Что означает водородная энергетика

Новая энергия: почему водород перспективнее солнечных батарей и ветряков

В последний год водородные технологии стали одной из самых обсуждаемых тем в энергетике. Энтузиасты о наступающей эре водорода говорили довольно давно, но сейчас водородная энергетика стала одной из 42 стратегических инициатив по социально-экономическому развитию страны, представленных правительством. О том, что Россия будет активно участвовать в разработке водородных технологий, заявил премьер-министр Михаил Мишустин. Минэнерго разрабатывает соответствующую стратегию. В консорциум по содействию этой работе вошли более 30 компаний из разных отраслей.

Почему именно водородная стратегия может создать задел для сохранения позиций России в мировой энергетике в будущем?

Дело в том, что процесс декарбонизации, к которому подключились множество стран, столкнулся с рядом проблем. Предполагалось, что отказаться от сжигаемых видов топлива ради уменьшения углеродного следа и предотвращения изменений климата помогут солнечные панели и ветряки. Но выяснилось, что, во-первых, в такой энергосистеме необходимы значительные мощности хранения энергии на длительный срок, в частности, для прохождения осенне-зимних периодов, а это задача, на порядки превосходящая возможности аккумуляторных батарей. Во-вторых, для тяжелого транспорта, покрывающего большие расстояния, — самолетов, кораблей, грузовых автомобилей — возможностей аккумуляторов тоже недостаточно. И, наконец, в-третьих, есть промышленные процессы, где электричество малоприменимо — например, при выплавке стали.

Водород же можно хранить в баллонах и подземных соляных кавернах, есть ряд способов транспортировки водорода в танкерах и трубопроводами. При сжигании он не образует углекислого газа и дает высокие температуры. Водород может использоваться как восстанавливающий агент вместо угля в металлургии. С помощью водородных топливных ячеек можно получать электричество без сжигания.

Таким образом, использование водорода на сегодня выглядит чуть ли не единственным универсальным способом преодолеть проблемы, которые не удается решить с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Многие страны и Евросоюз начали разрабатывать и публиковать водородные стратегии как стратегии энергетического перехода. А технический прогресс работает таким образом, что если какое-то решение набирает популярность, то оно становится частью производственных цепочек и оказывается доминирующим. В новом энергетическом укладе, который сейчас начинает создаваться, по всей видимости, водород станет одним из таких элементов. Поэтому России, крупному игроку на мировой энергетической арене, надо участвовать в движении. Тем более что у страны есть все предпосылки для этого — большие запасы природного газа, геологические структуры, подходящие для закачки CO₂ (например, отработанные газовые месторождения), развитые компетенции в атомной энергетике. На этой базе вполне можно построить крупный экспортный бизнес. Кроме того, водород может оказаться необходимым для обеспечения конкурентоспособности традиционных российских экспортных отраслей — металлургии, производства азотных удобрений, которые без этого окажутся под риском все увеличивающегося трансграничного углеродного налога.

России предстоит непростой разговор с Евросоюзом, который декларирует, что он будет рад импортировать большие объемы водорода, но только «зеленого», полученного с помощью ВИЭ. А «голубой» из метана или «желтый» из атомного электричества приемлемы только в ограниченной временной перспективе, в качестве стартовых объемов для создания предложения для потенциальных европейских потребителей. Эта позиция выглядит не слишком справедливой ни по отношению к поставщикам, которым предлагается потратиться на создание производственных мощностей и компетенций с ограниченным сроком годности, ни к европейским потребителям (себестоимость «зеленого» водорода превышает себестоимость «голубого» в несколько раз). Да и рациональных объяснений такой позиции, кроме, конечно, традиционной нелюбви «зеленых» активистов и «зеленых» партий к нефтегазовым компаниям, найти трудно. Но можно надеяться, что возобладают фундаментальные принципы международной торговли, «цветовая слепота» и технологическая нейтральность, когда принимаются во внимание свойства товара и его воздействие на окружающую среду, а не способ производства.

Источник

Водородная энергетика

Водородная энергетика — развивающаяся отрасль энергетики, направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики). Водородная энергетика относится к нетрадиционным видам энергетики.

Содержание

Производство водорода

В настоящее время существует множество методов промышленного производства водорода. Все цены приведены для США, 2004 год.

Паровая конверсия природного газа / метана

Газификация угля

Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают с водяным паром при температуре 800—1300 °C без доступа воздуха. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. США предполагают построить электростанцию по проекту FutureGen, которая будет работать на продуктах газификации угля. Впервые о планах подобного строительства заявил еще в 2003 году министр энергетики США Спенсер Абрахам. Электричество будут вырабатывать топливные элементы, используя в качестве горючего водород, получающийся в процессе газификации угля.

Аналогичный проект под названием «GreenGen» создан в Китае. Строительство первой очереди электростанции мощностью 250 МВт начнётся в 2008 году. Общая мощность электростанции составит 650 МВт.

Используя атомную энергию

Электролиз воды

Водород из биомассы

Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500—800 °C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H₂, CO и CH₄.

В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.

Снижение цены водорода возможно при строительстве инфраструктуры по доставке и хранению водорода. В США действует 750 километров, а в Европе — 1500 километров водородных трубопроводных систем. Трубопроводы действуют при давлении 10—20 бар, изготовлены из стальных труб диаметром 25—30 см. Старейший водородный трубопровод действует в районе германского Рура. 210 километров трубопровода соединяют 18 производителей и потребителей водорода. Трубопровод действует более 50 лет без аварий. Самый длинный трубопровод длиной 400 километров проложен между Францией и Бельгией.

После небольших изменений водород может передаваться по существующим газопроводам природного газа.

Водород в настоящее время, в основном, применяется в технологических процессах производства бензина и для производства аммиака. США ежегодно производят около 11 миллионов тонн водорода, что достаточно для годового потребления примерно 35—40 миллионов автомобилей.

Департамент Энергетики США (DoE) прогнозирует, что стоимость водорода сравняется со стоимостью бензина к 2015 году.

Малые стационарные приложения

Производство электрической и тепловой энергии в топливных элементах мощностью от 0,75 кВт до 10 кВт.

Домашние энергетические станции имеют мощность 0,75—1 кВт, предназначены для выработки электроэнергии в течение 8 часов в сутки и выработки тепла и горячей воды 24 часа в сутки. Установки мощностью 5 кВт предназначаются для нескольких коттеджей. Они зачастую предназначаются только для выработки электроэнергии.

Популярность малых домашних комбинированных (электричество + тепло) установок связана с тем, что они имеют высокий КПД, малые выбросы СО₂, легко могут быть встроены в существующую инфраструктуру. Такая энергетическая установка занимает размер не больше домашнего бойлера, может работать на природном газе.

В 2005 году во всём мире было установлено более 900 новых малых стационарных водородных энергетических установок (На 30 % больше, чем в 2004 году). За 2006 год во всём мире установлено около 1500 новых малых энергетических станций. В конце 2006 года во всём мире эксплуатировалось около 5000 малых стационарных водородных электростанций.

Доминируют две технологии: PEM (протон-обменная) и SOFC (твёрдо-оксидная). Около 75 % установок в 2005 году были изготовлены по PEM технологии, около 25 % — SOFC.

Большая часть домашних станций разработана для применения природного газа, пропана, очень немногие могут работать со сжиженным нефтяным газом (LPG). Многие производители работают с керосином.

Компании — основные производители:

Стационарные применения

Производство электрической и тепловой энергии в топливных элементах мощностью более 10 кВт.

К концу 2006 года во всём мире было установлено более 800 стационарных энергетических установок на топливных элементах мощностью более 10 кВт. Их суммарная мощность — около 100 МВт. За 2006 год построено более 50 установок суммарной мощностью более 18 МВт.

В 2005 году среди новых установок лидировали Расплавные Карбонатные Топливные Элементы (MCFC). На втором месте по числу новых установок были Фосфорнокислые технологии (PAFC). Протонобменные технологии (PMFC) применялись, в основном, в установках мощностью до 10 кВт и в автомобильных приложениях.

Хотя большая часть стационарных топливных элементов в настоящее время работает на природном газе, всё большее количество установок использует альтернативные виды топлива. В 2005 году усилился тренд применения сингаза и биогаза. В 2005 году биогаз вышел на второе место после природного газа. В 2005 году были построены электростанции (Япония, Германия), работающие на биогазе, получаемом из древесных отходов, пластика, муниципальных сточных вод. Водород и керосин и в будущем будут занимать значительную долю в нише малых стационарных установок мощностью более 10 кВт.

Гибридные установки: топливный элемент/газовая турбина.

Для повышения эффективности, снижения себестоимости энергии и для утилизации тепловой энергии применяются установки, совмещающие топливные элементы и газовые турбины.

Компания FuelCell Energy (США) разработала гибридную версию SOFC топливного элемента и газовой турбины. В этой схеме топливный элемент производит 4/5 энергии, а остальную часть из тепловой энергии — турбина. КПД данной схемы приближается к 70 %. Испытывается электростанция мощностью 40 МВт, состоящая из 10 топливных элементов и одной турбины мощностью 10 МВт.

Компании — основные производители

В США и Японии планируется строительство крупных тепло-электростанций мощностью 40—700 МВт двойного и тройного цикла с общим КПД более 80 % и выбросами СО₂ на 30 % меньше, чем на традиционных угольных электростанциях.

Транспортные приложения

Производство электрической энергии для автомобилей, водного транспорта, и т. д.

Водородная автомобильная инфраструктура

К концу 2008 года во всём мире функционировало 2000 водородных автомобильных заправочных станций. Из общего количества заправочных станций, построенных 2004—2005 году, всего 8 % работают с жидким водородом, остальные с газообразным.

Таблица. Водородные заправочные станции по регионам мира

Отсутствие водородной инфраструктуры является одним из основных препятствий развития водородного транспорта.

Решением проблемы может стать применение водорода в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания, или смесей топлива с водородом, например, HCNG. В январе 2006 года Mazda начала продажи битопливного автомобиля Mazda RX-8 с роторным двигателем, который может потреблять и бензин, и водород.

В июле 2006 года транспортная компания BVG (Berliner Verkehrsbetriebe) из Берлина объявила о закупках к 2009 году 250 автобусов MAN с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде, что составит 20 % от автопарка компании.

В 2006 году Ford Motor Company начал выпуск автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде.

Компании — основные игроки

Ёмкости для хранения водорода:

Оборудование для производства водорода:

BP — ключевой игрок в демонстрационных водородных проектах по всему миру.

Транспортные приложения

В 2006 году было запущено в эксплуатацию около 100 новых автомобилей, автобусов, мотоциклов и т. д. на топливных элементах. К концу 2007 году в мире будет эксплуатироваться около 900 транспортных средств.

В автомобильных приложениях преобладают PEM технологии. В 2005 году был изготовлен всего один автомобиль с PAFC топливным элементом — остальные на PEM-технологиях.

В марте 2006 года германский HyWays проект опубликовал прогнозы проникновения водородного автотранспорта на европейский рынок.

Таблица: прогноз проникновения водородного автотранспорта на европейский рынок в % от общего количества автомобилей.

Корпорация Boeing прогнозирует, что топливные элементы постепенно заменят в авиации вспомогательные энергетические установки. Они смогут генерировать электроэнергию, когда самолет находится на земле, и быть источниками бесперебойного питания в воздухе. Топливные элементы будут постепенно устанавливаться на новое поколение Боингов 7E7, начиная с 2008 года.

Для данных приложений требуется большая мощность, а размеры силовой установки имеют малое значение.

Железнодорожный исследовательский технологический институт (Япония) планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году. Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч, и проезжать 300—400 км без заправки. Прототип был испытан в феврале 2005 года.

В Германии производятся подводные лодки класса U-212 с топливными элементами производства Siemens AG. U-212 стоят на вооружении Германии, поступили заказы из Греции, Италии, Кореи, Израиля. Под водой лодка работает на водороде и практически не производит шумов.

В США поставки SOFC топливных элементов для подводных лодок могут начаться в 2006 году. Компания FuelCell Energy разрабатывает 625 кВт топливные элементы для военных кораблей.

Японская подводная лодка Urashima с топливными элементами PEMFC производства Mitsubishi Heavy Industries была испытана в августе 2003 года.

Чуть менее половины новых топливных элементов, установленных в 2006 году на транспортные средства, были установлены на складские погрузчики. Замена аккумуляторных батарей на топливные элементы позволит значительно сократить площади, занимаемые аккумуляторными цехами. Wal-Mart в январе 2007 года завершил вторую серию испытаний складских погрузчиков на топливных элементах.

Мобильные топливные элементы

Производство электрической энергии для мобильных устройств: мобильных телефонов, ноутбуков и т. д.

Благодаря спросу со стороны военных, США заняли первое место в мире по количеству разработок в портативных приложениях. На Японию приходилось всего 13 % новых разработок в 2005 году. Наиболее активными были компании — производители электроники: Casio, Fujitsu Hitachi, Nec, Sanyo и Toshiba.

Весной 2007 года компания Medis Technologies начала продажи водородных топливных элементов для мобильных устройств.

В портативных и электронных приложениях доминируют PEM и DMFC топливные элементы.

Водородная энергетика в России

В 1941 год у техник-лейтенант войск противовоздушной обороны (ПВО) защищавших Ленинград во время Великой Отечественной войны Борис Шелищ предложил использовать «отработанный» водород из заградительных аэростатов войск ПВО в качестве топлива для двигателей автомобилей ГАЗ-АА. Полуторки использовались в качестве транспортно-энергетической единицы поста противовоздушной обороны. Лебедка автомобиля, приводимая в движение от двигателя ГАЗ-АА позволяла осуществлять подъем-спуск аэростатов. Это предложение было внедрено в 1941-1944 годах в блокадном Ленинграде. Было оборудовано 400 водородных постов ПВО. В условиях блокады и отсутствия бензина перевод автомобилей с бензина на водород позволил эффективно защитить город от прицельного бомбометания самолетами вражеской авиации.

В 1979 год у под научным руководством Шатрова Е.В. творческим коллективом работников НАМИ в составе Кузнецова В.М. (руководитель группы НАМИ), Раменского А.Ю. (аспирант НАМИ), Козлова Ю.А. (механик) был разработан и испытан опытный образец микроавтобуса РАФ, работающий на водороде и бензине.

В 1982 год у Совет Московского автомеханического института (МАМИ) рассмотрел диссертацию Раменского А.Ю. (научный руководитель Шатров Е.В.) на соискание ученой степени кандидата технических наук по теме «Исследование рабочих процессов автомобильного двигателя на бензино-водородных топливных композициях». В России это по-видимому первая диссертация, в которой подробно изучались вопросы теории рабочих процессов ДВС, работающего на водороде [1].

В конце 1980х-начале 90х проходил испытания авиационный реактивный двигатель на жидком водороде, установленный на самолёте ТУ-154.

В 2003 год у создана Национальная ассоциация водородной энергетики (НП НАВЭ). В 2004 году президентом ассоциации избран П. Б. Шелищ сын легендарного «Водородного лейтенанта».

В 2003 году компания «Норильский никель» и Российская академия наук подписали соглашение о ведении научно-исследовательских работ в сфере водородной энергетики. «Норильский никель» вложил в исследования 40 млн долларов.

В 2006 году «Норильский никель» приобрел контрольный пакет американской инновационной компании Plug Power, являющейся одним из лидеров в сфере разработок, связанных с водородной энергетикой.

Итоги 2008 года

Стационарные приложения

Мобильные приложения

Транспорт

Автомобили

Производство водорода

Примеры государственных программ развития

Южная Корея

Министерство Коммерции, Индустрии и Экономики Ю. Кореи в 2005 году приняло план строительства водородной экономики к 2040 году. Цель — производить на топливных элементах 22 % всей энергии и 23 % электричества, потребляемого частным сектором.

Индия

Департамент Энергетики США (DOE) в январе 2006 года принял план развития водородной энергетики «Roadmap on Manufacturing R&D for the Hydrogen Economy» [3] [4].

Исландия

Южно-Африканская Республика

Правительство Южно-Африканской Республики в 2008 году приняла водородную стратегию. К 2020 году ЮАР планирует занять 25% мирового рынка катализаторов для водородных топливных элементов.

См. также

Ссылки

Ресурсы в Интернете

Отрасли промышленностиЭлектроэнергетикаАтомная (АЭС) | Ветровая (ВЭС) | Гидроэнергетика (ГЭС) | Тепловая (ТЭС) | Геотермальная | Водородная | Гелиоэнергетика | Волновая | Приливная (ПЭС)ТопливнаяГазовая | Нефтяная | Торфяная | Угольная | Нефтеперерабатывающая | ГазоперерабатывающаяЧёрная металлургияДобыча рудного сырья | Добыча нерудного сырья | Производство чёрных металлов | Производство труб | Производство электроферосплавов | Коксохимическая | Вторичная обработка чёрных металов | Производство метизовЦветная металлургияПроизводства: алюминия | глинозёма | фтористых солей | никеля | меди | свинца | цинка | олова | кобальта | сурмы | вольфрама | молибдена | ртути | титана | магния | вторичных цветных металлов | редких металлов | Промышленность твердых сплавов тугоплавких и жаростойких металлов | Добыча и обогащение руд редких металловМашиностроение и
металлообработкаТяжелое | Железнодорожное | Судостроение | Судоремонт | Авиационная | Авиаремонт | Ракетная | Тракторное | Автомобильное | Станкостроение | Химическое | Сельскохозяйственное | Электротехническая | Приборостроение | Точное | МеталлобработкаХимическаяШахтерско-химическая | Основная химия | Лакокрасочная | Промышленность бытовой химии | Производство соды | Производство удобрений | Производство химических волокон и нитей | Производство синтетических смолХимико-фармацевтическаяНефтехимическаяШинная | Резино-асбестоваяНефтеперерабатывающаяЛесная
(комплексы)Лесная | Деревообрабатывающая (Лесопильная, Древесно-плитная, Мебельная) | Целлюлозно-бумажная | ЛесохимическаяСтройматериаловЦементная | Железобетонных и бетонных конструкций | Стенных материалов | Нерудных строительных материаловСтекольнаяФарфоро-ФаянсоваяЛегкаяТекстильная | Швейная | Кожевенная | Меховая | ОбувнаяТекстильнаяХлопчатобумажная | Шерстяная | Льняная | Шелковая | Синтетических и искусственных тканей | Пенько-джутоваяПищеваяСахарная | Хлебобулочная | Масло-жировая | Маслосыродельная | Рыбная | Молочная | Мясная | Кондитерская | Спиртовая | Макаронная | Пивоваренная и безалкогольных напитков | Винодельческая | Мукомольная | Консервная | Табачная | Соляная | Плодоовощная

Полезное

Смотреть что такое «Водородная энергетика» в других словарях:

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА — включает получение Н2 из воды и другого природного сырья с затратой солнечной, ядерной или др. энергии, его хранение и использование как топлива, а также в химических способах передачи энергии. Главные преимущества: высокая теплота сгорания… … Большой Энциклопедический словарь

водородная энергетика — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN hydrogen economicshydrogen economy … Справочник технического переводчика

водородная энергетика — включает получение Н2 из воды и другого природного сырья с затратой солнечной, ядерной или другой энергии, его хранение и использование как топлива, а также в химических способах передачи энергии на расстояние. Главные преимущества: высокая… … Энциклопедический словарь

водородная энергетика — vandenilinė energetika statusas T sritis Energetika apibrėžtis Ūkio sritis, kurianti metodus, kaip ekonomiškai ir greitai sukaupti energiją, skaidant vandenį į deguonį ir vandenilį (naudojant atominę ir Saulės energiją, fotocheminius ir kt.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

водородная энергетика — [hydrogen power technology] энергетика, базирующаяся на применении водорода в качестве основного топлива. Но при современном уровне развития науки и техники к.п.д. преобразования водородного топлива в электрическую энергию пока Энциклопедический словарь по металлургии

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА — использует водород как носитель энергии. В. э. также включает: получение Н 2 из воды и др. прир. сырья; хранение Н 2 в газообразном и сжиженном состояниях или в виде искусственно полученных хим. соед., напр. гидридов интерметаллич. соединений;… … Химическая энциклопедия

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА — разрабатывает методы получения энергоёмких хим. в в, их использования как топлива, хранения и транспортирования. Одной из задач В. э. является создание экономичных методов разложения воды на кислород и водород с использованием атомной и солнечной … Большой энциклопедический политехнический словарь

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА — включает полу чение Н2 из воды и др. природного сырья с затратой солнечной, ядерной или др. энергии, его хранение и использование как топлива, а также в хим. способах передачи энергии на расстояние. Гл. преимущества: высокая теплота сгорания (143 … Естествознание. Энциклопедический словарь

водородная энергетика — Одна из главных энергетических надежд человечества. В.э. должна заменить углеводородную энергетику потому что нефть когда нибудь кончится, потому что жечь уголь это вредно, потому что все это загрязняет атмосферу и приводит к глобальному… … Словарь 2007 года

Водородная энергетика в России — Содержание 1 История 1.1 Двигатель внутреннего сгорания 1.2 Водородные топливные элементы … Википедия

Источник