Centrum Technologii Wodorowych | Politechnika Gdańska

Podstawową technologią produkcji wodoru jest w dalszym ciągu reforming z parą wodną uzyskaną z gazu ziemnego, ropy i węgla. Szacuje się, że produkcja wodoru oparta na tej technologii obejmuje 400–500 mld Nm3. Sprężony wodór jest bezpiecznie transportowany dedykowanymi rurociągami oraz cysternami do przewozu płynów. Rozwój gospodarczy powoduje, że zapotrzebowanie na wodór ciągle rośnie. Popyt na wodór wzrósł ponad trzykrotnie od 1975 do 2019 roku. Niestety, produkcja wodoru metodą reformingu z parą wodną uzyskaną z paliw kopalnych wiąże się z emisją na masową skalę gazów cieplarnianych. Cytując za Międzynarodową Agencją Energetyczną, aktualna produkcja wodoru odpowiada za emisję CO2 w wysokości około 830 mln ton dwutlenku węgla rocznie. Te zatrważające skutki rozwoju gospodarczego wywołały reakcję organizacji międzynarodowych. W roku 2020 Komisja Europejska przedstawiła raport „Strategia wodorowa dla klimatycznie neutralnej Europy”. Obejmuje on kierunki działań prowadzące do ograniczenia emisji oraz harmonogram transformacji energetycznej.
Centrum Technologii Wodorowych Politechniki Gdańskiej (CTW PG) powstało wskutek zmian zachodzących w energetyce i jest odpowiedzią na opracowaną i ogłoszoną w roku 2021 przez Polskę strategię wodorową, która obejmuje:
– wdrożenie technologii wodorowych w energetyce;
– wykorzystanie wodoru jako paliwa alternatywnego w transporcie;
– wsparcie dekarbonizacji przemysłu;
– produkcję wodoru w nowych instalacjach;
– sprawną i bezpieczną dystrybucję wodoru;
– stworzenie stabilnego otoczenia regulacyjnego.
Politechnika Gdańska jest poważnym i znaczącym ośrodkiem naukowo-badawczym i nie może być biernym uczestnikiem transformacji energetycznej. Utworzenie na Politechnice Gdańskiej CTW PG ma na celu aktywne uczestnictwo w tym procesie. Formuła Centrum jest elastyczna i stanowi kompilację najwyższej klasy ekspertów i zespołów badawczych z całej Politechniki Gdańskiej zajmujących się problematyką wodorową. Taka struktura zapewnia szybkie tworzenie interdyscyplinarnych zespołów na potrzeby konkretnych projektów badawczych i wdrożeń. Funkcję koordynatora CTW PG pełni jego organizator prof. Kazimierz Darowicki.
Szeroka wiedza z zakresu energetyki, elektrotechniki i automatyki, inżynierii chemicznej oraz informatyki, fizyki i chemii pozwala aktywnie uczestniczyć w realizacji polskiej
i europejskiej strategii wodorowej. Pracownicy Politechniki Gdańskiej związani z Centrum Technologii Wodorowych wyspecjalizowali się w określonych głównych zagadnieniach, takich jak: produkcja wodoru, magazynowanie wodoru, diagnostyka ogniw paliwowych, produkcja energii i modelowanie procesów i instalacji wodorowych.

Magazynowanie energii

Nasi specjaliści zajmują się związkami chemicznymi łatwymi do syntezy z gazu syntezowego, wodoru i ditlenku węgla oraz związkami łatwo konwertowalnymi do wodoru, takimi jak metanol i eter dimetylowy. Prowadzone są badania nad nowymi katalizatorami reformingu węglowodorów, w tym biogazu, i metody optymalizacji tego procesu. Ponadto rozwijane są metody syntezy eteru dimetylowego oraz oczyszczania strumieni gazowych zawierających wodór.
Innym zagadnieniem rozwijanym w ramach Centrum jest elektrolityczna produkcja wodoru obejmująca konstrukcje i ocenę efektywności pracy elektrolizerów alkalicznych i elektrolizerów typu PEM. Ważką kwestią jest zwiększenie efektywności elektrokatalitycznej materiałów elektrodowych.

Biowodór

W ramach tego obszaru prowadzone są badania nad udoskonaleniem wytwarzania biowodoru. W szczególności oceniany jest potencjał wytwórczy biowodoru z odpadów,
w tym dobór metod obróbki wstępnej surowca oraz optymalizacja parametrów procesowych wytwarzania biowodoru i analityka procesowa. W ramach prac wytwarzane są matryce sensorowe do monitorowania przebiegu procesów produkcyjnych. Opracowane matryce mogą być stosowane w procesach oczyszczania gazów fermentacyjnych. Dodatkowym uzupełniającym tematem jest gospodarka odpadami.

Automatyzacja i elektroenergetyka

Tworzenie mikrosieci energetycznych systemów rozproszonych jest aktualnym kierunkiem rozwojowym. Zasilanie elektrolizerów, ich współpraca ze stosami ogniw paliwowych wymaga synchronizacji energetycznej i stosownych systemów zarządzania. W ramach CTW PG skupiamy się na projektowaniu i budowie oraz diagnostyce przekształtników energoelektrycznych, projektowaniu i budowie dedykowanych prostowników. Projektujemy układy sterujące napędami elektrycznymi i systemy sterowania układami hybrydowymi składającymi się ze stosów ogniw paliwowych i pakietów superkondensatorów lub pakietów ogniw litowo-jonowych.

Modelowanie, systemy wspomagania decyzji, sztuczna inteligencja

Obszar reprezentowany jest przez informatyków przygotowujących cyfrowe modele symulujące instalacje wodorowe i instalacje współpracujące. Modele obejmują bilanse energetyczne, surowcowe i finansowe projektowanych przedsięwzięć. Modele mają charakter predykcyjny i wspomagają proces decyzyjny wytwarzania wodoru w elektrolizerach
i jego wykorzystania w ogniwach paliwowych. Tworzone rozwiązania oparte są na osiągnięciach z zakresu sztucznej inteligencji. Zespół ma doświadczenia w tworzeniu przemysłowych platform do bezpiecznego gromadzenia i przetwarzania danych w instalacjach Industry 4.0 z wykorzystaniem urządzeń IoT i sieci blockchain.

Stosy ogniw paliwowych

Technologie ogniw paliwowych są rozwijane bardzo skutecznie. Obecnie są to podstawowe reaktory elektrochemiczne przewarzające paliwo, w tym wodór, na energię elektryczną. W swoich pracach badawczych skupiamy się na projektowaniu struktur ochronnych dla ogniw paliwowych poprzez pokrywanie warstwami ochronnymi interkonektorów mechanicznych. Zespół specjalistów ma także doświadczenia w projektowaniu materiałów elektrokatalitycznych zwiększających wydajność ogniw paliwowych.
Inną kwestią jest monitorowanie i diagnostyka stosów ogniw i poszczególnych celek w warunkach pracy, a także ocena charakteru uszkodzeń oraz wybór optymalnych warunków pracy. Szczególne znaczenie mają równomierność obciążeń membran, wpływ zanieczyszczeń wodoru na charakter uszkodzeń oraz wydajność pracy poszczególnych celek.

Degradacja wodorowa

Wodór jest gazem działającym destrukcyjnie na wiele metalicznych materiałów konstrukcyjnych. Jego wnikanie do metalicznego materiału powoduje takie główne efekty jak tworzenie wodorków, kruchość wodorową, pęcherzenie wodorowe, pękanie wodorowe i wiele innych niekorzystnych zjawisk. Obecność wodoru w metalicznych materiałach konstrukcyjnych przede wszystkim zmniejsza ich wytrzymałość. Kwestie te nabierają fundamentalnego znaczenia w aspekcie projektowania zbiorników magazynowych i transportu rurowego wodoru. Zespół specjalistów ma doświadczenie w badaniach korozyjnych i technologiach ochrony przed korozją.
*
Nadrzędnymi celami CTW PG są: koordynowanie prac nad różnymi aspektami technologii wodorowych, występowanie z interdyscyplinarnymi projektami badawczymi w konkursach krajowych i zagranicznych oraz aktywne uczestnictwo w przebudowie systemu energetycznego kraju i regionu. Centrum podpisało umowy intencyjne o współpracy w obszarze technologii wodorowych z wiodącymi polskimi koncernami PKN ORLEN SA i Grupą LOTOS SA. Centrum jest animatorem utworzenia na Politechnice Gdańskiej międzywydziałowego kierunku studiów, na którym kształcone będą kadry inżynieryjne przygotowane do funkcjonowania technicznego w obszarze energetyki wodorowej.

Kazimierz Darowicki / Wydział Chemiczny
kazdarow@pg.edu.pl