]. Główną różnicą między CH 4 a reformingiem parowym biogazu jest obecność CO 2 w składzie tego ostatniego gazu, co sprawia, że ​​jednostka jest bardzo wrażliwa na tworzenie się C w warunkach pracy ze względu na jego konsekwentne osadzanie się zarówno na nośniku, jak i katalizatorze. Osadzaniu się węgla można w tym drugim przypadku zapobiec, zasilając system nadmiarem pary, którą następnie można odzyskać na wylocie za pomocą kondensacji [ 95 ].
Większość badań przeprowadzonych nad produkcją zielonego H 2 z biogazu opisuje eksperymenty, w których do symulacji składu biogazu wykorzystano syntetyczne mieszaniny dwutlenku węgla i metanu, podczas gdy tylko nieliczne z nich wykorzystują rzeczywisty biogaz wytwarzany w procesie beztlenowej fermentacji biomasy odpadowej [ 96 , 97 ].
Większość pełnowymiarowych beztlenowych fermentatorów działa w temperaturach mezofilnych (24 do 45°C) lub termofilnych (45 do 65°C), podczas gdy trudno jest znaleźć zastosowania psychrofilne [98 , 99 , 100 , 101 ] . Jednak bakterie tolerujące zimno, często posiadające enzymy o umiarkowanej do niskiej optymalnej temperaturze, są przedmiotem komercyjnego zainteresowania ze względu na możliwość ich stosowania w niskich temperaturach i stabilność termiczną ich enzymów. Niektóre badania opisywały możliwość wytwarzania H 2 w stosunkowo niskich temperaturach (np. od 4 do 9°C) [ 102 ]. Biorąc pod uwagę powyższe, technologię tę można uznać za obiecującą metodę produkcji H 2 nawet w bardzo zimnym klimacie [103 ].
Inny zrównoważony sposób produkcji wodoru opiera się na wykorzystaniu mikroalg, które mają dwa ważne naturalne katalizatory: fotosystem II i hydrogenazę, używane do rozszczepiania wody i łączenia protonów i elektronów w celu wytworzenia odpowiednio H 2 . Około 20 lat temu produkcja H 2 była ukierunkowana na produkcję fotobiologiczną przy użyciu protokołu siarkowego, co stanowiło ważny postęp w tej dziedzinie biotechnologii. Biorąc jednak pod uwagę, że strategia ta nie była ekonomicznie opłacalna, przeprowadzono dalsze badania z różnymi szczepami mikroalg zdolnych do wytwarzania zrównoważonych ilości H 2 bez głodu składników odżywczych [ 104 ]. Najbardziej obiecującym podejściem był „dwuetapowy proces” fotosyntezy (etap 1) i H2 produkcja (etap 2). W tym procesie reakcje wytwarzania tlenu i wodoru są rozdzielone [ 105 ]. W tym celu zbadano kilka gatunków mikroglonów, zwłaszcza Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris i Chlorella pyrenoidosa [ 104 ]. Wśród nich C. reinhardtii jest mikroorganizmem modelowym uznanym za wydajnego producenta H 2 dzięki hydrogenazie o aktywności od 10 do 100 razy większej niż inne gatunki [ 106 ].
Produkcja H 2 wymaga optymalizacji kilku parametrów, takich jak wybór szczepu mikroglonów, pożywki wzrostowej, pH, temperatury, światła, stężenia chlorofilu i fotobioreaktora [ 107 , 108 ]. Wiele prac opisuje produkcję H 2 przez wiele szczepów mikroalg przy użyciu pożywki ubogiej w siarkę, fosfor lub azot [ 109 , 110 ]. Jednak w tych warunkach produkcja H 2 trwa tylko kilka dni, ponieważ wyczerpanie makro/mikroelementów pogarsza żywotność komórek, co jest główną wadą procesów prowadzonych w warunkach niedoboru składników odżywczych. Ponadto H2produkcja przez mikroglony wymaga warunków beztlenowych ze względu na wrażliwość hydrogenazy na O 2 [ 111 ], co stanowi poważny problem. Dlatego przeprowadzono wiele badań nad tłumieniem tlenu w celu poprawy wydajności H2 . Inżynieria genetyczna i metaboliczna mikroglonów, optymalizacja warunków świetlnych pod wpływem składników odżywczych i eliminacja współbieżnych ścieżek przez elektrony to przykłady zastosowań usprawniających taki proces [ 104 ].

8. Międzynarodowy rynek wodoru

Na uwagę zasługuje również międzynarodowy rynek wodoru, chociaż pod względem wartości ekonomicznej stanowi on mniej niż 10% całego rynku H 2 . Według danych Observatory of Economic Complexity, w 2017 r. w handlu międzynarodowym H 2 wyniosło około 11,75 mld USD. Głównymi eksporterami były Stany Zjednoczone ( 2,22 mld USD), Chiny (1,75 mld USD ) , Niemcy ( 1,33 mld USD ) mld USD), Korei Południowej (1,29 mld USD ) i Norwegii (580 mln USD ) , natomiast największymi importerami były Chiny ( 2,78 mld USD), Japonia (1,71 mld USD ) , Niemcy ( $921 mln), Koreę Południową (789 mln USD ) i inne kraje azjatyckie (800 mln USD ) . Udział Brazylii wyniósł 335 mln USD w eksporcie i 61 mln USD w imporcie [ 54 , 63 , 65 ].
H2 zapowiada się na nowy surowiec, pokazujący, że można go kupować i sprzedawać. Nowe perspektywy dla producentów gazu ziemnego, w tym Kanady, Iranu, Norwegii, Kataru, Rosji i USA, wynikają z możliwości przetwarzania zielonego H 2 na syntetyczny gaz ziemny (wykorzystujący dwutlenek węgla ze spalania biomasy lub zawarty w powietrzu) ​​i wysyłania go do rynku (poprzez istniejącą infrastrukturę) oraz przekształcanie gazu ziemnego w niskoemisyjny H 2 (poprzez reforming parowo-metanowy oraz wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla). Ponieważ H 2 można tanio wytwarzać na odległych obszarach pustynnych i łatwo dotrzeć na rynki, można go również postrzegać jako nową szansę gospodarczą w regionach takich jak Bliski Wschód i Afryka Północna. Wreszcie konwersja na H2 stworzyłaby również nowe perspektywy gospodarcze dla krajów silnie uzależnionych od importu paliw kopalnych, takich jak Argentyna, Australia, Chile i Chiny.

9. Wnioski i perspektywy

Badanie wodoru umożliwia identyfikację głównych motorów powstawania nowych technologii związanych z wytwarzaniem czystej energii. Aspekty te są wyraźnie związane z ekonomią i charakterystyką wodoru jako nośnika energii, który obejmuje produkcję z różnych źródeł i wykorzystanie przy bardzo niskim wpływie na środowisko. Głównymi krajami, które wykazały zainteresowanie wdrożeniem tego nowego źródła energii, są kraje o najwyższym zapotrzebowaniu na energię, a co za tym idzie, o najwyższym poziomie emisji gazów cieplarnianych. Gospodarka wodorem jest również rozwiązaniem kwestii bezpieczeństwa energetycznego spowodowanego ogromnym uzależnieniem tych krajów od importowanych paliw kopalnych oraz jest opcją strategiczną w krajach posiadających inne źródła energii.
Ważnymi elementami gospodarki wodorowej są jej produkcja, dostawa, magazynowanie, konwersja i zastosowanie Do produkcji H2 można stosować różne metody, takie jak częściowe utlenianie węglowodorów, reforming parowo-metanowy, zgazowanie węgla, zgazowanie biomasy, piroliza, elektroliza oraz metoda termochemiczna. Technologie elektrolizy i energii słonecznej są najbardziej obiecującymi metodami z ekologicznego punktu widzenia. Z drugiej strony metody magazynowania wodoru wymagają dalszych badań i rozwoju. Wodór jest trudny do magazynowania i transportu, co różni się od innych rodzajów energii, takich jak energia elektryczna czy baterie. Przechowywanie wodoru wymaga szczególnej ostrożności, ponieważ jest on wysoce łatwopalny i łatwo ulega utlenieniu w zbiornikach i rurociągach. Jak omówiono w niniejszym przeglądzie, wodór można przechowywać w postaci gazu, cieczy lub ciała stałego, przy czym ten ostatni sposób jest najbardziej obiecujący i akceptowalny. W tym sensie, produkcja wodoru poprzez elektrolizę wody i jej magazynowanie w formie jonowej (elektrochemiczne magazynowanie wodoru) może być zaproponowana jako bezpieczniejsza i bardziej opłacalna ścieżka, wykazując, że systemy hybrydowe obejmujące kombinację źródeł odnawialnych i ogniw paliwowych mogą zaspokoić zapotrzebowanie na energię w przyszłości. W okresie przejściowym na rynek wodoru potrzebne są nowoczesne procesy podtrzymywania zgazowania, pochłaniania dwutlenku węgla oraz opracowywania nowych, wydajnych i ekonomicznych procesów elektrochemicznych. Analiza ekonomiczna łańcucha otrzymywania wodoru wyraźnie pokazuje, że koszt produkcji wodoru jest najważniejszym czynnikiem w porównaniu z innymi czynnikami, takimi jak koszty utylizacji i magazynowania. Dlatego wybierając bardziej obiecujące i zrównoważone metody produkcji i przechowywania, dominujące znaczenie paliw kopalnych w systemach energetycznych może zostać zredukowane, aby świat w końcu wkroczył w erę wodoru. Na koniec należy podkreślić, że zaufanie jest kluczem do zwiększenia wykorzystania ogniw paliwowych i innych technologii opartych na wodorze. Ten wzrost zaufania społeczności można znacznie zwiększyć poprzez zwiększenie reklamy produktów, marketing i rozwój projektów edukacyjnych, które pozwalają na akceptację wodoru jako paliwa.

Autorskie Wkłady

Konceptualizacja, CBBF; walidacja, CBBF, RCSB, MFdS, LAS, AAC i AC; pisanie — przygotowanie oryginalnego projektu, CBBF; pisanie — recenzja i redakcja, CBBF, MFdS, LAS, AAC i AC; wizualizacja, CBBF, RCSB, MFdS, LAS, AAC i AC; nadzór, LAS; administracja projektami, RCSB; pozyskanie finansowania, RCSB Wszyscy autorzy przeczytali i zaakceptowali opublikowaną wersję manuskryptu.

Finansowanie

Badanie to zostało sfinansowane przez Programa de Pesquisa e Desenvolvimento da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL)/Thermoelectric ENERGÉTICA SUAPE II SA oraz brazylijskie agencje rozwoju Fundação de Apoio à Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco (FACEPE), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) i Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) (kod finansowy 001).

Podziękowanie

Autorzy są wdzięczni Instituto Avançado de Tecnologia e Inovação (IATI) w Brazylii.

Konflikt interesów

Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.

Bibliografia

  1. Weidner, T.; Yang, A.; Hamm, MW Optymalizacja energetyczna fabryk roślin i szklarni dla różnych warunków klimatycznych. Przetwarzanie energii. Manag. 2021 , 243 , 114336. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  2. Veziroğlu, TN; Şahin, S. Energia XXI wieku: System energii wodorowej.Przetwarzanie energii. Manag. 2008 , 49 , 1820–1831. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  3. Burke, A.; Fishel, S. Traktat o eliminacji węgla 2030: Szybkie śledzenie zmian klimatycznych, globalne zdrowie i bezpieczeństwo.Earth System Gov. 2020 , 3 , 100046. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  4. Nicolay, S.; Karpuk S.; Liu, Y.; Elham, A. Projekt koncepcyjny i optymalizacja samolotu lotnictwa ogólnego z ogniwami paliwowymi i wodorem.Int. J. Hydrog. Energia 2021 , 46 , 32676–32694. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  5. Estevão, TER Wodór jako paliwo. Magister, Wydział Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu w Porto, Porto, Portugalia, 2008. [ Google Scholar ]
  6. Zhao, L.; Wang, D.; Qi, W. Badanie porównawcze rozcieńczania powietrza i rozcieńczania powietrza wzbogaconego w wodór stosowanych w silniku ZI zasilanym izobutanolem-benzyną. Int. J. Hydrog. Energia 2020 , 45 , 10895–10905. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  7. Davies, A.; Simmons, MD Zapotrzebowanie na „uprzywilejowane” węglowodory podczas transformacji energetycznej XXI wieku. Reprezentant Energii 2021 , 7 , 4483–4497. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  8. Boretti, A. Produkcja wodoru na eksport z energii wiatrowej i słonecznej, gazu ziemnego i węgla w Australii. Int. J. Hydrog. Energia 2020 , 45 , 3899–3904. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  9. Bruce S.; Temminghoff, M.; Hayward, J.; Schmidt, E.; Munnings, C.; Palfreyman, D.; Hartley, P. National Hydrogen Roadmap. Organizacja Badań Naukowych i Przemysłowych Wspólnoty Narodów. Dostępne w Internecie: http://doi.org/10.25919/5b8055bc08acb (dostęp: 9 grudnia 2021 r.).
  10. Nadaleti, WC; Santos, Wielka Brytania; Lourenço, VA Potencjał i ekonomiczna opłacalność produkcji wodoru z wykorzystania nadwyżek energii elektrowni wodnych i wiatrowych w Brazylii: krajowa i pionierska analiza. Int J. Energia wodorowa 2020 , 45 , 1373–1384. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  11. Francja przedstawia krajowy plan dotyczący wodoru jako narzędzie transformacji energetycznej. Byk ogniw paliwowych. 2018 , 2018 , 10. [ CrossRef ]
  12. Zielone plany wodorowe dla regionu Niemiec w ramach inicjatywy GET H2. Byk ogniw paliwowych. 2019 , 2019 , 11–12. [ Odnośnik krzyżowy ]
  13. Michalski, J.; Bünger, U.; Crotogino, F.; Donadei S.; Schneider, GS; Pregger, T.; Cao, K.-K.; Heide, D. Wytwarzanie wodoru przez elektrolizę i magazynowanie w kawernach solnych: potencjały, aspekty ekonomiczne i systemowe w odniesieniu do niemieckiej transformacji energetycznej. Int. J. Hydrog. Energia 2017 , 42 , 13427–13443. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  14. Behling, N.; Williams, MC; Managi, S. Ogniwa paliwowe i rewolucja wodorowa: analiza planu strategicznego w Japonii. Ekon. Analny. Polityka 2015 , 48 , 204–221. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  15. Li, Y.; Shi, X.; Phoumin, H. Strategiczny plan działania na rzecz demonstracji i komercjalizacji zielonego wodoru na dużą skalę w Chinach: przegląd i analiza ankiet. Int. J. Hydrog. Energia 2021 , (w druku). [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  16. Barrett, S. Gasunie planuje pierwszą elektrownię wodorową P2G o mocy 1 MW w Holandii. Byk ogniw paliwowych. 2017 , 8 , 14–20. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  17. Delpierre, M.; Quist, J.; Mertens, J.; Prieur-Vernat, A.; Cucurachi, S. Ocena wpływu na środowisko produkcji wodoru z wiatru w Holandii przy użyciu analizy ex-ante LCA i scenariuszy. J. Czysty. Szturchać. 2021 , 299 , 126866. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  18. Cowell, R.; Webb, J. Tworzenie użytecznej wiedzy na temat dekarbonizacji ciepła: wnioski z lokalnego planowania energetycznego w Wielkiej Brytanii. Odporność na energię soc. nauka 2021 , 75 , 102010. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  19. Yousif, M.; Hamad, TA; Hamad, AAA; Agll, SGB; Bauer, C.; Clum, A.; Shivaprasad, N.; Thomas, M.; Sheffield, JW Projekt produkcji i dystrybucji wodoru dla północno-wschodnich Stanów Zjednoczonych wraz z harmonogramem rozwoju infrastruktury. Int. J. Hydrog. Energia 2014 , 39 , 9943–9961. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  20. Nadaleti, WC; Lourenço, Wirginia; Americo, G. Zielone ścieżki i alternatywy oparte na wodorze: w kierunku przejścia na energię odnawialną w regionach Ameryki Południowej — część A. Int. J. Hydrog. Energia 2021 , 46 , 22247–22255. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  21. IRENA. Wodór: perspektywa energii odnawialnej . 2019. Dostępne w Internecie: https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2019/Sep/IRENA_Hydrogen_2019.pdf (dostęp: 9 grudnia 2021 r.).
  22. IRENA. REmap: Mapa drogowa dla przyszłości energii odnawialnej. 2016. Dostępne w Internecie: https://www.irena.org/publications/2016/Mar/REmap-Roadmap-for-A-Renewable-Energy-Future-2016-Edition (dostęp: 9 grudnia 2021 r.).
  23. Vieira, B.; Nadaleti, WC; Sarto, E. Efekt dodania oleju rycynowego do pozostałości oleju sojowego w celu uzyskania biodiesla w Brazylii: dywersyfikacja matrycy energetycznej. Odnowić. Energia 2021 , 165 , 657–667. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  24. Oliveira, TD; Gurgel, AC; Tonry, S. Potencjalni partnerzy handlowi brazylijskiego systemu handlu emisjami: skutki powiązania z regionem rozwiniętym (Europa) i dwoma regionami rozwijającymi się (Ameryka Łacińska i Chiny). Techno. Prognoza. soc. Zmiana 2021 , 171 , 2021–120947. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  25. Dagdougui, H.; Ouammi, A.; Sacile, R. Regionalny system wspomagania decyzji w zakresie produkcji odnawialnego wodoru na miejscu ze źródeł energii słonecznej i wiatrowej. Int. J. Hydrog. Energia 2011 , 36 , 14324–14334. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  26. Ortiz-Imedio, R.; Ortiz, A.; Ortiz, I. Kompleksowa analiza spalania paliw niskoemisyjnych (wodór, metan i gaz koksowniczy) w silniku o zapłonie postojowym za pomocą modelowania CFD. Przetwarzanie energii. Manag. 2022 , 251 , 114918. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  27. Balat, H.; Kirtay, E. Wodór z biomasy — obecny scenariusz i perspektywy na przyszłość. Int. J. Hydrog. Energia 2010 , 35 , 7416–7426. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  28. Sarıkoç, E. Wpływ dodatku H 2 do mieszanki metanolu i benzyny na silnik ZI przy różnych wartościach lambda i obciążeniach silnika: przypadek charakterystyki wydajności, spalania i emisji. Paliwo 2021 , 297 , 120732. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  29. Sierens, R.; Rosseel, E. Mieszanki wodoru i gazu ziemnego o zmiennym składzie w celu zwiększenia wydajności silnika i zmniejszenia emisji. W Proceedings of the Spring Engine Technology Conference, Fort Lauderadale, Floryda, USA, 26 kwietnia 1998 r. 98-ICE-105. [ Google Scholar ]
  30. Cracknell, RF; Alcock, JL; Rowson, JJ; Shirvill, Kalifornia; Üngüt, A. Względy bezpieczeństwa w sprzedaży detalicznej wodoru. SAE Tech. Papka. 2002 , 1 , 1928. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  31. Al-Rousan, AA Zmniejszenie zużycia paliwa w silnikach benzynowych poprzez wprowadzenie gazu HHO do kolektora dolotowego. Int. J. Hydrog. Energia 2010 , 35 , 12930–12935. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  32. Schoenung, S. Alternatywy dla pojazdów napędzanych wodorem: analiza opracowana dla Międzynarodowej Agencji Energii. SAE Tech. Papka. 2001 , 01 , 2528. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  33. Taghavifar, H.; Nemati, A.; Salvador, FJ; Morena, JdL 1D ocena energii, egzergii i osiągów turbodoładowanego silnika wysokoprężnego/wodorowego RCCI przy różnych poziomach oleju napędowego, wodoru, stosunku ciśnień sprężarki i czasu spalania. Int. J. Hydrog. Energia 2021 , 46 , 22180–22194. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  34. Yilmaz, AC; Uludamar, E.; Aydin, K. Wpływ dodatku gazu hydroksylowego (HHO) na osiągi i emisję spalin w silnikach o zapłonie samoczynnym. Int. J. Hydrog. Energia 2010 , 35 , 11366–11372. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  35. Sadeghzadeh, K.; Salehi, MB Analiza matematyczna rozwiązań rozwoju strategicznych technologii ogniw paliwowych w przemyśle motoryzacyjnym metodą wielokryterialnego podejmowania decyzji TOPSIS. Int. J. Hydrog. Energia 2011 , 36 , 13272–13280. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  36. Yang, X.; Wang, T.; Zhang, Y.; Zhang, H.; Wu, Y.; Zhang, J. Wpływ wodoru na gaszenie płomienia płomieni wzbogaconych w wodór metan/powietrze: ocena z punktu widzenia bezpieczeństwa spalania. Energia 2022 , 239 , 122248. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  37. Wang, LQ; Mamo, HH; Shen, ZW; Chen, DG Eksperymentalne badanie DDT w mieszaninach wodoru, metanu i powietrza w rurce wypełnionej kwadratowymi otworami. Proces. bezpieczny Otaczać. 2018 , 116 , 228–234. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  38. Gürsu, S.; Szeryf, SA; Vezirocglu, TN; Sheffield, JW Przegląd technologii produkcji i wykorzystania wodoru w błocie. Int. J. Hydrog. Energia 1994 , 19 , 491–496. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  39. Ciccarelli, G.; Ginsberg, T.; Boccio, J.; Economos, C.; Sato, K.; Kinoshita, M. Pomiary wielkości komórek detonacyjnych i przewidywania w mieszaninach wodoru z powietrzem i parą wodną w podwyższonych temperaturach. Spalanie. Płomień 1994 , 99 , 212–220. [ Google Scholar ] [ CrossRef ][ Wersja zielona ]
  40. Motores, CIC Apostila de Motores a Combustão Interna ; Universidade Federal de Pelotas: Pelotas, Brazylia, 2013. [ Google Scholar ]
  41. Cai, P.; Zhang, C.; Jing, Z.; Peng, Y.; Jing, J.; Sun, H. Wpływ mieszania oleju napędowego Fischera-Tropscha z petrochemicznym olejem napędowym na spalanie i emisje silnika wysokoprężnego Common Rail. Paliwo 2021 , 305 , 121587. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  42. Haynes, WM Handbook of Chemistry and Physics , wyd. 95; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2014; s. 4–17. [ Google Scholar ]
  43. Souza, MMVM Tecnologia do Hidrogênio ; Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro: Editora Synergia: Rio de Janeiro, Brazylia, 2008; s. 154–196. [ Google Scholar ]
  44. Wu, HW; Wu, ZY Charakterystyki spalania i wyznaczanie optymalnych współczynników metodą Taguchiego dla silników Diesla z dolotowym wtryskiem wodoru. Energia 2012 , 47 , 411–420. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  45. Chauhan, NS; Singh, VK Podstawy i wykorzystanie wodoru jako paliwa. ISST J. Mech. inż. 2015 , 6 , 63–68. [ Google Scholar ]
  46. ISO — Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna. Dostępne online: https://www.iso.org/home.html (dostęp: 21 stycznia 2020 r.).
  47. Yang, Y.; Wang, G.; Zhang, S.; Zhang, L.; Lin, L. Przegląd standardów wodoru dla Chin. E3S Sieć konf. 2019 , 118 , 03032. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  48. Felseghi, RA; Carcadea, E.; Raboaca, MS; Trufin, CN; Filote, C. Technologia wodorowych ogniw paliwowych dla zrównoważonej przyszłości zastosowań stacjonarnych. Energies 2019 , 12 , 4593. [ Google Scholar ] [ CrossRef ][ Wersja zielona ]
  49. Apostolou, D.; Xydis, G. Przegląd literatury na temat stacji i infrastruktury tankowania wodoru, stan obecny i prospekt emisyjny na przyszłość. Odnowić. Podtrzymywać. Energy Rev. 2019 , 113 , 109292. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  50. Dincer, I.; Acar, C. Inteligentne rozwiązania energetyczne z opcjami wodoru. Int. J. Hydrog. Energia 2018 , 43 , 8579–8599. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  51. Sharma, S.; Agarwal S.; Jain A. Znaczenie wodoru jako paliwa ekonomicznego i ekologicznego. Energies 2021 , 14 , 7389. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  52. Rada Wodorowa. Droga do konkurencyjności wodoru z perspektywy kosztów ; Rada ds. Wodoru: Bruksela, Belgia, 2020 r.; s. 1–88. [ Google Scholar ]
  53. Newborough, M.; Cooley, G. Zmiany na światowym rynku wodoru: uzasadnienie wdrożenia elektrolizera oraz strategie i polityki dotyczące odnawialnego wodoru. Byk ogniw paliwowych. 2020 , 2020 , 16–22. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  54. Badania Grand View. Dostępne w Internecie: http://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/green-hydrogen-market (dostęp: 31 lipca 2021 r.).
  55. Rynki i rynki. Dostępne w Internecie: http://www.marketsandmarkets.com/PressReleases/hydrogen.asp (dostęp: 3 czerwca 2021 r.).
  56. Rozmiar i udział w rynku wytwarzania wodoru: prognozy przemysłu w Ameryce Północnej, Europie i regionie Azji i Pacyfiku na rok 2026. Koncentracja na katalizatorach 2021 , 9 , 2. [ CrossRef ]
  57. Upham, P.; Bögel, P.; Dütschke, E.; Burghard, U.; Oltra, C.; Sala, R.; Lores, M.; Brinkmann, J. Rewolucja jest warunkowa? Warunkowość oczekiwań dotyczących wodorowych ogniw paliwowych w pięciu krajach europejskich. Odporność na energię soc. nauka 2020 , 70 , 101722. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  58. Staffell, I.; Oszust, D.; Velazquez, AA; Balcombe, P.; Dodds, PE; Ekins, P.; Szach, N.; Ward KR Rola wodoru i ogniw paliwowych w światowym systemie energetycznym. Środowisko Energetyczne. nauka 2019 , 2 , 463–491. [ Google Scholar ] [ CrossRef ][ Wersja zielona ]
  59. IRENA. Międzynarodowa Agencja Energii Odnawialnej. Wodór: perspektywa energii odnawialnej . 2019. Dostępne w Internecie: https://www.irena.org/publications/2019/Sep/Hydrogen-A-renewable-energy-perspective (dostęp: 9 grudnia 2021 r.).
  60. Rada Wodorowa. Skalowanie wodoru, zrównoważona ścieżka globalnej transformacji energetycznej ; Rada Wodorowa: Bruksela, Belgia, 2017; s. 1–80. [ Google Scholar ]
  61. Djalante, R. Kluczowe oceny ze specjalnego raportu IPCC na temat globalnego ocieplenia o 1,5°C i implikacji dla ram z Sendai w zakresie redukcji ryzyka związanego z klęskami żywiołowymi. Wałówka. Nauka o katastrofach. 2019 , 1 , 100001. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  62. UNEP. Raport o luce w emisjach 2018. UNEP — program ochrony środowiska ONZ. Dostępne w Internecie: https://www.unep.org/resources/emissions-gap-report-2018 (dostęp: 4 maja 2021 r.).
  63. Rada Wodorowa. Skalowanie wodoru. Dostępny online: https://hydrogencouncil.com/wp-content/uploads/2017/11/Hydrogen-scaling-up-Hydrogen-Council.pdf (dostęp: 24 maja 2021 r.).
  64. UKE. Wodór w Malezji. OEC — Obserwatorium Złożoności Gospodarczej. Dostępne w Internecie: https://oec.world/en/profile/bilateral-product/hydrogen/reporter/mys?redirect=true (dostęp: 4 sierpnia 2021 r.).
  65. Wiktorsson, L.; Heinonen, JT; Skulason, JB; Unnthorsson, R. Krok w kierunku gospodarki wodorowej — analiza kosztów cyklu życia stacji tankowania wodoru. Energies 2017 , 10 , 763. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  66. Aschilean, I.; Rasoi, G.; Raboaca, MS; Filote, C.; Culcer, M. Projekt i koncepcja systemu energetycznego opartego na źródłach odnawialnych dla zrównoważonego rolnictwa szklarniowego. Energies 2018 , 11 , 1201. [ Google Scholar ] [ CrossRef ][ Wersja zielona ]
  67. ONU. Wiadomości ONZ: perspektywa globalna, historie ludzi. Dostępne w Internecie: https://news.un.org/en/ (dostęp: 31 grudnia 2021 r.).
  68. Singla, MK; Nijhawan, P.; Oberoi, AS Technologia paliw wodorowych i ogniw paliwowych dla czystszej przyszłości: przegląd. Otaczać. nauka Zanieczyszczenie. Rez. 2021 , 28 , 15607–15626. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  69. Dündar-Tekkaya, E.; Yürüm, Y. Mezoporowaty materiał MCM-41 do przechowywania wodoru: krótki przegląd. Int. J. Hydrogen Energy 2016 , 41 , 9789–9795. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  70. Zhu, J.; Dai, L.; Yu, Y.; Cao, J.; Wang, L. Bezpośrednia droga elektrochemiczna od tlenków do stopu magazynującego wodór TiMn 2 . Podbródek. J. Chem. inż. 2015 , 23 , 1865–1870. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  71. Międzynarodowa Agencja Energetyczna. Przyszłość wodoru. Raport przygotowany przez IEA, Japonia. 2019. Dostępne online: http://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen (dostęp: 9 grudnia 2021).
  72. HyUnder. Ocena potencjału, aktorów i odpowiednich uzasadnień biznesowych dla wielkoskalowego i długoterminowego magazynowania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych przez podziemne magazynowanie wodoru w Europie (streszczenie wykonawcze). 2–14. Dostępne w Internecie: http://hyunder.eu/wp-content/uploads/2016/01/D8.1_HyUnder-Executive-Summary.pdf (dostęp: 9 grudnia 2021 r.).
  73. Zgonnik, V. Występowanie i nauka o Ziemi naturalnego wodoru: kompleksowy przegląd. Nauka o Ziemi. 2020 203 , 103140. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  74. Bünger, U.; Landinger, H.; Pschorr-Schoberer, E.; Schmidt, P.; Weindorf W.; Jöhrens, J.; Lambrecht U.; Naumann, K.; Lischke, A. Power-to-Gas (PtG) w transporcie: status quo i perspektywy rozwoju. Zgłoś się do Federalnego Ministerstwa Transportu i Infrastruktury Cyfrowej (BMVI), Niemcy. 2014. Dostępne w Internecie: https://www.bmvi.de/SharedDocs/EN/Documents/MKS/mks-studie-ptg-transport-status-quo-and-perspectives-for-development.pdf?__blob=publicationFile (dostęp w dniu 9 grudnia 2021 r.).
  75. Sakintuna, B.; Lamari-Darkrim, F.; Hirscher, M. Materiały wodorków metali do przechowywania stałego wodoru: przegląd. Int. J. Hydrog. Energia 2007 , 32 , 1121–1140. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  76. Sreedhar, I.; Kamani, KM; Kamani, BM; Reddy, BM; Venugopal, A. Spojrzenie z lotu ptaka na procesowe i inżynieryjne aspekty magazynowania wodoru. Odnowić. Podtrzymywać. Energy Rev. 2018 , 91 , 838–860. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  77. Suh, poseł; Park, HJ; Prasad, TK; Lim, DW Magazynowanie wodoru w ramach metaloorganicznych. chemia Rev. 2012 , 112 , 782–835. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  78. Jain, A.; Agarwal S.; Ichikawa, T. Katalityczne strojenie kinetyki sorpcji lekkich wodorków: przegląd materiałów i mechanizmu. Katalizatory 2018 , 8 , 651. [ Google Scholar ] [ CrossRef ][ Wersja zielona ]
  79. Frank, ED; Elgowainy, A.; Khalid, YS; Peng, J.-K.; Reddi, K. Koszty stacji tankowania dla zbiorników do przechowywania wodorków metali na pokładzie pojazdów napędzanych wodorowymi ogniwami paliwowymi. Int. J. Hydrog. Energia 2019 , 44 , 29849–29861. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  80. Rao, PMP; Jhala, PP Projekt: Zielone źródło energii wodorowej przyszłości analiza scenariusza technologicznego. Preprint 2021 . [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  81. Dincer, I. Zielone metody produkcji wodoru. Int. J. Hydrog. Energia 2012 , 37 , 1954–1971. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  82. Międzynarodowa Agencja Energetyczna. Przyszłość wodoru ; Międzynarodowa Agencja Energii: Paryż, Francja, 2019. [ Google Scholar ]
  83. Jowan, DJ; Dolanc, G. Czy produkcja ekologicznego wodoru może być ekonomicznie opłacalna w obecnych warunkach rynkowych. Energie 2020 , 13 , 6599. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  84. Karp, IM Hydrogen: stan wiedzy i kierunki przyszłego wykorzystania. Int. J. Biosens. Bioelektron. 2021 , 7 , 25–28. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  85. Nikolaidis, P.; Poullikkas, A. Przegląd porównawczy procesów produkcji wodoru. Int. J. Hydrog. Energia 2017 , 67 , 597–611. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  86. Dincer, I.; Acar, C. Przegląd i ocena metod produkcji wodoru dla lepszego zrównoważonego rozwoju. Int. J. Hydrog. Energia 2015 , 40 , 11094–11111. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  87. Albrecht U.; Altmann, M.; Barth, F.; Bünger, U.; Kruche, D .; Lanoix, J.-C.; Pschorr-Schoberer, E.; Vanhoudt, W.; Weindorf W.; Zerta, M.; i in. Badanie nad wodorem ze źródeł odnawialnych w UE ; FCH: Bruksela, Belgia, 2015. [ Google Scholar ]
  88. Europejskie Stowarzyszenie Biogazu. Sprawozdanie roczne ; European Biogas Association: Bruksela, Belgia, 2015. [ Google Scholar ]
  89. Di Marcoberardino, G.; Witalij D.; Spinelli, F.; Binotti, M.; Manzolini, G. Zielona produkcja wodoru z surowego biogazu: techniczno-ekonomiczne badanie konwencjonalnych procesów z wykorzystaniem jednostki adsorpcyjnej zmiennociśnieniowej. Procesy 2018 , 6 , 19. [ Google Scholar ] [ CrossRef ][ Wersja zielona ]
  90. Braga, LB; Silveira, JL; da Silva, JA; Tuńczyk, CE; Machin, EB; Pedroso, DT Produkcja wodoru przez reforming parowy biogazu: analiza techniczna, ekonomiczna i ekologiczna. Odnowić. Podtrzymywać. Energia Rev. 2013 , 28 , 166–173. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  91. Holladay, JD; Hu, J.; Król, DL; Wang, Y. Przegląd technologii produkcji wodoru. Katal. Dzisiaj 2009 , 139 , 244–260. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  92. Binotti, M.; Di Marcoberardino, G.; Biassoni, M.; Manzolini, G. Produkcja wodoru słonecznego z cyklem termochemicznym tlenków ceru. Konferencja AIP proc. 2017 , 1850 , 100002. [ Google Scholar ] [ CrossRef ][ Wersja zielona ]
  93. Göransson, K.; Söderlind, U.; On, J.; Zhang, W. Przegląd produkcji gazu syntezowego za pomocą DFBG z biomasy. Odnowić. Podtrzymywać. Energy Rev. 2011 , 15 , 482–492. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  94. Ugarte, P.; Durán, P.; Lasobras, J.; Soler, J.; Menéndez, M.; Herguido, J. Suchy reforming biogazu w złożu fluidalnym: Intensyfikacja procesu. Int. J. Hydrog. Energia 2017 , 42 , 13589–13597. [ Google Scholar ] [ CrossRef ][ Wersja zielona ]
  95. Ferraren-De Cagalitan, DDT; Abundo, MLS Przegląd technologii produkcji biowodoru do zastosowania w wodorowych ogniwach paliwowych. Odnowić. Podtrzymywać. Energy Rev. 2021 , 151 , 111413. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  96. Ohkubo, T.; Hideshima, Y.; Shudo, Y. Oszacowanie wydajności wodoru z pełnowymiarowej instalacji do produkcji wodoru z biogazu. Int. J. Hydrog. Energia 2010 , 35 , 13021–13027. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  97. Araki, S.; Hino, N.; Mori, T.; Hikazudani, S. Trwałość monolitycznego katalizatora na bazie Ni w autotermicznym reformingu biogazu. Int. J. Hydrog. Energia 2009 , 34 , 4727–4734. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  98. Dębowski, M.; Korzeniewska, E.; Filipkowska Z.; Zieliński, M.; Kwiatkowski, R. Możliwość produkcji wodoru w procesie fermentacji serwatki serowej przez różne szczepy bakterii psychrofilnych. Int. J. Hydrog. Energia 2014 , 39 , 1972–1978. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  99. Zhang, F.; Zhang, Y.; Chen, M.; Zeng, RJ Przesycenie wodorem w termofilnej fermentacji mieszanej. Int. J. Hydrog. Energia 2012 , 37 , 17809–17816. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  100. Zhang, D.; Zhu, W.; Tang, C.; Suo, Y.; Gao, L.; Yuan, X. Wydajność bioreaktora i dynamika populacji metanogennej w niskotemperaturowym (5e18C) beztlenowym reaktorze ze stałym złożem. Biosurowiec. Techno. 2012 , 104 , 136–143. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  101. Scherer S.; Neuhaus, K. Życie w niskich temperaturach. W Prokariotach ; M. Dworkin, S. Falkow, E. Rosenberg, KH Schleifer, E. Stackebrandt, wyd.; Springer: Nowy Jork, NY, USA, 2006; s. 210–262. [ Google Scholar ]
  102. Feller, G.; Gerday, C. Enzymy psychrofilne: gorące tematy w adaptacji na zimno. Nat. Wielebny Microbiol. 2003 , 1 , 200–208. [ Google Scholar ] [ CrossRef ] [ PubMed ]
  103. Lu, L.; Xing, D.; Ren, N.; Logan, BE Syntroficzne interakcje napędzają produkcję wodoru z glukozy w niskiej temperaturze w mikrobiologicznych komórkach elektrolizujących. Biosurowiec. Techno. 2012 , 124 , 68–76. [ Google Scholar ] [ CrossRef ] [ PubMed ]
  104. Touloupakis, E.; Faraloni, C.; Silva Benavides AM; Torzillo, G. Najnowsze osiągnięcia w fotobiologicznej produkcji wodoru z mikroglonów. Energie 2021 , 14 , 7170. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  105. Melis, A. Fotosyntetyczny metabolizm H 2 w Chlamydomonas reinhardtii (jednokomórkowe zielone algi). Planta 2007 , 226 , 1075–1086. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  106. Amaro, HM; Esquivel, MG; Pinto, TS; Malcata, FX Produkcja wodoru przez mikroalgi. W naturalnej i sztucznej fotosyntezie: energia słoneczna jako źródło energii , wyd. 1; Razeghifard, R., wyd.; John Wiley and Sons, Inc.: Hoboken, NJ, USA, 2013; s. 231–241. [ Google Scholar ]
  107. Jimenez-Llanos, J.; Ramirez-Carmona, M.; Rendon-Castrillon, L.; Ocampo-Lopez, C. Zrównoważona produkcja biowodoru przez Chlorella sp. mikroalgi: przegląd. Int. J. Hydrog. Energia 2020 , 45 , 8310–8328. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  108. Nagarajan, D.; Dong, CD; Chen, CY; Lee, DJ; Chang, JS Produkcja biowodoru z mikroalg – Główne wąskie gardła i przyszłe perspektywy badawcze. Biotechnologia. J. 2021 , 16 , 2000124. [ Google Scholar ] [ CrossRef ] [ PubMed ]
  109. Melis, A. Produkcja wodoru z zielonych alg: postęp, wyzwania i perspektywy. Int. J. Hydrog. Energia 2002 , 27 , 1217–1228. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  110. Cygankow, AA; Kosourov, SN; Tołstygina, IV; Ghirardi, ML; Seibert, M. Produkcja wodoru przez pozbawione siarki Chlamydomonas reinhardtii w warunkach fotoautotroficznych. Int. J. Hydrog. Energia 2006 , 31 , 1574–1584. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  111. Raszid, N.; Lee, K.; Mahmood, Q. Produkcja biowodoru przez Chlorella vulgaris w różnych fotoperiodach. Biosurowiec. Techno. 2011 , 102 , 2101–2104. [ Google Scholar ] [ CrossRef ] [ PubMed ]

Charles Bronzo Barbosa Farias, Robson Carmelo Santos Barreiros, Milena Fernandes da Silva, Alessandro Alberto Casazza, Attilio Converti i Leonie Asfora Sarubbo

Wykorzystanie wodoru jako paliwa: trend XXI wieku

1
Rede Nordeste de Biotecnologia (RENORBIO), Federal Rural University of Pernambuco (UFRPE), Rua Dom Manuel de Medeiros, s/n-Dois Irmãos, Recife 52171-900, Brazylia
2
Instituto Avançado de Tecnologia e Inovação (IATI), Rua Potyra, n. 31, Prado, Recife 50751-310, Brazylia
3
Escola UNICAP Icam Tech, Universidade Católica de Pernambuco (UNICAP), Rua do Príncipe, n. 526, Boa Vista, Recife 50050-900, Brazylia
4
Programa de Capacitação Institucional, Centro de Tecnologias Estratégicas do Nordeste (CETENE), Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações (MCTI), Av. Prof. Luís Freire, 1, Cidade Universitária, Recife 50740-545, Brazylia
5
Wydział Inżynierii Lądowej, Chemicznej i Środowiska, Uniwersytet w Genui (UNIGE), Via Opera Pia, n. 15, 16145 Genua, Włochy
*
Autor do którego korespondencja powinna być adresowana.
Energie 2022 , 15 (1), 311; https://doi.org/10.3390/en15010311
Otrzymano: 29 listopada 2021 r / Zaktualizowano: 9 grudnia 2021 r / Przyjęto: 1 stycznia 2022 r / Opublikowano: 3 stycznia 2022 r
(Ten artykuł należy do wydania specjalnego Biotechnologia środowiskowa dla zielonej
Uwaga wydawcy: MDPI pozostaje neutralne w odniesieniu do roszczeń jurysdykcyjnych w opublikowanych mapach i powiązań instytucjonalnych.
Link do artykułu: https://www.mdpi.com/1996-1073/15/1/311
Obraz wyróżniający: Shinzo Abe odwiedza obiekt FH2R w marcu 2020 r. By 内閣官房内閣広報室 – kantei.go.jp – 令和2年3月7日 福島県訪問, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=87827941