Водород в энергетике и транспорте: ключевые перспективы и вызовы

Водород играет важную роль в сфере энергетики и транспорта, поскольку он представляет собой экологически чистый источник энергии. 

В этой статье мы рассмотрим, как водород может быть использован для хранения и преобразования энергии из безуглеродных источников, таких как возобновляемые и атомные электростанции.

Мы сравним различные способы накопления и обратного преобразования водорода, а также их эффективность и влияние на декарбонизацию энергетики и транспорта. Мы также обсудим, почему один метод хранения в электрических батареях может быть недостаточным и какие альтернативы существуют.

Водород — это самый распространенный элемент во вселенной, который может служить источником энергии для различных целей. Водород можно получать из воды с помощью электролиза, используя электричество из безуглеродных источников, таких как возобновляемые или атомные электростанции.

Водород можно хранить в сжатом или сжиженном виде, а затем преобразовывать обратно в электричество или тепло с помощью топливных элементов или газовых турбин. Водород также может быть использован как топливо для транспортных средств, работающих на топливных элементах или внутреннем сгорании. Он может помочь декарбонизировать энергетику и транспорт, сократив выбросы парниковых газов от источников энергии и заменив ископаемые топлива.

Однако водород также имеет ряд проблем и ограничений, связанных с его производством, хранением, транспортировкой и использованием. 

Основные понятия

Для сравнения эффективности различных способов преобразования энергии из первичных источников в водород и обратно необходимо использовать стандартные критерии. Предлагается оценивать потери энергии водорода от момента его производства до момента его потребления, как для стационарных, так и для мобильных приложений.

Для упрощения расчетов можно исходить из энергии, затраченной на производство водорода, например, на выходе электролизера.

В качестве единицы измерения можно выбрать свободную энтальпию водорода, но поскольку она сложна для применения в энергетических расчетах, можно использовать разность свободных энтальпий между водородом и продуктами его сгорания. Можно также принять теплоту сгорания или теплоту сгорания, так как это условная величина для открытой системы. В этой статье мы будем использовать теплотворную способность в качестве эталонной величины.

Потери при потреблении энергии водорода от «бака» до места назначения (например, тяговая энергия на колесах или электрическая энергия, подаваемая в сеть) должны учитывать потери при заправке «бака» («зарядке»), потери и выигрыши (восстановления) при использовании водорода от бака до колес или обратно в сеть — Tank-to-Wheel (TTW).

Аналогично, при производстве водорода желательно учитывать не только собственные затраты производственного и хранилищного оборудования, но и потери при транспортировке первичной энергии для производства и потери при распределении полученного энергоносителя (сжатие, сжижение, транспортировка по трубопроводам или распределительной сети, включая преобразование напряжения и меры по стабилизации подачи в сети) — Well-to Tank (WTT).

В данной статье мы предполагаем, что водород сжимается или сжижается на месте производства и не учитываем потери в сети даже при производстве необходимой электрической энергии.

Резервуар для хранения водорода практически не имеет потерь при заправке и сливе, а также в режиме ожидания, в отличие от аккумуляторных батарей, которые имеют потери при зарядке, разрядке и саморазрядке. Однако, когда требуется механическая или электрическая энергия (например, для привода компрессора), необходимо также учитывать эффективность ее получения.

Для упрощения сравнения мы также не учитываем эффективность производства и транспортировки первичной энергии. Эта общая энергоэффективность, конечно, искажена упомянутым предположением не только для возобновляемых источников, так как реальная величина должна также включать энергию, затраченную на производство самой электростанции, распределенную на ее срок службы.

Точно так же, энергетические потребности для производства самого энергетического преобразователя для части TTW также должны быть включены в оценку в рамках анализа жизненного цикла (LCA).

В конечном счете, этот анализ приводит к экономическим параметрам, так как необходимо учитывать и расход материалов, зачастую редких. Однако эти соображения выходят за рамки данной статьи.

Водород как энергоноситель: свойства и применение

Водород — это элемент, который может служить для накопления и транспортировки электрической энергии, полученной из возобновляемых источников. Водород имеет высокую теплотворную способность и низкое внутреннее трение, что является его преимуществами. Однако у него также есть недостатки, связанные с его низкой плотностью и кинематической вязкостью.

Использование водорода в качестве энергоносителя требует решения ряда проблем. Водород трудно хранить в сжатом или сжиженном виде из-за его очень низкой плотности, критической температуры и температуры кипения. Это также требует больших затрат энергии на сжатие или сжижение и эффективной изоляции криогенных емкостей.

Водород может быть использован для обратного преобразования в электричество или тепло с помощью топливных элементов, которые могут работать в низкотемпературном или высокотемпературном режиме. Водород также может быть использован как топливо для транспортных средств, работающих на топливных элементах или двигателях внутреннего сгорания. Однако прямое сжигание водорода обычно не является самым эффективным способом использования первичной энергии.

Водород также имеет химические свойства, которые делают его перспективным для применения в металлургии. Водород может восстанавливать металлы из их оксидов или сульфидов, что уже экспериментально применяется.

Водород производят из природного газа главным образом для нефтеперерабатывающей промышленности. Он используется для гидрокрекинга и десульфурации нефтепродуктов, а также для синтеза аммиака.

Аммиак получают путем каталитического синтеза азота и водорода при высоком давлении и температуре по методу Габера–Боша. Аммиак используется для производства удобрений и взрывчатых веществ, а также является исходным веществом для азотной кислоты.

Энергетические потребности для производства, хранения и повторного использования водорода

Производство, хранение и использование водорода как энергоносителя

Водород обычно получают из природного газа (метана) путем его паровой реформинга при высокой температуре по реакции CH4​+2H2​O->4H2​+CO2.​ Однако этот способ производства водорода приводит к выбросам углекислого газа в атмосферу из ископаемого источника (так называемый «серый» водород), если не использовать биогаз вместо природного газа.

Альтернативный способ получения «зеленого» водорода — это газификация биомассы, при которой в условиях недостатка кислорода образуется равновесная смесь «водяного» газа, то есть смесь H2​+CO2​<- ->H2​O+CO.

Однако такая смесь водорода и монооксида углерода может быть использована для синтеза жидких углеводородов по методу Фишера-Тропша, поэтому этот источник водорода не очень перспективен.

В будущем водород можно будет производить из воды с помощью электролиза при низких или высоких температурах, но при этом потребуется больше энергии, чем будет содержать полученный водород.

Если использовать электричество из возобновляемых или атомных источников, то можно получать «зеленый» или «синий» водород соответственно. При этом также выделяется кислород, который может быть полезным побочным продуктом. Есть также возможность использовать водород, полученный электролизом для других целей.

Эффективность электролиза зависит от тока на электродах и давления в электролизере и составляет от 60 до 80%. Из-за этого обычные электролизеры имеют большие размеры и стоимость.

Более компактные электролизеры можно сделать с протонопроводящей мембраной, то есть по принципу «обратного» топливного элемента. Такие электролизеры можно размещать в точках потребления водорода, а тепло, выделяющееся при электролизе, можно использовать для отопления зданий, то есть совмещать производство водорода с когенерацией.

Для производства «зеленого» или «синего» водорода электролизом требуется источник электрической энергии. Эффективность этого процесса сложно оценить для ветроэнергетики (по аналогии с КПД лопастей ветряков, она может быть менее 50%) и очень низка для солнечной энергетики (менее 20% использования падающего излучения). Это не влияет на цену «бесплатной» энергии, но связано с энергетическими, материальными и инвестиционными затратами на строительство и утилизацию электростанций.

Также нужно учитывать, что для нормальной работы электролизера нужна непрерывная подача электричества без перебоев, которые характерны для возобновляемых прерывистых источников энергии (ВИЭ).

Для оценки энергии, необходимой для производства водорода, нужно также учитывать энергетические затраты на его хранение, так как плотность энергии сжатого или сжиженного водорода низка по сравнению с другими видами топлива.

Для хранения водорода используется сжатие: для легковых автомобилей с баллонами из композитных материалов применяется давление 70 МПа, а для грузовиков, автобусов или железнодорожного транспорта — около 35 МПа, то есть больше, чем для сжатого природного газа (СПГ).

Нужно обращать внимание на материалы и герметичность из-за очень малого размера молекул водорода и возможности проникновения атомарного водорода в структуру материала, где он может вызывать водородное охрупчивание. Например, к нему устойчивы никелевые сплавы, но не обычные строительные стали или алюминиевые сплавы.

Сжижение и сжатие водорода как способы хранения

Еще один теоретический способ хранения водорода — это сжижение, которое требует очень большого количества энергии из-за низкой критической температуры и температуры кипения водорода при атмосферном давлении.

Более оптимальным вариантом с точки зрения плотности газа является криосжатие, при котором водород сжимается при сверхкритической температуре. Обычно используется давление около 25 МПа и температура ниже 60 К.

Основным недостатком этого метода является высокая стоимость криостата давления, который сочетает в себе минусы обоих предыдущих методов. Кроме того, при сжатии водорода нужно учитывать его отклонение от идеального газа при давлениях выше примерно 10 МПа. Еще одна возможность хранения водорода — это использование металлогидридных резервуаров, но они имеют большой объем и вес.

Эффективность электролиза, рассчитанная по теплотворной способности водорода, составляет от 60 до 80%. Она зависит от тока на электродах, охлаждения электролизера и расхода воды, которая подвергается электролизу. Это особенно актуально для инвертированных топливных элементов с протонопроводящей мембраной.

Вода должна быть чистой, иначе могут образоваться нежелательные побочные продукты, такие как гидроксиды щелочных металлов из растворенных солей, анионы (например, хлор) и т.д.

Обратное преобразование энергии путем соединения водорода с кислородом

Для оценки эффективности накопления электрической энергии в водороде необходимо проанализировать возможности обратного преобразования химической энергии водорода.

Низкотемпературные топливные элементы с протонопроницаемой мембраной интенсивно разрабатываются с восьмидесятых годов прошлого века благодаря пластиковым тефлоновым мембранам. Обычно они работают при температуре на катодной (воздушной) стороне до 80 °С, так как образующейся водой необходимо смачивать мембрану.

Для увеличения удельной мощности элементы, используемые в транспортных средствах, наддуваются с помощью компрессора с электроприводом или турбокомпрессора со встроенным электродвигателем. На стороне водорода используется рециркуляционный насос или эжектор.

КПД связки последовательно соединенных ячеек с аксессуарами снижается за счет потребляемой мощности вспомогательного оборудования и редко превышает 60%. Он лучше всего подходит для ряда внутренних сопротивлений при низких нагрузках и, таким образом, сильно отличается от двигателя внутреннего сгорания, который достигает максимальной эффективности при высоких нагрузках.

Для использования в транспортных средствах необходимо дополнить элемент аккумуляторной батареей, так как он достаточно медленно реагирует на изменение нагрузки (порядка секунд для типичных установок для легковых автомобилей). Таким образом, каждый автомобиль с топливным элементом также является гибридом, который позволяет рекуперировать энергию тяги.

Цена современных топливных элементов высока даже по сравнению с батареями и достигает около 500-700 долларов/кВт (литий-ионная батарея около 300-600 долларов/кВт), как из-за содержания платины и других редких элементов, так и потому, что требовательной технологии.

С другой стороны, потребление энергии на производство топливного элемента незначительно по сравнению с литий-ионным аккумулятором. Платиновый катализатор чувствителен к отравлению угарным газом, т.е. также к присутствию углеводородов. Поэтому к чистоте водорода и воздуха предъявляются высокие требования, для достаточного срока службы необходимо сохранять примеси порядка мольных долей ppm.

Даже воздух, поступающий с дороги, должен быть эффективно очищен путем абсорбции активированным углем.

В данной статье в расчетах обратного преобразования электроэнергии из водорода использовался реалистичный КПД 50%. Против самого КПД ячейки с аксессуарами или ДВС надо учитывать, что ДВС подает механическую энергию на байк только через трансмиссии с КПД примерно 92-95%, тогда как по топливу необходимо учитывать КПД силовой электроники и электродвигателя, который в работе, включая рекуперацию, составляет 80-90%. Для силовых установок эффективность генератора и электроники составляет около 90–95 % в зависимости от размера.

С учетом этих ограничений топливные элементы обеспечивают снижение потребления энергии на дорогах (кВтч/100 км) примерно на 33% (легковой автомобиль среднего класса примерно 60 кВтч/100 км с дизельным двигателем, 75 кВтч/100 км с дизельным двигателем). бензиновый двигатель, но только около 45 кВтч/100 км с топливным элементом согласно моделированию, т.е. экономия 45/60 = 75% или 45/75 = 60%. Для автобусов разница достигает 50%.

Производство тепла с использованием водорода

Один из способов производства тепла — это сжигание водорода или его смеси с природным газом или биометаном. КПД такого процесса можно оценить умножив КПД топливного элемента на КПД нагрева. Если при этом использовать конденсацию дымовых газов в теплообменнике, то КПД нужно еще умножить на отношение теплоты сгорания к теплотворной способности.

Смеси водорода с метаном имеют более высокую теплотворную способность, чем чистый метан, но их плотность ниже из-за большей газовой постоянной водорода. Поэтому при увеличении доли водорода в смеси объемная плотность энергии снижается. Это нужно учесть при расчете емкости хранилища.

Для горелок также важно учитывать разную плотность нового топлива, то есть изменение показателя Воббе. Для смесителей, работающих по принципу поперечного дозирования с отрицательным давлением в точке смешивания, возможны ошибки по избытку воздуха до 60% по метану, поэтому нужно подстраивать сечения горелок.

Двигатели внутреннего сгорания и бедные смеси

Водород и его смеси с природным газом можно сжигать в бензиновых двигателях, если настроить сечения смесителя или газодувки. Еще более интересные результаты были получены на слегка модифицированных дизельных двигателях в двухтопливном режиме, в которых можно заменить более 80% дизельного топлива на водород. При этом низкие температуры пламени в бедной смеси снижают необходимость использования дорогих селективных катализаторов оксидов азота.

Однако Европейская комиссия идеологически против любого вида сгорания, поэтому перспектива этих перспективных двигателей, которые имеют эффективность торможения более 40% и не требуют очень чистого водорода, пока неясна для европейских автопроизводителей.

Производство синтетического топлива из водорода

Согласно данным Университета Бата в Великобритании, эффективность использования электрической энергии для аккумуляторных батарей, водородных топливных элементов или синтетического углеводородного топлива с двигателем внутреннего сгорания можно оценить как 69 : 26 : 13.

Эти результаты примерно соответствуют моделированию, которое автор этого отчета считает верным, и позволяют предположить, что двигатели внутреннего сгорания в гибридных транспортных средствах могут работать с более высокой эффективностью.

Главным недостатком синтетического топлива является необходимость использовать возобновляемый источник углекислого газа. Прямое извлечение из атмосферы потребует очень большого количества энергии, так как нужно будет сжать углекислый газ от парциального давления 0,0004 бар, что соответствует его доле в атмосфере 400 частей на миллион, до 1 бар, то есть в 2500 раз. Реальный процесс поглощения будет иметь дополнительные потери, которые увеличат потребление энергии примерно в 2,5 раза.

Японская система, которая улавливает углекислый газ из дымовых газов электростанций, работающих на ископаемом топливе, и превращает CO2 в жидкое топливо, кажется более компромиссной, так как вместо улавливания и хранения углекислого газа она использует его, что требует меньше энергии, так как мольная доля и парциальное давление CO2 в дымовых газах составляют несколько процентов, а коэффициенты давления для рекомпрессии — несколько десятков. Затем следует электролиз CO2 до CO.

Еще один способ — синтез аммиака, который можно использовать в других целях («химическое сжатие» водорода), который можно производить в местах с высокой солнечной активностью и легко транспортировать для последующего сжигания.

При этом нужно обеспечить денитрификацию дымовых газов, содержащих много оксидов азота, с помощью селективного каталитического восстановления с использованием части аммиака. Для этого способа также ведутся оптимизационные расчеты.

Заключение

Использование водорода в энергетике имеет свои достоинства и недостатки, как и использование аккумуляторов в транспорте. Водород позволяет накапливать электрическую энергию из возобновляемых источников и обеспечивать ее стабильную подачу.

Водород также является более экономичным решением по сравнению с аккумуляторами, особенно если применять его для сгорания в горелках или двигателях внутреннего сгорания. Особенно эффективными являются когенерационные установки, которые вырабатывают электричество и тепло с высоким КПД из химической энергии водорода.

Водород также удобен для заправки транспортных средств, так как он не требует долгого времени зарядки, в отличие от аккумуляторов, которые создают большие нагрузки на локальную сеть.

Водород можно использовать для пилотных проектов в разных местах. Возможно добавление водорода в метановое топливо, но это требует осторожности в плане регулировки горелок и безопасности трубопроводов. Также нужно учитывать, что при увеличении доли водорода в смеси уменьшается ее объемная плотность энергии и требуется больший объем хранилища.

Массовое внедрение топливных элементов пока затруднено из-за высокой цены и сложности инфраструктуры. Этот процесс может быть ускорен использованием двухтопливных двигателей внутреннего сгорания, которые могут работать на водороде или на ископаемом или возобновляемом жидком топливе.

Трансформация энергетической структуры будет требовать больших затрат и вряд ли будет реализована в развивающихся странах, которые являются основными источниками парниковых газов.

На ситуацию также может повлиять дефицит платины, если не будет найден более дешевый заменитель, и европейская кампания против фторсодержащих полимеров. Поэтому для всех предполагаемых изменений энергетики и мобильности необходимо проводить комплексный анализ и оценку всего жизненного цикла без идеологической предвзятости.

В случае с водородом целесообразно развивать разные пути к возобновляемым источникам энергии, чтобы сравнивать их эффективность и воздействие. Идеологический подход «единственного правильного решения» слишком рискован и технически необоснован при нынешнем уровне неопределенности.

Яков Кузнецов