Водородная энергетика

Водородная энергетика — развивающаяся отрасль энергетики, направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики). Водородная энергетика относится к нетрадиционным видам энергетики.

Производство  водорода

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

1.1 Паровая конверсия природного газа / метана

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

1.2 Газификация угля

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

В декабре 2007 года была определена площадка для строительства первой пилотной электростанции проекта FutureGen. В Иллинойсе будет построена электростанция мощностью 275 МВт. Общая стоимость проекта $1,2 млрд. На электростанции будет улавливаться и храниться до 90 % СО2.

Аналогичный проект под названием  «GreenGen» создан в Китае. Строительство первой очереди электростанции мощностью 250 МВт начнётся в 2008 году. Общая мощность электростанции составит 650 МВт.

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

1.3 Использование   атомной энергии

Использование атомной энергии  для производства водорода возможно в различных процессах: химических, электролиз воды, высокотемпературный  электролиз. Себестоимость процесса $2,33 за килограмм водорода. Ведутся  работы по созданию атомных электростанций следующего поколения. Исследовательская  лаборатория INEEL (Idaho National Engineering Environmental Laboratory) (США) прогнозирует, что один энергоблок атомной электростанции следующего поколения будет производить ежедневно водород, эквивалентный 750 тыс. литров бензина.

1.4 Электролиз  воды

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

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

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

1.5 Водород  из биомассы

Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим  способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа  кислорода до температуры 500—800 °C (для  отходов древесины), что намного  ниже температуры процесса газификации  угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4.

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

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

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

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

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

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

1.6  Малые  стационарные приложения

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

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

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

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

Технологии

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

Топливо

Большая часть домашних станций  разработана для применения природного газа, пропана, очень немногие могут  работать со сжиженным нефтяным газом (LPG). Многие производители работают с керосином.

Перспективы

В 2006, как и в 2005 году большая  часть малых приложений была установлена  в Японии. Японская NEF (New Energy Foundation) объявила о начале многолетнего демонстрационного проекта применения малых стационарных топливных элементов. Будет субсидирована установка 6400 топливных элементов. В 2005 году стоимость 1 кВт водородной бытовой станции в Японии составляла 10 млн ¥ (примерно $87 000), работы по ее установке стоили еще 1 млн ¥. К середине 2008 года в Японии было установлено около 3000 бытовых энергетических установок на водородных топливных элементах, а их стоимость снизилась до 2 млн ¥ (примерно $19 000).

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

Компании — основные производители:

Компания-	Страна	Технология	Мощность установки
Ballard Power Systems	Канада	PEMFC	1 кВт
Acumentrics	США	SOFC	2—10 кВт
Ceramic Fuel Cells	Австралия — Великобритания	SOFC	1 кВт. Общий КПД более 80 %
Cosmo Oil	Япония	PEMFC	0,7 кВт
European Fuel Cells	Германия	PEMFC	1,5 кВт
Fuel Cell Technologies	США	SOFC	5 кВт.
Hitachi Zosen	Япония	-	от 10 кВт до сотен кВт. КПД 86 %
Idatech	США	-	3—15 кВт. UPS для промышленных, телекоммуникационных, электронных  приложений.
Idemitsu Kosan	Япония	-	1—5 кВт
Kyocera	Япония	OFC	1 кВт
Mitsubishi Heavy Industries	Япония	PEMFC	10 кВт
Nippon Oil Corporation	Япония	технологии Ebara Ballard	1—6—10кВт.
Plug Power	США	PEMFC	5 кВт
Sanyo Electric	Япония	PEMFC	1 кВт. Общий КПД 92 % при  производстве тепловой и электрической  энергии
Plug Power	СШ А	PEMFC	5 кВт
Shanghai-Shen Li	Китай	PEMFC	3—10 кВт
Sharp Corporation	Япония	PEMFC	10 кВт. Гибридные системы, совмещенные с фотоэлектрическими элементами
Toyota Motor Corporation совместно с Aishin Seiki	Япония	PEMFC, SOFC	В 2006 году начали испытания  нескольких установок мощностью 1 кВт. КПД 90%. Мощность SOFC установок 0,7 кВт[2].
Panasonic (Matsushita Electric Industrial Co)	Япония	PEMFC	0,5—1 кВт. Планирует  продавать 700 тысяч установок  в год к 2020 году.[3]

 

3.Стационарные  применения

  Подводная лодка класса U212 (Германия) с силовой установкой  на водородных топливных элементах.

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

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

Технологии

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

Топливо

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

Гибридные установки: топливный элемент/газовая турбина. Для повышения эффективности, снижения себестоимости энергии и для утилизации тепловой энергии применяются установки, совмещающие топливные элементы и газовые турбины.

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

Финансирование

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

Компании — основные производители

Компания- Страна -  Технология- Мощность установок	Ansaldo Fuel Cells-Италия-MCFC-500 кВт — 5МВт	FuelCell Energy-США -MCFC -250 кВт — 1МВт	GenCell- США- MCFC- 40—100 кВт
Ishikawajima-Harima Heavy Industries   -Япония- MCFC-  300 кВт — 1 МВт	MTU CFC Solutions- Германия- MCFC 200 кВт — 3 МВт	Fuji Electric Япония PAFC 100 кВт — 1 МВт	Korea Gas Корея PAFC 40 кВт
UTC Fuel Cells США PAFC, MCFC, PEMFC 200 кВт, транспортные приложения	Ballard Power Systems Канада PEMFC 1—250 кВт	General Motors США PEMFC 75—300 кВт	Hydrogenics Канада PEMFC 7—65 кВт
J-Power Япония SOFC разрабатывает тройные системы: топливные элементы, газовые турбины и паровые турбины	Mitsubishi Materials Япония SOFC 10 кВт	Mitsubishi Heavy Industries Япония SOFC,PEMFC 200 кВт. Также разрабатывается 700 МВт SOFC электростанция тройного цикла	Rolls-Royce Group plc Великобритания SOFC 80 кВт
Siemens AG Power Generation Германия SOFC 125 кВт	Ztek США SOFC 25 кВт — 1 МВт	Cummins Power Generation США SOFC 3 кВт[4].

 

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

 

4.Транспортные приложения

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

Водородная автомобильная  инфраструктура

 Водородная  заправочная станция

К концу 2008 года во всём мире функционировало 2000 водородных автомобильных  заправочных станций. Из общего количества заправочных станций, построенных 2004—2005 году, всего 8 % работают с жидким водородом, остальные с газообразным

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

 

Водородные заправочные  станции по регионам мира

Планируется строительство

Водородное шоссе (Калифорния) — К 2010 году 200 заправочных станций  на главных шоссе штата.

Hi Way Initiative — водородное шоссе в штате Нью-Йорк (США).

Водородный коридор (Канада) — 900 км водородного коридора вдоль  главных дорог между Монреалем  и Виндзором.

HyNor (Норвегия) — водородное шоссе между городами Осло и Stavanger (580 км) до 2008 года.

2H2 — водородное шоссе  Иллинойса.

SINERGY — Сингапурская энергетическая  программа

The Northern H (Канада, США) — К 2010 году планируется соединить заправочными станциями крупные города вдоль главных торговых путей Манитобы (Канада), Дакоты, Миннесоты, Айовы и Висконсина.

New York Hydrogen Network: H2-NET (США) — 20 заправочных станций между Нью-Йорком и Буффало (штат Нью-Йорк).

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