Основные проблемы транспорта и хранения водорода
В представленной статье произведен анализ используемых в настоящее время способов производства, транспортировки и хранения водорода. Исследованы технологические особенности получения различных видов водорода и описаны их характеристики. Также перечислен ряд существенных проблем, возникающих при транспорте и хранении водорода, и проанализированы возможные пути их решения. Рассмотрены перспективы водорода в топливно-энергетической отрасли России и мира.
alt=»Основные проблемы транспорта и хранения водорода» />
Современная экологическая проблема – большое количество парниковых газов в атмосфере, выделяемых вследствие использования углеводородов, таких как нефть и природный газ. Для сокращения выбросов необходима замена используемых источников энергии на альтернативные, более экологичные. Одной из перспективных областей развития является транспорт и хранение водорода.
Водород – это легкий газ, при сжигании которого выделяется тепло, в несколько раз превышающее тепло от сжигания природного газа.
Различные виды водорода могут использоваться в самых разных областях промышленности и жизни человека. Например, применение водорода распространено в нефтегазовой и химической промышленности, а также в топливной энергетике.
Мировое сообщество, включающее такие страны как Канада, США, Китай, ЕС, Японий, Корея, к 2050 году планируют полностью отказаться от использования угля, нефти и газа, и установить «нулевой выброс» в атмосферу углекислого газа, продолжая развитие «водородной долины».
На сегодняшний день ряд стран уже активно патентует и воплощает в жизнь новые технологии и оборудование, связанные с «зеленой» энергетикой. Например, ведется разработка карьерного самосвала, который полностью будет углеродно-нейтральным, открываются заводы на солнечной энергии по производству водорода, которые могут обеспечивать топливом сотни автомобилей в день. Автомобилей с водородными элементами насчитывается уже около 6000.
В России, согласно энергетической стратегии ЭС-2035, принятой правительством, транспортировка данного источника энергии на экспорт станет одним из приоритетных направлений. Основной задачей будет являться развитие производства и потребления водорода и закрепление России в составе мировых лидеров по экспорту водорода.
Также в скором времени будет запущен ж/д транспорт на Сахалине с применением водородных топливных элементов. Компании «Газпром» и «Росатом» станут первыми производителями водорода, завершив строительство пилотных водородных установок к 2024 году. Преимущественно они будут находиться на объектах добычи газа, предприятиях по переработке сырья и атомных электростанциях. В связи с этим нельзя сказать, что весь водород является экологичным видом топлива, все зависит от способа его получения.
Водород практически не встречается в природе в чистом виде, обычно его получают из химических соединений с помощью различных методов.
По способам получения водород разделяют на цветовые градации, которые представлены ниже [6].
Коричневый (бурый, высокоуглеродный) водород – в процессе производства данного метода выделяются парниковые газы.
Серый (высокоуглеродный) водород – при его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.
Голубой (среднеуглеродный) водород – с использованием CCS и технологии улавливания и захоронения углерода.
Бирюзовый (малоуглеродный) водород – выброс углерода впоследствии либо будет захоронен, либо использован в промышленности.
Желтый (оранжевый, безуглеродный) водород – выбросы СО2 отсутствуют, однако метод нельзя считать абсолютно экологически чистым.
Зеленый (безуглеродный) водород – в процессе производства выбросы СО2 в атмосферу отсутствуют.
Для сравнения альтернативных процессов по получению водорода необходимо рассмотреть экономические затраты на производство.
Можно увидеть, что паровая конверсия метана и газификация угля остаются наиболее дешевыми источниками производства водорода, а переход к электролизу или термохимическим циклам является достаточно длительным и дорогостоящим процессом [7].
По мере возрастания спроса на потребление водорода, увеличивается необходимость в развитии как транспорта от мест его производства до конечного потребителя, так и хранения.
Транспортировка водорода может осуществляться трубопроводным транспортом, с помощью контейнерных перевозок, а также в криогенных цистернах или в носителях, таких как аммиак или гидриды металлов.
Основным способом транспортировки водорода остаются трубопроводы. Водородные трубопроводы эксплуатируются под давлением 0,5–3 МПа и выше и имеют диаметр 250–300 мм. Существуют несколько вариантов трубопроводной транспортировки газообразного водорода:
— по специальным водородным трубопроводам;
— по существующим трубопроводам природного газа.
К 2040 году эксперты прогнозируют водородную сеть протяженностью 23 000 км, 75 % которой будут состоять из переоборудованных газопроводов.
На сегодняшний день самый протяженный трубопровод связывает Германию и Бельгию и составляет порядка 400 км.
Экспериментальные исследования возможности транспортировки водорода с использованием стальных трубопроводов для природного газа показали, что потери водорода из системы в 3–3,5 раза больше по объему потерь природного газа, но поскольку теплота сгорания водорода примерно в три раза больше, то энергетические потери примерно одинаковы.
Транспортировка газообразного водорода наземным транспортом обычно происходит с помощью стальных цилиндрических контейнеров с давлением от 3,5 до 35 МПа и температурой от −40 до +40 °С. Такие контейнеры могут вмещать от 100 до 700 кг. Их можно транспортировать при помощи автомобильного или железнодорожного транспорта.
Недостатком является высокая стоимость перевозки в виду низкой плотности водорода, из-за чего требуется большой объем контейнеров или цистерн для транспортировки, а это дополнительные расходы, в связи с тем, что за один цикл перевозится малый объем продукта.
Трейлеры для перевозки водорода под давлением эффективны для удовлетворения потребностей мелких потребителей, а высокая стоимость доставки может компенсироваться отсутствием потерь. В настоящее время это самый простой способ, особенно в тех районах, где нет трубопроводов.
Преимуществом автоперевозок является то, что автоцистерна может быть автономным хранилищем водорода на автозаправочных станциях и доставлять продукт до самых отдаленных точек потребления.
Транспортировка жидкого водорода осуществляется автомобильными цистернами вместимостью 25 и 45 м 3 . Сжижение водорода весьма энергоемкий процесс и, следовательно, дорогой, но транспортные расходы для жидкого водорода минимальны. Они примерно совпадают со стоимостью доставки трубопроводным транспортом.
Отличительной особенностью является то, что сжиженный водород получается при температуре −253 °С и для его хранения необходимы специальные криогенные цистерны, хранясь в которых, водород имел бы минимальные потери. Для этого ведется изучение материалов, передовыми технологиями могут стать алюминиевые цистерны и контейнеры из синтетических материалов.
Железнодорожный транспорт для перевозки жидкого водорода используют довольно ограниченно в связи с малой разветвленностью транспортных железнодорожных линий. В криогенных железнодорожных цистернах потери водорода примерно такие же, как и в автоцистернах. При однократном захолаживании в автоцистернах теряется до 15 % водорода, а связанные с несовершенством теплоизоляции потери составляют 0,5 % в сутки от объема транспортируемого водорода.
Существует также транспортировка водорода с помощью носителей, в качестве которых могут служить водородоемкие химические соединения, например аммиак и углеводороды. Из них водород получают посредством химических реакций. Так, при нормальной температуре аммиак сжижается при давлении 1,0 МПа и его можно транспортировать по трубам и хранить в жидком виде (температура сжижения аммиака −33 °С). Водород из аммиака получают посредством его каталитического разложения. Для получения 1 кг водорода необходимо 5,65 кг аммиака.
Существуют и «перезаряжаемые» носители, содержащие водород, которые транспортируют на топливную станцию, где из них выделяют водород, а затем возвращают для новой заправки. К таким носителям относятся, например, гидриды металлов.
Преимуществами таких «носителей» является минимальная стоимость транспортировки, умеренные давление и температура в системе доставки, а также возможность снижения стоимости хранения. Недостатками является повышенное энергопотребление, холостой ход на «перезарядку», возможность попадания примесей в газообразный водород, сложность трансформации при применении на местах [1].
Можно подвести итог, что конкурентоспособность различных вариантов зависит от расстояния, на которое транспортируется водород, объемы и способы конечного использования. Для транспортировки водорода на очень большие расстояния (за рубежом), его, как правило, необходимо сжижать или транспортировать в носителях. Для расстояний менее 1500 км транспортировка водорода в виде газа по трубопроводам обычно является наиболее дешевым вариантом; для расстояний более чем 1500 км, может быть более рентабельным транспортировать водород в виде аммиака.
По мере превращения водорода из промышленного в потребительский товар появляется необходимость в системах его централизованного хранения для обеспечения наличия больших запасов продукта вблизи потребителя. Создание компактных, надежных и недорогих систем хранения и транспортировки водорода является одной из ключевых проблем водородной энергетики. Сложность этой задачи заключается в том, что водород в свободном состоянии является самым легким и одним из самых низкокипящих газов. Для сравнения, масса одного галлона бензина составляет примерно 2,75 кг, тогда как один галлон водорода имеет массу всего 0,00075 кг (при давлении 1 атм и 0 °C).
Технология хранения водорода кардинально не отличается от технологии хранения природного газа (рис. 4) [5]
. 
В сущности, способы хранения водородного топлива можно разделить на две группы:
1. Физические способы хранения;
2. Химические способы хранения.
Первая группа представляет собой физические методы – компрессирование или ожижение для смены агрегатного состояния водорода.
1) Если водород находится в сжатом газообразном состоянии, для его хранения можно использовать: различные газгольдеры; газовые баллоны; стационарные массивные системы хранения (естественные подземные резервуары); трубопроводные системы хранения; стеклянные микросферы.
Следует иметь в виду, что большинство систем хранения не обладают абсолютной герметичностью, поэтому существуют значения допускаемых объемов утечек.
Для производства водородных контейнеров стали применять новые материалы, например углеродное волокно для бесшовных контейнеров. Они не пропускают водород, разве что небольшие протечки возможны через соединения.
Перспективным способом хранения водорода является технология хранения в сверхкритическом состоянии, которая предусматривает изготовление тонкостенных монодисперсных структур, заполненных конденсированным водородом.
Расчеты показывают, что система хранения в полых микросферах имеет лучшие характеристики (по сравнению с традиционной баллонной) по массе (при давлениях газа больше 4,3 МПа), по габаритам (при давлениях больше 26 МПа). Однако затраты на обеспечение данного метода хранения очень высоки. Вместе с тем хранение водорода в сверхкритическом состоянии в монодисперсных полых микрогранулах имеет очевидные преимущества перед другими способами:
¾ легкость и вариативность транспортировки микробаллонов;
¾ безопасность: разрушение нескольких микробаллонов не приводит к разрушению других или к нарушению герметичности контейнера [2].
2) Если водород находится в жидком состоянии, для его хранения используются стационарные или транспортные криогенные контейнеры.
Водород в жидком состоянии находится в узком интервале температур: от точки кипения 20 К (превращается в жидкость) до точки замерзания 17 К, когда он переходит в твердое состояние. Следует отметить, что переход водорода из жидкого состояния в газообразное связан с неизбежными потерями от испарения. Из-за этого фактора система хранения требует сложных методов изоляции.
Вторая группа заключается в использовании химических методов, при которых хранение водорода обеспечивается его взаимодействием с некоторыми материалами путем физических или химических процессов.
¾ Водород в адсорбционном состоянии: цеолиты и родственные соединения; активированный уголь; углеводородные наноматериалы.
¾ Абсорбция в объеме материала (металлогидриды).
¾ Химическое взаимодействие: алонаты; фуллерены и органические гидриды; аммиак; губчатое железо; водореагирующие сплавы на основе алюминия и кремния.
Способы хранения водорода в твердой форме – это методы хранения, включающие поглощение или адсорбцию водорода другим материалом. Преимущества хранения водорода в гидриде в том, что они не требуют высоких давлений и обеспечивают высокую плотность, сравнимую с плотностью жидкого водорода. Основным недостатком этой технологии является то, что в этих материалах можно хранить лишь небольшую массу водорода.
При этом для десорбции достаточно будет поднять температуру на несколько десятков градусов. Варьируя разницей температур в сравнительно небольших пределах, можно добиваться изменения давления водорода в широком диапазоне – в зависимости от поставленной задачи [3].
Существует несколько параметров эффективности способов хранения, основными из которых является процент полезной массы и процент полезного объема водорода. Наиболее перспективными, исходя из параметра полезной массы, являются именно методы хранения водорода в виде гидридов, где значения могут достигать и 20 % [4].
Стоит обратить внимание на основные проблемы транспорта и хранения водорода в сравнении с природным газом:
— высокая «просачиваемость» жидкого водорода при температуре выше минус 253 градусов Цельсия вследствие малого размера его молекул;
— охрупчивание и разрушение металлов под воздействием атомарного водорода;
— взрывопожароопасность, возникающая при смешивании водорода с кислородом.
Все эти проблемы дают начало исследованию новых способов транспортировки и хранения, а также разработке и применению новых технологий и материалов.
Решением проблемы могут послужить армированные пластиковые трубопроводы – перспективная альтернатива стальным трубопроводам по техническим и экономическим характеристикам. Данная модель трубы состоит из нескольких слоев: внутренней стороной является непроницаемый лейнер, далее идет защитное покрытие, после чего устанавливаются два промежуточных слоя и завершающими являются внешние барьерный слой и защитное покрытие.
Для изготовления лейнеров могут применяться различные полимерные материалы, такие как полиэтилен, полиамид. Водородопроницаемость этих материалов определяет объем утечек водорода из трубопровода.
Таким образом, в данной статье были определены основные перспективы и сложности в развитии водородной энергетики, а также проанализированы оптимальные способы транспорта и хранения водорода.
В настоящее время объемы транспортировки и потребления водорода не такие большие, и на исследование новых технологий нужны крупные капитальные вложения. Также необходима разработка НТД и технических решений по производству, транспортировке и хранению водорода. Однако за этим последует значительный положительный экологический эффект, именно поэтому данная область является одной из самых развиваемых и перспективных на мировой энергетической арене.
Системы аккумулирования водорода на борту автотранспортного средства Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»
Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Фомин Валерий Михайлович
Проводится сравнительный анализ характеристик и перспектив развития различных систем хранения водорода на борту транспортного средства. С учетом существующего состояния отечественной структуры автотранспортных технологий обосновывается целесообразность бортового хранения водорода в химически связанном виде в жидких средах.
Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Фомин Валерий Михайлович
Systems of hydrogen storage on the vehicle board
A comparative analysis of development characteristics and prospects of various systems of on-board vehicle hydrogen storage is carried out. Taking into account the existing condition of domestic structure of motor transport technologies the expediency of on-board hydrogen storage in chemically-bonded state in liquid media is proven.
Текст научной работы на тему «Системы аккумулирования водорода на борту автотранспортного средства»
Системы аккумулирования водорода на борту автотранспортного средства
| В.М. Фомин, профессор МГМУ (МАМИ), д.т.н.
Проводится сравнительный анализ характеристик и перспектив развития различных систем хранения водорода на борту транспортного средства. С учетом существующего состояния отечественной структуры автотранспортных технологий обосновывается целесообразность бортового хранения водорода в химически связанном виде в жидких средах.
бортовое аккумулирование водорода, носители водорода, конверсия,
ри использовании водорода в качестве топлива для автотранспортных средств (АТС) одной из наиболее важных задач является разработка экономически оправданного, гибкого в использовании комплекса средств бортового аккумулирования водорода. Понятием «аккумулирование водорода» объединяются как методы и процессы хранения водорода в виде индивидуального вещества, так и процессы, в которых хранение водорода осуществляется в химически связанном виде. Во всех случаях процессы аккумулирования водорода сопровождаются затратами энергии и связаны с разработкой соответствующей технологической структуры по созданию среды аккумулирования и системы хранения в целом.
При анализе целесообразности применения различных способов и систем аккумулирования водорода в составе АТС следует принимать во внимание его необходимые объемы и способы последующего использования в качестве топлива. Во многих случаях необходимо
рассматривать и условия доставки водорода к потребителю, так как эффективность аккумулирования существенно зависит от затрат на транспортировку водорода.
Принципиально возможны следующие способы бортового аккумулирования водорода:
• в газообразном состоянии под давлением;
• в жидком состоянии в криогенных емкостях;
• в твердофазном связанном состоянии в гидридах металлов;
• в химически связанном состоянии в жидких средах;
• в адсорбированном состоянии на криоадсорбентах при низких температурах;
• в инкапсулированном газообразном состоянии в стеклянных микросферах.
К настоящему времени не сложилось единого подхода к выбору способа хранения водорода на борту АТС. К наиболее освоенным и применяемым
на практике методам аккумулирования водорода в сфере автотранспортного комплекса могут быть отнесены следующие [1]: газобаллонный (в баллонах высокого давления), криогенный (в жидком виде), металлогидридный и в химически связанном состоянии. Другие из перечисленных выше методов находятся в стадии перспективной разработки.
Аккумулирование газообразного водорода в компримированном виде
Наиболее простым и не требующим разработки новой технологии является бортовой способ хранения водорода в баллонах при высоком давлении. Серийно выпускаемые металлические баллоны рассчитаны на давление от 10 до 40 МПа и аккумулируют от 0,7 до 1,3 % водорода от массы баллона. Основными материалами для изготовления таких баллонов являются сталь, титановые и алюминиевые сплавы, а также конструкционные композиционные материалы. Каждый из материалов имеет свои особенности, которые влияют на конструкцию баллона.
Так, использование высокопрочных сталей в конструкциях баков для хранения водорода ограничивается явлением водородной хрупкости и возникновением водородных трещин, что приводит к резкому снижению несущей способности баллона. Использование титановых сплавов ограничено сложностью технологической обработки, охрупчиванием материала при длительном контакте с водородом и высокой стоимостью высокопрочных титановых сплавов.
При использовании конструкционных композиционных материалов (стекло-, угле-, органопластики) возникают проблемы с герметичностью конструкции, которая обеспечивается использованием герметизирующего слоя (лейнер). При этом в зависимости от материала и толщины лейнера он может
обеспечивать герметичность и повышать несущую способность баллона. В качестве герметизирующего материала могут использоваться нержавеющая сталь, титановые и алюминиевые сплавы, полимерные пленочные материалы.
Также при изготовлении баллонов используют способы формирования их стенок из комбинаций материалов. В этом случае стенка баллона состоит из двух слоев: внутреннего металлического и наружного из композиционного материала. Как показывает анализ напряженно-деформированного состояния, использование комбинированных оболочек, состоящих из двух слоев материалов, позволяет получать наиболее эффективные конструкции. При изготовлении баллонов с металлическим лейнером и силовой оболочкой из композиционно -го материала толщина металла может не превышать 0,15. 0,5 мм. Стыки листов соединяются с помощью электроннолучевой или лазерной сварки.
Конструктивная форма баллонов может меняться в зависимости от формы и размеров свободного объема, предназначенного для их размещения на АТС. С точки зрения прочности предпочтительной является сфера, позволяющая получать равнопрочную силовую оболочку почти равномерной толщины.
Цилиндрический водородный баллон со сферическими или эллиптическими днищами при изготовлении из изотропного материала (металл) имеет достаточно большую массу, снизить которую можно постановкой второй оболочки из анизотропного материала. У такого баллона внутренний слой, контактирующий с водородом, выполнен из алюминиевых или титановых сплавов, а наружный — из органопластика, армированного угольным волокном.
С точки зрения стоимости предпочтительным является сочетание алюминия с конструкционным композитом. Использование современных технологий позволяет производить
баллоны с массовым содержанием в них водорода 5.10 % от массы сосуда. Полагают [1], что при таком содержании водорода баллоны могут эффективно эксплуатироваться в составе энергоустановки АТС. Кроме того, при установке на автомобиль такого баллона можно практически без доработок использовать для его заправки водородом существующие газонаполнительные станции. В настоящее время в США серийно производятся композитные баллоны различных типоразмеров с массовым содержанием водорода около 4 % при давлении до 31 МПа. В перспективе запланировано создание емкостей для коммерческого использования с массовым содержанием водорода до 5,5 % при давлении 41,4. 69 МПа [2].
Во всех схемах и устройствах для хранения газообразного водорода предусматривается его предварительное сжатие. Работа, необходимая для сжатия водорода, отнесенная к низшей теплоте его сгорания (120 МДж/кг), почти в 4 раза превосходит аналогичный показатель для природного газа при одинаковых степенях сжатия. Для существующих компрессоров затраты энергии на сжатие водорода от 0,1 до 15.20 МПа достигают 8.10 % его низшей теплоты сгорания [3].
Основными проблемами при создании поршневых многоступенчатых компрессоров для водорода являются уменьшение потерь водорода и предотвращение растрескивания узлов из высокопрочных сталей. В таких компрессорах обычно ограничиваются степенями сжатия на ступень не выше 3, чтобы при адиабатическом сжатии водорода его температура не превышала 423 К, и ряд узлов выполняют из пластичных сталей с хромированной поверхностью. Затраты на создание компрессорных установок для водорода превосходят таковые для природного газа.
Аккумулирование водорода в жидком состоянии
Жидкий водород имеет температуру кипения -252,4 °С и плотность 0,071 кг/л, тогда как в компримирован-ном виде под давлением 30 МПа его плотность составляет только 0,025 кг/л. Следовательно жидкий водород более компактный, чем сжатый, и в этом смысле представляет значительный интерес для транспорта. Техника ожижения водорода хорошо освоена промышленностью [4].
В настоящее время наиболее распространены промышленные установки для ожижения водорода производительностью 15.30 т водорода в сутки. Процесс его ожижения имеет некоторые особенности, определяемые его физико-химическими свойствами. Газообразный водород, получаемый в тех или иных процессах, может содержать различные примеси, которые при температуре нормальной точки кипения водорода существуют в твердой фазе. Присутствие этих примесей может нарушить работу различных систем ожижителя. Например, наличие частиц твердого кислорода в жидком водороде недопустимо по соображениям безопасности.
Хранение жидкого водорода практикуется как в относительно небольших, так и в крупных объемах (в несколько миллионов литров). В настоящее время созданы и применяются сосуды с эффективной многослойной изоляцией, которые могут использоваться на АЗС для стационарного долговременного хранения жидкого водорода с минимальными потерями на испарение (0,1.0,5 % в сутки), то есть автономное хранение имеет продолжительность около 200.1000 суток. В России в химической промышленности широко применяются сосуды различных типов для долговременного хранения жидкого водорода объемом от 14 000 до 120 000 л.
Перевозить жидкий водород можно водным (в танкерах), железнодорожным
(в специальных цистернах) и автомобильным (в специальных автоцистернах) транспортом. Транспортировку жидкого 48 водорода на короткие расстояния (менее
80.100 км) выгоднее выполнять автомобильным, а на более далекие — железнодорожным или водным транспортом [4]. Следует отметить, что потери жидкого водорода на всем протяжении его транспортировки от завода-ожижителя до АЗС и конечного потребителя (АТС) довольно велики.
При использовании водорода в жидком виде в качестве топлива для АТС требуется принятие сложных специальных мер, в числе которых и несколько продувок для предотвращения попадания воздуха в системы топливопода-чи и хранения. Создание относительно небольших баков для хранения жидкого водорода на борту АТС, а также систем их заправки является самостоятельной и весьма сложной задачей. При использовании криогенной системы относительно большого объема (200.250 л) на автомобилях требуется серьезное изменение кузова, что уменьшает его полезный объем. Большой проблемой остается утечка водорода из баллонов. Улучшенные характеристики имеют криогенные автомобильные баки для жидкого водорода с экранно-вакуумной изоляцией, которые были разработаны в США, Германии, Японии и в нашей стране.
Аккумулирование водорода в твердофазном связанном состоянии в гидридах металлов
Идея использования гидридов металлов для аккумулирования водорода в твердофазном связанном состоянии была выдвинута во второй половине 60-х гг. прошлого столетия. Активные исследования и разработки в этой области в последующие годы привели к созданию многообразных поглощающих сплавов и систем аккумулирования водорода
с их использованием. Наиболее эффективными для аккумулирования водорода оказались интерметаллические соединения и сплавы, в число компонентов которых входят металлы, способные к образованию устойчивых бинарных гидридов. Важными для инженерных приложений являются такие параметры бинарных гидридов, как плотность, относительное изменение объема сплава при гидрировании и его эффективная теплопроводность [5].
Поскольку в процессах гидрирования — дегидрирования аккумулирующие сплавы довольно существенно изменяют объем (на 20.30 %), конструкция устройства должна предусматривать возможность расширения частиц сплава без деформации или разрушения контейнера. Кроме того, при многократном повторении циклов гидрирования происходит уменьшение первоначальных размеров частиц сплава, что, естественно, сказывается на таких важных характеристиках, как эффектив ная теплопроводность и проницаемость засыпки. Окончательные размеры частиц устанавливаются после нескольких десятков (иногда сотен) циклов и составляют несколько микрометров. Поскольку активированный сплав является мелкодисперсным порошком, в процессе работы аккумулятора водорода со свободной засыпкой сплава может происходить вынос порошка из контейнера. Для предотвращения этих нежелательных явлений применяются тонкие фильтры, пористые трубы и т.д.
Эффективная теплопроводность активированных порошков интерметаллида достаточно низка и зависит от размера частиц, температуры и давления водорода. При низких давлениях (до 100 Па) перенос теплоты водородом по мелкодисперсному пространству невелик, и теплопроводность засыпки составляет около 0,1.0,2 Вт/(м-К). С ростом давления водорода увеличивается конвективный перенос теплоты в засыпке,
и ее теплопроводность увеличивается до 0,5.1,5 Вт/(м-К) при р=0,1.5 МПа [6].
Важнейшими режимными показателями работы системы аккумулирования являются скорости поглощения и выдачи водорода (временные интервалы циклов сорбции и десорбции). Фактором, лимитирующим скорость выделения и поглощения водорода аккумулятором, в большинстве случаев является тепломассообмен в слоях частиц интерметаллида. Таким образом, для обеспечения необходимых эксплуатационных характеристик металлогидридных водородных аккумуляторов во многих случаях необходимо наряду с организацией эффективного тепломассообмена применять предварительное компри-мирование водорода при зарядке аккумуляторов, что, естественно, приводит к дополнительным затратам энергии.
В настоящее время в России и за рубежом созданы и прошли испытания несколько десятков экспериментальных ме-таллогидридных аккумуляторов для легковых и грузовых автомобилей, тракторов, автопогрузчиков, тягачей, автобусов [6, 7]. Например, в нашей стране для грузовых автомобилей разработана серия экспериментальных металлогидрид-ных аккумуляторов с массой активного металла около 350.450 кг (масса аккумулируемого водорода 5,65.7,79 кг) [7]. Использовались сплавы на основе Т1, Fe с добавками V, Мп и др. Аккумуляторы имеют внутренние водяные теплообменники, модульную конструкцию и содержат до 1,3 % водорода по отношению к массе аккумулятора. Проводятся работы по созданию для автотранспорта опытных образцов аккумуляторов водорода модульной конструкции [6]. Для их разработки использованы сплавы на основе FeTi. Особенностью этих аккумуляторов является применение сплавов в виде компактных пористых дисков, армированных алюминием, в результате чего увеличивается эффективная теплопроводность среды аккумулирования и появляется
возможность применения модульной конструкции с разветвленной системой каналов для теплоносителя (вода или отработавшие газы). Время зарядки этих аккумуляторов при давлении водорода 5 МПа составляет около 10 мин.
Созданные к настоящему времени экспериментальные и коммерческие образцы металлогидридных аккумуляторов водорода позволяют сделать выводы как об эффективности их применения на транспортных средствах различного назначения и преимуществах в ряде случаев по сравнению с другими методами аккумулирования, так и о некоторых присущих им недостатках.
Важнейшим достоинством метал-логидридных аккумуляторов для АТС является возможность «бесплатного» использования низкопотенциальной отходящей теплоты двигателя для обеспечения работы аккумуляторов при максимальной безопасности хранения водорода в условиях АТС. При аварийной разгерметизации контейнера происходит не выброс большой массы газа, а лишь медленное разложение гидридов с выделением водорода, причем эта реакция в силу ее эндотермичности является лимитированной — при охлаждении гидридов скорость их разложения уменьшается.
Главными трудностями, сдерживающими широкое внедрение металлоги-дридных аккумуляторов, в настоящее время являются следующие: относительно большая масса среды хранения и возможность их «отравления» при сравнительно небольших концентрациях в водороде соединений серы; необходимость компримирования водорода для обеспечения приемлемых скоростей зарядки аккумулятора; относительно низкая эффективная теплопроводность среды аккумулирования и сложность организации в ней эффективного тепломассообмена. Кроме того, стоимость сплавов для металлогидридных аккумуляторов в настоящее время довольно высока. Это приводит к достаточно высокой
стоимости всей системы аккумулирования. Многие выполняемые в настоящее время исследования направлены на преодоление этих трудностей.
Существенного снижения удельных капиталовложений в металлогидридные аккумуляторы можно добиться, повышая содержание доступного водорода (сегодня оно в среднем составляет около 1,5 %). По оценкам специалистов, только при массовом содержании доступного водорода более 2,5 % внедрение металлоги-дридных систем в транспортную энергетику станет экономически оправданным.
Аккумулирование водорода в химически связанном состоянии в жидких средах
Большая группа методов аккумулирования и транспортировки водорода, интенсивно изучаемых в последнее время, относится к водороду в химически связанном состоянии в виде жидких химических соединений (аммиак, метанол, этанол и др.) и в так называемых жидких гидридах — органических соединениях, которые допускают простые реакции гидрирования на катализаторах при умеренных температурах. При получении водорода конверсией или диссоциацией метанола и этанола, а также разложением аммиака среда хранения не сохраняется, то есть используется однократно. Жидкие же гидриды допускают многократное использование и в цикле гидрирование -хранение — транспорт — дегидрирование возвращаются в исходное состояние.
Массовый показатель среды аккумулирования водорода в виде жидкого аммиака ^Н3) составляет около 5,6 кг/кг Н2 (в 5,6 кг NH3 содержится 1 кг Н2). В установках для получения водорода диссоциацией аммиака применяют катализаторы на основе оксидов железа, и процесс проводят при температуре 600.700 °С. В результате диссоциации получается газовая смесь с объемным содержанием 75 % Н2 и 25 % Реакция диссоциации
протекает с поглощением теплоты. Необходимый температурный уровень процесса диссоциации поддерживается путем сжигания части получаемого водорода, что снижает эффективность процесса. Подобные условия конверсии обусловливают низкую рентабельность этого процесса при его применении на АТС.
Массовый показатель среды аккумулирования водорода в виде жидкого метанола (масса среды хранения на 1 кг хранимого водорода) составляет около 8,5 кг/кг Н2. Для проведения эндотермической реакции конверсии метанола может быть использована (утилизирована) теплота ОГ двигателя. При этом теплота сгорания продуктов конверсии на 21,4 % превосходит теплоту сгорания затраченного метанола, адекватно соответствуя утилизированной теплоте ОГ. В связи с этим появляется реальная возможность осуществления эффективной регенерации теплоты отходящих газов в энергоустановках АТС. Результатами исследований [8] установлено, что за счет эффекта регенерации удается повысить КПД транспортного двигателя на 12.15 %.
Аналогичным образом могут быть использованы для аккумулирования водорода этанол и высшие спирты, хранение и транспортировка которых хорошо освоены промышленностью. Для транспортного комплекса эти методы аккумулирования водорода оказываются экономически приемлемыми в связи с относительно небольшими затратами на транспортировку и хранение жидких носителей водорода на борту АТС.
В качестве жидких органических сред для многократной организации цикла гидрирования — дегидрирования в целях аккумулирования водорода (жидкие гидриды) могут быть использованы различные системы. В настоящее время наиболее подробно изучены системы бензол — циклогексан и толуол — метилци-клогексан [9]. Теоретически для проведения реакций дегидрирования циклогек-сана и метилциклогексана необходимо
подвести к ним извне теплоту, соответствующую 72 % теплоты сгорания водорода, выделившегося при дегидрировании. Реакции гидрирования бензола и толуола и дегидрирования циклогексана и метилциклогексана протекают экзотермически при температурах 180.400 °С и давлениях 1.10 МПа в зависимости от используемых катализаторов.
Главной проблемой при создании систем аккумулирования водорода на основе жидких гидридов является разработка дешевых и эффективных катализаторов для реакций гидрирования и дегидрирования. Созданные в последнее время установки для такого аккумулирования водорода по своей производительности еще не превышают лабораторные масштабы. Разработка промышленных образцов установок — ближайшая перспектива.
Системы аккумулирования водорода на борту АТС в виде жидких химических соединений, обеспечивающие высокую безопасность в аварийных ситуациях, могут оказаться более востребованными на транспорте, чем существующие методы хранения газообразного и жидкого водорода.
Аккумулирование водорода в адсорбированном состоянии на криоадсорбентах
При низких температурах (ниже 150 К) газообразный водород активно адсорбируется на многих адсорбентах -активированном угле, силикагеле и др., причем с ростом давления количество адсорбированного водорода увеличивается. Например, при адсорбции водорода на активированном угле при температуре 65 К и давлении 0,2 МПа адсорбируется около 35 г водорода на 1 кг адсорбента, а при давлении 4,2 МПа — около 65 г [10]. В связи с этим возникает возможность увеличить количество аккумулируемого газообразного водорода в сосудах под давлением, если эти сосуды будут
заполнены порошком адсорбента и охлаждены до температур кипения азота или аргона. В такой системе, кроме адсорбированного водорода, в мелкопористом пространстве (среда) аккумулируется и газообразный водород под давлением.
Количество водорода, аккумулируемого такими системами, определяется уровнем максимального давления при зарядке и минимального при разрядке. Минимальное давление не может быть меньше атмосферного, а максимальное определяется соответствующей температурой адсорбции. Для активированного угля, являющегося одним из лучших адсорбентов водорода, целесообразен уровень максимального давления 4,2 МПа, а минимального — 0,2 МПа. При работе в этом интервале давлений при температуре 78 К аккумулируется 4,2 %, а при температуре 65 К — 5,2 % водорода по отношению к массе адсорбента. По массовым характеристикам такие системы превосходят системы хранения водорода под давлением в баллонах и в металлогидридах, однако уступают жидководородным.
Системы аккумулирования водорода в адсорбированном состоянии на криоадсорбентах начали активно изучаться сравнительно недавно, и в настоящее время еще не создано таких систем опытно-промышленного или промышленного уровня. Технико-экономические характеристики промышленных систем этого типа и масштабы их возможного использования смогут быть надежно установлены только после проведения соответствующих исследований.
Аккумулирование водорода в инкапсулированном газообразном состоянии
В последнее время в различных лабораториях мира активно исследуются некоторые нетрадиционные методы хранения и транспортировки газообразного водорода при высоких давлениях
в инкапсулированном состоянии [11]. При этом используется свойство молекулярного водорода активно диффундировать через твердые материалы при высоких температурах и давлениях.
В процессе разработки методов изготовления мишеней для лазерного термоядерного синтеза создана технология изготовления полых стеклянных микросфер диаметром 5.200 мкм с толщиной стенки 0,5.5 мкм. При температуре 200.400 °С под давлением водород, активно диффундируя через стенки, заполняет микросферы и после охлаждения остается в них под давлением. Теоретически возможное давление для таких микросфер составляет около 85.100 МПа, при этом массовое содержание водорода достигает 12 %. Выделение водорода из среды хранения происходит при нагревании микросфер до 200.350 °С. При хранении водорода в стеклянных микросферах потери диффузией через стенки составляют около 0,5 % в сутки. Ведется разработка технологии получения более крупных и прочных стеклянных микросфер диаметром от 50 до 1000 мкм при толщине стенки от 0,6 до 7 мкм с металлическим покрытием внешней поверхности микросфер [11]. При наличии металлических покрытий диффузионные потери водорода из микросфер при комнатной температуре уменьшаются в несколько десятков раз.
В настоящее время методы аккумулирования водорода в инкапсулированном состоянии только начинают изучаться. Возможности и области применения этих методов аккумулирования водорода будут выясняться в процессе их дальнейшей проработки.
Анализ перспектив развития систем аккумулирования водорода
Широкое развитие водородных энерготехнологических систем на транспорте прогнозируется на первую четверть
XXI столетия [12]. Уровень развития тех или иных систем аккумулирования водорода в перспективе будет определяться затратами не только в подсистемах хранения (резервуары, буферные емкости и т.д.) и энергообеспечения (компрессоры, теплообменники, электрооборудование и т.д.), но и в подсистеме транспортировки энергоносителя и инфраструктуре его распределения.
В условиях эксплуатации автотранспортного комплекса приоритетность отдельных систем аккумулирования водорода в общей структуре водородного энерготехнологического комплекса может быть надежно установлена только в результате анализа работы конкретных систем, включающих производство, аккумулирование и потребление водорода. Тем не менее определенное представление о перспективности отдельных систем аккумулирования водорода дает уже имеющийся опыт их эксплуатации.
К настоящему времени в ряде зарубежных стран и у нас уже освоено производство систем транспортировки, аккумулирования и распределения жидких носителей водорода, в том числе и таких, как аммиак и метанол. Кроме того, на современном автотранспорте начинает достаточно широко применяться ком-примированный природный газ в качестве моторного топлива. Развивается широкая сеть газонаполнительных станций. Естественно ожидать, что водородные энерготехнологические системы, по крайней мере на начальном этапе, будут развиваться с максимально возможным использованием существующих систем транспортировки, аккумулирования и распределения энергоносителей, то есть с максимальной экономией затрат.
По итогам развития и результатам совершенствования водородных энерготехнологических систем в дальнейшем будут установлены наиболее приемлемые для АТС варианты этих систем и масштабы их возможного использования на транспорте. На
ближайший период перспективными мо- с большим объемом капиталовложений,
гут оказаться системы бортового хране- до конца еще не решены в мировой струк-
ния водорода в газообразном состоянии туре автотранспортных технологий.
в легких (пластиковые и металлопласти- С учетом существующего состояния 53 ковые) баллонах при высоких давлениях отечественной транспортной водород-(80.100 МПа), в химически связанном ной энергетики к наиболее приоритет-жидком состоянии (метанол, аммиак, ным и экономически оправданным на-жидкие гидриды), в комбинированных правлениям ее развития на ближайший металлогидридных аккумуляторах и в период следует отнести перспектив-сжиженном состоянии в криогенных ные разработки эффективных методов, емкостях. процессов и аппаратов для бортового В целом, анализируя технико- синтеза водорода из жидких носителей экономические возможности рассмотрен- [1, 8]. Реализация бортовых методов ак-ных в статье способов и систем аккумули- кумулирования водорода в химически рования водорода, можно заключить, что связанном состоянии в жидких средах во всех случаях они связаны с необходи- существенно минимизирует затраты в мостью разработки сложной, достаточно подсистемах энергообеспечения трансрентабельной и развитой среды производ- порта, особенно в инфраструктуре рас-ства, распределения и бортового хранения пределения водорода, а также радикаль-водорода. Как следует из анализа, в насто- но решает проблему эксплуатационной ящее время эти проблемы, сопряженные безопасности.
1. Малышенко С.П., Назарова О.В. Аккумулирование водорода // Атомно-водородная энергетика и технология. Сборник статей. Вып. 8. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — С. 155-205.
2. Gordon R. Composite pressure vessels for gaseous hydrogen powered vehicles // Hydrogen Energy Progress V. — 1984. — Vol. 3. — P. 1225-1236.
3. Wallace J.S. A comparison of compressed hydrogen and CNG storage // Int. Journ. Hydrogen Energy. — 1984. — Vol. 9. — № 7. — P. 609-611.
4. Baker C.R., Chaner R.L. A study of the efficiency of hydrogen liquefaction // Int. Journ. Hydrogen Energy. — 1978. — Vol. 3. — № 4. — P. 321-334.
5. Turillon P.P. Design of hydride containers for hydrogen storage // Hydrogen Energy Progress IV. — 1982. — Vol. 3. — P. 1289-1305.
6. Huston E. Lee. Liquid and solid storage of Hydrogen // Hydrogen Energy Progress V — 1984. — Vol. 3. — P. 1171-1186.
7. Шейпак А.А., Кабалкин В.Н., Семененко К.Н. Применение гидридов интерметаллических соединений в автомобилях // Автомобильное производство. Сер. С-11. — 1984. — № 7. — С. 15-18.
8. Фомин В.М., Каменев В.Ф., Хергеледжи М.В. Бортовое генерирование водо-родосодержащего газа для транспортных двигателей // Транспорт на альтернативном топливе. — 2013. — № 2 (32). — С.41-47.
9. Cactiola G., Gioidano N., Restuccia G. Cyctohexane as a liquid phase carrier in hydrogen storage and transport // Int. Journ. Hydrogen. Energy. — 1984. — Vol. 9. — № 5. -P. 411-419.
10. Carpetis C., Peschka W. A study on hydrogen storage by use of cryoadsorbent // Hydrogen Energy System. — 1978. — Vol. 3. — P. 1433-1456.
11. Fraenkel D. Encapsulate Hydrogen // Chemtech. Jan. issue. — 1981. — P. 60-62.
12. Дмитриев А.Л. Экономические и технические проблемы развития водородного транспорта с целью улучшения экологического состояния окружающей среды // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE. — 2004. — №1 (9). -С. 14-18.
Как собирать, хранить и поставлять водород
В одном из прошлых постов мы выяснили, что в обозримой перспективе себестоимость производства водорода снизится настолько, что этот газ станет конкурентоспособным энергоносителем на транспорте и в энергетике. Но есть ещё одна потенциальная проблема водородной экономики: хранить, транспортировать и поставлять H2 не так просто, как кажется. В этот раз мы расскажем, какие технологии решат эти задач и не «съедят» ли транспортные издержки прибыль будущих водородных магнатов.
В 1870 году Джон Рокфеллер создал в составе зарождавшегося нефтяного концерна Standard Oil бондарные мастерские. Нефтяной бум в США разразился так внезапно, что в ход пошли бочки из-под рыбы и виски объёмом в 42 галлона (почти 159 литров) — те самые баррели. Это было идеальное решение, так как они были подъёмными для грузчиков и подходящего размера для тогдашнего транспорта. Однако цена самого деревянного барреля выросла из-за бума до $3,0 при средней цене на нефть в США в 1870 году $3,86 (примерно $60 сегодня).
Поэтому Рокфеллер справедливо решил, что лучше делать бочки самому, открыл бондарные мастерские в Standard Oil и снизил цену барреля до $1,5 . Какой мы делаем вывод из этой истории? Удельная стоимость массового сырьевого товара почти всегда низкая, поэтому в конечной цене всегда большую роль играют издержки на хранение, преобразованию и поставку. Водород — более капризный груз, чем нефть и природный газ. У него низкая плотность, поэтому, чтобы сохранять экономически значимое количество, бочками не обойтись.
Один килограмм водорода при атмосферном давлении и комнатной температуре занимает 11,2 куб. м. Для сравнения: полный бак водородной Toyota Mirai — 4,7 кг водорода . И хотя сейчас 85% водорода идёт в дело там же, где он производится (нефтепереработка и производство удобрений), чем больше водородомобилей будет ездить по миру, тем острее станет необходимость «порционной» поставки H2 миллионам потребителей. Об это мы расскажем дальше, но сначала разберёмся, где хранить водород.
Где и как хранить водород
По мере превращения водорода из промышленного в потребительский товар — им будут заправлять машины, питать электросистему и отопление домов — его нужно будет запасать в больших количествах. Это нужно будет и для того, чтобы цены на водород не скакали. Причём газ будет храниться долго, поэтому не столько важна скорость закачки/откачки и расположение, сколько объём хранилищ.
Такую технологию давно придумали: много газа можно закачать в пещеры. Сейчас водород закачивают в основном в соляные пещеры — них он почти не загрязняется примесями, а нормированная стоимость хранения — до $0,6 за кг.
Второй естественный резервуар для водорода — истощённые пласты залежей природного газа или нефти и водоносные горизонты. Они больше соляных пещер, но водород в них сильнее загрязняется, вступая в реакцию с горной породой, микробами, жидкостями. В такие пещеры водород пока не закачивают, поэтому считать «экономику» рано.
Карта водородного будущего Европы. Большинство соляных пещер для водорода (обозначены зелёными треугольниками) сосредоточено на севере Германии, в Нидерландах и Франции. Источник: European Hydrogen Backbone Perspective, 2020.
Однако для краткосрочного и мелкомасштабного хранения водорода такие «пещеры горного короля» не подходят — нужны баки. В резервуарах хранят сжатый или сжиженный водород, который можно быстро закачать или откачать в нужных объёмах.
Сжатый водород (при давлении 700 бар, т. е. приблизительно 690 атм.) имеет только 15% плотности энергии (количество энергии на единицу объёма) бензина, и чтобы хранить эквивалентное количество топлива, скажем, на водородной заправке, нужно в семь раз больше места.
Поэтому водород скорее всего будут мешать с аммиаком, у которого плотность больше, а места такой смеси требуется меньше, что позволит транспортировать больше водорода без увеличения объёма хранилища. Правда, придётся потратиться на конверсию и реконверсию смеси.
В каком виде транспортировать водород
Проблема подготовки водорода для транспортировки решается по-разному: H2 сжимают, сжижают, смешивают с другими веществами. У каждого из этих вариантов свои преимущества и недостатки, а оптимальное решение зависит от географии поставок, расстояния, объёма и вида водорода для потребителя.
В любом агрегатном состоянии (кроме твёрдого, конечно) водород можно пустить по имеющимся газовым трубам, что однозначно дешевле, чем строить новую инфраструктуру. Первый кандидат — газовые сети. В мире насчитывается 3 млн километров газопроводов и 400 млрд кубометров подземных хранилищ метана. Но с этим есть технические проблемы:
у водорода низкая плотность энергии, и объёмы (или время) его поставки через газопровод придётся увеличить;
водород очень горюч на воздухе, поэтому чтобы снизить риски, придётся менять оборудование по всей цепочке поставок;
не всякая инфраструктура для, например, метана подойдёт водороду; особенно это касается потребительских котлов, бойлеров и т. п. (об этом подробнее ниже);
потребителям нужен разный газ (одним только чистый водород, другим — смесь), а технологии выделения чистого водорода из полученной смеси повысят конечную стоимость газа на $0,3-0,4 за кг.
В итоге наряду с газообразным водородом нам придётся производить его сжиженные и смешанные версии.
Как адаптировать мелких потребителей к водороду? На рисунке — возможный вариант. Это H2Rex — водородный генератор компании Toshiba (о нём мы рассказывали). Его топливные элементы вырабатывают электричество с помощью электрохимических реакций между полученным водородом и кислородом из атмосферы. Результат — электричество и тепло, которые получает потребитель. Источник: Toshiba ESS
Как и природный газ, водород сжижается. Но проблема в том, что для этого H2 нужно охладить до -253 °C . Если представить, что для охлаждения используется часть самой поставки H2, то на сжижение уйдёт 25-35% её массы.
Такая же операция над природным газом требует только 10% массы. Есть и другой вариант: водород смешивается с другими веществами для перевозки в жидком виде. Главные претенденты на роль «попутчиков» H2 — упомянутый выше аммиак и жидкие органические носители водорода (Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC), к примеру, метилциклогексан (C7H14). Чтобы смешать водород с аммиаком, нужно 7-18% энергии из объёма поставки. Столько же водорода теряется, когда он выделяется из этой смеси. Но аммиак сжижается при температуре -33 °C и содержит в 1,7 раза больше водорода на кубометр, поэтому аммиачно-водородную смесь транспортировать дешевле, чем чистый водород.
Схожим образом водород можно включить в жидкий органический носитель. На конверсию и реконверсию при этом уйдёт 35-40% водорода, хотя объёмы поставок эти издержки покрывают.
Некоторые жидкие органические носители водорода могут быть негорючими, что делает перевозку безопаснее. Источник: Hydrogenious LOHC Technologies / YouTube
Как доставлять водород
Как и углеводороды сейчас, водород перемещать по миру в основном будут трубы, суда и автоцистерны. Отправлять H2 поездами в целом будет дороже, хотя удалённым потребителям в локациях без трубопровода это возможно. В мире сегодня существует много водородопроводов, но в основном они не выходят за пределы технологических площадок химических и нефтеперерабатывающих заводов. Поэтому более оптимальный вариант — трубы для передачи природного газа.
Однако далеко не все они подходят для прокачки водорода из-за типа стали: трубы из низкопрочной стали будут портиться из-за контакта с водородом (водородное охрупчивание) и давления прокачки. При этом их пропускная способность должна быть в три раза выше из-за низкой плотности водорода. Последнее решается, как мы уже выяснили, смешиванием водорода с жидкостями, и для таких соединений также есть трубопроводы. В частности, трубы используют для прокачки аммиачно-водородной смеси. Один из аммиакопроводов, к примеру, идёт из Тольятти (Россия) до Одессы (Украина) (2,4 тыс. км).
В целом трубы — перспективно самый дешёвый вариант доставки. Себестоимость транспортировки 1 кг водорода в виде газа на расстояние около 1,5 тыс. км составит $1,0. Если пустить по трубам жидкую смесь, то с учётом конверсии и реконверсии она вырастет до $1,5 за кг. Если расстояние увеличивается, то повышается и цена (нужно больше компрессорных станций), поэтому на расстоянии 2,5 тыс. км водород из трубы обойдётся уже в $2,0 за кг.
Однако трубопровод подойдёт не для всех потребителей. В некоторые страны H2 доставят морем. Пока танкеры для перевозки водорода массово не производят. Первое такое судно, получившее название Suiso Frontier, построила компания Kawasaki Heavy Industries, а спустили его на воду в декабре 2019 года в Кобе (Япония). В марте 2020 года на танкер установили резервуар объёмом 1 250 куб. м, в котором водород будут перевозить в сжиженном состоянии.
Водородовоз Suiso Frontier построен в рамках проекта создания безуглеродной цепи поставок водорода из Австралии в Японию. Правда, сам танкер работает на дизельном двигателе , так что безуглеродной цепь не получается. Kawasaki Group Channel / YouTube
В других проектах предполагаются танкеры, схожие по размеру с судами для СПГ, которые в качестве топлива будут сжигать в день примерно 0,2% от перевозимого водорода. Более перспективны в этом отношении танкеры, которые сейчас перевозят сжиженный нефтяной газ (СНГ). В их резервуары можно залить аммиачную и другие подобные смеси водорода. Газовозами доставлять водород дороже, чем по трубопроводам.
Самый затратный способ — везти сжиженный водород на расстояние около 1,5 тыс. км: с учетом расходов на сжижение перевозка встанет в порядка $2,0 за кг, в аммиачной смеси — $1,2, с жидкими органическими носителями — $0,6 за кг. Правда, в отличие от расходов прокачки по трубам, себестоимость морской транспортировки слабо растёт при увеличении расстояния. Альтернатива — автомобильные перевозки. Уже сегодня водород возят в основном тягачи с прицепом или автоцистерны. В первом случае прицеп загружают резервуаром со сжатым водородом.
Правда, обычно перевозят таким способом в пределах 300 км: дальше становится невыгодно. Развитие автоперевозок водорода будет зависеть от вместимости баков. Теоретически один прицеп со сжатым газообразным водородом может вместить до 1 100 кг в лёгких композитных цилиндрах (под давлением 500 бар). Однако этот показатель редко достигается на практике, поскольку правила во всем мире ограничивают допустимое давление, высоту, ширину и вес цистерн.
Потреблять бензин или солярку грузовику совсем не обязательно — его ДВС может работать на всё том же водороде. Hyundai XCIENT Fuel Cell — первый массовый грузовик на водороде, десять копий которого поставили в 2020 в Швейцарию для коммерческого использования. Заправить такой грузовик можно 32 кг водорода, которые ему хватит примерно на 400 км хода. Источник: Hyundai.news
Второй вариант — автоцистерны со сжиженным водородом, если есть постоянные потребители и объёмы поставки компенсируют расходы на сжижение.
Изолированные криогенные автоцистерны могут перевозить до 4 000 кг сжиженного водорода. Их применяют на расстояниях до 4 000 км. Дальше — нельзя: водород нагревается, из-за чего растёт давление. На расстояние до 500 км поставка водорода с жидким органическим носителем (с учётом конверсии) обойдётся в $2,9 за кг. Аммиачная смесь водорода при таких же условиях доедет до потребителя в среднем за $1,5 за кг.
Как видно, экономика автоперевозок зависит от объёма поставок: чем больше требуется водорода, тем более выгодно построить трубопровод. Чем меньше и чем ближе потребитель, тем выгоднее возить водород грузовиками
Итого: сколько стоят путешествия водорода
Прежде чем подвести предварительный итог напомним, во сколько обойдётся производство «зелёного» водорода и при какой цене он станет конкурентоспособным относительно традиционных энергоносителей.
В самых перспективных регионах добычи, откуда будут экспортировать экологически чистый водород (Ближний Восток, Северная и Южная Африка, Индия, Китай, Австралия, Патагония, Мексика, Юго-Запад США), он будет стоит $1,6–3,0 за кг (стоимость производства).
По подсчётам Международного энергетического агентства, наиболее выгодный вариант сухопутной поставки водорода на расстояния до 3,5 тыс. км. — это водород в газообразном состоянии через трубопровод (около $5,5 за кг ; здесь и далее стоимость транспортировки). На больших расстояниях по трубопроводам уже лучше пускать водородно-аммиачную смесь, что обойдётся в $6 за кг (до 5 тыс. км).
Морские поставки от расстояний зависят не так сильно, как от технологии. Дешевле всего перевозить смесь с аммиаком и органическими жидкими носителями (порядка $4,0–4,5 за кг). Дороже отправлять морем сжиженный водород (от $5,5 до $6,0 за кг).
Как видно, с учётом доставки «зелёный» водород на возобновляемых источниках энергии, добытый в Японии, будет дороже импортированного из Австралии или Ближнего Востока. А вот Европа вполне может не зависеть от его поставок из Северной Африки. Источник: International Energy Agency
При этом, по данным Совета по водородной энергетике, нижняя граница конкурентоспособности водорода для грузовиков, автобусов (для дальних перевозок) и электричек составит $4-5 за кг; для отопления и электропитания жилых домов — $3-5 за кг.; для автопогрузчиков — $7-9 за кг.
Но для частных и коммерческих городских перевозок водород останется дорогим, тем более с учётом доставки (нужно, чтобы он был не дороже $1,0-1,5). Однако вариативность подсчётов очень широкая, и для каждого региона и потребителя экономика водородных поставок будет своя.
Более того, мы в Toshiba знаем, как включить в цепь добавленной водородной стоимости новые технологии, которые позволят снизить транспортные издержки.
Как построить водородную цепь добавленной стоимости
Вырисовывается такая картина: в густонаселенных районах Европы и США водород от большого числа местных поставщиков для небольших потребителей в основном будут возить грузовики. Крупные потребители будут получать водород либо по трубопроводам от дальних поставщиков, либо импортировать морем из соседних стран (Латинская Америка для США и Северная Африка с Ближним Востоком — для Европы).
Японии будет сложнее: местный водород будет сравнительно дорогим, поэтому для крупных потребителей возможны поставки морем из стран ближнего и дальнего зарубежья. Правда, водородная энергетика всё-таки будет «демократичнее» углеводородной благодаря доступности возобновляемых источников энергии большому числу потребителей.
Именно на этой основе мы строим водородную цепь добавленной стоимости Toshiba (Toshiba Hydrogen Value Chain). Для крупных потребителей водород могут производить большие солнечные электростанции, наподобие той, что мы построили в Фукусиме . В день она вырабатывает газа на заправку 560 водородных авто и 150 домовладений. Часть водорода отправится грузовиками, часть — по трубам.
В последнем случае конвертировать полученный водород поможет наш генератор на топливных элементах H2Rex, который уже производит электричество и тепло из водорода и воздуха, к примеру, для гостиницы в Кавасаки. Небольшим и удалённым от производства H2 потребителям подойдут мини-электростанции типа нашей H2One. Она вырабатывает водород методом электролиза из воды, который поддерживается встроенной солнечной батареей.
Мы убеждены, что интеграция таких источников и преобразователей энергии в сочетании со строительством водородных электростанций на ВИЭ позволит снизить зависимость потребителей от зарубежных поставок H2, которые могут оказаться для них дорогими.
Учёные придумали, как безопасно хранить водород в автомобилях
Так, специалисты создали новое специальное вещество под названием Powerpaste. Его разработкой занимались исследователи из Института производственных технологий и перспективных материалов имени Фраунгофера IFAM в Дрездене.
В основе инновационного материала положен твердый гидрид магния. При взаимодействии с водородом и с добавлением сложного эфира он принимает пастообразную форму. Полученная паста, вдавливаясь из картриджа плунжером, будет вступать в реакцию с водой, что и станет источником образования газа.
При этом используемая для реакции вода может пополняться из обычного городского водопровода. Использованные картриджи с гелем можно будет поменять на новые на специальных заправках. По словам разработчиков, бортовая электроника автомобиля самостоятельно будет осуществлять регулирование выработки водорода в зависимости от потребности в топливе в конкретный момент времени.
Также немецкие учёные отметили, что эти топливные элементы способны долгое время находиться на солнце, и это абсолютно безопасно. Боле того, для транспортировки Powerpaste могут использоваться обычные бочки и канистры. Для того, чтобы разлить пасту по картриджам, специальное оборудование не понадобится.