Водород и аэротакси. Шаг в будущее
Дата: 13/07/2020
Тема: Альтернативные источники энергии


Александр Просвирнов

В начале 2020 года институт энергетических исследований РАН (ИНЭИ РАН) опубликовал работу [1]: «Перспективы развития мировой энергетики с учетом влияния технологического прогресса». Авторы предприняли попытку определить направления технологического прогресса, которые оказывают наибольшее влияние на развитие энергетики, а также выделить отдельно, какие направления не оправдали возложенных на них надежд.



Среди «неудачников» выработка биоэтанола и биодизеля, который «так и не стал «панацеей» для перехода с нефтепродуктов на топлива растительного происхождения. Не помогла этому и большая государственная поддержка во многих странах, выделивших миллиарды долларов на исследовательские гранты и субсидирование потребления жидких биотоплив. Одним из самых ярких примеров пересмотра приоритетов стал отказ ЕС от официальной цели по использованию 10 % биотоплива на транспорте к 2020 г.»[1]

«Одним из самых крупных разочарований последних десятилетий можно считать атомную энергетику. На заре появления АЭС многие полагали, что это будущий доминирующий источник энергии. И для того были основания – несравнимая с другими используемыми в то время топливами концентрация энергии на единицу массы, причем энергии, которая дает возможность в том числе автономного использования. И действительно атомная энергетика развивалась, но вместо доминирования смогла занять только ограниченную нишу около 5 % в структуре потребления первичных энергоресурсов. Причины: опасения относительно безопасности (в особенности после нескольких аварий), высокие капитальные затраты, проблемы с распространением ядерного оружия, конкурентоспособность производимой электроэнергии для ряда стран.»[1]

Ожидалось, что управляемый термоядерный синтез (УТС) и магнитогидродинамические генераторы смогут преобразить энергетику уже к началу XXI века. Но пока всё ограничилось теориями и экспериментами.

Добыча синтетической нефти (Керогена) также не оправдала себя. Практически все проекты по добыче нефти из сухого сланца в мире отменены, кроме нескольких небольших разработок в Эстонии, США и Бразилии.

Жидкие топлива из синтез-газа на основе угля и природного газа (CTL, GTL) не оправдали особых надежд. Низкая энергетическая эффективность процесса, высокие затраты, большая сравнительная эффективность газа и угля в качестве топлива для генерации, нежели для переработки в жидкие аналоги нефтепродуктов.

В работе [1] рассмотрены следующие технологические направления, детализированные в зависимости от их направления применения и воздействия на энергосистему:

• технологии в электроэнергетике (в целом);

• технологии возобновляемой энергетики;

• технологии накопления энергии (разного типа);

• технологии производства и переработки ископаемых энергоресурсов;

• технологии в секторах потребления.

Авторы [1] считают, что: «Развитие технологий генерации из возобновляемых источников энергии (ВИЭ) – ключевая тенденция, наметившаяся в электроэнергетике с началом XXI века. Солнечная, ветровая, гидроэнергия и энергия биомассы совокупно увеличили свою долю в электробалансе мира с 9 % в 2000 г. до 14 % в 2016 г., показав абсолютный прирост энергопроизводства с 330 млн т н. э. до 723 млн т н. э. Значительный прогресс по росту доли ВИЭ в электробалансе во многом был обусловлен успехами НТП в сфере выработки электрической и тепловой энергии из этих источников.»[1]

По состоянию на конец 2017 г., на долю так называемых «новых/современных ВИЭ» (без учета традиционной большой гидроэнергетики) пришлось 10,1 % от глобальной выработки электроэнергии. Наиболее распространенными из них стали - ветровая энергетика (5,6 % от общей генерации), биоэнергетика (2,2 %) и солнечная энергетика (1,9 %). Общая установленная мощность новых ВИЭ практически утроилась к 2017 г. до 1081 ГВт по сравнению с 2010 г., когда этот показатель составлял всего 312 ГВт. [1]

В период с 2006 по 2016 гг. количество зарегистрированных патентов, связанных с ВИЭ, выросло более чем в пять раз, составив на 2016 г. более полумиллиона патентов, что говорит о высокой активности научных изысканий в этой области. Более половины из них ориентированы на развитие солнечной энергетики.[1]

По результатам проведенного в конце 2018 года Международным энергетическим агентством (IEA) анализа состояния мировой энергетики солнечные электростанции на фотоэлементах (СЭС-ФЭ) и наземные ветроэнергетические установки (ВЭУ) превратились из самых дорогих в наиболее дешевые источники за счет снижения затрат на сооружение на 60% и 40% соответственно. Средняя цена электроэнергии, вырабатываемой этими двумя типами установок, снизилась до 42-43$ за 1 МВт*час (на парогазовых установках 58-102 дол. США/Мвт*час, для АЭС – 151 дол. США/МВт*час). В первой половине 2019 года ВИЭ обеспечивало 44% энергопроизводства Германии, к 2035 году ВИЭ должно обеспечить 55-60%, а к 2050г. -80%.[2]

ЕС планирует финансировать стратегическую модернизацию энергетической инфраструктуры Европы по следующим ключевым элементам программы:

- максимальное (в идеале полной автономности) сокращение зависимости ЕС от внешних источников первичных энергоносителей;

- доведение доли восполняемых источников энергии (ветро – и солнечная генерация) в общей структуре энергогенерации до 80% к 2045 году;

- доведение доли электроэнергии на транспорте (включая личный) до 90% (в идеале, исключая морской, – до 100%);

- полный отказ от атомной и угольной генерации, с заменой выпадающих мощностей дополнительными объемами ВИЭ и природного газа (на переходный период);

- замещением использования природного газа водородом, производимым на собственных мощностях в ЕС.

В свете последнего пункта для России вероятным новым направлением высокотехнологичного экспорта может стать «водородная тема». В самом широком смысле, от собственно готового водорода, до установок по его производству и аккумулированию промышленного уровня. На данный момент существуют два принципиальных подхода к решению задачи: получать водород путем разложения воды и путем преобразования природного газа. (https://news-front.info/2020/06/22/energokrizis-evrosoyuza-zadachi-i-czeli-dlya-rossii/)

Росатом не остался в стороне и открыл тему исследований «Водородная энергетика», тем более, что еще в советское время был сделан ряд технологических заделов в этой области.

«Газпром» также заинтересован поучаствовать в водородном проекте Европы, но с водородом, получаемым пиролизом - разложением газа на уголь и водород без выброса углекислого газа, что пока устраивает Европу. «Водород - долгая история, и мы только в начале пути. Основной этап его внедрения в Европе намечен на 2030-2050 годы.» https://ria.ru/20200604/1572420495.html

По данным научного руководителя по теме «Водородная энергетика» академика Н.Н. Пономарева-Степного [4] «Мир уже производит и потребляет более 70 Мт водорода в год в широком спектре процессов. К 2050 году прогнозируется:

- 10-кратное увеличение потребностей в водороде,

- 25% вклад в снижение выбросов CO2 (6 Гт/год),

- доля 18% в энергетическом балансе.

 - потенциальный рынок для водорода и водородных технологий с доходами более чем 2,5 трлн $ в год» [4]

В настоящее время водород как компонент при производстве аммиака (азотные удобрения), а также в нефтепереработке занимает менее одного процента в энергобалансе ЕС, однако тема водородной энергетики становится все «горячее» и «горячее».

Конечно, под «водородом» ЕС понимает так называемый «зеленый водород», используемый. в качестве хранилища энергии и получаемый при электролизе воды с помощью избыточных, "лишних" объемов электричества от нерегулируемых возобновляемых источников энергии (ВИЭ). [5]

Объемы ежегодных вводов ВИЭ постепенно растут, соответственно, накопленные мощности также увеличиваются. Доля ВИЭ достигла уже такого уровня, что можно возобновляемую энергетику использовать для выработки водорода. Сама по себе неравномерная выработка электроэнергии на ВИЭ требует аккумулирующих мощностей, и водород здесь пришелся кстати. Новых мощностей ВИЭ (по объему выработки) хватает, особенно в Европе, чтобы удовлетворить увеличивающийся спрос на электричество, а излишки можно направлять на выработку водорода.

Для России можно использовать излишки выработки на АЭС в замкнутых энергосистемах, например, на Кольской АЭС, где часто складывается ситуация невостребованности вырабатываемой на Кольской АЭС электроэнергии.

Даже текущая динамика впечатляет. Прогноз говорит, что уже в 2020-м на планете суммарная мощность запущенных новых электролизеров для получения водорода вырастет сразу в несколько раз по сравнению с 2019 годом (до этого был небольшой постепенный рост), хотя и составит пока в общем-то "смешные" 120 мегаватт мощностей по всему миру. Для сравнения: только в Германии сейчас обсуждаются планы строительства к 2030 году от трех до десяти гигаватт электролизеров.

На развитие водородной энергетики Германия выделит более €10 млрд до 2023 года: €7 млрд на «запуск рынка» (то есть на создание рамочных условий и стимулирование внутреннего спроса), €2 млрд на международное сотрудничество и еще €1 млрд - на нужды промышленности, которая должна внедрить водородные технологии, чтобы в перспективе стать их экспортером номер один в мире. (https://trends.rbc.ru/trends/green/5ef46e379a7947a89c25170d)

Между тем на фондовом рынке эта технология уже наделала много шума. В прошлом году цена акций компаний – производителей водородных топливных элементов, способных приводить в движение грузовики или поезда, а также электролизеров, необходимых для производства так называемого «зеленого» водорода, в большинстве случаев выросла более чем вдвое. Компания Cummins приобрела Hydrogenics; Daimler и Volvo создали совместное предприятие; Bosch лицензировала технологию PowerCell и увеличила свою долю в Ceres Power. Рост цены акций таких компаний, как канадская Ballard и американская Plug Power,  более чем вдвое. Акции компаний McPhy, Nel Hydrogen и ITM Power за год выросли на 168, 229 и 731% соответственно. Авторитетные европейские газовые гиганты, как AirLiquide и Linde также владеют долями в компаниях – производителях электролизеров и в крупных водородных проектах. (https://kursiv.kz/news/rynki/2020-07/potencial-vodorodnogo-topliva-ogranichivaetsya-izderzhkami-na-ego-proizvodstvo)

Готовы ли потребители к использованию водорода?

В марте 2020 года «Urban Aeronautics, производитель летательных аппаратов с водородным приводом, заключила соглашение с сингапурским сервисом бронирования вертолетных чартеров Ascent для развития услуг городской мобильности в Азии. Ее дочерняя компания Metro Skyways разрабатывает шестиместную модель e-VTOL под названием CityHawk, которая будет работать в качестве автономного воздушного такси.»

Аэротакси собираются разработать на базе грузового дрона Cormorant (см. рис. 1), который способен разгоняться до 180 км/ч, пребывать в воздухе до пяти часов и перевозить грузы массой до 635 килограммов за счет электрического привода, питаемого водородными топливными элементами. Максимальная высота полета беспилотника составляет 3,7 тысячи метров.

В январе 2020 года компания Boeing заявила о соглашении с филиалом Urban Aeronautics Tactical Robotics о совместной работе над технологией тоннельных воздушных винтов израильской группы Fancraftэ, применяемых в беспилотнике Cormorant. https://ecotechnica.com.ua/transport/4776-bespilotnoe-vozdushnoe-taksi-cityhawk-sdelayut-iz-voennogo-drona-cormorant.html

Toyota создаст совместное предприятие по производству водородных топливных элементов. В нем будут участвовать китайские автомобилестроительные компании. В предприятии со штаб-квартирой в Пекине будут участвовать Toyota, FAW Group, Dongfeng Motor, Beijing Automotive, GAC и Beijing SinoHytec. По сообщению Toyota, общая сумма инвестиций составит около 5,02 млрд иен (46 млн долларов). Японской компании будет принадлежать 65% акций предприятия. (https://www.ixbt.com/news/2020/06/06/toyota-sozdast-sovmestnoe-predprijatie-po-proizvodstvu-vodorodnyh-toplivnyh-jelementov.html)

Производители грузовиков работают над созданием электромобилей, которые бы соответствовали новым жестким стандартам по выбросам углекислого газа (стандарты вступят в силу в 2030-х годах в Европе и в американском штате Калифорния). Для тяжелых грузовиков, преодолевающих большие расстояния, легкие водородные топливные элементы, которые можно заправить всего за 15 минут, являются наиболее подходящим источником экологически чистой энергии.

Рис. 1 Аэротакси на базе грузового дрона Cormorant

Компания Hyundai Motor сообщила об отгрузке десяти автомобилей Hyundai XCIENT в Швейцарию - первые в мире серийные тяжелые грузовики на топливных элементах приступят к регулярным коммерческим рейсам с сентября 2020 года. Всего же в рамках контракта планируется отправить из Южной Кореи в Швейцарию 50 экземпляров Hyundai XCIENT. А к 2025 году компания планирует выпустить 1600 подобных грузовиков. (https://www.zr.ru/content/news/924010-hyundai-prodala-pervye-10-gruz/)

Со временем подобные технологии могут использоваться в поездах, на кораблях и даже на самолетах. Кроме того, водород является единственным экологически чистым топливом, способным обеспечить необходимую тепловую энергию для производства стали и цемента – двух крупных источников промышленных загрязнений. (https://kursiv.kz/news/rynki/2020-07/potencial-vodorodnogo-topliva-ogranichivaetsya-izderzhkami-na-ego-proizvodstvo)

Крупные международные компании - AWS, Carrefour Group, CMA CGM Group, Cluster Maritime Français, Crédit Agricole Corporate and Investment Bank, Engie, Faurecia, Michelin, Schneider Electric, Total и Wärtsilä объявили о создании международной коалиции с целью объединения усилий для ускорения энергетической трансформации транспортно-логистической отрасли, сокращения выбросов, борьбы с потеплением и защиты биоразнообразия планеты.

Коалиция ставит следующие три ключевых цели для получения решений в технологии с конкретными результатами к 2030 году: расширение перечня экологичных источников энергии; более низкое энергопотребление при транспортировке в расчете на километр-эквивалент товара; значительное сокращение объема выбросов, в отрасли транспорта и логистики. (https://portnews.ru/news/298255/)

Конечно, водород стоит дороже природного газа. В настоящее время около 80% водорода получают из природного газа и нефтепродуктов путем паровой конверсии. В эндотермическом процессе паровой конверсии сжигается около половины природного газа с выбросом продуктов сгорания в атмосферу.

Для экономии углеводородов и исключения выбросов продуктов сжигания в окружающую среду предлагается электролизное, термохимическое и паро-конверсионное производство водорода из воды и углеродов с использованием энергии возобновляемых и атомных источников. [4]

Стоимость производства водорода методом паровой конверсии метана (ПКМ) составляет 80 руб/кг водорода при цене на газ 5 руб/м**3. Для протон-мембранной технологии (РЕМ) электролиза водорода из воды эта цифра уже порядка 220 рублей за килограмм водорода при цене за электричество 2,4 руб/кВт*час.

В Японии предложен метод эффективного получения топлива из воды. Японским ученым удалось достичь высокого уровня квантовой эффективности для расщепления воды, который дает возможность в будущем получать водород в промышленных масштабах.

По словам ученых, чтобы использовать этот метод при производстве водорода на практике, квантовой эффективности в 30% будет достаточно. Получить высокий уровень квантовой эффективности, близкий к 100%, ученым удалось при помощи использования фотокатализатора на основе титаната стронция. К нему специалисты добавили сокатализатор на основе алюминия. (https://rusargument.ru/90483_predlozhen_metod_effektivnogo_polucheniya_topliva_iz_vody_grozdeva?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop&utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2Fnews)

В России есть технологии получения водорода из воды в алюмо-водородном плазмохимическом реакторе (ПХР) со стимуляцией реакции с помощью плазменных образований. Авторы работы [6] на протяжении последних 10 лет активно работали над созданием ПХР, в котором использовалась гетерогенная смесь порошковый алюминий + водяной пар.

На выходе ПХР получается горячий ионизованный водород, корунд, и горячий водяной пар. В лабораторных исследованиях удалось показать, что скорость реакции может быть увеличена более, чем в 10÷1000 раз, полнота реакции в ПХР может быть не хуже 90%, энергетическая цена наработки молекулы водорода не превышает 1÷3 эВ (32 - 96 руб/кгН2 при цене за электричество 2,4 руб/кВт*час без учета стоимости алюминия). Благодаря высокой скорости наработки водорода его можно непосредственно использовать в энергетических установках (например, в двигателе автомобиля). В таком реакторе отпадает необходимость его накопления и хранения. Таким образом, функционирование такого ПХР практически взрывобезопасно. Кроме того, этот ПХР имеет малые массогабаритные характеристики. Например, 2-х литровый ПХР может использоваться в 100 кВт автомобильном двигателе. [6]  

Отметим, что оценка коммерческой цены получения  1кГ водорода с помощью настоящего метода не высока уже в настоящее время. Она превышает цену наработки водорода методом пиролиза углеводородов (самым дешевым методом на сегодняшний день) всего в 2÷4 раза.  Имеются реальные возможности уменьшения этой цены в будущем.

В ПХР, использующем гетерогенную смесь порошкового алюминия и водяных паров, реализуется следующая стимулированная химическая реакция:

Al + H2O = AlOOH +H2 1  канал

Al + H2O = Al2O3 +H2 -2  канал

Рис.2. Принципиальная схема ПХР.1,2- электроды; 3,4-кварцевая трубка; 5-корпус реактора ; 6,7-фланцы с охлаждением; 8-источник питания; 9-балон с аргоном,10,11-регулирующие клапаны; 12, 13-расходомеры; 14- смеситель для порошка алюминия; 15-плазменное образование; 16-парогенератор [6]

Принципиальная схема ПХР представлена на рис. 2. Общий вид лабораторного ПХР представлен на рис.3. Поток рабочего газа (аргон) поступает из баллона (9) через регулирующий клапан (10), расходомер (12) и завихритель (5) поступает в тестовую секцию ПХР. Эта секция выполнена из кварцевой трубы, диаметром 60 мм (3). Аргон из баллона (9) в качестве толкающего газа поступает в смеситель (14), через клапан (11) и расходомер (13) для распыления алюминиевого порошка. Эта смесь поступает в тестовую секцию через центральный электрод (1). В тестовую секцию поступает также и водяной пар в из парогенератора (16). Выхлоп продуктов реакции осуществляется через сопло 4, (кварцевую трубку диаметром 40 мм), расположенную в верхней части ПХР. Разряд происходит между электродами (2) и (1). На электроды подается переменное напряжение с источника питания (8).  [6]

В процессе исследований были выяснены и сформулированы следующие этапы протекания плазмохимических процессов:

1. На первом этапе реакции происходит диссоциация молекул воды с помощью высоковольтного ВЧ разряда (высокие значения приведенного электрического поля E/N) с образованием атомарного водорода.

2. На втором этапе возбужденные атомы водорода быстро разрушают оксидную пленку на пылевых частицах алюминия.

3. Далее происходит испарение частиц во время силового импульсного разряда.

4. И наконец, на последнем этапе происходит реакция окисления алюминия в парах воды и на очищенной поверхности пылинок. [6]

Рис. 3. Общий вид работающего ПХР с плазмой, созданной комбинированным электрическим разрядом [6]

 

Заключение

1.      Нацеленность ЕС на технологии без выброса углекислого газа показывают неограниченные перспективы для развития водородной энергетики.

2.      Освоенные технологии производства водорода пока не позволяют конкурировать с газом, однако прогресс в инновационных технологиях позволяет надеяться на такие возможности в ближайшие пять лет.

3.      Одной из возможных технологий получения дешевого конкурентного водорода может стать технология получения водорода из воды в алюмо-водородном плазмохимическом реакторе (ПХР) со стимуляцией реакции с помощью плазменных образований.

4.      В работе [6] сделана оценка энергетического баланса наработки молекулы водорода Eмол в ПХР с комбинированным разрядом. Данная величина составила 1÷3 эв на молекулу водорода. Отметим, что эта величина заметна меньше характерной энергетической цены водорода для промышленных установок электролиза, которая составляет 100 эВ. В то же время величина Eмол превышает значение энергозатрат на получение молекулы водорода из углеводородного топлива методом плазменного катализа в 2÷4 раза.

5.      В процессе исследований ПХР авторы обнаружили низко - энергетические процессы, позволяющие производить еще более дешевый водород без использования заметного количества алюминия или никеля.

 

Литература

1. Кулагин В.А. и др., «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА», УДК 620.9 ББК 31.15 Э11, ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ИНЭИ РАН), Москва 2020, https://www.eriras.ru/files/monograph_2020_ed_kulagin_v_a.pdf

2. Александр Шаулович Лейзерович, «Некоторые ориентиры развития электроэнергетики на ближайшую перспективу», «Электрические станции», 03.2020, http://www.elst.energy-journals.ru/index.php/elst/article/view/1314

3. Чаусов Игорь Сергеевич, Ведущий эксперт Инфраструктурного центра EnergyNet «Перспективы водородной энергетики с позиции России», https://minenergo.gov.ru/system/download/14592/95642

4. Пономарев-Степной Николай Николаевич, академик РАН, научный консультант генерального директора АО «Концерн Росэнергоатом», «Перспективы атомно-водородной энергетики», https://www.eriras.ru/files/5_ponomarev-st_-prezentatsiyaa_25_10_18-.pdf

5. «ЕС из принципа вложит миллиарды в новую технологию, уступающую старой»,

https://ria.ru/20200604/1572420495.html

6. Битюрин В.А., Климов А.И., Чиннов В.Ф., Григоренко А.В., Поляков Л.Б., Толкунов Б.Н., Ефимов А.С., Пащина А.С., Кутузов Д.В., «Гетерогенный плазмо-химический реактор на смеси Al- Н2О с комбинированным разрядом»







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=9263