Рассвет эры водорода. Один из важнейших строительных блоков энергетической головоломки будущего.

Водород десятилетиями был мощным источником энергии и компонентом ракетного топлива во многих космических миссиях. Однако здесь, на Земле, хотя это и возможно, мы вряд ли думаем о нем как о прямом источнике энергии. Развивающаяся, не без серьезных проблем, водородная экономика рассматривает водород как носитель, а не как топливо.

они не могут обеспечить постоянный приток энергии, потому что не всегда дует ветер и не всегда светит солнце. Когда мы трансформируем генерируется избыточная энергия в ветреные или солнечные дни газообразный водород действует как носитель энергии, который мы можем использовать, когда предложение возобновляемой энергии низкое или когда спрос выше, чем обычно.

Встреча “водородная экономика»(1) был придуман Джоном Бокрисом в лекции, которую он прочитал в 1970 году в Техническом центре General Motors (GM). Эта концепция была, кроме того, предложена ранее, в частности, по генетике JBS Haldane’а. Современное понимание водородной экономики во многом основано на докладе Лоуренс В. Джонс из Мичиганского университета, также опубликованного в 1970 году.

Внезапный рост интереса к этой концепции в начале первого десятилетия XNUMX века неоднократно именовался некоторыми критиками и сторонниками альтернативных технологий информационным шумом. В начале XNUMX-х сторонники водорода считали, что водород будет доминировать на рынке. зеленые автомобили. Однако это обещание так и не было реализовано по нескольким основным причинам.

Во-первых, для водородных двигателей требовалась новая инфраструктура, тогда как конкурирующие автомобили с батарейным питанием можно было подзаряжать от вездесущей. электрическая сеть. Во-вторых, мощные батареи к тому времени уже были хорошо разработаны и известны для других применений, таких как компьютеры, а водород — нет. Интерес утих после первой волны энтузиазма.

Итак, водород проиграл (первую) битву за автомобиль. Однако теперь его снова рассматривают для транспортных, промышленных и отопительных задач, которые; например, предполагается, что большому экскаватору потребуется пятитонная батарея, а для дозаправки потребуется несколько часов. Заполнение бака водородом занимает несколько минут.

Оптимизм, написанный на десятилетия

Интерес к этому энергоноситель вернулся во второй половине прошлого десятилетия, особенно с созданием Совета по водороду в Париже в 2017 году. Несколько производителей выпустили автомобили на водородных топливных элементах, а такие компании, как Toyota и промышленные группы в Китае, планируют увеличить количество автомобилей до сотен тысяч в течение этого десятилетия.

Według исследование McKinseyк 2030 году водородная экономика в США он мог бы принести 140 миллиардов долларов и обеспечить 700 2050 рабочих мест. рабочие места. Многое уже сделано в этой области другими странами и регионами. Совет по водороду надеется, что в соответствии с целями Парижского соглашения к 400 году «водород будет питать более 15 миллионов автомобилей, от 20 до 5 миллионов грузовиков и около 12 миллионов автобусов», а также XNUMX% от общего количества. общий мировой спрос на энергию.

Европейский союз объявила о своей водородной стратегии для Европы, заявив, что водород является важной частью решения для достижения цели климатической нейтральности к 2050 году в рамках Европейского зеленого соглашения. Он также хочет представить евро как глобальная справочная валюта для торговли водородомточно так же, как доллар США является валютой сырой нефти.

Япония, которая может похвастаться самым большим количеством водородных заправочных станций в мире (2), хочет быть лидер в производстве водородных автомобилей. План водородной экономики Южной Кореи предполагает, что к 2040 году 30 процентов. города в этой стране будут полностью работать на водороде. Китай является крупнейшим производителем водорода в мире. Австралийская национальная водородная стратегия направлена ​​на то, чтобы «использовать растущий глобальный интерес к чистому водороду и сделать его нашим следующим экспортным товаром». В настоящее время на различных стадиях развития находится около четверти тысячи крупных водородных проектов — в основном в Европе, Азии и Австралии.

2. Станция заправки водородом

Некоторые страны предпринимают действия в более радикальном масштабе, чем другие, потому что они особые условия благоприятствуют водородной экономике. Примером может служить Исландия, которая взяла на себя обязательство стать первой в мире водородной экономикой к 2050 году. Исландия находится в уникальном положении. Он импортирует все нефтепродукты, необходимые для питания его автомобилей и рыболовного флота. В то же время Исландия обладает большими геотермальными ресурсами, настолько большими, что местная цена на электроэнергию ниже, чем цена на углеводороды, которые можно было бы использовать для ее производства. В этой конкретной ситуации производство водорода становится жизнеспособной альтернативой ископаемым источникам, и исландцы этим пользуются.

Польша может и не принадлежать к группе таких стран, как Исландия, с особо благоприятными условиями, но тоже пытается войти основной водород. В прошлом году PGNiG подписала соглашение с консорциумом компаний из Польши и Великобритании о развитии водородных технологий в Польше. В рамках соглашения будет построена пилотная водородная заправочная станция. Объявленная ранее исследовательская программа PGNiG в области водорода предусматривает производство водорода, в том числе экологического водорода с использованием возобновляемых источников энергии, хранение и распределение водорода, а также промышленное применение.

Крупные концерны также объявляют о планах присоединиться водородная революция. стремится создать первый в мире коммерческий самолет с нулевым уровнем выбросов к 2035 году и видит способ сделать это с помощью водородных двигателей. И в некотором роде американская компания HyPoint, специализирующаяся на разработке топливных элементов для самолетов, представила первый рабочий прототип своего водородный топливный элемент с воздушным охлаждением. Калифорнийский стартап, который планирует запустить свои топливные элементы в 2022 году, объявил, что отношение мощности к весу (2000 Вт на килограмм) намного лучше, чем у моделей, которые он разработал до сих пор.

HyPoint уже поставляет ZeroAvia, разработавшую прототип Piper M с водородным двигателем, и Urban Aeronautics, компанию, разработавшую летающее такси на топливных элементах.

Немецкий концерн BMW недавно объявил, что его водородные решения, известные как Водород Далее, выйдет на рынок в 2022 году, а новая модель автомобиля, созданная на базе актуального X5(3), станет первым автомобилем, оснащенным этим силовым агрегатом. Производитель автомобилей работает с Toyota, лидером в разработке водородных силовых агрегатов, над разработкой технологий для своих автомобилей. С лета 2015 года BMW Group проводит испытания опытных автомобилей на базе BMW 5 серии GT, оснащенных совместно разработанным система топливных элементов.

3. Презентация BMW X5 Hydrogen Next — система водородных топливных элементов на переднем плане

Развивающаяся водородная экономика по-прежнему сталкивается со многими техническими и логистическими проблемами. Например, хотя затраты быстро падают, водород по-прежнему дорог по сравнению с другими видами энергии. Кроме того, хотя водород часто упоминается в контексте низкоуглеродистых видов топлива, следует помнить, что сам водород не обязательно зеленыйи только настолько экологичным, насколько экологическим является метод его производства. Хотя то же самое. Это может происходить в результате экологически вредного процесса сжигания угля или из возобновляемых источников энергии.

Когда сегодня упоминается слово «водород», мы обычно думаем о транспорте, автомобилях, автобусах, может быть, поездах или грузовиках с восемнадцатью колесами. Тем не менее, водород имеет множество применений, и лучшее понимание его других применений и проблем, связанных с ними, имеет важное значение для вход в водородную экономику это имело смысл. Он уже широко используется производителями стали, химикатов, удобрений на основе аммиака и биотоплива. Он также смешивается с природным газом и доставляется по газопроводам.

Хранение водородной энергии (4) имеет решающее значение для развитие возобновляемой энергетикии более широкое использование водорода в хранилищах возобновляемой энергии может снизить стоимость обоих. Однако осуществить рентабельный и хорошо регулируемый переход сложно, а стоимость производства водорода из возобновляемых источников энергии в настоящее время высока. Водород может стабилизировать изменчивую выходную мощность возобновляемых источников энергии, таких как фотогальваника и ветер, с возможностью хранить огромное количество электроэнергии в течение нескольких дней, недель и месяцев.

В настоящее время ежегодно производится 80 миллионов тонн водорода. Многие прогнозы предсказывают, что в долгосрочной перспективе, к 2050 году, производство увеличится примерно до 500 миллионов тонн. 95 процентов полученный водород – в основном в результате процесса, называемого парометановым риформингом (ПМР). Небольшая его часть производится в процессе электролиза, в котором электричество используется для разделения водорода и кислорода. Еще меньше производится из возобновляемых источников энергии.

4. Методы накопления энергии и параметры разряда

В зависимости от уровня выбросов, связанных с производством водорода, этот газ имеет разные цвета. И так, напр. серый водород он производится из ископаемого топлива, которое вызывает выбросы, синий водород он производится из невозобновляемых источников, чьи выбросы углерода улавливаются и секвестрируются или преобразуются. Зеленый водород он сделан из возобновляемой энергии.

Транспорт газообразного водорода осуществляется трубопроводным транспортом, а в сжиженном виде – судами, как и в случае сжиженного природного газа СПГ (5). После преобразования водорода в электричество и метан его можно использовать для питания домов и промышленности, а также в качестве топлива для автомобильного (автомобили, грузовики), морского (корабли), железнодорожного и воздушного транспорта.

Однако водород по-прежнему играет минимальную роль в энергетике, составляя менее 0,2% от общего количества. производство электроэнергии. В ближайшем будущем изменить это положение дел можно быстрее, благодаря разного рода гибридным решениям. Совместное сжигание аммиака может снизить долю угля в существующих традиционных угольных электростанциях, водородных газовых турбинах и газовых турбинах с комбинированным циклом (ПГУ).

в отношении долгосрочный i крупномасштабное хранение энергии, водород в форме сжатого газа, аммиака или синтетического метана играет роль в уравновешивании сезонных колебаний спроса и предложения возобновляемой электроэнергии. Преобразование водорода в топливо на основе водорода, такое как синтетический метан, метанол и аммиак, а также в синтетическое жидкое топливо успешно используется в транспортном секторе в качестве синтетического топлива для реактивных двигателей и в судоходстве (в качестве аммиака).

5. Suiso Frontier — первое в мире судно на сжиженном водороде, сданное в эксплуатацию

в 2020 году в Японии

Водородная экономика сейчас это еще больше видение будущего, в котором водород используется в качестве топлива для отопления и транспортных средств, работающих на водороде, для хранения энергии и для транспортировки энергии на большие расстояния, чем реальность. На ее пути еще много испытаний.

К ним относятся, прежде всего, трудности в разработке эффективной и экономичной технологии добычи этого газа, долгосрочное дешевое хранение, трубопроводы и проблемы проектирования, особенно в области безопасности. водородные двигатели. По взрывоопасности смесей с воздухом опаснее водорода только ацетилен, силан и окись этилена. Это означает, что утечка водорода из системы, скорее всего, приведет к взрыву, а не к обычному пожару.

Использование водорода особенно опасно в замкнутых пространствах, таких как туннели и подземные автостоянки. Пламя чистого водорода и кислорода горит в ультрафиолетовом диапазоне и практически невидимо невооруженным глазом, поэтому для обнаружения утечки водорода требуется специальное обнаружение. Как и природный газ, водород не имеет запаха, поэтому по запаху невозможно обнаружить утечки.

Вездесущий газ, но не так легко доступен

Хотя изначально считалось, что газообразный водород не встречается в естественных условиях в подходящих резервуарах, со временем было показано, что пригодных для эксплуатации «залежей» водорода не так много. В последние годы были сделаны новые открытия природного водорода в геологических средах континентального побережья, что дает возможности для удовлетворения местных потребностей. Большая часть водорода в литосфере связана с кислородом в воде. Следовательно, производство водорода требует потребления носителя водорода, что может быть ископаемое топливо Lub вода.

В 2019 году почти весь (95%) водород, ежегодно потребляемый в мире в промышленных целях, был получен в результате производства в паровом процессе. конверсия метана (SMR), который также выпускает углекислый газ.

В 2019 году все производство водорода ежегодно выбрасывало 830 миллионов тонн углекислого газа. Однако все чаще используются установки для секвестрации CO.₂ сопровождающие SMR значительно улучшают эмиссионный баланс этого метода. Около половины произведенного водорода используется в процессе Габера для производства аммиака (NH₃), который затем прямо или косвенно используется в качестве удобрения. Аммиак можно использовать как более безопасный и простой способ транспортировки водорода по сравнению со сжатым и сжиженным газом. Затем транспортируемый аммиак может быть преобразован обратно в водород на распределителе с помощью мембранная технология.

Возможная альтернатива с меньшими выбросами, чем риформинг, является относительно новой. метод пиролиза метана. Пиролиз метана (природного газа), при котором метан пропускают через катализатор из расплавленного металла, представляет собой «непарниковый» подход к производству водорода, который был улучшен в 2017 году и в настоящее время проходит испытания во все возрастающих масштабах. Процесс проводят при высоких температурах (1065°С).

Как упоминалось выше, небольшое количество водорода производится из воды (электролиз), обычно в виде продукта побочный продукт получения хлора из морской воды. Известны процессы высокого давления или ряд других новых электрохимических процессов, таких как высокотемпературный электролиз или электролиз с использованием углерода.

Электролитические методыесли нет действительно дешевой электроэнергии, то они слишком дорогие. Даже считающиеся в настоящее время лучшими процессы электролиза воды не обеспечивают сбалансированного энергетического баланса. Для производства одного килограмма водорода (имеющего удельную энергию 143 МДж/кг или около 40 кВтч/кг) требуется 50-55 кВтч электроэнергии. В некоторых регионах мира стоимость паровой конверсии метана составляет в среднем 1-3 долл./кг без учета стоимости компримирования водорода. Это делает производство водорода электролизом уже конкурентоспособным с точки зрения затрат.

Это основные способы получения водорода. Эксперименты по другим методам проводились годами. Однако это все еще область исследований и научных экспериментов. К ним относятся, например, ферментативное производство водорода, т.е. превращение органических субстратов в биоводород, которое происходит благодаря бактериям и ферментам. Существует множество вариаций этих процессов, даже среди них электрогидрогенез, используемый в микробных топливных элементах, где водород производится из органических веществ (например, из сточных вод или твердых веществ) при напряжении 0,2-0,8В.

Биологический водород его также можно производить в биореакторе с водорослями. В конце 90-х годов было обнаружено, что если лишить водоросли серы, они переключатся с производства кислорода или нормального фотосинтеза на производство водорода. В этом процессе бактерии питаются углеводородами и выделяют водород и CO.₂который можно успешно изолировать несколькими методами, оставив газообразный водород.

они также могут обеспечить новую форму электролиза. При биокатализируемом электролизе водород получают после прохождения его через микробный топливный элемент, и для этой цели можно использовать различные водные растения. К ним относятся тростник, рис, помидоры, люпин и водоросли.

В то время как электроэнергия, вырабатываемая на атомных электростанциях, может использоваться для электролиза, как и любая другая, ядерное тепло также может использоваться напрямую. Высокая температура (950-1000°С) ядерные реакторы Охлажденный газ может термохимически извлекать водород из воды. Исследования высокотемпературных ядерных реакторов могут в конечном итоге сделать этот источник конкурентоспособным по цене с паровым риформингом природного газа.

Высокотемпературный электролиз был продемонстрирован в лаборатории при 108 МДж (тепловых) на килограмм произведенного водорода, но не в промышленных масштабах. Однако это водород более низкого качества, не подходящий для топливные элементы.

Использование электроэнергии, вырабатываемой фотогальваническими системами это самый чистый способ производства водорода. Вода расщепляется на водород и кислород в процессе электролиза – фотоэлектрохимической ячейки (ФЭХ), которую также называют искусственным фотосинтезом. Уильям Эйерс из Energy Conversion Devices продемонстрировал и запатентовал первую многопереходную высокоэффективную фотоэлектрохимическую систему для прямого расщепления воды в 1983 году. В университетах и ​​фотогальванической промышленности продолжаются исследования по разработке высокоэффективной технологии многопереходных элементов. Если процессу помогают фотокатализаторы, взвешенные непосредственно в воде, вместо использования фотогальванической и электролитической системы, реакция является только одной стадией, что может повысить выход. В 2015 году сообщалось, что Panasonic Corp. разработал фотокатализатор на основе нитрида ниобия, который может потреблять 57 процентов. солнечного света, получая энергию для расщепления воды с образованием водорода.

Сжимать, уплотнять или завязывать?

Еще одной проблемой, стоящей перед водородной экономикой, является сложность хранения этого газа. Существует четыре основных группы решений для хранения водорода: геологические, компрессионные, сжиженные и широкий спектр решений, которые химически или физически объединяют водород с другими веществами, которые можно в совокупности назвать – хранение материалов.

в отношении геологическое хранилище, недавно было объявлено крупнейшим в мире проект по хранению возобновляемой энергии, получившее название Advanced Clean Energy Storage, которое будет расположено в штате Юта, США. В рамках проекта водород, полученный из избыточной возобновляемой энергии, будет храниться в комплексе подземных соляных пещер. В одной пещере будет достаточно возобновляемого водорода, чтобы обеспечить 150 XNUMX рабочих мест. МВтч чистой энергии.

Энергетические системы Мицубиси Хитачи предоставит технологии для преобразования излишков возобновляемой энергии в зеленый водород. Немецкое исследование по хранению водорода в соляных кавернах показало, что если бы избыточные мощности Германии (7% от общего объема переменного возобновляемого производства к 2025 году и 20% к 2050 году) были преобразованы в водород и хранились под землей, для этого потребовалось бы около 15 каверн по 500 2025 каждая. кубометров каждая к 60 году и около 2050 каверн к XNUMX году, что соответствует примерно одной трети от числа газовых каверн, используемых в настоящее время в Германии.

Другие варианты геологического хранения включают те, которые были истощены. нефтяные и газовые месторождения и водоносные горизонты. В США лаборатории Sandia исследуют хранение водорода в истощенных нефтегазовых месторождениях, которые могут легко поглощать большое количество возобновляемого водорода, поскольку существует примерно 2,7 миллиона истощенных скважин.

Другой метод — сжатие. Если он будет использоваться в качестве топлива, например, храниться в транспортном средстве, чистый водород должен храниться в энергоемкой форме, чтобы обеспечить достаточный запас хода. Повышение давления газа улучшает плотность энергии на единицу объема, что позволяет использовать резервуары меньшего размера.

Стандартным материалом для хранения водорода под давлением в трубчатых прицепах является сталь. Баки из углеродного волокна и пластика, армированного стекловолокном, например, устанавливаемые на автомобили Toyota Mirai и грузовики Kenworth, должны соответствовать стандартам безопасности (6). Немногие материалы подходят для резервуаров, потому что водород, небольшая молекула, имеет тенденцию диффундировать через многие полимерные материалы. Наиболее популярным способом хранения водорода на борту современных автомобилей является водород под давлением 700 б = 70 МПа. Энергозатраты на сжатие водорода до такого давления значительны.

6. Водородный топливный бак в машине

Следующий способ скрапланирование. Космическая промышленность уже много лет использует сжиженный водород для приведения в движение ракет. Однако хранение жидкого водорода технически сложно и очень дорого. Водород должен быть охлажден до -253 °C и храниться в изолированных резервуарах, чтобы поддерживать низкую температуру и минимизировать испарение. Однако ожидаемое широкое использование возобновляемого водорода может привести к экономии за счет масштаба, что сделает сжижение более экономичным вариантом хранения. Конденсацию также можно сочетать с компрессионной техникой. При хранении в сжиженном виде в том числе Японии, где в Кобе были построены самые большие танки этого типа в мире.

Альтернативой хранению сжатого и сжиженного водорода является хранение материалов. В этом методе используются материалы, твердые вещества или жидкости, которые благодаря своим химическим свойствам могут поглощать водород или реагировать с ним. В настоящее время аммиак (7) делает карьеру в качестве носителя водорода в этом смысле, что дает возможность преобразовывать водород в жидкое топливо легче, чем путем сжижения.

водород его также можно хранить в виде химического гидрида или в другом водородсодержащем соединении. Газообразный водород вступает в реакцию с другими материалами для получения материала для хранения водорода, который можно относительно легко транспортировать. В точке применения материал для хранения водорода может быть разложен с образованием газообразного водорода. Французская компания McPhy Energy работает над промышленным продуктом на основе гидрида магния, который уже продан нескольким крупным клиентам, таким как Iwatani и ENEL.

7. Отгрузка первой партии аммиака синего в Японию.

Другой подход заключается в адсорбции молекулярного водорода твердым материалом для хранения. Рассматриваемые материалы активированный уголь, наноструктурированный углерод (включая УНТ), металлоорганические структуры (MOF) и водородные клатраты. Продолжаются исследования по использованию графена, углеродных нанотрубок и других наноструктур, которые могут физически или химически связывать, а затем выделять водород. Есть также такие идеи, как хранение в стеклянных микрокапиллярах.

Более поздние разработки включают «топливо» на основе водорода, разработанное учеными из Института Фраунгофера в Дрездене, которое, по их мнению, идеально подходит для небольших транспортных средств — powerpaste, водородная «паста» (8) на основе гидрида магния.

«Powerpaste хранит водород в химической форме при комнатной температуре и атмосферном давлении, а затем высвобождает его по требованию», — объяснил доктор Маркус Фогт, исследователь Fraunhofer IFAM, в начале февраля 2021 года.

И потому что силовая паста он начинает разлагаться только при температуре около 250°С, остается безопасным даже при многочасовом стоянии электросамоката на палящем солнце. Кроме того, заправка чрезвычайно проста. Вместо поездки на заправку пользователю достаточно заменить пустой картридж на новый, а затем заполнить бак водой из сети. Это можно делать как дома, так и в дороге. Из-за своей огромной плотности накопления энергии Powerpaste также является интересным вариантом для автомобилей, фургонов и систем увеличения запаса хода электромобилей с батарейным питанием.

8. Powerpaste от Института Фраунгофера

Наконец, существует также метод «электроэнергия в газ», который в принципе преобразует электроэнергию в газовое топливо. Есть два метода, первый включает использование электричества для разложения воды и нагнетание полученного водорода в сеть природного газа. Второй (менее эффективный) метод используется для преобразования углекислого газа и воды в метан с помощью электролиза и реакции Сабатье. Избыточная мощность или непиковая мощность, генерируемая ветряными генераторами или солнечными панелями, затем используется для балансировки. нагрузка на электросеть.

Эта методика близка к практической реализации в больших масштабах. Например, Великобритания завершила свои исследования и готовится начать закачку водорода в газовую сеть. Используя существующую систему преобразования природного газа в водород, производитель топливных элементов Hydrogenics и дистрибьютор природного газа Enbridge объединили усилия для разработки такой системы газоснабжения в Канаде. Во многих странах по газовым сетям до перехода на природный газ транспортировался «городской газ», который составлял 60% газа. или более водорода. Таким образом, в хранении и транспортировке этого газа для них нет ничего нового.

Двигатель, производящий воду

Большинство топливных элементов он использует водород на аноде и кислород на катоде для производства электроэнергии. Основным типом топливных элементов являются водородно-кислородные элементы с протонообменной мембраной (полимерный электролит).

Тонкий слой полимера, проводящего протоны, разделяет анод и катод. Обычно электроды имеют форму науглероженной бумаги с платиновым покрытием в качестве катализатора реакции. Газообразный водород вводится в область пористого анода, где он окисляется (отдает электроны, е-), в результате чего образуются катионы водорода (протоны), Н+. На катоде кислород реагирует с электронами, восстанавливая до. Полупроницаемая мембрана пропускает только протоны (от анода к катоду), но не пропускает другие ионы, включая анионы кислорода (от катода к аноду). Достигнув катодного пространства, катионы водорода реагируют с анионами оксида, давая воду (пар или жидкость). Электроны от анода достигают катода по электрической цепи, генерируя ток, питающий устройства (9).

Они существуют разновидности топливных элементовв котором этот газ производится в ячейке путем сжигания богатых водородом химических веществ, таких как метан или метанол. Водород, хранящийся в связанном виде, легче транспортировать, он занимает меньший объем и не требует конденсации при очень низких температурах. Однако эффективность таких элементов ниже, и они часто помимо водяного пара выделяют углекислый газ. Тем не менее, они по-прежнему «чище» и эффективнее традиционных двигателей внутреннего сгорания.

9. Схема водородного топливного элемента

В отличие от батарей и аккумуляторов, топливные элементы они не накапливают энергию. Без подачи топлива процесс производства электроэнергии останавливается. Однако есть устройства, которые объединяют солнечные элементы с топливным элементом, производя водород путем электролиза. В такой системе водород днем ​​вырабатывается из солнечной энергии, а ночью сжигается в ячейке. КПД такого процесса (электричество → водород → электричество) находится в пределах 30-40 процентов. Аналогичное решение может быть использовано в ветропарке. Когда дует сильный ветер, избыточная энергия запасается в виде водорода. Когда ветер ослабевает, нехватка электроэнергии покрывает выработку энергии в топливном элементе.

Принцип работы топливных элементов обратный процессу электролизв котором электрический ток пропускают через воду, чтобы разделить связи между атомами кислорода и водорода. Эффективность топливного элемента зависит от потребляемой мощности. Чем выше потребляемая мощность, тем ниже КПД ячейки. Большая часть потерь проявляется в виде падения напряжения на ячейке, поэтому КПД можно представить как функцию напряжения в зависимости от нагрузки на ячейку. Типичная ячейка, работающая при напряжении 0,7 В, имеет КПД около 50 процентов, значит, 50 процентов. энергия водородного топлива преобразуется в электричество, остальные 50 процентов. он превращается в тепло.

В силовых установках на топливных элементах (FCEV) электричество, генерируемое потоком электронов в топливном элементе, может использоваться для привода электродвигателя, выработки механической энергии, привода аксессуаров и зарядки высоковольтных батарей. Путем штабелирования нескольких топливных элементов можно увеличить напряжение, а за счет подачи в элементы большего количества воздуха и водорода или за счет увеличения площади активной поверхности элементов можно получить больший ток и, следовательно, большую мощность для данного приложения.

Затем модуль топливного элемента может быть интегрирован в полную систему электроснабжения с соответствующими охлаждающими устройствами, такими как охладители, вместе с силовой электроникой, резервуарами для хранения водорода, и может использоваться в широком диапазоне приложений.

Топливным элементам требуется водород высокой чистоты, так как загрязнение может быстро сократить срок службы пакета элементов. В них используется «технический водород» (чистота пять девяток, 99,999%), получаемый пиролизом или электролизом метана. Его следует отличать от «технического водорода», который содержит примеси, углерод и серу, но который можно получить с помощью несколько более дешевого процесса паровой конверсии.

Цена все еще болит, но оптимизм растет

Одной из ключевых особенностей водородной экономики будет то, что в мобильных приложениях (прежде всего в автомобильном транспорте) производство и использование энергии можно будет отделить друг от друга. Первичному источнику энергии больше не нужно будет путешествовать с транспортным средством, как в настоящее время. углеводородное топливо. Вместо выхлопных труб, которые вызывают диффузные выбросы, энергия (и загрязнение) может генерироваться из точечных источников, таких как большие централизованные установки с повышенной эффективностью. Это позволило бы использовать такие технологии, как секвестрация углерода, которые невозможны для мобильных приложений. В качестве альтернативы системы распределенной выработки электроэнергии (например, небольшие возобновляемые источники энергии), возможно, связанные с водородные станции.

Ад ван Вийк, профессор Future Energy Systems TU Delft, утверждает в своих публикациях, что водород лучше для более крупных транспортных средств — грузовиков, автобусов и кораблей — чем электрические батареи. Это связано с тем, что батарея весом 2019 кг по состоянию на 0,1 год может хранить 1 кВтч энергии, а 33 кг водорода имеет полезную мощность XNUMX кВтч.

Тем не менее, цена на водород остается проблемой. В 2020 году зеленый водород стоил 2,50-6,80 долл./кг, бирюзовый водород 1,40-2,40 долл./кг, синий водород 1,40-2,40 долл./кг. А серый водород, загрязненный выбросами, стоит 1-1,80 долл./кг. Для сравнения, средний баррель сырой нефти WTI, торгуемый в настоящее время, составляет около $0,31/кг. Потребители платят около 9 евро за кг водорода на заправочных станциях, если они их находят. Эта цена должна быть снижена как минимум на треть, чтобы эта игра имела смысл.

Аналитики Bank of America говорят, что цены на зеленый водород должны упасть на 85 процентов, чтобы стать конкурентоспособными по сравнению с обычным водородом, что, по их оценкам, может произойти к 2030 году. В основном по этой причине. зеленая водаr по-прежнему составляет лишь крошечную долю от общего производства водорода и практически не существует по сравнению с другими источниками топлива.

Так почему же так много оптимизма в отношении водорода? По словам исполнительного директора Международного энергетического агентства (МЭА) Фатиха Бироля, его организация прогнозирует почти шестикратное увеличение производства зеленого водорода в период с 2020 по 2030 год. Аналитики Bank of America прогнозируют, что к 2050 году зеленый водород сможет удовлетворить четверть наших мировых потребностей в энергии, что сделает его важнейший элемент мировой энергетики.

Во-первых, потому что это очень многообещающее альтернативное топливо для таких отраслей, как судоходство и авиация, где особенно трудно сократить выбросы. Во-вторых, зеленый водород можно производить, когда в системе имеется избыток зеленой энергии, например, в особенно ветреный день, что становится все более частым явлением по мере развития возобновляемых источников энергии. Водород — это реальная возможность достичь амбициозных целей по сокращению выбросов CO.₂в сочетании с секвестрацией этого газа.

Также стоит помнить, что с новыми технологиями первоначальные затраты почти всегда были высокими. Но по мере развития технологии и расширения ее использования затраты снижаются. Со временем водород может стать таким же важным источником энергии, как ветровая и солнечная энергия. Сегодня, с точки зрения зрелости рынка и технологий, признанным ВИЭ еще 15-20 лет. Со временем такое же снижение затрат, как и в фотоэлектрический сектор.

10. Водородный поезд в Германии

Сегодня доступно гораздо больше электрические модели автомобилейа для некоторых потребителей возможность заряжать их дома является большим плюсом. Однако «зеленые» автомобили с водородным двигателем имеют преимущество как с точки зрения времени зарядки, так и с точки зрения запаса хода. Например, для того, чтобы проехать 100 километров в автомобиле средних размеров, требуется менее 1 кг водорода, а дозаправка занимает всего три-пять минут. Еще более важным является сектор среднего и тяжелого транспорта, где зеленый водород является наиболее многообещающим топливом с нулевым уровнем выбросов. Малый вес, большой запас хода и быстрая зарядка водородом особенно важны для грузовых автомобилей и поездов (10).

Поэтому, хотя экономические расчеты, сделанные здесь и сейчас для водорода, все еще не очень благоприятны, однако, если принять во внимание направленность и логику изменений в энергетике, этот газ становится чрезвычайно интересным кусочком головоломки, с его важностью растет в последующие десятилетия.