Poprzednia kopalnia artykuł o wykorzystaniu wodoru jako paliwa przyszłości pisano dwa lata temu. Wielu w komentarzach sceptycznie podchodziło do moich przewidywań. Niektórzy żartowali, mówią, wszystko to jest fantastyką naukową, niemożliwym do zrealizowania „pięknym daleko”. Inni byli przerażeni katastrofą amerykańskiego sterowca „Hindenburg”, która miała miejsce w maju 1937 roku.
Jednak od tragedii w bazie lotniczej Lakehurst minęło ponad 80 lat. Zmieniły się technologie i materiały, o rząd wielkości wzrósł poziom bezpieczeństwa w stosowaniu wodoru. Każdy z nas przynajmniej raz jechał autobusem wahadłowym na gazie. Niektórzy przerobili swój samochód, umieszczając butle z gazem. I wszyscy żyją.
Rzeczywiście, pod pewnymi względami sceptycy okazali się mieć rację, ponieważ istniejący monopol na paliwo węglowodorowe najwyraźniej do niedawna blokował wszystkie projekty wodorowe. Ale świat nie stoi w miejscu. I moje przewidywania dotyczące energii wodorowej zaczęły się sprawdzać, nabierając realnych kształtów. A konflikt interesów monopolu węglowodorowego na paliwo wodorowe jest już rozstrzygnięty.
W ciągu ostatnich 15–20 lat globalny rynek wodoru wzrósł z 40 do 12 miliardów dolarów. Bank of America prognozuje, że przemysł paliw wodorowych wkrótce wejdzie na rynek o wartości 11 bilionów dolarów. Kluczowe kraje-gracze tego rynku: Kanada, USA, Chiny, UE, Japonia, Korea.
W 2020 roku, pomimo pandemii koronawirusa, wiele krajów ogłosiło plany dekarbonizacji lub „zerowania” emisji dwutlenku węgla do 2050 roku. Ich plany to rezygnacja z węgla, ropy i gazu, podczas gdy wodór jest prawdziwym paliwem alternatywnym do osiągnięcia 100% zerowej emisji dwutlenku węgla.
Okazało się, że ograniczenie emisji o 80% jest trudne, ale możliwe. Ale znaczący wysoki koszt wyeliminowania pozostałych 20% stał się tym samym „przeszkodą” wszystkich programów dekarbonizacji.
Światowa firma konsultingowa zajmująca się badaniami energii Wood Mackenzie ogłosiła rok 2020 „Dekadą wodoru”. A Europa w lipcu ubiegłego roku przyjęła „Strategię Wodorową UE”. Tzw. „Inicjatywa 2x40 GW” ze stowarzyszenia „Hydrogen Europe”. Do 2030 roku planują wdrożyć 40-gigawatowe zielone elektrolizery wodoru i chcą eksportować taką samą ilość wodoru z sąsiednich krajów. Australia, Japonia, Chiny, Kanada i kilka stanów USA również ogłosiły strategie wykorzystania wodoru jako paliwa o zerowej emisji.
Wiodące kraje w produkcji wodoru obiecują 50-krotny wzrost jego produkcji w ciągu sześciu lat.
Niedawno utworzone międzynarodowe konsorcjum gigantów energetycznych Green Hydrogen Catapult planuje również stworzenie 2026-gigawatowej produkcji „zielonego” wodoru do 25 roku, przy jednoczesnym obniżeniu jego kosztu do 2 USD za kilogram. W skład konsorcjum weszły: saudyjska firma IPP ACWA Power, deweloper morskiej energii wiatrowej Orsted, chiński producent turbin wiatrowych Envision oraz włoska firma gazowa Snam.
Z raportu Bloomberga „Hydrogen Economy Outlook”:
"W 2050 roku 24% światowych potrzeb energetycznych będzie pokrywane przez wodór, a jego cena spadnie do poziomu dzisiejszych cen gazu."
Innymi słowy, zużycie wodoru będzie rosło proporcjonalnie do obniżenia kosztów jego produkcji.
„Dolina Wodoru”
Nasz kraj również nie stronił od światowych trendów.
W 2015 roku Rosja „weszła do gry” podpisując Konwencję Ramową ONZ, która przewiduje wielokrotne ograniczenie emisji dwutlenku węgla z wytwarzania energii elektrycznej w ciągu następnej dekady. Zeszłego lata zatwierdził rosyjski premier Michaił Miszustin „Strategia Energetyczna Federacji Rosyjskiej do 2035 roku”, w którym energia wodorowa jest określona jako osobny paragraf.
Cele strategii -
„rozwój produkcji i zużycia wodoru,
wejście Federacji Rosyjskiej w szeregi światowych liderów w jej produkcji i eksporcie”.
wejście Federacji Rosyjskiej w szeregi światowych liderów w jej produkcji i eksporcie”.
To jest zaplanowane Rosja w 2024 r. wyeksportuje około 200 tys. ton wodoru, a do 2035 r. będzie to 10 razy więcej – około 2 mln ton.
Czyli nic innego, jak wszechstronny rozwój energetyki wodorowej i wejście kraju w szeregi światowych liderów w jej produkcji i eksporcie, co w dziesięcioletnim horyzoncie może być 10–15% światowego rynku wodoru.
A oto „mapa drogowa” planu rozwoju energetyki wodorowej w Rosji:
- Pod koniec 2020 roku opracowano koncepcję rozwoju energetyki wodorowej, a także środki wsparcia dla projektów pilotażowych produkcji wodoru.
- Na początku 2021 r. powinny pojawić się zachęty dla eksporterów i nabywców wodoru na rynku krajowym.
- Pierwsi producenci wodoru będą Gazpromu и „Rosatom”. W 2024 r. firmy uruchomią pilotażowe instalacje wodorowe w elektrowniach jądrowych, zakładach produkcji gazu i zakładach przetwórstwa surowców.
- W 2021 r. Gazprom ma opracować i przetestować turbinę gazową metanowo-wodorową.
- Do 2024 r. Gazprom będzie badał wykorzystanie wodoru i paliwa metano-wodorowego w instalacjach gazowych (turbiny gazowe, kotły gazowe itp.) oraz jako paliwo silnikowe w różnych rodzajach transportu.
- W 2024 roku Rosatom zbuduje pilotażowy poligon doświadczalny dla transportu kolejowego z napędem wodorowym. Mówimy o przejściu pociągów na wodorowe ogniwa paliwowe na Sachalinie, które zapowiedziały w 2019 r. Koleje Rosyjskie, Rosatom i Transmashholding.
W listopadzie 2020 r. Rosyjskie konsorcjum ”Technologiczna dolina wodoru”, która będzie prowadzić badania i rozwijać technologie wodorowe. W skład utworzonego konsorcjum weszły: Tomsk Polytechnic University, Instytut Katalizy SB RAS, Instytut Problemów Fizyki Chemicznej RAS, Instytut Syntezy Petrochemicznej RAS, Państwowy Uniwersytet Techniczny w Samarze oraz Sachaliński Uniwersytet Państwowy. Ale inne uniwersytety i instytucje akademickie będą mogły do nich dołączyć później.
A oto klienci - rosyjskie firmy, które opierają się na energetyce wodorowej: Gazprom, Gapromnieft', SIBUR, Koleje Rosyjskie, Severstal, Rosatom, NOVATEK. Nie oszukujmy się, nasz kraj ma dobry start w postaci własnych rozwiązań i produkcji wodoru w elektrowniach jądrowych, co pozwala nam niemal natychmiast zwiększyć produkcję wodoru.
Ale, jak mówią, są pewne niuanse ...
Produkcja wodoru
Zgodnie z metodą produkcji wodór zwykle dzieli się według koloru:
"Zielony" wodór (bezemisyjny) – elektroliza z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii (OZE);
"Żółty" wodór (bez węgla) - elektroliza z wykorzystaniem elektrowni jądrowych (NPP);
"Turkus" wodór (niskowęglowy) – piroliza gazu ziemnego (metanu);
"Niebieski" wodór (średni węgiel) - parowy reforming metanu (SCM) lub węgla z wykorzystaniem CO2 (CCS - oraz technologia wychwytywania i składowania węgla);
"Szary" wodór (wysokowęglowy) – parowy reforming metanu z emisją CO2;
"Brązowy" wodór (wysokowęglowy) – zgazowanie lub reforming parowy węgla.
Na tym rysunku przedstawiono główne metody produkcji wodoru i zużycie energii do jego produkcji.
Zwróć uwagę na katalityczny rozkład metanu w obecności katalizatora (dolna linia). Zaletą tej metody jest brak CO2 i CO w produktach reakcji, a także powstanie wartościowego produktu - węgla nanowłóknistego (NFC), który jest dziś wykorzystywany w wielu gałęziach przemysłu. Obecnie nasi naukowcy pracują nad poprawą właściwości materiałów stosowanych w katalitycznych reaktorach membranowych (CMR), które oddzielają wodór od mediów gazowych.
Natknąłem się nawet na egzotyczny sposób pozyskiwania „zielonego” wodoru (w KMR) z siarkowodoru na dnie Morza Czarnego, gdzie jego potencjalne rezerwy mogą sięgać 3 miliardów ton.
Istnieje również technologia dwuetapowej produkcji „brązowego” wodoru.
Etap I - otrzymywanie gazu syntezowego z odpadów olejowych, ciekłych odpadów palnych, komunalnych odpadów stałych, biomasy, węgla niskogatunkowego i wysokopopiołowego, torfu, łupków i innych paliw kopalnych.
Etap II - wykorzystanie gazu syntezowego do wytwarzania ciepła, energii elektrycznej, wydzielania wodoru (w CMR).
Katalizatory strukturalne, modele reformerów i procesorów paliw zostały opracowane w naszym kraju do produkcji wodoru i mieszanin zawierających wodór z różnych cieczy (olej napędowy, biodiesel, benzyna, metanol, etanol itp.) i gazowych (metan, propan-butan, dimetyl eter) paliwa.
Na przykład w Chinach „brązowy” wodór jest produkowany na skalę przemysłową z niskogatunkowego węgla i łupków bitumicznych. Ale z tego powodu środowisko bardzo cierpi, a atmosfera jest zanieczyszczona.
metoda elektrolizy
Elektroliza wody to najbardziej przyjazna środowisku metoda pozyskiwania „zielonego” wodoru, ale jak dotąd najdroższa na świecie. Koszt produkcji wodoru metodą elektrolizy PEM dla Europy szacowany jest na 3,93 euro za 1 kg.
W Rosji moce niedociążonych HPP, farm wiatrowych czy elektrowni jądrowych są idealne do elektrolizy wodoru. Obecność takiego dołączonego obciążenia, jakim jest elektroliza produkcji wodoru, jest bardzo korzystna dla elektrowni jądrowych, ponieważ zapewnia pracę stacji na stałym poziomie mocy, wygładzając „sinusoidę” obciążenia w okresach niskiego obciążenia.
Plany strategii rozwoju naszej energetyki jądrowej do 2050 roku zakładają produkcję 50 mln ton wodoru rocznie, co stanowi 10% jego światowego zużycia.
Idealną opcją dla projektu pilotażowego Państwowej Korporacji Rosatom jest elektrownia jądrowa Kola.
Zużycie energii do produkcji „żółtego” wodoru metodą elektrolizy w elektrowniach jądrowych wynosi 6 kWh na 1 metr sześcienny. m wodoru. Pojemność do 83000 3 m1. m/h wodoru. Koszt powstałego wodoru to XNUMX USD za XNUMX kg. Co prawda transport wodoru do Europy wciąż stoi pod znakiem zapytania, a tak wytworzony „żółty” wodór może nie być certyfikowany jako „odnawialny”, co jest tak ważne dla rynku UE.
Rosatom organizuje również „zachodnie” i „wschodnie” klastry wodorowe, aby dostarczać wodór na rynki krajowe i eksportowe w Europie i Azji. Obecnie Rosatom pracuje nad studium wykonalności dla dwóch obiecujących projektów. Są to uruchomienie pociągów wodorowych na Sachalinie i eksport rosyjskiego wodoru do Japonii.
Trzeba przyznać, że elektroliza nie jest jeszcze w stanie zapewnić opłacalnej ekonomicznie produkcji wodoru w wymaganych ilościach. Obecnie na całym świecie produkcja wodoru na dużą skalę odbywa się z gazu ziemnego przy użyciu technologii parowego reformingu metanu (SCM). To prawda, że w tym przypadku prawie połowa gazu źródłowego jest spalana, a produkty spalania są uwalniane do środowiska. Ale pracownicy gazowi są szczęśliwi, ich produkt jest poszukiwany, można go wykorzystać do produkcji niedrogiego „szarego” wodoru i sprzedawać go z zyskiem w dużych ilościach.
Ale jeśli ciepło z wysokotemperaturowego reaktora chłodzonego gazem (HTGR) lub reaktora wysokotemperaturowego chłodzonego gazem toru (VGTRU) zostanie wykorzystane w technologii reformingu parowego metanu (PKM), to otrzymamy doskonały tandem do produkcji elektryczności i „niebieskiego” wodoru. Jednocześnie oszczędza się gaz ziemny, energię elektryczną i nie ma szkodliwych emisji do środowiska.
Zgodnie z tym schematem może powstać obiecująca elektrownia jądrowa (AETS), która zapewni na dużą skalę produkcję przyjaznego dla środowiska „żółtego” i taniego „niebieskiego” wodoru, zbliżonej ceną do kosztów gazu ziemnego. Tym samym tylko jeden moduł HTGR o mocy cieplnej 200 MW może zapewnić produkcję ok. 100 tys. ton wodoru rocznie.
Magazynowanie i transport wodoru
Ze względu na dużą „płynność” wodoru bardzo trudno jest go transportować na duże odległości, jak np. skroplony gaz ziemny (LNG).
Problem z transportowaniem ciekłego wodoru polega na tym, że cząsteczki są tak małe, że mogą przeniknąć przez strukturę atomową metalowego pojemnika w temperaturze powyżej -253°C. Utrzymanie takiej temperatury w dużej objętości przez długi czas jest bardzo energochłonne. Ale jest inny problem - kruchość wodorowa i niszczenie metali pod wpływem wodoru atomowego. Podlegają mu nawet stale o wysokiej wytrzymałości, a także stopy tytanu i niklu.
Obecnie magazynowanie wodoru w dużych ilościach jest ekonomicznie nieopłacalne. Naukowcy wciąż opracowują wydajne i bezpieczne metody jego przechowywania. Dlatego rozsądniej jest produkować wodór bezpośrednio na miejscu, a magazynować tylko 10% zużywanej objętości, co oznacza ciągły cykl jego produkcji i zużycia.
Nie zapominaj, że nawet w niewielkich proporcjach z tlenem powstaje wybuchowy „wybuchowy gaz”. Ale efekt ten można również zatrzymać w mieszaninie metan-wodór (MVM), która pozostaje bezpieczna nawet przy 30% stężeniu wodoru w niej.
Wodór będzie produkowany z metanu (lub VAM) przy użyciu opatentowanej przez Gazprom technologii adiabatycznej konwersji metanu (ACM). Można przypuszczać, że w ten sposób planowana jest dostawa wodoru do Europy, a do tego pilnie realizowany jest gazociąg Nord Stream-2. Niemcy są tym zainteresowane bardziej niż wszystkie kraje europejskie, ponieważ przedstawiły swoją doktrynę wodorową, która zobowiązuje kraj do całkowitego przejścia na wodór do 2050 roku. Media piszą, że Gazprom zaoferował nawet krajowi-gospodarzowi budowę dużej wytwórni wodoru w miejscu wyjścia na ląd budowanego gazociągu, a nawet rewers CO2 z Niemiec.
W przyszłości do transportu wodoru można wykorzystać płynne odwracalnie uwodorniające związki organiczne (LOHC), metanol i amoniak. Rodzi to jednak takie problemy, jak toksyczność „aromatów” i bardzo trudne warunki do odwrotnej reakcji.
Nasi naukowcy opracowali również jeszcze wydajniejsze sposoby przechowywania wodoru. Za podstawę przyjmuje się unikalną zdolność stałych odwracalnie uwodorniających metali i stopów opartych na LaNi5 do zatrzymywania wodoru w swojej strukturze, a gęstość upakowania jego atomów jest wyższa niż gęstość atomów w ciekłym wodorze.
Metoda ta nazywana jest „międzymetalicznym” magazynowaniem wodoru. Akumulatory międzymetaliczne (IMN) zostały już wyprodukowane i przetestowane, co dowiodło ich skuteczności i niezawodności. Aby wydobyć wodór z tak kompaktowego magazynu, konsument będzie musiał go po prostu ogrzać.
Podsumowując, chciałbym przedstawić Państwu kolejną unikalną technologię nanokapilarnego magazynowania i transportu wodoru (CNT), która opiera się na zasadzie podziału struktury magazynowania na miliony niezależnych kapilar - mikroobjętości, czyli tzw. . Takie akumulatory wodorowe będą miały szereg zalet: lekkość, zwartość i bezpieczeństwo przeciwwybuchowe.
Struktura nanokapilarna do przechowywania wodoru pod mikroskopem
Ogniwo paliwowe i silnik wodorowy
Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (SFC) pozostaje głównym konwerterem wodoru na energię elektryczną. Urządzenie to zamienia energię chemiczną paliwa (wodór) bezpośrednio na energię elektryczną poprzez utlenianie tlenu bez jego spalania.
Wewnątrz TFC cząsteczki wodoru wchodzą w reakcję chemiczną z jonami tlenu, a wyjściem jest elektryczność, ciepło i para wodna. Ogniwa paliwowe mogą pracować z różnymi paliwami węglowodorowymi: wodorem, a także metanem, butanem czy gazem syntezowym. Ich sprawność elektryczna sięga 60%, aw przyszłości 80%, natomiast elektrownie cieplne, gazowe czy jądrowe mają sprawność około 40%.
BTE-84 jest oparty na stałych polimerowych ogniwach paliwowych, działa na gazie syntezowym (wodór) i powietrzu o minimalnym nadciśnieniu 0,004 kg/m6,5. cm, moc znamionowa 40 kW, zakres napięcia 80-0 V, prąd obciążenia 160-60A, temperatura pracy +84 ºC, ilość ogniw paliwowych - 72, waga - XNUMX kg.
Wodór jest 3-4 razy bardziej energooszczędny niż tradycyjne paliwo i po raz pierwszy został użyty jako paliwo do silników spalinowych w 1806 roku. W ZSRR podczas wojny w oblężonym Leningradzie wodór był również używany w transporcie z powodu braku benzyny.
Opracowany nowoczesny wodorowy silnik tłokowy (RPD) jako taki ma być instalowany w pojazdach elektrycznych głównie w celu zwiększenia ich przebiegu. A w turbinowych silnikach gazowych do różnych rodzajów transportu wykorzystanie paliwa wodorowego i metano-wodorowego do 2024 r. powinno być testowane przez Gazprom.
boom wodorowy
A na deser przedstawiam krótki wybór świata Aktualności na temat wodoru.
Kanada, produkująca około 3 mln ton wodoru rocznie, już dziś jest jednym z dziesięciu największych producentów wodoru, zapewniając rosnący popyt na rynku.
Stany Zjednoczone opracowują największą na świecie górniczą ciężarówkę z napędem wodorowym, klasy UFCEV.
Koncern motoryzacyjny General Motors ogłosił, że do 2035 r. stanie się neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla. A to oznacza nie tylko odrzucenie aut z silnikami spalinowymi, ale również to, że wszystkie zakłady samochodowego giganta będą korzystać wyłącznie z odnawialnych źródeł „zielonej” energii.
Japonia jeszcze w 2019 roku zawarła porozumienie w sprawie importu wodoru z Rosji, a także z JSC Russian Railways, JSC Transmashholding i władzami regionalnymi w sprawie uruchomienia transportu kolejowego na Sachalinie pociągami z wodorowymi ogniwami paliwowymi. Japonia zamierza zakazać sprzedaży samochodów ICE do 2035 roku. Fukushima otworzyła największą na świecie elektrownię wodorową zasilaną energią słoneczną w 2020 r., która jest w stanie zatankować do 560 pojazdów zasilanych ogniwami paliwowymi dziennie.
Już dziś w kraju działa 100 stacji tankowania wodoru, a do 2030 roku planuje się budowę 900 kolejnych. Kawasaki zwodowało pierwszy na świecie statek do transportu ciekłego wodoru. We wrześniu 2020 r. japońskie konsorcjum NYK Line ogłosiło plany opracowania 100-osobowej łodzi wycieczkowej na ogniwa paliwowe.
Korea. Hyundai Motor zamierza dostarczać wodorowe pojazdy elektryczne na rynek rosyjski i prowadzi negocjacje z Rosatom w celu stworzenia odpowiedniej infrastruktury.
Firma stoczniowa Samsung Heavy Industries i Bloom Energy ogłosiły rozwój statków opartych na skalowalnych ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC).
Chiny wprowadził na rynek swój pierwszy samochód wodorowy Grove Obsidian o zasięgu 1 km. Pod koniec 000 r. w Chinach było około 2020 FCEV. Planuje się zwiększenie liczby takich aut do 6 tys. do 165 r., a do 2025 mln do 50 r. Planuje się wybudowanie 000 stacji paliw wodorowych do 2030 r. i 1 stacji do 350 r.
Australia planuje produkcję amoniaku (transport wodoru) zasilany energią słoneczną i wiatrową o mocy 1,5 GW.
Arabia Saudyjska. ACWA Power wraz z American Air Products planuje wybudować 4 GW zielonej instalacji wodoru i amoniaku.
Wielka Brytania wprowadzi zakaz pojazdów z silnikami spalinowymi w 2030 r., a do 2050 r. planuje przejście na energię całkowicie „bezwęglową”. Shearwater Energy pracuje nad hybrydową elektrownią w północnej Walii, która połączy turbinę wiatrową, amerykański modułowy reaktor jądrowy NuScale i produkcję wodoru.
Norwegia planuje budowę elektrowni wodorowej w Geirangerfjord, aby zasilać promy i statki wycieczkowe. Planują rozpocząć korzystanie z pierwszego promu wodorowego w 2021 roku.
Holandia. Operator sieci gazowej Gasunie i port Groningen utworzyli konsorcjum NortH2. Do 10 roku planuje się stworzenie „Europejskiej Doliny Wodorowej” z przydzieloną mocą energetyczną z morskich farm wiatrowych do 2040 GW.
Niemcy przedstawił doktrynę wodorową dla przejścia na wodór do 2050 roku we wszystkich sektorach gospodarki, w tym w przemyśle ciężkim i produkcji petrochemicznej. Jednocześnie ich strategia wodorowa jest tak naprawdę wycelowana w Rosję jako „państwo sąsiedzkie” zdolne do rozwiązania niemieckiego problemu wodorowego.
Francja Największy operator elektrowni jądrowej, EDF, ogłosił utworzenie spółki zależnej Hynamics, która będzie rozwijać energetykę wodorową.
Producent samolotów Airbus przedstawił trzy koncepcje samolotu wodorowego: „klasyczny” z silnikiem turboodrzutowym, samolot turbośmigłowy i samolot ze zintegrowanym kadłubem (latające skrzydło).
Włochy. Konstruktor statków Fincantieri SpA zwrócił się do firmy PowerCell o dekarbonizację statków, która przetestuje swoje ogniwa paliwowe MS-30 do wytwarzania energii na statkach i jachtach morskich firmy.
Ukraina poszukuje możliwości budowy zakładu produkcji wodoru w kraju,
"w warunkach nadwyżki generacji jądrowej",
na eksport do UE.
Rosja niejako od niechcenia i bez zamieszania przedstawiła własne opracowania transportu wodoru, w tym samochody, autobusy, ciężarówki KamAZ, tramwaje, samoloty i pociągi. A także wiele unikalnych opracowań i technologii produkcji i magazynowania wodoru, wskazujących na strategicznie prawidłowy rozwój kraju w wybranym kierunku.