О сером и зеленом водороде!

Друзья!

Продолжаю тему зеленой водородной энергетики.Сегодня речь о прямом производстве электричества из чистого водорода с помощью так называемых топливных элементов.

"Топливные элементы представляют собой способ электрохимического превращения энергии водородного топлива в электричество, и единственным побочным продуктом этого процесса является вода. Водородное топливо, используемое сейчас в топливных элементах, обычно получается из парового риформинга метана (то есть превращения углеводородов с помощью пара и тепла в H2).
В России уже всерьез рассматривается технология  строительства мощных АЭС на Севере м в Сибири, где добываются объемы природного  газа, пригодного для риформинга.Но это...серый водород!

Отступление.
"Зеленый, серый, бурый и голубой водород. В настоящее время производится около 70 млн тонн водорода, но лишь менее 2% производится экологически чистым способом — путем электролиза воды, когда вода разлагается на свои составляющие — водород и кислород — после подачи электрического тока. Если электроэнергия производится с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) — это «зеленый» водород, что является конечной целью экологически ответственных стран.

Однако, как водится, это наиболее дорогостоящий способ, и сейчас водород производится в основном из ископаемых источников энергии, в частности, из природного газа путем его риформинга — это «серый» водород (75%), поскольку нежелательным продуктом является СО2.Остальной объем водорода производится путем газификации угля и называется «бурым» водородом.

По данным Международного энергетического агентства (МЭА), около 6% мирового производства газа и 2% угля используется для производства водорода, что приводит к существенным выбросам парниковых газов".
...Други!
Сама суровая  капиталистическая жизнь заставляет Россию заниматься водородной энергетикой, дабы не платить вводимый ЕС в скором времени углеродный налог. И все же, как видим, и здесь в атмосферу планеты выбрасывается много  вредных парниковых газов. (Но ведь меньше, чем от сжигания самого ископаемого топлива!).
Увы,  дешевый зеленый водород в избытке- пока голубая мечта изобретателей и инженеров!

Вл.Назаров
***************
1. Топливные элементы и водородная энергетика

В последние годы, на фоне набирающей обороты политики по декарбонизации мировой экономики, вновь возродился интерес к водородной энергетике . Предыдущий всплеск интереса к водороду отмечался около 20 лет назад и был связан с разработкой концепции экологически чистой энергетики. Однако в настоящее время намерения выглядят более целенаправленными. Ряд стран разработали соответствующие программы, в частности, Германия, Япония, Южная Корея. В основном это страны – крупные импортеры природного газа. Переход на использование водорода рассматривается ими в качестве одного из основных мероприятий по сокращению выбросов парниковых газов, наряду с развитием возобновляемой энергетики. При этом предполагается, что возобновляемые источники энергии (ВИЭ) станут основной базой для производства водорода.

Рисуются радужные перспективы наращивания объемов потребления водорода в мире. Например, в прогнозе Bloomberg NEF потребление водорода к 2050 году может вырасти до 700 млн тонн в год, что в 6 раз выше нынешнего уровня. Это составит 24 % от величины конечного потребления энергии в мире. Предполагается, что прирост спроса на водород будет происходить в основном за счет транспорта и электроэнергетики. Теоретически возможным объемом мирового потребления водорода к 2050 году называется величина 1,37 млрд тонн в год или 49?% от мировых потребностей в конечной энергии к этому времени.
Энергетической стратегией России до 2035 года предусматривается обеспечение экспорта водорода в объеме 0,2 млн тонн в 2024 году и 2 млн тонн в 2035 году. Это амбициозные значения, если учесть, что относительно определенные экспортные перспективы есть только у «зеленого» водорода, получаемого электролизом воды за счет электроэнергии от ВИЭ. Для обеспечения приемлемой стоимости такого водорода нужны высококачественные ресурсы ВИЭ. Такие ресурсы в России, как правило, расположены в отдаленных регионах (например, высококачественными являются ресурсы ветра на побережье арктических и дальневосточных морей) и трудны для практического использования в больших масштабах. Производство «голубого» водорода из природного газа должно сопровождаться утилизацией попутно получаемого СО2, что резко увеличивает стоимость водорода. Нет никакой уверенности, что страны – потенциальные импортеры водорода, например, Германия или Япония согласятся приобретать «коричневый» водород, производимый за счет электроэнергии АЭС.
Главное достоинство перехода на водород – это исключение эмиссии в атмосферу углекислого газа. Конечно, если ее не будет при производстве водорода. Кроме того, экологическая чистота водорода делает его привлекательным для покрытия энергетических нужд мегаполисов и крупных городов с высоким удельным энергопотреблением на единицу площади. Наконец, водород может оказаться экономически привлекательным энергоносителем для использования в мобильной (транспортной) энергетике, где он выступает прямым конкурентом для электротранспорта и традиционных двигателей внутреннего сгорания.
Нужно отметить, что замещение водородом природного газа в традиционных машинных технологиях – паровых и газовых турбоустановках не приведет к каким-то значимым положительным эффектам. КПД энергоустановок останется тем же. Он определяется величиной термодинамических параметров установки и уровнем ее технического совершенствования. Но себестоимость производства электроэнергии возрастет, поскольку стоимость водорода в несколько раз выше по сравнению с природным газом. Останется той же проблема контроля образования оксидов азота при сжигании топлива. Правда, не будет выбросов углекислого газа, полиароматики и других углеродсодержащих вредных веществ. Но и при сжигании природного газа уже давно научились успешно с ними бороться.
Единственной технологией, оправдывающей переход к водородной энергетике с энергетической и экономической точки зрения, являются топливные элементы. Не зря ключевым элементом национальной водородной стратегии Германии является многомиллиардная «Национальная инновационная программа в области технологий водородных и топливных элементов» . Еще раньше активные разработки топливных элементов были начаты в Японии, Южной Корее, США. В Японии и Южной Корее при активной государственной поддержке создаются демонстрационные зоны, целью которых являются, вопервых, отработка технологии в реальных условиях эксплуатации и, вовторых, демонстрация возможностей технологии для ускорения формирования соответствующего рынка. По этому же пути идет Германия, где начинают создаваться «водородные регионы» (HyLands), призванные ускорить разработку и рыночное внедрение топливных элементов и других «водородных» технологий.
Топливные элементы или, по-другому, электрохимические генераторы – это безмашинная технология прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию, то есть в одну стадию. В них отсутствуют движущиеся части. Главными конкурентными преимуществами энергетических установок с топливными элементами являются их высокая энергетическая эффективность, надежность, почти полное отсутствие вредных выбросов и бесшумность. Практически нет значимых ограничений для их размещения непосредственно у потребителей. Потому это наиболее перспективная технология для распределенной генерации.

В традиционных энергоустановках, как известно, имеется несколько промежуточных стадий преобразования энергии с соответствующими преобразователями и потерями. Сначала химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию рабочего тела (паровой котел, камера сгорания), затем тепловая энергия преобразуется в механическую (турбина, поршневой двигатель), которая затем – в электрическую (электрический генератор). Понятно, что это усложняет и удорожает энергоустановку.
Повышение эффективности традиционных энергоустановок исторически шло, вопервых, по пути увеличения термодинамических параметров (температуры и давления) и, вовторых, повышения единичной мощности агрегатов. Первое обусловлено ограничениями цикла Карно, а второе – сокращением удельных потерь с ростом размеров и, следовательно, мощности агрегата. Кроме того, при увеличении мощности единичного агрегата снижались удельные материалоемкость, стоимость, затраты на персонал и техническое обслуживание. Единичная мощность современных парогазовых установок достигла 1,5 ГВт, а их электрический КПД – 62–64 %. В установках меньшей мощности КПД существенно ниже (52–54 %). Следует отметить, что такие значения КПД достигаются только при работе энергоустановок на номинальной нагрузке. При работе на частичных нагрузках КПД снижается значительно.
К настоящему времени возможности повышения КПД традиционных энергоустановок и их единичной мощности подошли к своему термодинамическому, механическому и экономически целесообразному пределу. Все меньший прирост КПД достигается все большим усложнением цикла, ростом температуры, которая в газовых турбинах уже достигла 1800 °C, увеличением капитальных затрат и стоимости ремонтов. Сверхбольшая единичная мощность современных энергоустановок начинает негативно влиять на функционирование электроэнергетической системы, в которую они включены.
У энергоустановок с топливными элементами имеется большой потенциал для совершенствования. Эффективность современных серийно производимых единичных топливных элементов достигла 75?%, показана практическая достижимость 80?%. Это позволило уже на текущем уровне развития технологии создавать энергоустановки с топливными элементами с электрическим КПД 60–65?%. Важно, что это могут быть установки малой мощности – всего в несколько киловатт. В диапазоне мегаваттных мощностей в гибридном цикле (с ГТУ или ПГУ) можно рассчитывать на электрический КПД 70–75 %. В когенерационных и тригенерационных циклах эффективность использования химической энергии топлива может достигать 90 %. Очевидно, что в широком диапазоне мощностей у энергоустановок с топливными элементами просто нет конкурентов.

Отсутствие движущихся частей и минимизированная роль сжигания топлива обеспечивает высокую надежность и автономность работы таких установок при длительных сроках необслуживаемой эксплуатации.
Гибридные установки, включающие топливные элементы и микротурбины, интенсивно разрабатываются в Японии компанией MHI при финансовой поддержке правительства Японии [8]. Создано несколько демонстрационных образцов. Разрабатываются гибридные установки электрической мощностью 250 и 1000 кВт на основе твердооксидных топливных элементов с рабочей температурой 900 °C и микротурбины. Топливом служит природный газ. Установка мощностью 250 кВт обеспечивает электрический КПД 55?% и более при выбросах оксидов азота менее 15 ppm. Целью компании MHI является разработка гибридной энергоустановки электрической мощностью 100 МВт в составе твердооксидных топливных элементов, газовой и паровой турбины с суммарным электрическим КПД 70 %.
Топливные элементы пока остаются дорогими. Это обусловлено небольшими объемами их выпуска. Переход к массовому производству неизбежно приведет к кратному снижению их стоимости. Между тем, в отличие от мощных традиционных энергоблоков топливные элементы хорошо приспособлены к крупносерийному производству.
Топливные элементы (ТЭ) классифицируются по типу электролита и рабочим температурам. К низкотемпературным топливным элементам относятся ТЭ с полимерной протонобменной мембраной (ПОМТЭ), прямые метанольные ТЭ (ПМТЭ) и щелочные ТЭ (ЩТЭ); к среднетемпературным – фосфорно-кислотные ТЭ (ФКТЭ); к высокотемпературным: расплавкарбонатные ТЭ (РКТЭ), твердооксидные ТЭ (ТОТЭ) с керамической мембранной и перспективная разновидность последних – протонкерамические ТЭ (ПКТЭ).

Технологическая схема энергоустановки с топливными элементами очень простая. В анодное пространство батареи топливных элементов подается топливо, в катодное – воздух. Идеальным топливом для ТЭ является чистый водород. Однако высокотемпературные ТЭ (ТОТЭ) успешно работают и на синтез-газе (смеси Н2 и СО), получаемом из любого органического топлива. Продуктом реакции является вода и, при использовании синтез-газа, углекислый газ. Для использования в ТЭ природного газа или других жидких и газообразных углеводородных топлив, в технологическую схему энергоустановки включается топливный процессор. Это один или несколько каталитических реакторов, в которых исходное углеводородное топливо преобразуется в водород или синтез-газ. В случае производства синтез-газа топливный процессор состоит из одного реактора, при получении чистого водорода – из двух-трех.
Здесь следует указать на перспективность для стационарной энергетики разработки высокотемпературных протонкерамических топливных элементов.
Рис. 3. Принципиальная технологическая схема энергоустановки с топливными элементами
Протонпроводящие мембраны, благодаря меньшему размеру иона водорода, обладают лучшей проводимостью по сравнению с анионпроводящими. Такие топливные элементы имеют следующие преимущества: эффективно работают при меньших температурах, чем ТОТЭ; допускают прямую подачу углеводородных топлив в топливный элемент; облегчают организацию отвода тепла из зоны реакции потоком окислителя – воздуха, поскольку сама реакция и сопутствующее ей тепловыделение происходят на катоде. Это позволяет отказаться от топливного процессора, существенно упрощает и удешевляет конструкцию установки и систему управления ею, снижает требования к конструкционным материалам, повышает эффективность и надежность работы всей энергоустановки.
Химический процесс в топливном элементе является экзотермическим, то есть происходит с выделением тепла, которое может быть утилизировано в когенерационных и тригенерационных циклах для нужд теплофикации и хладогенерации. В случае высокотемпературных топливных элементов тепловой поток имеет высокий потенциал и потому может успешно использоваться в гибридных циклах с газотурбинными, паросиловыми и парогазовыми энергоустановками.

В последние годы отмечается рост реализации энергоустановок с топливными элементами на мировом рынке. В 2019 году их годовая продажа достигла 70,9 тысяч штук, а суммарная установленная мощность составила 1130 МВт, впервые превысив уровень 1 ГВт в год и продемонстрировав 30кратный рост по сравнению с 37 МВт в 2007 году. Всего за период 2007–2019 годов в мире было введено в эксплуатацию более 4,3 ГВт установок с топливными элементами, из которых более 70 % пришлось на установки для стационарной энергетики. При этом востребованными оказались установки в широком диапазоне единичной электрической мощности – от единиц до сотен киловатт.
Наибольшим спросом пользуются низкотемпературные топливные элементы с полимерной мембраной (ПОМТЭ) и высокотемпературные топливные элементы с керамической мембраной (ТОТЭ). Первые имеют хорошие маневренные свойства – короткое время пуска-остановки, высокую скорость изменения нагрузки в широких пределах, и потому нашли применение на транспорте, в системах резервного электропитания, для покрытия пиковых нагрузок. Вторые получили приоритет в применении в стационарной энергетике, поскольку имеют наиболее высокий КПД, хотя и при довольно посредственных маневренных характеристиках. Объединение топливных элементов обоих типов в одной энергоустановке позволяет усилить их достоинства и нивелировать недостатки.
Принципиальной особенностью создания энергоустановок с топливными элементами является их модульность – набор мощности осуществляется из большого числа однотипных элементов. Элементарной ячейкой являются единичные топливные элементы небольшой мощности, которые собираются в батареи. Последние объединяются в модули, из которых собираются энергоустановки и затем, если нужно, электростанции любой мощности. Эта особенность оборачивается целым рядом достоинств энергоустановок с топливными элементами:
– массовое производство и применение однотипных изделий обеспечивает их высокую надежность, снижение их стоимости и высокий уровень ремонтопригодности энергоустановок;
– модульность конструкции позволяет снижать стоимость и сроки разработки энергоустановок за счет унификации модулей и технических решений, отрабатывая конструкцию и технологию на менее дорогих изделиях небольшой мощности;
– широкий диапазон регулирования мощности, недоступный для традиционных энергоустановок, и высокий КПД во всем регулировочном диапазоне (регулирование мощности путем выключения части модулей с сохранением общей эффективности);
– возможность обеспечивать требуемую установленную мощность электростанции за счет параллельной работы установок оптимальной размерности, выпускаемой в массовых масштабах.
Для стационарной энергетики наиболее перспективной областью применения энергоустановок с топливными элементами на ближайшую перспективу следует считать источники питания для автономных потребителей и распределенной генерации. Здесь они могут заменить используемые сейчас в качестве основных и резервных генераторов дизельные и газопоршневые двигатели, ГТУ и микротурбины. При этом установки с топливными элементами могут легко объединяться в Smart Grid, работая параллельно между собой и/или с распределительной сетью в островном режиме. В дальнейшем, по мере отработки и удешевления технологии они смогут проникать и в большую энергетику. Для климатических условий России особый интерес представляют когенерационные установки с ТЭ, в том числе в целях крайне необходимой модернизации имеющихся систем централизованного теплоснабжения.

Энергоустановки с топливными элементами могут эффективно использоваться в системах длительного хранения энергии, получаемой от ВИЭ со стохастическим характером выработки электроэнергии (солнечными и ветровыми электростанциями). Для покрытия нагрузки в периоды дефицита мощности в топливных элементах используется водород, получаемый электролизом и накапливаемый в периоды избыточной генерации ВИЭ.
В России со времен СССР разработкой топливных элементов и энергоустановок на их основе занимается более десятка организаций. Наиболее широко исследования и разработки в этом направлении проводились во второй половине прошлого века, в основном для космических программ и для флота, в том числе подводного, однако до крупномасштабного производства дело не дошло. Отечественная электрохимическая наука была одной из сильнейших в мире и, несмотря на снизившуюся на рубеже веков активность, имеются возможности для успешной реализации отечественных разработок энергоустановок с топливными элементами:
— сохранены научные и научно-технические школы;
— имеются заделы и успешный практический опыт разработок, производства и эксплуатации топливных элементов, развиваются технологии и производство топливных элементов в кооперации академических и прикладных научных центров, промышленных и коммерческих структур;
— имеются производственные мощности со специализированным оборудованием;
— имеются значительные внутренние потребности в эффективных экологически чистых источниках энергии различного мощностного диапазона и перспективы их экспорта на мировые рынки;
— возрастает интерес бизнеса к данной проблеме: формируются долгосрочные программы развития водородной инфраструктуры крупными государственными и частными компаниями – «Росатом», «Газпром», «ЛУКОЙЛ», «НОВАТЭК» и др.
Активно включаются в создание транспортных средств с водород-воздушными топливными элементами и отечественные автопроизводители. В планах КАМАЗа разработка электробуса, карьерного самосвала и седельного тягача с топливными элементами. Российские железные дороги разрабатывают проекты пассажирских электропоездов, маневровых локомотивов, ремонтных и тоннельных поездов с топливными элементами. В ЦНИИ судовой электротехники создан экспериментальный трамвай на топливных элементах. ЦИАМ совместно с Институтом проблем химической физики РАН и «ИнЭнерджи» разработали маломерный пилотируемый самолет с топливными элементами. Имеются и другие проекты, находящиеся на разных стадиях осуществления.
Актуальность проведения в стране исследований и разработок в области топливных элементов признана Советом 20 «Б» по научно-технологическому приоритету «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии». В 2018 году Советом 20 «Б» был одобрен проект «Топливные элементы для стационарной и мобильной энергетики», инициатором которого является «ИнЭнерджи». В 2019 году данный проект получил одобрение координационного совета по приоритетным направлениям научно-технологического развития РФ при президенте РФ. К сожалению, до сих пор не определен федеральный орган исполнительной власти, который мог бы выступить в качестве ответственного исполнителя-координатора данного проекта. По нашему мнению, в наибольшей степени для этих целей подходит Минэнерго России.
Потенциальная емкость российского рынка энергоустановок с топливными элементами для стационарного применения на период до 2035 года оценена в 55 ГВт электрической мощности и 131 тыс. Гкал/час тепловой. Имеются реальные возможности существенного улучшения технико-экономических показателей энергоустановок с топливными элементами с достижением превосходства над альтернативными техническими решениями. Все это служит основанием для развертывания в стране крупномасштабных НИОКР в области топливных элементов и организацией производства соответствующего оборудования. Целью этих работ должно стать создание отечественных энергоустановок с топливными элементами различной мощности и областей применения, конкурентоспособных с лучшими мировыми образцами. Для поддержания передовых позиций и конкурентоспособности на внутреннем и международном рынках производство энергоустановок с топливными элементами должно быть полностью (от высокотехнологичной переработки сырья для производства топливных элементов до изготовления конечной продукции) локализовано в России на высокоавтоматизированных промышленных предприятиях, обеспечивающих массовое производство продукции с минимальными издержками, высокую эффективность и надежность.
Вполне обосновано можно утверждать, что на сегодняшний день не известна иная экономически целесообразная технология преобразования химической энергии топлива в электрическую, способная конкурировать по эффективности и экологичности с топливными элементами. Страны, первыми освоившие крупномасштабное производство энергетических установок на основе топливных элементов с конкурентной стоимостью жизненного цикла и надежностью и начавшие их использование в энергетике, получат глобальные преимущества на многие годы вперед.
https://energypolicy.ru/

**********
2.Водородная энергетика: начало большого пути

Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: c ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.

На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.

Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.

Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.

Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba H2One:   

"Мы разработали мобильную мини-электростанцию H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м3 водорода станции требуется до 2,5 м3 воды.

Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.   

Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки".

Сегодня водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.

Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.

https://habr.com/ru/
******************
Материалы из Сети подготовил Вл.Назаров
Нефтеюганск
17 мая 2021 года.
*********
ПРИЛОЖЕНИЕ

Водород: эпоха возрождения?

Что такое низкоуглеродная энергетика, сколько стоит водород и когда мировая экономика станет водородной

Климатические амбиции крупнейших экономик мира на пути к низкоуглеродной энергетике заставили их снова обратиться в сторону самого легкого и самого распространенного элемента на земле — водорода. По мнению международных экспертов, водород, который имеет двухсотлетнюю историю использования, именно по причине экологической чистоты наконец имеет шансы на успех.

«Хотя за последние 50 лет водород пережил несколько волн интереса, ни одна из них не привела к устойчивому росту инвестиций и более широкому внедрению в энергетических системах. Тем не менее, недавний акцент на декарбонизацию и расширение масштабов и ускоренный рост низкоуглеродных технологий, таких как возобновляемые источники энергии, вызвал новую волну интереса к свойствам и расширению цепочки поставок водорода», — пишет в своем обзоре Goldman Sachs (GS).

Водород содержит в 2,5 раза больше энергии на единицу массы по сравнению с природным газом и бензином, но его очень низкий вес подразумевает гораздо более низкую плотность энергии на единицу объема в его газообразной форме в условиях окружающей среды.

«Водород обладает рядом ценных свойств, два из которых делают его уникальным в эпоху изменения климата:

    его способность храниться и использоваться в качестве чистого топлива без прямых выбросов парниковых газов и/или загрязнителей воздуха;
    широкий спектр экологически чистых путей, которые можно использовать в производстве, обеспечивая гибкость по цепочке поставок»,

— отмечают эксперты GS.
Зеленый, серый, бурый и голубой водород

В настоящее время производится около 70 млн тонн водорода, но лишь менее 2% производится экологически чистым способом — путем электролиза воды, когда вода разлагается на свои составляющие — водород и кислород — после подачи электрического тока. Если электроэнергия производится с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) — это «зеленый» водород, что является конечной целью экологически ответственных стран.

Однако, как водится, это наиболее дорогостоящий способ, и сейчас водород производится в основном из ископаемых источников энергии, в частности, из природного газа путем его риформинга — это «серый» водород (75%), поскольку нежелательным продуктом является СО2.

Остальной объем водорода производится путем газификации угля и называется «бурым» водородом.

По данным Международного энергетического агентства (МЭА), около 6% мирового производства газа и 2% угля используется для производства водорода, что приводит к существенным выбросам парниковых газов.

Аналитики Wood Mackenzie подсчитали, что в 2017 году на мировое производство водорода приходилось больше ежегодных выбросов CO2 и других парниковых газов, чем на всю Германию и мировую судоходную отрасль — 830 млн т в год.

На пути к «зеленому» водороду выделяется понятие «голубого» водорода: если при производстве «серого» или «бурого» будут улавливаться парниковые газы за счет систем CCS (carbon capture systems).
Где используется водород

С 1975 года спрос на водород увеличился более чем в три раза — с 18 до чуть более 70 млн т в год, из них около половины — 38 млн т — потребляется в нефтепереработке, около 32 млн т — в химической промышленности для производства аммиака, еще 4 млн т потребляют другие отрасли, в частности, при производстве метанола и стали, подсчитало МЭА.

Эксперты отмечают, что водород может «обезуглеродить» ряд секторов, где это представлялось сложным осуществить, включая перевозки на дальние расстояния, химическую промышленность, а также производство чугуна и стали.

Уже доступные сегодня технологии позволяют водороду производить, хранить, перемещать и использовать энергию по-разному. Для производства водорода можно использовать самые разные виды топлива, включая возобновляемые источники энергии, атомную энергию, природный газ, уголь и нефть. Его можно транспортировать в виде газа по трубопроводам или в жидкой форме на судах, как и сжиженный природный газ (СПГ). Он может быть преобразован в электричество и метан для поставки энергии в дома и в сырье для промышленности, а также в топливо для автомобилей, грузовиков, кораблей и самолетов.

Как пишет GS, ключевые характеристики водорода (малый вес и высокая энергия на единицу массы, короткое время дозаправки, нулевые прямые выбросы при использовании возобновляемых источников энергии) делают его привлекательным кандидатом в качестве транспортного топлива.

Водород можно использовать в чистом виде в электромобилях на топливных элементах (FCEV), но также его можно преобразовать в топливо на основе водорода, включая синтетический метан, метанол и аммиак, в процессе, широко известном как «преобразование энергии в жидкость» (power-to-liquid). Это потенциально применимо в авиации и судоходстве, где использование прямого водорода или электроэнергии особенно проблематично.

На сегодняшний день сжатый водород используется для автомобильного транспорта (включая легковые автомобили, а также автобусы, грузовики и поезда), при этом на легковые автомобили приходится подавляющее большинство используемых электромобилей на топливных элементах. Япония, США, ЕС и Южная Корея лидируют по уровню парка FCEV, но многие другие страны недавно также установили цели по внедрению водорода в транспортном секторе.

«Конкурентоспособность автомобилей на водородных топливных элементах зависит от стоимости топливных элементов и заправочных станций, в то время как для грузовых автомобилей приоритетной задачей является снижение стоимости доставки водорода»,— полагает МЭА.

Количество FCEV в мире почти удвоилось до 25210 единиц в конце 2019 года, при этом было продано 12350 новых автомобилей — почти вдвое больше, чем в 2018 году. По состоянию на конец 2019 года во всем мире работало 470 водородных заправочных станций, что на 20% больше, чем в 2018 году.

Железнодорожная отрасль уже является лидером в европейском энергетическом переходе, генерируя только 0,1% общих выбросов парниковых газов, однако водородные поезда помогут дополнительно снизить выбросы и уровень шума. Первые коммерческие поезда были представлены в 2016 году компанией Alstom, а в 2018 году они введены в эксплуатацию в Германии. Хотя они все еще находятся на ранней стадии разработки и, по данным Alstom, их первоначальные затраты на 25% выше, экологический, технический и экономический профиль делает водородные поезда привлекательными для замены парка с дизельными двигателями, считают эксперты GS.

При использовании для бытового и промышленного отопления водород можно добавлять в существующие газопроводы с наибольшим потенциалом использования в многоквартирных и коммерческих зданиях, особенно в густонаселенных городах, в то время как более долгосрочные перспективы могут включать прямое использование водорода в водородных котлах или топливных элементах.

Добавление до 20% водорода в газораспределительную сеть требует минимальных или потенциально нулевых модификаций сетевой инфраструктуры или бытовых приборов конечного пользователя, отмечает МЭА.

Проект GRHYD во Франции, который начал подмешивать 6% водорода в сеть природного газа в 2018 году, уже достиг 20% в объемном выражении в 2019 году, демонстрируя техническую осуществимость этого подхода.

Закачка водорода в магистральные газопроводы является более сложной задачей из-за несовместимости материалов при высоких давлениях и более низкого допуска по концентрации водорода в смеси, которую могут принять промышленные пользователи. Однако в рамках некоторых пилотных экспериментов изучается возможность впрыска водорода в такие газопроводы, а проект, разработанный Snam в Италии, уже продемонстрировал возможность подмешивания водорода в объеме до 10%.

На промышленных предприятиях по переработке нефти, производству аммиака, метанола и стали «зеленый» или «голубой» водород может использоваться в качестве топлива (обеспечивая высокотемпературное тепло, требуемое на промышленных предприятиях) или как сырье, помогая сделать соответствующие производства экологически чистыми. Одним из ключевых промышленных применений чистого водорода, которое в последнее время привлекло внимание промышленности, является производство углеродистой стали с нулевым содержанием углерода. В настоящее время осуществляется ряд проектов по развитию этих процессов и продвижению к коммерциализации.

В производстве электроэнергии водород является одним из ведущих вариантов хранения возобновляемой энергии, а водород и аммиак можно использовать в газовых турбинах для повышения гибкости энергосистемы.

Аммиак можно также использовать на угольных электростанциях для сокращения выбросов.
Сколько стоит водородная экономика

Основной статьей затрат при производстве «серого» водорода является стоимость сырья — от 45% до 75% себестоимости, считает МЭА.

Так, по расчетам экспертов, в 2018 году самые низкие затраты на производство водорода из газа были у стран Ближнего Востока — чуть менее $1/кг, в США — $1/кг, в России — $1,1/кг, в Европе — $1,7/кг, в Китае — $1,8/кг.

При этом, если добавить в схему использование уловителей СО2, затраты вырастают примерно на 50%:

    в США –до $1,5/кг,
    на Ближнем Востоке — чуть менее $1,5/кг,
    в России — около $1,6/кг, в Европе — $2,3/кг,
    в Китае — $2,4/кг.

Конечно же, доля сырья в себестоимости для стран, импортирующих газ, выше, чем в странах-производителях.

Согласно отраслевым исследованиям, использование технологий улавливания выбросов при производстве водорода может снизить их на 90%. В настоящее время по всему миру работает 20 крупных объектов CCS (в основном в США, Канаде и Норвегии) ;;с общей мощностью, превышающей 35 млн тонн в год.

Производство же «зеленого водорода», по данным МЭА, будет стоить не менее $4,5 за кг, при этом основные затраты — на производство электроэнергии. Электролизеры для производства «зеленого» водорода могут иметь три технологии: щелочной электролиз, электролиз с протонообменной мембраной (PEM, proton exchange membrane) и ячейки для электролиза твердых оксидов (SOEC, solid oxide electrolysis cells).

Наиболее широко применяемой и зрелой технологией является щелочной электролиз, характеризующийся относительно низкими капитальными затратами на электролизер (менее дорогие, поскольку обычно используется меньше драгоценных металлов по сравнению с другими технологиями электролиза, и с относительно высокой эффективностью, обычно варьирующейся от 55% до 70%).

Эксперты полагают, что «голубой» водород, вероятно, будет в ближайшей и среднесрочной перспективе основным проводником низкоуглеродной энергетики, пока «зеленый» водород не достигнет паритета затрат.

Аналитики МЭА отмечают, что в связи со снижением затрат на возобновляемую электроэнергию, в частности, солнечную энергию и энергию ветра, интерес к электролитическому водороду растет, и в последние годы было реализовано несколько демонстрационных проектов.

Если бы весь водород производился бы сейчас путем электролиза, это привело бы к потребности в электроэнергии в 3600 ТВт*ч, что превышает годовую выработку электроэнергии в Европейском Союзе, подсчитали аналитики агентства.

При снижении затрат на солнечную и ветровую генерацию строительство электролизеров в местах с отличными условиями для возобновляемых ресурсов может стать недорогим вариантом поставки водорода даже с учетом затрат на передачу и распределение при транспортировке водорода из удаленных мест, где используются возобновляемые источники энергии.

Согласно исследованию Wood Mackenzie, к 2040 году затраты на экологически чистый водород упадут на 64%. Так, считают эксперты, с учетом заявленных за последние десять месяцев проектов по «зеленому» водороду, объемы будут достаточно большими и достаточно стабильными, чтобы можно было масштабировать зарождающийся рынок.

«В среднем, к 2040 году затраты на производство зеленого водорода будут равны затратам на водород, вырабатываемый из ископаемого топлива. В некоторых странах, таких как Германия, это произойдет к 2030 году.

Учитывая масштаб, который мы наблюдали до сих пор, 2020-е годы, вероятно, станут десятилетием водорода»,

— отмечают аналитики WoodMac.

В то же время росту конкурентоспособности «зеленого» водорода будет способствовать и рост цен на ископаемые виды топлива. В то время как в 2020 году «серый» водород является самым дешевым водородом, за исключением Китая, Wood Mackenzie ожидает, что к 2040 году затраты на него вырастут на 82%, в основном, из-за роста цен на газ. В Саудовской Аравии и США «серый» водород по-прежнему будет самым дешевым водородом до 2040 года, считают они.

Стоимость «голубого» водорода к 2040 году вырастет, по мнению WoodMac, на 59%. «Успех „голубого“ водорода связан с успехом технологии CCS, которая страдает от высоких затрат и отмены проектов. Как и в случае с „серым“ водородом, прогнозируемый профиль затрат в значительной степени определяется ценами на природный газ», — считают они.
Решение за политиками

«Даже с учетом множества проблем, которые ждут зарождающийся рынок экологически чистого водорода, мы твердо уверены, что в ближайшее время возникнет какая-то форма низкоуглеродной водородной экономики. Учитывая степень четкой политики, корпоративной и социальной поддержки, которая процветала в 2020 году, зеленый водород будет успешно масштабироваться и обеспечивать значительное снижение производственных затрат», — уверены в WoodMac.

«В 2019 году водородные технологии продолжали развиваться, что вызвало большой интерес у политиков. Это был рекордный год для ввода в эксплуатацию электролизных мощностей, и на ближайшие годы было сделано несколько важных заявлений», — полагают аналитики МЭА.

В 2020 году производство низкоуглеродного водорода, как ожидается, составит около 0,46 млн т, уже анонсированы проекты, которые позволят к 2023 году производить 1,45 млн т, а к 2030 году стоит задачу увеличить производство до 7,92 млн т в год, отмечают в агентстве.

Европейский Союз летом текущего года заявил о намерении отказаться от использования ископаемых источников топлив к 2050 году и использовать декарбонизированные газы.

Европа является крупнейшим потребителем российских нефти и газа — основных источников пополнения российского бюджета.

Значит, России придется искать новые пути к своему традиционному партнеру.

«Газпром» уже пытается застолбить для себя нишу в производстве водорода, принимая участие в общественных дискуссиях, проведенных Европейской комиссией по проекту водородной стратегии. «Те предложения, которые мы высказали, — применение пиролиза метана для производства низкоуглеводного водорода — также включены в уже опубликованную стратегию ЕС. И водород, произведенный из природного газа, обладает как экономическими, так и экологическими преимуществами. То есть он может быть произведен без выбросов СО2», — сказал начальник отдела департамента 623 «Газпрома» Константин Романов.

По его словам, сейчас из природного газа в Европе производится более 8 млн тонн водорода в год, и на это используется более 30 млрд кубометров газа. Тогда как по планам ЕС предполагается производить лишь 1 млн тонн водорода с использованием электролиза воды.

«Мы ведем с европейскими партнерами дискуссии, переговоры о реализации пилотных водородных проектов в Европе, в том числе стратегия позволяет использовать и грантовую систему, механизмы грантов Еврокомиссии для развития пиролиза. Мы считаем, что природный газ по-прежнему останется важным источником для водорода и в целом для ЕС», — заключил Романов.

https://oilcapital.ru/