Водородное топливо как альтернативный вид энергии - OXFORDST.RU

Водородное топливо как альтернативный вид энергии

Доклад к проектной работе на тему: «Водород как альтернативный вид топлива»

Доклад, сопровождаемый презентацией по теме «Водород как альтернативный вид топлива» включает в себя практическую часть получения водорода в лабораторных условия с представлением возможного оборудования, а именно аппарата Киппа и Кирюшкина.

Просмотр содержимого документа
«Доклад к проектной работе на тему: «Водород как альтернативный вид топлива»»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 2»

Коркинский муниципальный район

Водород как альтернативный вид топлива

Тип проекта: исследовательский

Выполнил

Ученик 9 Д класса

Грознецкий Павел Сергеевич

Проверил наставник:

Воробьёва Ирина Ивановна

Допускается к защите Дата сдачи:______________________

Наставник ____________________ Дата защиты:____________________

«_____» декабря 2018г Оценка:_________________________

2018 год

II. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Теоретическая часть 4

2.1.1 Водородная технология 4

2.1.2 Получение водорода 5

2.1.3 Получение водорода – будущая технология 6

2.1.4 Водородные двигатели 7

2.2 Практическая часть 8

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 9

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 10

В миллионы новых моделей автомобилей, которые сейчас выпускаются, заливают такое топливо, которое выпускает в атмосферу углекислый (СО2) и угарный (СО) газы. Дышать таким воздухом и постоянно находиться в такой атмосфере представляет очень большую опасность для здоровья.

Влияние и польза водорода в наши дни очень велика. Практически все известные сейчас виды топлива, за исключением водорода, загрязняют окружающую среду.

Цели: Изучить самое экологически чистое топливо, и его применение.

Задачи: Предложить замену загрязняющим видам топлива.

Объект исследования: Свойства водорода, как топлива.

Предмет исследования: Водородная технология.

Гипотеза: Водород можно использовать как самый экологически чистый вид топлива.

II. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Теоретическая часть

Водород – один из наиболее распространённых элементов и на Земле. Он составляет примерно 0,88 % от массы земного шара. Если вспомнить, что массовая доля водорода в воде составляет 11,19 %, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле – неограниченное количество. Водород входит в состав нефти (10,9 – 13,8 %), древесины (6 %), угля (бурый уголь – 5,5%), природного газа (25,13 %). Водород входит в состав всех животных и растительных организмов. Основная масса водорода попадает в атмосферу в результате биологических процессов. Этот водород в атмосфере быстро рассеивается и диффундирует в верхние слои атмосферы.

2.1.1 Водородная технология

Под водородной технологией подразумевается совокупность промышленных методов и средств, для получения, транспортировки и хранения водорода, а также средств и методов его безопасного использования на основе неисчерпаемых источников сырья и энергии.

Переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода – это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна от загрязнения оксидами углерода, азота, серы, углеводородами.

Переход на водородную технологию и использование воды в качестве единственного источника сырья для получения водорода не может изменить не только водного баланса планеты, но и водного баланса отдельных её регионов.

Водород, получаемый из воды, — один из наиболее энергонасыщенных носителей энергии. Ведь теплота сгорания 1 кг H2 составляет (по низшему пределу) 120 МДж/кг, в то время как теплота сгорания бензина или лучшего углеводородного авиационного топлива в 2,5 раза меньше, к тому же водород – легковозобновляемое топливо.

Но водород как топливо и химическое сырьё обладает и рядом других ценнейших качеств. Универсальность водорода заключается в том, что он может заменить любой вид горючего в самых разных областях энергетики, транспорта, промышленности, в быту. Он заменяет бензин в автомобильных двигателях, керосин в реактивных авиационных двигателях, ацетилен в процессах сварки и резки металлов, природный газ для бытовых и иных целей, метан в топливных элементах, кокс в металлургических процессах (прямое восстановление руд), углеводороды в ряде микробиологических процессов. Водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить в любых количествах. В то же время водород – сырьё для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для получения синтетических углеводородов.

Вобщем, переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода – это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна.

2.1.2 Получение водорода

В распоряжении современных технологов имеются сотни технических методов получения водородного топлива, углеводородных газов, жидких углеводородов, воды. Выбор того или иного метода диктуется экономическими соображениями, наличием соответствующих сырьевых и энергетических ресурсов. Например, в странах, где имеется дешёвая избыточная электроэнергия, вырабатываемая на гидроэлектростанциях, можно получать водород электролизом воды (Норвегия); где много твёрдого топлива и дороги углеводороды, можно получать водород газификацией твёрдого топлива (Китай); где дешёвая нефть, можно получать водород из жидких углеводородов (Ближний Восток). Однако больше всего водорода получают в настоящее время из углеводородных газов конверсией метана и его гомологов (США, Россия).

В процессе конверсии метана водяным паром, диоксидом углерода, кислородом и водяным паром протекают следующие каталитические реакции. Рассмотрим процесс получения водорода конверсией природного газа (метана).

Получение водорода осуществляется в три стадии. Первая стадия – конверсия метана в трубчатой печи:

Вторая стадия связана с доконверсией остаточного метана первой стадии кислородом воздуха и введением в газовую смесь азота, если водород используется для синтеза аммиака. (Если получается чистый водород, второй стадии принципиально может и не быть).

CH4 + 0,5O2 = CO + 2H2↑ + 35,6 кДж/моль.

И, наконец, третья стадия – конверсия оксида углерода водяным паром:

Для всех указанных стадий требуется водяной пар, а для первой стадии – много тепла, поэтому процесс в энерготехнологическом плане проводится таким образом, чтобы трубчатые печи снаружи обогревались сжигаемым в печах метаном, а остаточное тепло дымовых использовалось для получения водяного пара.

Таким образом, водород получают из метана, электролизом воды и газификацией твёрдого топлива.

2.1.3 Получение водорода – будущая технология

Современная технология обеспечивает ежегодное получение во всём мире десятков миллионов тонн молекулярного водорода. Более 90% его получается каталитической конверсией метана, жидких углеводородов, газификацией твёрдого топлива. Совершенно ясно, что в будущем при переходе на водородную технологию такие источники получения водорода, кроме твёрдого топлива, будут в основном исключены. В качестве основного источника сырья будет использоваться вода. В качестве источника энергии для разложения воды – атомная энергия в различных её видах (тепло, электроэнергия) и энергия воды, ветра в виде электрической энергии, энергия солнечного излучения.

Водород получают в газообразном виде и, если для использования необходим жидкий водород, его подвергают глубокому охлаждению и ожижению.

Производство молекулярного водорода в 1985 году достигло примерно 57 млн. тонн, а в 1990 году уже 95.

Во-первых, в азотной промышленности, для получения синтетического аммиака.

Во-вторых, для получения метанола из СО и Н2, Значительное количество водорода используется в нефтехимической промышленности, для гидрирования тяжелых нефтяных фракций и повышения выхода легких фракций, в ряде нефтехимических синтезов, для гидрирования жиров, для восстановления руд черных и цветных металлов, для бытовых целей, жидкий водород необходим в авиации и космонавтике.

Мы, здесь не раскрываем широкое использование водорода в промышленности (водородная сварка и резка металлов, микроэлектроника и т. д.), в сельском хозяйстве. Особо стоит вопрос об использовании изотопов водорода в атомной и термоядерной энергетике.

В будущем потребление водорода будет расти более высокими темпами. Возникнет промышленность синтетического жидкого и газообразного топлива на базе твердых горючих ископаемых.

2.1.4 Водородные двигатели

Водород — очень перспективный энергоноситель, позволяющий одновременно решить сложные экологические проблемы. При его сгорании (быстро протекающей экзотермической реакции окисления кислородом) получаются лишь вода и тепло. Да, образуются еще окислы азота, количество которых зависит от температуры сгорания смеси в цилиндре двигателя. И, здесь важно, что в водородных двигателях, температура сгорания топлива, на режимах городской эксплуатации, существенно ниже, чем в углеводородных (бензиновых, спиртовых, метановых, пропан-бутановых и т.д.).

«Водородное будущее» автотранспорта эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами. Их притягательность признают все.

Ford, General Motors, Toyota, Nissan и многие другие компании наперебой щеголяют «топливоэлементными» концепткарами и собираются вот-вот «завалить» всех водородными модификациями некоторых из своих обычных моделей.

Водородные заправки уже появились в нескольких местах в Германии, Японии, США. В Калифорнии строят первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями. Аналогичные эксперименты проводят по всему миру.

Между тем, есть ещё один путь внедрения водорода на автотранспорте — сжигание его в ДВС. Такой подход исповедуют BMW и Mazda. Японские и немецкие инженеры видят в этом свои преимущества.

Прибавку в весе машины даёт лишь водородная топливная система, в то время, как в авто на топливных элементах прирост (топливные элементы, топливная система, электромоторы, преобразователи тока, мощные аккумуляторы) — существенно превышает «экономию» от удаления ДВС и его механической трансмиссии.

Итак, мы убедились, что водород — очень перспективный вид топлива, который уже используется в автотранспорте.

2.2 Практическая часть

2.2.1.Получение водорода в лабораторных условиях

В лабораториях водород получают большей частью электролизом водных растворов гидроксидов натрия и калия (NaOH, KOH)

или же выделяют из растворов серной или соляной кислот действием на них цинка. Например:

Кроме этого водород выделяется в ходе реакции:

Переход на водород

Технологические решения для широкого использования самого эффективного топлива уже существуют

Водород — это самое энергоемкое и легкое вещество из всех видов топлива. Его производство не относится к инновациям — он производился миллионами тонн еще в советские времена, когда его использовали для производства аммиака для получения азотных удобрений.

Водород и сегодня используют для производства удобрений, повышения качества бензина, улучшения свойств стали, а также в пищевой промышленности для производства маргарина и твердых кондитерских жиров методом гидрогенизации растительных масел. Без него не обходятся все процессы гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов. Его также широко применяют для охлаждения генераторов на электростанциях.

С тех пор как появилась перспектива перехода на водородную энергетику с углеводородной, потребность в водороде увеличилась на порядки. Сегодня эта перспектива стала реальностью, поскольку примерно десять лет назад была решена одна из основных проблем с его хранением для дальнейшего использования в качестве автомобильного топлива. Вместо тяжелых, дорогих и небезопасных стальных баллонов для сжатого под высоким давлением водорода стали применять легкие композитные емкости из углепластика, которые прекрасно помещаются в легковых автомобилях. Кроме того, стало возможным получать водород прямо по месту употребления. Появление таких технологий зажгло для водородной энергетики зеленый свет.

Около 20 лет назад во всем мире начали появляться автомобили на водороде, и бывшие выставочные центры пилотных моделей превратились в салоны-магазины серийных образцов. Количество автомобилей на водородном топливе сегодня исчисляется тысячами. Их стоимость составляет около $50–60 тыс. Серийные автомобили на водороде есть у Toyota, Hyundai, Honda. Предсерийные образцы тестируют Audi, Mercedes, BMW, Mazda, Ford и ряд других производителей. Все технические препятствия, столько десятилетий казавшиеся непреодолимыми, пройдены за считаные годы, и теперь вопрос только в экономической целесообразности для массового потребителя. В России такой автомобиль приобрел себе житель Красноярска, но в связи с отсутствием заправок в своем городе перевез машину в Москву и получает топливо в одном из научных институтов.

Как получить водород?

Для развития водородной энергетики нужно будет на государственном уровне решить вопрос, в каком виде доставлять водород к месту его получения. Дело в том, что водород содержится в очень многих видах ископаемых топлив.

«Наиболее дешевый водород получается методом паровой конверсии метана,— рассказывает заведующий отделом гетерогенного катализа Института катализа СО РАН Павел Снытников.— Другой способ — из аммиака. Для его транспортировки, как и для природного газа, в нашей стране даже существует трубопровод, так как аммиак сжижается всего при давлении 8,5 атмосферы. Третье решение — перевозка будущего водорода в виде метанола. В Китае метанол используют как автомобильное топливо. Но в России против метанола почему-то предубеждение, по-видимому, в связи с тем, что с давних пор у нас простой народ пил все, что горело, в том числе и метанол, и люди лишались зрения».

Читайте также  Деловая культура и модель менеджмента Норвегии

А вот получать его лучше всего там же, где будут потреблять, чтобы уйти от проблем транспортировки чистого водорода. Чтобы использовать водород, например, как автомобильное топливо, нужно закачать его в баллоны под давлением 700 атмосфер. Правда, на сжатие нужна дополнительная энергия. Не меньше энергии требуется на сжижение водорода, так что один из подходящих способов его транспортировки — это перевозка в химически связанном состоянии, например в виде метана, из которого водород должен производиться там же, где будет использоваться. То есть до заправки везут метан, а уже на самой заправке устанавливается небольшое производство, например, конвертер метана в водород. Но этот способ не очень хорош для экологии, поскольку на небольших производствах сложно обеспечить качественную очистку выбросов. Зато экономически он себя вполне оправдывает. Опыт Японии, Кореи и ряда других стран показал, что километр пробега на водороде выходит не дороже бензина. 4 кг водорода, закачанного в баллон, хватает примерно на 800 км пути обычного седана.

Получать водород можно практически из любого углеводородного топлива: из бензина, дизельного топлива или пропан-бутановых смесей. В Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН ведется работа по гранту РНФ по тематике получения водорода из дизельного топлива. Также разрабатываются методы получения водорода даже из органических носителей, например из бор-гидридов. Главные задачи на будущее развитие водородной энергетики — это не только получение водорода, но и его хранение. Жидкий водород можно хранить только при низких температурах, поэтому его использовали только в критически важных областях, например, как ракетное топливо.

Если отвлечься от автомобилей и обратить внимание на энергообеспечение более крупных стационарных объектов, например жилых или промышленных комплексов, то вся идеология водородной энергетики строится на ее связке с другими источниками энергии. Например, с возобновляемыми — гидро-, ветряными, солнечными электростанциями или с крупными атомными электростанциями. Производство такой энергии идет в одном режиме, а тратится потребителями она в другом, поэтому, когда есть излишки энергии, ее можно тратить на получение водорода даже из обычной воды методом электролиза.

Голубая мечта о зеленом водороде

Электролиз — это способ получения водорода из воды, который, к сожалению, требует больших энергозатрат, поэтому он оправдан только в тех случаях, когда вырабатываемую энергию необходимо запасти, пусть даже и с невысоким КПД. Лучше всего использовать для этого источники, где постоянно возникают достаточно большие излишки энергии. Емкости аккумуляторов для ее сохранения не хватает, кроме того, аккумуляторы быстро разряжаются, а полученный методом электролиза водород — это гарантированный запас энергии, можно сказать, воплощение мечты о чистой энергии, так называемом зеленом водороде. К сожалению, пока всего 2% общего объема водорода в мире производится методом электролиза. 75% водорода получают из природного газа и 25% — сжиганием угля. Цены топлива, полученного по этим технологиям, также несопоставимы: $1,7 за 1 кг водорода из природного газа и $5–10 за водород, полученный электролизом. Впрочем, стоимость зависит от источника энергии. Например, от энергии АЭС зеленый водород вдвое дешевле ($3–5), чем от возобновляемых источников энергии.

Основные организации в России, заинтересованные в получении водорода — это компании «Росатом» и «Газпром». Атомные электростанции нуждаются в сохранении избытка энергии в виде водорода и дальнейшего его использования. А добывающая компания хочет перерабатывать природный газ в водород, имея соответствующие установки непосредственно в местах использования, например на автомобильных заправках. Для решения проблемы транспортировки водорода можно переводить его в спирты — метанол, диметиловый эфир, чтобы получать из них водород, что называется, «по требованию» для дальнейшего использования на энергоустановках. Это химия получения водородсодержащих компонентов, и она достаточно хорошо освоена.

Как перестать сжигать топливо

Вообще, заявления о том, что водород — это экологически чистое топливо, не совсем справедливы. Из школьного курса химии мы помним, что после сжигания водорода получается вода. Но горит-то он в воздухе, где высокое содержание азота, и в результате реакции кислорода и азота при высоких температурах мы получаем те же токсичные оксиды азота, что и при сжигании бензина, только в меньшем объеме. Собственно, водород здесь ни при чем: любое высокотемпературное горение вызывает в воздухе реакцию взаимодействия кислорода и азота с образованием оксидов. По этой причине получать электричество с помощью сжигания любого топлива — это не самый экологичный способ. А тем более углеводородного, которое сгорает с выделением выбросов углекислого газа в атмосферу. Чтобы решить проблемы с выбросами в атмосферу, нужно прекратить сжигать топливо и снизить градус его потребления до комнатной температуры. В этом могут помочь топливные элементы.

Применение водорода в топливных элементах является самым экологичным. Разные топливные элементы используют водород при разных температурах и могут быть более или менее привередливы к его чистоте. Низкотемпературные топливные элементы работают на чистом водороде, а высокотемпературные вполне удовлетворяются синтез-газом. Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию водорода в электрическую (процесс, обратный электролизу) с достаточно высоким КПД. Институт катализа СО РАН сотрудничает с российскими производителями топливных элементов — ГК «ИнЭнерджи» и Институтом проблем химической физики РАН, где были разработаны и созданы сверхлегкие топливные элементы для беспилотных летательных аппаратов. В настоящее время там ведутся разработки более крупных топливных элементов для автомобильных передвижных платформ. Рынок топливных элементов еще только формируется, поскольку область их применения постоянно растет. Появляются новые возможности в разработке — осваивается новый экономический сектор. Вопросы могут быть самые разные — например, обеспечение дальних трасс или камер видеонаблюдения источниками связи или возможность установки автономных вышек сотовой связи. Источники водородной энергии всегда работают как тандем «топливный элемент на водороде плюс аккумулятор». Аккумулятор способен сглаживать пиковые нагрузки, а топливный элемент обеспечивает длительную выработку электроэнергии.

Сегодня в мире на топливных элементах работают тысячи небольших энергоустановок. В США, Японии и некоторых странах Европы они уже около 30 лет снабжают водородной энергией небольшие частные поселки, большие и удаленные от города супермаркеты или промышленные объекты. В отличие от дизель-генераторов это намного более бесшумные системы, так что их широко используют как запасные источники энергии в случае сбоев в работе основного источника энергообеспечения.

Сколько стоит чистый воздух

В качестве грантового финансирования на развитие индустрии водородной энергетики некоторые страны ЕС ежегодно выделяют сотни миллионов евро, США — сотни миллионов долларов. Совокупные вложения Европы и США в эту отрасль исчисляются миллиардами. Сейчас многие компании во всем мире делают попытки использовать источники энергии на топливных элементах в самых разных областях. В ближайшие десятилетия может измениться сама концепция человеческого энергопотребления.

В России развитие топливных элементов исторически связано с космическими программами в середине ХХ века. Щелочные топливные элементы использовались во многих космических проектах, где требовались автономные энергоустановки.

В 2020 году правительство России утвердило энергетическую стратегию Российской Федерации на период до 2035 года и ключевые меры развития водородной энергетики. В этом же году был создан консорциум по водородной энергетике, куда вошли ведущие научные институты: Томский политехнический университет, Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет. В программе развития водородной энергетики РФ намечено создание водородных кластеров и пилотных проектов по производству и экспорту водорода. Планируется развитие первых коммерческих проектов производства водорода. Сегодня в РФ появляются отдельные пилотные проекты с использованием водородной энергетики, но до массового внедрения пока не дошло: скорее производители демонстрируют свою готовность к реализации подобных проектов в случае выделения финансирования со стороны, например, госкорпораций. Так, в конце 2019 года в Санкт-Петербурге был запущен трамвай на водородном топливе, а ОАО «Газпром» и ОАО «РЖД» в качестве пилотного проекта обсуждают возможность запуска поезда на Сахалине на топливных водородных элементах.

PDF-версия

  • 21
  • 22
  • 23

Водород — новое светлое будущее энергетики?

Развитые страны постепенно отказываются от ископаемого топлива. На смену ему должны прийти экологически чистые источники энергии. Такой альтернативой наряду с электричеством становится водород. Как будет выглядеть водородное будущее и чем «зелёный» водород отличается от «серого» и «синего», рассказывает Фарид Мамедов.

Немецкая фирма «Пауль Вюрт» 12 марта 2020 года анонсировала строительство в Роттердаме электролитической установки по производству «зелёного» водорода. Установку уже успели испытать и признали годной к запуску в промышленное производство. К 2024 году она должна проработать 16 тысяч часов и произвести 960 тонн газа. Гораздо важней, что в атмосферу не попадет 8 тысяч тонн углерода — именно столько выбрасывается при производстве такого количества водорода.

Да, сейчас водород — это грязное производство. На каждый полученный килограмм водорода выбрасывается от 9 до 10 кг углерода. Такой водород получил название «серого». При этом элемент необходим для производства удобрений, используется в металлургическом производстве и химической промышленности. Сейчас мировое производство водорода составляет чуть более 70 млн тонн в год. Его углеродный след составляет более полумиллиарда тонн CO2.

Светлое будущее грязного продукта

Резкое снижение выбросов СО2 в атмосферу, подразумеваемое Парижским соглашением, зависит от глобального перехода к «зелёной» энергетике. По оценкам WRI (Института мировых ресурсов) на транспорт приходится 15,9% мировых выбросов, на промышленность — 18%, строительство и ЖКХ дают 20,4%. Это значит, что необходимо не только внедрение возобновляемых источников энергии, важно перевести все эти отрасли на энергоресурсы с низкой долей углерода. Без этого снизить антропогенные выбросы вдвое к 2050 году не получится.

Водород — это просто идеальное решение этой проблемы. Результат его сгорания — пар, то есть вода. Более того, самый перспективный получения водорода — электролиз воды. А это создаёт нечто наподобие замкнутого цикла, когда ресурсы газа будут восполняться при его потреблении. Никакой другой «зеленый» энергоресурс не дает такой возможности. Биотопливо, коксовый газ, аммиак — все при сжигании выбрасывают в атмосферу целый букет парниковых газов.

Есть только одна загвоздка: в отличие от нефти или газа, больших запасов водорода в естественных условиях просто нет. Водород сейчас — это результат переработки углеводородов со всем скопом сопутствующих проблем. Самым популярным методом получения этого газа остается паровая конверсия метана (95% получаемого водорода). При этом в атмосферу выбрасывается огромное количество углерода. Оставшиеся 5% приходятся в основном на не менее грязный риформинг нефти и нефтепродуктов. Небольшую долю процента составляют электролиз воды — самый массовый из «зелёных» методов получения водорода — и лабораторные биореакторы.

Такое соотношение не устраивает большинство стран, включившихся в водородную гонку. Поэтому стратегии достижения «безуглеродного» будущего нацелены на получение водорода максимально «зелёным» способом.

Цель — водород

Первой страной, которая сформулировала «водородную стратегию» стала Япония в 2017 году. За ней последовали и другие развитые страны. В 2019 году стратегии появились у Южной Кореи и Австралии, в 2020 году сразу у нескольких стран ЕС, от Голландии и Великобритании до Португалии и Франции. А 12 октября 2020 к этому списку стран присоединилась и Россия.

Так как с ходу перейти к «зелёной» энергетике не получится, программы предусматривают промежуточные меры. В первую очередь, это использование для перевозки и хранения водорода газовой инфраструктуры. Например, добавление 20% водорода к природному газу приведет к снижению выбросов СО2 на 7%.

Читайте также  Модели полупроводниковых диодов

Другой целью стал транспорт. В норвежской стратегии подчеркивается, что число электромобилей и автомобилей с водородными топливными ячейками должно достигнуть 50 тысяч к 2024 году. Их покупка не облагается НДС, а владельцы не обязаны платить транспортный налог до 2023 года. А Нидерланды планируют в ближайшие пару десятилетий перевести весь общественный транспорт на «водородную» тягу. Помимо этого, разрабатываются многочисленные варианты турбин, работающих на смеси природного газа и/или водорода. По такому же пути идут и другие страны, включая Германию.

Водородный транспорт

При этом у некоторых участников водородной гонки уже есть инфраструктура для водородного транспорта. Французская компания Air Liquide, один из лидеров рынка переработки газа, уже успела установить по всему миру более 120 водородных заправочных станций. Концерн Тойота еще в 2013 году выпустил на рынок водородную модель — «Мираи». В Токио, Лондоне уже давно ходят автобусы на водородных топливных элементах. Скоро к нем должен присоединиться Эдинбург.

В Германии в 2018 году стали регулярно ходить пригородные водородные поезда. Фирма Alstom, которая их выпускала, получила заказ на 27 машин. В Великобритании в 2019 году запустили экспериментальный водородный экспресс. К 2040 году в стране собираются полностью избавиться от парка дизельных локомотивов.

К 2030 году Китай, Южная Корея, Япония и штат Калифорния должны будут выпустить 4,6 млн автомобилей на водородном топливе. Одновременно с производством машин планируется и инфраструктура для них. Только в Калифорнии и Нидерландах будет построено по тысяче водородных заправок.

Несмотря на то, что Россия присоединилась к гонке сравнительно поздно, в 2019 году Росатом и «Трансмашхолдинг» тоже решили запустить производство водородных поездов. РЖД планировало тестировать их на Сахалине. А летом 2020 года в подмосковной Черноголовке наконец открылась первая в стране водородная заправка. За счет этих «первых шагов» в будущем нам пророчат взрывной рост водородного транспорта.

Водородная заправка в Черноголовке. Фото: Олег Егоров / vk.com

Где еще будут использовать водород?

Важнейший элемент стратегий — это «энергетическая» реформа ЖКХ. В Великобритании первопроходцем станет Лидс: там энергоснабжение будет полностью водородным. А согласно плану H21 North of England газовые сети и транспортное оборудование английского севера также переведут под водород. Водородное отопление 4 млн жилых домов и предприятий снизит выбросы СО2 на 20 млн тонн, хотя и обойдутся в огромную сумму — 30 млрд долларов.

И хотя в стратегиях промышленность и сельское хозяйство практически не упоминаются, ассоциации отраслевых игроков тоже участвуют в выработке «водородного будущего». Предполагается, что уже в 2030 году 10% аммиака для удобрений будет получено «зеленым» способом с помощью электролизеров. В современных домнах во время плавки уже используется сингаз, на 55-58% состоящий из водорода. В ближайшем будущем практически все крупнейшие игроки, от Швеции и ФРГ, до США и Бразилии планируют довести долю водорода до 90% и выше, чтобы по максимуму отказаться от кокса. Эти меры позволят снизить на 10-11% выбросы углерода в атмосферу.

Вместе со странами стратегии пишут и многочисленные производители оборудования для ВИЭ. По одной из них у побережья Нидерландов предлагается соорудить гигаваттные оффшорные ветростанции, напрямую завязанные с электролизным производством водорода. Полученную электроэнергию предлагается распределить по всей Европе в зависимости от локального производства водорода. А чтобы сэкономить потребление энергии, стратегия предлагает подключить солнечный и сырьевой потенциал стран Северной Африки. Углеводороды перерабатывались бы в водород прямо на месте, после чего по новым водородным трубопроводам поступали в Европу. Фактически, ЕС получали бы сырьевой придаток к своей «зелёной» энергетики.

России пока ещё далеко до настолько проработанных программ. Основной упор в современной стратегии делается на экспорт водорода на наиболее перспективные рынки, например японский. В то же время, в энергобюллетенях Аналитического центра при правительстве РФ подчеркивается, что использование водородного топлива позволит снизить на треть энергопотребление на удаленных и малозаселенных территориях. Можно сказать, что сочетание ВИЭ и водорода здесь будет выигрышной стратегией.

Пульт управления производством в операторной установке производства водорода на площадке «Новойл» филиала «Башнефть-Уфанефтехим» ПАО АНК “Башнефть”. Фото: Кирилл Каллиников / Фотохост БРИКС/ШОС

Но многое будет зависеть от стоимости производства водорода, которая зависит от технологии получения. Так, стоимость электролиза 1 кг водорода на ветростанции — 4 доллара, с помощью солнечных панелей — 7 долларов. А вот газификация углеводородов и паровая конверсия метана пока обходится всего в 1,5-2,5 доллара.

От серого к синему, желтому и зеленому

Современные «серые» методы получения водорода отрабатывались десятилетиями. Тут даже вопроса не стоит о снижении выбросов углерода — дело в удобстве производства и энергоэффективности.

Как промежуточную меру перехода к безуглеродным способам получения водорода, предлагается дополнить «серый» водород технологией захвата и захоронения углерода (CCS). Такой водород называют «синим». Проблема в том, что технологии CCS совершенно не отработаны. Захваченный углерод предлагают закачивать под землю. Сейчас эти технологии в основном используются для добычи нефти: в обедневшую скважину закачивают СО2, чтобы увеличить добычу. Но, во-первых, «зеленая» энергетика должна увести человечество от постоянной добычи углеводородов, а не увеличить её. А во-вторых, потребности нефтяной промышленности просто не предполагают использование 500 млн тонн углерода.

Гораздо перспективней выглядит получение с помощью АЭС «жёлтого» водорода. Во-первых, в этом случае у нас под рукой есть и пар, и избыток электроэнергии. А во-вторых, электролиз Н2 не даст дополнительных выбросов СО2 в атмосферу. В США из-за понижения расценок на кВт/ч, выработанных с помощью ВИЭ, получение водорода на АЭС уже признано стратегией спасения этой отрасли энергетики. С 2019 года местное Минэнерго выделяет крупные гранты на эксперименты в этой области.

В эту ядерно-водородную гонку потихоньку включаются все ядерные державы. Во Франции и Великобритании крупнейшие операторы и владельцы АЭС также рассматривают вопрос производства «жёлтого» водорода. В России Росатом планирует к 2030 году создать атомную электротехнологическую станцию (АЭТС) производства водорода. Так же в планах у компании создание целой сети ядерно-водородных комплексов на базе уже имеющихся АЭС.

Однако наиболее перспективным считается использование возобновляемых источников для создания дешевого и действительно «зелёного» водорода. На это опираются большинство стратегий перехода к «безуглеродному миру». Насколько все серьезно, говорит проект с сооружением самого большого в мире завода по производству водорода в Саудовской Аравии на базе солнечной электростанции. И это только начало.

Биоводород: отходы превращаются в топливо

Наиболее «хардкорным» способом безотходного производства водорода являются… водоросли. Эксперименты с биореакторами на их основе ведутся уже не первое десятилетие, но результаты пока что не внушают оптимизма.

Сотрудники лаборатории отдела разработки биотехнологических процессов компании Biocad в Санкт-Петербурге занимаются моделированием биотехнологических процессов в биореакторах. Фото: Михаил Киреев / РИА Новости

Потенциально биореакторы способны работать на мусорных и пищевых отходах, тем самым совмещая переработку с получением «чистой» энергии. Лабораторные опыты показывают, что идеальным является двухстадийный процесс: стадия «темной ферментации», когда органика разлагается водорослями под малым воздействием солнечного излучения, и стадия фотоферментации, когда то же самое происходит при «нормальном» излучении. Для каждой стадии нужны свои виды водорослей. Поэтому реактор должен быть мультистадийным. Но пока на каждый килограмм сырья выход в лучшем случае составляет несколько десятков граммов водорода. Водоросли генетически модифицируют, чтобы усилить процессы ферментации, в сырье вводят кислоты и сахара, что удорожает биоректор, но прорыва нет. Увы, сложности биосистем и их «капризность», когда каждый реактор оказывается нетиповым, пока никак не поддаются химикам.

Так что пока наиболее выгодным с точки зрения экологии и технологических затрат остается получение водорода с помощью ВИЭ и АЭС. Это уже готовые технологии, а значит, «зеленый» водород перестал быть экзотической нишей. В ближайшие 15-20 лет мы можем оказаться в «водородном мире». И кто не успеет забраться в этот экспресс, рискует надолго оказаться в аутсайдерах.

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.

Водородные топливные элементы

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.


Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов. Источник: James Humphreys / Wikimedia Commons

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.


Принцип работы водородного топливного элемента. Источник: Geek.com

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.

Проблемы добычи

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.


Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро

Читайте также  Критерии конкурентоспособности услуг ЦРМО-1

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.

Мобильная электростанция 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 м 3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м 3 водорода станции требуется до 2,5 м 3 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.

Монтаж системы H2One в городе Кавасаки

Водородное будущее

Сейчас 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.

Водород — топливо будущего

Проекты по использованию водорода в качестве топлива будущего в нашей стране, похоже, переходят из области научной фантастики в практическую плоскость. Россия, известная как крупный поставщик на международном рынке нефти и газа, в скором времени будет поставлять на европейские рынки водород. Продажи его сейчас только начинают набирать темпы роста. По расчетам специалистов, к 2050 году потребность в водороде увеличится в десятки раз и займёт 15−20% всего мирового рынка энергоресурсов. Начиная с 2040 года, в Великобритании и странах Европы планируют прекратить продажу машин с бензиновыми двигателями. Это решение должно простимулировать эволюцию водородной энергетики и всей её технической составляющей в целом.

Засучив рукава, за дело берутся российские атомщики. Так, в конце 2018 года госкорпорация «Росатом» заявила о своём решении включить водородную энергетику в состав своих «приоритетных направлений технологического развития в составе отраслевого национального проекта». А в роли основного заказчика технических решений для потребностей атомно-водородной энергетики выступает АО «ВНИИАЭС».

Тут важно будет пояснить, что для атомщиков водород – это скорее побочный продукт технологического процесса, как и попутный газ у нефтяников. Скапливаясь, он становится опасным, и его проще сжечь, чем найти какое-то практическое применение. Ох, не зря смесь водорода с кислородом называется «гремучий газ». Даже небольшая концентрация примеси кислорода в водороде делает его взрывоопасным. На АЭС типа ВВЭР в активной зоне реактора и в системе защитных оболочек происходит радиолиз воды с выделением водорода. Для нейтрализации этого опасного явления и обеспечения взрывобезопасности АЭС используют различные системы контроля и газоочистки. Разработкой таких систем занимается АО «ВНИИАЭС», с богатым опытом работы в направлении водородной энергетики и большим числом собственных наработок. Водород нейтрализуют различными способами, но чаще всего сжигают.

Системой «дожигания водорода» оснащены некоторые АЭС в европейской части России:
Кольская АЭС – 4 энергоблока;
Ростовская АЭС – 2 энергоблока;
Балаковская АЭС – 4 энергоблока;
Нововоронежская АЭС – 2 энергоблока;
Калининская АЭС – 3 энергоблока.

По всей видимости, светлые головы учёных-атомщиков решили эту проблему так же, как и известный персонаж фильма «Кавказская пленница»: «Тот, кто нам мешает, тот нам поможет!»

Зачем понапрасну сжигать водород, решили атомщики, когда можно зарабатывать на его продаже. Тем более что в Европе сейчас спрос на него возрастает год от года.

В течение 2019 года в АО «ВНИИАЭС» запланированы формирование заявок на аванпроекты и проработка технических требований технологии выработки, накопления и транспортировки водорода.

Планируются следующие инновационные разработки:
• металлогидридный термосорбционный компрессор с давлением водорода на выходе 80 МПа и производительностью 108 нм3Н2/час;
• электролизер-генератор водорода производительностью 108 нм3 Н2/час;
• установки производства сплавов (сорбентов) производительностью 500 кг/сут.;
• блок производства метилциклогексана гидрированием толуола и логистического центра транспортировки и доставки продуктов ВКЭК (водород/ кислород) к потребителям и водород-хабу.

Также следует отметить проблему, существующую в энергосистемах с неравномерным графиком нагрузок в течение суток. Пиковые нагрузки днём чередуются спадами потребления в ночное время. Переключая часть мощности АЭС на генерацию водорода в периоды спада потребления, можно будет уравнивать графики потребления мощности. Режим работы с равномерным распределением нагрузки является наиболее предпочтительным для всего генерирующего электрооборудования.

В одном из проектов прорабатывается возможная дозагрузка генерирующих мощностей части АЭС в европейской части России для производства товарного водорода под нужды потребителей. Для этих целей рассматривается Кольская АЭС и готовящаяся сейчас к вводу в эксплуатацию ПАТЭС (плавучая атомная теплоэлектростанция) «Академик Ломоносов». Летом 2019 года ПАТЭС планируют разместить у берегов Чукотского АО, в порту Певек. Планируется, что ПАТЭС сможет заменить собой два крупных энергообъекта – Билибинскую АЭС и Чаунскую ТЭЦ.

В заявлении сказано:

Что касается тепла, выделяемого при сжигании водорода с кислородом, то стоит отметить высокую температуру горения этой смеси (почти 3000 градусов Цельсия) с выделением большого количества энергии (до 24 000 Дж/Г). Это свойство применяется при плавлении тугоплавких металлов, кварца и т.п., для создания сплавов, резки и сварки металла. При сжигании водорода не происходит образование вредных веществ, а образуется лишь вода.

Остановимся отдельно на водородных топливных элементах, чтобы читателю было понятно, о чём идёт речь. Можете представить себе батарейку с «бесконечным» зарядом, в которой источником энергии являются не те компоненты, из которых состоит батарея, а постоянно протекающие через нее газы — водород и кислород. Внутри топливного элемента происходит окислительная реакция (2H2 + O2 → 2H2O), а источником тока выступает движение электронов в ионной среде. В качестве катализатора здесь используется дорогостоящая платина, но в скором времени учёные её планируют заменить более дешевыми материалами на основе нанотехнологии.

Это не фантастика. Несколько лет назад начался первый серийный выпуск легкового автомобиля, работающего на водороде. Автомобиль имел гибридный электроводородный «двигатель». Энергия производится с помощью окислительной реакции водорода в электрохимическом генераторе. Вместо вредного выхлопа — вода.

Знакомьтесь, Toyota Mirai (что означает «будущее»). Мощность двигателя 154 л.с., крутящий момент 335 Нм. Время разгона машины от 0 до 100 км/ч всего 9 секунд. Заправка водородом занимает до 5 минут. В машине установлено 2 баллона высокого давления ёмкостью в 60 и 62,4 л водорода. Между прочим, сейчас практически каждый крупный производитель автомобилей ведет свои разработки на топливных элементах. Основным препятствием развития этого направления является отсутствие достаточного числа водородных АЗС, но это дело наживное.

Вот так это выглядит в реальности по всему миру.

Немцы даже выпустили детский набор H2-Sprinter, который представляет собой комплект: гоночный автомобиль с водородным топливным элементом, водородная заправка (электролизер) и солнечный модуль, вырабатывающий электроэнергию для электролиза.

Дети наливали из-под крана воду в «заправочную» станцию, ждали, пока солнце сделает всю работу, заправлялись и гоняли эту машинку на водородном топливе.

В Америке компания Hyundai в рекламных целях предлагает своим клиентам на Tucson FCEV заправляться водородом бесплатно.

А что, мы снова опоздали на этот «праздник жизни»? Где же наши разработки?

Об этом более подробно можно почитать здесь.

Автомобиль «Антэл»

Серия экспериментальных автомобилей «Антэл»: был такой отечественный проект с участием отечественных НИИ и предприятий (концерн «АвтоВАЗ», РКК «Энергия» и др.). При разработке «Антэл-1» на базе ВАЗ-2131 все основные компоненты, разработанные, между прочим, для «Буранов», разместили в багажном отделении. Кроме водородных, в машине располагались и кислородные баллоны, что делало её эксплуатацию небезопасной. Тем более что рядом с кислородом находилось ещё и масло, повышая опасность возгорания и взрыва.

Следующую машину разработали на базе ВАЗ-2111, но главное — избавились от взрывоопасных баллонов с кислородом, заменив их воздушным компрессором. Машина стала значительно легче и улучшила свои характеристики. Пробег автомобиля до 350 км, максимальная скорость до 100 км/ч. Общий объём водородных баллонов — 90 л. Максимальная мощность электрического двигателя — 90 кВт.

Скорее всего, противниками проекта выступили крупнейшие нефтяные компании или наши злейшие друзья — «западные партнёры», хотя формально финансирование этих разработок на ВАЗ в 2004 году было прекращено из-за «сложного финансового положения». А когда в 2005 году сменилось руководство автозавода, то проект «Антэл» полностью свернул свою деятельность.

Теперь мы с завистью смотрим на зарубежные автомобили с водородными топливными элементами, когда могли бы их опередить в своё время. В других странах уже созданы электропоезда, яхты и даже самолёты на водородных топливных элементах. Да, они снова нас обогнали.

Наш президент совсем недавно говорил о необходимости «технологического прорыва» в развитии страны — так вот же эти технологии! Если мы их не будем внедрять, то это всё равно не остановит прогрессирующее развитие водородных технологий по всему земному шару. И всё-таки хочется надеяться, что мы будем не только продавать в другие страны свои углеводородные ресурсы или водород, а ещё и сами сможем в полной мере пользоваться «высокими технологиями» собственного производства.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: