Водородная энергетика

Состояние и проблемы развития водородной энергетики

В свободном состоянии и при нормальных условиях водород является инертным бесцветным газом, без запаха и вкуса, плотностью 0,084 кг/м3. В газообразном состоянии при любом давлении водород обладает меньшей энергией, чем природный газ, метанол, пропан, не говоря уже о бензине (на единицу объема).

Жидкий водород (при температуре 20 К) занимает 1/700 объема в газообразном состоянии. При давлении 80 МПа газообразный водород практически сравнивается с жидким водородом по показателю удельного объемного энергетического содержания и значительно уступает жидким топливам. В частности, 1 л жидкого водорода содержит столько же энергии, сколько 0,28 бензина, 0,22 дизельного топлива или керосина, 0,4 жидкого пропана и 0,54 л метанола. Однако по удельному массовому энергосодержанию жидкий водород, имеющий высшую теплоту сгорания 142,8 МДж/кг, почти в 3,5 раза превышает данный показатель нефтяных видов топлива. Это главная причина, по которой жидкий водород используется как топливо для летательных аппаратов, где высокое энергосодержание на единицу массы имеет первостепенное значение.

Для успешного развития водородной энергетики должны быть разработаны эффективные методы и процессы широкомасштабного получения дешевого водорода, а также технологии его хранения, транспортировки и использования. По самым оптимистическим оценкам, массовое применение водородного топлива может стать возможным не ранее 2050 г. Возможность реализации подобной перспективы определяется главным образом проблемами стоимости топлива и экологических последствий его использования.

На современном этапе именно риформинг (конверсия) углеводородов получил в мире промышленное распространение. На его долю приходится 96% мирового производства водорода (50 млн т), из которых 48 производится риформингом метана, 30 — нефти, 18 — угля. Стоимость водорода, полученного риформингом метана, для потребителя равна 4,5 $/кг, что эквивалентно цене бензина около 1 $/л.

Цена водорода, получаемого конверсией метана, примерно 3–4 раза ниже, чем получаемого электролизом воды. И в ближайшие годы основным сырьем для получения водородного топлива останется природный газ. При этом следует учитывать ограниченность ресурсов природного газа и повышение его стоимости в дальнейшем, что приведет к естественному увеличению стоимости водорода. Другая проблема технологии, основанной на использовании природного газа, состоит в наличии в данном случае попутных выбросов углекислого газа, т.е. негативных экологических последствий.

Альтернативный способ производства водорода основан на традиционном электролизе воды (4% мирового производства) с потреблением электроэнергии, получаемой различными способами. Подобная технология очень проста и экологически безопасна, но дорогостояща (особенно при современных ценах на электроэнергию). В настоящее время цена электролизного водорода в зависимости от тарифа на электроэнергию и объема производства по одним данным составляет 6–10 $/кг, а по другим данным — 10–30 $/кг.

С такой же трудностью (дороговизной) сталкиваются и технологии получения водорода с использованием ВИЭ (ветер, солнечная энергия, сжигание биомассы).

При регулярной эксплуатации электролизера (более 5000 ч в год) стоимость водорода на 65–70% определяется стоимостью электроэнергии, следовательно основной проблемой при крупномасштабном производстве водорода является снижение расхода электроэнергии и/или ее стоимости. Разница в стоимости водорода, полученного при использовании электроэнергии по средней цене и при использовании «дешевой» электроэнергии отличается почти в 2–3 раза.  Причем эксплуатация электролизеров с использованием электроэнергии при «правильных» режимах работы электростанций позволяет также повысить уровень их безопасности, так как станции все время работают в базовом режиме.

Очень важным аспектом концепции получения водорода электролизом из воды является отсутствие зависимости от оставшихся мировых запасов углеводородного топлива, его стоимости, перебоев с поставками. В перспективе это должно привести к увеличению доли производства электролизного водорода.

В отличие от пресной воды ресурсы морской воды на Земле практически неограниченны. Однако использование морской воды для электрохимического производства водорода имеет ряд особенностей и представляет собой достаточно сложную техническую задачу.

При электролизе морской воды на аноде практически всегда будет выделяться одновременно с кислородом большое количество хлора и будут возникать проблемы его утилизации на месте производства и связанные с этим вопросы защиты окружающей среды, что также будет приводить к существенному удорожанию установок.

Основной объем водорода, получаемого риформингом углеводородов, используется на нефтеперегонных заводах и химических предприятиях. К примеру, в США за год производится около 9 млн т водорода, одна треть которого применяется в производстве аммиака, а остальная часть — на нефтеперерабатывающих заводах.

Возможность аккумулирования и хранения в различных формах и состояниях, транспортирования и распределения через сетевую систему и, наконец , доставки потребителю в нужный момент и требуемое место — это важнейшее достоинство водорода, практически отсутствующее у электроэнергии. Поэтому водород можно рассматривать в качестве потенциально перспективного энергоаккумулирующего вещества.

Серьезные сложности возникают в связи с решением проблемы распространения и хранения (в частности, на автомобилях) водородного топлива, ввиду малой плотности и взрывоопасности водорода. Что касается производства и распространения, то, по-видимому, наиболее целесообразно производство водорода на крупных предприятиях с последующей транспортировкой его по газопроводам. Некоторый вклад могут внести и перевозки сжиженного водорода. Все эти перспективы требуют серьезного технического и экономического анализа, причем особенно сложной окажется, вероятно, проблема хранения водорода на автомобилях. Как топливо для транспорта водород удобнее и безопаснее применять в жидком виде при температуре 20 К (при более высоких температурах он закипает и переходит в газообразное состояние).

Накоплен значительный опыт использования жидкого водорода в ракетно-космической технике. Космические державы (Россия, США, западноевропейские страны, Япония, Китай) являются главными потребителями жидкого водорода.

Созданное отечественное криогенное оборудование и системы в полной мере удовлетворяли потребности в жидком водороде основного потребителя — ракетно-космическую отрасль. В ОАО «Криогенмаш» проводились работы по совершенствованию и разработке нового криогенного оборудования. К основным достижениям можно отнести разработку унифицированного ряда криогенных резервуаров вместимостью 8, 25, 63, 75 м3 вертикального типа; вместимостью 50, 100, 230, 250 мгоризонтального типа и вместимостью 1400 м3 сферического типа для хранения водорода и кислорода. Благодаря применению высокоэффективной тепловой изоляции удалось сконструировать крупные резервуары, обеспечивающие низкую испаряемость, что практически решило проблему длительного хранения криопродуктов.

Серьезную проблему представляет собой обеспечение потребителей жидкого водорода транспортными цистернами. Разработаны железнодорожные цистерны объемом 100 м3 с суточными потерями 1,2%. Для транспортировки жидкого водорода по шоссейным дорогам разработана одна из самых крупных в мире автомобильная транспортная цистерна объемом 45м3. Цистерна имеет высокоэффективную экранно-вакуумную изоляцию, обеспечивающую потери жидкости в сутки на уровне 0,8%, что в свою очередь гарантирует возможность транспортировки жидкого водорода на расстояние до 1000 км без сброса паров.

Дальнейшее неизбежное развитие водородной энергетики потребует создания нового поколения высокоэффективных и надежных криогенных систем для ожижения водорода, его хранения и транспортирования. Речь может пойти о заводах-ожижителях с производительностью до 3 т/ч жидкого водорода и хранилищах с единичным объемом резервуаров до 4000 м3. Немаловажными потребителями жидкого водорода являются электронная и стекольная промышленности. Также неизбежно широкомасштабное внедрение в России водородных технологий в металлургии, химии, нефтехимии, в процессах переработки жиров и т. д.

Несомненно, перспективно использование жидкого водорода в авиации, где в аэродромных криогенных комплексах должны применяться ожижители производительностью 2–3 т/ч и хранилища на базе резервуаров объемом до 4000 м3.

На пути к массовому внедрению водородного топлива остается целый ряд технических препятствий, преодоление которых потребует серьезных вложений и усилий на протяжении, по крайней мере, нескольких десятилетий.