Technologie magazynowania wodoru i jego pochodnych

W systemie międzynarodowym jednostką gęstości energii jest dżul na metr sześcienny (J/m3). Gęstość energii jest jednorodna z ciśnieniem: dżul na metr sześcienny jest identyczny z paskalem (Pa). W zastosowaniach związanych z magazynowaniem energii gęstość energii odnosi się albo do gęstości energii masowej, albo do gęstości energii nasypowej. Im wyższa gęstość energii, tym więcej energii można zmagazynować lub przetransportować dla danej objętości lub masy. Jest to szczególnie ważne w dziedzinie transportu (motoryzacja, samoloty, rakiety itp.). Należy zauważyć, że wybór paliwa do środka transportu, poza aspektami ekonomicznymi, uwzględnia sprawność układu napędowego. Biorąc pod uwagę wysoką gęstość energetyczną benzyny, poszukiwanie alternatywnych mediów do przechowywania energii zasilającej samochód, takich jak wodór lub akumulator, jest silnie ograniczone przez gęstość energii alternatywnego medium. Na przykład taka sama masa magazynu litowo-jonowego dałaby samochód o zaledwie 2% zasięgu jego odpowiednika benzynowego. Jeśli rezygnacja z zasięgu jest niepożądana, konieczne staje się przewożenie znacznie większej ilości paliwa. Gęstość energii paliwa na jednostkę masy nazywana jest energią właściwą tego paliwa. Ogólnie rzecz biorąc, silnik wykorzystujący to paliwo będzie generował mniej energii kinetycznej ze względu na nieefektywność i względy termodynamiczne – stąd jednostkowe zużycie paliwa przez silnik zawsze będzie większe niż jego tempo wytwarzania energii kinetycznej ruchu.

Gęstość energii różni się od wydajności konwersji energii (wyjściowa produkcja netto na wkład) lub energii ucieleśnionej (koszty energii wyjściowej do dostarczenia, takie jak zbieranie, rafinacja, dystrybucja i radzenie sobie z zanieczyszczeniami, wszystkie zużywają energię). Intensywne zużycie energii na dużą skalę ma wpływ na klimat, składowanie odpadów i konsekwencje środowiskowe. Żadna pojedyncza metoda magazynowania energii nie może pochwalić się najlepszą mocą właściwą, energią właściwą i gęstością energii. Generalnie wartości gęstości paliw chemicznych nie obejmują masy tlenu potrzebnego do spalania. Masy atomowe węgla i tlenu są podobne, natomiast wodór jest znacznie lżejszy. W ten sposób przedstawia się wartości dla tych paliw, w których w praktyce powietrze byłoby zasysane tylko lokalnie do palnika. Wyjaśnia to pozornie niższą gęstość energii materiałów zawierających własny utleniacz (takich jak proch strzelniczy i TNT), gdzie masa utleniacza w efekcie zwiększa wagę i pochłania część energii spalania, aby zdysocjować i uwolnić tlen, aby kontynuować reakcję . Wyjaśnia to również pewne pozorne anomalie, takie jak gęstość energii kanapki, która wydaje się być wyższa niż laski dynamitu.

Omawiany raport stwierdza, że gęstość wodoru gazowego (273 K, 1013 hPa) wynosi 90 g/m3, ciekłego 70,8 kg/m3, a krystalicznego 88 kg/m3. Jest więc on najlżejszym pierwiastkiem w każdym stanie skupienia. Z powodu niskiej gęstości wodór stwarza wyjątkowe wyzwania w zakresie przechowywania i transportu. Aby zwiększyć ilość przechowywanego wodoru, wodór gazowy może być sprężony (CGH₂) lub skroplony (LH₂) i przechowywany w zbiornikach naziemnych. Sprężony gazowy wodór może być również magazynowany pod ziemią w kawernach solnych (UHS – Kawerny solne) lub zbiornikach porowatych (UHS – zbiorniki porowate). Alternatywnie można go również przechowywać poprzez uwięzienie go w innych produktach, takich jak ciekły organiczny nośnik wodoru (LOHC) lub poprzez chemiczne przekształcenie go w amoniak (NH₃), metanol (CH₃OH), ciecze takie jak e-nafta lub syntetyczny gaz ziemny. Wszystkie te opcje przechowywania wodoru stanowią szeroką platformę technologiczną do integracji wodoru z przyszłym miksem energetycznym. Każda technologia magazynowania charakteryzuje się różną gęstością energii (wolumetryczną/grawimetryczną) oraz pojemnością magazynowania, skalą czasową i szybkością ładowania i rozładowania. Na przykład pojemność magazynowania wodoru może wahać się od setek kg do kilku kiloton (kt) odpowiednio dla technologii magazynowania w zbiorniku ciśnieniowym i w grocie solnej. Specyficzny koszt inwestycyjny magazynowania również znacznie się waha od około 535 €/kg w przypadku przechowywania w zbiornikach sprężonych do 7 €/kg w przypadku kawern solnych; a prawdopodobnie jest nawet niższy dla wyeksploatowanych złóż gazu. Strategia operacyjna (np. ilość cykli rocznych) i koszty mają wówczas również bardzo istotny wpływ na koszty magazynowania. Dopasowanie odpowiedniej technologii magazynowania do właściwego celu w łańcuchu wartości wodoru jest zatem nie tylko wyborem technicznym, ale ma na niego duży wpływ także ekonomia łańcucha wartości.

Koncepcje technologii magazynowania wraz z ich aktualnym stanem technicznym i wyzwaniami wyjaśniono poniżej:

• Opcje magazynowania wodoru pod ciśnieniem: magazynowanie sprężonego wodoru gazowego w zbiornikach (CGH2), z typową jednostką składającą się ze stojaka zbiorników zdolnego do przechowywania 500 kg lub równoważnie 16,7 MWh wodoru pod ciśnieniem 200 bar; podziemne magazyny w kawernach solnych o ciśnieniu w zakresie od 35 bar do 210 bar i pojemności od 100 000 m3 -1 000 000 m3 (kilka kt H2; podziemne magazynowanie w wyeksploatowanym polu gazowym, co nie jest sprawdzoną technologią magazynowania wodoru (TRL 2-3 ), ale ma bardzo duży potencjał (od 1 do 3 mld Sm3, czyli dziesiątki lub setki kt H2), pakowanie linii w rurociągach transportowych i przesyłowych.

• Skroplony wodór / ciekłe pochodne w zbiornikach (ma znacznie wyższą gęstość energii niż w postaci gazowej, co czyni go atrakcyjnym medium magazynującym i transportowym):

• Skroplony wodór w zbiornikach. LH₂ jest obecnie zwykle przechowywany w temperaturze -254 °C w kriogenicznym izolowanym sferycznym zbiorniku. Zbiorniki LH₂ są preferowane w zastosowaniach magazynowych na małą i średnią skalę;

• Amoniak jest konwencjonalnie przechowywany w postaci płynnej pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze -33°C, od dużej skali (4500 do 55 000 ton NH₃) do małej skali (poniżej 270 ton NH₃);

• LOHC mogą występować w postaci ciekłej w warunkach atmosferycznych, o podobnych właściwościach jak konwencjonalne paliwa płynne, co sprawia, że nadają się do przechowywania w zbiornikach;

• Metanol ma wysoką gęstość magazynowania wodoru (99 kg H₂/m3 CH₃OH) i występuje w postaci ciekłej w warunkach atmosferycznych (20 °C i 1 bar), o pojemności do 50 000 m3 (~ 40 kt metanolu lub 5 kt wodoru) ;

Zazwyczaj pojemność zbiorników powierzchniowych waha się od 500 kg dla CGH₂ do ~10 kt wodoru dla największych zbiorników NH₃. Te pojemności są zazwyczaj mniejsze w porównaniu do podziemnych magazynów wodoru o typowej pojemności 180kt H₂ w zbiorniku porowatym lub ~8kt H₂ w kawernie solnej. Z ekonomicznego punktu widzenia, konkretny koszt inwestycyjny podziemnego magazynowania wodoru znormalizowanego z wydajnością energetyczną jest najniższy dla zbiornika porowatego na poziomie 0,05 €/kWh H₂, LHV (2 €/kg). W przypadku sprężonego H₂ w zbiornikach koszty te mogą sięgać nawet 16 €/kWh H₂, LHV. Pomimo dużej zmienności kosztów, w całym łańcuchu wartości wodoru potrzebny będzie zestaw technologii magazynowania na powierzchni i pod powierzchnią.

Podsumowując, autorzy raportu dochodzą do wniosków, że opcje przechowywania wodoru czerpią korzyści z ekonomii skali:

• ma miejsce spadek konkretnych kosztów inwestycyjnych wraz z pojemnością magazynowania;
• magazynowanie podpowierzchniowe oferuje niższe jednostkowe koszty inwestycyjne niż magazynowanie naziemne;

Obiekty powierzchniowe na wodór i pochodne na dużą skalę oferują tanie magazynowanie, ale często wymagają wysokiego zapotrzebowania na energię przetwarzania (przed i po) oraz wysokich nakładów.

Przypomnijmy, że podziemne magazynowanie wodoru (underground hydrogen storage – UHS) to praktyka przechowywania wodoru w kawernach, wyrobiskach solnych i wyeksploatowanych polach naftowych/gazowych. W kawernach od wielu lat przechowywane są duże ilości gazowego wodoru. Podziemne magazynowanie dużych ilości wodoru w wyrobiskach solnych, warstwach wodonośnych, wykopanych kawernach skalnych lub kopalniach może pełnić funkcję sieciowego magazynowania energii, niezbędnej dla gospodarki wodorowej. Dzięki zastosowaniu turborozprężarki zapotrzebowanie na energię elektryczną dla magazynu sprężonego pod ciśnieniem 200 bar wynosi 2,1% zawartości energii. UHS reprezentuje element ogólnego cyklu energetycznego „początkowa produkcja energii – konwersja (lub nie) na wodór – magazynowanie wodoru – rekonwersja (lub nie) wodoru na inny rodzaj energii – zużycie energii”. Cele i metoda UHS zależą w dużej mierze od połączenia wszystkich tych elementów. Na przykład, jeśli celem jest przechowywanie czystego wodoru i późniejsze wykorzystanie go w ogniwach paliwowych, to wszelkie przemiany chemiczne wodoru podczas przechowywania powinny być zabronione. W przeciwieństwie do tego, jeśli celem jest wykorzystanie wodoru w turbinach opalanych gazem lub wtłoczenie go do rurociągu gazu ziemnego, wzbogacenie zmagazynowanego gazu metanem lub innymi nośnikami energii jest prawdopodobnie mile widziane.

Można wyróżnić następujące typy UHS w zależności od formy początkowo wytworzonej energii, formy zużytej energii końcowej, metod konwersji energii oraz kombinacji tych elementów:

• Podziemne magazynowanie czystego wodoru: ostatecznym przeznaczeniem tego wodoru jest zastosowanie w ogniwach paliwowych, w których H2 jest przekształcany w energię elektryczną, a następnie wykorzystywany w pojazdach, co ma miejsce w przypadku bardzo czystego wodoru. Najdogodniejszym miejscem magazynowania wodoru ultraczystego są kawerny solne, które są prawie całkowicie hermetyczne, charakteryzują się wysokim stopniem czystości i bardzo niskim ryzykiem prawdopodobnego zanieczyszczenia gazu. Czysty wodór można najlepiej pozyskać z nadmiaru energii elektrycznej za pomocą elektrolizy chemicznej lub z ciepła elektrowni jądrowych za pomocą elektrolizy termicznej. Cały cykl energetyczny składa się z instalacji wytwarzających odnawialną energię elektryczną (np. wiatraki, ogniwa słoneczne). Ze względu na ich przerywany tryb funkcjonowania, część energii jest wytwarzana w nadmiarze i powinna być magazynowana. Ta energia elektryczna jest następnie przekształcana w wodór, przechowywana w grocie solnej, wydobywana w okresach zwiększonego zużycia i ponownie przetwarzana na energię elektryczną w ogniwach paliwowych. Zamiast odnawialnego źródła i elektrolizera może to być elektrownia jądrowa, która służy jako producent energii elektrycznej i konwerter na wodór.
• Podziemne magazynowanie mieszaniny z gazem ziemnym ubogim w wodór: czysty wodór wytwarzany w wyniku elektrolizy wody jest wtłaczany do podziemnego magazynu gazu ziemnego. Obecnie przemysł przyjmuje jedynie niewielkie ilości H2 (6–15%; DVGW, 2011), aby nie zmniejszyć znacząco potencjału energetycznego magazynowanego gazu i wykorzystać istniejącą infrastrukturę transportu gazu bez jej uszkadzania (wodór powoduje kruchość stali ). W tym przypadku jako paliwo wykorzystywany jest wodór. Ta technologia jest również znana jako power-to-gas. Globalny cykl energetyczny składa się ze źródła odnawialnej energii elektrycznej lub elektrowni jądrowej, elektrolizera i podziemnego składowiska gazu ziemnego, z którego wytworzony gaz jest wtłaczany do gazociągu. Zmieszany H2 i CH4 można również rozdzielić po przechowywaniu, aby otrzymać czysty wodór. Istnieją różne techniki separacji: adsorpcja zmiennociśnieniowa działająca przy niskich stężeniach wodoru (< 20%); separacja membranowa, która jest wydajna przy stosunkowo wysokich stężeniach wodoru i może dawać bardzo czysty wodór; oraz elektrochemiczna separacja wodoru, znana również jako pompowanie wodoru.
• Podziemne magazynowanie bogatej mieszaniny wodoru z CO, CH4 i CO2 (gaz syntezowy lub gaz miejski): mieszanina H2 (20–40%) i CO nazywana jest gazem syntezowym, natomiast mieszanina H2 (50–60%), CO, a także CH4 nazywana jest gazem miejskim. W obu przypadkach CO2 może być również obecny w zależności od technicznych aspektów produkcji. CO jest zaś uważany za nośnik energii (choć ma niższy potencjał niż wodór). Ten typ mieszanki jest wytwarzany przez powierzchowne lub podziemne zgazowanie węgla, które reprezentuje spalanie węgla przez wtryskiwanie pary o temperaturze 800°C wraz z tlenem. Najnowsza wersja tej technologii pozwala na produkcję mieszanki z 70% wodorem.

Zmagazynowany gaz można zużywać w dwóch różnych formach:

• jako energia elektryczna, poprzez konwersję termomechaniczną w turbinach gazowych;
• jako paliwo (w przypadku gazu miejskiego) do oświetlenia i ogrzewania bez przeróbki, co jest ekonomicznie atrakcyjną opcją dla operatorów w kilku częściach świata, dla których dostęp do gazu ziemnego jest utrudniony. Na przykład w Honolulu na Hawajach gaz miejski jest nadal dostarczany ze znaczną ilością zmieszanego wodoru i jest wykorzystywany w zastosowaniach grzewczych i oświetleniowych jako ekonomiczna alternatywa dla gazu ziemnego.

W omawianym przypadku cykl energetyczny składa się z instalacji produkującej gaz syntezowy lub gaz miejski poprzez zgazowanie węgla, podziemne magazynowanie gazu w warstwie wodonośnej, wyeksploatowanym zbiorniku gazu lub kawernie solnej oraz z turbiny opalanej gazem do konwersji gazu na energię elektryczną lub do bezpośredniego użycia jako paliwo.

• Podziemny reaktor metanizacji (UMR): jest to mieszanina wodoru i CO2 w warstwie wodonośnej lub wyeksploatowanym zbiorniku gazu, w której bakterie metanogenne inicjują reakcję metanizacji Sabatiera. Celem takiego magazynowania jest wzbogacenie potencjału energetycznego gazu poprzez przekształcenie mieszaniny H2 i CO2 w metan. UMR został po raz pierwszy zasugerowany w badaniach przez Panfilova oraz Panfilova i Reitenbacha (2015). Taki proces metanizacji podziemnej może zachodzić w niskiej temperaturze dzięki bakteriom, co może być ekonomicznie korzystniejsze niż dotychczas stosowany proces przemysłowy na powierzchni, przy użyciu wysokich temperatur i drogich katalizatorów. Powstały gaz jest wtłaczany do sieci gazu ziemnego i wykorzystywany jako paliwo. W konsekwencji należy zminimalizować szczątkową obecność CO2, ponieważ część wtłaczanego CO2 jest całkowicie przekształcana w metan, dlatego ten rodzaj magazynowania różni się od magazynowania gazu syntezowego lub gazu miejskiego, gdzie proporcje poszczególnych składników nie są kontrolowane, a powstały gaz jest zamieniany na energię elektryczną.

UMR można uzyskać w następujący sposób:

• poprzez wstrzykiwanie wodoru do CO2 przechowywanego pod ziemią w warstwie wodonośnej;
• poprzez wtłaczanie CO2 do podziemnych składów odpadów radioaktywnych, gdzie w wyniku korozji pojemników znajduje się czysty wodór.

Dodajmy, że płynne organiczne nośniki wodoru (liquid organic hydrogen carriers - LOHC) to związki organiczne, które mogą absorbować i uwalniać wodór w wyniku reakcji chemicznej. LOHC mogą zatem służyć jako nośniki do przechowywania wodoru. W zasadzie każdy nienasycony związek (cząsteczki organiczne z podwójnymi lub potrójnymi wiązaniami C-C) może absorbować wodór po uwodornieniu. Wysoka temperatura wymagana do uwalniania wodoru z systemów LOHC była historycznie uważana za główną wadę, która ogranicza ogólną wydajność cyklu przechowywania. W 2019 r. zaproponowano alternatywne podejście do przekształcania wodoru związanego z LOHC w energię elektryczną. Nośnik bogaty w wodór jest odprowadzany w reakcji uwodornienia z przeniesieniem termoneutralnym. Wodór zostaje w ten sposób przeniesiony do acetonu. Produkt (2-propanol) uwodornienia transferowego jest następnie przekształcany w ogniwie paliwowym (ogniwo paliwowe z bezpośrednim izopropanolem; DIPAFC). Taka koncepcja jest bardzo atrakcyjna dla pokładowego wytwarzania energii elektrycznej w zastosowaniach mobilnych. 29 stycznia 2016 r. zainaugurowana została pierwsza na świecie komercyjna instalacja LOHC do przechowywania wodoru w dibenzylotoluenie. Został opracowany i stworzony przez Hydrogenious LOHC Technologies GmbH. Przy pomocy energii słonecznej z systemu fotowoltaicznego o mocy 98 kWp wytwarzany jest wodór przy użyciu elektrolizy PEM. Jest on przechowywany w dibenzylotoluenie. W 2016 roku Hydrogenious LOHC Technologies zdobyło nagrodę German Industry Innovation Award za proces magazynowania. Hydrogenius LOHC Technologies jest spin-offem Uniwersytetu Fryderyka Aleksandra w Erlangen z siedzibą w Erlangen-Bruck. W listopadzie 2017 roku firma dostarczyła pierwsze systemy LOHC do zastosowań komercyjnych w USA i od tego czasu stała się światowym liderem na rynku technologii LOHC. Oznacza to, że komercyjne stacje tankowania wodoru z ponad 1000 kg zmagazynowanego wodoru mogą być realizowane na miejscu w gęsto zaludnionych obszarach lub w miejscach o ograniczonych wymaganiach przestrzennych. Zastosowany materiał nośnikowy, dibenzyltoluen, jest środkiem zmniejszającym palność, ale jest również klasyfikowany jako niebezpieczny dla wody i zdrowia. Natomiast może być przechowywany i transportowany w nieograniczonych ilościach.

Przy wsparciu Nadrenii Północnej-Westfalii od marca 2021 r. w Chempark Dormagen powstaje największy na świecie obiekt do przechowywania zielonego wodoru w LOHC. Zakład na skalę przemysłową ma zostać oddany do użytku w 2023 roku i zostanie dostarczony przez Hydrogenious LOHC Technologies. Przy planowanej wydajności instalacji, około 1800 ton wodoru rocznie może być magazynowane w nośniku (benzylo-toluenie). Zwiększa to pojemność około dwudziestokrotnie w porównaniu z poprzednimi rozmiarami systemu. LOHC Industrial Solutions NRW GmbH, filia Hydrogenious LOHC Technologies z siedzibą w Krefeld, jest odpowiedzialna za zarządzanie projektami i eksploatację zakładu. Covestro Deutschland AG – udziałowiec Hydrogenious LOHC Technologies od połowy 2019 r. – zapewnia powierzchnię zakładu, a w przyszłości zielony wodór.

Warto też wspomnieć projekt Centrum Badawczego Jülich wraz z Instytutem Badań nad Energią i Klimatem jest partnerem projektu naukowego. Według Petera Wasserscheida, dyrektora Instytutu Badań nad Energią i Klimatem w Forschungszentrum Jülich oraz dyrektora Helmholtz Institute Erlangen-Nuremberg for Renewable Energies (HI ERN), który odegrał kluczową rolę w rozwoju technologii LOHC, towarzyszące badania koncentrują się na trzech aspektach: zachowanie katalizatora w rzeczywistej eksploatacji, możliwy wpływ jakości LOHC lub wodoru na proces przechowywania, dalszy rozwój przemysłowych procesów zapewniania jakości dla systemu LOHC.

Przypomnijmy też, że reakcja Sabatiera to proces, w którym w wyniku reakcji wodoru z dwutlenkiem węgla powstaje woda (wodór i tlen) oraz metan. Zaleta reakcji Sabatiera polega na tym, że jest to prawie zamknięta pętla: wytworzona woda może zostać ponownie podzielona i wpompowana z powrotem do reakcji, aby nadal wytwarzać więcej tlenu i paliwa poprzez metanizację CO2.

Reakcja Sabatiera polega na elektrolizie w celu rozdzielenia wody na wodór i tlen:

• Pierwszym etapem procesu Sabatiera jest rozkład wody poprzez elektrolizę wody: zasadniczo przeprowadzony jest prąd elektryczny przez wodę, aby rozdzielić H20 na wodór i tlen, zbierając je oddzielnie.
• Następnie, mieszając ten gazowy wodór z dwutlenkiem węgla zawartym w atmosferze (lub z ludzkiego wydychania) w wysokiej temperaturze przez katalizator niklowy, proces Sabatiera generuje wodę pitną i metan do wykorzystania do ogrzewania i jako paliwo.

Już obecnie rozwiązanie to może znaleźć zastosowanie chociażby w misjach kosmicznych. Ponieważ generatory tlenu na pokładzie stacji kosmicznej produkują tlen, pozostawiają po sobie produkt uboczny wodoru, który kiedyś był wyrzucany w przestrzeń kosmiczną. Kiedy astronauci zużywają tlen, produkują dwutlenek węgla, który dodatkowo musi zostać usunięty i wyrzucony. Ten ogólny proces wymagał regularnego transportu wody na międzynarodową stację kosmiczną (ISS). Przez wiele lat NASA wykorzystywała wahadłowce do dostarczania wody członkom załogi na pokładzie ISS, która powstała jako produkt uboczny ogniw paliwowych używanych przez wahadłowce do wytwarzania energii elektrycznej. Obecnie reaktor Sabatier działa jako wysokowydajny system recyklingu, odzyskując wodę poprzez system konwersji wodoru i CO2. Reakcja Sabatiera może zatem dostarczyć odpowiedzi na podstawowe pytania zarówno na Ziemi, jak iw kosmosie. Ponieważ przyszłe misje eksploracji kosmosu zabiorą nas głębiej w nasz Układ Słoneczny, reakcja Sabatiera może być kluczowym elementem umożliwiającym wykonanie misji na Marsa i dalej, dzięki wykorzystaniu zasobów in situ. Reakcja metanizacji Sabatiera może teoretycznie zostać zmodyfikowana, aby wytworzyć metan z surowców znajdujących się w atmosferze Marsa. Testy wykazały, że wykorzystując reakcję odwróconej konwersji gazu wodnego w celu redukcji dwutlenku węgla do tlenku węgla, proces metanizacji Sabatiera może być wykorzystany do produkcji metanowego paliwa rakietowego przy prawie 100% współczynniku konwersji. Proces takiej wydajności konwersji funkcjonalnie tworzy system energii odnawialnej, który mógłby zostać wykorzystany do napędzania statku kosmicznego Marsa z powrotem do domu.

Metanizacja dwutlenku węgla jest ponadto kluczowym etapem w produkcji syntetycznego gazu ziemnego. Proces Sabatiera może uzupełnić metodę „power-to-gas”, aby pomóc w stworzeniu systemu energii odnawialnej, obok energii wiatrowej, paneli słonecznych wytwarzających energię słoneczną i energii wodnej. Metan wytworzony w wyniku reakcji Sabatiera może być wtłaczany bezpośrednio do istniejącej sieci gazowej. Ponieważ zmiany klimatyczne w jeszcze większym stopniu wpływają na planetę, potrzeba systemu energetycznego, który jest mniej zależny od paliw kopalnych, będzie mieć zasadnicze znaczenie.

Dodajmy, że kriogenika to badanie i wytwarzanie niskich temperatur (poniżej -150°C lub 120 K) w celu zrozumienia zachodzących tam zjawisk fizycznych. Granica -153,15°C oznacza granicę, powyżej której skraplają się gazy w powietrzu. Kriogenika ma wiele zastosowań, szczególnie w sektorach spożywczym, medycznym, przemysłowym, fizycznym i hodowlanym. Kriogenika otworzyła wiele możliwości, takich jak:

• konserwacja żywności przy użyciu ciekłego azotu,
• zawieszenie metabolizmu,
• badanie nadprzewodnictwa (brak oporności elektrycznej),
• badanie nadciekłości (braku lepkości cieczy),
• przekształcenie w drobny proszek wszelkiego rodzaju materiałów,
• odzysk ponad 90% gazów niszczących warstwę ozonową,
• tworzenie z ciekłego azotu wszelkiego rodzaju śniegu,
• transport gazu ziemnego na duże odległości po realistycznych kosztach,

Kriogenika ma wiele zastosowań, szczególnie w sektorach spożywczym, medycznym, przemysłowym, fizycznym i hodowlanym - otworzyła wiele nowych możliwości.  Nadprzewodnictwo to zjawisko spotykane w niektórych materiałach w bardzo niskich temperaturach, charakteryzuje się całkowitym brakiem oporu elektrycznego i zniesieniem pola magnetycznego wewnątrz materiału. Służy do obrazowania medycznego i dla akceleratorów cząstek. Umożliwia również magazynowanie energii i przeprowadzanie kontrolowanej fuzji termojądrowej. Nadciekłość to faza materii charakteryzująca się całkowitym brakiem lepkości. W ten sposób nadcieki umieszczone w zamkniętej pętli mogą płynąć w nieskończoność bez tarcia. Nauka badająca nadciekłość nazywa się „hydrodynamiką kwantową”. Nadciekłość jest używana w lodówkach kriogenicznych oraz jako „rozpuszczalnik kwantowy” w technikach spektroskopowych. Mielenie kriogeniczne wykorzystuje ciecz kriogeniczną (ciekły azot) do precyzyjnego schłodzenia materiałów do ich punktu kruchości w celu ułatwienia ich mechanicznej redukcji. Proces oblodzenia to kriogeniczny system odzyskiwania lotnych związków organicznych (LZO) ze strumieni gazu. Ciekły azot chłodzi strumień gazu obciążony rozpuszczalnikami. Lotne związki organiczne skraplają się i zamarzają, tworząc śnieg, który jest następnie usuwany przez filtry ze stali nierdzewnej. Czyszczenie kriogeniczne to proces, który umożliwia czyszczenie poprzez wyrzucanie mikrogranulek suchego lodu, bez powstawania ścieków.

Warto też wspomnieć, że węgle aktywne to wysoce porowate amorficzne materiały węglowe o dużej powierzchni pozornej. Absorbcję wodoru można zwiększyć w tych materiałach poprzez zwiększenie widocznej powierzchni i optymalizację średnicy porów. Materiały te są szczególnie interesujące ze względu na to, że można je wytwarzać z materiałów odpadowych, takich jak niedopałki papierosów, które wykazują ogromny potencjał jako materiały prekursorowe dla materiałów do magazynowania wodoru o dużej pojemności.  Również grafen może skutecznie magazynować wodór, który jest uwalniany po podgrzaniu do 450 ° C. Proponuje się także nośniki wodoru oparte na nanostrukturalnym węglu (takie jak węglowe kulki i nanorurki).  Aby stosować materiały węglowe jako efektywne technologie przechowywania wodoru, nanorurki węglowe (CNT) są domieszkowane MgH2. Udowodniono, że wodorek metalu ma teoretyczną zdolność magazynowania (7,6% wag.), która spełnia wymagania Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych na poziomie 6% wag., ale ma ograniczone zastosowania praktyczne ze względu na wysoką temperaturę uwalniania. Proponowany mechanizm polega na tworzeniu kanałów szybkiej dyfuzji przez CNT w sieci MgH2. Substancje fulerenowe to inne nanomateriały węglowe, które zostały przetestowane pod kątem przechowywania wodoru w tym ośrodku. Cząsteczki fulerenu składają się z zamkniętej struktury C60, która pozwala na uwodornienie podwójnie wiązanych węgli, co prowadzi do teoretycznego izomeru C60H60 o zawartości wodoru 7,7% wag. Jednak temperatura uwalniania w tych systemach jest wysoka (600 °C).

Struktury metaloorganiczne (MOF) reprezentują inną klasę syntetycznych materiałów porowatych, które przechowują wodór i energię na poziomie molekularnym. MOF to wysoce krystaliczne nieorganiczno-organiczne struktury hybrydowe, które zawierają klastry metali lub jony (drugorzędowe jednostki budujące) jako węzły i organiczne ligandy jako łączniki. Gdy cząsteczki rozpuszczalnika zajmujące pory są usuwane podczas wymiany rozpuszczalnika i ogrzewania pod próżnią, można uzyskać porowatą strukturę MOF bez destabilizacji struktury, a cząsteczki wodoru będą adsorbowane na powierzchni porów przez fizysorpcję. W porównaniu z tradycyjnymi zeolitami i porowatymi materiałami węglowymi, MOF mają bardzo dużą liczbę porów i powierzchnię, które pozwalają na większy pobór wodoru w danej objętości. W związku z tym zainteresowania badawcze dotyczące przechowywania wodoru w MOF rosną od 2003 r., kiedy wprowadzono pierwsze magazynowanie wodoru oparte na MOF. Ponieważ istnieją nieskończone wariacje geometryczne i chemiczne MOF w oparciu o różne kombinacje SBU i łączników, wielu badaczy bada, jaka kombinacja zapewni maksymalny pobór wodoru przez różne materiały jonów metali i łączników.

Przypomnijmy także, że adsorpcja zmiennociśnieniowa to proces rozdzielania mieszanin gazów, podczas którego następuje adsorpcja gazu przez ciało stałe lub ciecz pod danym ciśnieniem, a następnie jego desorpcja pod niższe ciśnienie. Polega na usuwaniu gazu z mieszaniny gazowej, wykorzystując jego powinowactwo chemiczne i jego szczególne właściwości w odniesieniu do materiału stałego, adsorbentu poddanego rygorystycznie kontrolowanej oscylacji ciśnienia. Selektywna adsorpcja zachodzi poprzez różne pojemności równowagi (adsorbent równowagowy) lub różnice w szybkości absorpcji (adsorbent kinetyczny). W zależności od usuwanego gazu zmienia się adsorbent: stosuje się zeolity, węgiel aktywny lub inne sita molekularne. Proces ten doświadczył znacznego rozwoju przemysłowego pod koniec XX wieku, szczególnie w usuwaniu CO2 w końcowym etapie syntezy wodoru, w rafinacji ropy naftowej. Jest to technika najczęściej stosowana do oczyszczania wodoru i odpowiada (na początku XXI wieku) 20-30% kosztów jednostki reformingu.

Powszechnym zastosowaniem adsorpcji zmiennociśnieniowej jest usuwanie dwutlenku węgla, jako końcowy etap przemysłowej produkcji diwodoru (H2), do wykorzystania w rafineriach ropy naftowej oraz do produkcji amoniaku (NH3). Rafinerie również często wykorzystują ten proces do usuwania siarkowodoru (H2S) z dostaw wodoru oraz do umożliwienia recyklingu swoich gazów z instalacji hydroodsiarczania i hydrokrakingu. Innym zastosowaniem procesu jest oczyszczanie biogazu w celu usunięcia jego dwutlenku węgla (po konwencjonalnej obróbce mającej na celu zmniejszenie poziomu zanieczyszczeń takich jak siarkowodór, amoniak, tlen, azot, porwane cząstki stałe, drobnoustroje, siloksany, które zwykle stanowią mniej niż 4 % objętości biogazu). Obniżając wskaźnik CO2 (co stanowi średnio 40% biogazu) do mniej niż 3% objętościowo, zwiększa się zawartość metanu (CH4) do momentu produkcji biometanu. Sprzęt jest kompaktowy, energooszczędny, bezpieczny i prosty w obsłudze oraz wystarczająco tani, aby nadawać się do małych instalacji i uczynić biogaz ważną alternatywą dla gazu ziemnego (którego zawartość CO2 nie przekracza 3%). Biometan może być następnie wykorzystany jako paliwo do pojazdów lub wtłaczany do sieci gazowej. Jego wadą było to, że nadal współzawodniczył z płukaniem aminowym i że w wyekstrahowanym CO2 pozostało wystarczająco dużo metanu, aby zastosować dodatkową obróbkę, aby nie uwalniać tego resztkowego metanu do atmosfery.

Niedawno zaproponowano nowy proces separacji (2016-2017) pozwalający na przepływ prawie czystego CO2 (CO2 > 99%), przy użyciu zeolitu 5A jako adsorbentu, w dwóch jednostkach PSA, drugi kończy oczyszczanie wykonane w pierwszej, odsyłając z powrotem resztkowy CH411. Zużycie energii wynosi 1250 kJ na kg biometanu (tj. 550 kJ/Nm3 biogazu). Proces stosowany jest również w końcowym etapie oczyszczania helu od 90% do 99,995%, po jego ekstrakcji metodą destylacji frakcyjnej gazu ziemnego. Zastosowanym adsorbentem jest węgiel aktywny. Cały proces odbywa się pod niskim ciśnieniem, a więc w VSA, oraz w niskiej temperaturze. Adsorpcja zmiennociśnieniowa jest również stosowana w przemyśle stalowym do usuwania CO2 z wytwarzanych gazów. W procesach bezpośredniej redukcji można zatem poprawić potencjał redukcyjny gazów pochodzących z recyklingu. Usunięty CO2 można następnie odzyskać lub zasekwestrować pod ziemią, aby ograniczyć emisje gazów cieplarnianych. Badania mają na celu rozszerzenie adsorpcji CO2 na wielki piec (proces ULCOS) lub na inne procesy bezpośredniej redukcji, takie jak proces Finex. Produkcja propenu przez odwodornienie propanu odbywa się za pomocą adsorbentu, który faworyzuje adsorpcję metanu i etanu w porównaniu z adsorpcją wodoru. Zdolność systemów adsorpcji zmiennociśnieniowej do pochłaniania CO2 jest dobrze dostosowana do wychwytywania tego gazu cieplarnianego z jego geologiczną sekwestracją. Adaptacja tego systemu planowana jest dla elektrowni węglowych.

Warto też nadmienić, że dolna wartość opałowa (LHV; wartość opałowa netto; NCV lub niższa wartość opałowa; LCV) to jedna z miar dostępnej energii cieplnej wytwarzanej przez spalanie paliwa, mierzona jako jednostka energii na jednostkę masy lub objętości substancji. LHV uwzględnia straty energii, takie jak energia użyta do odparowania wody – chociaż jego definicja nie jest jednolicie uzgodniona. Jedna z definicji to po prostu odjęcie ciepła parowania wody od wyższej wartości opałowej - traktuje każdą utworzoną cząstkę H2O jako parę. Energia potrzebna do odparowania wody nie jest zatem uwalniana w postaci ciepła. Obliczenia LHV zakładają, że składnik wodny procesu spalania jest w stanie pary pod koniec spalania, w przeciwieństwie do wyższej wartości opałowej (HHV) (czyli wartości opałowej brutto lub CV brutto), która zakłada, że cała woda w procesie spalania proces jest w stanie ciekłym po procesie spalania. Inną definicją LHV jest ilość ciepła uwalnianego, gdy produkty są schładzane do 150 °C (302 °F). Oznacza to, że nie jest odzyskiwane utajone ciepło parowania wody i innych produktów reakcji. Jest to przydatne przy porównywaniu paliw, w których kondensacja produktów spalania jest niepraktyczna lub nie można wykorzystać ciepła w temperaturze poniżej 150°C (302°F). Jedna z definicji niższej wartości opałowej, przyjęta przez Amerykański Instytut Naftowy (API), wykorzystuje temperaturę odniesienia 60 °F (15+5⁄9 °C). Inną definicją, stosowaną przez Stowarzyszenie Dostawców Przetwórców Gazu (GPSA) i pierwotnie używaną przez API (dane zebrane dla projektu badawczego API 44), jest entalpia wszystkich produktów spalania minus entalpia paliwa w temperaturze odniesienia (zastosowany projekt badawczy API 44 25 ° C GPSA obecnie wykorzystuje 60 ° F), minus entalpia stechiometrycznego tlenu (O2) w temperaturze odniesienia, minus ciepło parowania zawartości pary produktów spalania. Definicja, w której wszystkie produkty spalania powracają do temperatury odniesienia, jest łatwiej obliczona na podstawie wyższej wartości opałowej niż przy użyciu innych definicji i w rzeczywistości da nieco inną odpowiedź.