Wodór Zastosowania | Wodór

Wodór jest wszechstronny i może być wykorzystywany na różne sposoby. Te różnorodne zastosowania można podzielić na dwie duże kategorie:

1. Wodór jako surowiec. Rola, której znaczenie jest uznawane od dziesięcioleci i będzie nadal rosnąć i ewoluować.
2. Wodór jako wektor energii umożliwiający transformację energetyczną. Wykorzystanie wodoru w tym kontekście już się rozpoczęło i stopniowo wzrasta. W najbliższym czasie obszar ten będzie się dramatycznie rozwijał. Wszechstronność wodoru i jego wielorakie zastosowania sprawiają, że wodór może przyczynić się do dekarbonizacji istniejących gospodarek. Rolę wodoru w procesie dekarbonizacji można podsumować w sposób przedstawiony na poniższym wykresie:

Długotrwałe zastosowania – wodór jako surowiec (zastosowania materiałowe)

Współcześnie wodór jest wykorzystywany w wielu procesach przemysłowych. Wśród innych zastosowań należy wskazać na jego wykorzystanie jako surowca w przemyśle chemicznym, a także jako reduktora w przemyśle metalurgicznym. Wodór jest podstawowym składnikiem budulcowym do produkcji amoniaku, a więc nawozów sztucznych, oraz metanolu, wykorzystywanego do produkcji wielu polimerów. Kolejnym obszarem zastosowania są rafinerie, w których wodór jest wykorzystywany do przetwarzania pośrednich produktów naftowych. Tak więc około 55 % wodoru produkowanego na świecie jest wykorzystywane do syntezy amoniaku, 25 % w rafineriach i około 10 % do produkcji metanolu. Inne zastosowania na świecie stanowią tylko około 10 % globalnej produkcji wodoru.

Amoniak – Nawozy

Najważniejszym związkiem wodoru i azotu jest amoniak (NH3), znany również jako azan. Technicznie, amoniak jest otrzymywany na dużą skalę w procesie Habera-Boscha. Proces ten łączy wodór i azot bezpośrednio w drodze syntezy. W tym celu należy najpierw uzyskać materiały wyjściowe – azot i wodór. W przypadku azotu uzyskuje się to poprzez niskotemperaturową separację powietrza, natomiast wodór pochodzi obecnie z reformingu parowego gazu ziemnego.

Prawie 90 % amoniaku trafia do produkcji nawozów. W tym celu duża część amoniaku jest przekształcana w stałe sole nawozowe lub, po katalitycznym utlenieniu, w kwas azotowy (HNO3) i jego sole (azotany). Ze względu na wysoką energię parowania amoniak jest również stosowany w instalacjach chłodniczych jako przyjazny dla środowiska i niedrogi w produkcji czynnik chłodniczy; jego nazwa techniczna to R-717.

Pola przemysłowe

Wodór jest wykorzystywany w różnych zastosowaniach przemysłowych; obejmują one obróbkę metali (głównie w stopach metali), produkcję szkła płaskiego (wodór stosowany jako gaz obojętny lub ochronny), przemysł elektroniczny (stosowany jako gaz ochronny i nośny, w procesach osadzania, do czyszczenia, w trawieniu, w procesach redukcji itp.), a także zastosowania w produkcji energii elektrycznej, na przykład do chłodzenia generatorów lub do zapobiegania korozji w rurociągach elektrowni.

Bezpośrednia redukcja rudy żelaza – tj. oddzielenie tlenu od rudy żelaza za pomocą wodoru i gazu syntezowego – może stać się ważnym procesem przemysłowym w produkcji stali, ponieważ w tradycyjnej metodzie wielkopiecowej uwalniane są duże ilości węgla. Podczas gdy bezpośrednia redukcja za pomocą gazu ziemnego jest obecnie dobrze ugruntowana w produkcji stali (World Steel Association 2015), odpowiednie metody produkcji oparte na wodorze istnieją jak dotąd tylko w skali pilotażowej.

Produkcja paliw

Wodór jest wykorzystywany do przetwarzania ropy naftowej w paliwa rafinowane, takie jak benzyna i olej napędowy, a także do usuwania zanieczyszczeń, takich jak siarka, z tych paliw.

Zastosowanie wodoru w rafineriach wzrosło w ostatnich latach z różnych powodów:
(i) surowych przepisów wymagających niskiej zawartości siarki w oleju napędowym,
(ii) zwiększonego zużycia niskiej jakości „ciężkiej” ropy naftowej, która wymaga więcej wodoru do rafinacji i
(iii) zwiększonego zużycia ropy naftowej w gospodarkach rozwijających się, takich jak Chiny i Indie.

Około 75% wodoru zużywanego obecnie na świecie przez rafinerie ropy naftowej jest dostarczane przez duże zakłady wodorowe, które wytwarzają wodór z gazu ziemnego lub innych paliw węglowodorowych

Wodór jest również ważną substancją podstawową do produkcji metanolu (CH 3 OH). Produkcja metanolu (synteza metanolu) odbywa się poprzez katalityczne uwodornienie tlenku węgla.
Metanol może być stosowany bezpośrednio jako paliwo w silnikach spalinowych. Stosuje się go również w bezpośrednich metanolowych ogniwach paliwowych lub po reformingu w ogniwach paliwowych PEM. Z metanolu produkuje się dodatki do paliw i jest on stosowany do transestryfikacji olejów roślinnych w celu utworzenia estrów metylowych (biodiesel).

Zastosowanie początkowe – zastosowania oparte na energii

W dziedzinie energii, większość wodoru jest wykorzystywana poprzez ogniwa paliwowe (FC). Ogniwo paliwowe to urządzenie elektrochemiczne, które łączy wodór i tlen w celu wytworzenia energii elektrycznej, z wodą i ciepłem jako produktami ubocznymi. W swojej najprostszej formie, pojedyncze ogniwo paliwowe składa się z dwóch elektrod – anody i katody – z elektrolitem pomiędzy nimi. Na anodzie wodór reaguje z katalizatorem, tworząc dodatnio naładowany jon i ujemnie naładowany elektron. Proton przechodzi następnie przez elektrolit, podczas gdy elektron przemieszcza się przez obwód, tworząc prąd. Na katodzie tlen reaguje z jonem i elektronem, tworząc wodę i użyteczne ciepło.

Wodór w transporcie

Paliwo wodorowe jest uważane za dobrego kandydata do przyczynienia się do dekarbonizacji sektora transportu drogowego, jeśli jest produkowane z odnawialnych źródeł energii w procesie elektrolizy. W tym przypadku główne zalety pojazdów elektrycznych wyposażonych w ogniwa paliwowe to zerowa emisja CO 2 i zanieczyszczeń (emisja z rury wydechowej to tylko woda) oraz wyższa sprawność ogniw paliwowych w porównaniu z silnikami spalinowymi. Samochody osobowe i autobusy miejskie, a także inne pojazdy, takie jak urządzenia transportu bliskiego, itp, są dobrymi przykładami nowej technologii gotowej do masowej komercjalizacji w najbliższych latach.

Możliwości zastosowania wodoru jako paliwa dla mobilności można zróżnicować po pierwsze ze względu na formę chemiczną lub wiązanie wodoru, a po drugie ze względu na konwerter energii, za pomocą którego energia zmagazynowana w wodorze jest udostępniana.

• W zastosowaniu bezpośrednim, (czysty) wodór cząsteczkowy (H2) jest wykorzystywany przez środki transportu bezpośrednio, tj. bez dalszej konwersji, jako źródło energii. W tym przypadku wodór może być stosowany zarówno w silnikach spalinowych, jak i w ogniwach paliwowych (systemach ogniw paliwowych).
• W zastosowaniu pośrednim wodór jest wykorzystywany do produkcji końcowych źródeł energii lub jest przekształcany za pomocą dodatkowych etapów konwersji w gazowe lub ciekłe paliwa zawierające wodór. Takie paliwa PtG (Power-to-Gas) i PtL (Power-to-Liquids) mogą być następnie wykorzystane w silnikach cieplnych. Użycie w ogniwach paliwowych byłoby również możliwe (w niektórych przypadkach), przy użyciu reformera, ale nie jest to ekonomicznie opłacalne.

Lotnictwo

W lotnictwie cywilnym, ogniwa paliwowe zasilane wodorem są uważane za potencjalnych dostawców energii dla samolotów, tak jak były w podróżach kosmicznych już od jakiegoś czasu. Tak więc moduły ogniw paliwowych mogą dostarczać energię elektryczną do systemu elektrycznego samolotu jako awaryjne zespoły prądotwórcze lub jako pomocnicze jednostki zasilające. Bardziej zaawansowane koncepcje obejmują uruchamianie silnika głównego i napędu koła nosowego dla ruchu po lotnisku przez samoloty komercyjne.

Zastosowania morskie

Tak jak w lotnictwie, ogniwa paliwowe są obecnie testowane jako dostawcy energii dla zasilania pokładowego. Natomiast wykorzystanie ogniw paliwowych zasilanych wodorem do napędu statków jest wciąż we wczesnej fazie projektowania lub prób – z zastosowaniami w mniejszych statkach pasażerskich, promach lub jednostkach rekreacyjnych. Nisko- i wysokotemperaturowe ogniwo paliwowe (PEMFC) oraz ogniwo paliwowe ze stałych tlenków (SOFC) uważa się za najbardziej obiecujące typy ogniw paliwowych do zastosowań żeglugowych (EMSA 2017). Jak dotąd nie wyskalowano jednak ogniw paliwowych do zastosowania na dużych statkach handlowych i nie zastosowano ich na nich.

Pociągi

W lokomotywach elektrycznych energia napędowa jest dostarczana za pośrednictwem stacjonarnych przewodów prądowych (linie napowietrzne, szyny prądowe) i odbieraków prądu na pojazdach. Jednak z powodów technicznych, ekonomicznych lub innych nie każda linia kolejowa może być zelektryfikowana. Szczególnie na liniach o niskim natężeniu ruchu nie zawsze można uzasadnić wysokie nakłady inwestycyjne, które są konieczne do elektryfikacji linii. Ponadto linie napowietrzne nie mogą być wykorzystywane do manewrowania, jeśli do transportu towarów używane są również dźwigi. Z kolei w górnictwie podziemnym pojazdy trakcyjne muszą działać bez zanieczyszczeń powietrza.

Pojazdy szynowe wykorzystujące wodór jako magazyn energii i źródło energii mogą stanowić dodatkową alternatywę. Pojazdy szynowe napędzane ogniwami paliwowymi łączą zaletę eksploatacji bez zanieczyszczeń z niskimi kosztami infrastruktury, porównywalnymi z kosztami eksploatacji pojazdów spalinowych.

Pojazdy do transportu wewnętrznego

Wózki przemysłowe napędzane ogniwami paliwowymi, takie jak wózki widłowe czy wózki holownicze (lotniskowe), szczególnie nadają się do eksploatacji w pomieszczeniach zamkniętych, ponieważ nie emitują lokalnych zanieczyszczeń, a jedynie niski poziom hałasu. Pojazdy z ogniwami paliwowymi mają przewagę nad wózkami przemysłowymi zasilanymi z akumulatorów w zakresie tankowania. Zamiast wymieniać akumulator, wózki te można zatankować w ciągu dwóch do trzech minut.

Zajmują one mniej miejsca i są tańsze w utrzymaniu i naprawie. Wózki przemysłowe z ogniwami paliwowymi pozwalają na nieprzerwane użytkowanie i dlatego są szczególnie odpowiednie do pracy wielozmianowej floty w branży transportu wewnętrznego (FCTO 2014b). W przypadku większych flot wózków przemysłowych pracujących w trybie wielozmianowym można osiągnąć (umiarkowane) obniżenie kosztów w porównaniu z technologią akumulatorową, a także zwiększyć produktywność w przeładunku materiałów.

Autobusy

W zakresie transportu drogowego autobusy w sieci transportu publicznego stanowią najdokładniej przebadany obszar zastosowania ogniw wodorowych i paliwowych. Od początku lat 90. na całym świecie eksploatowano i eksploatuje się kilkaset autobusów napędzanych wodorem – głównie w Ameryce Północnej, Europie i coraz częściej w Azji.

Chociaż początkowo wodór był nadal stosowany w autobusach z silnikami spalinowymi, obecnie konstruktorzy autobusów koncentrują się prawie wyłącznie na autobusach elektrycznych napędzanych ogniwami paliwowymi (FCEB). Wykorzystanie małych flot FCEB jest promowane na obszarach miejskich jako sposób na przyczynienie się do rozwoju technologicznego i polityki czystego powietrza.
Autobusy napędzane ogniwami paliwowymi osiągnęły obecnie wysoki poziom dojrzałości technicznej, chociaż nie są jeszcze produkowane seryjnie. Ze względu na niewielką liczbę egzemplarzy były one do tej pory znacznie droższe (około 1 mln euro) niż standardowe autobusy z silnikiem diesla, które kosztują około 250 000 euro. Koszty utrzymania również zostały znacznie obniżone, a niezawodny czas eksploatacji wydłużony (Hua et al. 2013).

W zależności od rocznej liczby produkcji, koszty produkcji FCEB powinny jednak nadal spadać w przyszłych projektach. Przewiduje się, że koszty produkcji autobusów 12-metrowych spadną do ok. 450 000 EUR (zakup 100 autobusów) do 2020 r. i do ok. 350 000 EUR do 2030 r., co sprawi, że będą one w zasięgu autobusów hybrydowych z silnikiem diesla.

Nowoczesne autobusy z ogniwami paliwowymi czerpią energię z dwóch stosów ogniw paliwowych, każdy o mocy ok. 100 kW. Posiadają one również stosunkowo niewielką baterię trakcyjną i są w stanie odzyskiwać energię hamowania. Ponadto przewożą na pokładzie około 30 do 50 kg sprężonego wodoru, przechowywanego w zbiornikach ciśnieniowych o ciśnieniu 350 barów. Z drugiej strony, niektóre modele autobusów elektrycznych z bateriami mają duże baterie trakcyjne i tylko małe ogniwa paliwowe, które są wykorzystywane jako przedłużacze zasięgu.

Autobusy z ogniwami paliwowymi mają obecnie zasięg od 300 do 450 km i oferują prawie taką samą elastyczność jak autobusy z silnikami wysokoprężnymi w codziennej eksploatacji. Podczas gdy niektóre starsze autobusy miejskie nadal zużywają znacznie ponad 20 kg wodoru (zamiast 40 litrów oleju napędowego) na 100 km, nowsze autobusy napędzane ogniwami paliwowymi zużywają obecnie tylko 8 do 9 kg na 100 km, co daje FCEB około 40 % przewagę w zakresie efektywności energetycznej w porównaniu z autobusami napędzanymi olejem napędowym. W celu rozwoju rynku planowane są projekty demonstracyjne obejmujące duże floty w długoterminowym użytkowaniu. Oczekuje się, że do 2020 r. flota FCEB w Europie powiększy się z 90 do 300-400 pojazdów.

Więcej o autobusach na ogniwa paliwowe tutaj.

Samochody osobowe

Oprócz pojazdów elektrycznych na baterie, samochody osobowe napędzane wodorowymi ogniwami paliwowymi są jedyną alternatywną opcją napędu bezemisyjnego dla zmotoryzowanego transportu prywatnego. Pierwsze samochody osobowe z ogniwami paliwowymi były testowane już w latach 60-tych jako projekty demonstracyjne. Nowy impuls do rozwoju ogniw paliwowych nadeszły w latach 90-tych. W większości przypadków pojazdy testowe z ogniwami paliwowymi były przerobionymi samochodami, które pierwotnie były wyposażone w silnik spalinowy. Jednak w tamtym czasie wczesne modele testowe nie były jeszcze konkurencyjne, ani pod względem technicznym, ani ekonomicznym. Ponadto, jeszcze około 10 lat temu prototypy silników benzynowych były testowane z wodorem jako alternatywnym źródłem energii i paliwem niskoemisyjnym. Były to pojazdy ze zmodyfikowanymi silnikami biwalentnymi, które mogły być zasilane zarówno benzyną, jak i wodorem. Dzięki temu paliwu, silniki spalinowe napędzane wodorem nie tylko osiągają nieco wyższą sprawność niż przy zasilaniu benzyną, ale również emitują znacznie mniej zanieczyszczeń.

Chociaż wodór jest czystym paliwem o doskonałych właściwościach fizykochemicznych, nie udało mu się uzyskać akceptacji jako paliwo dla zmotoryzowanego transportu drogowego. W przypadku samochodów osobowych nacisk kładzie się obecnie prawie całkowicie na ogniwa paliwowe napędzane wodorem jako źródło energii napędowej.

Dostępne jest obecnie bogate doświadczenie praktyczne z prototypami samochodów osobowych napędzanych ogniwami paliwowymi. Wielu dużych producentów samochodów zaczyna oferować wczesne seryjnie produkowane pojazdy, które pod względem funkcjonalności dorównują konwencjonalnym samochodom z silnikami spalinowymi. Przewiduje się, że w najbliższych latach liczba wyprodukowanych samochodów na ogniwa paliwowe wyniesie od kilkuset do tysięcy sztuk. Praktycznie wszystkie samochody osobowe z ogniwami paliwowymi są obecnie wyposażone w ogniwa paliwowe PEM, zarówno w konfiguracji szeregowej, jak i równoległej. Ceny średniej wielkości pojazdów wyposażonych w ogniwa paliwowe nadal znacznie przewyższają ceny samochodów osobowych z silnikami spalinowymi – na poziomie około 60 000 EUR/USD. Wraz z rozpoczęciem produkcji seryjnej FCEV oczekuje się, że koszty i ceny pojazdów znacznie spadną.

W najnowszych modelach ogniw paliwowych moc wyjściowa stosów ogniw paliwowych wynosi 100 kW lub więcej. W porównaniu z akumulatorowymi samochodami elektrycznymi mają one większy zasięg – wynoszący obecnie około 400-500 kilometrów – przy mniejszej masie pojazdu i znacznie krótszym czasie tankowania, wynoszącym od trzech do pięciu minut. Zazwyczaj przewożą na pokładzie od 4 do 7 kg wodoru, przechowywanego w zbiornikach ciśnieniowych o ciśnieniu 700 barów.

Czytaj więcej o stacjach tankowania

Postojowe zastosowania energetyczne

Postojowe ogniwa paliwowe mogą być wykorzystywane do zdecentralizowanego zasilania w obszarach nieobjętych siecią energetyczną. Rynek zastosowań zasilania rezerwowego (BUP) staje się coraz ważniejszy. Zastosowania rezerwowe obejmują po pierwsze zasilanie awaryjne, a po drugie zasilanie bezprzerwowe (UPS).

Emergency generator sets are used for maintaining operation in the event of lengthy power outages. W takich przypadkach przełączanie z sieci zasilającej jest zazwyczaj (na krótko) przerywane.
Zasilacze bezprzerwowe są natomiast stosowane do ochrony bardzo wrażliwych systemów technicznych przed wahaniami zasilania sieciowego i krótkotrwałymi przerwami w dostawie prądu, w celu zapewnienia ciągłości pracy. Obszary zastosowań obejmują w szczególności systemy telekomunikacyjne i informatyczne, takie jak wieże radiowe lub centra przetwarzania danych.

W porównaniu z konwencjonalnymi elektrowniami cieplnymi, ogniwa paliwowe mają znacznie wyższą sprawność elektryczną do 60%, nawet w przypadku małych elektrowni. Jest to korzystne z egzergetycznego punktu widzenia, ponieważ wytwarzana jest duża ilość wysokowartościowej energii elektrycznej i niewielka ilość ciepła.

W bieżącej eksploatacji ogniwa paliwowe mają następujące zalety: długa autonomiczna eksploatacja i żywotność, niskie koszty konserwacji ze względu na brak części ruchomych oraz cicha, (lokalnie) bezemisyjna produkcja energii elektrycznej.

Moc rezerwowa stacjonarnych ogniw paliwowych waha się od kilku kW do ponad 1 GWe. Ogniwa paliwowe o niskiej mocy elektrycznej są często przenośnymi ogniwami paliwowymi, które mają przewagę wagową nad akumulatorami i generatorami. W sektorze stacjonarnym stosuje się wiele różnych typów ogniw paliwowych, w niektórych przypadkach również do chłodzenia. Oprócz wodoru, jako paliwa stosuje się metanol, gaz ziemny i gaz płynny.

Energia krajowa

Jeśli oprócz wytworzonej energii elektrycznej wykorzystuje się również wytworzone ciepło, proces ten określa się mianem skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej (CHP). Jeśli takie zakłady są wykorzystywane w sektorze ogrzewania gospodarstw domowych, są one również określane jako mikro-CHP lub mini-CHP ze względu na ich mniejsze moce.

Kogeneracja może być prowadzona w dwóch strategiach: Elektrownia pokrywa albo większość zapotrzebowania na energię elektryczną, albo na ciepło. Jeśli ceny energii elektrycznej są wysokie, odpowiedni jest tryb pracy oparty na energii elektrycznej. W ten sposób można zminimalizować zakup energii elektrycznej z sieci lub wprowadzić wytworzoną w kogeneracji energię elektryczną do sieci energetycznej i uzyskać zwrot poniesionych kosztów.

Ciepło wytwarzane jako produkt uboczny kogeneracji jest wykorzystywane do pokrycia części zapotrzebowania na ciepło w budynkach. Przeważnie elektryczny tryb pracy skutkuje niską wydajnością cieplną systemów grzewczych opartych na ogniwach paliwowych. Pozostałe zapotrzebowanie budynku na ciepło pokrywane jest przez dodatkowy system grzewczy, np. kocioł kondensacyjny. Z tego powodu ogniwa paliwowe nadają się szczególnie do budynków o niskim zapotrzebowaniu na ciepło do ogrzewania pomieszczeń, takich jak budynki niskoenergetyczne lub prawie zeroenergetyczne. W budynkach o wyższym zapotrzebowaniu na ciepło stosuje się hybrydowe systemy grzewcze z ogniwami paliwowymi, składające się z ogniwa paliwowego i kotła kondensacyjnego pokrywającego szczytowe zapotrzebowanie na ciepło.

Stacjonarne ogniwa paliwowe w zakresie mocy do 10 kWe to zazwyczaj ogniwa paliwowe PEM lub SO. Typowy zakres mocy CHP dla domów i budynków mieszkalnych wynosi od 0,7 do 5 kWe. Jeżeli ogniwa paliwowe zasilane są gazem ziemnym, można wykorzystać istniejącą infrastrukturę gazu ziemnego. Paliwo musi być jednak najpierw poddane reformingowi. W przypadku ogniw paliwowych PEM reforming odbywa się na zewnątrz. Ze względu na wyższe temperatury, w ogniwach paliwowych SO możliwy jest reforming wewnętrzny.

Prawdopodobnie największą zaletą ogniw paliwowych w porównaniu z procesami termicznymi jest bezpośrednia konwersja elektrochemiczna podczas wytwarzania energii elektrycznej i ciepła oraz związana z tym wyższa sprawność elektryczna. W trybie łączonym, tj. elektrycznym i cieplnym, ogniwa paliwowe mogą osiągać sprawność do 95 %. Sprawność elektryczna wynosi do 45 %. Ponadto systemy z ogniwami paliwowymi charakteryzują się wysoką sprawnością we wszystkich punktach obciążenia, są ciche, mają niskie koszty konserwacji i działają (lokalnie) bez emisji

.