Водородная энергетика

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск

Водородная энергетика — экономичное и экологичное направление выработки и потребления энергии человечеством, основаное на использования водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (котороя вновь вводится в кругооборот водородной энергетики).


Производство водорода[править]

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

Из природного газа.

В настоящее время данным способом производится примерно половина всего водорода. Водяной пар при температуре 700° −1000° Цельсия смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора. Себестоимость процесса $2-5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $2-$2,50, включая доставку и хранение.

Газификация угля.

Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают при температуре 800°-1300° Цельсия без доступа воздуха. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. США предполагают построить электростанцию по проекту FutureGen, которая будет работать на продуктах газификации угля. Впервые о планах подобного строительства заявил еще о 2003 году министр энергетики США Спенсер Абрахам. Мощность станции должна составить 275 МВт. Электричество будут вырабатывать топливные элементы, используя в качестве горючего водород, получающийся в процессе газификации угля.

Себестоимость процесса $2-$2,5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $1,50, включая доставку и хранение.

Из атомной энергии.

Использование атомной энергии для производства водорода возможно в различных процессах: химических, электролиз воды, высокотемпературный электролиз. Себестоимость процесса $2,33 за килограмм водорода. Ведутся работы по созданию атомных электростанций следующего поколения. Исследовательская лаборатория INEEL (Idaho National Engineering Environmental Laboratory) (США) прогнозирует, что один энергоблок атомной электростанции следующего поколения будет производить ежедневно водород, эквивалентный 750000 литров бензина.

Электролиз воды.

H2O+энергия = 2H2+O2. Обратная реакция происходит в топливном элементе. Себестоимость процесса $6-$7 за килограмм водорода при использовании электричества из промышленной сети. В будущем возможно снижение до $4 за килограмм.

$7-$11 за килограмм водорода при использовании электричества, получаемого от ветрогенераторов. В будущем возможно снижение до $3 за кг.

$10-$30 за килограмм водорода при использовании солнечной энергии. В будущем возможно снижение до $3-$4 за килограмм.

Водород из биомассы.

Водород из биомассы получается термо-химическим, или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500°-800° (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4. Современные установки производят электричество из биомассы с КПД более 30 %.

Себестоимость процесса $5-$7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0-$3,0.

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

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

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

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

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

Малые стационарные приложения[править]

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

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

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

В 2005 году во всём мире было установлено более 900 новых малых стационарных водородных энергетических установок (На 30 % больше, чем в 2004 году). За 2006 год во всём мире установлено около 1500 новых малых энергетических станций. В конце 2006 года во всём мире эксплуатировалось около 5000 малых стационарных водородных электростанций. В 2007 году во всём мире будет установлено примерно 3000 новых стационарных установок мощностью до 10 кВт.

Технологии

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

Топливо

Большая часть домашних станций разработана для применения природного газа, пропана, очень немногие могут работать с сжиженным нефтяным газом (LPG). Многие производители работают с керосином. Установки, работающие на керосине, начнут появляться в 2008 году.

Перспективы

В 2006, как и в 2005 году большая часть малых приложений была установлена в Японии. Японская NEF (New Energy Foundation) объявила о начале многолетнего демонстрационного проекта применения малых стационарных топливных элементов. Будет субсидирована установка 6400 топливных элементов. В 2005 году стоимость 1кВт. водородной бытовой станции в Японии составляла 10 млн. ¥ (примерно $87 000), работы по ее установке стоили еще 1 млн. ¥. В 2007 году цена 1 кВт. установленной мощности должна составлять менее 1 миллиона ¥.

Япония уже имеет опыт использования подобных программ. В 1994 году была принята программа развития солнечной энергетики. Японское правительство ежегодно вкладывало $115 млн. в установку фотоэлектрических элементов на крышах домов. С тех пор установленные мощности солнечной энергетики выросли в 35 раз. Средняя стоимость фотоэлектрических элементов снизилась на 75 %. Вскоре участия правительства в развитии солнечной энергетики не потребуется.

Компании — основные производители:

Компания Страна Технология Мощность установки
Ballard Power Systems Канада PEMFC 1 кВт. Через совместное предпрятие Ebara Ballard контролирует около 40 % рынка Японии домашних приложений
Acumentrics США SOFC 2 кВт.-10 кВт.
Ceramic Fuel Cells Австралия — Великобритания SOFC 1 кВт. Общий КПД более 80 %
Cosmo Oil Япония PEMFC 0,7 кВт.
European Fuel Cells Германия PEMFC 1,5 кВт.
Fuel Cell Technologies США SOFC 5 кВт.
Hitachi Zosen Япония - от 10 кВт. до сотен кВт. КПД 86 %
Idatech США - 3 кВт.-15 кВт. UPS для промышленных, телекоммуникационных, электронных приложений.
Idemitsu Kosan Япония - 1 кВт. — 5 кВт.
Kyocera Япония SOFC 1 кВт. Начало продаж запланировано на весну 2007 г.
Mitsubishi Heavy Industries Япония PEMFC 10 кВт.
Nippon Oil Corporation Япония технологии Ebara Ballard 1 кВт.-6кВт.-10кВт. Планирует к 2013 году ежегодно продавать 100 тыс. бытовых систем
Plug Power США PEMFC 5 кВт.
Sanyo Electric Япония PEMFC 1 кВт. Общий КПД 92 % при производстве тепловой и электрической энергии
Shanghai-Shen Li Китай PEMFC 3 кВт. — 10 кВт.
Sharp Corporation Япония PEMFC 10 кВт. Гибридные системы, совмещенные с фотоэлектрическими элементами
Toyota Motor Corporation совместно с Aishin Seiki Япония - В 2006 году начали испытания нескольких установок мощностью 1 кВт.

и др.

Стационарные приложения[править]

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

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

Технологии

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

Топливо

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

Гибридные установки: топливный элемент/газовая турбина.

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

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

Финансирование

В 2005 году в США был принят Энергетический Билль. Билль предусматривает 30 % инвестиционные налоговые кредиты до уровня $1000 за кВт. установленной мощности. Налоговые кредиты будут выдаваться с 1 января 2006 по 1 января 2008. В Японии и Ю.Корее субсидируются не конкретные проекты, а стоимость электроэнергии, произведенной топливными элементами в размере $0,015 — $0,02 за кВт/ч.

Компании — основные производители

Компания Страна Технология Мощность установок
Ansaldo Fuel Cells Италия MCFC 500 кВт.-5МВт.
FuelCell Energy США MCFC 250 кВт.-1МВт.
GenCell США MCFC 40 кВт. — 100 кВт.
Ishikawajima-Harima Heavy Industries Япония MCFC 300 кВт.-1 МВт.
MTU CFC Solutions Германия MCFC 200 кВт.-3 МВт.
Fuji Electric Япония PAFC 100 кВт.-1МВт.
Korea Gas Корея PAFC 40 кВт.
UTC Fuel Cells США PAFC, MCFC, PEMFC 200 кВт., транспортные приложения
Ballard Power Systems Канада PEMFC 1 кВт.- 250 кВт.
General Motors США PEMFC 75 кВт.- 300 кВт.
Hydrogenics Канада PEMFC 7 кВт. — 65 кВт.
J-Power Япония SOFC разрабатывает тройные системы: топливные элементы, газовые турбины и паровые турбины
Mitsubishi Materials Япония SOFC 10 кВт.
Mitsubishi Heavy Industries Япония SOFC,PEMFC 200 кВт. Также разрабатывается 700 МВт. SOFC электростанция тройного цикла
Rolls-Royce Group plc Великобритания SOFC 80 кВт.
Siemens AG Power Generation Германия SOFC 125 кВт.
Ztek США SOFC 25 кВт.-1 МВт.

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

Транспортные приложения[править]

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

Водородная автомобильная инфраструктура[править]

К концу 2006 года во всём мире функционировало более 140 водородных автомобильных заправочных станций. Из общего количества заправочных станций, построенных 20042005 году, всего 8 % работают с жидким водородом, остальные с газообразным.

Страна 1995-2006 Построено новых в 2005 Построено новых в 2006
Северная Америка 46 % 65 % 59%
Япония 14 % 15 % 7%
Германия 13 % 0 7%
Остальная Европа 14 % 15 % 0
Другие страны 13 % 5 % 27%

Таблица. Водородные заправочные станции по регионам мира

Планируется строительство

General Motors заявлял о возможных планах строительства 12000 водородных заправочных станций в городах США и вдоль главных автострад. Стоимость проекта компания оценивает в $12 млрд.

Отсутствие водородной инфраструктуры является одним из основных препятствий развития водородного транспорта. Зачем строить инфраструктуру, если нет автомобилей, потребляющих водород? Зачем производить автомобили на водородных топливных элементах, если нет инфраструктуры?

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

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

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

Компании — основные игроки

Производители водорода:

Ёмкости для хранения водорода:

Оборудование для производство водорода:

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

Транспортные приложения[править]

Автомобильный транспорт

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

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

Разработчики смогли снизить стоимость автомобильных водородных топливных элементов с $275 за кВт. мощности в 2002 году до $110 за кВт. в 2005. Департамент Энергетики США (DoE) планирует снизить стоимость до $30 за кВт. мощности к 2020 году.

Планы автопроизводителей

Компания Страна год количество автомобилей планы
DaimlerChrysler Германия-США 2012-2015 10000 начальное проникновение
Ford США 2015 - коммерческая готовность
GM США 2010-2015 - коммерческая готовность
GM США 2025 - массовый рынок
Honda Япония 2008 - начало продаж в Калифорнии автомобиля Honda FCX
Honda Япония 2010 12000 (в США) начало производства
Honda Япония 2020 50000 (в США) производство
Hyundai Motor Корея 2010 - дорожные тесты в 2009
Toyota Япония 2015 - снижение цены до $50000
Fiat Италия 2020-2025 - полная коммерциализация
SAIC Китай 2010 1000 коммерческая готовность

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

Сценарий 2020 2030 2040 2050
Высокое проникновение 3,3 % 23,7 % 54,4 % 74,5 %
Низкое проникновение 0,7 % 7,6 % 22,6 % 40,0 %

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

Воздушный транспорт

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

Железнодорожный транспорт

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

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

В США с 2003 года разрабатывается локомотив массой 109 тонн с водородным топливным элементом мощностью 1 МВт.

Водный транспорт

В Германии производятся подводные лодки класса U-209 с двумя топливными элементами по 120 кВт. каждый производства Siemens AG. U-209 стоят на вооружении Германии, поступили заказы из Греции, Италии, Кореи, Израиля. Под водой лодка работает на водороде, и практически не производит шумов.

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

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

Складские погрузчики

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

Мобильные топливные элементы[править]

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

В 2006 году (как и в 2005) во всём мире было изготовлено около 3000 шт. мобильных приложений. Одним из основных потребителей была армия США. Армии требуются легкие, ёмкие, бесшумные источники энергии.

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

Технологии

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

Водородная энергетика в России[править]

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

В 2005 «Норильский никель» основал инновационную компанию «Новые энергетические проекты», задачей которой является разработка и внедрение топливных элементов.

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

Предполагается, что на основе российских и американских разработок с 2008 начнётся производство водородных энергетических установок в России. «Норильский никель» и компания «Интеррос» планировали начать строительство соответствующего завода в 2007 ([1]).

Глава «Норильского никеля» Михаил Прохоров заявил в феврале 2007 года, что компания вложила в разработку водородных установок $70 млн. и уже есть «не просто лабораторные, а действующие образцы», на внедрение которых уйдёт несколько лет. Начало промышленной реализации «водородного проекта» , по его словам, намечено на 2008 год.[1]

Итоги 2005 года[править]

В 2005 году производство водородных топливных элементов выросло во всем мире на 32 %. Всего за год было произведено около 14500 штук. Больше половины пришлось на PEM (протон-обменные) топливные элементы. Это наиболее гибкая технология, которая активно испытывается в автомобильных приложениях. Менее всего применялись MCFC (расплавные карбонатные) топливные элементы. В автомобильных приложениях PEM технологии занимали практически 100 % рынка. SOFC (твердо-оксидные) технологии занимают малую рыночную долю, но имеют очень большие шансы первыми достичь коммерциализации из-за большого количества компаний, занимающихся разработками SOFC стационарных приложений.

Водородные топливные элементы,одним из основных достоинств которых является высокий КПД ,имеют и свои слабые стороны.В частности,высокую стоимость и повышенные требования к чистоте используемого водорода.Получение же высокоочищенного водорода,в свою очередь,ведет к снижению общих экомомических показателей топливоэлементной водородной энергетики.Это является существенным сдерживающим моментом в развитии,например,применения водородных топливных элементов на автомобилях.В этой связи,в России,как и в других странах,ведутся работы и по непосредственному использованию неочищенного топливного водорода в обычных ДВС.В период с 2000 года в Тольяттинском Государственном Университете на кафедре "Автомобильные двигатели" проводятся (совместно с НАМИ и Научно-техническим центром АВТОВАЗа)успешные исследования по использованию газоводородных смесей непосредственно в ДВС(руковод.к.т.н.Русаков).В конце 2005 года на деловой встрече руководства водородной программы АВТОВАЗа (к.т.н.Мирзоев Г.К.)с известным изобретателем и конструктором водородных установок Кардановским В.А.,были намечены первые в России практические шаги по выпуску серийных ВАЗовских автомобилей с ДВС работающих на дешевом топливном водороде,получаемом на установках ВодКа-2.Имелось ввиду выпустить пробную партию в 20-40 штук ВАЗовских автомобилей с серийными ДВС,адаптированными под газоводородные топливные смеси содержащие до 50% водорода.Имелось ввиду и строительство в Тольятти первой в России водородной заправочной (газобаллонной обменной) станции для этой серии автомобилей.

Деятельность правительств[править]

Правительства различных стран приняли планы развития водородной энергетики. Например:

Южная Корея[править]

Министерство Коммерции, Индустрии и Экономики Ю.Кореи в 2005 году приняло план строительства водородной экономики к 2040 году. Цель – производить на топливных элементах 22% всей энергии и 23% электричества, потребляемого частным сектором. Если цели плана будут выполнены, Ю.Корея будет производить из водорода 8% ВВП страны к 2040 году. Будет создан миллион новых рабочих мест, выбросы CO2 сократятся на 20%.

Индия[править]

В Индии создан Индийский Национальный Комитет Водородной Энергетики. В 2005 году комитет разработал «Национальный План Водородной Энергетики». Планом предусмотрены инвестиции в размере 250 млрд. рупий ($5,6 млрд.) до 2020 года. Из них 10 млрд. рупий будет выделено на исследования и демонстрационные проекты, а 240 млрд.рупий на строительство инфраструктуры по производству, транспортировке, хранению водорода. Планом поставлена цель - к 2020 году вывести на дороги страны 1 миллион автотранспортных средств, работающих на водороде. Также к 2020 году будет построено 1000 МВт. водородных электростанций.

США[править]

Департамент Энергетики США (DOE) в январе 2006 года принял план развития водородной энергетики "Roadmap on Manufacturing R&D for the Hydrogen Economy". Планом предусмотрено:

  • К 2010 году – первичное рыночное проникновение водорода;
  • К 2015 году – коммерческая доступность;
  • К 2025 году – реализация водородной энергетики.

8 августа 2005 г. Сенат США принял Energy Policy Act of 2005. Законом предусмотрено выделение более $3 млрд. на различные водородные проекты. И $1,25 млрд. на строительство новых атомных реакторов, производящих электроэнергию и водород.

Исландия[править]

Исландия планирует построить водородную экономику к 2050 году.

Ссылки[править]

"Развитие НИОКР в области водородной энергетики в России" Б.Ф. РЕУТОВ, начальник отдела энерго-ресурсоэффективных технологий Федерального агентства по науке и инновациям

Новости водородной энергетики. Блог на русском языке.yi:היידראדזשען עקאנאמיע

  1. Коммерсантъ, 19.02.2007, интервью с М.Прохоровым