CC BY
185УДК 62-622:542.06:542.3.08:54.052
Водородная энергетика - состояние и перспективы
Борзенко В.И. [0000-0003-1494-2763]
Объединённый институт высоких температур Российской Академии наук (ОИВТ РАН) Лаборатория водородных энергетических технологий, Москва, Россия
E-mail: h2lab@mail.ru
Аннотация. В статье представлено интервью зам. главного редактора журнала «Окружающая среда и энерговедение» К.С. Дегтярева с заведующим Лабораторией водородных энергетических технологий ОИВТ РАН, кандидатом технических наук Борзенко Василием Игоревичем. Водород рассматривается в качестве одного из главных компонентов новой, неуглеродной, энергетики, хотя первые опыты по энергетическому использованию водорода относятся ещё к началу XIX века. Обсуждаемые темы: что представляет собою водород в качестве источника энергии, какие области применения и перспективы у водородной энергетики.
Ключевые слова: водород, водородная энергетика, экономика, электролиз, экология, аккумуляция энергии
Василий Игоревич, почему на водород в последнее время обращено внимание мировой энергетики, в чём его преимущества и перспективность ?
Рис.1. Василий Игоревич Борзенко, зав. Лабораторией водородных энергетических технологий ОИВТ РАН. Источник: сайт ОИВТ РАН
Начнём с уточнения - водород, как таковой, не является источником энергии; надо затратить энергию, чтобы его получить. Водород - это вторичный энергоноситель, но он массово представлен в природе - в воде и в углеводородах. Есть разные технологии его получения.
В последние примерно 20 лет идёт прогресс в водородных технологиях и последовательное снижение стоимости водородных топливных элементов.
Что такое водородный топливный элемент? Это энергохимический генератор, с которым мы проводим реакцию окисления водорода, но без горения, то есть это, по сути, электрохимическая машина, которая не является тепловой машиной - не подчиняется циклу Карно и имеет теоретический КПД, равный 1 (в отличие от двигателей внутреннего сгорания, где составляет 0,3-0,4). Поэтому и началось производство автомобилей на водородных топливных элементах.
Существуют разные типы водородных топливных элементов, но я бы выделил, например, полимерэлектролитный, как наиболее маневренный; их промышленное производство сейчас более или менее отлажено.
И, другой драйвер развития водородных технологий - это экология, поскольку при сжигании водорода вы не получаете выбросов парниковых газов, загрязняющих и отравляющих веществ.
Небольшое уточнение - мы сейчас говорим о протии?
Дейтерий, тритий - это изотопы, т.е. атомщики, термояд, это совсем другая история.
Хотя лет 40 назад, когда всё это начиналось, ещё под руководством В.А. Легасова, М.А. Стыриковича, Э. Э. Шпильрайна и основателя нашей лаборатории Станислава Петровича Малышенко речь шла именно об атомно-водородной энергетике. Планировалось, что драйвером её развития будет мирный атом, тепловая энергия атомных станций, для производства водорода будут использованы термохимические циклы разложения воды - и на этом будет построена вся водородная экономика. Но драйвером оказалась возобновляемая энергетика и не в России.
Какие проблемы могут быть с использованием водорода?
Прежде всего, это хранение. Водород очень лёгкий. Для сравнения, хотя по массе теплота сгорания водорода почти в три раза больше, чем у природного газа - метана СН4, плотность водорода в обычных условиях почти в 8 раз ниже -90 граммов против 700 граммов.
И чтобы обеспечить, например, пробег автомобиля в 400 км на водороде, вам необходимо иметь баллон с давлением как минимум 350 атмосфер, а это и затраты на компримирование, и не вполне безопасно ездить на такой «бомбе».
А в обычном газовом баллоне, используемом в автомобилях, сколько атмосфер?
В обычном газовом - 150. Для водорода используются композитные баллоны, выдерживающие до 800 атмосфер. Эта технология отлажена, есть, в том числе, и отечественные баллоны.
Насколько это дорого? Например, если сравнить с установкой газового баллона на автомобиль (где общая стоимость может составить около 40-50 тысяч рублей)?
К сожалению, водород нельзя поставить непосредственно на двигатель внутреннего сгорания из-за проблем с детонацией, поэтому нужен принципиально новый автомобиль - с топливным элементом, электромотором, источником постоянного тока на выходе. Пока цены запредельны. Но многое можно сделать при наличии политической воли. Например, Калифорния объявила, что с 2035 года перестанет продавать новые машины на бензине.
Но тут, скорее всего, речь об электромобилях?
Зависит от того, раньше подтянется к этому времени. У электромобиля тоже хватает проблем, и водород за 15 лет может его и обогнать.
Идёт глобальное потепление, в связи с этим развитыми странами принимаются политические решения - например, Евросоюз планирует полностью избавиться от углерода в экономике к 2050 году. Это означает, что без водорода на транспорте, в ЖКХ, в энергетике не обойтись.
К тому же бурное и даже избыточное развитие возобновляемой энергетики в Западной Европе привело к тому, что девать энергию зачастую некуда и, в целом, возобновляемая энергия носит переменный характер. И для согласования графика нагрузки и потребления могут очень пригодиться водородные системы аккумулирования с понятной примитивной архитектурой - электролизёр, системы хранения водорода и топливный элемент на выходе.
Хотя я слабо верю в мегаваттные уровни топливных элементов. Это возможно в единичных случаях, и это обычно высокотемпературные системы - они не маневренны, как и любая система, требующая разогрева - их нельзя быстро отлаживать, запускать и устанавливать. Оптимально использование водорода для транспортных средств.
Конечно, водород можно и просто сжигать, если его накопили на «провальной» энергии - можно поставить паротурбинные циклы, жечь водород в смеси с кислородом или воздухом и крутить паротурбину. Но КПД здесь уже будет как у тепловой машины - около 30%. В общем, есть масса вариантов.
Но здесь другая проблема - нужно много водорода, и как его извлечь из природы? Сейчас основная его часть производится с помощью паровой конверсии углеводородов - из метана. Но эта технология имеет так называемый карбоно-вый след, и такой водород напрямую считаться «зелёным» не может.
Но какой вообще смысл делать водород из метана, если метан можно сжигать непосредственно?
Смысл есть. Можно выиграть за счёт высокого КПД топливных элементов. Хотя, если посмотреть всю технологическую цепочку «from well to wheel» - от буровой скважины до колеса, то действительно может оказаться, что на газе ездить дешевле.
Поэтому основная ставка сейчас сделана на получение водорода электролизом воды - на использование больших электролизёров, с использованием энергии возобновляемых источников и, тем самым, переход к глобальному рынку водорода.
Электролиз - это дорого?
Если у вас «провальная» энергия, которую некуда девать - то нет. При электролизе на производство 1 м3 водорода затрачивается 4,5 кВтч энергии, это считается хорошим показателем для имеющихся технологий.
Примечание. Теплотворная способность водорода - около 13 МДж/м3, что эквивалентно 3,6 кВтч, т.е. пока при электролизе воды только расход энергии на производство водорода выше его потенциальной энергоотдачи.
Но у водорода есть экологические преимущества перед углеводородами. И производство водорода интересно рассматривать в связке с возобновляемыми источниками - солнечными, ветровыми, приливными станциями.
И сколько нужно воды для получения 1 м3 водорода?
Жидкой воды - немного. Посчитайте по стехиометрии.
Примечание. Масса 1 м3 водорода составляет 0,09 кг, 1 м3 воды - 1000 кг, из которых 11%, или 110 кг, приходится на водород. Таким образом, на производство 1 м3 водорода надо затратить (0,09/1000)/11% = 0,008 м3 (0,8 литра или около 800 граммов) воды.
А что происходит с кислородом при электролизе? Он далее как-то используется?
Как правило, электролизёры настроены на генерацию водорода. Кислород идёт грязный, с парами воды. Но есть системы, которые вам дадут и то, и то, но они будут дороже.
К сожалению, в России производство электролизёров большой мощности практически потеряно. А поскольку без электролиза в энергетике не обойтись, в том числе - в атомной энергетике, то мы сейчас полностью зависим от амери-
канского и европейского оборудования. На мой взгляд, это катастрофическая ситуация при таком огромном потенциальном рынке.
В чём причина? Западная продукция дешевле, качественнее?
Да, западные системы компактнее и экономичнее - в частности, в наших расход электроэнергии на производство 1 м3 водорода - 6-7 кВтч, на 4-5 кВтч мы
не выходим. Кроме того, у нас кончились запасы асбеста . Сейчас проблему
2
пытаются решить Росатом и Газпром .
Проблема наших экспортёров газа в том, что наш газ в Европе могут не признать «зелёным». Во избежание этого в газ необходимо добавлять водород.
Существующая газотранспортная система (в частности, Северный поток - 2) может транспортировать водород?
Может при небольшой доле водорода в природном газе (до нескольких процентов). Проблема в том, что и наш водород недостаточно «чистый», поскольку делается из метана. Конечно, здесь много политики. Идея ЕС полностью «де-карбонизировать» свою экономику к 2050 году представляется мне утопичной, в их программах мало конкретики, но такие цели заявлены.
Отто Андерсен (Otto Andersen) в работе Unintended Consequences of Renewable Energy пишет об опасности утечек водорода...
Угрозы связаны со взрывоопасностью водорода, но это в закрытых помещениях, а не при утечках в открытый воздух.
Чем занимается ваша лаборатория, какие у вас основные направления деятельности?
У нас основных направлений, пожалуй, три.
Первая - это разработка систем хранения водорода. В нашем случае это твердофазные системы хранения, получаемые химической сорбцией водорода металлами с образованием металлогидридов. Водород вступает в химическую реакцию соединения с металлом, в результате чего образуется гидрид.
1 Асбест используется в электролитических установок для разделения продуктов элек-
тролиза
2 В июле 2020 года Минэнерго направило в Правительство дорожную карту «Развитие
водородной энергетики России» на 2020-2024 годы, согласно которой Газпром и Росатом должны запустить пилотные водородные установки к 20204 году.
Рис. 2. Лабораторное устройство для электролиза отечественного производства, производительностью 300 л/час. Фото К.С. Дегтярева
Преимущества хранения водорода в гидриде в том, что они не требуют высоких давлений хранения и, при этом, обеспечивают высокую плотность хранения, сравнимую с плотностью жидкого водорода. Многие соединения, например, на основе лантана, поглощают водород обратимо при умеренных температурах и давлениях.
Примерно 300 граммов такого интерметаллического соединения заменят баллон с водородом, и такой способ хранения будет безопасным.
Рис. 3. Металлогидридный аккумулятор. Фото К.С. Дегтярева
Рис. 4. Установка для измерения изотерм сорбции - десорбции водорода. Фото К.С. Дегтярева
При этом для десорбции - извлечения водорода из гидрида, достаточно будет поднять температуру на несколько десятков градусов. В сущности, для этого достаточно двух кранов с водой - горячей и холодной. Варьируя разницей температур в сравнительно небольших пределах, можно добиваться изменения давления водорода в широком диапазоне - в зависимости от поставленной задачи. Это, по сути, бесплатный компрессор, работающий с минимальными энергозатратами.
Наша задача на данном направлении - подбор металлических сплавов, проведение сорбции и десорбции водорода в экспериментальном режиме, проверка свойств соединений.
Второе направление работы нашей лаборатории, естественным образом вытекающее из первого - создание интегрированных систем аккумулирования. Мы интегрируем созданные нами системы хранения водорода с топливными элементами и другой водородной инфраструктурой и, в целом, преуспели на киловаттном уровне мощности.
Наконец, третье направление связано с обеспечением гармонизации графиков потребления и нагрузки в существующих энергосистемах. Идея использования водорода для этих целей была предложена ещё лет 30 назад. Речь идёт об аккумуляции избыточной энергии с помощью водорода и кислорода с использованием её в часы пиковой нагрузки - так называемой пиковой надстройки над существующими паротурбинными установками.
Мы ведём здесь разработки, хотя сейчас они, в большей степени, ориентированы на автономные системы и в системы аккумулирования в связке с ВИЭ.
Рис. 5. Водородно-кислородный парогенератор мощностью 20 МВт. Разработка Лаборатории водородных энергетических технологий ОИВТ РАН. Фото К.С. Дегтярева
Ключевыми элементами этой системы являются водород, кислород и парогенератор. Это компактное устройство, созданное по ракетным технологиям, в котором вы осуществляете прямое сжигание водорода и кислорода с образованием пара. Здесь у нас тоже есть некоторые новые идеи, как совместить эту систему с воздушным аккумулированием.
В качестве резюме - как Вы считаете, что может стать стимулом реанимации и развития водородных технологий и водородной энергетики в России? Пока складывается впечатление, возможно, ошибочное, что главный драйвер -рост экологических требований стран - импортёров российских углеводородов, прежде всего, стран ЕС. А с чем могут быть связаны внутренние предпосылки для развития отечественной водородной энергетики? Где она, в первую очередь, может быть востребована у нас?
Во-первых, слово реанимация здесь неприменимо, водородные технологии в России развивались довольно устойчиво на уровне разработок. Большого отставания нет.
Неравномерный характер режимов работы ветровых и солнечных энергоустановок требует создания системы аккумулирования энергии, позволяющей удовлетворять нужды потребителя по необходимому ему графику нагрузки.
Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №3(2020)
Одним из перспективных путей решения этой задачи является использование водородных систем аккумулирования. В этом случае водород производится электролизом воды за счет электроэнергии от ВИЭ, аккумулируется в системе хранения и используется для производства электроэнергии по необходимому потребителю графику в топливных элементах или других энергоустановках (например, на основе водородо-кислородных или водородо-воздушных па-ро/газо генераторов). Автономные системы подобной архитектуры весьма актуальны и для условий РФ. На регионы с нецентрализованным энергоснабжением в РФ приходится около 70% территории, где проживает порядка 20 млн. человек и находится до 15% основных фондов. Использование дорогого привозного ископаемого топлива в энергоустановках на двигателях внутреннего сгорания отличается низкой эффективностью и наносит существенный вред окружающей среде. Решением может стать использование возобновляемых источников энергии в сочетании с аккумулированием энергии в виде химической энергии универсального и экологически чистого вторичного энергоносителя - водорода, который может быть с высокой эффективностью преобразован в электричество что позволяет избежать потерь энергии в результате саморазряда и существенно повышает экологическую безопасность по сравнению с аккумуляторными батареями и дизель-генераторами, используемыми для этой цели в настоящее время.
Беседовал К.С. Дегтярев, зам. главного редактора журнала «Окружающая среда и энерговедения», н.с. НИЛ возобновляемых источников энергии геогра-фическог факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, к.г.н.
Hydrogen energy - state and prospects
Borzenko V.I.
[0000-0003-1494-2763]
Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences , Laboratory of Hydrogen Energy Technologies, Moscow, Russia
E-mail: h2lab@mail.ru
Abstract. The article presents an interview of the deputy editor-in-chief of Journal of Environmental, Earth and Energy Study KS. Degtyarev with the head of the Laboratory of Hydrogen Energy Technologies of the Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, Ph.D. Vasily Borzen-ko. Hydrogen is considered as one of the main components of the new noncarbon energy, although the first experiments on the energy use of hydrogen date back to the beginning of the 19th century. The discussed items: what is hydrogen as a source of energy, what are the areas of application and prospects for hydrogen energy.
Key words: hydrogen, hydrogen industry, economy, electrolysis, environment, energy storage
