Водород — основа энергетики будущего

[samsony1]

Водород — основа энергетики будущего

История водородной энергетики началась ещё в первой половине XIX века. Именно тогда был создан прототип водородно-кислотного топливного элемента, что стало экспериментальным доказательством возможности его использования для выработки энергии. Тем не менее, практического применения H2-энергетике пришлось ждать целое столетие. В 1959 году сотрудник Кембриджского университета Фрэнсис Томас Бэкон оснастил топливный элемент ионообменной мембраной, что привело к повышению эффективности его работы.

Это был уже успех, на который обратила внимание такая серьёзная организация как NASA: новый топливный элемент был установлен на космические аппараты «Аполлон» в качестве основного источника энергии. Причём он обеспечивал корабль не только электричеством, но ещё теплом и водой.

Впрочем, переход от использования на уникальных высокотехнологичных устройствах до широкого применения может занимать достаточно долгий срок и сопровождаться рядом проблем, которые непросто преодолеть. Водородная энергетика в этом смысле не стала исключением. А ведь, теоретически, водород — идеальный источник энергии. Поскольку он вырабатывается из воды, его дефицита не будет никогда и ни у кого. Конечно, на планете много засушливых стран, но территорий без нефти и природного газа значительно больше. Проще говоря, водород неисчерпаем.

источник - здесь

[samsony1]

Чем хорош водород и как его добывать

При окислении водорода, приводящем к выработке электроэнергии, образуется экологически чистая и во всех смыслах безопасная вода. Из неё снова можно добывать водород, и так без конца. К тому же КПД водородных элементов превышает аналогичный показатель всех остальных экологически чистых источников — он достигает 60 %, в то время как у солнечных электростанций едва дотягивает до 20 %, а у ветряных — до 40 %. И это при том, что и те и другие сильно зависят от погодных условий.

Несмотря на все эти достоинства водородная энергетика не торопится спускаться из космоса на землю. Причины этого заключаются, как ни странно, в сложности добычи самого распространённого в мире элемента. Точнее — в энергии, необходимой для выделения водорода из веществ, в которые он входит.

Наиболее эффективный, с точки зрения энергозатрат, способ добычи водорода предполагает использование метана. Если его соединить с водяным паром при высоких давлении и температуре, то образуется газ с содержанием водорода до 75 %. Однако энергоэффективные установки для добычи водорода имеют такие размеры, что применять их можно исключительно на крупных производствах. Да и метан туда нужно каким-то образом доставить.

А вот простейший электролиз воды, знакомый каждому ученику средней школы, требует немало дополнительной энергии. В конечном итоге остаток получается не таким большим, как хотелось бы. Тем не менее, установки полного цикла на основе обычной воды уже существуют и успешно применяются на практике.

источник - здесь

[samsony1]

Работающие решения

Пример работающей компактной установки, использующей водород, — мобильная электростанция H2One, разработанная компанией Toshiba. Необходимую для электролиза энергию в ней вырабатывают солнечные батареи, причём избыток электричества накапливается в аккумуляторе на случай неблагоприятных погодных условий.



Электростанция H2One

Вырабатываемый водород направляется либо непосредственно на производство энергии, либо на хранение в специальный бак. В результате станция всегда имеет запас как электроэнергии, так и водорода. Общие показатели станции H2One соответствует её относительно небольшим размерам. За час установка производит до 2 куб. м водорода, для чего потребляет 5 куб. м воды. Мощность установки составляет 55 кВт.

Невысокая мощность с лихвой компенсируется автономностью. Например, на основе станций H2One можно построить эффективную и экологически чистую систему энергоснабжения дома или даже небольшого района. В настоящее время она уже применяется на железнодорожной станции японского города Кавасаки, обеспечивая её электричеством и горячей водой.

Если пожертвовать автономностью, то при помощи водородных станций можно решать серьёзные экологические проблемы — например, утилизировать продукт переработки бытовых отходов. Для этого в 2018 году во всё том же городе Кавасаки была создана установка H2Rex, обеспечивающая электроэнергией гостиницу King SkyFront. Водород она получает не посредством электролиза, а по километровому трубопроводу с мусороперерабатывающего завода Showa Denko. Там он вырабатывается из пластиковых отходов, поступающих, в том числе, из самого отеля.

Кислород, необходимый для генерации электроэнергии, станция H2Rex берёт из атмосферного воздуха. Таким образом, коэффициент использования водорода достигает 96 %, а на выходе образуется обычная вода. Мощности такой установки достаточно для обеспечения электричеством около 100 домовладений.

Наконец, весной 2020 года в городе Фукусима была запущена самая крупная в мире экспериментальная электростанция, работающая на водороде. Для питания электролизных установок на ней используются солнечные батареи общей мощностью 20 МВт, занимающие площадь 180 тыс. кв. м. Всего станция вырабатывает 1,2 тыс. куб. м водорода в час.

источник - здесь

[samsony1]

Глобальные перспективы

Безусловно, пока доля водородной энергетики относительно невелика. Да и сам водород сегодня не столько топливо, сколько сырьё для производства аммиака и метанола. Однако существующее положение вещей меняется и не исключено, что уже в среднесрочной перспективе водород сможет заменить природный газ.

В частности, в Японии уже началось создание глобальной сети производства водорода для энергетических установок. Причём для его транспортировки в жидком виде стране потребуется около 80 танкеров.

В 2019 году в австралийском городе Гастингсе начато строительство специального водородного терминала. Сжиженный водород оттуда будет отправляться, в том числе и в Японию.

Все эти факты говорят о том, что о высоком потенциале водородной энергетики свидетельствуют не только прогнозы аналитиков, но и инвестиции крупных корпораций. А это означает, что традиционным энергоносителям рано или поздно придётся уступить своё место на пьедестале.

источник - здесь

[samsony1]

Мировая энергетика в последнее время вышла на принципиально новый уровень социально-экономического развития, когда важным становится вопрос не чем топить, а как топить. Промышленность предлагает много самых разных вариантов энергоресурсов от угля до энергии приливов и отливов. При этом свой выбор человечество делает уже не в пользу самых дешевых и доступных источников, как это было еще лет тридцать назад, а в пользу наиболее экологически чистых и энергоэффективных. Ведущие мировые игроки, такие как Евросоюз, Япония, США, Китай и Россия, сейчас активно создают условия для инвестиций в разработку новых энергетических технологий. Одним из наиболее перспективных вариантов может стать повсеместное широкое применение водорода как топлива и накопителя энергии.

источник - здесь

[samsony1]

Согласно данным МЭА, всего в мире производится примерно 69 млн тонн водорода в год, а также 48 млн тонн ежегодно получается в качестве подобного продукта. Из них 63 % используется в химической промышленности, 31 % — в нефтепереработке, 6 % — в обработке и менее 1 % — в качестве топлива для автомобилей, грузовиков и ракет. Именно космическая отрасль первая оценила возможности водорода в качестве топлива. В 80-ые годы жидкий водород активно использовался как ракетное топливо для Space Shuttle и «Бурана». Мало того, в СССР был даже создан первый самолет на базе ТУ-154 с двигателем на водородном топливе.


Водородный прототип летал под рабочим названием Ту-155

источник - здесь

[samsony1]

Водородный мир

Наиболее активно внедряет водородные технологии Япония, сильно зависимая от импорта углеводородов.

В стране еще в 2014 году была принята дорожная карта по построению общества, базирующегося на водороде.

Согласно программе, использование водорода должно вырасти с 200 тонн в 2018 году до 10 млн тонн в 2050 году. Уже сейчас японский автопарк насчитывает около 2,5 тысяч машин с водородным двигателем. Одновременно активно прорабатываются планы по закупкам Японией водорода из Австралии. Правда, этот газ будет получен за счет нефтепереработки.

Китай летом 2019 года выпустил «Белую книгу» о китайской водородной энергетике и топливных элементах, согласно которой к 2050 г. водород будет составлять 10 % от энергопотребления страны или 60 млн тонн в год. Уже к 2030 году автопарк КНР должен вырасти до 2 млн машин на водородных топливных элементах.


Рабочая схема автомобиля с водородной силовой установкой

Шанхай собирается построить в районе Цзядин водородную энергетическую гавань мирового класса с целью создания надежной производственной цепочки для водородного транспорта. На её базе сформируется промышленный кластер площадью 2,15 кв. км и с объемом выручки 7,23 млрд долларов в год.

В Европе в 2017 году была запущена «Объединенная технологическая инициатива по топливным элементам и водороду» (Fuel cells and hydrogen joint undertaking). Она призывает к активному использованию водорода в рамках энергетического перехода и инвестированию в водородные проекты на общую сумму 1,8 млрд евро в ближайшие пять лет. Две провинции Нидерландов, Гронинген и Дренте, планируют совместно создать на своих территориях «Водородную долину» — проект, основанный на использовании водорода, получаемого из воды с помощью возобновляемых источников энергии. Он включает 33 конкретных проекта, среди которых:

 - строительство подземного водородного хранилища в соляных пещерах в Зюйдвендинге,
 - создание сети водородных заправочных станций,
 - добавление водорода и синтез-газа в существующие газопроводы.

В проекте будут участвовать Shell, Nuon, Engie, BioMCN (производитель биометанола), Gasunie и другие компании.

В Великобритании начинается пилотный проект, в рамках которого водород будет добавляться в трубопроводный газ, используемый для отопления. Сначала этот эксперимент затронет 130 домов. В случае успеха он будет расширен.

На другом конце света — в Чили — в 2017 году компания Enel Green Power запустила первую в мире стопроцентно чистую коммерческую микросеть электроэнергии на водороде. Работу сети обеспечивает комплекс гибридных накопителей, состоящих из солнечной электростанции, а также системы водородных и литиевых батарей.

источник - здесь

[samsony1]

Самым популярным на текущий момент является метод производства водорода за счет паровой конверсии метана. При этом метан может быть выделен из природного газа или синтезирован из угля. Этот процесс относится к одному из самых дешевых по себестоимости получаемого водорода — примерно 1-2 доллара за килограмм газа. Однако он приводит к выбросам углекислого газа в атмосферу. Эмиссия CO2 при паровой конверсии метана достигает 10 кг на один килограмм водорода.
Поэтому этот способ производства водорода часто в литературе именуют «серым».



В последнее время эту технологию пытаются усовершенствовать за счет строительства установок по улавливанию и хранению углекислого газа, что превращает проекты из «серых» в «голубые». Однако это приводит к увеличению капитальных затрат по ним до 80% и росту примерно в полтора раза стоимости получаемого водорода. На текущий момент в мире реализуется три проекта с интеграцией установок по улавливанию углекислого газа в проекты по производству водорода — это Port Arthur в США, Quest в Канаде и Tomakomai в Японии. Кроме того, в Австралии был подготовлен проект японской компании Kawasaki по производству водорода из синтетического газа, который в свою очередь получается в процессе газификации бурого угля. Водород будет на специальных танкерах доставляться в Японию. Образовавшийся CO2 будет улавливаться и закачиваться в пласт. Невысокая цена австралийского угля и простота его добычи позволяет сделать данный проект рентабельным.

Существует еще один способ получения водорода — электролиз воды. Данная технология позволяет получать водород с минимальным углеродным следом, однако она требует и больших энергетических затрат. Этот способ производства водорода часто совмещают с проектами на возобновляемых источниках энергии,
такой водород называют «зеленым».



По данным МЭА, в течение последних 10 лет в среднем в мире вводили в эксплуатацию около 10 МВт электролизеров ежегодно. В 2018 году введено уже 20 МВт, а до конца 2020 года ожидается ввод еще 100 МВт.

Но у этого метода есть несколько существенных недостатков.
Во-первых, выделяемый таким образом водород является очень дорогим. Он более чем в три раза дороже водорода, произведенного путем конверсии метана. Кроме того, метод электролиза водорода требует больших затрат воды. Так, расширение применения этой технологии, по данным МЭА, может потребовать до 617 млн кубометров чистой воды в год. Такие объемы могут позволить себе далеко не все регионы мира.

Кроме того, существует вариант использования водорода в смеси с метаном. Это позволяет снизить выбросы парниковых газов на 8-15 % по сравнению с использованием чистого метана. Подобный подход уже применяется в ряде европейских стран.

«Введение водорода в метан повышает скорость и температуру горения метано-водородной смеси. Это приводит к повышению КПД энергоустановок и двигателей внутреннего сгорания. В результате уменьшается как выброс в атмосферу канцерогенов, так и выброс парниковых газов (CO2)», — пояснил «Глобальной энергии» главный научный сотрудник Объединенного института высоких температур РАН Николай Баранов.
Исследования, проведенные европейскими производителями оборудования, показывают, что некоторые виды современных промышленных газовых турбин уже способны сжигать топливную смесь, содержащую до 50 — 60 % водорода. Правда, в Европе до сих пор нет единых нормативов, регулирующих предельные уровни водорода в газотранспортных системах, что затрудняет массовое применение такого подхода.

Поэтому весь научный мир продолжает искать способы удешевления производства водорода наравне с возможностями широкомасштабного использования подобных технологий.

источник - здесь

[samsony1]

Российский след против углеродного

Российский газовый концерн «Газпром» предложил миру свое видение развития производства водорода, который имеет ряд значительных преимуществ. Он основан на применении пиролиза и плазмохимического метода, что позволяет разлагать метан на водород и твердый углерод. Последний является ценным материалом для промышленного и строительного секторов, электротехники и электроники. В отличие от газообразной двуокиси углерода твердый углерод легко хранится, он нетоксичен. Выделение твердого углерода в рамках производства водорода позволит не только снизить вредные выбросы, но и получать дополнительный доход.

Пиролиз метана и плазмохимические методы получения водорода из природного газа не имеют прямых выбросов СО2. Эти методы предполагают использование метана, но с учетом, что углеродный след поставок российского газа минимален, то предложенный способ производства водорода смело можно называть «зеленым». Тем более, что он предполагает более низкие затраты на энергию по сравнению с электролизом воды.

По словам руководителя «Центра водородных энергетических технологий» Литовского энергетического института Дарюса Мильчуса, у производства водорода с помощью пиролиза есть еще одно значимое преимущество — получаемый газ по цене сопоставим с водородом, производимым при паровой конверсии.

«Производство водорода без выбросов СО2 из метана могло бы стать ценным решением для достижения климатических целей ЕС на 2030 и 2050 годы при более низких затратах, поскольку себестоимость производства водорода с использованием технологий пиролиза может быть аналогична цене водорода, получаемого в результате парового риформинга в сочетании с секвестрацией СО2. Оно также может быть почти в 3 раза выгоднее по сравнению с технологиями электролиза воды», — сказал Дарюс Мильчус. — Кроме того, в качестве побочного продукта реакции можно было бы производить высококачественный и дорогостоящий технический углерод для применения в различных областях (резиновая промышленность, пластмассы, строительство жилья и т. д.). Это, очевидно, даст новые возможности на рынке. Наконец, производство водорода без выбросов СО2 из метана поможет сохранить рабочие места в нефтегазовой промышленности, одновременно создавая новые рабочие места, связанные с производством водорода на месте по мере необходимости«.

«Масштабное внедрение этой технологии позволит производить "зеленый" водород в больших количествах, следовательно, себестоимость водорода за литр или килограмм будет снижена и станет конкурентоспособной по сравнению с водородом, получаемым через паровой риформинг метана. Водород можно дополнительно смешивать с природным газом, образуя так называемый Hythane, эта газовая смесь обладает улучшенными энергетическими характеристиками по сравнению с чистым природным газом», — заявил «Глобальной энергии» адъюнкт-директор программы «Новые технологии для энергетики» комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии Франции Этьен Бойер. — Если такие процессы, продвигаемые «Газпромом», позволят достичь высокой чистоты, то он сможет открыть новые рынки сбыта. В качестве примера в области мобильности можно привести развертывание крупной системы водородных топливных элементов, способных приводить в движение поезда в неэлектрифицированном районе (вместо использования дизельных тепловозов). Равно как и грузовые корабли, которые в настоящее время используют низкокачественное топливо для своих тепловых двигателей«.

источник - здесь

[samsony1]

В конце января 2014 года в Лондоне открылся самый большой в мире мост, оснащенный солнечными батареями. Здесь установлено 4400 панелей суммарной мощностью 1,1 МВт, что достаточно для обеспечения ж/д станции Блэкфрайарз (Лондон) электроэнергией на 50%.

Это знаковое событие, поскольку столица Англии славится частыми туманами. Однако использование солнечных батарей доказывает свою актуальность практически в любую погоду в разных уголках планеты.



источник - здесь

[samsony1]

В России впервые этим вопросом озадачились в Сколково и доказали, на примере первого здания иннограда, что даже в средней полосе выработка энергии фотоэлектрическими модулями может превысить ожидаемые прогнозы в два раза. При использовании высокотехнологичного оборудования энергии «светила» хватает для снабжения крупных инфраструктурных объектов и не только.

Один из самых показательных российских примеров — решение в городе Томске, где солнечная энергия обеспечивает аварийное освещение и декоративную подсветку здания Департамента природных ресурсов и охраны окружающей среды. Панели функционируют и при минусовой температуре. Чтобы их не засыпал снег, модули установили под углом в 70 градусов.

Не менее яркий пример на юге страны — там, на крыше ж/д вокзала в Анапе, разместили около 560 солнечных модулей совокупной мощностью 70 киловатт. Такое оборудование обеспечивает здание электричеством примерно на 70%. За преобразование солнечной энергии в «привычное» электричество переменного тока отвечают инверторы Danfoss. «Это один из первых в России примеров практически полного перевода инфраструктурного объекта на альтернативный источник энергии. Расчетная окупаемость проекта составляет около 9 лет. Данный опыт показывает, что использование энергии солнца — и эффективно, и экономически обоснованно.


жд вокзал в Анапе

источник - здесь

[samsony1]

В Европе ведущие позиции по установленным солнечным станциям занимает Германия, далеко не самая солнечная страна Старого Света. Так, в конце 2011 года в Эггебеке (Германия) запущена электростанция мощностью 80 МВт и строится вторая на 102 МВт. Суммарной мощности двух объектов будет достаточно для обеспечения энергией более 100 000 домов.


солнечная электростанция Эггебеке

источник - здесь