Partner serwisu
15 grudnia 2014

Kawerna dla wodoru

Kategoria: Paliwa

Wodór – paliwo przyszłości? Zasobniki energii – energetyka przyszłości? Te pytania pojawiają się nie od dziś, nie tylko w świecie nauki, ale również w świecie energetyki, czyli zarówno w polityce, ekonomii, jak i technologii.
 

Kawerna dla wodoru

Najmocniejszą stroną wodoru – jako nośnika energii – jest jego bardzo duża uniwersalność, zarówno pod kątem produkcji, jak i możliwości wykorzystania. Świat ciągle szuka sposobów magazynowania energii elektrycznej i w tym aspekcie wodór również zajmuje obiecującą pozycję [3,5,15]. Dodatkowo, podczas spalania tego gazu, głównym produktem jest woda, a nie tak jak ma to miejsce w przypadku paliw kopalnych – dwutlenek węgla, co powoduje, że sam bezpośrednio nie wpływa na wzrost stężenia gazów cieplarnianych [7].
Budowa kawernowego magazynu wodoru w Polsce może przynieść wiele korzyści, ponadto może on pełnić następujące funkcje:
•    bufora w przemyśle petrochemicznym,
•    magazynu energii,
•    jako element gospodarki wodorowej.
Pierwszy sposób wykorzystania może znacząco przyczynić się do poprawy ekonomiki procesu produkcji wodoru. Ze względu na zmienne zapotrzebowanie wodoru w petrochemii oraz małą elastyczność procesu produkcji tego gazu metodą parowego reformingu metanu (ang. steam methane reforming) istnieje potrzeba magazynowania go [4,9,10]. Dla dużych ilości wodoru podziemne magazynowanie jest najbezpieczniejszą i najtańszą opcją magazynową [1,10]. Kolejne dwa sposoby odnoszą się do energetyki przyszłości. Magazynowanie energii elektrycznej stwarza wiele problemów, zarówno technicznych, jak i ekonomicznych. Jedną z koncepcji jest wykorzystywanie magazynu wodoru do produkcji energii elektrycznej, tak jak ma to miejsce w kawernowych magazynach na sprężone powietrze (CAES ang. compressed air storage). Największą przewagą wodoru nad sprężonym powietrzem jest dużo większa gęstość zmagazynowanej energii – wynosi ona 3 kWh/m3 dla CAES i ~280 kWh/m3 dla wodoru [3,5,15]. W sytuacji przejścia do gospodarki wodorowej (ang. hydrogen economy) – czyli energetyki, która opiera się przede wszystkim na wodorze jako nośniku energii, będzie potrzeba magazynowania tego gazu w dużych ilościach, dlatego doświadczenia i technologia zebrane podczas takiej budowy, będą miały nieocenioną wartość [4,9]. Budowa kawernowego magazynu gazu jest inwestycją o bardzo dużych nakładach kapitałowych, dlatego istotne jest ich zdefiniowanie pod kątem zarówno jakościowym, jak i ilościowym.

Trzy doświadczenia na świecie
Literatura przedmiotu dotycząca podziemnego magazynowania wodoru opiera się w dużej mierze na analogii do magazynowania gazu ziemnego. Wynika to przede wszystkim z dużego praktycznego doświadczenia, dotyczącego magazynowania gazu ziemnego w strukturach geologicznych. Aktualnie na świecie istnieją trzy instalacje, które magazynują wodór w strukturach geologicznych. Wszystkie pełnią funkcję bufora dla przemysłu petrochemicznego, co wynika z faktu różnic pomiędzy produkcją a zapotrzebowaniem na ten gaz. Magazyny te znajdują się w kawernach solnych, ze względu na najlepsze właściwości soli – przede wszystkim jej gazoszczelności oraz obojętności względem wodoru [14,21,22]. Dwa z nich znajdują się w Stanach Zjednoczonych, są zbudowane z pojedynczych kawern o dużej pojemności, natomiast trzeci magazyn jest w Wielkiej Brytanii i składa się z trzech kawern o stosunkowo małej pojemności [13,16,20]. Eksploatacja magazynów w Stanach Zjednoczonych odbywa się pod wpływem zmian ciśnienia – kawerna sucha (ang. dry mode), natomiast w Wielkiej Brytanii odbieranie i zatłaczanie wodoru odbywa się poprzez kompensację solanką – kawerna mokra (ang. wet mode).

Aspekty ekonomiczne magazynowania gazu
Pierwszą analizę ekonomiczną podziemnego magazynowania wodoru wykonano w 1979 roku przez Institute of Gas Technology [8]. Zawarto w niej kwestie techniczne wraz z określeniem podstawowych problemów, które mogą pojawić się przy magazynowaniu tego gazu oraz oszacowano koszty magazynowania wraz z analizą wrażliwości poszczególnych parametrów na cenę magazynowania. Przyjęto w niej jeden obrót wodoru rocznie (1 cykl zatłaczania i 1 cykl poboru). Kolejny dokument [22] opisujący m.in. magazynowanie wodoru w kawernach solnych został opublikowany w 1986 roku przez International Association for Hydrogen Energy. Jest to pierwszy artykuł, w którym przedstawiono koncepcję magazynu wodoru jako magazynu energii. Autor przede wszystkim skupia się na kosztach budowy i eksploatacji kawernowego magazynu. Co ciekawe jest to jedyny artykuł, który szacuje koszty dla obu rodzajów pracy kawernowych magazynów wodoru – kawern suchych oraz kawern mokrych. Ze względu na wyższe koszty dotyczące instalacji do sprężania gazu oraz koszty operacyjne, drugi sposób jest droższy. Następnie opublikowany w roku 1998 dokument [1] opracowany przez National Renewable Energy Laboratory dotyczył kosztów różnych sposobów magazynowania oraz transportu wodoru. W tej analizie założono, że koszty budowy podziemnego magazynu nie zależą od jego wielkości, co może czytelnika doprowadzić do złudnego wniosku, że nawet przy bardzo małych magazynach jest to najlepsza opcja, co nie jest prawdą, ze względu chociażby na duże nakłady inwestycyjne budowy takiego magazynu. W opracowaniu wyników autor pokazuje przede wszystkim wpływ czasu magazynowania oraz natężenie przepływu – a więc pośrednio kosztów związanych ze sprężaniem gazu – na koszty magazynowania dla różnych technologii. Ostatnim dokumentem, który szczegółowo opisuje kwestie ekonomiczne, był raport wykonany w roku 2011 przez Sandia National Laboratories [16]. Porównano w nim koszty magazynowania w różnych strukturach geologicznych. Podczas analizy tego dokumentu natrafiono na niespójności (błędy) zarówno we wzorach, jak i w samych obliczeniach. Department of Energy prowadzi program [23] „The Hydrogen and Fuel Cells”, w ramach którego opisane są poszczególne elementy gospodarki wodorowej, zarówno od strony technicznej, jak i ekonomicznej. Jeden z projektów dotyczy analizy ekonomicznej procesu dystrybucji (ang. delivery analysis). Został wykonany program w Microsoft Excel, Hydrogen Delivery Scenario Analysis Model 2 (HDSAM2). Użytkownik zakłada podstawowe parametry, takie jak sposób dystrybucji na poszczególnych etapach, sposób magazynowania oraz wielkość wykorzystania wodoru. Użytkownik może wybrać jeden z zaproponowanych scenariuszy, z czego cztery uwzględniają podziemne magazynowanie wodoru w kawernach solnych. Po wybraniu scenariusza, program oblicza całkowity koszt dystrybucji od miejsca produkcji wodoru do końcowego użytkownika oraz oblicza IRR na podstawie stopy dyskontowej wynoszącej 10%. Wyniki obliczeń przedstawione są w formie wykresów i tabel. Przy obliczeniu kosztu magazynowania w kawernie solnej, przyjęta jest całkowita ilość wodoru w procesie dystrybucji, a nie ilość gazu, która rzeczywiście znajduje się w magazynie. Można powiedzieć, że główny wpływ na te koszty ma obrót wodoru w ciągu roku. Niestety, nie w każdej z analiz obrót gazu w ciągu roku jest równoznaczny z ilością gazu, która przechodzi bezpośrednio przez magazyn.

Koszt magazynowania wodoru w magazynie kawernowym w zależności od literatury. Wszystkie ceny przeliczono na rok 2014
Możliwości obniżenia nakładów kapitałowych
Jedną z możliwości obniżenia nakładów kapitałowych jest budowa magazynu „mieszanego” – czyli magazynu, w którym część kawern będzie zawierała gaz ziemny, a część wodór. Taki pomysł pojawił się w Turcji, gdzie aktualnie jest budowany KPMG i zaproponowano w przyszłości budowę dodatkowej kawerny magazynującej wodór [17]. Obniży to przede wszystkim koszty związane z procesem ługowania i koszty związane z badaniami złoża. Pytaniem istotnym jest – czy byłaby możliwość zastosowania tej samej instalacji do sprężania gazu, zarówno dla wodoru, jak i gazu ziemnego. Instalacja ta nie pracuje ciągle, więc należałoby się zastanowić, w jaki sposób z optymalizować jej pracę, tak by poniesione nakłady inwestycyjne w przeliczeniu na 1 kg gazu były jak najmniejsze.


* * *


Kawernowy magazyn wodoru może mieć szerokie możliwości wykorzystania. Bardzo istotnym elementem przy wprowadzaniu nowej technologii są projekty pilotażowe. Polska ma możliwość stania się jednym z liderów nowej technologii – technologii podziemnego magazynowania wodoru w kawernach solnych, dzięki wysoko wykwalifikowanej kadrze, zarówno z technologii ługowania, jak i magazynowania w złożach soli. Dodatkowo Polska posiada interesujące złoża soli do budowy takich magazynów.

Literatura dostępna w redakcji

Więcej w magazynie Chemia Przemysłowa 6/2014

fot. photogenica.pl
 

Strona używa plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies. OK, AKCEPTUJĘ