Wind and solar energy technologies of hydrogen production – a review of issues

Hydrogen-based power engineering has great potential for upgrading present and future structures of heat and electricity generation and for decarbonizing industrial technologies. The production of hydrogen and its optimal utilization in the economy and transport for the achievement of ecological and economic goals requires a wide discussion of many technological and operational – related issues as well as intensive scientific research. The introductory section of the paper indicates the main functions of hydrogen in the decarbonization of power energy generation and industrial processes, and discusses selected assumptions and conditions for the implementation of development scenarios outlined by the Hydrogen Council, 2017 and IEA, 2019. The first scenario assumes an 18% share of hydrogen in final energy consumption in 2050 and the elimination 6 Gt of carbon dioxide emissions per year. The second document was prepared in connection with the G20 summit in Japan. It presents the current state of hydrogen technology development and outlines the scenario of their development and significance, in particular until 2030. The second part of the paper presents a description of main hybrid Power-to-Power, Power-to-Gas and Power-to-Liquid technological structures with the electrolytic production of hydrogen from renewable sources. General technological diagrams of the use of water and carbon dioxide coelectrolysis in the production of fuels using F-T synthesis and the methanol production scheme are presented. Methods of integration of renewable energy with electrolytic hydrogen production technologies are indicated, and reliability indicators used in the selection of the principal modules of hybrid systems are discussed. A more detailed description is presented of the optimal method of obtaining a direct coupling of photovoltaic (PV) panels with electrolyzers.

Technologie energetyki wodorowej mają duży potencjał dla unowocześnienia obecnych i przyszłych struktur wytwarzania energii elektrycznej, ciepła i dla dekarbonizacji technologii przemysłowych. Wytwarzanie wodoru i jego optymalne wykorzystanie w gospodarce i transporcie dla osiągnięcia celów ekologicznych i ekonomicznych wymaga dyskusji wielu zagadnień technologicznych i eksploatacyjnych oraz intensywnych badań naukowych. W części wstępnej artykułu wskazano na główne funkcje wodoru w osiągnięciu dekarbonizacji energetyki i procesów przemysłowych oraz omówiono wybrane założenia i warunki realizacji scenariuszy rozwojowych Hydrogen Council, 2017 i IEA, 2019. Pierwszy scenariusz zakłada 18% udział wodoru w finalnym zużyciu energii w 2050 i eliminację 6 Gt emisji ditlenku wegla rocznie. Drugi dokument został przygotowany w związku ze szczytem G20 w Japonii. Przedstawia on współczesny stan rozwoju technologii wodorowych oraz nakreśla scenariusz ich rozwoju i znaczenia, w szczególności w perspektywie do 2030 r. W drugiej części artykułu przedstawiono charakterystykę głównych hybrydowych struktur technologicznych Power-to-Power, Power-to-Gas i Power-to-Liquid z elektrolitycznym wytwarzaniem wodoru ze źródeł odnawialnych . Przedstawiono schematy technologiczne wykorzystania koelektrolizy wody i ditlenku węgla w produkcji paliw z wykorzystaniem syntezy F-T i schemat produkcji metanolu. Wskazano na sposoby integracji odnawialnej energii napędowej z elektrolitycznymi technologiami wytwarzania wodoru i omówiono wskaźniki niezawodności wykorzystywane w doborze głównych modułów układów hybrydowych. Szczegółowiej przedstawiono optymalny sposób uzyskania bezpośredniego połączenia paneli ogniw fotowoltaicznych i elektrolizerów.