Водородная электростанция

Водородная энергетика — отрасль энергетики, основанная на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки, производства и потребления энергии. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода[1]

Водородная энергетика относится к альтернативной энергетике и рассматривается как часть низкоуглеродной экономики. Переход к водородной энергетике позволяет отказаться от традиционных источников ископаемого топлива и сократить влияние производства энергии на глобальное потепление. 

Производство водорода

Существует четыре основных источника промышленного производства водорода: природный газ, нефть, уголь и электролиз; на долю которых приходилось 48%, 30%, 18% и 4% мирового производства водорода соответственно в 2010-х годах.

Диоксид углерода может быть отделен от природного газа с эффективностью 70-85% для производства водорода и от других углеводородов с различной степенью эффективности.

Паровая конверсия природного газа

Наиболее распространенный метод производства водорода, основывается на паровой конверсии природного газа. Процесс заключается в нагревании газа до температуры 700-1100 °С в присутствии пара и никелевого катализатора. В результате эндотермической реакции молекулы метана распадаются и образуется монооксид углерода СО и водород Н2. Затем газообразный угарный газ может быть пропущен с паром над оксидом железа или другими оксидами и подвергнут реакции сдвига водяного газа для получения дополнительных количеств Н2.

Для этого процесса высокотемпературный (700-1100 °C) пар (H2O) реагирует с метаном (CH4) в эндотермической реакции с получением синтез-газа:

CH4 + H2O → CO + 3H2

На второй стадии дополнительный водород образуется в результате низкотемпературной экзотермической реакции сдвига водяного газа, протекающей при температуре около 360 °C:

CO + H2O → CO2 + H2

По существу, атом кислорода (O) отделяется от дополнительной воды (пара) для окисления CO до CO2. Это окисление также обеспечивает энергию для поддержания реакции. Дополнительное тепло, необходимое для запуска процесса, обычно подается за счет сжигания некоторой части метана.

Недостатком этого процесса является то, что его основными побочными продуктами являются CO, CO2 и другие парниковые газы. В зависимости от качества исходного сырья, одна тонна произведенного водорода также произведет от 9 до 12 тонн CO2.

В настоящее время этот метод является самым дешевым способом производства водорода.

Электролиз воды

Водород может быть получен посредством электролиза под высоким или низким давлением. Кроме того, альтернативой может быть ряд других возникающих электрохимических процессов, таких как высокотемпературный электролиз или электролиз с использованием углерода. Тем не менее, в настоящее время лучшие процессы электролиза воды имеют эффективный электрический КПД 70-80%, так что получается 1 кг водорода (который имеет удельную энергию около 40 кВтч/кг) требуется 50–55 кВтч электроэнергии.

В некоторых частях мира паровая конверсия метана составляет в среднем от 1 до 3 долл./кг. Это делает производство водорода с помощью электролиза уже конкурентоспособным во многих регионах.

Водород из биомассы

Производство водорода с помощью водорослей

Ферментативное производство водорода представляет собой ферментативное превращение органического субстрата в биоводород, проявляемое разнообразной группой бактерий с использованием многоферментных систем, включающих три этапа, аналогичных анаэробному превращению. Реакции ферментации не требует световой энергии, поэтому они способны постоянно производить водород из органических соединений в течение дня и ночи.

Фотоферментация отличается от "темной" ферментации, потому что она происходит только при наличии света. Например, фотоферментация с помощью бактерии Rhodobacter sphaeroides происходит по средствам превращения низкомолекулярных жирных кислот в водород.

Электрогидрогенез используется в микробных топливных элементах, где водород вырабатывается из органического вещества.

Биологический водород может быть получен в биореакторе водорослей[2]. Также биологический водород может быть получен в биореакторах, которые используют отходы. В процессе используются бактерии, питающиеся углеводородами и выделяющие водород и углекислый газ. Углекислый газ может успешно преобразовываться в газообразный водород.

Биокатализированный электролиз

Помимо стандартного электролиза, существует электролиз с использованием бактерий. При биокатализированном электролизе водород образуется после прохождения различных растений через микробный топливный элемент (Microbial fuel cell). К ним относятся тростниковая сладкая трава, кордграсс, рис, помидоры, люпин и водоросли.

Термохимическое производство

Есть более чем 350 термохимических процесса, которые могут быть использованы для расщепления воды на кислород и водород. Около дюжины таких процессов исследуются и находятся на стадии испытаний с целью получения водорода и кислорода из воды и тепла без использования электричества. Эти процессы потенциально могут быть более эффективными, чем высокотемпературный электролиз.

Термохимическое производство водорода с использованием химической энергии из угля или природного газа обычно не рассматривается, поскольку прямой химический путь более эффективен.

Инфраструктура производства и доставки

Водородная инфраструктура будет состоять в основном из промышленного водородного трубопроводного транспорта и оснащенных водородом заправочных станций, подобных тем, которые находятся на магистрали. Водородные станции, не расположенные вблизи водородного трубопровода, будут снабжаться через водородные резервуары, прицепы для сжатого водорода, прицепы для жидкого водорода, автоцистерны для жидкого водорода или специальное производство на месте.

Хранение

Сжатый водородный газ 

Увеличение давления водорода позволяет увеличить его плотность и сократить необходимый объем резервуаров. Такими резервуарами могут стать цистерны из углеродного и стеклопластикового армирующего пластика.

Немногие материалы подходят для водородных резервуаров, поскольку водород имеет свойство диффундировать через многие материалы и вызывает ослабление в некоторых типов металлических контейнеров.

Жидкий водород

В качестве альтернативы можно использовать жидкий водород с более высокой плотностью. Однако жидкий водород является кипит при температуре -252°C. Криогенное хранение сокращает вес, но требует большого количества энергии для охлаждения и поддержания температуры. Резервуары для хранения жидкого водорода должны быть хорошо изолированы, чтобы свести к минимуму выкипание.

Водород сжижается путем снижения его температуры до -253 °C, аналогично сжиженному природному газу, который хранится при -162 °C.

Первый терминал с хранилищем для жидкого водорода был сделан в Кобе (Япония).

Хранение в виде гидрида

В отличие от хранения молекулярного водорода, водород может храниться в виде химического гидрида[3] или в каком-нибудь другом водородсодержащем соединении. Газообразный водород реагирует с некоторыми другими материалами для получения материала для хранения водорода, который может быть транспортирован относительно легко. В месте использования материал для хранения водорода может разлагаться, образуя газообразный водород.

Наряду с проблемами массы и объемной плотности, связанными с хранением молекулярного водорода, существующие барьеры для практических схем хранения обусловлены высоким давлением и температурными условиями, необходимыми для образования гидридов и выделения водорода.

Адсорбция

Третий подход заключается в адсорбции молекулярного водорода на поверхности твердого материала для хранения. В отличие от гидридов, упомянутых выше, водород не диссоциирует/рекомбинирует при зарядке/разрядке системы хранения и, следовательно, не страдает от кинетических ограничений многих систем хранения гидридов.

Плотность водорода, аналогичная сжиженному водороду, может быть достигнута с помощью соответствующих адсорбирующих материалов. Некоторые предлагаемые адсорбенты включают активированный уголь, наноструктурированные угли, металл-органические каркасные структуры и гидрат клатрата водорода.

Транспортирование

В исходном газообразном состоянии предполагается перекачивать водород по трубопроводу. В сжатом виде водород сохраняется в баллонах, это известная технология. Основная трудность – в обеспечении высокого давления. Но металлические баллоны с толстыми стенками очень тяжелые и дорогие. В качестве альтернативы ученые рассматривают переход на углеродное волокно.

Транспортировка водорода в сжиженном виде на корабле

В сжиженном состоянии газ хранится и транспортируется более компактно. Специалисты по сжижению водорода из южнокорейской компании MetaVista создали водородный топливный бак с рекордной плотностью энергии. В 2019 году появился прототип бака, в котором водород будет упакован и транспортирован в три раза плотнее по сравнению с сжатым газом. Таким способом планируется транспортировать водород и в СПГ-танкерах. О планах производить водород в Австралии на местных залежах бурого угля путем газификации объявила Япония. Оставшийся уголь планируется захоронить обратно, а водород доставят в Японию в СПГ-танкерах.

Еще одно направление – хранить водород в твердом виде в составе гидридов разных элементов. Способ не предполагает особых температурных условий или особого давления, а основан на абсорбировании молекул водорода твердым веществом. При этом объем поглощенного водорода в несколько сот раз превышает объем твердого вещества.

Технология пока развита слабо, но одним из перспективных соединений называют борогидрид натрия. Например, в австралийском городке Манилла проводятся такие испытания. Соединение впитывает водород, как губка, а затем с такой же легкостью отдает его. Существующую технологию усовершенствовал профессор Кондо-Франсуа Агуэй-Зинсоу в Школе химического инжиниринга Университета Нового Южного Уэльса (UNSW). Исследования проводятся на базе стартапа H2Store. Транспортировать «твердый» водород можно в стандартных контейнерах.

Для хранения больших объемов водорода – от 50 тысяч до миллиона кубометров – начали использовать подземные газохранилища. Реализуются пилотные проекты по заполнению водородом соляных пещер в ЕС и США. Создатели «Водородной долины» в Нидерландах планируют хранить выработанный водород в таких подземных «аккумуляторах». Пригодные для хранения водорода газохранилища есть и в России.

Кроме хранения, важен вопрос транспортировки, который напрямую зависит от агрегатного состояния водорода. В виде газа – по газопроводу в чистом виде или в виде метано-водородной смеси, в твердом – в контейнерах, в сжатом – в баллонах и под давлением, в сжиженном – в СПГ-танкерах.

Водородные автозаправочные станции и обслуживание

Недостаточно произвести водород, сделать его удобным для транспортировки и переправить в район потребления. Для создания полноценной водородной экосистемы необходимо выстроить всю инфраструктуру от производства до топливной заправки.

Водородная заправочная станция

Водородных заправок нужно много, особенно если речь идет о развитии водородного транспорта. И если даже появляются экспериментальные станции, то область поездок все равно ограничена.

Но заправки – еще не все. Необходимо развивать качественное техобслуживание автомобилей с водородными и гибридными двигателями, обучать и сертифицировать кадры не только в крупных центрах, но и по всей стране. Обычные «знакомые из гаража», скорее всего, откажутся работать с технологичной моделью после завершения срока гарантии, и в случае поломки клиент останется без автомобиля.

Возможно выстраивание сети заправочных станций на автомагистралях, подобно бензиновым, дизельным и метановым автозаправочным станциям. Создание подобной инфраструктуры (или трансформация имеющейся) вдоль дороги или шоссе, позволяет свободно передвигаться транспортным средствам, работающим на водороде.

Применение

Основным катализатором для производства водородного топлива является транспортная сеть и объекты энергетики (особенно там, где традиционные по каким-то причинам невыгодны или нежелательны). Активно водородное топливо применяется в следующих сферах.

Автотранспорт

Самая быстроразвивающаяся «водородная» отрасль. По данным Международного энергетического агентства, на конец 2018 года в мире насчитывалось 11 200 водородных автомобилей, и их продажи в тот год возросли на 80 % в сравнении с 2017 годом. Ежегодно спрос растет.

В Германии концерн BMW с 2001 года производит несколько моделей автомобилей на водородном топливе, а сеть заправок – с 2002 года. В Японии, Южной Корее тысячи автомобилей и сотни городских автобусов работают на водородном топливе. Даже в России есть первая экспериментальная водородная заправка при Институте проблем химической физики РАН в Черноголовке Московской области.

Китай продвигается семимильными шагами в своей водородной программе. Уже сейчас в КНР на водород переведено 50 тысяч единиц автотранспорта, включая фуры, в стране более 200 заправок. Но уже в 2026-2035 годы, согласно программе «Белая книга», анонсированной в 2019 году, количество автотранспорта на водороде возрастет до 15 миллионов, а заправок – до 1,5 тысяч. Разумеется, программа была создана до и без учета влияния пандемии и мирового кризиса. Останутся ли цели настолько амбициозными – под вопросом.

Но таких примеров в общемировом масштабе немного. Чисто водородный двигатель – практически безотходный, но сама идея массового использования в настоящий момент утопична. Легче всего пока удается совместить идею гибридного генератора на метане или метаноле или гибрида с бензином. Такой гибрид на электрохимическом генераторе (ЭХГ) используется в некоторых автомобилях Toyota, например, Toyota Mirai, обновленная версия которого выйдет уже в 2020 году.

Железнодорожный транспорт

Железная дорога – один из самых энергоемких видов транспорта, а значит, и один из самых «грязных». Первый поезд на водородных топливных элементах появился в Германии в 2018 году. Годом позже в Великобритании разработали прототип водородного поезда HydroFlex. Новинку показали на выставке Rail Live 2019 и в конце того же года запустили на железные дороги Соединенного Королевства.

Предполагается, что на Сахалине поезда на водородных элементах заменят устаревшие и загрязняющие воздух составы, работающие на мазуте. В истории России это случится впервые. Соглашение о совместной работе РЖД и «Росатом» подписали в 2019 году на V Восточном экономическом форуме. Использование водородного топлива местного производства способно удешевить перевозки.

Генераторы на водороде испытывают и на других видах транспорта: морском и речном, воздушном, городском, производственном. Флагманы разработки водородного транспорта – Германия и Япония.

Энергетика

К водородной энергетике подключились мировые производители энергетического оборудования: Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS), Siemens Energy, Ansaldo Energia и GE Power. Они разрабатывают газовые водородные турбины для массового производства электроэнергии из водорода.

Строятся маломощные водородные электростанции в Китае и Южной Корее. А еще в 2010 году итальянская Enel запустила такой проект стоимостью в 63 миллиона долларов и мощностью 16 мегаватт. Вырабатываемой водородной энергии достаточно для энергоснабжения 20 тысяч частных домов. Этот пригород Венеции перестал выбрасывать в атмосферу до 17 тысяч тонн загрязняющих веществ в год. В 2017 году Enel Green Power Сhile запустила в Чили первую экологически чистую электросеть, которая представляет собой комплекс гибридных накопителей. Это стабильный источник электричества, который питается от солнечных, водородных и литиевых батарей.

Исследования в области водородной энергетики – пример того, как научные сообщества и бизнес объединяются ради достижения цели. Однако есть риск, что многие «пилоты», даже очень успешные на стадии испытаний, могут не выйти на промышленный уровень из-за дороговизны производства и внедрения.

Водородная энергетика в альтернативном будущем

Примечания

  1. Сжигание водорода высвобождает в атмосферу только чистую воду (в виде пара) и не содержит выбросов CO2.
  2. Было обнаружено, что если водоросли лишены серы, они перейдут от производства кислорода (то есть нормального фотосинтеза) к производству водорода.
  3. Соединения водорода с металлами и неметаллами, с имеющими меньшую электроотрицательность чем водород.
Материалы сообщества доступны в соответствии с условиями лицензии CC-BY-SA, если не указано иное.