Hydrogen, due to its combustion properties, its many modes of production and supply, and its renewable production potential is a promising energy carrier. It can be produced in large central units, semi-central installations or small distributed units located at or near the point of use. The use of hydrogen as a fuel can meet the energy needs and at the same time contribute to the reduction of air pollutants. Hydrogen can be produced from a variety of raw materials such as fossil fuels rich in carbon, natural gas, biomass, but also from water disruption using electricity that can be derived from renewable sources.
The first two chapters of this diploma thesis analyze the key processes of hydrogen production from fossil fuels and renewable sources. As regards fossil fuels, hydrogen production processes that use natural gas and coal as raw material are being considered. Hydrogen production from natural gas can be done with three basic methods: steam methane reforming (SMR), catalytic partial oxidation (CPOX), and autothermal steam reforming (ATR).
Although carbon gasification (CG) is one of the most flexible and clean ways to produce hydrogen, the process can be considered more competitive than reforming methane only in cases where natural gas is expensive. As a result, most of the hydrogen is currently produced by fossil fuels and 75% of its world production is made by natural gas reforming as it is a widely used method.
Regarding the production of hydrogen from renewable energy sources (RES), the processes based on biomass and electrolysis are examined. Specifically for biomass, the two basic thermo-chemical processes of hydrogen production, pyrolysis (BP) and gasification (BG) are discussed. Pyrolysis has attracted greater interest in the production of liquid fuels due to the advantages of both storage and transport and its versatility in applications such as internal combustion engines. Biomass gasification is expected to be proven as one of the most advantageous hydrogen production processes from renewable raw materials in the near future, as biomass sources can be used from the remains of wood processing, forestry, agricultural and animal waste and "energy" crops.
In the case of electrolysis, three main technologies are presented, alkaline electrolysis (AEL), which is a mature technology and its devices have been commercialized for some time now, Proton exchange membrane electrolyzer (PEM) is a new technology and is still under development and High temperature electrolysis (HTEL), where Solid oxide electrolysis cells (SOEC) technology is being described.
The third chapter deals with the cost of raw materials used, capital costs, operating and maintenance costs and the general cost of hydrogen production by each method. According to the data presented, carbon gasification is the cheapest method of producing hydrogen while electrolysis using photovoltaics is much more expensive.
Then an environmental assessment of the processes is carried out as the largest share of world hydrogen production currently has as primary source fossil fuels and its production methods based on those fuels are still emitting greenhouse gases. Unfortunately, the current practice in hydrogen production is not the capture and storage of the by-product of CO2 resulting in its direct emission into the atmosphere.
Finally, the efficiency of processes is compared and hydrogen production processes that combine low cost and low emissions are identified.
εικόνες: 2 Πίνακες: 26 Σχήματα: 39
Το υδρογόνο, λόγω των ιδιοτήτων καύσης του, των πολλών τρόπων παραγωγής και εφοδιασμού του, και της δυνατότητας παραγωγής του από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι ένας ελπιδοφόρος φορέας ενέργειας. Μπορεί να παραχθεί σε μεγάλες κεντρικές μονάδες, σε ημι-κεντρικές εγκαταστάσεις ή σε μικρές κατανεμημένες μονάδες που βρίσκονται στο σημείο χρήσης ή πολύ κοντά σε αυτό. Η χρήση του υδρογόνου ως καύσιμο μπορεί να καλύψει τις ενεργειακές ανάγκες και ταυτόχρονα να συνεισφέρει στη μείωση των ατμοσφαιρικών ρύπων. Μπορεί να παραχθεί από ποικίλες πρώτες ύλες όπως ορυκτά καύσιμα πλούσια σε άνθρακα, φυσικό αέριο, βιομάζα αλλά και από τη διάσπαση του νερού με χρήση ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές.
Στα δύο πρώτα κεφάλαια της διπλωματικής αυτής εργασίας αναλύονται οι βασικές διεργασίες παραγωγής υδρογόνου από ορυκτά καύσιμα και ανανεώσιμες πηγές. Ως προς τα ορυκτά καύσιμα εξετάζονται οι διεργασίες παραγωγής υδρογόνου που χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη το φυσικό αέριο και τον άνθρακα. Η παραγωγή υδρογόνου από φυσικό αέριο μπορεί να γίνει με τρεις βασικές μεθόδους, την αναμόρφωση μεθανίου με ατμό (SMR), την καταλυτική μερική οξείδωση (CPOX) και την αυτόθερμη αναμόρφωση με ατμό (ATR).
Αν και η αεριοποίηση του άνθρακα (CG) είναι ένας από τους πιο ευέλικτους και καθαρούς τρόπους για την παραγωγή υδρογόνου, η διεργασία μπορεί να θεωρηθεί πιο ανταγωνιστική από εκείνη της αναμόρφωσης του μεθανίου μόνο σε περιπτώσεις όπου το φυσικό αέριο είναι ακριβό. Ως αποτέλεσμα, η μεγαλύτερη ποσότητα υδρογόνου παράγεται σήμερα από τα ορυκτά καύσιμα και το 75% της παγκόσμιας παραγωγής του γίνεται με αναμόρφωση φυσικού αερίου, καθώς είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιείται σε ευρεία κλίμακα.
Ως προς την παραγωγή υδρογόνου από ΑΠΕ εξετάζονται οι διεργασίες που βασίζονται στη βιομάζα και στην ηλεκτρόλυση. Συγκεκριμένα για τη βιομάζα συζητούνται οι δύο βασικές θερμοχημικές διεργασίες παραγωγής υδρογόνου, η πυρόλυση (BP) και η αεριοποίηση (BG). Η πυρόλυση έχει προσελκύσει μεγαλύτερο ενδιαφέρον για την παραγωγή υγρών καυσίμων λόγω των πλεονεκτημάτων τόσο στην αποθήκευση και τη μεταφορά όσο και στην ευελιξία της σε εφαρμογές όπως οι μηχανές εσωτερικής καύσης. Η αεριοποίηση βιομάζας αναμένεται ότι θα αποδειχθεί μια από τις πλέον συμφέρουσες διεργασίες παραγωγής υδρογόνου από ανανεώσιμη πρώτη ύλη στο εγγύς μέλλον αφού ως πηγές βιομάζας μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα υπολείμματα από την επεξεργασία του ξύλου, τη δασοκομία, γεωργικά και ζωικά απόβλητα και “ενεργειακές” καλλιέργειες
Στην περίπτωση της ηλεκτρόλυσης παρουσιάζονται τρεις κύριες τεχνολογίες, η αλκαλική ηλεκτρόλυση (AEL) που είναι μια ώριμη τεχνολογία και οι συσκευές της έχουν εμπορευματοποιηθεί εδώ και αρκετό καιρό, η ηλεκτρόλυση με πολυμερική μεμβράνη (PEM) που είναι μια νέα τεχνολογία και ακόμα βρίσκεται σε εξέλιξη και η ηλεκτρόλυση υψηλής θερμοκρασίας (HTEL), όπου περιγράφεται η τεχνολογία της κυψέλης ηλεκτρόλυσης στερεού ηλεκτρολύτη (SOEC).
Στο τρίτο κεφάλαιο τίθεται το θέμα του κόστους των πρώτων υλών που χρησιμοποιούνται, το κόστος κεφαλαίου, το κόστος λειτουργίας και συντήρησης και το γενικό κόστος παραγωγής υδρογόνου με κάθε μέθοδο. Σύμφωνα με τα δεδομένα που παρουσιάζονται, η αεριοποίηση άνθρακα είναι η πιο φθηνή μέθοδος παραγωγής υδρογόνου ενώ η ηλεκτρόλυση με τη χρήση φωτοβολταϊκών είναι κατά πολύ ακριβότερη.
Στη συνέχεια γίνεται μια περιβαλλοντική αποτίμηση των διεργασιών αφού το μεγαλύτερο ποσοστό της παγκόσμιας παραγωγής υδρογόνου επί του παρόντος έχει ως πρώτη ύλη τα ορυκτά καύσιμα και οι μέθοδοι παραγωγής του που βασίζονται σε αυτά εξακολουθούν να εκπέμπουν αέρια του θερμοκηπίου. Δυστυχώς, η σημερινή πρακτική στην παραγωγή υδρογόνου δεν είναι η δέσμευση και η αποθήκευση του υποπροϊόντος CO2 με αποτέλεσμα την άμεση εκπομπή του στην ατμόσφαιρα.
Τέλος, συγκρίνεται η αποδοτικότητα των διεργασιών και προσδιορίζονται οι διεργασίες παραγωγής υδρογόνου που συνδυάζουν χαμηλό κόστος και μικρές εκπομπές ρύπων.
