В предыдущих статьях мы уже обсудили наиболее популярные способы получения водорода. Однако существуют гораздо более эффективные и детально разработанные, но пока еще не реализованные методы его производства. Сегодня мы обойдёмся без химических формул и прочих сложных для понимания процессов, как это было в предыдущей статье. Если все методы привести к общему знаменателю, то традиционные способы получения водорода сейчас требуют значительных энергозатрат: например, в паровой конверсии метана сгорает почти половина всего используемого газа, для получения тонны водорода электролизом в среднем необходимо израсходовать 50 МВт электроэнергии, а термохимические реакции требуют высоких температур, доходящих иногда до 800 градусов Цельсия. На мой взгляд, самой многообещающей технологией производства водорода является атомно-водородная энергетика.

Воспользуйтесь нашими услугами

Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы повышают эффективность генерации электричества и открывают возможность использования для технологических процессов, в т.ч. переход к экологически чистой водородной энергетике.

Основное преимущество ядерной технологии – это наличие практически неограниченного количества дешёвой энергии для производства водорода; при этом данный метод является наиболее экологичным по сравнению с традиционными.

Получить водород можно методом низкотемпературного электролиза, используя при этом произведённое ядерной энергией электричество. Если электролиз производить при помощи высокотемпературного пара, то полученная из ядерного реактора тепловая энергия заменяет часть электрической. Следовательно, чистая эффективность (отношение произведенного водорода высокого нагрева к затраченной электроэнергии) увеличится.

В термохимических циклах, применяя произведённую теплоту ядерного реактора, можно получать водород с эффективностью в 50%.

В настоящее время проведены оценки различных ядерных реакторов по способности обеспечить высокотемпературную тепловую энергию, необходимую для термохимического процесса. Также учитывается безопасность и экономическая составляющая процессов производства водорода.

По результатам оценки, в соответствии с необходимыми характеристиками, были сделаны следующие выводы:

— реакторы типов PWR, BWR и реакторы с органическим теплоносителем не могут обеспечить достаточно высокой температуры;
— разработка реакторов, охлаждаемых щелочными металлами, рискованна из-за сложностей с поведением материалов при высоких температурах;
— реакторы, охлаждаемые тяжелыми металлами, и реакторы с жидкосолевым охлаждением — удовлетворяют требованиям, но нуждаются в существенной модернизации;
— реакторы с газовым охлаждением являются основным выбором (причём реакторы с гелиевым теплоносителем нуждаются только в небольшом усовершенствовании);
— реакторы с жидкой активной зоной должны быть существенно модернизированы из-за сложностей с поведением материалов при высоких температурах;
— применение реакторов с газовой активной зоной не рекомендуется ввиду излишне спекулятивного характера этого направления реакторной технологии.

Следовательно, наиболее подходящий реактор с источником тепловой энергии для высокотемпературного электролиза – это гелиевые реакторы с газовым охлаждением.

Первые высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (ВТГР) созданы в 1960-х.

В России разработан ряд проектов ядерных блоков с высокотемпературными гелиевыми реакторами. Это опытно-промышленные установки ВГР — 50 МВт и ВГ — 400 МВт , установка модульного типа ВГМ — 200 МВт, блок с газовой турбиной МВГР-ГТ (200 МВт), установка малой мощности ВТГР-10.

Одним из наиболее продвинутых проектов ВТГР является международный проект “ГТ-МГР”, который разрабатывается совместными усилиями российских институтов (ОКБМ, РНЦ «Курчатовский институт», ВНИИНМ, НПО «Луч», ВНИПИЭТ) и американской кампании “GA” при управлении и финансировании “Минатомом РФ” и “DOE US”.

Энергетическая установка ГТ-МГР состоит из двух связанных воедино блоков: модульного высокотемпературного гелиевого реактора (МГР) мощностью 600 МВт тепловых, и газотурбинного преобразователя энергии прямого цикла (ГТ). Проект модернизации этого реактора под нужны водородной энергетики предусматривает замену газотурбинной системы на контур первичного гелия, промежуточный теплообменник, промежуточный гелиевый контур и трубопровод промежуточного контура для соединения с водородным производством. Каждый модуль мощностью в 600 МВт может обеспечить производство 200 тонн водорода в день.

Существует проработанный проект для производства электроэнергии и водорода методом высокотемпературного электролиза пара (ВЭП) — МГР-100 ВЭП.

В 1970-х годах родилась целая концепция атомно-водородной энергетики. В тепловых реакторах ВТГР могут быть применены как замкнутые, так и открытые топливные циклы с использованием урана, плутония и тория.

Варианты применения ВТГР в производстве метан-водородной смеси

Проведенные к настоящему времени исследования дают основания для уверенности в том, что высокотемпературный реактор с гелиевым теплоносителем – это единственная ядерная технология, которая может реально обеспечить высокотемпературным теплом промышленное производство водорода и другие энергоемкие технологические процессы.

Для будущей крупномасштабной ядерной энергетики уникальные возможности воспроизводства предоставляют быстрые гелиевые бридеры.

Бридер – ядерный реактор, позволяющий нарабатывать ядерное топливо в количестве, превышающем потребности самого реактора.

Концепцию атомно-водородной энергетики (АВЭ) можно представить как «вода на входе + чистая ядерная энергия => водород => кислород = чистая энергия + вода на выходе».

Одно из перспективных и обоснованных способов получения водорода – это использование водородных технологий в альтернативной энергетике.

Подружить водородную и альтернативную энергетику пытаются уже давно, и сегодня мир располагает достаточными данными для глубинного анализа перспективности подобного метода.

1. Солнечная тепловая энергия.

В основе метода – тепловой распад воды.

При температуре более 1700 °C вода самопроизвольно распадается на водород и кислород. Получить подобные температуры можно при фокусировке солнечного света в одной точке с помощью линзы либо параболического зеркала.

Концепция и технология производства водорода высокотемпературным разложением воды при помощи солнечного света была разработана швейцарской компанией “Clean Hydrogen Producers”.

Параболические зеркала, использованные в технологии, имеют общую полезную площадь 92 кв.м; температура в точке фокусировки составляет 2200 °C. Установка способна обработать до 100 литров воды, производя более 10 килограмм водорода в день.

Оригинальный способ получения водорода предложили в израильском институте имени Вейцмана. Суть технологии заключается в получении неокисленного цинка в солнечной башне.

Оксид цинка, содержащийся в древесном угле, нагревается в солнечной башне до температуры 1200 °C, в результате химических процессов получается чистый цинк. Полученный цинк извлекается и доставляется на место производства водорода. Цинк помещают в воду, где в результате химической реакции выделяется водород с образованием оксида цинка, который повторно используется в солнечной башне. И так по замкнутому циклу.

Технология прошла испытания в Канадском Институте Энергетических Исследований.

2. Энергия ветра.

Несмотря на кажущуюся простоту и эффективность данного метода, он до сих про фактически находится на экспериментальной стадии освоения.

Департамент энергетики США совместно с национальной исследовательской энергетической лабораторией без малого 14 лет проводит исследовательские работы по концепции «Водород из ветра», исследуя сравнительные методы производства водорода гидролизом с помощью энергии ветра и энергии из промышленной электрической сети. Построены водородные заправочные станции с ветрогенераторами мощностью до 100 кВт.

Ветро-гидролизная система установлена в Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии.

Сравниваются различные технологии гидролиза воды, их стоимости, а также способы хранения водорода.

Согласно первоначальным расчётам, в ближайшем будущем себестоимость производства водорода из энергии ветра составит 4,03 доллара за кг водорода. При этом США смогут производить из энергии ветра свыше 154 млрд кг водорода в год.

Однако данный проект, намеченный на 2019 год, всё еще находится на исследовательской стадии, перейдя лишь во вторую фазу исследования – «Wind2H2».

Фактически это означает, что получение электрической энергии ветрогенерацией выгоднее, чем полный цикл по получению, хранению и использованию водорода (даже в качестве энергетического буфера).

3. Получение водорода из отходов.

В 2006 году Лондонское водородное партнерство опубликовало исследование о возможности производства водорода из муниципального и коммерческого мусора.

Согласно исследованию, только в Лондоне можно ежедневно производить 141 тонну водорода как пиролизом, так и анаэробным сбраживанием мусора, а из муниципального мусора можно производить 68 тонн водорода.

В 2013 году Лундский университет в Швеции провел собственные исследования получения водорода из золы. Золу можно использовать в качестве ресурса за счёт рекуперации водородного газа вместо того, чтобы выпускать её в воздух, как это делается в настоящее время.

Процесс получения водорода включает в себя размещение золы в бескислородной среде. Зола смачивается водой, после чего образуется газообразный водород. Газ всасывается через трубы и хранится в резервуарах.

Метод кажется перспективным, однако по состоянию на 2020 год так и не был развит.

4. Химическая реакция воды с металлами.

В 2007 году Университет Purdue в США разработал метод производства водорода из воды при помощи алюминиевого сплава.

Сплав алюминия с галлием формируется в топливные гранулы . Топливные гранулы помещают в бак с водой. Галлий создаёт вокруг алюминия пленку, предотвращающую окисление алюминия.

В результате реакции создается водород и оксид алюминия.

Из одного килограмма алюминия можно получать более 4,4 кВт·ч энергии от сжигания водорода и более 4 кВт·ч тепловой энергии во время реакции алюминия с водой.

5. Получение водорода из биомассы.

Водород получается термохимическим или биохимическим способами.

При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500–800 °C, что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4.

Себестоимость процесса – 6 долларов за килограмм водорода.

В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например Rodobacter speriodes. Возможно применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30 °C при нормальном давлении.

Себестоимость получения водорода при этом около 2 долларов за килограмм.

6. Биохимическое производство водорода.

Многообещающей и перспективной альтернативой промышленным процессам получения водорода является разложение воды с использованием солнечной энергии в процессах фотосинтеза и биоконверсии.

В процессе фотосинтеза зелёные растения и морские водоросли (микроскопические одноклеточные растения) преобразовывают углекислый газ, воду и солнечный свет (зеленую часть спектра с длиной волны 500 нм) в углеводы, воду и кислород.

CО2 + 2H2O → CH2 + H2 О + 3/2O2.

Солнечный свет поглощается светочувствительным пигментом, например белком хлорофилла. С помощью активных центров этого белка энергия передаётся электронам, источником которых служит некоторое донорное вещество. Затем, как и при фотосинтезе, электроны через промежуточное соединение “ферродоксин” доставляются к ионам водорода, восстановление которых до молекулярного состояния происходит под действием катализатора биологической природы:

“2H2O”+”hn” → “O2″+”4H+” + “4e–”

“4H+”+ “4e–” → 2H2.

Однако исследования в области биологических методов получения водорода носят пока только лишь поисковый характер, находясь на стадии фундаментальных исследований.

Российский вклад.

Одним из наиболее продуктивных и успешных проектов применения водорода в возобновляемой энергетики реализован в России. Он носит название “Комбинированная энергоустановка”.

Государственным научным центром «Физико-энергетический институт» разработана комбинированная энергоустановка электрической мощностью 7,5 кВт, включающая в себя: ветрогенератор (ВГ), электролизёр, ресивер водорода и батарею топливных элементов (БТЭ).

Эксплуатация установки подтвердила её принципиальную работоспособность, а именно:

Постоянная работа БТЭ с генерацией необходимого количества электричества и тепла для потребителя;
Умеренная потребная мощность ВГ и, соответственно, стоимость установки.

Однако лавными недостатками были признаны:

большая потребная мощность ВГ, а значит и стоимость всей установки;
отсутствие тепла в режиме, когда электроэнергия поступает потребителю прямо с ВГ;
необходимость частого включения-выключения БТЭ, что снижает её ресурс.

Выводы как российских, так и зарубежных исследований дают ясное понимание, что решить проблему получения водорода и его использования даже в качестве накопителя энергии для выравнивания прерывистой генерации альтернативных источников энергии не представляется возможным с точки зрения энергетической эффективности.

Если судить по предыдущему повествованию, где описывалась водородная энергетика и перспективы водородной экономики, то может возникнуть заблуждение, что никаких технологических ограничений к переходу на водород, в принципе, нет. Однако это не так.

Самая большая нерешённая проблема водородной энергетики и перспектив водородной экономики – это хранение водорода.

Хранение водорода обходится ещё дороже, чем его производство. Всё дело в плотности энергии водорода на 1 м3, и в больших утечках. Также к хранению водорода предъявлен список строгих требований, среди которых главным является то, что системы хранения должны выдерживать либо криогенные температуры, либо высокие давления, либо содержать активные материалы, которые взаимодействуют с водой или воздухом.

То есть условия хранения водорода – всегда неблагоприятные, требующие обеспечения высокой надёжности и безопасности.

Какие существуют методы хранения водорода?

1. Хранение газообразного водорода под давлением.

Самый простой метод хранения водорода – это его газообразная форма под давлением.

1 килограмм водорода при комнатных условиях занимает 11,2 м3 объёма, что очень много. Сжимая газообразный водород, мы увеличиваем его плотность. Согласно уравнению состояния идеального газа, чем выше давление газа, тем меньший объём он занимает.

Сам принцип, инфраструктура и технические решения такого метода уже давно отработаны на хранении природного газа.

Для хранения используются цилиндрические баллоны и трубы большого диаметра (контейнеры).

В обычных стальных баллонах хранится водород под давлением до 200 атмосфер.

При таком давлении в 1 м3 хранится около 17,8 килограмм водорода. То есть для хранения 1 кг, водорода при давлении в 20 МПа, нужно 56,3 литра объема. И это честно говоря, вообще трэш с энергетической точки зрения.

Самостоятельно можно подсчитать энергетическую плотность, и узнать, почему это трэш. Существуют титановые баллоны, способные хранить водород под давлением 400 атмосфер. Наиболее передовые, композитные баллоны, используемые на автотранспорте, способны безопасно выдерживать давление до 700 атмосфер.

Однако даже при таком высоком давлении энергетическая плотность водорода составляет всего 4,4 МДж на 1 литр, что более чем в 7 раз меньше аналогичного показателя бензина – 31,6 МДж на 1 литр.

Хранение водорода под рабочим давлением 160 атмосфер в стационарных условиях происходит в трубах-контейнерах, часто объединённых по 18 штук. Это позволяет запасти до 700 кг водорода.

2. Хранение водорода в жидком виде.

Плотность жидкого водорода составляет 70,8 кг/м3, что в 1,83 раза больше чем в газообразной форме при давлении в 700 Атмосфер. Соответственно, энергетическая плотность будет более 8 МДж на 1 литр.

Однако сам процесс сжижения водорода энергоёмкий: от 25 до 45 % энергии сжиженного водорода расходуется на сам процесс сжижения, что соответствует 10-14 кВт*ч затрат электроэнергии на 1 кг водорода.

Хранится жидкий водород в криогенных контейнерах, конструкция которых сильно отличается от конструкции композитного баллона для хранения газообразного водорода.

Для производства используются высококачественные стали, предназначенные для требуемых температурных диапазонов. Резервуары оснащены фильтрами тонкой очистки жидкого водорода и пробоотборником специальной конструкции, и имеют высокоэффективную теплоизоляционную систему.

Однако, какой бы хорошей ни была изоляция, потери на испарение водорода существуют, и довольно-таки существенные. Они особенно заметны для небольших резервуаров с высоким соотношением поверхности к объему.

Наибольших успехов в плане уменьшения утечек добились специалисты BMW. Они разработали и испытали несколько автомобилей с водородным топливом, хранящимся в жидком виде в специальных баллонах. Им удалось уменьшить потери на испарение до 1,5 % массы в день.

Двигатель внутреннего сгорания BMW Hydrogen 7 может работать на бензине, или водороде. На Hydrogen 7 установлен бензобак 74 литра, и баллон для хранения 8 кг водорода.

При хранении жидкого водорода в стационарных контейнерах нужно учитывать одну особенность: хранение водорода в герметичных ёмкостях в жидком виде нерационально для небольших количеств водорода (менее 1 кг), так как утечка жидкого водорода для небольших количеств очень велика, а оборудование слишком дорогое.

Последние разработки в области контейнерного хранения водорода предлагают хранить водород независимо от условий заполнения. Баллоны могут быть заполнены жидким водородом при высоком или низком давлении, сжатым газообразным водородом при низкой или комнатной температуре, возможны и комбинации этих операций (если исходная температура баллона находится в диапазоне от 180 до 300 К). В этом случае водород хранится не в жидком состоянии, а как сжатый криогаз или смесь жидкого и газообразного водорода (в зависимости от условий). Кроме того, в таких системах могут использоваться сорбенты с большой удельной поверхностью. При заполнении жидким водородом обеспечивается высокая плотность и малые потери на испарение.

Обобщая вышенаписанное, подводим итоги:

1. Энергоёмкость водорода, хранимого в газообразной форме под давлением до 400 атмосфер, очень маленькая. Баллоны, способные хранить водород под давлением 700 атмосфер, существенно дороже, и тоже обладают недостаточно высокой энергоёмкостью.

2. Стоимость хранения водорода в жидком виде относительно высокая, так как требует соответствующего оборудования с высокой стоимостью.

3. Уровень утечки жидкого водорода для небольших хранилищ, особенно в случае длительного времени хранения, очень высок.

Всё это заставляет искать новые и более эффективные способы хранения водорода. И они есть. Один из таких способов – это хранение водорода в твёрдых носителях (гидридах металлов), где возможно добиться плотности в 2,7 раза больше, чем в жидком водороде. И об этом в следующей статье.

Автор: Кочетов Алексей
Источник: https://dzen.ru/dbk