Водородная установка для отопления: плюсы и минусы, критерии выбора

В систему отопления частного дома обязательно должна быть залита вода. Пламя горелки может расплавить котел, если там не будет воды.

После этого регулируют подачу воды в устройство и начинают устранять пробки в системе отопления дома. Затем с помощью регулировки подачи воды и напряжения питания настраивают работу котла.

При эксплуатации установки в течение отопительного сезона проводят окончательное испытание, в ходе которого решаются несколько вопросов:

1. Хватает ли газа для отопления дома. Если его недостаточно, то можно своими руками сделать установку большей производительности.
2. Насколько хорошо работает котел на водороде, то есть насколько котел долго прослужит.
3. Стоимость такого отопления – для этого можно завести журнал, в котором вести подсчеты расходов на отопление и температуры в доме и на улице во время работы котла. На основании этих данных потом можно сделать вывод, насколько выгодно отапливать дом водородом.

На основании этих данных можно к следующему отопительному сезону подготовиться более основательно. Во время эксплуатации можно увидеть, что нуждается в усовершенствовании, может какую-то часть устройства нужно переделать. Возможно, в переделке и модернизации нуждается сам котел, для того чтобы он не вышел быстро из строя. Также если в дальнейшем планируется пользоваться устройством, может, есть смысл приобрести дистиллятор для воды?

Видео про генератор

Как сделать водородный генератор своими руками без электричества, можно узнать из этого видео.

Главный вопрос, который интересует многих, – настолько дорого или дешево обходится такое отопление? Это можно узнать, если вести статистику во время отопительного сезона. Причем необходимо подбивать все затраты, такие как стоимость дистиллированной воды, стоимость щелочи, расходы на электричество, на ремонт котла и на изготовление установки. На основании этого можно принимать решение, подходит такой вид отопления для дома или нет.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Отопление дома газом Брауна (водородом)

Большинство людей ищут способы в альтернативной энергетике для обеспечения своей жизнедеятельности не по причине бедности, а с целью получить независимость или по крайней мере уменьшить энергетическую зависимость от традиционных систем энергообеспечения. Обогрев жилища беспокоит огромную часть населения Планеты, и одним из известных на сегодняшний день способов обогрева теплоносителя, есть генерация и сжигание кислородно-водородной смеси или газа Брауна.

Получение «чистой» и дешевой энергии для бытовых нужд – актуальный вопрос для тех, кто задумывается об экологии. Одна из таких инноваций — водородная установка для отопления дома. Водород – самый распространенный химический элемент, следовательно, его использование экономически оправдано. Последние разработки позволяют использовать для получения этого газа доступные материалы. То есть генератор водорода для отопления дома вполне возможно собрать своими силами. Как следует из названия – установка генерирует водород (или его модификацию – газ Брауна), который и служит источником получения энергии. Многие мастера уже демонстрируют вполне оконченные системы для обогрева помещений.

В применении этой технологии энергоснабжения в быту есть много скептиков, но несмотря на это уже многие люди нашли способ использовать у себя в быту газ Брауна для обогрева жилища и приготовления пищи вместо пропана, бутана или метана, т.е. вместо природного или сжиженного газа. Так же явно выделяется тот факт, что при горении газа Брауна от пламени не излучается тепло в разные стороны как от другого вида пламени и в тоже время присутствует в огромном количестве на острие факела — это так, но и в этом случае многие находят выход например, смешивают газ Брауна с природным или сжиженным газом в результате чего имеют значительную экономию.

Многие так же утверждают, что расходование электроэнергии на получение газа экономически не выгодно и проще установить электрокотел для нагрева теплоносителя и напрямую использовать электроэнергию, и тут они где то правы, но это только в том случае, если преобразовать переменный ток в постоянный и в таком виде использовать для генерации газа. А если использовать в качестве энергообеспечения импульсный источник постоянного тока (как например, импульсный сварочный аппарат) тогда мы получим значительную экономию в расходовании электроэнергии и очень большое количество газа при необходимости.

Есть еще одна «неприятность» в использовании газа Брауна. В этих установках сложно сделать автоматический поджиг газа, а так же обеспечить его угасание без характерного хлопка, но над этим многие разработчики этих систем работают и у многих есть свои решения разной сложности.

В любом случае очень многое зависит от конструкции Вашей установки, которую целесообразно изготовить самостоятельно. Кроме того, эту систему можно использовать в совокупности с другими альтернативными источниками генерации тепла например, с биомейлером нагревая воду компостом, с солнечным коллектором для нагрева воды, думаю что в совокупности эти установки могут дать горячую воду в избытке летом и в необходимом количестве зимой.

Водородное отопление имеет несколько важных достоинств, которые обусловливают развитие и привлекательность системы:

• Это экологически чистые системы. И здесь единственным побочным продуктом, выбрасывающимся в атмосферу при работе, является вода в состоянии пара. Этот пар никоим образом не наносит вред окружающей среде.
• Компактность системы в целом. Отсутствие громоздких котлов, например как для твердого топлива, пеллетных котлов, жидкотопливных и др.
• Водород в системе отопления функционирует с применением пламени.
• Существуют разработки которые выделяют тепло без применения пламени. Тепло создается в результате каталитической реакции. Когда водород соединяется с кислородом, получается вода. При этом выделяется много тепловой энергии. Поток тепла температуры примерно 40 градусов идет в теплообменник. Для теплых полов – это идеальный температурный режим.
• Есть надежда что водородные генераторы смогут заменить традиционные системы, таким образом, освободив общество от добывания разного топлива – нефти, газа, угля и дров.
• Такой генератор способен похвастать удивительно высоким коэффициентом полезного действия. Ни один из традиционных видов отопления не в силах предоставить подобные результаты.
• Водородная горелка характеризуется абсолютной экологической безопасностью. При работе устройства выделяется только лишь пар — полностью безвредный как для окружающей среды, так и для организма жителей дома.
• Горелки данного вида работают абсолютно бесшумно, что также нужно считаться весьма значимым обстоятельством.
• Установка генераторов на водороде не требует сооружения и последующего использования дымоходов, а это очень удобно.

Подробно расписав преимущества, будет несправедливо утаить от читателя недостатки, которые тоже имеют место быть, если мы говорим об отоплении на водороде:

• При обычной комнатной температуре водород обладает газообразной консистенцией. Кроме этого он считается достаточно взрывоопасным веществом, поэтому его транспортировка несет в себе определенные трудности.
• Кроме того крайне нежелательно накапливать газ впрок, т.е. его надо вырабатывать ровно столько, сколько надо прямо сейчас и после потери надобности, прекращать генерацию. Это не сложно сделать, если решить задачу с автоподжигом и гашением пламени
• Необходимость постоянного пополнения электролита водой, потому-что во всем процессе производства газа расходуется только вода.
• Несмотря на то, что в западных странах использование водородных генераторов становится все более и более привычным, в нашей стране им слишком мало уделяется внимания, поэтому с покупкой и монтажом котлов могут возникнуть проблемы. Другими словами, все это надо будет выполнять самостоятельно, или под вашим личным руководством.

Ввиду того что массовое производство подобных агрегатов на сегодняшний день отсутствует, их покупка является нелегким процессом. Скорее всего, придется оформлять индивидуальный заказ или договариваться о поставке оборудования из Италии, где впервые разработали и запустили в работу такие устройства. Но подобное решение вопроса по карману далеко не всем потребителям. В этом случае стоит рассмотреть возможность сооружения котла своими руками.

Как устроен самодельный котел отопления на водороде? Система водородного обогрева состоит из генератора, горелки и котла. Точной и гарантирующей успех инструкции по сооружению водородного котла на сегодняшний момент не может дать ни один источник. Но согласно навыкам и опыту практикующих химиков и техников такой агрегат должен состоять из следующих компонентов:

• Теплообменник.
• Электролизер.
• Камера сгорания.
• Предохранительный блок — барботер, защищающий от «обратки» (с 2 ступенями).
• Емкость с электролитом и вырабатываемым водородом. Она должна быть изготовлена из легированной или нержавеющей стали, а также снабжена регулируемым клапаном, с помощью которого можно, при достижении заранее установленного давления, выключать генератор и расходовать выработанный газ. Сбрасывать давление методом выпуска газа из генератора не рекомендуется.

Для работы водородного котла нужно организовать процесс передачи тепловой энергии от пламени горелки воде в трубах. Для этого можно использовать любой твердотопливный котел, но эффективнеее и выгоднее изготовить такой котел самостоятельно тем более, что у него не сложная конструкция. Можно предусмотреть для большей теплоотдачи и инерционности котла заполнение топки чугуном или гранитными камнями, они будут выполнять сразу несколько функций.

• Равномерное распределение тепла от водородного котла отопления, изготовленного своими руками, теплоносителю;
• Даже после прекращения горения смеси накопленная тепловая энергия еще некоторое время будет передаваться от гранита воде в трубах;
• Защита теплообменника водородной установки, предназначены для отопления дома от прямого воздействия пламени. Это значительно увеличит срок службы.

Установив датчик пламени на горелке, можно повысить безопасность работы всей системы. В случае непредвиденного затухания датчик подаст сигнал генератору о прекращении производства газа и запора поступления смеси в горелку.

Все остальные элементы водородного отопления, установленные своими руками, ничем не отличаются от стандартной схемы. Единственное дополнительное требование к ним — возможность выполнять свои функции при повышенном температурном режиме работы. Так как по схеме водородного генератора для отопления максимальная температура пламени на кончике факела может достигать 3000 град — необходимо предусмотреть меры по стабилизации нагрева теплоносителя. Одной из них является вышеописанная загрузка камней в топку котла. Также рекомендуется сделать следующую модернизацию водородного котла отопления.

• Установить датчики температуры внутри теплообменника. Они будут сигнализировать о превышении уровня нагрева воды;
• В устройство водородной горелки добавить автоматическую запорную арматуру, подключенную к датчику температуры в котле.

Так как водородное отопление дома, а именно: схема, установка, котел, генератор, горелка и другие компоненты имеются в небольшом ассортименте – рекомендуется обращаться только к проверенным производителям. Благо всевозможных подробностей в сети Интернет предостаточно.

—————

Читайте так же:

1. Газ Брауна или сжигаем водород
2. Газ Брауна: состав электролита
3. Что делает газ Брауна уникальным?
4. ВОДОРОД как вид бытового топлива.

Водородные генераторы — технические характеристики и изготовление своими руками

Науке известно всего одно абсолютно чистое топливо – это водород, которые используется в космической промышленности. В процессе горения водорода образуются соединения с кислородом, то есть вода. Запасы этого топлива неисчерпаемы, т. к. оно наравне с гелием является основным «стройматериалом» во Вселенной.

Сегодня мы расскажем про водородные генераторы, обретающие в последнее время все большую популярность благодаря доступной стоимости и экологичности.

Водородные генераторы своими руками

Содержание статьи:

Отличительные особенности водородного отопления

Данный тип отопления основывается на выработке огромного количества тепловой энергии в результате контакта молекул кислорода и водорода. Что характерно, единственным побочным продуктом в этом случае является дистиллированная вода. И чтобы реализовать этот принцип на практике, проводилось множество разработок по созданию водородного отопительного котла (речь идет о промышленных моделях).

Такие приборы отличались габаритностью и, следовательно, для установки требовалось много места. Да и КПД таких котлов был не самым высоким – порядка 80 процентов. Но с тех пор прибор много раз усовершенствовался и в результате мы получили котел для домашнего отопления, работающий по этому принципу. Для нормальной его работы необходимо соблюдать всего несколько важных условий.

Парогенератор — как сделать самостоятельно

Советуем посмотреть нашу инструкцию о том как своими силами сделать парогенератор для бани. Все подробности тут

• Наличие постоянного электропитания. В основе генераторов лежит реакция электролиза, которая, как известно, без электричества невозможна.
• Постоянное подключение к источнику воды. Зачастую для этого используется водопровод, хотя конкретный расход прибора зависит, конечно же, от его мощности.
• Катализатор нуждается в регулярной замене. Частота этой замены зависит, как и предыдущий показатель, от мощности, а также от особенностей конкретной модели.

И если сравнивать водородное оборудование, к примеру, с газовым, то оно менее требовательное в плане безопасности. А все дело в том, что реакции образуются и проистекают исключительно внутри генератора. От человека же, как от пользователя, нужен лишь визуальный контроль над основными показателями.

Устройство водородного генератора

А теперь ознакомимся более детально с водородным вариантом обогрева дома. И суть его, как уже отмечалось, в том, чтобы вырабатывать Н2О, этот вариант вполне заслуживает, чтобы его считали альтернативой природному газу. Что характерно, среднестатистическая температура горения в данном случае может достигать 3-х тысяч градусов, поэтому потребуется использование специальной водородной горелки в отопительной системе. Объясняется это тем, что лишь такая горелка способна выдерживать столь значительный нагрев.

Есть несколько компонентов, из которых состоит отопление водородного типа, ознакомимся с ними.

• Упомянутая выше горелка. Она необходима для одной простой цели – создавать открытое пламя.
• Водородный генератор – он будет обрабатывать смесь посредством разложения воды на молекулярные составляющие. И для того чтобы оптимизировать химическую реакцию, можно использовать в ее процессе катализаторы.
• Собственно, котел. Здесь он служит в роли своего рода теплообменника. Саму горелку устанавливают в топочную камеру, благодаря чему носитель тепла в системе и прогревается до требуемой температуры.

Обратите внимание! Тем, кто запланировали изготовить водородные генераторы, напоминаем, что для этого им придется усовершенствовать уже наличествующее оборудование по схеме, указанной ранее. Но зато такое самодельное оборудование более экономично, чем его «магазинные аналоги», купленные за большие деньги.

Сильные стороны водородного отопления

Положительные качества, которыми обладает отопление с помощью водорода, многочисленны. Именно этим и объясняется столь значительная популярность системы.

• Отличный КПД, коим она характеризуется, может достигать 96 процентов.
• Экологичность. Объясняется это тем, что единственным побочным продуктом, отходами, если можно так выразиться, является чистая вода, производимая в газообразном состоянии. А водяной пар, как известно, не оказывает негативного влияния на окружающую среду.
• Для функционирования в системе водорода никакое пламя не требуется. Тепловая энергия появляется вследствие каталитических химических реакций. Соединяясь с воздухом, водород образуется воду, что сопровождается появлением большого количества энергии. Поток тепла (а его температура достигает 40 градусов) подается в теплообменник. Вполне очевидно, что это наиболее оптимальный вариант для системы «теплого пола».

Слабые стороны

Ознакомившись с достоинствами, приступаем к недостаткам водородного отопления.

• Невзирая на то, что в более продвинутых странах такой способ отопления крайне популярен, в нашей стране ему пока что не уделяют нужного внимания. Именно поэтому приобретение и монтаж данного оборудования столь проблематичен и сопряжен с рядом трудностей.
• Средняя комнатная температура приводит к тому, что водород приобретает газообразное состояние. Более того, это вещество взрывоопасно, в связи с чем транспортировать его, особенно на большие расстояния, очень сложно.
• Баллоны, содержащие водород, должны сертифицироваться соответствующими специалистами, на обучение которых требуется достаточно много времени.

Вихревой теплогенератор

Советуем вам посмотреть одну из наших статей, о том из чего состоит вихревой теплогенератор и как сделать его самостоятельно Все подробности тут

Как установить водородный котел?

На данный момент многие предпочитают самостоятельно производить водородные генераторы для своих отопительных систем. И в этом нет ничего удивительного, ведь «магазинные» аналоги не только очень дорого стоят, но и обладают не слишком высоким КПД. А вот если этот прибор сделать своими руками, то эффективность его будет на порядок выше.

Существует несколько вариантов того, как собрать генератор, работающий на водороде. Но в любом случае для его изготовления в домашних условиях потребуются следующие расходные материалы.

• 12-вольтный источник энергии.
• Несколько трубок, выполненных из нержавеющей стали и имеющих различный диаметр.
• Резервуар, в котором будет расположена конструкция.
• ШИМ-регулятор. Важно, чтобы его мощность составляла как минимум 30 ампер.

Это основные комплектующие, из которых обычно состоят самодельные водородные генераторы. Кроме того, не забывайте о резервуаре под дистиллированную воду – его наличие также обязательно. Воду необходимо подавать в герметичную конструкцию с находящимся внутри диалектиком. В этой же конструкции будет располагаться комплект, сделанный из пластин «нержавейки», примыкающих одна к другой посредством изоляционного материала. Важно, чтобы 12-вольтное напряжение подавалось именно на эти пластины. Если все будет сделано правильно, то при подаче напряжения вода распадется на 2 газообразные элемента.

Обратите внимание! Более эффективной в этом плане является использование постоянного тока (он обязан иметь конкретную частоту), производимого генератором типа ШИМ. В таком случае импульсный ток (либо же переменный) будет заменен постоянным. В результате этого эффективность оборудования существенно повысится.

Какую воду использовать – дистиллированную или из-под крана?

Здесь ничего сложного нет. Водопроводная жидкость может использоваться, но лишь в том случае, если в ней нет примесей тяжелых металлов. Но чтобы оборудование работало более эффективно, лучше использовать все же дистиллированную воду, добавляя в нее небольшое количество гидроксида натрия. Соотношение в данном случае должно быть следующим: по столовой ложке гидроксида на каждые десять литров воды.

Какой именно металл следует использовать?

Этот вопрос спорный. Так, во многих – в том числе весьма авторитетных – источниках говорится, что для водородного отопления необходимо использовать лишь редкие металлы. В действительности это не совсем верно, так как вполне можно использовать и нержавеющую сталь, о чем мы уже говорили выше. Хотя в идеале это должна быть ферримагнитная сталь. Отличается она тем, что не притягивает к себе частички не нужного мусора. Также отметим, что при выборе металла ориентироваться лучше все же на «нержавейку», которая не подвержена процессу окисления.

Как видим, соорудить водородный котел не так сложно, как кажется. Необходимо лишь правильно подобрать расходные материалы и тщательным образом изучить схему отопительной системы такого типа. Установив все необходимое оборудование, произведите проверку, дабы убедиться в том, что оно действительно качественное и достаточно эффективное.

Видео – Изготовление водородного генератора

О законе сохранения энергии

Этот закон гласит, что все в мире взаимосвязано: если где-то убыло, то куда-то обязательно прибудет. И чтобы посредством электролиза можно было получить газ, определенное количество электрической энергии затратить все же придется. А энергия, как известно, получается преимущественно в результате создания тепла при сгорании иных типов топлива. И пусть даже мы возьмем чистую энергию, необходимую для генерирования электричества, и ту, что дает водород после сгорания, то потери будут двукратными (как минимум!) даже на самом современном оборудовании. Выходит, 1/2 средств просто выбрасывается на ветер. Более того, это лишь расходы, связанные с эксплуатацией, а стоимость оборудования, которое, как отмечалось, недешевое, не учитывается. Вспомним хотя бы водородные генераторы.

Если верить исследованиям, проведенным в Америке, то цена одного килограмма водорода (вернее, расходы на его создание) равна:

• 6,5 доллара при использовании промышленной электрической сети;
• 9 долларов при эксплуатации ветряных генераторов;
• 20 долларов в случае применения солярных приборов;
• 2,2 доллара при использовании твердого топлива;
• 5,5 доллара, если вещество производится из биомассы;
• 2,3 доллара, если речь идет об электролизе при высокой температуре, осуществляемом на атомной станции (самый дешевый способ, но самый далекий от обычного бытового применения).

Обратите внимание! Даже самый продвинутый генератор бытового типа будет значительно уступать по всем параметрам аналогичному промышленному прибору. Поэтому, ввиду описанных цен, говорить о том, что водород может составить серьезную конкуренцию природному газу, нельзя. То же относится и к электроэнергии, дизелю и даже тепловым насосам.

Перспективы энергетики с использованием водорода

А теперь попытаемся выяснить, действительно ли существуют шансы снизить себестоимость чистого водорода. Сразу оговоримся, что все шансы для этого есть. Прежде всего, сюда относится технология получения не дорогостоящей электроэнергии с применением возобновляемых ее источников. Кроме того, в процессе катализации могут использоваться более дешевые химические катализаторы. К слову, такие уже давно существуют и используются в водородных ячейках для топлива (речь идет об автомобилях). Хотя здесь, опять же, мы натолкнулись на их чересчур высокую стоимость.

Но технологии все время совершенствуются, наука не стоит на месте. В один прекрасный момент нефть все же закончится, а людям придется переходить на какой-то другой, альтернативный энергетический источник. Но на данный момент и, пожалуй, на ближайшие десятилетия можно говорить с уверенностью: энергетика с использованием водорода сама по себе пока что убыточна. К исключениям относятся лишь те случаи, когда водород является побочным продуктом каких-либо других процессов технического плана. Конечно, возможны и различные программы по поддержке и развитию водородной энергетики, но для этого требуется помощь крупных корпораций и, разумеется, государства.

В качестве заключения

Трудно сказать, какая энергетика станет в будущем основной – водородная, ядерный синтез, применение гравитации и проч. Но специалисты уверяют, что первые электролизные реакторы, способные составить конкуренцию современным атомным, появятся как минимум через двадцать-тридцать лет. Некоторые вообще скептически настроены по этому поводу. Но реальные профессионалы верят, что водородные генераторы станут вскоре предметом высоких технологий, а не самоделкой из подручных средств, которую мы описали выше. На этом все, теплых вам зим!

Проект отопления домов с использованием возобновляемого водорода получил зеленый свет

Идея проекта в Шотландии заключается в использовании водорода для приготовления пищи и отопления.

Фотограф, Basak Gurbuz Derman | Момент | Getty Images

Достаточно взглянуть на постоянно увеличивающееся количество технологий в наших домах, чтобы понять, что здания, в которых мы живем, меняются.

От телевизоров с голосовым управлением до духовок, которыми можно управлять с помощью мобильного телефона, эти комплекты представляют собой кардинальные изменения в бытовой технике, обусловленные инновациями.

По мере роста обеспокоенности по поводу окружающей среды и изменения климата, способы обогрева наших домов также могут оказаться на пороге серьезных изменений, поскольку водород потенциально играет важную роль в некоторых частях мира.

В Великобритании, например, премьер-министр Борис Джонсон в прошлом месяце обнародовал подробности плана из 10 пунктов так называемой «зеленой промышленной революции».

Этот план включает в себя цель развития города, «полностью отапливаемого водородом» к концу этого десятилетия.

В понедельник идея отопления домов водородом получила еще один удар. Ofgem, регулирующий орган Великобритании в области энергетики, объявил, что выделит до 18 миллионов фунтов стерлингов (24,12 миллиона долларов) на финансирование шотландской схемы, ориентированной на использование водорода для отопления домов.

Еще 6,9 миллиона фунтов стерлингов инвестиций в проект, известный как h200 Fife, поступят от правительства Шотландии.

В заявлении SGN, фирмы, ответственной за газовую сеть в Шотландии и на юге Англии, говорится, что начнутся работы по поставке того, что она описала как «100% водородная демонстрационная сеть… которая обеспечит безуглеродное отопление. и приготовление пищи примерно в 300 домах с конца 2022 года.«

Демонстрация, описанная SGN как« первая в мире », будет базироваться в Левенмуте, Файф, и будет использовать« зеленый водород », термин, который относится к водороду, произведенному с использованием возобновляемых источников.

Для h200 Fife В соответствии с инициативой, морской ветер будет использоваться для питания электролизной установки, которая, в свою очередь, будет производить водород.

В заявлении, опубликованном в понедельник, министр энергетики Шотландии Пол Уилхаус описал проект как «важный шаг к пониманию наших вариантов декарбонизации для нагревать.«Это, — добавил он, -« поставит специально созданную непрерывную водородную систему ».

Описанный Международным энергетическим агентством как« универсальный энергоноситель », водород имеет широкий спектр применений и может быть использован в различных секторах. например, промышленность и транспорт. Примеры его использования в последнем включают поезда, самолеты, автомобили и автобусы, работающие на водородных топливных элементах.

Вдали от Великобритании он рассматривается как решающий фактор в стремлении Европейского Союза к декарбонизации. ЕС изложил планы по установке 40 гигаватт возобновляемых водородных электролизеров и производству до 10 миллионов метрических тонн возобновляемого водорода к 2030 году.

В настоящее время, однако, роль зеленого водорода в общем энергобалансе невелика, по данным Wood Mackenzie, на ее долю в 2020 году будет приходиться всего 0,1% мирового производства водорода.

Производство водорода также является дорогостоящим, хотя в отчете Wood Mackenzie, опубликованном в августе, говорится, что к 2040 году затраты могут снизиться на 64%.

Производство водорода — Управление энергетической информации США (EIA)

Как производится водород?

Чтобы произвести водород, он должен быть отделен от других элементов в молекулах, в которых он находится.Есть много различных источников водорода и способов его производства для использования в качестве топлива. Двумя наиболее распространенными методами производства водорода являются паровой конверсии метана и электролиз (разделение воды на электричество. Исследователи изучают другие методы.

Процессы производства водорода

Источник: Министерство энергетики США, Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, Производство водорода (общественное достояние)

Нажмите для увеличения

Паровой риформинг метана — широко используемый метод получения коммерческого водорода.

Паровой риформинг метана составляет почти весь коммерчески производимый водород в Соединенных Штатах.Коммерческие производители водорода и нефтеперерабатывающие заводы используют паровой риформинг метана для отделения атомов водорода от атомов углерода в метане (Ch5). При паровом риформинге метана высокотемпературный пар (от 1300 ° F до 1800 ° F) под давлением 3–25 бар (1 бар = 14,5 фунтов на квадратный дюйм) реагирует с метаном в присутствии катализатора с образованием водорода, окиси углерода. , и относительно небольшое количество диоксида углерода.

Природный газ является основным источником метана для производства водорода промышленными предприятиями и нефтеперерабатывающими заводами.Свалочный газ / биогаз, который можно назвать биометаном , является источником водорода для нескольких электростанций на топливных элементах в Соединенных Штатах. Биотопливо и нефтяное топливо также являются потенциальными источниками метана.

Электролиз использует электричество

Электролиз — это процесс отделения водорода от воды с помощью электрического тока. Электролиз обычно используется для демонстрации химических реакций и производства водорода на уроках естественных наук в средней школе. В крупном промышленном масштабе процесс может называться преобразование энергии в газ , где мощность, — электричество, а водород — газ, .Сам по себе электролиз не производит никаких побочных продуктов или выбросов, кроме водорода и кислорода. Электроэнергия для электролиза может поступать из возобновляемых источников, таких как гидроэнергия, солнечная энергия или энергия ветра. Если электричество для электролиза производится из ископаемого топлива (уголь, природный газ и нефть) или сжигания биомассы, то соответствующее воздействие на окружающую среду и выбросы углекислого газа косвенно связаны с электролизом.

Другие способы получения водорода

• Использование микробов, которые используют свет для производства водорода
• Преобразование биомассы в газ или жидкость и отделение водорода
• Использование технологий солнечной энергии для отделения водорода от молекул воды

Категории водорода

Производители водорода, продавцы, государственные учреждения и другие организации могут классифицировать или определять водород в соответствии с источниками энергии для его производства.Например, водород, произведенный с использованием возобновляемых источников энергии, может называться возобновляемым водородом или зеленым водородом . Водород, полученный из угля, может называться коричневым водородом , а водород, полученный из природного газа или нефти, может называться серым водородом . Производство коричневого или серого водорода в сочетании с улавливанием и хранением / секвестрацией углерода может обозначаться как синий водород .

Последнее обновление: 7 января 2021 г.

Водород — ключевой фактор энергетического перехода

h3morrow Steel, Германия:

Один из крупнейших в Европе водородных проектов для будущего отрасли

Equinor, Open Grid Europe (OGE) и Thyssenkrupp Steel Europe (tkSE) работают над подходящей концепцией для производства и транспортировки голубого водорода на крупнейший немецкий металлургический завод в Дуйсбурге с 2019 года.

Водород из природного газа и комбинированного улавливания и хранения углерода, так называемый «голубой водород», будет ключевым в декарбонизации труднодоступных секторов, таких как цементная, сталелитейная и других видов тяжелой промышленности и транспорта. С потенциалом производства 800 000 Нм3 / ч (~ 2,7 ГВт) водорода проект h3morrow является одним из крупнейших проектов декарбонизации в Европе.

Проект h3morrow был начат еще в 2018 году в результате совместного исследования Equinor и Open Grid Europe (OGE), крупнейших операторов сетей передачи данных в Германии.Он подчеркнул высокий потенциал производства и транспортировки голубого водорода в промышленные кластеры Германии, такие как Северный Рейн-Вестфалия. Через год было проведено технико-экономическое обоснование с производителем стали Thyssenkrupp Steel Europe (tkSE) для разработки подходящей концепции поставки голубого водорода на крупнейший немецкий сталелитейный завод в Дуйсбурге. Оператор по транспортировке газа Thyssengas также присоединился к консорциуму в качестве ассоциированного члена, чтобы дополнить свой опыт в области планирования инфраструктуры в Рурской области.

Проект может быть запущен к 2027 году и будет поставлять голубой водород на крупнейший сталелитейный завод Германии, что позволит сократить выбросы CO2 до 11 миллионов тонн в год при ежегодном производстве до 7 миллионов тонн стали, не влияющей на климат.

В настоящее время проект и все партнеры сосредоточены вместе на разработке соответствующей политики и нормативно-правовой базы, чтобы довести ее до надежного экономического обоснования.

Синий водород можно производить в больших количествах сравнительно быстро, а это означает, что потребность в водороде, ожидаемая промышленностью, может быть быстро удовлетворена.

«h3morrow Steel» в настоящее время планирует транспортировать природный газ из Норвегии по существующей транспортной сети на завод автотермического риформинга (ATR) на немецком или голландском побережье Северного моря. Мощность станции должна составлять около 2,7 ГВт, из которых около 0,6 ГВт могут быть переданы третьим сторонам. Оставшиеся 2,1 ГВт используются для производства стали Thyssenkrupp Steel Europe и обеспечивают электроэнергией до 7 миллионов метрических тонн декарбонизированной стали в год.

Водородное отопление: правительство запускает план водородной экономики

Водородное отопление вполне может стать будущим многих домов в Великобритании, поскольку сегодня правительство сформулировало «ведущую в мире» водородную стратегию.Опираясь на план премьер-министра, состоящий из 10 пунктов Зеленой промышленной революции, министр по делам бизнеса и энергетики Кваси Квартенг поставил цель — к 2030 году произвести 5 ГВт низкоуглеродного водорода. миллионов домов в Великобритании ежегодно, по данным правительства. Дальнейший анализ, проведенный правительством, показывает, что к 2050 году 20-35% потребления энергии в Великобритании может приходиться на водород, включая водородное отопление для дома, а также тяжелые, энергоемкие отрасли, такие как нефтеперерабатывающие и химические заводы и судоходство.

Правительство основывает свою водородную стратегию на успехе своего раннего внедрения оффшорной ветроэнергетики в сочетании с сильными инвестициями частного сектора, и считает, что «водородная экономика» Великобритании к 2030 году может стоить до 900 миллионов фунтов стерлингов и обеспечить 9000, рост до 13 миллиардов фунтов стерлингов и 100 000 рабочих мест к 2050 году.

«Обладая потенциалом обеспечивать треть энергии в Великобритании в будущем, наша стратегия позиционирует Великобританию как первое место в глобальной гонке за внедрение водородных технологий и захват тысяч энергоносителей. рабочие места и частные инвестиции, связанные с этим », — говорит Квартенг.

Что включает в себя водородная стратегия правительства?

Первая водородная стратегия Великобритании уточняет некоторые детали, упомянутые в Плане зеленой промышленной революции Бориса Джонсона из 10 пунктов. Это включает в себя «двухколейный» подход к водородным технологиям. Это означает, что основное внимание будет уделяться производству водорода как с «зеленым» электролитическим, так и с «голубым» улавливанием углерода, а дальнейшие подробности будут представлены в 2022 году. гарантировать, что возможна процветающая водородная промышленность.План действий по развитию водородного сектора также намечен на начало 2022 года, чтобы определить, как правительство будет поддерживать развитие водородного сектора.

В рамках объявления правительство Великобритании также начало общественные консультации по бизнес-моделям для водородного сектора с аналогичными контрактами на разницу (CfD), используемыми в секторе морской ветроэнергетики, которые помогут быстро снизить стоимость водородного отопления, поскольку один потенциальный проспект. Правительство также проводит консультации по Фонду чистого нулевого водорода в размере 240 миллионов фунтов стерлингов, который будет использован для поддержки новых заводов по производству водорода по всей Великобритании.

Стратегия также предусматривает исследование безопасности и осуществимости добавления 20% водорода в существующую систему подачи газа, что может снизить выбросы на целых 7%.

Какова была реакция на объявление о водородной стратегии?

Хотя в целом приверженность правительства водороду как ключевому компоненту декарбонизации отопления в Великобритании была одобрена, есть несколько ключевых вопросов, которые поднимает стратегия.

Ян Розенов, специальный советник Департамента по стратегии бизнеса, энергетики и промышленности, поставил под сомнение цифру в 3 миллиона домов, работающих на водороде к 2030 году, в своем аккаунте в Твиттере, предположив, что реальная цифра будет намного ниже, около 70 000, и что водород играет ограниченную роль в краткосрочной перспективе.

Известие о возможном добавлении водорода в существующий газ — это то, что, по мнению многих, облегчит переход от котлов на природном газе к водородным и обеспечит сокращение выбросов в краткосрочной перспективе.

«Мы воодушевлены тем, что правительство также признает роль водородной смеси в энергосистеме в сокращении выбросов углерода без необходимости заменять домовладельцам бытовые приборы или бойлеры», — говорит Майк Фостер, генеральный директор Energy and Utilities Alliance (EUA). .«Очень важно, чтобы переход на водород не вызвал сбоев или больших затрат для потребителей. Смесь представляет собой способ значительно сократить выбросы без каких-либо изменений, что, в свою очередь, оставит время для того, чтобы заложить основу для плавного перехода на 100% водород в дальнейшем ».

Однако Ян Риппон, генеральный директор MCS, которая сертифицирует низкоуглеродные технологии, говорит, что водородная стратегия отвлекает от важной работы по модернизации существующих домов для обезуглероживания тепла, отвлекая столь необходимые средства.

«Использование зеленого водорода для обогрева наших домов до пяти раз дороже, чем текущие цены на природный газ, и до семи раз менее эффективно, чем использование возобновляемой энергии для питания теплового насоса.

«Учитывая текущую нехватку вспомогательной инфраструктуры и объектов по улавливанию, использованию и хранению углерода, а также конечную стоимость для потребителей принятия стратегии на основе водорода, мы призываем правительство пересмотреть свое решение».

Почему разрабатывается водородное отопление?

В Великобритании правительство и эксперты по энергетике в Великобритании лучше всего оценивают, как отапливать существующие дома, снижая выбросы углерода от котлов, работающих на природном газе, и тепловые насосы и водородные котлы могут сыграть ключевую роль.

В настоящее время около 85% домов в Великобритании отапливаются с помощью загрязняющего природного газа, и эксперты считают, что водородная технология играет ключевую роль в достижении Великобритании нулевого уровня к 2050 году. Это связано с тем, что основной побочный продукт сжигания газообразного водорода это вода.

Хотя возобновляемые технологии, такие как воздушные тепловые насосы, работающие от электричества, будут иметь жизненно важное значение для обогрева наших домов, признано, что эта технология подходит не для всех домов.

Remeha, часть BDR Thermea Group в Нидерландах, говорит, что сложность каждого из двух вариантов низкоуглеродного отопления означает, что их сочетание будет наиболее вероятным способом эффективного обогрева наших домов.

Рик Брюинз, менеджер по развитию бизнеса в Remeha, сказал Homebuilding & Renovating, что небольшой тепловой насос будет эффективен для борьбы с внешними температурами до 0ºC, а затем, когда он начнет замерзать, водородный котел начнет нагревать дом.

«Установка теплового насоса с мощностью, достаточной для обогрева дома с температурой -10ºC, очень дорога, но водород тоже стоит дорого, поэтому сочетание этих двух факторов даст экономичное решение. , — сказал Брюинз.

Брюинз говорит, что сложность каждого варианта означает, что сочетание источников энергии является наиболее вероятным вариантом для отопления домов и зданий.

«Если бы мы перестали использовать природный газ и отапливали бы наши дома только электричеством, то мы столкнулись бы с огромной проблемой с нашей распределительной электросетью. С другой стороны, у нас есть газораспределительная сеть, поэтому использовать водород в качестве альтернативы природному газу совершенно логично.

«Однако сейчас мы используем от 8 до 9 миллиардов кубометров в год для обогрева наших домов природным газом, и переводить это на водород — это слишком много — вам потребуется в три раза больше водорода по сравнению с природным газом.Это невозможно. Таким образом, нам пришлось бы сократить использование газа до 70%, а 30% газа, которые мы будем использовать, и перейти на водород. Будущее — это переход к комбинации тепловых насосов и водородных котлов ».

Готовое решение

Одним из ключевых преимуществ перехода на водород с газа является то, что он практически не повредит домовладельцам.

Водородные котлы, подобные разработанным Baxi Heating и Worcester Bosch , могут работать как на 100% водороде, так и на природном газе.Это означает, что переход на газообразный водород в будущем будет легким для тех, у кого есть водородный бойлер, потому что он может преобразовываться в водород без необходимости в совершенно новой системе отопления.

Plus, водородные бойлеры , такие как газовый конденсационный котел Viessmann Vitodens 100-W, который может работать с водородной смесью до 20%, могут не только помочь домовладельцам снизить свои счета за электроэнергию и сократить выбросы углерода, но обеспечит плавный переход на водород в случае, если водород будет введен в газовую сеть Великобритании в ближайшем будущем.

Широко ожидается, что с 2025 года в новых домах в Великобритании не будут устанавливаться новые газовые котлы, что будет подтверждено в предстоящей Стратегии отопления и строительства, в то время как министры, как сообщается, рассматривают крайний срок для 2035 года для котлов, работающих на природном газе. установки в существующих домах.

Это может означать, что миллионам британских семей потребуется либо заменить свои котлы тепловыми насосами, либо установить водородные котлы, способные работать на водородном газе.

Но водородное отопление сталкивается с препятствиями

Одним из основных недостатков водородного отопления является то, что его производство может быть дорогостоящим, что может ограничить его доступность.Это связано с тем, что он основан либо на использовании возобновляемых источников энергии для разделения воды на водород и кислород (процесс, используемый для производства «зеленого водорода»), либо на использовании технологии улавливания углерода для предотвращения выбросов в результате разделения газа ископаемого топлива на «голубой водород».

( БОЛЬШЕ : Тепловые насосы вдвое дешевле водородных котлов )

Экологи, включая аналитический центр по климату E3G, WWF и Greenpeace, ранее призывали правительство игнорировать то, что они называют «шумихой» по поводу использования водорода в целях обеспечивать тепло, ссылаясь на дорогостоящие процессы создания зеленого водорода и выражая сомнения в экологичности технологии улавливания углерода, используемой для создания голубого водорода.

Однако в июле большая четверка производителей котельной промышленности подтвердила, что водородный котел будет стоить не больше, чем его эквивалент на природном газе. Baxi, Worcester Bosch, Vaillant и Ideal подтвердили, что будет введено новое ценовое обещание, которое может сэкономить домовладельцам 2,3 миллиарда фунтов стерлингов. По оценке

Boiler Guide , цены будут аналогичны ценам на котлы, работающие на природном газе — где-то от 400 до 3000 фунтов стерлингов без учета стоимости установки.

Какие испытания продолжаются?

Low Thornley, Gateshead

Первые дома в Великобритании, полностью работающие на водородном топливе, официально открыты для публичной демонстрации в июле.Два двухквартирных дома, расположенные на инновационной площадке компании Northern Gas Networks в Лоу-Торнли, Гейтсхед, полностью оснащены водородными котлами, разработанными Baxi Heating и Worcester Bosch.

Все приборы, включая варочные панели, плиты и камин, работают на водороде, и они будут чередоваться, чтобы разные производители могли продемонстрировать свои инновации и получить отзывы потребителей.

Дома теперь будут доступны для посещения школами, колледжами и университетами, чтобы повысить осведомленность об энергоэффективности в домах.

Northumberland

В ноябре 2020 года водородные котлы от Baxi Heating и Worcester Bosch были установлены в первых домах Великобритании, чтобы продемонстрировать эффективность технологии.

Инновационные прототипы будут испытаны на испытательном полигоне HyStreet в Нортумберленде, который состоит из специально построенных демонстрационных домов. Сейчас будет завершено более 200 испытаний для исследования и подтверждения безопасности и эффективности перевода домов и газовых сетей на водород.

Текущие испытания в Нортумберленде продемонстрируют, как существующие газовые сети могут быть перепрофилированы для безопасной транспортировки 100% водорода.

Файф, Шотландия

Оператор сети Fas SGN представил в начале этого года планы на H200, первую в мире бытовую водородную отопительную сеть. Первые дома в мире, использующие зеленый водород через местную газовую сеть, появятся в Файфе, Шотландия, к концу следующего года при условии получения разрешения на строительство.

Keele University

В прошлом году в ходе первого пилотного испытания HyDeploy 20% водорода было закачано и смешано с существующей частной газовой сетью Университета Кил, которая снабжает 30 факультетских зданий и 100 жилых домов.

Cumbria

Три специально построенных дома на базе RAF Spadeadam в Камбрии используются для тестирования домов, полностью содержащих водород.

Carlisle

H31 — это серия тестовых проектов, цель которых — доказать, что газовая сеть может быть преобразована в водород, которые проводятся на диком склоне холма на базе Королевских ВВС.

Тим Харвуд, который руководит пилотным проектом h31 недалеко от Карлайла, говорит, что газовая сеть может быть готова к переходу на водород в течение двух лет, но при этом призвал правительство сделать доступными большие водородные мощности.

Winlaton, Gateshead

В ходе отдельного испытания в Гейтсхеде 670 домов станут одними из первых в Великобритании, где будут испытаны природный газ, смешанный с водородом. Проект начнется в начале 2021 года и продлится около 10 месяцев.

Уэльс

A £ 4.В весеннем бюджете было объявлено о создании 8-метрового водородного узла в Уэльсе для пилотного производства водорода из возобновляемых источников энергии.

Газовые турбины, работающие на водороде | GE Газ Пауэр

Узнайте больше о потенциальной экономии водорода

С ростом глобального интереса к использованию водорода в качестве топлива с нулевым выбросом углерода, остается много вопросов, связанных с реальными цифрами, касающимися его применения. Что вам понадобится с точки зрения инфраструктуры? Как это повлияет на ваши выбросы CO ₂ ? Мы облегчили вам задачу.Калькулятор выбросов водорода и CO ₂ компании GE поможет вам:

• Понимание расхода топлива, необходимого для работы газовой турбины на водороде

• Откройте для себя инфраструктуру водоснабжения и электроснабжения, необходимую для производства водорода

• Оцените потенциальную экономию, которую вы могли бы реализовать

Хотите начать? Дайте нам немного информации, чтобы увидеть больше информации о вашем потенциальном водородном проекте.

Информация, представленная на этом веб-сайте и в калькуляторе или через них, доступна исключительно для общих информационных целей. GE не гарантирует (i) точность, полноту или адекватность каких-либо результатов, выводов или информации, представленных на этом веб-сайте или калькуляторе, (ii) что какие-либо конкретные результаты работы или производительности будут получены на основе любой информации, предоставленной этим веб-сайтом или калькулятором. , или (iii) что любая желаемая цель будет достигнута с помощью этого веб-сайта или калькулятора.Вы полагаетесь на такую ​​информацию исключительно на свой страх и риск. GE снимает с себя всякую ответственность и ответственность, возникающую из-за любой зависимости от результатов, выводов или информации, предоставленных этим веб-сайтом или калькулятором вами или кем-либо, кто может быть проинформирован о любом его содержании. Расчеты основаны на данных о производительности по каталогу GE 2019.

Производство и использование водорода — Всемирная ядерная ассоциация

(обновлено в августе 2021 г.)

• Водород все чаще рассматривается как ключевой компонент будущих энергетических систем, если он может производиться без выбросов углекислого газа.
• Его начинают использовать в качестве транспортного топлива, несмотря на необходимость герметизации под высоким давлением.
• Использование водорода в производстве жидкого транспортного топлива из сырой нефти быстро увеличивается и имеет жизненно важное значение там, где нефтеносные пески являются источником нефти.
• Водород можно объединить с диоксидом углерода для получения метанола или диметилового эфира (ДМЭ), которые являются важным транспортным топливом.
• Водород также найдет применение в будущем в качестве замены кокса в промышленном масштабе в сталеплавильном производстве и других металлургических процессах.
• Ядерная энергия может быть использована для электролитического получения водорода, а в будущем высокотемпературные реакторы, вероятно, будут использоваться для его термохимического производства.
• Сегодняшний спрос на энергию для производства водорода может превысить спрос на производство электроэнергии.

Водород не находится в свободной форме (H ₂ ), но его необходимо высвобождать из таких молекул, как вода или метан. Следовательно, он не является источником энергии и должен производиться с использованием энергии.Это уже значительный химический продукт: около половины годового производства чистого водорода используется для производства азотных удобрений с помощью процесса Габера, а около четверти — для преобразования низкосортной сырой нефти (особенно из битуминозных песков) в жидкое транспортное топливо. Имеется большой опыт работы с водородом в крупных масштабах, хотя это не так просто, как с природным газом.

Большая часть водорода сегодня производится путем парового риформинга природного газа или газификации угля, оба с выбросами диоксида углерода (CO ₂ ).В будущем спрос будет в основном на безуглеродный водород. Планы по увеличению производства водорода в основном основаны на электролизе с использованием электроэнергии из периодически возобновляемых источников. Также может использоваться внепиковая мощность обычных ядерных реакторов или других электростанций. В будущем основной возможностью для производства водорода с нулевым содержанием углерода является разложение воды путем прямого использования тепла ядерной энергии с использованием термохимического процесса, обеспечиваемого высокотемпературными реакторами.

Быстро растущий спрос на водород со стороны нефтеперерабатывающих и химических заводов способствует развитию технологий с низкими затратами.Ограниченные сети водородных трубопроводов уже существуют, что позволяет производственным предприятиям находиться на некотором удалении от пользователей.

По данным Международного энергетического агентства (МЭА) ¹ , в 2018 году потребность в чистом водороде составляла около 74 миллионов тонн (Мт), из которых 38,2 Мт было использовано в нефтепереработке и 31,5 Мт в производстве аммиака. Потребность в водороде, смешанном с другими газами, такими как оксид углерода, составила еще 42 млн тонн. Из них 12 млн тонн было использовано на производство метанола и 4 млн тонн на производство железа прямого восстановления (DRI).

Как и электричество, водород является энергоносителем (но не первичным источником энергии). Водород может заменить нефть в качестве транспортного топлива и в других областях применения. Это предпочтительное топливо для электромобилей на топливных элементах (FCEV), хотя переносное хранение в масштабе транспортного средства является проблемой. Водород также можно использовать в двигателях внутреннего сгорания.

Хотя водород может заменить жидкие углеводороды, он никогда не бывает таким энергоемким и удобным для хранения и транспортировки. Тем не менее, он хорошо сочетается с батареями, поэтому он и жидкое топливо на основе водорода имеют большой потенциал.

Электричество и водород могут преобразовываться друг в друга как носители энергии. Однако общий КПД электричества, водорода, топливных элементов и электричества составляет не более 40%. Один из подходов к снижению непостоянства ветрового и солнечного электричества состоит в том, чтобы производить водород путем электролиза и подавать его в газовую сеть, стратегия преобразования энергии в газ. Было высказано предположение, что таким образом можно использовать большую часть электроэнергии от ветра, что значительно упростит управление электросетью.

В будущем часть водорода, производимого для топлива, может быть преобразована в аммиак в качестве более энергоемкого носителя в объемном выражении для торговли или долгосрочного хранения энергии.Массовая плотность энергии водорода составляет 120 или 142 МДж / кг *, по сравнению с метаном 50 МДж / кг, пропаном 46 МДж / кг и аммиаком 19 МДж / кг. Объемная плотность энергии водорода невысока — 10,8 или 12,75 МДж / Нм ³ (или в жидком виде: 8,5 или 10,0 МДж / л) **. Аммиак является основным производным водорода, рассматриваемым при транспортировке.

* Нижняя (полезная теплота сгорания) и более высокая (общая теплота сгорания) теплота сгорания соответственно. Таким образом, 33,3 или 39,4 кВтч / кг. Более высокая теплотворная способность включает скрытую теплоту испаренной воды, более низкая теплотворная способность (или низшая теплотворная способность) ее исключает.
** Нм ³ = нормальный кубический метр (температура 0 ° C и давление 1,01325 бар (, т. Е. 1 атмосфера).

Все это указывает на тот факт, что, хотя уже существует растущая водородная экономика, связанная с мировой химической и нефтеперерабатывающей промышленностью и, возможно, с сталелитейным производством, в обозримом будущем появится гораздо более крупная экономика. При новом использовании водорода в качестве топлива потребность в первичной энергии для его производства может превысить потребность в электроэнергии.

Ожидается, что к 2050 году наибольший спрос на водород как в ЕС, так и в Южной Корее будет составлять транспорт, что отражает перевод парка тяжелых и легковых автомобилей с дизельного топлива на водородные FCEV.Ожидается, что отопление зданий станет следующим по величине спросом, заменив природный газ. Железные дороги могут заменить дизельное топливо водородом.

Если водород используется в судоходстве или авиации, то заправка должна быть доступна во всем мире, поэтому амбициозные планы Европы потребуют гораздо более широкого распространения.

В отчете LucidCatalyst за сентябрь 2020 года говорится, что в дополнение к развертыванию возобновляемых источников энергии для производства электроэнергии: «Единственный известный способ решить проблемы секторов экономики, которые« трудно декарбонизировать », — это широкомасштабное использование водорода в качестве экологически чистого энергоносителя. и как сырье для синтетического топлива, такого как аммиак.«Но чистый водород должен поступать из неископаемых источников по более низкой цене — менее 1 доллара за килограмм — чем это ожидается сегодня.

Обильные поставки недорогого водорода значительно повысили бы производительность сельского хозяйства в мире за счет увеличения доступности азотных удобрений, а также заправки транспорта.

Роль ядерной энергетики

Ядерная энергия уже производит электроэнергию в качестве основного энергоносителя с хорошо известными применениями. Ядерная энергия, работающая с очень высокими коэффициентами мощности, имеет хорошие возможности для производства водорода с нулевым содержанием углерода в качестве нового энергоносителя с широким спектром применений.Видно, что роль ядерной энергии в производстве водорода за два десятилетия составит:

• Холодный электролиз воды с использованием непиковой мощности (потребность 50-55 кВтч / кг).
• Низкотемпературный паровой электролиз с использованием тепла и электроэнергии ядерных реакторов.
• Высокотемпературный паровой электролиз с использованием тепла и электроэнергии ядерных реакторов.
• Высокотемпературное термохимическое производство с использованием ядерного тепла.

Кроме того, ядерное тепло может помочь процессу, который сегодня обеспечивает большую часть мирового водорода:

• Использование ядерного тепла для парового риформинга природного газа (метана).

Для парового риформинга метана (SMR) требуется температура выше 700 ° C для объединения метана и пара с образованием водорода и окиси углерода. Ядерный источник тепла снизил бы потребление природного газа примерно на 30% (, т.е. та часть сырья, которая использовалась бы просто для тепла) и исключит выбросы CO ₂ дымовых газов.

Начиная с электролиза, эффективность всего процесса (первичное тепло в водород) увеличивается примерно с 25% с современными реакторами, управляющими электролизом (33% для реактора x 75% для электролизера), до 36% с более эффективными реакторами до 45 % для высокотемпературного электролиза пара, примерно до 50% или более при прямом термохимическом производстве.

Электролиз при температуре окружающей среды проводится в четырех американских проектах на атомных электростанциях и запланирован на Кольский завод в России с 2023 года.

Низкотемпературный паровой электролиз повышает эффективность электролиза при температуре окружающей среды и позволяет использовать отходящее тепло обычного реактора с температурой до 200 ° C. В октябре 2020 года Министерство энергетики США выбрало два проекта по продвижению гибкой эксплуатации легководных реакторов с интегрированными системами производства водорода для получения совместного финансирования.Два других проекта уже реализуются.

Высокотемпературный паровой электролиз (HTSE, 550-750 ° C или более) в твердом оксидном электролизе (SOEC) с использованием как тепла, так и электричества был продемонстрирован и имеет большие перспективы. Это обратная реакция технологии твердооксидных топливных элементов. Он требует примерно на треть меньше энергии, чем низкотемпературный электролиз, но еще не получил промышленного производства из-за плохой долговечности керамических компонентов в среде горячего водорода.Американские исследования проводятся в Национальной лаборатории Айдахо совместно с Ceramatec и FuelCell Energy в рамках проекта стоимостью 12,5 миллионов долларов, частично финансируемого Министерством энергетики США (DOE). LucidCatalyst показывает, что он производит водород за две трети стоимости низкотемпературного электролиза по целому ряду факторов производительности. Один из четырех проектов Министерства энергетики США, упомянутых выше, будет посвящен твердооксидному электролизеру при высокой температуре. Национальная лаборатория Айдахо будет сотрудничать с Xcel Energy, чтобы продемонстрировать технологию HTSE, использующую тепло и электричество от одной из атомных станций Xcel Energy.

Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) разработало Программу экономической оценки водорода (HEEP) для оценки экономики крупномасштабного производства водорода с использованием ядерной энергии.

Ядерные гибридные энергетические системы для производства водорода

Эффективность предполагает преобразование 40% тепла в электричество
Источник: Pinksy et al. 2020, Таблица 4

Водород непосредственно из ядерного тепла

Несколько прямых термохимических процессов разрабатываются для получения водорода из воды. Для экономичного производства необходимы высокие температуры, обеспечивающие высокую производительность и высокую эффективность преобразования.По сути, они не используют электричество.

В каждом из ведущих термохимических процессов при высокотемпературном (800-1000 ° C) эндотермическом (поглощении тепла) разложении серной кислоты при низком давлении образуется кислород и диоксид серы:

2H ₂ SO ₄ ⇒ 2H ₂ O + 2SO ₂ + O ₂

Есть несколько возможностей. В процессе йод-сера (I-S), изобретенном General Atomics в 1970-х годах, йод соединяется с диоксидом серы и водой с образованием йодистого водорода.Это реакция Бунзена, экзотермическая, протекающая при низкой температуре (120 ° C):

I ₂ + SO ₂ + 2H ₂ O ⇌ 2HI + H ₂ SO ₄

HI затем диссоциирует на водород и йод при температуре около 350-450 ° C, эндотермически:

2HI H ₂ + I ₂

Может доставлять водород под высоким давлением.

В сумме получается чистая реакция:

2H ₂ O ⇒ 2H ₂ + O ₂

Все реагенты, кроме воды, рециркулируются, сточных вод нет, поэтому его можно назвать серно-йодным циклом с нулевым содержанием углерода в водороде и побочных продуктах кислорода.

В феврале 2010 года Японское агентство по атомной энергии (JAEA) создало в Оараи Центр исследований водорода и тепла для HTGR с целью усовершенствования производственных технологий для установки I-S по термохимическому производству водорода. Он продемонстрировал лабораторное и стендовое производство водорода с технологией I-S со скоростью до 30 литров / час. Параллельно с разработкой высокотемпературного инженерного испытательного реактора (HTTR) JAEA в рамках проекта экспериментальной установки по производству водорода на 30 м ³ / ч из гелия, нагретого до 400 кВт, была проверена техническая осуществимость процесса I-S.Завод I-S, производящий 1000 м 3 ³ / ч (90 кг / ч, 2 т / день) водорода, должен был быть подключен к HTTR, чтобы подтвердить производительность интегрированной производственной системы, предусмотренной на 2020-е годы. В 2014 году было продемонстрировано производство водорода до 20 л / ч. В январе 2019 года он использовал HTTR для производства водорода с использованием процесса йод-сера в течение более 150 часов непрерывной работы. JAEA стремится производить водород по цене менее 3 долларов за кг примерно к 2030 году с помощью очень высокотемпературных реакторов.

Инициатива США по исследованиям в области ядерной энергии (NERI), начатая в 1999 году, была переориентирована в 2004 году на Инициативу по ядерному водороду (NHI), связанную с программой атомных станций нового поколения (NGNP), учрежденной в 2005 году.NGNP предусматривал строительство и эксплуатацию прототипа высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (HTR) и связанных с ним объектов по производству электроэнергии или водорода к 2021 году, но финансирование было сокращено при администрации Обамы, а предварительное лицензирование деятельности было приостановлено в 2013 году.

В соответствии с международным соглашением NERI, Sandia National Laboratories в США и французский CEA с General Atomics в США также разрабатывали процесс I-S с целью использования для него высокотемпературных реакторов.Они построили и эксплуатировали лабораторный контур для термохимического расщепления воды.

Южная Корея также продемонстрировала термохимическое расщепление воды в лабораторных условиях при поддержке General Atomics. В декабре 2008 года Комиссия по атомной энергии Кореи официально утвердила разработку атомного водорода в качестве национальной программы с разработкой ключевых и базовых технологий до 2017 года и целью демонстрации производства ядерного водорода с использованием процесса IS и очень высокотемпературного реактора (VHTR). ) к 2026 году.

Экономика производства водорода зависит от эффективности используемого метода. Ожидается, что цикл I-S, соединенный с модульным высокотемпературным реактором, будет производить водород по цене около 2,00 долл. США / кг. Побочный продукт кислорода также имеет ценность. General Atomics ранее прогнозировала 1,53 доллара за кг на основе HTR мощностью 2400 МВт, работающей при температуре 850 ° C с общим КПД 42%, и 1,42 доллара за кг при 950 ° C и эффективности 52% (обе ставки дисконтирования 10,5%). Такая установка могла производить 800 тонн водорода в сутки.

Требования производственного реактора к технологическому теплу

Для термохимического производства водорода требуется высокая температура — 750-1000 ° C, а при 1000 ° C эффективность преобразования в три раза выше, чем при 750 ° C.По соображениям безопасности химический завод необходимо изолировать от ближайшего реактора, возможно, используя промежуточный контур с гелием или расплавом фторидной соли.

Были определены три потенциально подходящие концепции ядерных реакторов, но только первая из них достаточно хорошо разработана для дальнейшего развития:

• Высокотемпературный реактор с газовым охлаждением (HTR), с галечным слоем или с гексагональным топливным блоком. Модули мощностью до 600 МВт будут работать при температуре 950 ° C.
• Усовершенствованный высокотемпературный реактор (AHTR), модульный реактор, использующий топливо с графитовой матрицей с частицами с покрытием и с расплавом фторидной соли в качестве теплоносителя первого контура.Он похож на HTR, но работает при низком давлении (менее 1 атмосферы) и более высокой температуре и обеспечивает лучшую теплопередачу. Предусмотрены мощности 1000 МВт / 2000 МВт.
• Реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем, хотя они работают при более низких температурах, чем HTR, наиболее развитым является российский реактор БРЕСТ, который работает при температуре всего 540 ° C и сейчас находится в стадии строительства. Американский проект — STAR-h3, который будет обеспечивать 780 ° C для производства водорода и более низкие температуры для опреснения.

Более подробно они описаны на информационной странице «Малые атомные энергетические реакторы» (с характеристиками теплоносителя) и на странице «Усовершенствованные ядерные энергетические реакторы».

При температурах выше 750 ºC расплавленные фторидные соли являются предпочтительной межфазной жидкостью между ядерным источником тепла и химическим заводом. В алюминиевой промышленности накоплен значительный опыт безопасного обращения с ними. Горячая расплавленная соль также может использоваться с вторичным гелиевым теплоносителем, генерирующим энергию по циклу Брайтона, с тепловым КПД от 48% при 750 ° C до 59% при 1000 ° C.Остаются серьезные проблемы в достижении устойчивых температур для промышленного производства водорода на установке, построенной для этих химических и термических условий.

Национальные и региональные планы и прогнозы по водороду

Спрос на чистый водород в 2019 году составил 39 млн тонн на нефтепереработку и 32 млн тонн на производство аммиака (80% от этого объема за счет удобрений). При производстве метанола 14 млн тонн из 45 млн тонн водорода в синтез-газе использовалось для химического производства или восстановления железа. Общее потребление водорода в 2020 году составило около 115 Мт.

В отчете Международного энергетического агентства «Чистый ноль к 2050 году», опубликованном в мае 2021 года, прогнозируется, что годовой спрос на водород составит чуть более 200 миллионов тонн в 2030 году и 530 Мт в 2050 году. Доля низкоуглеродных углеводородов возрастет до 70% в 2030 году и примерно 90% в 2050 году как за счет электролизеров, так и за счет газа с CCS. На транспорте водород обеспечивает одну треть топлива для грузовиков и 60% этого топлива в той или иной форме для судоходства.

В апрельском 2021 году отчете лондонского аналитического центра Energy Transitions Commission «Создание водородной экономики» излагается роль чистого водорода в достижении высокоэлектрифицированной нулевой экономики.В нем намечено увеличение потребления чистого водорода до 50 миллионов тонн к 2030 году и прогнозируется ежегодное потребление чистого водорода от 500 до 800 миллионов тонн к 2050 году. Около 85% этого объема, вероятно, будет зеленым водородом. Таким образом, на водород и полученное из него топливо будет приходиться около 17% от общего конечного спроса на энергию (68% приходится на электричество). Основное увеличение спроса будет со стороны тех секторов, которые сложно или дорого электрифицировать напрямую, таких как производство стали и транспортировка.

Весь этот водород должен быть безуглеродным путем электролиза с расходом до 30 000 ТВт-ч в год (сверх 90 000 ТВт-ч в год для прямой электрификации).В отчете говорится, что 50 ГВт электролизных мощностей во всем мире позволят стоить 2 доллара за кг зеленого водорода в «средних» местах.

«Перспективы энергетических технологий на 2020 год» Международного энергетического агентства (МЭА) в своем сценарии устойчивого развития прогнозирует быстрый рост мирового производства водорода примерно до 445 Мт для использования энергии плюс 75 Мт для технологического использования к 2070 году. 520 Мт водорода будут производиться на 58% путем электролиза. и 40% от ископаемого топлива с улавливанием и хранением углерода (CCS).60% потребности в энергии приходится на транспорт, 60% — на химическую промышленность и 40% — на производство стали.

Мировая годовая потребность в чистом водороде

«Зеленый водород» производится за счет электроэнергии из возобновляемых источников энергии.
«Серый водород» — это водород, произведенный из метана с соответствующими выбросами CO ₂ .
«Коричневый водород» производится из газифицированного угля с выбросами CO ₂ .
«Синий водород» — это серый или коричневый водород, но с улавливанием и хранением углерода (обычно с эффективностью 50-70%).
«Желтый водород» или «Розовый водород» использует ядерное электричество для электролиза.
«Бирюзовый водород» получают путем пиролиза расплавленного металла метана с твердым углеродным побочным продуктом.

Только зеленый и желтый водород надежно не содержат углерода. У будущего термохимического производства ядерной энергетики пока нет названия.Зеленый водород может быть получен из избыточной подачи в сети или с выделенной мощностью подачи, обеспечивающей более экономичное использование емкости электролизера (хотя она никогда не может быть больше, чем коэффициент емкости источника). Желтый водород, вероятно, будет работать через электросеть.

Стратегия Великобритании в отношении производства водорода не будет синей или зеленой, а будет просто рассматривать углеродоемкость как главный фактор в развитии рынка, стремясь быть низкоуглеродным, согласно стратегии Министерства бизнеса, энергетики и промышленности.

В отчете за апрель 2021 года (Les Mode de production de l’hydrogène), опубликованном Французским парламентским бюро по научной и технологической оценке (OPECST), говорится, что только атомная и гидроэнергетика может реально производить низкоуглеродный водород, поскольку стоимость зеленого водорода из возобновляемые источники энергии были бы в четыре раза больше. При высоких капитальных затратах «электролизеры должны быть рентабельными за счет увеличения продолжительности их использования (минимальный порог 5000 часов в год и оптимальный порог до 8000 часов в год), чего не позволяет прерывание возобновляемых источников энергии (2000 г.). -4000 ч / год).В этом отношении только атомная энергетика и гидроэлектроэнергия представляют двойное преимущество, заключающееся в том, что они управляемы и свободны от углерода », — говорится в отчете. Во всем мире 70 миллионов тонн водорода в год могут быть обеспечены за счет ядерной мощности в 400 ГВт (эл.).

База данных водородных проектов по всему миру предоставлена ​​Международным энергетическим агентством.

В Европе министры энергетики ЕС подписали Водородную инициативу, не имеющую обязательной силы политическую декларацию в поддержку развития водорода в сентябре 2018 года.ЕС запустил масштабную программу «зеленого водорода», основанную на избыточной энергии из периодически возобновляемых источников энергии для декарбонизации промышленности и авиации и развития экспортных возможностей. Зеленый водород считается ключом к достижению нулевых чистых выбросов, но пока что затраты высоки из-за дорогостоящего оборудования и количества необходимой электроэнергии.

Водородная стратегия ЕС для ЕС, опубликованная в июле 2020 года, предусматривает установку как минимум 6 ГВт электролизеров, работающих на возобновляемых источниках энергии, к 2024 году (по сравнению с 1 ГВт в 2020 году), производящих до одного миллиона тонн зеленого водорода в год за счет 2024 г.С 2025 года государства-члены ЕС должны рассматривать водород как неотъемлемую часть своей энергетической системы, «имея стратегическую цель установить к 2030 году не менее 40 ГВт возобновляемых водородных электролизеров и производить до десяти миллионов тонн возобновляемого водорода в ЕС. ” Использование водорода будет распространено на транспорт и сталеплавильное производство. С 2030 по 2050 годы «технологии возобновляемого водорода должны достичь зрелости и широко применяться». ЕС ожидает, что «совокупные инвестиции в возобновляемый водород в Европе [составят] до 180-470 миллиардов евро к 2050 году и в диапазоне от 3 до 18 миллиардов евро для низкоуглеродного водорода на основе ископаемого топлива» ( i.е. с CCS).

В июне 2020 года торговая организация Hydrogen Europe сообщила, что спрос на водород в ЕС к 2030 году составит около 16,9 млн тонн, из которых 7,4 млн тонн будет зеленым водородом, произведенным из возобновляемых источников энергии, некоторые из которых будут импортированы из Украины и Северной Африки. Чистый водород от электролиза с использованием другой низкоуглеродной электроэнергии, такой как ядерная, и природного газа с CCS, даст 8,2 млн тонн, а 1,3 млн тонн будут получены от газификации угля с помощью CCS. Согласно отчету, к 2030 году будет произведено 20 млн тонн зеленой стали с использованием 1 млн тонн водорода.Другие виды использования будут смешивание с природным газом, выработка электроэнергии и транспортное топливо.

Оператор энергосистемы ЕС Energas и еще десять предлагают к 2040 году построить европейскую водородную магистраль протяженностью 22 900 км. Между тем около 20% водорода будет добавлено в сети природного газа.

Hydrogen Europe отмечает, что планы ЕС будут иметь значительные производственные последствия, включая расширение производства электролизеров с 1 ГВт / год до 25 ГВт / год, увеличение производства топливных элементов до 10-100 ГВт / год, а также увеличение количества вспомогательного оборудования.

Национальная стратегия Германии по водороду , утвержденная в июне 2020 года, предлагает около 7 миллиардов евро, чтобы довести мощность электролизера до 5 ГВт к 2030 году для 14 ТВтч зеленого водорода, требующего 20 ТВтч возобновляемой электроэнергии. Стратегия также предоставила 2 миллиарда евро для проектов за рубежом, поскольку потребуется импорт водорода — только небольшая часть предполагаемого спроса на 2030 год будет производиться внутри страны. Хотя цель состоит в том, чтобы использовать зеленый водород, важную роль будут играть как синий, так и бирюзовый водород.

Франция предоставляет 7 миллиардов евро на зеленый водород из электролизеров мощностью 6,5 ГВт к 2030 году, из которых 2 миллиарда евро в течение двух лет до 2022 года в поддержку своей водородной стратегии 2018 года. Около 40% этой суммы будет профинансировано за счет программы ЕС по восстановлению коронавируса стоимостью 750 миллиардов евро.

Правительство Испании утвердило дорожную карту по водороду на 2030 год, нацеленную на установку 4 ГВт электролизных мощностей, экологические квоты на водород для промышленных потребителей и использование водорода на транспорте, среди других мер, согласованных с водородной стратегией ЕС.Сейчас Испания производит и использует 0,5 миллиона тонн водорода в год.

Водородная стратегия Нидерландов нацелена на производство электролизеров мощностью 500 МВт к 2025 году и 3-4 ГВт к 2030 году. Зеленый и синий водород, подаваемый в газовую сеть, на начальном этапе составляет 2%, а в конечном итоге — 10–20%. Согласно нескольким сценариям, расчетная потребность в водороде в 2050 году составит от 250 до 430 ПДж (от 70 до 120 ТВт-ч) в год.

UK нацелен на производство 5 ГВт низкоуглеродного водорода к 2030 году, в основном голубого водорода, для производства одной пятой от целевого показателя 2050 года.В феврале 2021 года Ассоциация ядерной промышленности Великобритании опубликовала «Дорожную карту водорода», показывающую, как страна может достичь 225 ТВтч (6,8 или 5,7 миллиона тонн) низкоуглеродного водорода к 2050 году. Она предлагает 12-13 ГВт ядерных реакторов всех типов с использованием высоких энергий. -температурный паровой электролиз и термохимическое расщепление воды для производства 75 ТВт-ч (2,3 или 1,9 Мт) водорода к середине века.

В Италия газотранспортная компания Snam в партнерстве с ITM установит к 2025 году электролизеры мощностью 100 МВт для зеленого водорода.

Китай не ставил таких агрессивных целей по экологически чистому водороду, как Европа, но в 2020 году политика и цели, связанные с водородом, заметно увеличились. Китайский водородный альянс, состоящий из компаний, университетов и исследовательских институтов, предсказал в 2019 году, что к середине века большая часть производства водорода перейдет с ископаемого топлива на возобновляемые источники энергии. Большая часть производства водорода в Китае, составляющая 22 миллиона тонн в год (одна треть мирового объема чистого водорода), производится из угля и только 3% — из возобновляемых источников энергии.По данным Cleantech Group, в компании работает почти 1000 газификаторов угля, что составляет 5% от общего потребления угля. Китай планирует к 2030 году иметь один миллион FCEV и 1000 водородных заправочных станций. Его цель на 2050 год заключается в том, чтобы водород, в основном серый водород, составлял 10% от общей энергии, что требовало около 60 Мт в год.

Министерство экономики, технологий и промышленности Японии (METI) разработало комплексную дорожную карту водородной стратегии в 2016 году и обновило ее в 2019 году. Это призвано заменить использование ископаемого топлива в Японии в основном голубым и серым водородом.К 2030 году ожидается быстрое расширение использования водородных топливных элементов как в зданиях, так и в мобильных приложениях, таких как грузовики и легковые автомобили. Оно направлено на снижение стоимости до 30 иен / Nm ³ к тому времени и до 20 иен позже. Япония планирует импортировать безуглеродный водород и аммиак. Ожидается, что к 2030 году годовой спрос составит 110 000 тонн, из которых менее 20% будет приходиться на чистые сорта для топливных элементов. Стратегия экологического роста METI в декабре 2020 года посредством достижения углеродной нейтральности к 2050 году направлена ​​на то, чтобы водород и аммиак использовались в качестве топлива для 10% выработки электроэнергии, а также для обеспечения энергией судоходства и сталеплавильного производства.

В марте 2020 года в новой международной стратегии METI по ​​ресурсам аммиак определен как многообещающее средство «импорта возобновляемой энергии, производимой в других странах». В октябре 2020 года METI учредила Аммиачный энергетический совет с крупными компаниями из частного сектора, стремясь позиционировать Японию как мирового лидера в области производства аммиака как источника энергии, особенно на электростанциях и на морском транспорте, путем распространения технологий и развития цепочек поставок. .

Южная Корея планирует увеличить использование FCEV, особенно автобусов и грузовиков, работающих на безуглеродном водороде, и ожидает, что к 2030 году спрос на водород удвоится.Его национальная дорожная карта по водороду гласит: «Общий потенциал водорода в Корее составляет 17 Мт (эквивалент 564 ТВт-ч) в 2050 году, что составляет более 20% от общего национального спроса на энергию». В основном это голубой водород.

Россия планирует создание новой водородной отрасли к 2024 году. «Газпром» должен испытать новую водородную турбину в 2021 году, а партнерство между Газпром энергохолдингом и Siemens, как сообщается, не завершено. «Газпром» стремится производить бирюзовый водород путем пиролиза метана (а не парового риформинга), чтобы оставить твердый углерод, а не CO ₂ .Росатом производит водород путем электролиза и планирует с 2023 года установить 1 МВт мощности электролизера на Кольской АЭС, а затем увеличить ее до 10 МВт в качестве демонстрационного проекта для более широкого внедрения.

В апреле 2021 года Росатом объявил о планах производить от 30 000 до 100 000 т водорода в год на острове Сахалин с обеспечением поездов на водороде и возможным экспортом в Японию и Южную Корею.

В USA инициатива Министерства энергетики (DOE) h3 @ Scale поддерживает инновации в области производства, хранения, транспортировки и использования водорода во многих секторах.11 Мт / год производства водорода в США имеют тепловой потенциал 1,3 ЭДж и потребляют почти 5% потребления природного газа в США путем парового риформинга, выделяя 77 Мт CO ₂ ежегодно. Использование водорода для всех транспортных средств США потребует около 200 Мт / год водорода, хотя этот сценарий еще далеко.

В ноябре 2020 года Министерство энергетики опубликовало План водородной программы, чтобы обеспечить стратегическую основу для его деятельности в области исследований, разработок и демонстрации водорода (НИОКР). Он включает в себя научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы нескольких офисов Министерства энергетики по развитию производства, транспортировки, хранения и использования водорода в различных секторах экономики.«В отличие от других видов топлива, водород требует большей интеграции систем ископаемого топлива, ядерной энергии и возобновляемых источников энергии, и для реализации всего потенциала и преимуществ водорода потребуется комплексный подход со стороны всех секторов энергетики». Ключевым аспектом стратегии является: позволяют производить водород из разнообразных низкоуглеродных внутренних источников энергии, включая возобновляемые источники энергии, ядерную энергию и ископаемое топливо с помощью CCS.

В октябре 2020 года Министерство энергетики выбрало два проекта по продвижению гибкой эксплуатации легководных реакторов с интегрированными системами производства водорода для получения совместного финансирования.Два других проекта уже реализуются. Один из четырех будет посвящен использованию твердооксидной электролизной ячейки при высокой температуре. Национальная лаборатория Айдахо будет сотрудничать с Xcel Energy, чтобы продемонстрировать технологию высокотемпературного парового электролиза (HTSE) с использованием тепла и электричества от одной из атомных станций Xcel Energy.

В Австралия газификация бурого угля в долине Латроб в Виктории запланирована в Национальной дорожной карте по водороду, в конечном итоге с CCS в близлежащем бассейне Гиппсленд.В рамках проекта цепочки поставок водородной энергии водород будет транспортироваться автомобильным транспортом из Лой-Янга в Гастингс, где он будет сжижаться для экспорта в Японию. Ожидается, что пилотный проект стоимостью 500 миллионов австралийских долларов с 2020 года позволит произвести только три тонны водорода. При коммерческом производстве к 2030-м годам предусматриваются затраты около 2 долларов США за кг. В дорожной карте Японии по водороду говорится об этом проекте, что «статус прогресса и вероятность успеха должны быть подтверждены к 2025 финансовому году». Австралийская дорожная карта предполагает, что тем временем можно использовать щелочной электролиз по цене менее 4 долларов США за кг.Ожидаются экспортные рынки для больших объемов сжиженного водорода.

Производство водорода

Почти весь водород сегодня производится из материалов на основе углерода со значительными выбросами CO ₂ . Мировое производство составляет около 75 миллионов тонн * чистого водорода, плюс 45 миллионов тонн, смешанных с другими газами и используемых в таких отраслях, как производство стали и метанола, причем оба показателя стабильно растут. ** Небольшое количество производится путем электролиза воды.

* В термическом выражении: 9 ЭДж / год, примерно столько же, сколько тепловая мощность атомных станций США.
** Международное энергетическое агентство, Будущее водорода — использование сегодняшних возможностей, Отчет, подготовленный МЭА для G20, Япония (июнь 2019 г.)

Смета расходов на 2019-2021 годы (без калькуляции выбросов CO ₂ ):

• ING: около 1,50 евро / кг для серого водорода, 2,50 евро / кг для синего водорода и 5–6 евро / кг для зеленого водорода.
• Bloomberg New Energy Finance: зеленый водород в диапазоне от 2,50 до 6,80 доллара за кг, но потенциально может снизиться до 1 доллара.40 / кг к 2030 г.
• Aurora Energy Research в 2020 году установила нормированные затраты на производство (более высокая теплотворная способность, реальная, 2018) на уровне около 40 евро / МВтч (1,6 евро / кг) для обычного серого водорода, 50 евро / МВтч (2 евро / кг) для голубого водорода. и 80 евро / МВтч (3,2 евро / кг) для зеленого водорода.
• S&P Global Platts в августе 2020 года: обычный серый водород по цене 1,24 евро / кг, синий водород по цене 1,31 евро / кг и зеленый водород (электролиз полимерной электролитной мембраны, включая капитальные затраты) по цене 3,43 евро / кг.
• Цифры Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) в 2019 году составили: 4 доллара.15 долл. США / кг для обычного электролиза, 3,23 долл. США / кг для специализированного ядерного высокотемпературного парового электролиза (HTSE) и 2,50 долл. США / кг для внепикового HTSE, конкурентоспособного с крупномасштабным паровым риформингом метана (серого водорода).
• LucidCatalyst в 2020 году: 2 доллара за килограмм желтого водорода от традиционной ядерной энергетики, что может упасть вдвое к 2030 году. В базовых энергетических терминах 2 доллара за килограмм равняются 16,7 доллара за ГДж (более низкая теплотворная способность), что намного выше большинства цен на природный газ. LucidCatalyst предполагает, что 1,50 доллара за килограмм чистого водорода в целом будет конкурентоспособным при высоких ценах на нефть, но при дешевой нефти потребуется менее 1 доллара за килограмм.
• МЭА (2020): 0,7–1,6 долл. США / кг для серого водорода от парового риформинга природного газа (без ослабления), но 3,2–7,7 долл. США / кг для зеленого водорода от электролиза.
• Platts : зеленый водород 4,05 евро / кг, март 2021 г., по сравнению с серым водородом 1,64 евро / кг.

Помимо финансовых затрат, значительны затраты на электроэнергию. Входная энергия превышает энергоемкость выхода водорода как минимум в 1,5 раза.

В середине 2020 года в стадии строительства находилось 14 новых проектов по производству водорода, в основном на основе возобновляемых источников энергии, некоторые из которых были ориентированы на международную торговлю.Институт экономики энергетики и финансового анализа (IEEFA) консервативно оценивает, что 2,9 миллиона тонн в год из таких источников, вероятно, будут доступны в сети в 2030 году. Международное энергетическое агентство (МЭА) оценивает, что мировое производство водорода в 2019 году привело к выбросу 830 миллионов тонн углерода. диоксида, что эквивалентно 2,2% выбросов, связанных с энергетикой.

Паровой риформинг метана, газификация угля

Большая часть водорода сегодня производится путем парового риформинга природного газа (метана, отсюда «SMR»).Около четверти поступает из угля в результате его реакции с водяным паром и кислородом при высокой температуре и давлении с образованием синтез-газа, содержащего водород с монооксидом углерода. Они производят так называемый серый водород, если выбросы CO ₂ существенно не уменьшаются за счет улавливания и хранения углерода (CCS), и в этом случае это голубой водород.

При паровой конверсии метана метан реагирует с водяным паром под давлением 3-25 бар в присутствии катализатора с образованием водорода и монооксида углерода (с небольшим количеством диоксида углерода).Паровой риформинг является эндотермическим и использует пар при температуре от 700 ° C до 1000 ° C.

2CH ₄ + 2H ₂ O ⇌ 2CO + 3H ₂ ∆H +206 кДж / моль
CO + H ₂ O ⇌ CO ₂ + H ₂ ∆H -41 кДж / моль — реакция конверсии водяного газа (экзотермическая)

Газификация угля аналогична: углерод угля реагирует с кислородом и паром при высокой температуре и давлении:

3C + O ₂ + H ₂ O ⇌ 3CO + H ₂
CO + H ₂ O ⇌ CO ₂ + H ₂ ∆H -41 кДж / моль — реакция конверсии водяного газа (экзотермическая)

Около 76% чистого водорода производится из природного газа и 23% из газификации угля, это приводит к 830 Мт выбросов CO. ₂ выбросов ежегодно — каждая тонна водорода, произведенная SMR, дает как минимум 11 тонн CO. ₂ .

Завод Great Plains Synfuel в США производит 1300 тонн водорода в день в виде обогащенного водородом синтетического газа в результате газификации бурого угля с использованием технологии CCS. Около половины CO ₂ улавливается и продается на два месторождения для увеличения нефтеотдачи.