Green hydrogen – production methods

mgr Marta Gburzyńska

Państwowa Akademia Nauk Stosowanych im. Ignacego Mościckiego w Ciechanowie.

Streszczenie: W artykule poruszono temat metod produkcji wodoru z odnawialnych źródeł energii. W kontekście globalnych dążeń do dekarbonizacji i osiągnięcia neutralności klimatycznej, skupiono się na pięciu głównych metodach: elektrolizie wody, fotolizie wody, termochemicznym rozkładzie wody, biologicznej produkcji wodoru oraz wykorzystaniu biomasy i odpadów.

Słowa kluczowe: wodór, paliwo przyszłości, odnawialne źródła energii, elektroliza, reforming parowy.

Summary: The article addresses the topic of hydrogen production methods from renewable energy sources. In the context of global efforts towards decarbonization and achieving climate neutrality, it focuses on five main methods: water electrolysis, water photolysis, thermochemical water splitting, biological hydrogen production, and the utilization of biomass and waste.

Keywords: hydrogen, fuel of the future, renewable energy sources, electrolysis, steam reforming.

 WPROWADZENIE

Wodór, często określany jest mianem paliwa przyszłości, odgrywa kluczową rolę w globalnych dążeniach do osiągnięcia neutralności węglowej i transformacji energetycznej. Jako nośnik energii, zdolny do magazynowania, transportu i uwalniania energii bez bezpośredniej emisji gazów cieplarnianych, wodór oferuje obiecujące perspektywy. Jego wszechstronne zastosowanie obejmuje sektory motoryzacyjny, przemysłowy, grzewczy i elektryczny, co czyni go ważnym elementem w strategiach zrównoważonego rozwoju i redukcji emisji CO₂ [6].

Jednak głównym wyzwaniem w wykorzystaniu wodoru jako zrównoważonego źródła energii jest jego produkcja w sposób ekologiczny i ekonomicznie opłacalny. Tradycyjnie wodór wytwarzany jest głównie z paliw kopalnych, zwłaszcza z gazu ziemnego [4, 5]. Aby pokonać te wyzwania, naukowcy i inżynierowie skupiają się na opracowaniu metod produkcji wodoru, które wykorzystują odnawialne źródła energii, redukując tym samym ślad węglowy i promując zrównoważony rozwój.

Metody produkcji wodoru z odnawialnych źródeł energii można podzielić na kilka głównych kategorii:

1. Elektroliza wody – jest to proces, w którym energia elektryczna, uzyskana z odnawialnych źródeł, takich jak energia wiatrowa lub słoneczna, jest używana do rozkładu wody na wodór i tlen. Jest to obecnie jedna z najbardziej obiecujących metod produkcji zielonego wodoru, oferująca czysty i efektywny sposób jego uzyskiwania [7].
2. Fotoliza wody – wykorzystuje energię światła do bezpośredniego rozkładu cząsteczek wody na wodór i tlen. Ta metoda jest wciąż na etapie badań, ale potencjalnie może być sposobem na wykorzystanie bezpośredniej energii słonecznej do produkcji wodoru [12].
3. Termochemiczny rozkład wody – proces ten wykorzystuje wysoką temperaturę (zwykle powyżej 800°C) do produkcji wodoru z wody. Termochemiczny rozkład wody często wiąże się z użyciem różnych cykli chemicznych, takich jak cykl siarkowo-jodowy, aby ułatwić i zwiększyć wydajność procesu [14].
4. Biologiczna produkcja wodoru – wykorzystuje mikroorganizmy, takie jak algi czy bakterie, do produkcji wodoru z wody lub biomasy. Ta metoda jest atrakcyjna ze względu na swoją potencjalną ekologiczność i niskie koszty operacyjne [11].
5. Wykorzystanie biomasy i odpadów – metody te przekształcają odpady organiczne i biomasę w wodór przez procesy takie jak gazowanie, piroliza czy fermentacja ciemna. Reprezentują one zarówno strategię zarządzania odpadami, jak i produkcji energii, przyczyniając się do zrównoważonego rozwoju [9].

Rozwój tych metod ma istotne znaczenie dla przyszłości energetyki i środowiska. Wodór wytworzony za pomocą odnawialnych źródeł energii ma potencjał, by stać się fundamentem globalnej, zrównoważonej gospodarki energetycznej, umożliwiając redukcję zależności od paliw kopalnych, zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych i przeciwdziałanie zmianom klimatycznym [8]. Przed nami jednak stoi jeszcze wiele wyzwań technologicznych, ekonomicznych i infrastrukturalnych, które musimy pokonać, aby pełni wykorzystać potencjał wodoru jako źródła czystej energii.

Literatura

[1] Anish Ghimire, Luigi Frunzo, Ludovico Pontoni, Giuseppe d’Antonio, Piet N.L. Lens, Giovanni Esposito, Francesco Pirozzi. 2015. “Dark fermentation of complex waste biomass for biohydrogen production by pretreated thermophilic anaerobic digestate”. Journal of Environmental Management, 152(43):48

[2] Barisano Donatella, Giuseppe Canneto, Francesco Nanna, Antonio Villone, Emanuele Fanelli, Cesare Freda, Massimiliano Grieco, Andrea Lotierzo, Giacinto Cornacchia, Giacobbe Braccio, and et al. 2022. “Investigation of an Intensified Thermo-Chemical Experimental Set-Up for Hydrogen Production from Biomass: Gasification Process Integrated to a Portable Purification System—Part II”. Energies 15(13): 4580.

[3] Dari Dayana Nascimento, Isabelly Silveira Freitas, Francisco Izaias da Silva Aires, Rafael Leandro Fernandes Melo, Kaiany Moreira dos Santos, Patrick da Silva Sousa, Paulo Gonçalves de Sousa Junior, Antônio Luthierre Gama Cavalcante, Francisco Simão Neto, Jessica Lopes da Silva, and et al. 2024. “An Updated Review of Recent Applications and Perspectives of Hydrogen Production from Biomass by Fermentation: A Comprehensive Analysis”. Biomass 4(1): 132-163.

[4] Gburzyńska M. 2023. „Wytwarzanie wodoru z gazu ziemnego – analiza technologii wytwarzania”. Gaz, Woda i Technika Sanitarna 12: 20-25.

[5] Gburzyńska M. 2024. „Możliwości wytwarzania wodoru z gazu ziemnego”. Przegląd Techniczny. Gazeta Inżynierska 2: 25–28

[6] Gburzyńska Marta, Kwaśniewski Michał. 2023. „Wodór – niebiesko-zielona rewolucja”. Gaz, Woda i Technika Sanitarna 7-8: 2–7.

[7] Hydrogen supply chain evidence base. Element Energy. November 2018.

[8] International Energy Agency. 2007, “Hydrogen Production & Distribution”, IEA Energy Technology Essentials.

[9] Kalak Tomasz. 2023. “Potential Use of Industrial Biomass Waste as a Sustainable Energy Source, the Future”. Energies 16(4): 1783.

[10] Marouani Ismail, Tawfik Guesmi, Badr M. Alshammari, Khalid Alqunun, Ahmed Alzamil, Mansoor Alturki, Hsan Hadj Abdallah. 2023. “Integration of Renewable-Energy-Based Green Hydrogen into the Energy Future”. Processes 11(9): 2685.

[11] Neda Akhlaghi, Ghasem Najafpour-Darzi. 2020. „A comprehensive review on biological hydrogen production”. International Journal of Hydrogen Energy 45(43): 22492–22512.

[12] Tang Jianfei, Tianle Liu, Sijia Miao, and Yuljae Cho. 2021. “Emerging Energy Harvesting Technology for Electro/Photo-Catalytic Water Splitting Application” Catalysts 11(1): 142.

[13] www.cire.pl

[14] www.energy.gov

[15] www.ien.com.pl

Czytaj więcej: https://www.sigma-not.pl/zeszyt-7517-przeglad-techniczny-2024-6.html