Водородная энергетика проблемы и экономическая эффективность

Водородная энергетика проблемы и экономическая эффективность

С недавних пор тема водородной энергетики стала одной из самых популярных при обсуждении энергетики будущего. Это связано с тем, что летом 2021 года европейская комиссия официально представила окончательную версию водородной стратегии ЕЭС. В основе этой стратегии лежит постулат, что Евросоюз должен уменьшить свою зависимость от ископаемых энергоносителей и достичь углеродной нейтральности к 2050 году. В данной статье рассмотрены проблемы внедрения в нашу жизнь водородной энергетики в настоящий момент.

Авторы публикации

Рубрика

Технические науки

Журнал

Журнал «Научный лидер» выпуск # 28 (30), сентябрь ‘21

Поделиться

Вообще-то тема водородной энергетики появилась не сегодня и не вчера. Первый раз большой всплеск интереса к ней был в 1974 году. Произошло это на фоне первого большого кризиса нефтяного мирового рынка (известного как «нефтяное эмбарго»), вызванного действиями арабских членов ОПЕК, когда в течении года стоимость нефти выросла в 4 раза. Тогда впервые у Европейских стран появилось желание как можно меньше зависеть от внешних поставщиков. Стало понятно, что Европе тех запасов нефти и природного газа, которые добываются на её территории, точно не достаточно. Несмотря на то, что на тот момент уже было много работ среди учёных на тему применения водорода в энергетике, дальше разговоров это ничем не закончилось. Случилось это по той простой причине, что после проведенных расчетов и экспериментов был сделан вывод, что водородная энергетика на тот момент - это очень дорого. На сегодняшний день этот интерес связан исключительно с тем же - с 2009 года, т.е. с момента введения в действие третьего энергетического пакета, «директивы о восстанавливаемых источниках энергии (ВИЭ), Евросоюз и страны в него входящие снова стремятся добиться независимости от поставщиков углеводородов.

Попробуем рассмотреть текущие проблемы внедрения водорода, как основного источника энергии в нашу жизнь.

Если водород становится энергетическим ресурсом - для него возникает точно такие же вопросы как для любого другого природного ресурса - сколько денег нужно на то чтобы его, в данном случае, не добыть, а произвести? в чём его хранить? как его транспортировать? при помощи каких способов его можно сжигать или использовать в топливных элементах?

Один из аргументов тех, кто агитируют сейчас за водородную энергетику то, что при использовании водорода в качестве энергетического ресурса главным преимуществом будет отсутствие при его получении и сжигании углекислого газа. Это обусловлено тем, что в обычных случаях, при получении водорода при помощи электролиза воды на выходе ничего кроме H2 т.е. водорода и О т.е. кислорода ничего нет. А при сжигании водорода образуется только водяной пар (забудем о том, что водяной пар – это один из парниковых газов). Но тут возникает другая проблема. Все дело в том, что процесс сжигания происходит в атмосферном воздухе. А в атмосфере нашей планеты содержится не только кислород, в ней ещё присутствует также азот, причем в значительно большем количестве. Если кислорода в атмосфере около 21 %, то доля азота составляет чуть более 78%, а оставшийся 1% это небольшие примеси всего прочего (углекислый газ, аргон, гелий и т.д.). Температура горения водорода составляет более 2000 градусов. При его сгорании в атмосферном воздухе, включается так называемый механизм Зельдовича. Данный механизм начинает действовать при температуре свыше полутора тысяч градусов. Неважно, что горит - при этой температуре начинают взаимодействовать азот и кислород в составе атмосферного воздуха с образованием окиси азота (NO). Окись азота не имеет запаха и цвета, но при вдыхании может связываться с гемоглобином крови, переводя его в форму, не способную переносить кислород.

При комнатной температуре и атмосферном давлении происходит окисление окиси азота и образование оксида азота (NO2). Оксид азота – ядовитый газ с удушающим действием, в высоких концентрациях раздражает лёгкие и может приводить к серьезным последствиям для здоровья. Он легко может проникать в капилляры легких, где вызывает воспаление и астматические процессы. Высокая концентрация оксида азота сначала дает неприятное ощущение жжения, при дальнейшем повышении вызывают летальный исход. Более низкие концентрации могут вызвать головную боль, проблемы с пищеварением, кашель, появляется коньюктивит, ринит, фарингит, слезотечение, мокрота, растёт температура, появляется одышка, тахикардия, цианоз, судороги, чувство страха и без вмешательства со стороны медиков может привести к летальному исходу. Из прочих последствий, к которым приводит соединение оксида азота с парами воды в атмосфере - это образование азотной кислоты и в последствии, выпадение её на поверхность земли в виде кислотных дождей.

Если электростанция, которая сейчас работает на природном газе или на угле, в качестве энергетического ресурса будет использовать водород, мы получим эти соединения в воздухе. Когда нам говорят о том, что наиболее вреден исключительно углекислый газ - это только часть правды. Углекислый газ, как считает часть ученых, даёт вклад в глобальное потепление, а оксид азота в свою очередь приводит к болезням и смертям. Бороться с этим на электростанциях можно, но для этого надо устанавливать дополнительно оборудование и заниматься сепарацией атмосферного воздуха - разделять азот и кислород с тем, чтобы в топках электростанции горел только водород и кислород. Это первая часть технических проблем при сжигании водорода.

 Следующим аргументом приводят экономическую эффективность применения водорода в энергетике. Удельная теплота сгорания 1 кг метана около 50 мегаджоулей, удельная теплота сгорания 1 кг водорода около 130 мегаджоулей, а значит при сжигании водорода можно получить больше энергии, а следовательно производство электроэнергии становится в разы дешевле. Однако простой пересчет говорит об обратном.  Совершенно непонятно почему надо считать в килограммах, мы не проводим через газотранспортную и газораспределительных систем килограммы, мы проводим кубометры. Так, 1 кубометр природного газа это 657 г при нормальных условиях (при обычном атмосферном давлении и 20° Цельсия). При тех же условиях кубометр водорода весит около 90 г, т.е. в 7,3 раза легче чем метан. Тогда для того, чтобы получить 130 мегаджоулей, о которых мы говорили, требуется более 11 кубометров водорода, либо около 4 кубометров природного газа.

Следовательно и через газораспределительную систему надо прокачивать в 3 раза больше газа.  Оборудование, которое используется в системе на такие объемы не рассчитано, а следовательно все компрессорные и дожимные станции надо менять, потому что будет другое давление, либо менять трубы потому что будет другой диаметр и так далее. Тем более, что внутри распределительных систем городов не используется настолько высококачественные сплавы, как в газотранспортной системе.

Вторая часть проблемы связана с температурой горения в две с половиной тысячи градусов. У природного газа и угля температура горения на 1000 градусов меньше, т.е. действующее оборудование электростанций на такую температуру не рассчитано. Соответственно, если мы температуру горения повышаем, нам нужны использовать более жаропрочные материалы и сплавы для всего оборудования электростанций и водородного транспорта. Перейти на водородное топливо - это значит закрыть все имеющиеся электростанции, потому что их необходимо будет переоборудовать, причём не только сами топки, но и соответственно все воздуховоды, турбины и другое оборудование.

Наиболее продвинутой страной по части водородной энергетики на день сегодняшний считается Япония. После катастрофы на АЭС «Фукусима» в стране были закрыты все атомные электростанции. Страна, у которой всегда был положительный торговый баланс, тут же стала его иметь отрицательным, потому что своих энергетических ресурсов нет. Япония стала и до сих пор остается страной номер один в мире по объемам импорта сжиженного природного газа. Стремление уйти от всего ископаемого топлива, которое приходится покупать, привозить, тратить деньги достаточно большое. Несколько лет назад объединенными усилиями компании Mitsubishi Hitachi Power System был проведён эксперимент, в котором проверяли, что будет происходить с оборудованием электростанций, если вместо природного газа использовать его смесь с водородом.

Был использован подход, когда количество водорода в газовой смеси постепенно добавляется.  Максимальное значение, до которого они дошли – это  30% водорода в этой смеси,  потому что дальше повышение температуры начало вызывать проблемы с работой оборудования. До 30%, как выяснилось, можно ничего не менять - выдерживают топки, выдерживают турбины и всё остается в порядке. При этом КПД электростанции повысился на 10%, количество выделяемого углекислого газа уменьшилась на 6%. В 2018 году подобными работами решили заняться в компании Kawasaki, на одной из своих электростанций в Японии. В результате они присоединились к мнению высказанному специалистами Mitsubishi Hitachi о том, что оптимальный вариант это добавка 20% водорода в смеси, которая сгорает в топках. Оборудование позволяет такую смесь использовать и тогда не надо заниматься его полной заменой.

Если речь пойдет о поставках вот такой смеси, тогда действительно справедливо высказывание о том, что существующую систему, рассчитанную на природный газ, можно использовать для подачи водорода. Да можно, но только до этих 20%, которые вычислены опытным путём специалистами в Японии.

Для домашних хозяйствах и газораспределительных сетей переход на водород также столкнется с массой проблем. Если у нас вместо природного газа в наши плиты будет подаваться водород, то температура горения в конфорке 2,5 тысячи градусов повлечет за собой замену всей посуды, используемой для приготовления пищи и кухонного газового оборудования соответственно. Готовить пищу придётся при открытых настежь окнах или обеспечении системы вентиляции для предотвращения образования оксидов азота.  

В свою очередь Газпром провёл свои опыты по испытаниям трубопроводной системы. Когда строились газопроводы, никто возможность перекачки водорода не закладывал. В трубах использовались те сплавы, которые рассчитаны именно на природный газ. Выяснилось, что сталь наших новых газопроводов, в частности Северного потока-1, Северного потока-2, в соответствии с техническими условиями, обеспечивает прохождение смеси при добавке до 30% водорода в смесь, газопровод Ямал-Европа – до 20%. При большей концентрации водорода он начинает вступать в химическое соединение   металлами и происходит процесс корродирования. При этом водород проникает внутрь кристаллической решётки и через какое-то время обычные металлические сплавы перестают быть сплавами и становятся хрупкими, они крошатся и так далее. Таким образом, необходимо будет разрабатывать специальные сплавы, либо специальные покрытия для производимых труб. Однако газоперекачивающая аппаратура (компрессорные станции, газоперекачивающие аппараты и др.) технически способны выдержать только 10% водорода в газовой смеси. Таким образом для транспортировки водородного топлива придется строить новую трубопроводную систему, либо же полностью перестраивать имеемую для природного газа. Какие суммы вложений денежных средств это за собой повлечет никто не просчитывал.

 Стоимость килограмма водорода, которую на сегодняшний день можно получить на базе комплексов ВИЭ и электролиза составляет порядка 8 долларов за килограмм. Но тогда и стоимость электроэнергии будет в 5-6 раз выше, чем имеемая сейчас. Международное энергетическое агентство, которое тематику водородной энергетики начинает исследовать самым внимательным образом, говорит о том что в 2030 году, стоимость килограмма водорода удастся понизить до 4,3 долларов за килограмм. Но для того чтобы цена электроэнергии, вырабатываемой при помощи водорода, сравнялась с традиционными, необходимо чтобы стоимость была ниже 2 долларов. Когда это произойдет? Неизвестно. 

Таким образом, если вы хотите получать те же мегаджоули, которые получали при сгорании природного газа, надо прокачивать в 3 раза больше водорода, надо поменять всё оборудование электростанций и газораспределительных систем полностью. Цена водорода в обозримом будущем будет высока. Кроме того, в энергетике есть такой показатель как отношение энергозатрат на единицу энергетического ресурса. Так вот, ЭРОЭ такой показатель для природного газа, угля в сотни раз выше, чем водорода, потому что его сначала надо произвести, потом надо придумать, как его хранить, потом надо придумать, как его доставить, потом надо придумать, как его использовать. Таким образом можно сделать вывод, что ни о какой экономической эффективности водородной энергетики говорить пока не приходится.

В том случае если водород начнет массово использоваться в энергетике для того чтобы вырабатывать электроэнергию и тепловую энергию и так далее возникает вопрос: Как его хранить? Как его поставлять? С учетом плотности водорода для хранения его необходимо либо замораживать, как поступают при сжижении природного газа, но для этого потребуется температура не минус 160 градусов, а минус 260 градусов. Т.е. необходимо ещё больше потребности в электроэнергии для того, чтобы его безопасно хранить.

Второй вариант - это повышать давление в системах. Мы уже рассмотрели, что привычно допустимое в магистральных газопроводах давление в 200-300 атмосфер недостаточно. Давление для водорода должно быть в 3 раза выше, чем в существующих системах газопроводов, как магистральных, так и распределительных т.е. около 700 атмосфер. Таких систем пока нет.

Именно по причинам того, что хранение и транспортировка на данный момент являются очень дорогими и сложными процессами, в настоящее время водород производится в небольшом количестве и в основном для собственного потребления. Т.е. например, произвели водород и тут же его использовали для производства минеральных сельхоз удобрений. 

Водородные автомобили. Какие у них перспективы и проблемы.

Первая проблема такая же, как у электростанций - это если реакция горения водорода с кислородом будет использоваться в автомобилях, соответственно возрастает количество оксидов азота. Следовательно, возникает необходимость установки оборудования для сепарирования атмосферного воздуха на автомобиль. Что повысит массу и стоимость очень значительно.

Следующая проблема связана, прежде всего, с хранением водорода в небольших объемах. Наиболее продвинутые в этом отношении японские компании в последних моделях автомобилей на водородном топливе, под сиденьем водителя устанавливают бак, в который закачен водород, которого хватает на то чтобы проехать порядка 500 км. При этом давление в этом баллоне 700 атмосфер. Ёмкость для баллона изготавливается из композитного материала, прочность которого проверяется на способность выдерживать любые удары (вплоть до стрельбы из стрелкового оружия) и повышение температуры. Еще одна особенность, это то что если происходит где-то разгерметизация, то происходит взрыв и весь баллон раскрывается как тюльпан. Поскольку водород как химический элемент, крайне легкий весь газ поднимается вверх. Известно, что при соединении с кислородом в атмосфере водород становится пожароопасен. Таким образом, на настоящий момент водородный автомобиль - это бомба на колёсах. Также возникает цепь вопросов: нужна система заправок, а если для хранения требуется давление 700 атмосфер, то как хранить водород на этих АЗС?

В соответствии с директивой европейской комиссии к 2050 году необходимо отказаться от всей углеродной энергетики. Каким образом? Каких денег это потребует? Сколько будет стоить? Готовых расчетов ещё нет, но задача за 30 лет перестроить абсолютно всё. Нет решения о том, как будут работать электростанции новых типов, нет решения, что будет с газораспределительной системой - может быть от ней вообще тогда стоит отказаться, весь жилой фонд перевести исключительно на электрические плиты. Вопросов пока больше чем ответов.

Список литературы

  1. Ванин А.Ф. Оксид азота: регуляция клеточного метаболизма без участия клеточных рецепторов / Биофизика-2001. Т26 №4
  2. Голдовская Л.Ф. Химия окружающей среды: Учебник для вузов. – М.: Мир, 2005. – 296 с., ил., с.158-165

Предоставляем бесплатную справку о публикации,  препринт статьи — сразу после оплаты.

Прием материалов
c по
Осталось 2 дня до окончания
Размещение электронной версии
Загрузка материалов в elibrary