ENERGETYKA, RYNEK ENERGII - CIRE.pl - energetyka zaczyna dzień od CIREWodór
Właścicielem portalu jest ARE S.A.
ARE S.A.

SZUKAJ:



PANEL LOGOWANIA

X
Portal CIRE.PL wykorzystuje mechanizm plików cookies. Jeśli nie chcesz, aby nasz serwer zapisywał na Twoim urządzeniu pliki cookies, zablokuj ich stosowanie w swojej przeglądarce. Szczegóły.


MATERIAŁY PROBLEMOWE

DST New Delhi: produkcja, magazynowanie i zastosowanie wodoru muszą być w Indiach zrealizowane
05.01.2021r. 05:10

Wiesław Drozdowski, redaktor CIRE
Opublikowany przez Departament Nauki i Technologii New Delhi (Department of Science and Technology New Delhi - DST) raport "India Country. Status Report on Hydrogen and Fuel Cells" (Indie. Raport o stanie wodoru i ogniw paliwowych) wskazuje, że dla osiągnięcia przez Indie pełnej dekarbonizacji niezbędny jest rozwój branży wodorowej.

Chociaż istnieje kilka ścieżek dekarbonizacji, wodór wytwarzany ze źródeł odnawialnych jest uważany za najczystsze źródło energii.

Aby zielony wodór stał się realną opcją, autorzy raportu wskazują na kilka kluczowych wyzwań, którymi należy się zająć związanych z opracowaniem nowych materiałów, elektrolitami, przechowywaniem, bezpieczeństwem i normami.

Raport zestawia informacje na temat prowadzonej w Indiach bieżącej działalności badawczej związanej z wodorem przy zaangażowaniu naukowców, przemysłu, przedsiębiorstw użyteczności publicznej i innych interesariuszy z laboratoriów badawczo-rozwojowych i środowiska akademickiego.

Indie z populacją ok. 1,3 mld są drugim pod względem liczby ludności krajem i trzecią co do wielkości gospodarką na świecie (mierzoną parytetem siły nabywczej). Kraj wszedł na drogę szybszego rozwoju, czego odzwierciedleniem jest m.in. znaczny spadek ubóstwa, zwiększony dostęp obywateli do energii, czy rosnące zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii.

Całkowita podaż energii pierwotnej w kraju (TPES) wynosi 881,9 Mtoe (węgiel stanowi 44,3 proc., ropa 25,3 proc., bioenergia i odpady 21,2 proc., gaz ziemny 5,8 proc., hydroenergetyka 1,4 proc., energia jądrowa 1,1 proc., energetyka wiatrowa 0,4 proc. i energetyka słoneczna 0,4 proc.). TPES na mieszkańca wynosi 0,66 toe, a zużycie energii na mieszkańca wynosi 0,44 toe.

Zużycie energii na mieszkańca w Indiach wynosi 30 proc. średniej światowej. Wraz z szybszą ekspansją gospodarczą kraju rośnie zapotrzebowanie na energię w prawie wszystkich sektorach przemysłu, handlu, budownictwa mieszkaniowego, rolnictwa i transportu. System energetyczny Indii jest w dużej mierze uzależniony od paliw kopalnych, tj. węgla i ropy naftowej. Uzupełnienie, jako źródło energii wykorzystywane do ogrzewania mieszkań, stanowi biomasa.
Dwie trzecie TPES pokrywa produkcja krajowa, a zatem Indie są, w dużej mierze, uzależnione od importu ropy i gazu.

Indyjski import netto wyniósł w 2018 r. 205,3 mln ton ropy naftowej i jej produktów, 26,3 Mtoe gazu i 141,7 Mtoe węgla, co stanowi 46,1 proc. całkowitego zużycia energii pierwotnej (TPEC). Główne zużycie występuje w sektorze przemysłowym (42 proc. całkowitego spożycia ostatecznego, tj. TFC), a następnie w sektorze mieszkaniowym (29 proc. TFC), transporcie (17 proc. TFC) i usługach (12 proc. TFC).

Rys.1
Całkowite dostawy energii pierwotnej w Indiach (TPES) i całkowite zużycie końcowe (TFC)

(800x399)

Indie są trzecim co do wielkości konsumentem ropy naftowej na świecie. Możliwości rafinacji ropy plasują je na czwartym miejscu, dzięki czemu są głównym eksporterem produktów rafinowanych.

Rząd Indii opracowuje mapę drogową, aby nadal być jednym z głównych światowych ośrodków rafineryjnych i zwiększyć swoje moce przerobowe zgodnie z planem do 2040 r. Obecnie, zależność od importu ropy naftowej wynosi 80 proc. i oczekuje się dalszego wzrostu.
Gaz ziemny stanowi obecnie 6 proc. w miksie energetycznym a celem jest zwiększenie jego udziału do 15 proc.

Zgodnie z prognozami zapotrzebowanie na energię w Indiach może się podwoić do 2040 r., a na samą energię elektryczną - potroić.

Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na energię wzrasta ryzyko negatywnego wpływu na środowisko. Sektor energetyczny w Indiach jest głównym źródłem problemów środowiskowych, w tym lokalnego zanieczyszczenia powietrza (np. w Delhi, Gurugram, Noida, Faridabad, Kanpur) i emisji gazów cieplarnianych.
Z 20 najbardziej zanieczyszczonych miast świata, 10 znajduje się w Indiach, a liczba przedwczesnych zgonów spowodowanych zanieczyszczeniem powietrza sięgnęła w 2017 r. ok. 1,2 mln.
W związku z tym istnieje potrzeba dostarczania czystej energii przy uwzględnianiu zagrożeń związanych ze zmianami klimatycznymi.

Rząd Indii opracował kilka polityk i dąży do zapewnienia trwałych i niedrogich rozwiązań, ograniczenia emisji i wytyczenia ścieżki wzrostu gospodarczego. Podjęto działania, aby zaradzić zmianom klimatu i lokalnym zagrożeniom związanym z zanieczyszczeniem powietrza, np. National Green Tribunal zrewidował standardy w zakresie norm emisyjnych dla elektrociepłowni i ograniczył emisję pyłu zawieszonego do 30 mg/m sześc., NOx i SOx do 100 mg/m sześc.
Emisje NOx pochodzą głównie z sektorów: transportu (40 proc.), energetyki (31 proc.) i sektora przemysłowego (20 proc.). Głównym źródłem są pojazdy ciężarowe, a następnie wytwarzanie energii z węgla i wykorzystanie go w przemyśle. Sektor energetyczny jest głównym źródłem emisji SOx (ponad połowa ogółu).

Rys.2
Procentowy udział emisji w różnych sektorach

(739x800)

Jak podają autorzy raportu, Indie są zdeterminowane, aby w ramach Porozumienia paryskiego przyczynić się do redukcji emisji i zwiększenia udziału paliw niekopalnych w różnych sektorach.

Narodowym Planie Działań na Rzecz Zmian został uruchomiony w 2008 r. Opierając się na nim, rząd Indii zainicjował kilka misji krajowych:
• National Mission for Enhanced Energy Efficiency (Krajowa misja na rzecz zwiększonej efektywności energetycznej)
• National Solar Mission (Krajowa Misja Solarna)
• National Electric Mobility Mission (Krajowa Misja Mobilności Elektrycznej)
• National Smart Grid Mission (Krajowa misja Smart Grid)
• National Mission on Advanced Ultra Super Critical Technology (Krajowa misja dotycząca zaawansowanej technologii ultra-superkrytycznej)
• National Mission on Transformative Mobility and Battery Storage (Krajowa misja na rzecz transformacji mobilności i magazynowania energii w bateriach).

W 2019 r. Indie miały 84 GW zainstalowanej mocy w instalacjach odnawialnych. Kolejnym celem jest osiągnięcie 175 GW do 2022 r.

W latach 2000-2019 ok. 700 mln mieszkańców Indii uzyskało dostęp do energii elektrycznej.

Za energetykę i sprawy pokrewne odpowiada w Indiach 5 głównych ministerstw: Ministerstwo Nowej i Odnawialnej Energii (MNRE), Ministerstwo Energii (MoP), Ministerstwo Ropy i Gazu (MoPNG), Ministerstwo Węgla (MoC) oraz Departament Energii Atomowej (DAE).

Agencjami finansującymi w obszarze energetyki są: Ministerstwo Nauki i Technologii (MoST), Departament Nauki i Technologii (DST), Departament Biotechnologii (DBT), Departament Badań Naukowo-Przemysłowych (DSIR), Departament Energii Atomowej (DAE) , Ministerstwo Węgla (MoC), Ministerstwo Nauki o Ziemi (MG), Ministerstwo Przemysłu Ciężkiego (MoHI), Ministerstwo Nowej i Odnawialnej Energii (MNRE), Ministerstwo Energii (MoP), Ministerstwo Ropy i Gazu (MoPNG).

Wodór jest obiecującym nośnikiem energii, który może sprostać różnym wyzwaniom związanym z sektorem energetycznym a także może zastąpić paliwa konwencjonalne.
Może być wytwarzany z wielu różnych pierwotnych lub wtórnych nośników energii, a decyzję o surowcu można podjąć w oparciu o lokalną dostępność. Do wytwarzania wodoru z lokalnie dostępnych surowców można dobrać odpowiednią drogę produkcyjną, a wytworzony wodór wykorzystać do szerokiego zakresu zastosowań końcowych. W związku z tym zróżnicowane szlaki produkcyjne mogą zmniejszyć zależność Indii od importu i mogą pomóc w zapewnieniu bezpieczeństwa energetycznego.

Stosowanie wodoru może znacznie zmniejszyć emisje CO2 w miejscu jego użytkowania, a jeśli stosowany jest wodór zielony, istnieje możliwość dekarbonizacji całego łańcucha wartości.

Wodór może zapewnić powiązania między podażą a popytem na energię, zarówno w sposób scentralizowany jak i zdecentralizowany, zwiększając tym samym ogólną elastyczność systemu energetycznego. Niskoemisyjne wodorowe źródła energii można zastosować do sektorów, takich jak transport i budownictwo, a nawet sektorów trudnych do redukcji emisji, takich jak przemysł stalowy i cementowy.

Na obszarach wiejskich z ograniczonym dostępem do sieci lub bez niej, wykorzystanie wodoru może zapewnić usługi energetyczne.

Przy ambitnych celach osiągnięcia większego wykorzystania odnawialnych źródeł energii, magazynowanie energii jest nieuniknioną częścią systemu energetycznego. Wodór można wykorzystywać do magazynowania na małą i dużą skalę oraz do magazynowania krótko- i długoterminowego, aby zrównoważyć sezonowy lub dzienny popyt na energię.

Energetyka wodorowa jest obecnie na wczesnym etapie penetracji. Wiele agencji finansujących wspiera szeroko zakrojone projekty badawczo-rozwojowe dotyczące różnych aspektów gospodarki wodorowej, w tym produkcji, przechowywania i wykorzystania wodoru do zastosowań stacjonarnych, wytwarzania energii i transportu (z wykorzystaniem silników spalinowych lub technologii ogniw paliwowych). Działania badawczo-rozwojowe w tym obszarze koncentrują się na opracowywaniu nowych materiałów, procesów, komponentów, systemów i podsystemów.

Różne agencje finansujące w Indiach, to zarówno agencje rządowe, jak i przedsiębiorstwa sektora publicznego.

Krajowy plan działania w zakresie energii wodorowej został opracowany w 2006 r., aby określić długoterminowe działania, które były niezbędne dla rozwoju energetyki wodorowej. W mapie drogowej określono luki technologiczne i wyzwania związane z wprowadzaniem wodoru na dużą skalę w sposób etapowy. Zaproponowano odpowiednie ścieżki i określono wymagane strategie, prawodawstwo, finansowanie i wymaganą infrastrukturę pomocniczą. Zidentyfikowano dwa główne obszary, a mianowicie wytwarzanie energii ze źródeł odnawialnych oraz wykorzystanie jej w transporcie.

Główną globalną inicjatywą obejmującą 24 kraje i Unię Europejską jest "Mission Innovation Renewable and Clean Hydrogen Challenge" ("Misja Innowacji. Odnawialny i czysty wodór - wyzwania" - MI), która została ogłoszona 30 listopada 2015 r. Jej celem jest radykalne przyspieszenie globalnych innowacji w dziedzinie czystej energii poprzez podwojenie rządowych nakładów na badania i rozwój w ciągu 5 lat. W ramach MI istnieje 8 wyzwań innowacyjnych (IC8), które mają na celu zachęcenie sektora prywatnego do większych inwestycji w transformacyjne technologie. IC8 koncentruje się na odnawialnym i czystym wodorze, a Indie aktywnie uczestniczą w tym wyzwaniu.

Celem będzie przyspieszenie rozwoju światowego rynku wodoru poprzez identyfikację i przezwyciężenie kluczowych barier technologicznych w produkcji, dystrybucji, magazynowaniu i wykorzystaniu wodoru w skali gigawatów. Wdrożenie ma nastąpić poprzez międzynarodowe badania naukowe i wysiłki demonstracyjne na dużą skalę oraz zaangażowanie sektora publiczno-prywatnego w osiągnięcia przemysłu. Różne działania zostaną zorganizowane w ramach czterech strumieni: wytwarzanie wodoru, dzielenie się wodorem, wykorzystywanie wodoru i zagadnienia przekrojowe.

Termin "gospodarka wodorowa" został wprowadzony do terminologii w 1970 r. przez Johna Bockrisa, który stwierdził, że może ona zastąpić obecną gospodarkę opartą na węglowodorach.

Zainteresowanie wodorem wskazuje na korzyści płynące z jego stosowania w całym ekosystemie energetycznym. Różne ścieżki do gospodarki wodorowej obejmują produkcję, przechowywanie, transport i wykorzystanie wodoru.

Rys.3
Ścieżki do gospodarki wodorowej

(1000x439)

Obecne globalne zapotrzebowanie na wodór wynosi 70 mln ton metrycznych rocznie, w przeliczeniu na energię, to ok. 330 mln toe. Większość z nich jest produkowana z paliw kopalnych (76 proc. z gazu ziemnego i ok. 23 proc. z węgla), które zużywają 6 proc. światowego gazu ziemnego i 2 proc. węgla. Wszystko to powoduje roczną emisję CO2 na poziomie ok. 830 Mt.

Większość produkowanego CO2 nie jest wychwytywana. Obecnie, jedynie ok. 130 Mt jest wychwytywane i wykorzystywane w przemyśle nawozowym. Sytuacja ulegnie zmianie, gdy wzrośnie wytwarzanie wodoru z produkcji opartej na paliwach niekopalnych, a przy większym wykorzystaniu OZE nastąpi zwrot w kierunku wodoru zielonego.

Metody produkcji są zasadniczo uzależnione od surowca, który z kolei zależy również od lokalnej dostępności. Tymi drogami produkcji wodoru mogą być: reforming gazowo-parowy, zgazowanie, piroliza, fermentacja i elektroliza lub fotoliza. Jednak najpowszechniej stosowana metoda produkcji wodoru obejmuje reforming metanu z parą wodną, reforming metanolu, częściowe utlenianie węglowodorów, reforming autotermiczny, zgazowanie węgla, elektrolizę wody i procesy termochemiczne.

Rys.4
Metody produkcji wodoru w zależności od użytego surowca

(900x576)

Pozostałe metody produkcji, w tym zgazowanie biomasy oraz technologie fotokatalityczne lub fotoelektrochemiczne są nadal w fazie badawczej.

Większość produkowanego wodoru jest wykorzystywana, w szczególności, do rafinacji ropy naftowej (33 proc.), produkcji amoniaku (27 proc.), metanolu (11 proc.) i stali metodą DRI (3 proc.). Wodór można wytwarzać centralnie, a następnie transportować i rozprowadzać do miejscu zużycia lub w sposób rozproszony, gdy jest wytwarzany w miejscu wykorzystania.

Produkcja wodoru z gazu ziemnego bez wychwytywania, wykorzystywania i sekwestracji CO2 (CCUS) jest obecnie najbardziej ekonomiczną metodą, a najniższy koszt to 1 dolar/kg wodoru (Bliski Wschód), podczas gdy elektroliza wody jest metodą najdroższą. Jednak w miejscach, gdzie dostępna jest energia ze źródeł odnawialnych lub energia jądrowa, koszt wodoru wytwarzanego elektrolitycznie lub metodą termochemiczną jest zdecydowanie niższy.

Obecnie w Indiach większość produkowanego wodoru jest produktem ubocznym procesów rafineryjnych lub reakcji chloro-alkalicznych. W latach 2013-2014 ok. 40 zakładów stosujących procesy chloro-alkaliczne produkowało 66 tys. ton wodoru będącego produktem ubocznym, z czego 6,6 tys. ton nie zostało wykorzystane.
Rynek energetyki wodorowej w Indiach został wyceniony w 2017 r. na ok. 50 mln dolarów. Szacuje się, że do 2025 r. jego wartość wzrośnie do 81 mln dolarów.

W Indiach, różne grupy badawcze są zaangażowane w projekty B + R w zakresie produkcji wodoru, m.in.:

• W Bhabha Atomic Research Center (BARC) w Bombaju badanych jest kilka podejść do technologii produkcji wodoru, które można podzielić na trzy kategorie: 1) elektroliza wody alkalicznej (AWE) oraz elektroliza wody z zastosowaniem elektrolizera z membraną wymiany protonów (PEM) i polimerowym elektrolitem, b) jodowo-siarkowy proces termochemicznego rozkładu wody, c) wysokotemperaturowa elektroliza parowa (HTSE).

• Projekt elektrod i elektrolitów do wytwarzania wodoru z wykorzystaniem wody morskiej był badany w Central Electrochemical Research Institute (CSIR-CECRI) w Karaikudi. Jako katalizatora użyto zredukowanych tlenków tytanu. Głównym wyzwaniem związanym ze znalezieniem odpowiedniego katalizatora było zrównoważenie jego skuteczności i stabilności w wodzie morskiej.

• Produkcja wodoru w procesie reformingu parowego surogatów biomasy (bioetanol, bio-butanol, bioolej i biogaz) wzmocnionego udziałem wodoru (poprzez reakcję konwersji tlenku węgla) jest prowadzona w Instytucie Technologii Chemicznej w Bombaju. Badane są hybrydowe materiały dwufunkcyjne, które łączą zalety zarówno katalizatora reformingu, jak i absorbentu CO2. Jak wykazano, materiały na bazie miedzi zapewniają najwyższą produkcję wodoru o wysokiej czystości i szybkie usuwanie CO2.

• Zastosowanie mieszanych tlenków metali przejściowych do elektrolizy wody alkalicznej jest badane przez grupę naukowców na Uniwersytecie w Lucknow.

• Wytwarzanie wodoru drogą katalityczną z ciekłych związków organicznych (LOHC), takich jak np. kwas mrówkowy, metanol badane są przez firmę Thermax.

• Utworzone przez Oil and Natural Gas Corporation Ltd (ONGC) w 2005 r. Centrum Energetyczne (ONGC Energy Centre - OEC) zaangażowało się w badania termochemicznego rozszczepiania wody w celu wytwarzania wodoru na dużą skalę.

• Innym ważnym działaniem jest międzyinstytucjonalny projekt dotyczący wytwarzania wodoru z wykorzystaniem energii ze źródeł PV, zainicjowany i wspierany przez rządowy Program Rozwoju Systemów Technologicznych Departamentu Nauki i Technologii (Technology Systems Development Program of Department of Science and Technology). Projekt jest realizowany w trybie konsorcjum obejmującym IIT Kanpur, IIT Madras, Dayalbagh Educational Institute Agra, IIT Jodhpur, CECRI, Karaikudi i BARC Mumbai i ma na celu opracowanie skalowalnych projektów systemów fotowoltaicznych do wytwarzania wodoru z wykorzystaniem wielu technologii. Oprócz sprostania wyzwaniom technicznym, które pojawiają się przy opracowywaniu technologii konwersji energii ze źródeł PV, planowano połączyć uzupełniające się wyniki różnych indyjskich uniwersytetów i laboratoriów krajowych, aby zmapować procesy wytwarzania wodoru w skali laboratoryjnej dla odpowiednich modeli produkcyjnych.

Rys.5
Mapa Indii przedstawiająca różne instytucje i firmy zajmujące się produkcją wodoru

(1000x698)

Głównymi graczami na indyjskim rynku wodoru są: Linde India Ltd., Praxair India Private India Ltd., Inox Air products, Air Liquide India, Gujarat Alkalies And Chemicals Ltd., Bhuruka Gases Limited, Aditya Birla Chemicals (India) Ltd., TATA Chemicals Ltd., DCW Limited (DCW) i GHCL Ltd.

Głównym "wąskim gardłem" na szlaku wodorowym jest wydajne, przystępne, opłacalne i bezpieczne przechowywanie wodoru. Wymagania dotyczące magazynowania wodoru są różne w przypadku zastosowań stacjonarnych i transportowych. Wodór może być przechowywany w stanie sprężonym, skroplonym i stałym.

Rys. 6
Sposoby przechowywania wodoru

(1000x666)

Ponieważ gęstość wodoru jest bardzo niska (0,089 kg/m sześc.), magazynowanie go w postaci gazowej wymaga sprężania do wysokich ciśnień. Dostępne w handlu zbiorniki typu III i IV mogą przechowywać wodór pod ciśnieniem odpowiednio 350 barów i 700 barów. Gdy przechodzimy od zbiorników typu I do typu IV, masa zbiornika zmniejsza się, ale zwiększają się koszty przechowywania.

Zbiorniki typu I wykonane są w całości ze stali. Ponieważ wodór ma wysoką przepuszczalność, dla zapewnienia szczelności, zastosowano w nich dodatkową wewnętrzną wyściółkę z metalu. W zbiornikach typu II i III wyściółka wykonana jest częściowo lub całkowicie z siatki z włókna węglowego. W zbiornikach typu IV, wykonanych z kompozytów włókno szklane/aramid lub włókno węglowe z wkładem metalowym, wewnętrzna wyściółka jest polimerem, dlatego te pojemniki są lekkie ale kosztowne.

Skraplanie wodoru jest znacznie bardziej energochłonne niż kompresja. Temperatura ciekłego wodoru wynosi 20 K (przy gęstości 70,8 kg/m sześc.), w związku z czym konstrukcja zbiornika powinna obejmować niezawodną izolację, aby zabezpieczyć dopływ ciepła do naczynia, ale nie są one odporne na wysokie ciśnienia. Podczas magazynowania skroplonego wodoru występują straty spowodowane przez wyparowanie, które obserwuje się przy wzroście ciśnienia. Straty podczas wyparowania są zminimalizowane, jeśli zbiornik jest zaprojektowany tak, aby stosunek objętości do powierzchni był jak największy.

Magazynowanie w stanie ciekłym jest dojrzałą technologią szeroko wykorzystywaną w zastosowaniach przemysłowych i kosmicznych.

Wykorzystuje się również zbiorniki, gdzie stosuje się kompresję kriogeniczną, metodę hybrydową łączącą zarówno przechowywanie w stanie sprężonym jak i ciekłym.

Wodór przechowywany jest również w fazie stałej w postaci wodorków metali. Wodorki niektórych metali (np. lit, beryl, sód, magnez, bor, glin) lub ich stopów (np. żelazo-tytan, lantan-nikiel, tytan-wanad-chrom). Ta metoda przechowywania ma kilka zalet w porównaniu z metodami magazynowania w stanie sprężonym czy ciekłym. Przede wszystkim jest bezpieczna i wydajna objętościowo, a warunki pracy, takie jak temperatura i ciśnienie, są optymalne w przeciwieństwie do pozostałych dwóch metod.

Działalność Departamentu Nauki i Technologii (DST), w zakresie magazynowania wodoru i ogniw paliwowych, koncentruje się, w szczególności, na:
• opracowywaniu nowych struktur materiałowych, m.in. złożonych wodorków,
• konstrukcji lekkich butli do przechowywania wodoru pod wysokim ciśnieniem do zastosowań w pojazdach,
• wykorzystaniu grafenu i twardych materiałów kompozytowych do przechowywania wodoru.
Poniżej podsumowano niektóre prace badawcze prowadzone w różnych instytucjach w zakresie magazynowania wodoru:

• W IIT Bombay wykonuje się wiele prac nad materiałami do przechowywania wodoru. Badane są różne materiały, takie jak metale, stopy i wodorki (np. wodorki na bazie magnezu i ich kompozyty) w celu uzyskania lepszej wydajności. Prowadzona jest synteza wodorków metali na dużą skalę, synteza z materiałów klasy przemysłowej oraz wpływ zanieczyszczeń.

• Na Uniwersytecie Banaras Hindu, przy wsparciu finansowym Ministerstwa Nowej i Odnawialnej Energii (Ministry of New and Renewable Energy - MNRE), utworzono Centrum Energii Wodorowej (Hydrogen Energy Centre). Przeprowadzono wiele pionierskich prac nad nowatorskimi materiałami, nanorurkami, nanowłóknami węglowymi, grafenem i kompozytami, magazynowaniem wodoru i zastosowaniami w dwu- i trzykołowych pojazdach napędzanych wodorem.

• W IIT Guwahati zademonstrowano dużą liczbę zastosowań opartych na wodorkach metali. Rozwiązano szereg problemów związanych z wykorzystaniem ciepła w urządzeniach opartych na tych związkach.

• W przypadku magazynowania opartego na wodorkach metali, priorytetowym pozostaje projekt reaktora magazynującego wodór. Ponieważ egzo- i endotermiczne procesy absorpcji i desorpcji wymagają wydajnego zarządzania ciepłem, aby zapewnić lepszą wydajność, ważne jest szybkie ładowanie i rozładowywanie oraz osiągnięcie wydajności zbliżonej do teoretycznej. Wiele prac symulacyjnych i optymalizacyjnych na poziomie systemu zostało przeprowadzonych w IIT Madras, IIT Guwahati i IIT Tirupati.

Platforma do rozwoju technologii magazynowania energii DST - IIT Bombay została utworzona w celu prowadzenia badań materiałów i systemów, demonstracji prototypów, rozwoju technologii, inkubacji innowacyjnych pomysłów, interakcji przemysłowych, współpracy i rozpowszechniania informacji w dziedzinie wodoru. Centrum koncentruje się na selekcji, syntezie i charakteryzowaniu wodorków metali (MH) i innych nowatorskich materiałów, testowaniu wydajności różnych systemów.

Kolejna platforma do rozwoju magazynowania energii DST-NFTDC na wodorze została utworzona w Centrum Rozwoju Technologii Materiałów Nieżelaznych (Nonferrous Materials Technology Development Centre - NFTDC) w Hyderabadzie. Skupia się głównie na materiałach wodorowych do urządzeń energetycznych oraz systemach związanych z wodorem, takich jak zintegrowany system SOFC. Technologia SOFC łączy wodór i tlen w reakcji elektrochemicznej, aby wytworzyć energię elektryczną, a jedynymi tymczasowymi ubocznymi produktami są para wodna, ciepło i CO2, który jest wychwytywany.

Rys. 7
Instytucje zajmujące się magazynowaniem wodoru w Indiach

(1100x752)

Niezależnie od tego, czy wodór jest produkowany w sposób scentralizowany, czy zdecentralizowany, istnieje potrzeba jego transportu do miejsca dystrybucji lub doprowadzenia do miejsca wykorzystania. W przypadku produkcji scentralizowanej koszt wytwarzania wodoru jest niższy ze względu na korzyści skali, ale koszty związane z przesyłem i dystrybucją (T&D) są wyższe, podczas gdy w produkcji zdecentralizowanej, (np. na stacji paliw przy zastosowaniu elektrolizera na miejscu), koszty te są zminimalizowane, ale produkcja jest droższa.

Z miejsca wytwarzania wodoru mogą istnieć różne sposoby jego transportu, np. w postaci sprężonego gazu lub w postaci skroplonej. Transport wodoru gazociągami (obecnie w postaci mieszaniny z gazem ziemnym) jest możliwy ale wymagana jest do tego specjalna infrastruktura.

Rys. 8
Różne sposoby transportu wodoru

(1000x707)

Rys. 9
Możliwe sposoby transportu, dystrybucji i tankowania wodoru

(1100x727)

Indian Oil Corporation Limited (IOCL), indyjska spółka sektora publicznego, prowadzi pilotażowy projekt wykorzystania w pojazdach sprężonego gazu ziemnego wzbogaconego wodorem (H-CNG). Stwierdzono, że H-CNG jest bardziej wydajny niż CNG pod względem ilości emisji. IOCL opracował jednoetapową procedurę mieszania wodoru z CNG i oczekuje się, że powstała mieszanka znacznie obniży emisje i okaże się opłacalna. Sąd Najwyższy nakazał IOCL, aby wkrótce zakończyła ten projekt pilotażowy, a H-CNG zastosowano w autobusach.

Najbardziej obiecującą ze wszystkich opracowanych technologii ogniw paliwowych jest ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów (PEMFC), które działa w niższej temperaturze. Wariantem PEMFC jest ogniwo paliwowe zasilane bezpośrednio alkoholem (DAFC).

Działalność DST w tym zakresie koncentruje się głównie na:
• opracowywaniu nowych materiałów, katalizatorów do trwałych i niedrogich ogniw PEM,
• wykorzystaniu dla lekkich pojazdów użytkowych mieszaniny oleju napędowego i biodiesla (długołańcuchowe estry metylowych kwasów tłuszczowych pochodzących z olejów roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych) jako paliwa pilotażowego do pracy dwupaliwowej (z wodorem) w silniku o zapłonie samoczynnym i zintegrowanym układzie wodorowego ogniwa paliwowego.

W ciągu ostatnich 10 lat MNRE wydało ok. 250 mln rupii (Rs. 25 Crore = 3,5 mln dolarów) na badania nad ogniwami paliwowymi. Wydatki DST i DSIR wyniosły ok. 50 mln rupii a Organizacja Badań i Rozwoju Obrony Indii (Defence Research and Development Organisation - DRDO) do tej pory zainwestowała ok. 0,5 mld rupii (7 mln dolarów) i planuje zainwestować kolejny miliard w najbliższej przyszłości.

Rys. 10
Mapa przedstawiająca instytucje prowadzące główną działalność w zakresie ogniw paliwowych w Indiach

(715x800)

Według danych raportu na koniec trzeciego kwartału 2020 r., na całym świecie było ok. 11,2 tys. samochodów napędzanych wodorem, 20 tys. wózków widłowych i 381 stacji tankowania.

MNRE wsparło wiele projektów demonstracyjnych za pośrednictwem Indian Oil Corporation and Society of Indian Automobile Manufacturers. Pierwszy projekt demonstracyjny dotyczył budowy stacji dystrybucji przez Indian Oil Corporation w ich centrum badawczo-rozwojowym Faridabad, która została uruchomiona w latach 2008-09 i posiada elektrolizer o wydajności ok. 11 kg wodoru na dobę. Wodór wytwarzany z elektrolizera jest mieszany z CNG i stosowany w pojazdach demonstracyjnych i testowych. Celem projektu jest zdobycie doświadczenia zawodowego w obchodzeniu się z wodorem a także dostarczenie informacji zwrotnych na temat działania mieszanin wodoru i CNG jako paliwa w samochodach.

Drugi projekt demonstracyjny jest realizowany przez Society of Indian Automobile Manufacturers (SIAM) we współpracy z pięcioma producentami samochodów (Tata Motors, Ashok Leyland, Eicher Motors, Mahindra and Mahindra and Bajaj Auto). Projekt obejmował trzy autobusy, dwa samochody i dwa trójkołowe pojazdy użytkowe do prób terenowych na bazie mieszanki wodoru i CNG i pomógł w optymalizacji pracy silnika i stosunku składników mieszanki. Stwierdzono, że najlepsza wydajność i najniższe emisje NOx są osiągane przy maksymalnie 20-procentowym objętościowym udziale wodoru w mieszance.

Wiele prac badawczo-rozwojowych podjętych w dziedzinie energetyki wodorowej zostało z powodzeniem zakończonych. Wśród nich znalazły się m.in. motocykle napędzane wodorem, trójkołowce, zespoły silnikowo-prądnicowe i elektrolizery do produkcji wodoru. Podejmowanych jest wiele działań rozwojowych i demonstracyjnych w celu opracowania i ulepszenia pojazdów napędzanych wodorem i małych generatorów. Przewiduje się, że za ok. dekadę dostępne będą na szeroką skalę modele do rozszerzonych demonstracji wykorzystania wodoru w samochodach. Do tego czasu, prawdopodobnie będą również gotowe małe systemy wytwarzania energii.

Największym wyzwaniem związanym z komercjalizacją technologii wodorowych jest wymóg regulacji prawnych i zachęt do ich wdrażania. Przy takich standardach, proces wdrażania zdecydowanie się zwiększy, a technologie, które są na poziomie demonstracji laboratoryjnej, mogłyby szybciej wejść na rynek. W szczególności, normy ISO i IEC pomogą zajmować się pojazdami napędzanymi wodorem i płynniejszym rozwojem gospodarki wodorowej.

Zgodnie z zaleceniami Komitetu Koordynacyjnego ds. Energetyki Wodorowej i Ogniw Paliwowych powołanego przez MNRE, przepisy dotyczące pojazdów z 1989 r. będą musiały zostać zmienione w celu uwzględnienia wodoru jako paliwa samochodowego. Przepisy dotyczące butli gazowych z 2004 r. również będą wymagały poprawek. Niezbędne jest także wydanie przez PESO (Petroleum and Explosives Safety Organisation - Organizacja Bezpieczeństwa Ropy Naftowej i Materiałów Wybuchowych) wytycznych i przepisów certyfikacyjnych w zakresie urządzeń do przechowywania wodoru i systemów jego tankowania w celu zapewnienia bezpieczeństwa. Ponadto, Ministerstwo Dróg, Transportu i Autostrad będzie musiało opracować i dostosować do porządku prawnego ramy licencjonowania i uzyskiwania zezwoleń dla autobusów napędzanych wodorem.

Indie uczestniczą w pracach wielu międzynarodowych komitetów normalizacyjnych, takich jak ISO, UN-ECE. Ośrodki te opracowują globalne normy dotyczące wodoru, które w przyszłości mogłyby zostać zaimplementowane do indyjskiego prawa.

Rys. 11
Wybrane osiągnięcia w zakresie gospodarki wodorowej w Indiach

(539x800)

Wodór jako paliwo i technologie oparte na wodorze budzą zainteresowanie rządów na całym świecie. W następnej dekadzie nastąpi rozbudowa kilku technologii wysokiego poziomu TRL (Technology Readiness Level - Poziomy Gotowości Technologicznej) w celu spełnienia wymaganego udziału wodoru i usprawnienia wdrażania. Rządy, na tym etapie, mają tutaj do odegrania kluczową rolę. Postęp obserwowany w Indiach, podobnie jak w przypadku wdrażania fotowoltaiki z partnerami publiczno-prywatnymi i wsparciem politycznym, będzie wymagany również w odniesieniu do wodoru.

Ciekawym zastosowaniem wodoru jest łączenie go z CO2 wychwytywanym z zakładów sekwestracji w celu produkcji różnorodnych węglowodorów, jak m.in. metan, metanol, syntetyczne produkty petrochemiczne czy paliwo transportowe.

W perspektywie krótkoterminowej wodór można wprowadzać w różnych sektorach i wdrażanych technologiach, niezależnie od tego, czy jest to wodór niebieski, zielony czy szary. W średniookresowej perspektywie mieszanie gazu ziemnego z wodorem mogłoby być możliwą metodą redukcji emisji, a jednocześnie uczynienia wodoru (najlepiej zielonego) częścią wielkoskalowej sieci dystrybucyjnej.
W dłuższej perspektywie, cały łańcuch wartości wodoru powinien być całkowicie wolny od emisji. W ten sposób wodór może przyczynić się do zdekarbonizowanej, zrównoważonej i bezpiecznej przyszłości energetycznej.

Wśród zaleceń dla Departamentu Nauki i Technologii (DST) oraz innych agencji finansujących raport wymienia, w szczególności, następujące:

• Należy wprowadzić główne programy badawczo-rozwojowe w powiązaniu z aplikacjami, które mogą mieć akceptację rynkową. W tym celu, oprócz zwykłych projektów rozwojowych, duża liczba projektów demonstracyjnych powinna być wspierana przez DST w obszarach produkcji czy magazynowania.

• Należy udostępnić scentralizowane obiekty do długoterminowej oceny wydajności stosów ogniw paliwowych, które mogłyby być otwarte zarówno dla badań i rozwoju, jak i przemysłu.

• Wymagane są szybkie badania w różnych dziedzinach i przekształcenie know-how w skalę pilotażową.

• Wysiłki badawczo-rozwojowe powinny koncentrować się na zapewnieniu rozwoju spójnego łańcucha dostaw wodoru i odpowiednich systemów magazynowania dla projektów demonstracyjnych. W tej fazie należy wspierać start-upy.

• Ważne jest promowanie obecnie praktykowanych metod produkcji instalacji wodorowych z wymaganym uszlachetnianiem paliw. Jednocześnie należy wspierać projekty badawczo-rozwojowe w zakresie technologii paliw alternatywnych i efektywnością energetyczną. Bardziej ekologiczne procesy, które są obecnie uważane za drogie, takie jak ogniwa fotoelektrochemiczne powinny być wspierane poprzez wyraźny mandat na innowacyjne podejście do wyższej wydajności i niższych kosztów.

• Indyjskie stacje paliw i związane z nimi systemy, a także bezpieczeństwo, to realne mankamenty. Projekty demonstracyjne związane z systemami napełniania z długoterminowym zapewnieniem wydajności, a także parametrami bezpieczeństwa wymagają znacznego wsparcia.

• Wiele prac badawczo-rozwojowych a co za tym idzie - wsparcia, wymagają systemy magazynowania wodoru. Przy konstruowaniu butli ciśnieniowych wiele części powinno być rodzimych.

• Należy dokładniej przyjrzeć się układom w stanie stałym, takim jak wodorki, media porowate i ciekły nośnik, ponieważ mają one zalety związane z bezpieczeństwem, wyższą gęstością objętościową i optymalnymi warunkami pracy.

• Wymagane są okresowe spotkania z udziałem ekspertów z przemysłu, środowiska akademickiego i agencji finansujących. Niezbędne są dyskusje na temat obszarów, w których występują luki, oraz zwiększonej interakcji między sektorem B + R a przemysłem.

• Koncepcja produkcji, magazynowania wodoru i jego zastosowań musi być całkowicie zrealizowana. Wymagane obiekty rozproszone po całym kraju muszą być scentralizowane i otwarte dla całej społeczności naukowej. Konieczne jest wzmocnienie istniejących technologii i promowanie badań opartych na nowych materiałach.

• Należy zachęcać do wytwarzania wodoru przy udziale źródeł odnawialnych. Rząd powinien zbadać politykę obniżenia ceny wodoru wytwarzanego z zastosowaniem OZE.

KOMENTARZE ( 1 )


Autor: histoeryk 18.01.2021r. 14:08
czy to w ramach popierania opozycji wobec Chin?
ODPOWIEDZ ZGŁOŚ DO MODERACJI
Dodaj nowy Komentarze ( 1 )

DODAJ KOMENTARZ
Redakcja portalu CIRE informuje, że publikowane komentarze są prywatnymi opiniami użytkowników portalu CIRE. Redakcja portalu CIRE nie ponosi odpowiedzialności za ich treść.

Przesłanie komentarza oznacza akceptację Regulaminu umieszczania komentarzy do informacji i materiałów publikowanych w portalu CIRE.PL
Ewentualne opóźnienie w pojawianiu się wpisanych komentarzy wynika z technicznych uwarunkowań funkcjonowania portalu. szczegóły...

Podpis:


Poinformuj mnie o nowych komentarzach w tym temacie




cire
©2002-2021
Agencja Rynku Energii S.A.
mobilne cire
IT BCE