Водород как топливо. Доклад на секции Нефти и Газа раен, Москва, 18. 05. 2021 г
 Скачать 5.68 Mb.
|
О водороде без иллюзий Бессель Валерий Владимирович • исполнительный вице-президент ГК «НьюТек Сервисез»; • профессор кафедры Термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти и газа имени ИМ. Губкина. Доклад на секции Нефти и Газа РАЕН, Москва, 18.05.2021 г • Энергообеспечение удаленных и автономных объектов НГК в регионах страны, где либо нет энергетической инфраструктуры, либо она там недостаточно развита Повышение энергетической эффективности объектов НГК за счет максимального сбережения товарных углеводородов, используемых на технологические цели. Локальные проблемы НГК России является важнейшей частью ТЭК страны, поэтому развитие проектов альтернативных источников энергии позволит компенсировать в системе энергообеспечения страны ожидаемое снижение добычи углеводородов в долгосрочной перспективе. Глобальные проблемы Развитие проектов альтернативной энергетики в НГК 2 3 + декарбонизация глобальной мировой энергетики Структура потребления энергии в 2019 году год Единица измерения Нефть Газ Уголь Атомная энергия Органическое топливо Тепловая энергетика Потребление энергии Эксаджоуль 193,0 141,5 157,9 24,9 492,3 517,3 Млн т н.э. 4610,5 3378,5 3770,4 595,3 11759,4 (84,3%) 12354,7 (88,6%) Генерация электроэнергии ТВт*час 825,3 6297,9 9824,1 2796,0 16947,3 19743,3 Млн т н.э. 202,8 1547,2 2413,5 595,3 4163,5 (62,8%) 4758,7 (73,1%) Доля топлива в генерации электроэнергии 38,52% BP statistical review of world energy, June 2020 5 • Проблема устойчивого глобального энергетического развития на долгосрочную перспективу при приемлемых для Человечества затратах финансовых и материальных ресурсов на модернизацию существующей энергетической инфраструктуры упирается в поисках новых видов тепловой возобновляемой энергии Термоядерный синтез? Водородная энергетика Понятие водородная энергетика Понятие «водородная энергетика (ВЭ) в последние годы приобрело медийную популярность в связи с проблемой истощения источников органического топлива и растущими эколого- климатическими проблемами современной энергетики, причем зачастую «водородная энергетика» противопоставляется «органической» энергетике. В существующих реалиях «водородная энергетика», дополняющая традиционную энергетику, основанную на органическом топливе, атомной и возобновляемой энергетике – рассматривается как способ оптимизации удовлетворения устойчиво растущих потребностей человечества в экологически чистой энергии Концепция «водородной энергетики» включает в себя решение целого комплекса проблем Производство водорода с использованием невозобновляемых и возобновляемых источников энергии (органическое топливо, энергия АЭС, гидроэнергетика, энергия солнца, ветра, биомассы Надежная хранение и транспортировка водорода Использование водорода в энергетике, промышленности, на транспорте ив быту Обеспечение надежности и безопасности водородных энергетических систем. В настоящей презентации рассмотрены некоторые технологические достижения, которые могут оказать существенное влияние на дальнейшее развитие водородной энергетики, а также программы развития водородных технологий глобальными энергетическими компаниями Технологические цепочки водородной энергетики» Источник: Твердополимерные ТЭ (PEMFC) Твердооксидные ТЭ (Фотолиз воды распад молекул воды под воздействием солнечного света Термохимическое разложение воды Дегидрирование алканов Жидкие органические носители водорода на основе ненасыщенных ароматических соединений (LOHC) - Q - Q - Q - Q Содержание Водород, физико-химические и энергетические свойства Развитие водородной энергетики Получение водорода Хранение водорода Транспортировка водорода Применение водорода Экологическая и промышленная безопасность Проекты НГК в области водородной энергетики Что такое водород? Водород - самый лёгкий и распространённый элемент в пределах изученной нами Вселенной - масса водорода составляет 75% всей барионной состоящей из барионов (нейтронов, протонов) и электронов) массы материи и 92% всего вещества. Природные изотопы водорода Протий- самый распространённый ил гкий изотоп водорода, ядро состоит из одного протона + на орбитали 1 электрон. Является кандидатом на роль главного элемента водородной энергетики Дейтерий- тяжёлый водород, ядро состоит из одного протона и одного нейтрона+ на орбитали 1 электрон. Используется в атомной энергетике в качестве замедлителя нейтронов в тяжеловодных ядерных реакторах, работающих на природном необогащённом уране Тритий- радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада немногим более 12 лет, ядро состоит из одного протона и двух нейтронов + на орбитали электрон. Используется в военной и научно-исследовательской сфере, является сырьём для запуска термоядерного реактора. Природный водород состоит из 99,985% протия и 0,015% дейтерия. На Земле в чистом виде водорода практически нет, он встречается в связанном с другими атомами состоянии. При сжигании водорода в чистом кислороде единственными продуктами горения являются тепло и водяной пар Водород газ, состоящий из двухатомных молекул с молярной массой – 2,016 г/моль , без цвета, без запаха, малорастворим вводе, самый легкий из газов - враз легче воздуха, враз легче метана Температура сжижения водорода -253°C (К, кристаллизации водорода -259°C (14°К). Благодаря ничтожному размеру, молекулы водорода могут диффундировать через резину, стекло и даже через металлы Температура пламени смеси «водород-воздух» – Кв то время как смеси бензин- воздух - К, «метан-воздух» - К, «пропан-бутан-воздух» - КВ смеси с одним объемом кислорода два объема водорода образует взрывчатую смесь -гремучий газ Некоторые металлы, например, платина и палладий , способны поглощать значительные количества газообразного водорода. С При взаимодействии с щелочными и щелочноземельными металлами образует гидриды металлов При комнатной температуре реагирует с фтором , на свету с хлором , при нагревании – с кислородом, серой, азотом Физико-химические свойства водорода Свойства водорода как энергоносителя гл МДж/кг или 33,6 кВт*ч/кг 10,9 КДж/л или 3,03 Вт*ч/л 70 гл Зависимость плотности водорода (кг/м³) от давления (Мпа) и температуры (С Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP): Version 8.0 http://www.nist.gov/srd/nist23.htm Pressure (MPa) Temperature ( o C) 0,1 1 5 10 30 50 100 -255 73,284 74,252 -250 1,1212 68,747 73,672 -225 0,5081 5,5430 36,621 54,812 75,287 -200 0,3321 3,3817 17,662 33,380 62,118 74,261 -175 0,2471 2,4760 12,298 23,483 51,204 65,036 -150 0,1968 1,9617 9,5952 18,355 43,079 57,343 -125 0,1636 1,6271 7,9181 15,179 37,109 51,090 71,606 -100 0,1399 1,3911 6,7608 12,992 32,614 46,013 66,660 -75 0,1223 1,2154 5,9085 11,382 29,124 41,848 62,322 -50 0,1086 1,0793 5,2521 10,141 26,336 38,384 58,503 -25 0,0976 0,9708 4,7297 9,1526 24,055 35,464 55,123 0 0,0887 0,8822 4,3036 8,3447 22,151 32,968 52,115 25 0,0813 0,8085 3,9490 7,6711 20,537 30,811 49,424 50 0,0750 0,7461 3,6490 7,1003 19,149 28,928 47,001 75 0,0696 0,6928 3,3918 6,6100 17,943 27,268 44,810 100 0,0649 0,6465 3,1688 6,1840 16,883 25,793 42,819 125 0,0609 0,6061 2,9736 5,8104 15,944 24,474 41,001 25 42 350 атм атм атм Плотность водорода меняется незначительно при используемых да вл ен и ях от 1 до 7 00 атм Энергетическая плотность водорода и других видов топлива Naccarella, LaNi5H6 and Similar Alloys for Hydrogen Storage, November 10, 2017, Submitted as coursework for PH240, Stanford University, Fall 2017 2,35 кВт*ч/л 2,45 кВт*ч/л 121 МДж/кг 33,6 кВт*ч/кг Гравиметрическая плотность Объемная пло тност ь Об ъ емная пло тност ь Гравиметрическая плотность 8,82 МДж/л 8,47 МДж/л 13,9 кВт*ч/кг 50 МДж/кг 1,41 кВт*ч/л 0,84 кВт*ч/л 5,08 МДж/л 3,02 МДж/л 5,8 кВт*ч/л 20,8 МДж/л 11,6 кВт*ч/кг 42 МДж/кг 9 кВт*ч/л 32,4 МДж/л Содержание Водород, физико-химические и энергетические свойства Развитие водородной энергетики Получение водорода Хранение водорода Транспортировка водорода Применение водорода Экологическая и промышленная безопасность Проекты НГК в области водородной энергетики Развитие водородной энергетики» Первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, полученным электролизом воды, создал Франсуа Исаак де Риваз в 1806 году. В блокадном Ленинграде, где бензин был в дефиците, военный техник Борис Исаакович Шелищ предложил использовать воздушно-водородную смесь для работы заградительных аэростатов, на смесь перевели двигатели внутреннего сгорания лебёдок аэростатов и около автомобилей ГАЗ-АА. Понятие «водородная энергетика» было сформулировано в середине х годов в результате исследований, проводимых в области применения водорода как источника энергии , что явилось в тот момент следствием энергетического кризиса, охватившего большое число страна также в связи с изменениями климата. Важной вехой развития явились исследования, проведённые в конце х годов в американском НИИ чистой энергии при университете Майями, в результате которых было показано, что экологическая чистота водорода как источника энергии делает его использование потенциально рентабельным в целом ряде производств Направление «водородная энергетика» изучает полный жизненный цикл водородной отрасли получение, хранение, транспортировку, использование водорода, а также все сопутствующие проблемы реализации каждого этапа Существующие направления использования водорода Источник: DECHEMA, DOE, Fair-PR, Linde Динамика использования водорода в мире Источник: IEA другое аммиак нефтепереработка Содержание Водород, физико-химические и энергетические свойства Развитие водородной энергетики Получение водорода Хранение водорода Транспортировка водорода Применение водорода Экологическая и промышленная безопасность Проекты НГК в области водородной энергетики Классификация водорода по методам получения «Желтый (оранжевый) водород – как и зеленый получают путем электролиза, однако источником энергии являются атомные электростанции, выбросы СО 2 отсутствуют, но метод не является абсолютно экологичным. «Зеленый водород - является самым экологичным, т. к. получают его с помощью электролиза, если электричество поступает от ВИЭ, таких как ветер, солнечная или гидроэнергия, выбросы СО 2 отсутствуют. «Бирюзовый водород - получают разложением метана на водород и твердый углерод путем пиролиза. Дает относительно низкий уровень выброса углерода, который может быть либо захоронен, либо использован в промышленности, например, в производстве стали или резины, но он не попадает в атмосферу. «Серый водород - производится путем паровой конверсии метана. Исходным сырьем для такой реакции служит природный газ. Этот процесс легко осуществим с практической точки зрения, однако входе химической реакции выделяется углекислота, причем в тех же объемах, что и при сгорании природного газа. «Голубой водород - производится путем паровой конверсии метана, но при условии улавливания и хранения углерода, что дает примерно двукратное сокращение выбросов углерода, 24 марта 2021 Коричневый (бурый) водород - получают с помощью газификации бурого угля, в результате чего образуется синтез-газ - смесь углекислого газа (CO 2 ), монооксида углерода (CO), водорода, метана и этилена. Очень неэкологичный процесс по сравнению с другими методами природный газ нефть уголь электролиз воды Способы получения водорода Сегодня в качестве сырья для производства водорода используют природный газ - 68%, нефть – 16%, уголь - 11%, электролиз воды – 5% В настоящий момент относить водородную энергетику к категории возобновляемой и экологически чистой никак нельзя Синий водород Зеленый водород 5% себестоимость производства зеленого водорода враз больше, чем синего ) Электролиз воды Впервые электролитическое разложение воды на кислород и водород было осуществлено в 1800 году, а промышленное освоение этого метода началось с года, когда стали широко доступны генераторы постоянного тока. Воду можно разложить на составляющие - кислород и водород = 2H 2 + O 2 Электролиз воды - дорогая технология получения водорода, на неё приходится всего 5% от общего производимого объёма водорода Технология электролиза воды выглядит привлекательной в связи с экологической чистотой получения и возможности создания установок с широким диапазоном производительности Способ прости удобен в эксплуатации, обладает высокой чистотой производимого водорода Электролиз воды - перспективный метод экологически чистого получения водорода при использовании энергии ВИЭ, атомных или гидро ЭС. Промышленная установка щелочного электролиза воды Энергетическая емкость водорода 3,03 кВт*час/м³, электрическая 2,2 кВт*час/м³ Получение водорода из метана в настоящее время- наиболее рентабельный способ производства. Процесс отделения водорода от углерода протекает в трубчатых печах (химических паровых риформерах) с внешним подводом теплоты при температурах 750– 850°С через стенку трубы на каталитических поверхностях (никель, корунд+ H 2 O = СО + ЗН 2 Образующиеся газообразные продукты реагируют между собой + H 2 O = CO 2 + Н 2 Это самый дешёвый и рентабельный способ получения водорода. Себестоимость процесса 2÷5 долларов США за 1 кг водорода. Паровая конверсия метана ПКМ Установка производства водорода методом парового риформинга Схема реактора паровой конверсии метана Газификация угля Установка газификации угля Схема подземной газификации угля Получение водорода из угля является старейшим методом - первый газогенератор был построен в Великобритании в х годах века. Получение водорода газификацией угля заключается в обработке угля воздушно- паровой или кислородно-паровой смесью при температуре свыше 1000°С . Для получения синтез-газа (сингаза) используются реакции паровой, парокислородной конверсией и неполного окисления угля, которые описываются следующими уравнениями + H 2 O = H 2 + CO, C + 2H 2 O = 2H 2 + CO 2 , C + ½O 2 = CO, C + xH 2 O + ½(1-x)O 2 = xH 2 + Продукты газификации содержат Н, СОН ОН, Н, легкие углеводороды, смолу и шлаки, поэтому необходимо проводить дополнительно очистку получаемого водорода Первые высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (ВТГР) созданы в х. В х годах родилась целая концепция атомно-водородной энергетики. В ВТГР могут быть применены как замкнутые, таки открытые топливные циклы с использованием урана, плутония и тория. Проведенные к настоящему времени исследования дают основания для уверенности в том, что высокотемпературный реактор с гелиевым теплоносителем – это ядерная технология, которая может реально обеспечить высокотемпературным теплом промышленное производство водорода и другие энергоемкие технологические процессы. Использование ядерной энергетики (концепция атомно-водородной энергетики Биологическое получение водорода при помощи водорослей- процесс биологического расщепления воды, сопровождающийся выделением молекулярного водорода, которое осуществляется в замкнутом фотобиореакторе одноклеточными зелёными водорослями - хламидомонадами или хлореллами Переработке биомассы и промышленно- бытовых отходов с целью производства синтез-газа, в состав которого входят водород и прочие газы. При термохимической обработке биомассы её нагревают без доступа кислорода до температуры 500–800 Св результате чего образуются синтез-газ (сингаз). Для выделения водорода из синтез-газа используются разнообразные методы: адсорбция, абсорбция, диффузии через мембраны, электрохимическая конверсия, глубокое охлаждение, катализ. Биотехнологии получения водорода В 2006 году Лондонское водородное партнерство опубликовало исследование о возможности производства водорода из муниципального и коммерческого мусора. Согласно исследованию, только в Лондоне можно ежедневно производить тонну водорода как пиролизом, таки анаэробным сбраживанием мусора, а из муниципального мусора можно производить 68 тонн водорода. В 2013 году Университет в г. Лунд (Швеция) провел исследования получения водорода из золы, которую можно использовать в качестве ресурса за счёт рекуперации водородного газа вместо того, чтобы выпускать его в атмосферу. Процесс получения водорода включает в себя размещение золы в бескислородной среде. Зола смачивается водой, после чего образуется газообразный водород. Газ всасывается через трубы и хранится в резервуарах. Получение водорода из ТБО Концепция производства водорода высокотемпературным разложением воды при помощи солнечного света была разработана швейцарской компанией. При температуре более 1700 °C вода распадается на водород и кислород. Получить подобные температуры можно при фокусировке солнечного света в солнечной башне с помощью линз либо параболических зеркал. Департамент энергетики США совместно с национальной исследовательской энергетической лабораторией проводят исследовательские работы в рамках разработки концепции Водород из ветра», исследуя электролитические методы производства водорода с помощью энергии ветра. Построены электролизные заправочные станции с ветрогенераторами в качестве источника энергии мощностью до 100 кВт в Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии. Водород из солнечной и ветровой энергии Перспективы использования металлического водорода Металлический водород получен при давлении 5 миллионов атмосфер (500 ГПа) между алмазными наковальнями. Эффективность водородной энергетики зависит от увеличения плотности и, соответственно, повышения энергоёмкости водорода. В году физики из США заявили о получении металлического водорода , в 2019 году французскими физиками были подтверждены условия существования водорода в металлической форме - при увеличении внешнего давления до сотен ГПа (миллионов атмосфер) атомы водорода начинают проявлять металлические свойства - ядра водорода сближаются друг с другом существенно ближе «боровского» радиуса таким образом, что сила связи электрона с ядром становится нелокализованной, связь электронов с протонами ослабевает и они формируют свободный электронный газ так же, как в металлах Металлический водород – метастабильный материал, представляющий компактное, эффективное и чистое топливо. При этом высвобождаемая энергия не требует окисления с кислородом, а выделяется при фазовом переходе из металлического состояния в газообразное. Плотность металлического водорода сравнима с плотностью воды, поэтому энергетическая емкость металлической водородной ячейки объёмом 1 литр (1 кг) составляет 216 МДж энергии, что только в 6,5 раза превышает энергоемкость того же объема жидкого углеводородного топлива при огромной энергоемкости процесса Содержание Водород, физико-химические и энергетические свойства Развитие водородной энергетики Получение водорода Хранение водорода Транспортировка водорода Применение водорода Экологическая и промышленная безопасность Проекты НГК в области водородной энергетики Хранение водорода Хранение водорода сложный, а поэтому дорогой процесс из-за очень низкой плотности водорода как в газообразном, таки в жидком состоянии и, как следствие, в технических рисках больших утечек. К хранению водорода предъявляются строгие требования, среди которых главным является то, что системы хранения должны выдерживать либо криогенные температуры, либо высокие давления, либо содержать активные материалы, которые взаимодействуют с водой или воздухом. Условия хранения водорода всегда неблагоприятные, требующие обеспечения высокой надёжности и безопасности. Способы хранения водорода можно разделить на Физические в сжатом или сжиженном состоянии Физико-химические - в первую очередь в адсорбированном состоянии, наиболее перспективны для этого способа хранения являются наноматериалы, так как способность к адсорбции у них очень велик Химические в связанном состоянии в металлогидридах (химических соединениях водорода с переходными металлами и редкоземельными элементами Хранение газообразного водорода под давлением Самый простой метод хранения водорода – в газообразном состоянии под давлением. Но так как плотность газообразного водорода при нормальных условиях 90 гм, для хранения кг водорода потребуются 11,2 м объёма. В обычных стальных баллонах хранится водород под давлением до 200 атмосфер - при таком давлении в 1 м хранится 16 кг водорода. То есть для хранения 1 кг водорода при таком давлении необходимы 62 литра объема (бак легкового автомобиля. В тоже время, в том же самом объеме, но уже при нормальном давлении, могут хранится 50 кг бензина (энергоемкость 580 кВт*час). Компримированный до давления 20 МПа водород, хранящийся в баке 62 литра, имеет меньшую враз энергетическую емкость, чем жидкое углеводородное топливо. В России принят стандарт окраски и маркировки баллонов содержащий сжатый водород: темно-зеленый баллон, с красной надписью Хранение водорода в жидком виде Плотность жидкого водорода составляет 70 кг/м³, что в 1,67 раза больше чем в газообразной форме при давлении в 70 Мпа (42 кг/м³), соответственно, объемная энергетическая плотность жидкого водорода при нормальном давлении 8,5 МДж/л, что в 2,45 раза ниже чему жидкого метана ( 20,8 МДж/л) Точка кипения водорода К, поэтому процесс сжижения водорода очень энергозатратный - от 25 до 45 % энергии сжижаемого водорода расходуется на процесс сжижения. Хранится жидкий водород в криогенных контейнерах, для производства которых используются высококачественные стали, предназначенные для требуемых температурных диапазонов. Резервуары оснащены фильтрами тонкой очистки жидкого водорода и имеют высокоэффективную теплоизоляционную систему, однако имеют место существенные потери водорода, особенно заметные для небольших резервуаров с большим соотношением поверхности к объему (уникальные способности водорода диффундировать через поверхность материала) Наибольших успехов в плане уменьшения утечек добились специалисты BMW. Они разработали и испытали несколько автомобилей с водородным топливом, хранящимся в жидком виде в специальных баллонах - удалось уменьшить потери до 1,5 % массы в день. Резервуар для хранения жидкого водорода на 12-ти осных сцепных транспортёрах На BMWHydrogen 7 установлен бензобак 74 литра и баллон для хранения 5,2 кг водорода Химически связанный водород в жидкостях 1. Аммиак сжижается при комнатной температуре и давлении 1 МПа, в жидком виде аммиак можно легко транспортировать и хранить, а потом получать водород N 2 + 3Н 2 Чтобы получить килограмм водорода, нужно использовать 5,65 кг аммиака -теплота сгорания полученного водорода превышает только на 15% теплоту сгорания использованного в процессе разложения аммиака. Водород из метанола может быть получен Методом каталитического разложения: СН 3 ОН → СО+2Н 2 с последующей каталитической конверсией СО Методом каталитической паровой конверсии: Н 2 О+СН 3 ОН → СО 2 +3Н 2 с использованием цинк-хромовый катализаторов и температуре процесса 300–400 Недостаток подобных методов хранения водорода заключается в однократном использовании среды хранения. Шаровые резервуары объемом дом используются для хранения под избыточным давлением сжиженных углеводородных газов, жидких продуктов химических производств, например аммиака Объемная п л от н ост ь во до ро да в гидридах металлов, г Н 2 /л ит р Массовая плотность водорода, % массы Н Хранение водорода в гидридах металлов гл гл гл МПа Гидрид магния на сегодня самый изученный, доступный, массовый и недорогой материал. Объёмная плотность водорода в гидриде магния гл (сопоставима с объемной плотностью водорода в бензине и жидком метане при существенно меньшей массовой плотности %) , однако гидрид магния имеет термодинамические ограничения – водород не адсорбируется при температуре ниже 200 °C, а десорбция происходит при температуре выше 400 °C Хранение водорода с помощью наноматериалов Среди множества адсорбирующих водород материалов углеродные наноструктуры обладают одним из наиболее высоких сорбционных показателей. Наибольший интерес представляют углеродные нанотрубки (УНТ), которые могут заполняться газообразными веществами и связывать большое его количество. Проведенные многочисленные исследования показали наличие очень высокой адсорбции водорода при температурах, близких к комнатной, и давлениях, близких к атмосферному. Нанотрубки значительно удобнее и практичнее графита в качестве адсорбирующей водород среды, поскольку они способны удерживать водород даже при комнатой температуре, а их изогнутая поверхность увеличивает энергию связи молекул водорода с графитом. В настоящее время продолжаются интенсивные поиски путей повышения водород-углеродного отношения при аккумулировании до практически приемлемого уровня Содержание Водород, физико-химические и энергетические свойства Развитие водородной энергетики Получение водорода Хранение водорода Транспортировка водорода Применение водорода Экологическая и промышленная безопасность Проекты НГК в области водородной энергетики Углеродный выброс, млн т/год Плотность смеси hythane, кг/м³ Энергетическая емкость прокачиваемой смеси hythane, млрд кВт*ч/год Массовое соджержание водорода в смеси, Моделирование прокачки метан – водородной смеси по Северному Потоку млрд КВт*ч 7,57 млрд м метана в год Выбросы диоксида углерода - Объемное содержание водорода в смеси, Экологические выгоды компенсируют энергетические потери млн тонн СО 2 в год М ассо во е содержание водорода в смеси % Содержание Водород, физико-химические и энергетические свойства Развитие водородной энергетики Получение водорода Хранение водорода Транспортировка водорода Применение водорода Экологическая и промышленная безопасность Проекты НГК в области водородной энергетики Водородная энергетика на транспорте развивается по двум основным направлениям Непосредственное сжигание водорода в модифицированных ДВС, при этом в результате сгорания образуются водяной пари оксиды азота, т.е. процесс не является абсолютно экологически чистым. Это делает проблемным такой способ применения водорода как топлива из-за существенно большей стоимости по сравнению с традиционной углеводородным топливом Совершенствование водородных топливных элементов , принцип действия которых был открыт в году ив которых химическая энергия топлива преобразуется в электрическую без горения. Тем самым повышается КПД и надежность процесса преобразования энергии, а также достигается экологическая чистота. Применение водорода на транспорте Принцип действия топливного элемента Топливный элемент — электрохимическое устройство для получения энергии с внешней подачей вещества для проходящей в нем реакции. Имеют очень высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую. Конструкция любого топливного элемента состоит из двух газодиффузионных электродов - анода и катода, и находящегося между ними слоя электролита — среды, обеспечивающей перемещение ионов от одного электрода к другому и блокирующей движение электронов. Для того чтобы реакция протекала с более высокой скоростью, в электродах используют катализаторы. В зависимости от типа топливного элемента, в качестве топлива могут использоваться газообразный водород, природный газ (метана также жидкое углеводородное топливо (например, метиловый спирт. В роли окислителя обычно выступает содержащийся в воздухе кислорода некоторые типы топливных элементов могут работать только с чистым кислородом Проект Ту экспериментальный вариант Ту для отработки двигателей с использованием криогенного топлива, где использовался один двигатель НК-88, работающий на водороде (правый) и два ТРДД НК-8-2. Топливный бакс экранированной теплоизоляцией, вмещающий 17,5 м сжиженного газа вместе с системой подачи топлива и системой поддержания давления, был размещён в хвостовой части фюзеляжа, в постоянно продуваемом воздухом (либо азотом) отсеке. Первоначально в качестве топлива использовался сжиженный водород (температура до −253 Первый полёт был выполнен 15 апреля 1988 года. Всего было выполнено более ста полётов, из них пять - на жидком водороде. В 1989 году двигатель самолёта переоборудовали на сжиженный природный газ (температура −162 °C). Для обслуживания самолёта был разработан авиационный криогенный комплекс. Проект ТУ - 155» 45 Проект Энергия – Буран» 46 Проект Энергия советская ракета-носитель сверхтяжёлого класса, разработанная НПО Энергия. Самая мощная из советских ракет-носителей и одна из самых мощных в мире. Ракета-носитель являлась составной частью советской многоразовой транспортной космической системы Энергия Буран и могла использоваться автономно для доставки грузов больших масс и габаритов в околоземное пространство, на Луну, планеты Солнечной системы, а также для пилотируемых полётов. Выполнена по двухступенчатой пакетной схеме с боковым расположением четырёх блоков первой ступени вокруг центрального блока второй ступени - первую ступень составляют четыре боковых блока с одним кислородно-керосиновым двигателем РД-170; во второй ступени установлены 4 кислородно-водородных двигателя РД-0120. Полезная нагрузка устанавливается на боковой поверхности второй ступени. Конструктивными особенностями являются блочно - модульный принцип компоновки, позволяющий на основе блоков первой и второй ступеней создавать носители среднего и тяжёлого класса грузоподъёмностью от 10 дот Содержание Водород, физико-химические и энергетические свойства Развитие водородной энергетики Получение водорода Хранение водорода Транспортировка водорода Применение водорода Экологическая и промышленная безопасность Проекты НГК в области водородной энергетики https://tass.ru/opinions/10197885 ПАО «ГАЗПРОМ» ПАО "Газпром" создает компанию "Газпром водород" (Gazprom с целью реализации инновационных водородных проектов. ПАО "Газпром" озвучило инициативу по запуску крупного завода по производству водорода из метана в Германии, который мог бы быть заложен около выхода на берег обеих ниток газопроводов "Северный поток. Согласно оценкам компании, величина углеродного следа для производимого таким образом водорода будет в три раза ниже действующего в ЕС критерия. Если Европа будет готова платить за утилизацию дополнительных объемов углекислого газа, ПАО "Газпром" готов прокачивать в реверсном режиме из Европы в Россию углекислый газ с целью его промышленного использования или захоронения, что может стать новой весомой статьей дохода. Проект пока что выглядит фантастично, нос технической точки зрения он вполне реалистичен Выступая на Конференции производителей и потребителей СПГ-2020» глава ПАО «НОВАТЭК» Л. Михельсон сообщил водород - следующий шаг развития мировой энергетики, в ближайшие 30- 40 лет он станет важным энергоносителем и займет свою долю в мировом энергобалансе; наиболее дешевый способ получения водорода - паровая конверсия природного газа, но появляются новые технологии его получения производители сжиженного природного газа (СПГ) обладают необходимыми финансовыми, техническими и коммерческими компетенциями для того, чтобы развивать этот рынок в настоящее время ПАО «НОВАТЭК» производит водород для собственных нужд, прорабатывает варианты организации производства на своих площадках водорода для перспективных рынков и приглашает партнеров к реализации совместных водородных проектов одним из проектов в рамках климатической программы ПАО «НОВАТЭК» может стать захоронение СО 2 на Ямале. Аналогичный проект реализует совместно с партнерами «Shell» и «Total» на норвежском континентальном шельфе- в Северном море, поблизости от месторождения Troll. https://neftegaz.ru/news/Alternative-energy/634835-klimatichno-novatek-verit-v-perspektivy-vodorodnoy-energetiki-i-gotovit-proekt-po-zakhoroneniyu-ugle/ ПАО «НОВАТЭК» Развитие водородной энергетики в России Минэнерго РФ разработало дорожную карту Развитие водородной энергетики в России» на 2020–2024 годы, которая легла в основу Плана мероприятий, утвержденного постановлением Правительства РФ от 12.10.2020 (№ 2634-р). Россия планирует производить и экспортировать водород в соответствии с мировым трендом на постепенный отказ от углеводородной энергетики. Уже с 2021 года Правительство намерено формировать репутацию России как поставщика водорода, который является одной из альтернатив традиционным энергоносителям. План предусматривает реализацию следующих блоков проблем: I. Стратегическое развитие и мониторинг развития ВЭ. II. Мероприятия по стимулированию и государственное поддержке развития ВЭ. III. Формирование производственного потенциала. Реализация приоритетных проектов в области ВЭ. V. Научно-техническое развитие и разработка высокотехнологичных решений. Совершенствование нормативно-правовой базы и системы национальной стандартизации. Развитие кадрового потенциала. VIII.Развитие международного сотрудничества Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Твердо-оксидные ТЭ, катализаторы, топливные процессы - устройства риформинга углеводородных топлив г. Новосибирск 2 Институт высокотемпературной электрохимии УО РАН Высокотемпературные твердо-оксидные топливные элементы и устройства на их основе г. Екатеринбург 3 Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН Производство и очистка водорода г. Москва 4 Институт металлофизики и функциональных материалов им. Г.В.Курдюмова РАН Технология хранения водорода на базе металлогидридных систем и наноструктур (фулеренов) г. Москва 5 Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН Технология получения многослойных пористых кремниевых мембран для ТЭ и кремниевых каталитических подложек для риформинга углеводородного топлива и получения водорода г Черноголовка, Московской обл. 6 Институт элементоорганических соединений им. АН. Несмеянова РАН Исследование и разработка опытно-промышленнных образцов высокотемпературных ТЭ на основе конденсатных полимеров г. Москва 7 Институт машиноведения УО РАН Интегрированные системы получения, аккумулирования, хранения и снабжения водородом г. Екатеринбург 8 ФГУП Уральский электрохимический комбинат Электрохимические генераторы на базе щелочных и протон- обменных ТЭ г. Новоуральск, Свердловской обл. 9 Российский федеральный ядерный центр Всероссийский НИИэкспериментальной физики (ФГУП РФЯЦ —ВНИИЭФ) Энергетические установки на основе ТЭ с протон-обменными мембранами г.Саров, Нижегородской обл. 10 Российский научный центр Курчатовский институт» Производство, аккумулирование, хранение и снабжение водородом, твердо-полимерные ТЭ г. Москва 11 Государственный научный центр РФ "Физико-энергетический институт им. А.И.Лейпунского" Твердо-оксидные ТЭ и энергетические устройства на их основе г. Обнинск 12 ОАО «Ракетно-космическая корпорация Энергия им. С. П. Королева» Энергетические устройства на базе ТЭ для автотранспорта и бытовых нужд г. Королев, Московской обл. 13 ОАО Специальное конструкторское бюро котлостроения» Энергетические устройства на базе ТЭ г. Санкт- Петербург Научно-исследовательские организации, участвующие в работах по водородной энергетике и топливным элементам РФ Полякова Т.В., Центр глобальных проблем ИМИ, Состояние и перспективы водородной энергетики в России и мире Всероссийская конференция Водород. Технологии. Будущее» Технологическая водородная долина декабря 2020 года https://portal.tpu.ru/htf/proceedings Rohstoff-Forum Российско-Германский сырьевой форум https://www.rohstoff-forum.org/ru/wasserstoff-tagung/#1578768714914-06181220-3ba9687b-ff9f Перспективы развития водородной энергетики в России 53 Водород производится в России в промышленных масштабах, но используется он в основном в нефтепереработке, металлургии и химии. Минэнерго РФ оценивает мировой рынок водородного топлива кг. в $32–164 млрд. В России водородная энергетика сформируется к 2025– 2035 гг., для этого потребуются инвестиции в млрд, но это может принести доход по млрд. в год Производить водород можно на недозагруженных ГЭС на юго-востоке страны, а также Ленинградской и Кольской АЭС. Инвестиции в установку генераторов водорода оцениваются в 55 млрд руб. С площадок на юго-востоке России можно будет отгружать партии водорода в страны АТР, ас Ленинградской и Кольской АЭС – в Европу. Конкурентные преимущества России – наличие резервов энергетических мощностей, близость к потенциальным потребителям (страны ЕС, КНР, Япония), а также наличие действующей инфраструктуры транспортировки. Московская школа управления «Сколково»; Energy Net Основными целями «водородной энергетики» являются снижение экологически вредных выбросов и переход к возобновляемой энергетике, однако доминирующие в настоящий момент технологии производства водорода из органического топлива не позволяют «водородную энергетику относить к разряду экологически чистой и возобновляемой энергетики Водородная энергетика» призвана решить проблему повышения энергетической эффективности, так как тепловая энергетика, основанная на сжигании органического топлива, имеет низкую эффективность. Основным преобразователем энергии водорода в электроэнергию малой мощности являются топливные элементы, КПД которых достигает 40- 50% для низкотемпературных топливных элементов и 50-60% для высокотемпературных оксидных топливных элементов (в сочетании с турбинами на выхлопном газе - до 90%). В высокотехнологических отраслях как авиация, космос, судостроение, атомная энергетика элементы «водородной энергетики» используются повсеместно, что позволяет надеяться на то, что технологические решения будут использоваться ив дальнейшем, если не произойдет технологического прорыва в разработке других видов энергии На современном этапе «водородная энергетика» находится на стадии интенсивных научно- технологических исследований, которые ведутся во всех развитых странах, однако промышленно востребованных результатов пока мало. Заключение Спасибо за внимание! Вопросы? vbessel@nt-serv.com |