Przedsięwzięcie jakim jest budowa rozproszonych systemów wytwarzania energii elektrycznej i jej akumulacja w systemach wodorowych ma na celu wykreowanie środowiska zero emisyjnego jednocześnie rozwiązując problematykę niestabilności dostaw energii spowodowanych przeciążeniem sieci elektroenergetycznych oraz pomóc w bilansowaniu energii i liniowych dostawy w momentach największego zapotrzebowania.
Wdrożenie struktur wodorowych jest rozwiązaniem wychodzącym naprzeciw problematyce obecnego uzależnienia się od paliw węglowodorowych. Procedura polega na dyspersyjnym układzie wytwórczym energii elektrycznej sprzężonej z generatorami wodorowymi i systemem trigeneratorów
ulokowanych w strefach gdzie jest największe zapotrzebowanie na energię elektryczna i cieplną wraz z możliwością rozbudowy o wytwarzanie np. chłodu co daje autonomiczny i niezależny system klastrowy. Przy wdrażaniu infrastruktury wodorowej niezbędne są jednak odpowiednie uwarunkowania prawne.
Rozwiązania klastrów energii dają właśnie takie możliwości poprzez uwarunkowania systemów rozliczania i bilansowania energii. Powszechnym problemem stref przemysłowych jest deficyt energetyczny oraz brak możliwości zaspokojenia zapotrzebowania np. poprzez duże instalacje fotowoltaiczne czy turbiny wiatrowe spowodowane również cechą charakterystyczną Odnawialnych Źródeł Energii jaką jest nie liniowa produkcja energii elektrycznej uzależniona od warunków pogodowych. Większe ośrodki przemysłowe są przeważnie nastawione na autokonsumpcję lecz w momencie nadprodukcji energii elektrycznej ze względów możliwości przyłączeniowych energia ta po prostu przepada, ponieważ układy systemów telemetrii i telemechaniki odcinają wytwórców od sieci energetycznych. Problematyka takiego zjawiska wiąże się z niedostosowanymi sieciami przesyłowymi przy dużej elektryfikacji społeczeństwa. Ideą całego przedsięwzięcia jest agregacja energii elektrycznej w momencie kiedy jest ona najtańsza: w przypadku instalacji fotowoltaicznych w godzinach południowych, a w przypadku turbin wiatrowych w momentach silnych wiatrów. Ponadto nadwyżki energii w znacznym stopniu pojawiają się również w okresach świąt i dni wolnych od pracy gdy duzi odbiorcy energii zmniejszają swoje zapotrzebowanie.
Właśnie w tych momentach Rozproszony System Zarządzania Energią za pomocą algorytmów śledzących wychwytuje nadwyżki energii i przekierowuje ją do wspomnianych generatorów wodorowych. Farmy fotowoltaiczne i turbiny wiatrowe są przyłączone w układach sekwencyjnych i są zależnie od warunków pogodowych a w sytuacjach gdzie mamy duże obciążenie sieci są po prostu wyłączane. Wiąże się to ze wspomnianymi olbrzymimi stratami wyprodukowanej energii, która mogłaby być wykorzystana w innym okresie czasu lub innym miejscu.
Ideą takiego procesu jest odciążenie sieci i przekierowanie nadwyżek energii do generatorów wodoru a następnie zmagazynowaniu go w formie czystego gazu lub poprzez syntezę w postaci amoniaku lub bio paliwa. Wartościami jakie wynikają z procesu reformacji energetycznej jest ustabilizowanie dostaw zielonej energii, zmniejszenie emisji CO2 a wręcz jego absorpcja do produkcji biopaliw oraz niższe koszty utrzymania gospodarki regionalnej. W dobie destabilizacji polityki energetycznej uwarunkowanej rożnymi sytuacjami politycznymi niezbędne jest zabezpieczenie lokalnej społeczności oraz przemysłu przed drastycznymi wzrostami cen energii elektrycznej oraz paliw co przedkłada się finalnie na wzrost cen wszystkich gałęzi przemysłu. Wykorzystując wodór jako nośnik energii możemy wykorzystywać go w wielu aspektach. W ogniwach paliwowych poprzez spalanie w silnikach trigeneracyjnych można odzyskiwać energię oraz jeszcze większe ilości ciepła a także zastosowanie jako paliwo przyszłości w sektorze automotiv. Wodór jest 14 razy lżejszy niż powietrze i około 57 razy lżejszy niż pary benzyny. Dyfuzyjność wodoru w powietrzu jest najwyższa spośród wszystkich gazów. Wynika z tego, że jeśli wodór zostanie uwolniony w otwartym środowisku będzie unosił się i szybko rozpraszał. Jest to główny aspekt bezpieczeństwa przy uwalnianiu się w środowisku zewnętrznym. Sama w sobie modułowa struktura układu pozwala na bezproblemowa rozbudowę w ramach zwiększonego zapotrzebowania energetycznego.
Ceny odsprzedaży energii z OZE w momentach maksymalnych skoków (pików) wytwarzania są znacząco niskie, tym bardziej przy rozliczaniu godzinowym, a odkup energii w porach poza szczytem znacznie wyższy. Dlatego rozwiązania Rozproszonego Systemu Zarządzania Energią z poziomu klastra danego obrębu terytorialnego wpiętego w układ daje ogromne niezliczone korzyści. W powyższym systemie mogą brać udział indywidualni wytwórcy energii, przedsiębiorstwa, jednostki samorządowe oraz duże farmy fotowoltaiczne i wiatrowe. Codziennie każda kilowatogodzina jest cenna a inżynieria wodorowa daje możliwość jej bezpiecznego, bezproblemowego i nieskończonego skumulowania.
Korzyści płynące z zastosowania Rozproszonego Systemu Zarządzania Energią:
- stabilizacja dostaw energii dla lokalnej społeczności,
- zaspokojenie potrzeb energetycznych gminy,
- oszczędność finansowa dla mieszkańców,
- bezpieczeństwo i bezawaryjność systemu gminnego,
- uniezależnienie społeczeństwa od węgla.
Wodór jest niezwykle wszechstronnym pierwiastkiem, który ma wiele zastosowań w różnych dziedzinach, takich jak przemysł, medycyna, energetyka, kosmonautyka i wiele innych.
Jednym z najważniejszych zastosowań wodoru jest jego wykorzystanie jako paliwo w ogniwach paliwowych. Ogniwa paliwowe są elektrochemicznymi urządzeniami, które konwertują energię chemiczną wodoru i tlenu na energię elektryczną i ciepło. Ogniwa paliwowe są bardzo efektywne i czyste, ponieważ jedynym produktem ubocznym jest woda.
Wodór ma wiele zalet, ale jego produkcja wymaga energii. Obecnie większość wodoru produkowana jest ze skondensowanego gazu ziemnego lub węgla, co ma negatywny wpływ na środowisko. Jednakże, rozwijająca się technologia elektrolizy wody pozwala na produkcję wodoru z wykorzystaniem energii odnawialnej, co sprawia, że jest to coraz bardziej przyjazne dla środowiska rozwiązanie.
Oto kilka popularnych metod produkcji wodoru:
Rozkład termiczny metanu (steam methane reforming – SMR): Jest to najczęściej stosowana metoda produkcji wodoru. Polega na reakcji pomiędzy parą wodną a metanem, w wyniku czego powstaje wodór i dwutlenek węgla. Proces ten jest stosowany w przemyśle petrochemicznym.
Elektroliza wody: Proces ten polega na rozszczepieniu wody na wodór i tlen za pomocą prądu elektrycznego. Jest to jedna z najczystszych metod produkcji wodoru, ale wymaga dużo energii elektrycznej.
Fotoliza wody: Proces polega na rozszczepieniu wody za pomocą promieniowania słonecznego. Jest to bardzo efektywna i czysta metoda produkcji wodoru, ale jest jeszcze w fazie rozwoju.
Rozkład termiczny węgla (coal gasification): Proces ten polega na przetwarzaniu węgla w gaz syntezowy, który jest następnie przetwarzany na wodór.
Elektroliza termiczna: Proces polega na rozkładzie pary wodnej na wodór i tlen za pomocą prądu elektrycznego i ciepła. Jest to metoda, która wymaga mniejszej ilości energii elektrycznej niż elektroliza wody.
Fermentacja: Proces polega na wykorzystaniu mikroorganizmów, które fermentują surowce organiczne, takie jak glukoza, aby wyprodukować wodór.
Elektroliza cieczy jonowych: Proces polega na wykorzystaniu elektrolitycznych cieczy jonowych do rozkładu wody na wodór i tlen. Jest to metoda, która może być wykorzystana w przyszłości, ponieważ ciecze jonowe mają potencjał do wykorzystania jako czyste i trwałe rozpuszczalniki elektrolityczne.
W zależności od rodzaju surowca i sposobu produkcji, koszt produkcji wodoru może się znacznie różnić. W ostatnich latach rośnie zainteresowanie wodorową energią ze względu na swoją czystość i potencjał do zastąpienia tradycyjnych paliw kopalnych, ale nadal wymaga ona znacznych nakładów finansowych na produkcję
Elektroliza wody jest jednym z najczystszych sposobów produkcji wodoru. Proces ten polega na rozszczepieniu wody na wodór i tlen za pomocą prądu elektrycznego. Jednakże elektroliza wody wymaga dużej ilości energii elektrycznej, co zwiększa koszty produkcji wodoru.
Magazynowanie wodoru jest równie ważne jak jego produkcja, ponieważ wodór jest gazem, który jest trudny do składowania i transportowania. Istnieją różne sposoby magazynowania wodoru, w tym w postaci gazowej, ciekłej i w postaci związanych chemicznie wodoru.
Magazynowanie wodoru w postaci gazowej polega na składowaniu wodoru w zbiornikach pod wysokim ciśnieniem. Jednakże taka forma magazynowania wymaga dużych zbiorników, co ogranicza mobilność i transport. Magazynowanie wodoru w postaci ciekłej jest bardziej efektywne, ponieważ ciekły wodór zajmuje mniej miejsca niż gazowy wodór. Jednakże proces chłodzenia wodór do jego ciekłej postaci jest kosztowny.
Magazynowanie wodoru w postaci związanego chemicznie wodoru jest innowacyjnym sposobem, który polega na absorpcji wodoru przez materiał absorbujący, tak jak np. węgiel aktywny lub tytanowa siatka molekularna. Taki sposób magazynowania ma potencjał do wykorzystania w przyszłości, ale nadal wymaga dalszych badań i rozwoju technologicznego.
W celu maksymalnego wykorzystania wodoru, konieczne jest rozwijanie zarówno technologii produkcji, jak i magazynowania wodoru. Obecnie, wodór znajduje zastosowanie w różnych sektorach, takich jak przemysł chemiczny, produkcja energii elektrycznej, transport i gospodarka budowlana.
Magazynowanie wodoru w amoniaku to innowacyjna metoda, która pozwala na wykorzystanie amoniaku jako nośnika wodoru. Amoniak (NH3) jest powszechnie używany w przemyśle chemicznym jako składnik nawozów sztucznych, ale może również służyć jako nośnik wodoru.
Proces magazynowania wodoru w amoniaku polega na wytwarzaniu amoniaku z wodoru i azotu. Wodór jest produkowany z różnych źródeł, takich jak elektroliza wody, a następnie łączony z azotem za pomocą procesu Habera-Boscha, który jest szeroko stosowany w przemyśle chemicznym do produkcji amoniaku. W wyniku tego procesu powstaje amoniak, który zawiera około 17-18% wodoru.
Amoniak jest łatwiejszy do przechowywania i transportowania niż gazowy wodór, ponieważ może być przechowywany w postaci ciekłej lub gazowej pod niskim ciśnieniem. Co więcej, amoniak ma wyższą gęstość energetyczną niż wodór w postaci ciekłej, co oznacza, że można przechowywać więcej energii w mniejszej objętości.
Jednym z największych wyzwań związanych z magazynowaniem wodoru w amoniaku jest jednak konieczność przetwarzania amoniaku z powrotem na wodór. Wymaga to użycia katalizatorów i energii, co zwiększa koszty produkcji wodoru.
Pomimo tych wyzwań, magazynowanie wodoru w amoniaku ma potencjał, aby stać się ważnym sposobem magazynowania wodoru, szczególnie w sektorze transportowym, gdzie amoniak może służyć jako paliwo do ogniw paliwowych lub jako źródło wodoru do produkcji wodoru na żądanie.
Magazynowanie wodoru w etanolu to również innowacyjna metoda, która pozwala na wykorzystanie etanolu jako nośnika wodoru. Etanol (C2H5OH) jest powszechnie używany jako biopaliwo, ale może również służyć jako nośnik wodoru.
Proces magazynowania wodoru w etanolu polega na wytwarzaniu etanolu z wodoru i dwutlenku węgla. Wodór jest produkowany z różnych źródeł, takich jak elektroliza wody, a następnie reaguje z dwutlenkiem węgla w procesie zwany syntezą Fischer-Tropsch, który jest szeroko stosowany w przemyśle chemicznym do produkcji paliw płynnych. W wyniku tego procesu powstaje etanol, który zawiera około 6-8% wodoru.
Etanol jest łatwiejszy do przechowywania i transportowania niż gazowy wodór, ponieważ może być przechowywany w postaci ciekłej lub gazowej pod niskim ciśnieniem. Co więcej, etanol ma wyższą gęstość energetyczną niż wodór w postaci ciekłej, co oznacza, że można przechowywać więcej energii w mniejszej objętości.
Jednym z największych wyzwań związanych z magazynowaniem wodoru w etanolu jest jednak konieczność przetwarzania etanolu z powrotem na wodór. Wymaga to użycia katalizatorów i energii, co zwiększa koszty produkcji wodoru.
Pomimo tych wyzwań, magazynowanie wodoru w etanolu ma potencjał, aby stać się ważnym sposobem magazynowania wodoru, szczególnie w sektorze transportowym, gdzie etanol może służyć jako paliwo do ogniw paliwowych lub jako źródło wodoru do produkcji wodoru na żądanie
Turbiny wodorowe to urządzenia, które wykorzystują wodór jako paliwo do wytwarzania energii elektrycznej. Wodór jest jednym z najbardziej obiecujących źródeł energii ze względu na jego dużą gęstość energetyczną i brak emisji dwutlenku węgla podczas spalania.
Turbiny wodorowe składają się z kilku podstawowych elementów: komory spalania, turbiny, generatora oraz systemu chłodzenia. W komorze spalania wodór jest spalany w obecności tlenu, co powoduje wytworzenie gorących gazów, które następnie przepływają przez turbinę, napędzając ją i generując energię mechaniczną. Ta energia mechaniczna jest następnie przekazywana do generatora, gdzie jest przetwarzana na energię elektryczną.
Turbiny wodorowe mają wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi źródłami energii, takimi jak węgiel czy gaz ziemny. Wodór jest paliwem czystym, co oznacza, że podczas jego spalania nie powstają emisje gazów cieplarnianych ani zanieczyszczeń powietrza. Ponadto, wodór jest dostępny w nieograniczonych ilościach, co oznacza, że nie ma potrzeby wydobywania go z ziemi, a jego produkcja może być oparta na odnawialnych źródłach energii, takich jak energia słoneczna czy wiatrowa.
Jednakże, turbiny wodorowe mają również pewne wady. Wodór jest bardzo łatwopalny i wymaga szczególnych środków ostrożności podczas magazynowania i transportu. Ponadto, produkcja wodoru jest obecnie kosztowna i wymaga dużych ilości energii, co oznacza, że produkcja wodoru z odnawialnych źródeł energii może być kosztowna i czasochłonna.
Mimo to, turbiny wodorowe mają duży potencjał jako czyste i zrównoważone źródło energii, zwłaszcza w krajach, gdzie energia odnawialna jest już dobrze rozwinięta i gdzie inwestycje w rozwój infrastruktury wodorowej są już w toku.