Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

The use of surplus electricity generation from renewable energy sources for hydrogen production and presentation of available methods of its possible usage in energy systems

Łukasz Chmielnicki

Abstract

Renewables are the most rapidly growing energy source in today's power industry. Multibillion-dollar investments every year increase the installed power of solar and wind energy. Despite many positive environmental aspects related to the development of this technology, energy transformation also affects balancing of electricity production. In countries, where the share of electricity produced from renewable sources is significant, periodically there are large surpluses of electricity generated in unstable units, in which production is dependent on the current weather conditions (of wind, sunshine). The excess electricity could be used to produce hydrogen in the electrolysis process. This solution is one of the most efficient ways of energy storage. Surplus electricity supplies electrolyzer, where thanks to the electrochemical reactions occurring on electrodes, gaseous hydrogen is produced. There are three types of electrolyzers: alkaline, proton exchange membrane and solid oxides. The greatest potential of integration with intermittent energy sources shows a PEM electrolyzer. This is due to high flexibility and a wide range of operation (5 ÷ 100% of nominal power). Moreover, fluctuation of power supply does not significantly affect degradation rate of electrolyzer. The hydrogen produced in electrolysis may be stored in the form of gas, liquid, metal hydrides or sorbent as well as in chemical forms. Commercially adapted solutions exhibit high efficiency cycle: pressurized hydrogen tanks (91%) or liquid tanks (71%) and metal hydrides (84%). The last method requires the least amount of energy (for?) storage cycle - 5% of hydrogen LHV. Hydrogen can be used as fuel in gas turbines, fuel cells and internal combustion engines. Specification of hydrogen combustion requires adjusting operation parameters or modification of design in gas turbines. Replacing natural gas with hydrogen improves efficiency and increases output power of the unit. Fuel cells represent highly efficient production of electricity and heat (CHP). These units are used both as stationary installations and power generation modules in hydrogen cars . Internal combustion engines driven by hydrogen, after some modifications may exhibit similar performance to the fossil fuel powered engines. They are mainly used in the automotive industry, but can also be used for electricity generation. Another possible use of hydrogen is injection into the gas network, which results in increasing the energy content of natural gas transported in a pipeline. Hydrogen can also be used for the production of synthetic fuels (syngas or methanol). Another area of application of hydrogen is the previously mentioned automotive industry. With the spread of hydrogen as a fuel and the development of hydrogen infrastructure (transmission and refueling stations), hydrogen-powered cars may become an attractive alternative to vehicles powered by gasoline or diesel. Hydrogen has the potential to revolutionize the power industry, providing not only positive impact on the environment, but also ensuring efficient way to store energy.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Łukasz Chmielnicki (FPAE) Łukasz Chmielnicki,, Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Wykorzystanie nadwyżek generacji energii elektrycznej z Odnawialnych Źródeł Energii do produkcji wodoru oraz przedstawienie dostępnych możliwości jego zastosowania w systemie energetycznym
Supervisor
Paweł Skowroński (FPAE/IHE) Paweł Skowroński,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Certifying unit
Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unit
The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)
Study subject / specialization
, Energetyka (Power Engineering)
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
12-02-2016
Issue date (year)
2016
Pages
90
Internal identifier
MEL; PD-3459
Reviewers
Wojciech Bujalski (FPAE/IHE) Wojciech Bujalski,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE) Paweł Skowroński (FPAE/IHE) Paweł Skowroński,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Keywords in Polish
Odnawialne Źródła Energii, wodór, elektroliza, magazynowanie wodoru, turbiny gazowe, silniki tłokowe, ogniwa paliwowe, paliwa syntetyczne, samochody wodorowe, koszty produkcji wodoru
Keywords in English
Renewable Energy Sources, hydrogen, electrolysis, hydrogen storage, gas turbines, piston engines, fuel cells, synthetic fuels, hydrogen cars, hydrogen production costs
Abstract in Polish
Odnawialne Źródła Energii są najbardziej dynamicznie rozwijającym się obszarem w dzisiejszej energetyce. Wielomiliardowe inwestycje co roku przyczyniają się do zwiększenia mocy zainstalowanej w tych źródłach na całym świecie. Pomimo wielu pozytywnych aspektów środowiskowych związanych z rozwojem tej technologii, transformacja energetyczna wpływa także niekorzystnie na bilansowanie produkcji energii elektrycznej z popytem na nią. W krajach, w których udział energii elektrycznej produkowanej z OZE jest znaczący, okresowo pojawiają się duże nadwyżki energii elektrycznej generowanej w niestabilnych jednostkach, w których produkcja zależna jest od aktualnie panujących warunków atmosferycznych (wietrzność, nasłonecznienie). Nadmiarowa energia elektryczna mogłaby być wykorzystana do produkcji wodoru w procesie elektrolizy. Rozwiązanie to jest jednym z najbardziej efektywnych sposobów magazynowania energii. Energia elektryczna pochodząca z nadwyżek zasila elektrolizer, w którym dzięki zachodzącym na elektrodach reakcjom elektrochemicznym produkowany jest wodór. Wyróżnia się trzy typy elektrolizerów: wodny zasadowy, z protonowymienną membraną oraz z tlenkami stałymi. Największy potencjał do współpracy z nieregularnymi źródłami energii ma elektrolizer PEM. Spowodowane jest to wysoką elastycznością oraz szerokim zakresem pracy (5÷100% mocy nominalnej). Co więcej, nieregularność zasilania wpływa w nieznacznym stopniu na poziom degradacji elektrolizera. Wodór produkowany w procesie elektrolizy może być magazynowany w formie: gazowej, ciekłej, wodorków metali lub sorbentów, a także w formie chemicznej. Rozwiązaniem stosowanym komercyjnie, charakteryzującym się wysoką sprawnością cyklu, są zbiorniki ciśnieniowe wodoru gazowego (91%) lub ciekłego (71%) oraz wodorki metali (84%). Ostatnia metoda wymaga najmniejszej ilości energii w całym cyklu magazynowania – ok. 5% wartości opałowej magazynowanego wodoru. Następnie wodór można wykorzystać jako paliwo w turbinach gazowych, ogniwach paliwowych bądź silnikach wewnętrznego spalania. Spalanie wodoru w układzie turbiny gazowej odpowiedniego dopasowania parametrów pracy bądź nieznacznej modyfikacji konstrukcyjnej. Zmiana paliwa powoduje podniesienie sprawności oraz wzrost mocy układu. Ogniwa paliwowe charakteryzują się wysoką sprawnością produkcji energii elektrycznej oraz ciepła. Jednostki te znajdują zastosowanie zarówno jako instalacje stacjonarne, jak i moduły generacji energii elektrycznej do napędu w samochodach wodorowych. Silniki wewnętrznego spalania zasilane wodorem po pewnych modyfikacjach mogą wykazywać zbliżone osiągi do silników zasilanych paliwami kopalnymi. Stosuje się je głównie w przemyśle motoryzacyjnym, lecz mogą być także wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej. Kolejnym możliwym zastosowanie wodoru jest wtrysk do sieci gazowniczej, dzięki czemu uzyskuje się zwiększenie energetycznej wartości gazu ziemnego transportowanego gazociągiem. Wodór może być także wykorzystany do produkcji paliw syntetycznych (syngaz lub metanol). Kolejnym obszarem zastosowań wodoru, jest uprzednio wymieniony przemysł motoryzacyjny. Wraz z rozpowszechnieniem wodoru jako paliwa oraz rozwojem infrastruktury wodorowej (przesył oraz stacje ładowania), samochody napędzane wodorem mogą stanowić atrakcyjną alternatywę dla pojazdów napędzanych benzyną bądź olejem napędowym. Wodór ma potencjał do zrewolucjonizowania energetyki, zapewniając nie tylko korzyści płynące z pozytywnego wpływu na środowisko, lecz także zapewniając efektywny sposób magazynowania energii.
File
  • File: 1
    Praca_inżynierska_produkcja_wodoru_Łukasz_Chmielnicki_03_02_2016.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 9349

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUTd188766f17034a91acd3c263bdde17f2/
URN
urn:pw-repo:WUTd188766f17034a91acd3c263bdde17f2

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page