SPEV Slovenija in prehod na ekonomijo vodikalab.fs.uni-lj.si/kes/energetski_sistemi/09 vaja... · Elektroliza - HE Elektroliza - NEK Elektroliza - SI mix Elektroliza - TE - pri biomasi

1 / 24

Zaključna delavnica projekta SPEVSlovenska tehnološka

platforma za vodik in

gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

SPEV – Slovenija in prehod na ekonomijo vodika

Mitja Mori, Mihael Sekavčnik

Predstavitev obravnavanih tehnologij pridobivanja vodika

primernih za področje Slovenije

2 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

VSEBINA

1. Tehnološke poti pridobivanja vodika

- značilnosti posamezne tehnologije

- osnovni energetski viri

- omejitve

2. LCA – študije življenjskih ciklov tehnologije

- predstavitev metodologije

- programsko okolje GaBi 4

3. Rezultati

- poraba energetskih virov

- vrednotenje s stališča okoljske problematike (LCA)

- lastna cena proizvedenega vodika (LCC)

3 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

1. Tehnologije pridobivanja vodika primerne za Slovenijo

A. Reformiranje zemeljskega plina s paro

B. Uplinjanje velenjskega lignita

C. Termokemično uplinjanje lesne biomase

D. Piroliza lesne biomase

E. Kombinirani proces pirolize in uplinjanja lesne biomase

F. Elektroliza

• z el. energijo iz jedrske energije (JEK)

• z el. energijo iz hidro energije (HE)

• z el. energijo iz termoelektrarn (TE)

• z el. energijo iz slovenske energijske mešanice (SI-MIX)

biomasa

4 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

A. Reformiranje zemeljskega plina (ZP) s paro

Komprimiranje,razžvepljevanje

Zemeljski plin

Električnaenergija

REFORMERReformiranje s paro

gorivo za gorilcesintezni

plin

KOTELNI SISTEM

Ohlajanje dimnihin procesnega plina

višek pare

dimni plini

VT konverzija“Shift - reaction”

Ohlajanje

Vezava,ločevanje CO2

demi voda

para

Demi voda

voda

CO2

Čiščenje H -

PSA2

ostanek čiščenja vodika(na gorilce)

očiščenvodik

Hladilna voda

VodikKomprimiranje

• trenutno > 50 % vodika iz ZP

• verjetna rešitev v bližnji prihodnosti

• ZP ima ugodno razmerje H:C = 4:1

DVA OSNOVNA KORAKA

• reakcija s paro in tvorba sinteznega

plina (H2 + CO)

• vodno-plinska pretvorba (škodljivost

CO in njegova pretvorba v CO2)

ČISTOST (99,99 %) zagotovimo z

Pressure Swing Absorption

KOMPRIMIRANJE na 440 bar

5 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

B. Uplinjanje velenjskega lignita

• zaloga lignita še za 20 let (80 mio ton)

• kurilnost: 10,5 MJ/kg

ZNAČILNOSTI

• potrebujemo kisik (Lindejev postopek – 260 kWh / tono)

• Visokotemperaturno uplinjanje Winkler (1300 stC, 3 bar)

• Sintezni plin:

– CO: 31,7 %

– CO2: 24,9 %

– H2O: 36,5 %

– H2: 2,3 %

– ostalo: N, SO2, katran, prah

• mokro in suho čiščenje SP

• PSA

Pepel

Demi voda

Vodik

Odpadnavoda

Odpadniplin

UplinjanjePripravalignita

Čiščenje in hlajenjeplina

Shift reakcija

Čiščenje H - P.S.A.2para

Električna

energija

Toplotna

energija

Lignit

Kisik

pralna vodasintezni

plin

sintezniplin

sintezni

plin

para

sintezniplin

Komprimiranje H2

očiščenvodik

6 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

Postopki pridobivanja z biomaso



E. Kombinacija uplinjanja in pirolize lesne biomase

• 57,7 % površine Slovenije je gozd1

• Trajnostna izraba: 3.023.125 ton / leto1

• Uporabljen svež les 40 % vlažnosti in kurilnosti 10,3 MJ/kg

1) Vir: Zavod za gozdove Republike Slovenije

7 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008


• proces podoben kot uplinjanje lignita

(ne potrebujemo mokrega in suhega čiščenja za SP)

Pepel

Demi voda

Vodik

Odpadnavoda

UplinjanjePripravalesa

Shift reakcija

Čiščenje H - P.S.A.2para

Električna

energija

Lesna biomasa

Kisik

sintezniplin

sintezni

plin

sintezniplin

Para

paraHladilna voda

Zgorevanjeodpadnih plinov

Dimni plini

Zrak

Komprimiranje H2

• proizvedene pare več kot za potrebe sistema –

obravnavamo kot stranski produkt

8 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008


• brez prisotnosti kisika pri visokem tlaku in temperaturi

• produkti: sintezni plin, pirolizno olje in oglje

• nekaj oglja je stranski produkt – porabimo v

druge namene

Sušenjelesa

Piroliza

Demi voda

Reforming

Shiftreakcija

Zgorevanjeoglja

Fazniseparator

Komprimiranje

P.S.A.Zgorevanjeodp. plinov

Lesna

biomasa

Vodik Dimniplini

Dimniplini

VodnidestilatOglje

Električna

energija

Zrak

para

para

sintezni plin

pir.

olje

VODIK POTREBNA

TOPLOTA

9 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

E. Kombinacija uplinjanja in pirolize lesne biomase

• uplinjanje nastalega oglja po pirolizi

• toploto dobimo z zgorevanjem biomase – večja poraba

Sušenjelesa

Piroliza

Demi voda

Reforming

Shiftreakcija

Fazniseparator

Komprimiranje

P.S.A.Zgorevanjeodp. plinov

Lesna

biomasa

Vodik Dimniplini

Dimniplini

Električna

energija

Zrak

para

para

sintezni plin

pir.

olje

Uplinjanjeoglja

Demi voda

Gorenjelesa

para

Kisik

sinte

zni

pli

n

sinte

zni

pli

n

10 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

F. Elektroliza

• 4 viri električne energije:

– slovenske energijske mešanice (SI-MIX)

– termoelektrarne (TE)

– hidroelektrarne (HE)

– iz jedrske elektrarne (JE)

Elektroliza

katoda: H O + 2e2

-H + 2OH2

-

anoda: 2H O2 O + 4e + 4H2

- +

2H O2 2H + O2 2

Električna

energija

Voda

Vodna para

H2

O2

Hladilna

voda

Komprimiranje H2Vodik

Ideja: Izkoriščanje viška električne energije!

11 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

2. LCA analiza - študije življenjskega cikla tehnologij

Metoda za kvantitativno oceno vpliva uporabljene tehnologije glede na

Nabavo surovin

Postopek recikliranja

Proizvodno fazo

Distribucijo

Fazo uporabe

ŽIV

LJE

NJS

KI

CIK

EL

TE

HN

OL

OG

IJE

Ocenitev vpliva tehnologije na okolje skozi njeno življenjsko dobo ter s tem:

- povečati izkoristek izrabe surovin (sredstev) in primarnih virov energije

- zmanjšati emisije, stroške posameznih procesov, …

Standardi:

ISO 14040

ISO 14041

ISO 14042

ISO 14043

ISO 14044an

aliz

a o

d v

rtin

e

do

tan

ka

12 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

Faze LCA študije

Neposredna uporaba:- razvoj produktov- načrtovanje strategije- marketing- ostalo

Študija življenjskega cikla tehnologije

Faza interpretacije

1.

2.

Identifikacijabistvenih parametrov

Vrednotenje glede na:- obseg- občutljivost- združljivost- ostalo

Zaključki,priporočila in

poročila

cilji inobseg

obravnave

Analizainventarja

Ocenavplivov

CILJI IN OBSEG:

- vzrok in namen raziskave

- uskladitev ciljev, obsega in območja projekta

- določitev metode za oceno vplivov na okolje

ANALIZA INVENTARJA:

- definicija energijskih in materialnih tokov

- definicija emisij, odpadkov in ostalih izhodnih tokov

OCENA VPLIVOV:

- vrednotenje po izbrani metodologiji (CML 2001)

- pretvorba kvantitativnih podatkov v kvalitativne

13 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

Uplinjanje lesne biomase z zgorevanjem obp. plinovGaBi 4 p roc ess plan:R eferenc e quantities

T he names of the basic proc esses are shown.

44,737 kg

26,316 kg

42,684 kg

29,592 kg

30,592 kg

36,474 kg

0,00025534 kg

0,44504 Nm3

1 kg

0,00091921 kg 1 kg

36,474 kg

9,25 kg

5,8947 kg

21,329 kg

28,596 MJ

52,21 MJ0,1522 MJ

12,053 MJ11,408 MJ

1E-010 MJ

21,342 kg

Svez les

pMletje in susenje lesa pUplinjanje lesa

Prenosnik toplote

Shift reakcija

Visek pare

P.S.A.

XZbiralnik H2

DE: Water deionized PE

pDE: H2 compressor

(diaphragma) PE [b]

GLO: Compressed air 7

bar (low power consumption)

PE [b]

DE: Diaphragma

production PE

EU-15: Lubricants at

refinery PE

Slovenska mesanica

elektricne energije

Programsko okolje GaBi 4Izdelava bilančnih shem za pridobivanje vodika

14 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

Inp

ut-

iO

utp

ut-

i

LCA: masni, energijski tokovi

TEHNIČNE VELIČINE

- št. kosov, masa, volumen

- energija

OKOLJSKE VELIČINE

- GWP (global warming potential)

- AP (aditification potential)

- toksini

- težke kovine

ODP (ozone depletion potential)

EKONOMSKE VELIČINE

- stroški in lastna cena

Prikaz rezultatov – masni in energijski tokovi

15 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

3. Analiza rezultatov – pridobivanje vodika

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Mas

a /

k

g

Neobnovljivi viri skupaj 5,21001636 7,055476757 4,931562099 27,29371837 8,334226672 0,432864321 0,992688193 25,80304644 76,86028753

Obnovljivi viri skupaj 33,61348566 44,73689213 18,02080874 4,47835E-05 3,98847E-05 0,001270092 0,001328715 0,001288732 0,001250911

Voda 8,5042 36,474 11,408 19,556 17,501 8,05 8,05 8,05 8,05

Piroliza lesne

biomase

Uplinjanje lesne

biomase

Kombinacija

pirolize in

uplinjanja lesne

Uplinjanje

lignita

Reformiranje

zemeljskega

plina

Elektroliza -

HE

Elektroliza -

NEK

Elektroliza - SI

mixElektroliza - TE

- obnovljivi viri prisotni predvsem zaradi uporabe biomase

- poraba vode pri uplinjanju malo višja (ohlajanje Sinteznega Plina – para!)

- neobnovljivi viri najvišji pri elektrolizi s TE

Poraba energijskih virov za 1kg vodika

16 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Mas

a /

k

g

Surova nafta 0,0281 0,0439 0,0275 0,0397 0,0487 0,1023 0,1801 0,2157 0,1063

Črni premog 0,3883 0,5347 0,3688 0,4028 0,3256 0,1088 0,3958 1,9783 0,1264

Lignit 4,7116 6,3567 4,4564 26,7470 3,8586 0,0288 0,1152 23,0347 76,2187

Zemeljski plin 0,0819 0,1200 0,0788 0,1041 4,1012 0,1929 0,3002 0,5739 0,4089

Uran 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0000 0,0013 0,0005 0,0000

Piroliza lesne

biomase

Uplinjanje lesne

biomase

Kombinacija

pirolize in

uplinjanja lesne

Uplinjanje

lignita

Reformiranje

zemeljskega

plina

Elektroliza - HEElektroliza -

NEK

Elektroliza - SI

mixElektroliza - TE

- pri biomasi neobnovljivi zaradi porabe el. energije iz neobnovljivih virov

- uplinjanje lignita manjšo porabo neobnovljivih kot elektroliza iz TE

- neobnovljivi pri JE zaradi proizvodnje materialov in pridobivanje urana

- pri elektrolizi iz HE neobnovljivi pri izgradnji elektrarne

Poraba NEOBNOVLJIVIH energijskih virov za 1kg vodika

17 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Mas

a /

kg

Obnovljivi viri skupaj 3,361E+01 4,474E+01 1,802E+01 4,478E-05 3,988E-05 1,270E-03 1,329E-03 1,289E-03 1,251E-03

Obnovljiva goriva 1,507E-07 2,953E-07 1,657E-07 2,078E-07 1,972E-07 1,067E-07 1,067E-07 1,067E-07 1,067E-07

Les (biomasa) 3,361E+01 4,474E+01 1,802E+01 4,458E-05 3,969E-05 1,270E-03 1,329E-03 1,289E-03 1,251E-03

Voda 8,5042 36,474 11,408 19,556 17,501 8,05 8,05 8,05 8,05

Piroliza lesne

biomase

Uplinjanje

lesne biomase

Kombinacija

pirolize in

uplinjanja lesne

Uplinjanje

lignita

Reformiranje

zemeljskega

plina

Elektroliza -

HE

Elektroliza -

NEK

Elektroliza - SI

mixElektroliza - TE

Poraba OBNOVLJIVIH energijskih virov za 1kg vodika

- pri uplinjanju največja poraba lesne biomase

- pri pirolizi vodimo oglje iz sistema kot ostanek

- pri kombinaciji izraba lesne biomase največja

18 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

Poraba OBNOVLJIVIH energijskih virov za 1kg vodika

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Ref

orm

iranje

zem

eljske

ga p

lina

Uplinjanje

velenjsk

ega

lignita

Uplinjanje

lesn

e biom

ase

Piro

liza

lesn

e biom

ase

Kom

bina

cija p

iroliz

e in u

plin

janja

lesn

e biom

ase

Elektro

liza

z elek

tričn

o ne

nerg

ijo iz

:

- ter

moe

lektra

rn

- hidro

elek

trarn

- jed

rskih

elek

trarn

- slove

nske

ene

rgijs

ke m

ešan

ice

Osnovna surovina / kg

Voda / kg

el. energija / MJ

: - zemeljski plin,

- lignit,

- biomasa

19 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

Izkoristki pretvorb iz osnovne surovine v vodik

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

Ref

orm

iranje

zem

eljske

ga p

lina

Uplinjanje

velenjsk

ega

lignita

Uplinjanje

lesn

e biom

ase

Piro

liza

lesn

e biom

ase

Kom

bina

cija p

iroliz

e in u

plinjanja

lesn

e biom

ase

Elektro

liza

z elek

tričn

o ne

nerg

ijo iz

:

- ter

moe

lektra

rn

- hidro

elek

trarn

- jed

rskih

elek

trarn

- slove

nske

ene

rgijs

ke m

ešan

ice

TEHNOLOGIJE

Izk

ori

ste

k p

retv

orb

e iz s

uro

vin

e v

vo

dik

20 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

Potencial GLOBALNEGA SEGREVANJA (GWP) pri proizvodnji 1kg vodika

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Mas

a /

k

g C

O2 e

kv

.

GWP (kg CO2 ekv.) 23,5107 35,5720 23,1060 26,0293 12,3129 2,6185 3,1126 32,3003 82,0750

Piroliza lesne

biomase

Uplinjanje lesne

biomase

Kombinacija

pirolize in

uplinjanja lesne

Uplinjanje

lignita

Reformiranje

zemeljskega

plina


NEK

Elektroliza - SI

mixElektroliza - TE

- Najmanjši GWP povzroča elektroliza iz HE, sledi ji elektroliza iz NEK;

- največji GWP povzroča elektroliza iz TE

- največji povzročitelj pri vseh tehnologijah je pretežno CO2 pa tudi metan ter dušikov oksid

- reformiranje ZP nizko vrednost zaradi ugodnega razmerja C:H = 1:4

- CO2 iz lesne biomase ima v okviru trajnostne rabe nično vrednost na GWP

- uplinjanje lignita je manjši povzročitelj GWP kot elektroliza iz SI-Mixa

- elektroliza iz TE povzroča 3x večji GWP kot uplinjanje lignita

21 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

Mas

a /

k

g S

O2 e

kv

.

AP (kg SO2 ekv.) 0,1320 0,1773 0,1248 0,1248 0,1163 0,0089 0,0167 0,6550 1,9880

Piroliza lesne

biomase

Uplinjanje lesne

biomase

Kombinacija

pirolize in

uplinjanja lesne

Uplinjanje

lignita

Reformiranje

zemeljskega

plina


NEK

Elektroliza - SI

mixElektroliza - TE

Potencial ZAKISLJEVANJA OKOLJA (AP)

22 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

LCC (Life Cycle Costing) – Lastna cena 1 kg proizvedenega vodika

1,26

0,97

4,34

3,25

1,91

1,55

3,32

1,08

1,94

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

Reformiranje

zemeljskega

plina

Uplinjanje

velenjskega

lignita

Uplinjanje

lesne biomase

Piroliza lesne

biomase

Kombinacija

pirolize in

ulinjanja lesne

biomase

Elektroliza

HE

Elektroliza TE Elektroliza

NEK

Elektroliza SI-

MIX

Uporabljen tehnološki postopek

Cen

a 1

kg

vo

dik

a

/ €

/kg

Energijski vir Cena

Voda (DEMI, Slana) 0,43 EUR/m3

Električna energija iz SI-MIX 36,48 EUR/MWh

Električna energija iz HE (Soča, Drava, Sava) 29,248 EUR/MWh

Električna energija iz TE (TET, TEB, TEŠ, TE-TOL) 62,543 EUR/MWh

Električna energija iz NEK 20,3 EUR/MWh

Zemeljski plin 0,0931 EUR/Sm3

Lignit 2,57 EUR/GJ

Biomasa 28 EUR/nm3

23 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

LCC (Life Cycle Costing) – Cena energentov v EUR/MWh

9,3

25,0

97,1

10,0

37,5

28,9

129,1

96,7

56,7

98,7

32,1

46,2

57,6

0

20

40

60

80

100

120

140

Lign

itLe

s

Naf

ta (E

L) ZP

H2

- ref

orm

iranje

ZP

H2

- uplinjanje

velens

kega

lign

ita

H2

- uplinjanje

biom

ase

H2

- piro

liza

biom

ase

H2

- kom

bina

cija p

iroliz

e in u

plinjanja

H2

- eletro

liza

TE

H2

- eletro

liza

NEK

H2

- eletro

liza

HE

H2

- eletro

liza

SI-MIX

Cen

a v

EU

R /

MW

h

VODIK

24 / 24



gorivne celice

Ljubljana

12.09.2008

Uporaba obnovljivega vodika iz lesne biomase v prometu

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

Uplinjanje lesne biomase Piroliza lesne biomase Kombinacija pirolize in uplinjanja

lesne biomase

Tehnologije

Poraba energije v prometu: 61.698.000.000 MJ

Trajnostna izraba lesne biomase v Sloveniji: 3.023.125 ton / leto

vodik / kg en. vrednost / MJ

Uplinjanje lesne biomase 67.575.497 8.176.635.112

Piroliza lesne biomase 89.939.160 10.882.638.414

Kombinacija pirolize in uplinjanja lesne biomase 167.755.674 20.298.436.546

Documents

SPEV Slovenija in prehod na ekonomijo vodikalab.fs.uni-lj.si/kes/energetski_sistemi/09 vaja... · Elektroliza - HE Elektroliza - NEK Elektroliza - SI mix Elektroliza - TE - pri biomasi