Энергетический водород: Водородная энергетика — Что такое Водородная энергетика?

Водородная энергетика: новый уровень | Наука и инновации Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Развитие «зеленой» экономики, сокращение объема потребления нефтепродуктов обуславливает активное развитие водородной энергетики. Уже в недалеком будущем это позволит достичь экологически чистого производства и транспорта.

Водород используется для накопления, хранения, транспортировки энергии и рассматривается сегодня в качестве перспективного энергоносителя для развития низкоуглеродной и бескарбоновой экономики, снижающей до минимума антропогенное влияние на климат. Основными преимуществами водорода является отсутствие выбросов углекислого газа при его использовании в качестве энергоносителя, поскольку в результате сгорания водородного топлива образуется вода, которая снова поступает в замкнутый цикл производства водорода. Другим преимуществом является возможность его получения из различных источников, включая воду, углеводороды, органические материалы. В зависимости от технологии производства и наличия выбросов углекислого газа, водород разделяется на «зеленый», «голубой», «красный», «желтый» и «серый». «Зеленый» водород считается самым чистым. Для его получения используется солнечная, ветровая, гидродинамическая энергия, которая необходима для гидролиза воды. На сегодняшний день имеется несколько основных технологий производства водорода, среди которых разложение (гидролиз) морской и пресной воды, пиролиз углеводородов, разложение органических отходов. Стоимость производства водорода определяется энергетическими затратами на его получение, хранение и транспортировку.

 

Сложности и перспективы

Водород можно транспортировать в газообразном, жидком и твердом (связанном) состоянии. Но транспортировка газообразного водорода очень затратна, так как плотность водорода мала. Поэтому во всем мире ведутся разработки, чтобы увеличить экономическую эффективность и безопасность транспортировки водорода. Например, можно увеличить давление в трубопроводной системе, транспортировать водород в сжиженном состоянии, использовать суда-газовозы, железнодорожные и автомобильные цистерны.

Основными сдерживающими факторами развития водородной энергетики являются проблемы материаловедения, необходимость совершенствования технологий транспортировки, хранения и потребления водорода. Перспективными способами для транспортировки водорода в РФ является трубопроводный транспорт, автомобильный, морской, железнодорожный для транспортировки в сжатом, сжиженном или связанном состоянии, в том числе в виде аммиака, жидких или твердых носителей. Основной материаловедческой проблемой при этом является охрупчивание металлов водородом. Проблема водородной хрупкости тесно связана с хладостойкостью конструкционных материалов, поскольку большая часть России – это территории с низкой годовой температурой. Перед учеными и инженерами поставлена задача разработки современных энергетических систем потребления водорода, включая создание турбогенераторов и двигателей. Также по водородной тематике требуется разработка нормативной документации по материалам, технологиям, конструкциям.

Барьером для широкого внедрения водородной энергетики является необходимость строительства углеродных хранилищ, поскольку при производстве водорода необходимо соблюдать требования по выбросам углекислого газа. Это обуславливает повышенную стоимость водорода по сравнению с традиционными энергоносителями. Поэтому необходимо развивать технологии для уменьшения себестоимости получения, транспортировки, хранения и потребления водорода.

В Европе основной упор делается на альтернативную энергетику – ветровую и солнечную для получения «зеленого» водорода. Это водород, который образуется в результате технологических производств без выделения в атмосферу углекислого газа – бескарбоновая технология замкнутого цикла при электролизе воды. Например, ветровая или солнечная станция вырабатывает электроэнергию, которая направляется на электролиз воды. Получается молекулярный водород и кислород. При этом кислород далее используется в замкнутом цикле, как и вода, которая образуется при сгорании водорода.

Концепция развития водородной энергетики в РФ утверждена 5 августа 2021 года и предусматривает получение водорода за счет использования энергии гидроэлектростанций, атомных и тепловых станций при электролизе воды, а также при пиролизе углеводородов. Энергетика России имеет значительный потенциал и существенные преимущества для получения значительной доли мирового рынка водорода. Нашим преимуществом также является наличие Северного морского пути – кратчайшего пути из Европы в Юго-Восточную Азию, навигация на котором, благодаря потеплению климата, становится круглогодичной. Согласно Концепции развития водородной энергетики, промышленность РФ к концу 2024 года должна вырабатывать 200 тыс. тонн водорода в год. Для сравнения: Европейская программа водородной энергетики предусматривает ежегодную выработку 1 млн тонн водорода к 2024 году.

Для реализации Концепции развития водородной энергетики РФ необходимо решить ряд фундаментальных задач в области металлургии, материаловедения, физической химии и энергетики. Решение этих задач позволит РФ осуществить технологический и научно-технический прорыв в области альтернативной «зеленой» энергетики, перейти на новый уровень развития промышленности и технологий. Конечно, реализация таких амбициозных проектов требует создания научно-технологической водородной инфраструктуры, объединения научно-технических и производственных компетенций в области водородной энергетики. Это возможно при создании консорциумов вузов с крупными производителями углеводородов.

 

Потенциал Политеха в области водородной энергетики

Одним из центров разработки водородных технологий стали подразделения Санкт-Петербургского политехнического университета – Институт машиностроения, материалов и транспорта (ИММиТ), а также Научно-технологический комплекс «Новые технологии и материалы» Центра компетенций НТИ. Исследования сконцентрировались на двух направлениях: разработка технологии получения водорода методом плазмохимической диссоциации из метана и сероводорода, разработка, исследование и испытание конструкционных материалов для хранения и транспортировки водорода.

Директор Научно-образовательного центра «Сварочные и лазерные технологии» ИММиТ  СПбПУ, профессор, д.т.н. Сергей Паршин рассказал о важнейших направлениях исследований в области водородной энергетики и материаловедения:

«Получение, хранение, транспортировка и использование водорода связаны со сложными научными и техническими проблемами, которые могут быть с успехом решены в нашем университете. Наш коллектив на протяжении трех лет совместно с Лаппеенрантским технологическим университетом и Курчатовским институтом (ЦНИИ КМ «Прометей») ведет исследования в Европейском Российско-Финском проекте “Энергоэффективные системы на базе возобновляемой энергетики для Арктики”. Проект связан со строительством оффшорных ветровых электростанций в Арктике. Этим и объясняется наш интерес к исследованиям в сфере водородной энергетики. При реализации Арктического проекта мы столкнулись с проблемой свариваемости высокопрочных хладостойких и криогенных сталей в условиях низких температур и воздействия диффузионного водорода.

Водород неизбежно проявляется при сварке, например из сварочных материалов, окружающей среды при повышенной влажности. Диффузия водорода негативно влияет на микроструктуру сталей и сплавов, вызывая их охрупчивание и появление трещин.

Решение проблемы сварки хладостойких и криогенных сталей позволило разработать ученым Политеха ряд технологий и сварочных материалов, которые снизили водородную хрупкость и повысили безопасность энергетических объектов в условиях низких температур. Ряд патентов на изобретения, которые мы получили, касается также подводной сварки оффшорных конструкций, один из патентов, например, получен СПбПУ в сентябре 2021 года.

Изучение воздействия диффузионного водорода на металлы впервые в мире было начато в СПбПУ в 1962 году заведующим кафедрой сварки профессором Георгием Львовичем Петровым, а затем продолжено его учениками – доцентом А.М. Левченко и профессором В.А. Кархиным. По водородной хрупкости у нашего коллектива имеется огромный опыт, который мы развиваем и используем для решения проблем материаловедения в области водородной энергетики.

Следует отметить фундаментальную основу нашего университета в направлениях материаловедения, металлургии и энергетики. Еще в 1919 году академик А.Ф. Иоффе создал физико-механический факультет, его ученик – член-корреспондент Я.И. Френкель в 1950 году разработал теорию строения поликристаллических тел и механизм вакансионной диффузии, а наш выпускник В.С. Горский совместно с академиком Л.Д. Ландау обосновал теорию восходящей диффузии в металлах. Металлург – академик А.А. Байков являлся ректором СПбПУ. В настоящее время Политех возглавляет также металлург – академик А.И. Рудской.

Санкт-Петербургский политехнический университет имеет мощную экспериментальную базу, продолжает фундаментальные исследования в области металлургии и металловедения и способен найти решение актуальных проблем водородной энергетики. Это потребует консолидации интеллектуального потенциала нашего университета и коллаборации с ведущими научными центрами в РФ и в Европе. По моему мнению, есть несколько направлений в области водородной энергетики, которые могут стать прорывными, и в которых Политех может и должен занять лидирующее положение. Прежде всего, это создание конструкционных материалов с заданной микроструктурой, разработка защитных барьерных покрытий, технологий сварки хладостойких и криогенных сталей и сплавов. В качестве конструкционных материалов для применения в водородной энергетике перспективными являются передовые криогенные стали, алюминиевые, медные и никелевые сплавы, высокоэнтропийные сплавы, алюмоматричные и полимерные композиты. Эти материалы обладают высокой прочностью, коррозионной стойкостью, сопротивлением водородной хрупкости, вязкостью при низких температурах и могут применяться для транспортировки и хранения водорода. Важным также является продолжение фундаментальных поисковых работ в области физики твердого тела, механики прочности, кристаллографии поликристаллических конструкционных и функциональных материалов. Отдельно нужно подчеркнуть важную роль неорганической химии, а также физической химии, поскольку мы смогли бы решить проблему накопления и транспортировки твердого водорода, реализовав имеющиеся идеи. В области энергетики наш университет продолжает традиции академических научных школ и имеет высокий потенциал в области водородного синтеза и турбиностроения».

Водородная энергетика в настоящее время является одним из важных стратегических направлений науки и техники и может послужить основой для перехода экономики РФ на более высокий уровень по энергоэффективности, производительности и экологии.

Поделиться записью

Нижегородские ученые создали энергетический комплекс по преобразованию водорода в электричество

Уникальный комплекс, позволяющий преобразовывать водород в электроэнергию, разработали в Нижегородском государственном техническом университете (НГТУ) им. Р.Е. Алексеева. Комплекс состоит преимущественно из отечественных компонентов и обладает собственным программным обеспечением, созданным нижегородскими учеными. При этом комплекс оснащен системой эксплуатационной безопасности, которая позволит снизить до минимума вероятность возникновения аварийных ситуаций на водородных электростанциях автономных объектов.

«Ключевая особенность проекта — разработка преобразователя параметров электроэнергии и системы управления, обеспечивающих эффективное использование водородного топлива и надежное электроснабжение потребителей. К концу 2022 года мы завершим разработку экспериментального образца гибридного энергетического комплекса на основе низкотемпературного топливного элемента и литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей, что позволит создать научно-технический задел для перехода к реализации проектов с водородными энергоустановками большой мощности», — рассказал ректор НГТУ им. Р.Е. Алексеева Сергей Дмитриев.

Использование водорода в сравнении с традиционными видами топлива более экологично. Водородные источники энергии характеризуются отсутствием шума, вредных выбросов, а в качестве побочного продукта выделяется только вода. Электрогенерирующие комплексы на основе водорода можно будет применять на автономных объектах, например, на объектах газовой и нефтяной промышленности, на железнодорожном транспорте и многих других. Водородная энергетика необходима в переходе к безуглеродной экономике страны.

«Водород — самое распространенное вещество на Земле, которое обладает очень большой энергией. Мы занимаемся получением электроэнергии из водорода. При получении энергии обычными способами из 100% выходит только 30–35% электрической энергии, остальное выделяется в качестве тепла и потерь. Те преобразователи, над которыми мы трудимся в рамках данного проекта, делают преобразование водорода более эффективным. На нашем стенде мы уже достигли показателя 40–45%, что выше, чем на действующих электрических станциях», — рассказал Алексей Лоскутов, профессор кафедры электроэнергетики, электроснабжения и силовой электроники Образовательно-научного института электроэнергетики НГТУ им. Р.Е. Алексеева.

Работа ведется в рамках стратегического проекта вуза «Кибербезопасные устройства и технологии электроэнергетических систем» по программе Минобрнауки России «Приоритет 2030» (нацпроекта «Наука и университеты»), а также при поддержке индустриальных партнеров и предприятий отечественной промышленности. По завершении работ электрогенерирующий комплекс будет внедрен на одно из промышленных предприятий нефтегазового комплекса России.

Параллельно в вузе разрабатывается экспериментальный образец системы эксплуатационной безопасности для водородной энергетической установки. Результатами разработки станут комплекс технических решений и система управления, обеспечивающие безопасность потребителей при использовании водородной энергоустановки. Полученные решения будут применены при создании опытного образца автономного источника электроэнергии на водороде в следующем году. 

Основы водородного топлива | Департамент энергетики

Управление технологий водорода и топливных элементов

Водород — это чистое топливо, при потреблении которого в топливном элементе образуется только вода. Водород можно производить из различных внутренних ресурсов, таких как природный газ, атомная энергия, биомасса и возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия и ветер. Эти качества делают его привлекательным вариантом топлива для транспорта и производства электроэнергии. Его можно использовать в автомобилях, в домах, в портативных источниках питания и во многих других областях.

Водород — энергоноситель, который можно использовать для хранения, перемещения и доставки энергии, произведенной из других источников.

Сегодня водородное топливо можно производить несколькими способами. В настоящее время наиболее распространенными методами являются конверсия природного газа (термический процесс) и электролиз. Другие методы включают солнечные и биологические процессы.

Термические процессы

Термические процессы для производства водорода обычно включают паровой риформинг, высокотемпературный процесс, в котором пар реагирует с углеводородным топливом с образованием водорода. Многие виды углеводородного топлива могут быть преобразованы для производства водорода, включая природный газ, дизельное топливо, возобновляемое жидкое топливо, газифицированный уголь или газифицированную биомассу. Сегодня около 95% всего водорода производится путем паровой конверсии природного газа.

Узнайте больше о:

• Конверсия природного газа
• Газификация угля
• Газификация биомассы
• Конверсия возобновляемого жидкого топлива.

Электролитические процессы

Воду можно разделить на кислород и водород с помощью процесса, называемого электролизом. Электролитические процессы происходят в электролизере, который во многом похож на топливный элемент, но наоборот: вместо того, чтобы использовать энергию молекулы водорода, как это делает топливный элемент, электролизер создает водород из молекул воды.

Узнайте больше о производстве электролитического водорода.

Солнечные процессы

Процессы, основанные на использовании солнечной энергии, используют свет в качестве агента для производства водорода. Есть несколько процессов, управляемых солнечными лучами, в том числе фотобиологические, фотоэлектрохимические и солнечные термохимические. Фотобиологические процессы используют естественную фотосинтетическую активность бактерий и зеленых водорослей для производства водорода. В фотоэлектрохимических процессах используются специальные полупроводники для разделения воды на водород и кислород. Солнечное термохимическое производство водорода использует концентрированную солнечную энергию для запуска реакций расщепления воды, часто вместе с другими веществами, такими как оксиды металлов.

Узнайте больше о фотобиологических процессах, солнечных термохимических процессах и фотоэлектрохимических процессах.

Биологические процессы

В биологических процессах используются микробы, такие как бактерии и микроводоросли, и они могут производить водород посредством биологических реакций. При микробной конверсии биомассы микробы расщепляют органические вещества, такие как биомасса или сточные воды, с образованием водорода, а в фотобиологических процессах микробы используют солнечный свет в качестве источника энергии.

Узнайте больше о производстве биологического водорода путем преобразования микробной биомассы и фотобиологических процессов.

Водород — Топливо и технологии

Ключевые результаты

Мировой спрос на водород по секторам в сценарии Net Zero, 2019–2030 гг.

Открытьразвернуть

Мировой спрос на водород продолжает расти, но необходимы более быстрые действия для достижения цели по нулевым выбросам к 2050 году

Импульс за водородом оставался сильным в течение прошлого года. Девять стран, на которые сегодня приходится около 30% глобальных выбросов энергетического сектора, опубликовали свои национальные стратегии на 2021–2022 годы.

Что касается предложения, то мощность производства электролизеров удвоилась по сравнению с прошлым годом, достигнув почти 8 ГВт в год; а реализация всех находящихся в стадии разработки проектов может привести к установленной мощности электролизеров к 2030 году на уровне 134-240 ГВт, что вдвое больше, чем ожидалось в прошлом году.

Тем не менее, эти заслуживающие похвалы разработки по-прежнему ниже того, что необходимо для реализации сценария «Нулевые выбросы к 2050 году». Требуются более быстрые действия по созданию спроса на водород с низким уровнем выбросов и привлечению инвестиций, которые могут ускорить масштабирование производства и развертывание инфраструктуры.

Водород: отслеживание прогресса, 2022 г., круговая стрелка

Кумулятивное сокращение выбросов за счет мер по смягчению последствий в сценарии Net Zero, 2021–2050 гг.

Открытьразвернуть

Водород становится все более важной частью головоломки с нулевыми выбросами к 2050 году

Ключевыми столпами обезуглероживания глобальной энергетической системы являются энергоэффективность, изменение поведения, электрификация, возобновляемые источники энергии, водород и топливо на его основе, а также CCUS. Важность водорода в Сценарии чистых нулевых выбросов отражается в его растущей доле в кумулятивных сокращениях выбросов. Таким образом, устойчивый рост спроса на водород и внедрение более чистых технологий для его производства позволяют водороду и топливу на его основе избежать выбросов CO2 до 60 Гт в 2021–2050 годах в сценарии нулевых выбросов, что составляет 6% от общего совокупного сокращения выбросов.

Global Hydrogen Reviewcircle-arrow

Исследуйте больше данных

Datacircle-стрелка

набор данных карты

набор данных карты

Анализ

Весь анализкруг-стрелка

Наша работа по водороду

Hydrogen TCP, основанная в 1977 году, работает над ускорением внедрения и широкого использования водорода в сферах производства, хранения, распределения, энергетики, отопления, мобильности и промышленности. Программа Hydrogen TCP направлена ​​на оптимизацию защиты окружающей среды, повышение энергетической безопасности, трансформацию глобальных энергетических систем и управление энергосистемами, а также на содействие международному экономическому развитию, а также на то, чтобы служить главным мировым ресурсом для экспертизы во всех аспектах водородных технологий.

Водород TCP

События

Все событияcircle-arrow

окт 2023

Global Hydrogen Review 2023

Запуск отчета

Watch

15 апр 2023

Вклад МЭА в G7 в 2023 г.

Конференция — Саппоро, Япония

15 ноя 2022 13:00—14:30

МЭА на COP27: Расширение масштабов использования низкоуглеродной энергетики – Акцент на атомную энергетику и водород

Мероприятие — Шарм-эль-Шейх, Египет

Смотреть

22 сентября 2022 г.