Aplicații ale hidrogenului | Hidrogen

Hidrogenul este versatil și poate fi utilizat în diverse moduri. Aceste utilizări multiple pot fi grupate în două mari categorii;

1. >Hidrogenul ca materie primă. Un rol a cărui importanță este recunoscută de zeci de ani și care va continua să crească și să evolueze.
2. Hidrogenul ca vector energetic care permite tranziția energetică. Utilizarea hidrogenului în acest context a început deja și este în creștere treptată. În viitor, acest domeniu va cunoaște o creștere spectaculoasă. Versatilitatea hidrogenului și utilizarea sa multiplă este motivul pentru care hidrogenul poate contribui la decarbonizarea economiilor existente. Rolul hidrogenului în procesul de decarbonizare poate fi rezumat după cum se arată în graficul de mai jos:

Utilizări stabilite de mult timp – Hidrogenul ca materie primă (utilizări bazate pe materiale)

În prezent, hidrogenul este utilizat în mai multe procese industriale. Printre alte aplicații, este important de subliniat utilizarea sa ca materie primă în industria chimică, precum și ca agent reductor în industria metalurgică. Hidrogenul este o componentă fundamentală pentru fabricarea amoniacului și, prin urmare, a îngrășămintelor, precum și a metanolului, utilizat la fabricarea a numeroși polimeri. Rafinăriile, unde hidrogenul este utilizat pentru prelucrarea produselor petroliere intermediare, reprezintă un alt domeniu de utilizare. Astfel, aproximativ 55 % din hidrogenul produs în întreaga lume este utilizat pentru sinteza amoniacului, 25 % în rafinării și aproximativ 10 % pentru producția de metanol. Celelalte aplicații la nivel mondial reprezintă doar aproximativ 10 % din producția mondială de hidrogen.

Amoniac – Îngrășăminte

Cel mai important compus hidrogen-azot este amoniacul (NH3), cunoscut și sub numele de azan. Din punct de vedere tehnic, amoniacul se obține pe scară largă prin procedeul Haber-Bosch. Acest procedeu combină hidrogenul și azotul împreună direct prin sinteză. În acest scop, trebuie să se obțină mai întâi materiile prime azot și hidrogen. În cazul azotului, acest lucru se realizează prin separarea aerului la temperaturi joase, în timp ce hidrogenul provine astăzi din reformarea cu abur a gazelor naturale.

Peste 90 % din amoniac intră în producția de îngrășăminte. În acest scop, o mare parte din amoniac este transformat în săruri solide de îngrășăminte sau, după oxidare catalitică, în acid azotic (HNO3) și sărurile sale (nitrați). Datorită energiei sale ridicate de evaporare, amoniacul este, de asemenea, utilizat în instalațiile frigorifice ca agent frigorific ecologic și ieftin; denumirea sa tehnică este R-717.

Domenii industriale

Hidrogenul este utilizat în diverse în aplicații industriale; printre acestea se numără prelucrarea metalelor (în principal în alierea metalelor), producția de sticlă plană (hidrogenul este utilizat ca gaz de inertizare sau de protecție), industria electronică (utilizat ca gaz de protecție și gaz purtător, în procesele de depunere, pentru curățare, în gravură, în procesele de reducere, etc.), precum și aplicații în producția de energie electrică, de exemplu pentru răcirea generatoarelor sau pentru prevenirea coroziunii în conductele centralelor electrice.

Reducerea directă a minereului de fier – adică separarea oxigenului din minereul de fier cu ajutorul hidrogenului și al gazului de sinteză – ar putea deveni un proces industrial important în fabricarea oțelului, deoarece în metoda tradițională a furnalului înalt sunt eliberate cantități mari de carbon. În timp ce reducerea directă cu gaz natural este acum bine stabilită în producția de oțel (World Steel Association 2015), metodele de producție corespunzătoare bazate pe hidrogen există până în prezent doar la scară pilot.

Producția de combustibili

Hidrogenul este utilizat pentru a transforma țițeiul în combustibili rafinați, cum ar fi benzina și motorina, și, de asemenea, pentru a elimina contaminanții, cum ar fi sulful, din acești combustibili.

Utilizarea hidrogenului în rafinării a crescut în ultimii ani din diferite motive:
(i) reglementările stricte care impun un conținut scăzut de sulf în motorină,
(ii) creșterea consumului de țiței „greu” de calitate scăzută, care necesită mai mult hidrogen pentru rafinare și
(iii) creșterea consumului de petrol în economiile în curs de dezvoltare, cum ar fi China și India.

Aproximativ 75% din hidrogenul consumat în prezent la nivel mondial de rafinăriile de petrol este furnizat de instalații mari de hidrogen care generează hidrogen din gaze naturale sau din alți combustibili din hidrocarburi

Hidrogenul este, de asemenea, o substanță de bază importantă pentru producerea de metanol (CH 3 OH). Producerea metanolului (sinteza metanolului) are loc prin hidrogenarea catalitică a monoxidului de carbon.
Metanolul poate fi utilizat direct ca și combustibil în motoarele cu ardere internă. De asemenea, este utilizat în pile de combustie cu metanol direct sau, după reformare, în pile de combustie PEM. Aditivii pentru combustibili sunt produși din metanol și este utilizat pentru transesterificarea uleiurilor vegetale pentru a forma esteri metilici (biodiesel).

Utilizări începătoare – utilizări pe bază de energie

În domeniul energiei, cea mai mare parte a hidrogenului este utilizată prin intermediul pilelor de combustie (CF). O celulă de combustibil este un dispozitiv electrochimic care combină hidrogenul și oxigenul pentru a produce electricitate, având ca produse secundare apa și căldura. În forma sa cea mai simplă, o singură celulă de combustibil constă din doi electrozi – un anod și un catod – cu un electrolit între ei. La anod, hidrogenul reacționează cu un catalizator, creând un ion încărcat pozitiv și un electron încărcat negativ. Protonul trece apoi prin electrolit, în timp ce electronul călătorește printr-un circuit, creând un curent. La catod, oxigenul reacționează cu ionul și electronul, formând apă și căldură utilă.

Combustibilul hidrogen în transporturi

Combustibilul hidrogen este considerat un bun candidat pentru a contribui la decarbonizarea sectorului transportului rutier dacă este produs din surse de energie regenerabile prin procesul de electroliză. În acest caz, principalele avantaje ale vehiculelor electrice cu pile de combustie sunt emisiile zero de CO 2 și de poluanți (emisiile la țeava de eșapament sunt doar de apă), precum și eficiența mai mare a pilelor de combustie în comparație cu cea a motoarelor cu ardere internă. Autoturismele și autobuzele urbane, printre alte vehicule, ca și echipamentele de manipulare a materialelor, etc., sunt exemple bune ale noii tehnologii pregătite pentru comercializarea în masă în următorii ani.

Opțiunile de aplicare a hidrogenului ca și combustibil pentru mobilitate pot fi diferențiate în primul rând prin forma chimică sau legătura hidrogenului și, în al doilea rând, prin convertorul de energie cu ajutorul căruia energia stocată în hidrogen este pusă la dispoziție.

• În utilizare directă, hidrogenul molecular (pur) (H2) este utilizat de mijloacele de transport direct, adică fără o conversie ulterioară, ca sursă de energie. În acest caz, hidrogenul poate fi utilizat atât în motoarele cu combustie internă, cât și în pilele de combustie (sisteme de pile de combustie).
• În utilizare indirectă, hidrogenul este utilizat pentru a produce surse finale de energie sau este transformat, prin intermediul unor etape suplimentare de conversie, în combustibili gazoși sau lichizi care conțin hidrogen. Astfel de combustibili PtG (Power-to-Gas) și PtL (Power-to-Liquids) pot fi apoi, la rândul lor, utilizați în motoarele termice. Utilizarea în pilele de combustie ar fi, de asemenea, posibilă (în unele cazuri), folosind un reformator, dar nu este viabilă din punct de vedere economic.

Aviație

În aviația civilă, pilele de combustie alimentate cu hidrogen sunt considerate ca potențiali furnizori de energie pentru aeronave, așa cum au fost de ceva timp în domeniul transportului spațial. Astfel, modulele cu pile de combustie pot furniza energie electrică sistemului electric al aeronavei ca grupuri electrogene de urgență sau ca unitate de alimentare auxiliară. Concepte mai avansate includ pornirea motorului principal și acționarea roților din față pentru deplasările pe aerodromuri de către aeronavele comerciale.

Aplicații maritime

Ca și în aviație, pilele de combustie sunt în prezent testate ca furnizori de energie pentru alimentarea cu energie de la bord. În schimb, utilizarea pilelor de combustie alimentate cu hidrogen pentru propulsia navelor se află încă într-o fază incipientă de proiectare sau de testare – cu aplicații în nave de pasageri mai mici, feriboturi sau ambarcațiuni de agrement. Pila de combustie de temperatură joasă și înaltă (PEMFC) și pila de combustie cu oxizi solizi (SOFC) sunt considerate cele mai promițătoare tipuri de pile de combustie pentru aplicații nautice (EMSA 2017). Cu toate acestea, până în prezent, nicio pilă de combustie nu a fost redimensionată și utilizată pe nave comerciale mari.

Trenuri

În locomotivele electrice, energia motrice este furnizată prin intermediul unor conductori de curent staționari (linii aeriene, șine conductoare) și a unor colectoare de curent pe vehicule. Cu toate acestea, din motive tehnice, economice sau de altă natură, nu toate liniile de cale ferată pot fi electrificate. În special pe liniile cu un volum de transport redus, investiția inițială ridicată care este necesară pentru electrificarea liniilor nu poate fi întotdeauna justificată. În plus, liniile aeriene nu pot fi utilizate pentru manevre dacă sunt utilizate și macarale pentru deplasarea mărfurilor de transport. În exploatările miniere subterane, în schimb, vehiculele de tracțiune trebuie să funcționeze fără poluanți atmosferici.

Vehiculele feroviare care utilizează hidrogenul ca rezervor de energie și sursă de energie pot oferi o alternativă suplimentară. Vehiculele feroviare alimentate cu pile de combustie combină avantajul funcționării fără poluanți cu avantajul unor costuri de infrastructură reduse, comparabile cu cele pentru funcționarea cu motorină.

Vehicule de manipulare a materialelor

Camioanele industriale cu pile de combustie, cum ar fi stivuitoarele sau camioanele de tractare (aeroporturi), sunt deosebit de potrivite pentru funcționarea în interior, deoarece nu produc emisii locale de poluanți și doar emisii reduse de zgomot. Vehiculele cu pile de combustie au avantaje față de camioanele industriale cu baterii în ceea ce privește realimentarea cu combustibil. În loc să fie necesară înlocuirea bateriei, camioanele pot fi realimentate în două-trei minute.

Ocupă mai puțin spațiu și sunt mai ieftin de întreținut și reparat. Autocamioanele industriale cu pile de combustie permit o utilizare neîntreruptă și, prin urmare, sunt deosebit de potrivite pentru operarea flotei în mai multe schimburi în domeniul manipulării materialelor (FCTO 2014b). În cazul flotelor mai mari de camioane industriale care funcționează în mai multe schimburi, se pot obține reduceri (moderate) ale costurilor în comparație cu tehnologia cu baterii, iar productivitatea în domeniul manipulării materialelor poate fi, de asemenea, crescută.

Autobuze

În ceea ce privește transportul rutier, autobuzele din rețeaua de transport public reprezintă domeniul de aplicare cel mai temeinic testat pentru hidrogen și pile de combustie. De la începutul anilor 1990, mai multe sute de autobuze au fost și sunt exploatate cu hidrogen în întreaga lume – predominant în America de Nord, Europa și, din ce în ce mai mult, și în Asia.

Chiar dacă inițial hidrogenul a fost încă utilizat în autobuze cu motoare cu combustie internă, dezvoltatorii de autobuze se concentrează acum aproape în întregime pe autobuzele electrice cu pile de combustie (FCEB). Utilizarea unor flote mici de FCEB este promovată în zonele urbane ca o modalitate de a contribui la dezvoltarea tehnologică și la politica privind aerul curat.
Autobuzele cu pile de combustie au atins în prezent un nivel ridicat de maturitate tehnică, deși nu sunt încă produse în serie. Din cauza numărului mic de exemplare, până acum au fost încă mult mai scumpe, cu aproximativ 1 milion de euro, decât autobuzele diesel standard, care costă în jur de 250.000 de euro. Costurile de întreținere au fost, de asemenea, reduse în mod semnificativ, iar durata de funcționare fiabilă a crescut (Hua et al. 2013).

În funcție de numărul anual de producție, costurile de producție pentru FCEB ar trebui să continue să scadă, totuși, în proiectele viitoare. Se preconizează că costurile de producție pentru autobuzele de 12 metri vor scădea la aproximativ 450.000 EUR (achiziționarea a 100 de autobuze) până în 2020 și la aproximativ 350.000 EUR până în 2030, aducându-le la îndemâna autobuzelor hibride diesel.

Autobuzele moderne cu pile de combustie își extrag energia din două stive de pile de combustie, fiecare cu o putere de aproximativ 100 kW. Ele au, de asemenea, o baterie de tracțiune relativ mică și sunt capabile să recupereze energia de frânare. În plus, acestea transportă la bord aproximativ 30 până la 50 kg de hidrogen comprimat, stocat în rezervoare sub presiune la 350 bar. Pe de altă parte, unele modele de autobuze electrice cu baterii au baterii de tracțiune mari și doar stive mici de pile de combustie, care sunt utilizate ca prelungitoare de autonomie.

Autobuzele cu pile de combustie au acum o autonomie de 300 până la 450 km și oferă astfel aproape aceeași flexibilitate ca și autobuzele diesel în exploatarea zilnică. În timp ce unele autobuze municipale mai vechi consumă încă mult peste 20 kg de hidrogen (în loc de 40 de litri de motorină) la 100 km, autobuzele cu pile de combustie mai noi folosesc acum doar 8-9 kg la 100 km, ceea ce conferă autobuzelor cu pile de combustie un avantaj de eficiență energetică de aproximativ 40 % în comparație cu autobuzele diesel. Pentru a dezvolta piața, sunt planificate proiecte demonstrative cu flote mari în utilizare pe termen lung. Se preconizează că flota de FCEB din Europa se va extinde de la 90 la 300-400 de vehicule până în 2020.

Citește mai multe despre autobuzele cu pile de combustie aici.

Mașini de pasageri

Alături de vehiculele electrice cu baterii, autoturismele cu pile de combustie alimentate cu hidrogen reprezintă singura opțiune de propulsie alternativă cu emisii zero pentru transportul privat motorizat. Primele autoturisme cu pile de combustie au fost testate în anii 1960 ca proiecte demonstrative. Un nou impuls pentru dezvoltarea pilelor de combustie a venit în anii 1990. În cele mai multe cazuri, vehiculele de testare a pilelor de combustie erau autoturisme transformate care fuseseră echipate inițial cu un motor cu combustie internă. Cu toate acestea, la acea vreme, primele modele de testare nu erau încă competitive, nici din punct de vedere tehnic, nici din punct de vedere economic. În plus, până în urmă cu aproximativ 10 ani, prototipurile de motoare pe benzină erau încă testate cu hidrogen ca energie alternativă și combustibil cu emisii reduse. Acestea erau vehicule cu motoare bivalente modificate, care puteau funcționa atât cu benzină, cât și cu hidrogen. Datorită combustibilului, motoarele cu combustie internă alimentate cu hidrogen nu numai că ating randamente ceva mai mari decât în cazul funcționării pe benzină, dar emit, de asemenea, niveluri mult mai scăzute de poluanți.

Deși hidrogenul este un combustibil curat, cu proprietăți fizico-chimice excelente, acesta nu a reușit să fie acceptat ca și combustibil pentru transportul rutier motorizat. Pentru autoturisme, accentul se pune acum aproape în întregime pe pilele de combustie alimentate cu hidrogen ca sursă de energie motrice.

Există acum o bogată experiență practică disponibilă cu prototipuri de autoturisme cu pile de combustie. O serie de mari producători de automobile încep să ofere primele vehicule de serie, care sunt acum la fel de bune ca și automobilele convenționale cu motor cu combustie internă în ceea ce privește funcționalitatea. Se preconizează că numărul de autovehicule cu pile de combustie fabricate în următorii ani va varia de la câteva sute până la mii de unități. În prezent, aproape toate autoturismele cu pile de combustie sunt echipate cu pile de combustie PEM, atât în configurații în serie, cât și în paralel. Prețurile pentru vehiculele de dimensiuni medii echipate cu pile de combustie sunt încă mult peste cele ale autoturismelor cu motoare cu combustie internă – în jur de 60.000 EUR/USD. Odată cu lansarea producției de serie de FCEV, se așteaptă ca prețul și costurile vehiculelor să scadă substanțial.

Stațiile de pile de combustie din cele mai recente modele de pile de combustie au o putere de 100 kW sau mai mult. În comparație cu mașinile electrice cu baterii, acestea au o autonomie mai mare – de aproximativ 400-500 de kilometri în prezent – cu o greutate mai mică a vehiculului și timpi de realimentare mult mai scurți, de trei până la cinci minute. De obicei, acestea transportă la bord între 4 și 7 kg de hidrogen, stocat în rezervoare sub presiune la 700 bar.

Citește mai multe despre stațiile de realimentare

Aplicații energetice staționare

Pilele de combustie staționare pot fi utilizate pentru alimentarea descentralizată cu energie electrică în zonele în afara rețelei. Piața aplicațiilor de alimentare de rezervă (BUP) devine din ce în ce mai importantă. Aplicațiile de rezervă includ, în primul rând, alimentarea cu energie electrică de urgență și, în al doilea rând, alimentarea neîntreruptă cu energie electrică (UPS).

Grupurile generatoare de urgență sunt utilizate pentru menținerea funcționării în cazul unor întreruperi de energie electrică de lungă durată. În astfel de cazuri, comutarea de la rețeaua de alimentare cu energie electrică este, de obicei, întreruptă (pentru scurt timp).
Sursele de alimentare neîntreruptibile, pe de altă parte, sunt utilizate pentru a proteja sistemele tehnice extrem de sensibile împotriva fluctuațiilor rețelei de alimentare și a întreruperilor de scurtă durată, astfel încât să asigure funcționarea continuă. Domeniile de utilizare includ în special sistemele de telecomunicații și IT, cum ar fi turnurile radio sau centrele de procesare a datelor.

În comparație cu centralele termice convenționale, pilele de combustie au randamente electrice mult mai mari, de până la 60 %, chiar și pentru centralele mici. Acest lucru este avantajos din punct de vedere exergetic, deoarece se produce multă energie electrică de mare valoare și puțină căldură.

În timpul funcționării continue, rezervele de rezervă cu pile de combustie se caracterizează prin următoarele avantaje: funcționare autonomă și durată de viață lungă, costuri de întreținere reduse datorită lipsei pieselor mobile și producție de energie electrică silențioasă și fără emisii (la nivel local).

Capacitatea de rezervă a pilelor de combustie staționare variază de la câțiva kW la peste 1 GWe. Pilele de combustie cu puteri electrice de mică putere sunt adesea pile de combustie portabile, care oferă avantaje de greutate față de bateriile și generatoarele reîncărcabile. O varietate de tipuri diferite de pile de combustie sunt utilizate în sectorul staționar, în unele cazuri și pentru răcire. Pe lângă hidrogen, ca și combustibili se utilizează metanol, gaz natural și gaz petrolier lichefiat.

Energie domestică

Dacă, pe lângă energia electrică generată, se utilizează și căldura produsă, procesul este denumit cogenerare de energie electrică și termică (CHP). Dacă astfel de centrale sunt utilizate în sectorul încălzirii casnice, acestea sunt descrise și ca microcentrale sau mini-centrale de cogenerare, din cauza producției lor mai mici.

Centralele de cogenerare pot fi exploatate cu două strategii: Centrala acoperă fie cea mai mare parte a cererii de energie electrică, fie cea mai mare parte a cererii de căldură. Dacă prețurile energiei electrice sunt ridicate, este adecvat un mod de funcționare bazat pe energie electrică. În acest mod, achiziționarea de energie electrică din rețea poate fi redusă la minimum sau energia electrică produsă prin cogenerare poate fi introdusă în rețeaua electrică și rambursată.

Căldura produsă ca produs secundar al cogenerării este utilizată pentru a acoperi o parte din cererea de căldură a clădirilor. Modul de funcționare bazat în cea mai mare parte pe energie electrică are ca rezultat un randament termic scăzut al sistemelor de încălzire cu pile de combustie. Restul necesarului de căldură al clădirii este acoperit de un sistem de încălzire suplimentar, de exemplu, un cazan cu condensare. Din acest motiv, pilele de combustie sunt potrivite în special pentru clădirile cu un necesar redus de încălzire a spațiilor, cum ar fi clădirile cu consum redus de energie sau cu consum de energie aproape zero. În clădirile cu un necesar mai mare de încălzire a spațiilor, se utilizează sisteme de încălzire hibride cu pile de combustie, care cuprind o pilă de combustie și un cazan în condensare pentru a acoperi necesarul de încălzire de vârf.

Pilele de combustie staționare cu o putere de până la 10 kWe sunt, de obicei, pile de combustie PEM sau SO. Gama tipică de putere a cogenerării în cogenerare pentru case și clădiri de apartamente este cuprinsă între 0,7 și 5 kWe. În cazul în care sistemele de pile de combustie sunt exploatate cu gaz natural ca și combustibil, se poate utiliza o infrastructură de gaze naturale existentă. Cu toate acestea, combustibilul trebuie mai întâi reformat. În cazul pilelor de combustie PEM, reformarea are loc în exterior. Datorită temperaturilor mai ridicate, reformarea internă este posibilă în cazul pilelor de combustie SO.

Probabil cel mai mare avantaj al pilelor de combustie față de procesele termice este conversia electrochimică directă în timpul producerii de energie electrică și termică și eficiența electrică mai mare asociată. În modul combinat, adică electric și termic, pilele de combustie pot atinge randamente de până la 95 %. Eficiența electrică este de până la 45 %. În plus, sistemele cu pile de combustie se caracterizează prin randamente ridicate pe toate punctele de sarcină, sunt silențioase, au costuri de întreținere reduse și funcționează fără emisii (la nivel local).

.