Завод по производству водорода на солнечных панелях
На мой взгляд, в своём стремлении во что бы то ни стало «озеленить» энергетику будущего мировое сообщество – включая и научное, сошло с ума. Подавай им возобновляемые источники энергии, и только. Причём, им мало МВт-часов, вырабатываемых ветровыми генераторами и солнечными панелями, подай им ещё и «чистый водород» в качестве топлива для транспортных средств.
И причина тому, на первый взгляд, очевидная – при сжигании 1 кг водорода выделяемая энергия кратно превышает энергию, выделяемую при сжигании 1 кг всех других видов топлива, что иллюстрирует приведенная ниже диаграмма
Вот что заявил ещё в 2019 году вице-президент Air Liquide – мирового лидера по водородной энергетике, Пьер-Этьен Франк:
«Переход на водородное топливо – это уже не вопрос инноваций. У нас есть все необходимые технологии, чтобы его осуществить. Сейчас важно наращивать производственные мощности и выстроить полноценную заправочную инфраструктуру наравне с существующей «ископаемой», и здесь важна поддержка государства, а главное, инвесторов, заинтересованных в создании новых бизнес-моделей для эры чистого топлива».
Так что, водород и только водород или что-то иное? Вот об этом мы подробно поговорим, но в начале посмотрим на проблему в целом.
И так, мы хотим перейти на возобновляемые источники энергии – в основном на ветровую и солнечную генерацию. Ветрогенераторы и солнечные панели вырабатывают электроэнергию неравномерно – объем выработки зависит от погодных условий. Значит, обязательно должна быть и «базовая» генерация, которая мало зависит от погоды. Пусть это будут ГЭС, а не АЭС, которые хотя и имеют очень малый углеродный след, но работают на ископаемом топливе – уране.
Из-за неравномерной работы ВИЭ может возникнуть избыток вырабатываемой электроэнергии – его мы и хотим «законсервировать» в виде водорода. Более того, теперь Европа мечтает нарастить мощности ВИЭ именно для выработки водорода, чтобы использовать его в качестве топлива для транспортных средств.
Вырабатывать водород будем способами, имеющими самый низкий углеродный след, а хранить под землёй в подземных соляных кавернах или в наземных/подземных резервуарах высокого давления.
Производство водорода
Рассмотрим только два способа получения водорода, имеющих самый небольшой «углеродный след».
Электролиз воды. Получение чистого водорода путем электролиза воды — самая очевидная и эффективная технология, и один из наиболее перспективных способов получения водорода – этого альтернативного вида топлива. Водород добывают из деминерализованной воды, а при сгорании он превращается обратно в воду.
Электролизом воды называется физико-химический процесс, при котором под действием постоянного электрического тока дистиллированная вода разлагается на кислород и водород.
По сравнению с прочими методами получения водорода, электролиз воды отличается целым рядом преимуществ. Во-первых, в ход идет доступное сырье — деминерализованная вода и электроэнергия. Во-вторых, во время производства отсутствуют загрязняющие выбросы. В-третьих, процесс целиком автоматизирован
Теоретически, на получение 1 м³ водорода электролизом требуется потратить 3,56 кВт-ч. Но реальность вносит свои коррективы.
Согласно «Нормы технологического проектирования» производства водорода методом электролиза воды – НТП 24-94, принятым в России, для получения 1 м3 водорода чистотой 99,9% потребуется 4,94-5,76 кВт-ч и 0,81 литра дистиллированной воды [на производство 1 м³ дистиллированной воды – в среднем, потребуется 0,717 кВт-ч].
И выходит – беря по максимуму, на производство 1 м³ водорода потребуется 5,77 кВт-ч, а на производство 1 кг – 64,3 кВт-ч.
Для России – при максимальных ценах 4,5 руб/кВт-ч, производство 1 кг водорода обойдётся менее $3,9. А в Германии – в октябре по цене $0,35/кВт-ч, производство 1 кг водорода обошлось бы в $22,5.
Так что у России прекрасные перспективы по экспорту водорода в Европу, так как у неё избыточные установленные электрические мощности – 245 313,25 МВт, из которых в 2020 году использовали всего 52%.
В этой связи в Минэнерго РФ была разработана Концепция развития водородной энергетики, в которой, в частности, говорится: «Россия к 2050 году намерена зарабатывать от экспорта экологически чистых видов водорода от $23,6 млрд до $100,2 млрд в год, поставляя на мировой рынок от 7,9 млн до 33,4 млн т». Документ, разработанный в Минэнерго, уже согласован с компаниями и профильными ведомствами. Более того, начата процедура согласования концепции с правительством.
Интересно, а с калькулятором – да, с обычным калькулятором Минэнерго своё предложение согласовало? Вопрос не праздный.
–Удельная теплота сгорания 1 кг водорода 119,83 МДж. Значит, при 100% КПД преобразования её в электроэнергию мы получим всего 33,3 кВт-ч. Но КПД самых лучших водородных «топливных элементов» не превышает 60%. Так что из затраченных 64,3 кВт-ч на производство 1 кг водорода на выходе – при его сгорании, получим в три раза меньше – 20.0 кВт-ч. Стоит ли «овчинка выделки»?
–На производство 1 кг водорода потребуется 9 литров дистиллированной воды; на производство тонны водорода – 9 м³. Умножьте на миллионы тонн водорода, что Минэнерго собирается производить.
Даже если взять минимальные в Концепции объёмы производства – 7,9 млн тонн водорода в год, то расход воды составит 195 тыс. кубометров в сутки – сумасшедшие цифры, хотя вполне подъёмные для российских водных ресурсов. А не лучше ли очищенную воду продавать по доллару за литр? Оторвут с руками! И заработаем больше, чем производя из воды водород.
–Водород химически агрессивный элемент. Для его экспорта потребуется особая трубопроводная сеть. Информации, во сколько десятков миллиардов евро обойдётся её сооружение в Концепции не нашел. Но то, что речь идёт о десятках миллиардов евро – не сомневаюсь, оглядываясь на строительство «Северный поток – 2». И сколько лет потребуется на создание такой сети – в Концепции тоже не говорится.
Пиролиз метана. Пиролиз метана – это процесс, осуществляемый при высокой температуре в 1200-1500°С с последующим быстрым охлаждением продуктов реакции. В результате пиролиза образуется ацетилен и водород: 2СН₄ →С₂Н₂ + ЗН₂ — 91 ккал. При температуре выше 1500°С, ацетилен распадается на водород и «сажу» – чистый углерод, который легко поддаётся утилизации: С₂Н₂ →2С + Н₂ + 18 ккал. Однако, детального изложения в цифрах не нашел, потому не берусь судить о перспективности этого направления в производстве водорода.
к содержанию ↑Проблемы водородного топлива
Основная проблема в использования водорода в качестве топлива для транспортных средств – в его взрывоопасности, а потому в необходимости особой организации способа хранения его запасов. Не берусь обсуждать эту сложную проблему, которая затрагивается только в специзданиях. Для тех, кто хочет хотя бы прочувствовать, насколько это технологически сложная проблема, рекомендую просмотреть ролик:
Здесь же рассмотрим финансовую сторону вопроса на простом примере.
Пусть объём топливного бака автомашины равен 40 литров, в который помещается 30 кг бензина. Энергоёмкость бака с бензином составляет 1365 МДж из расчета, что теплотворность бензина равна 45.5 МДж/кг.
Коэффициент полезного действия бензинового двигателя внутреннего сгорания составляет в среднем 24%. Это значит, что в полезную работу превращается всего 328 МДж. При этом, стоимость заправки бака в 40 литров бензином Аи-95 по ценам на 9 декабря – 52 руб/л, составит 2080 рублей.
А теперь представим этот же автомобиль, но оборудованный водородными топливными элементами. Поскольку коэффициент полезного действия топливного элемента равен 60%, то запас водорода должен составлять 328/0,6 = 547 МДж. Исходя из того, что теплотворность водорода равна 120,9 МДж/кг, то количество водорода в баке должно быть не менее 547/120,9 = 4,52 кг. Если водород хранить в баке при давлении 200 кг/см², то емкость бака должна быть не менее о,26 м³, что эквивалентно 4 стандартным пропановым баллонам ёмкостью 0,065 м³ каждый.
Стоимость заправки 4-х баллонов водородом в объёме 4,52 кг составит 64,3*4,52*4,5 = 1308 рублей. Но это чисто энергозатратная часть стоимости водорода, а с учётом цены заправки стоимость возрастет не менее чем в 1,5 раза, то есть до 1962 рубля, что на 118 рублей дешевле заправки бензином.
А вот для аналогичной машины с двигателем внутреннего сгорания на водороде – с особой системой контроля кислорода в воздухе и приготовления нужной смеси, заправка обойдется как минимум в 4905 рублей.
Так что электромобили с водородными топливными элементами – вполне приемлемое решение для больших городов России, где достаточно просто создать разветвленную сеть водородных заправок с подземным его хранением. И только потому, что в России пока ещё очень дешёвый МВт-час.
А для Европы – это не приемлемое решение. Например, в Германии в октябре заправка 40-ка литрового бака 95-м бензином обходилась в $75,4. А вот заполнить эквивалентным количеством водорода – для машины с топливными элементами, обошлось бы в два раза дороже – в $153,6.
Но проблема не в том, что и насколько стоит дороже – а в создании сети водородных заправок по стране и сопутствующих служб их обеспечения. Для России в целом – и не только, она неразрешима. Наверняка это понимал и вице-президент Air Liquide Пьер-Этьен Франк, когда он волнуясь говорил об этом в 2019 году, призывая государство – Францию, помочь в решении проблемы.
к содержанию ↑Энергетика будущего
Нужно обладать очень специфическим, даже извращённым умом, чтобы мечтать о превращении электроэнергии в водород, а водород использовать для выработки электроэнергии. И преподносить это достижением своей «творческой мысли»! Хотя для России – с очень низкой себестоимостью производства МВт-часа и избыточностью установленных мощностей, этот путь «консервации» электроэнергии – вместо аккумуляторов, пока оказывается приемлемым.
Но не стоит тешить себя иллюзией, что водородное топливо спасет Землю от грядущего глобального потепления – в чём многие вообще сомневаются. Хотя беспокойство от роста числа машин на бензине и дизтопливе до миллиарда в скором времени, а потому и роста выброса СО₂, вполне обосновано. Потому расширение рынка автомашин на электрической тяге, пусть и с привычными на сегодня аккумуляторами, должно стать государственной задачей.
И по всей стране в нужных точках нужно построить Атомные станции малой мощности (АСММ) российского дизайна с реактором РИТМ-200Н, обладающих электрической мощностью 55 МВт, которые перезагружаются раз в 10 лет и имеют ничтожный углеродный след. От этих АСММ устроить разветвленную кабельную сеть “электрозаправок”, словно паутиной покрывающих всю страну. И проблема решена.
к содержанию ↑Послесловие
Возврат к строительству АЭС большой и малой мощности – в качестве базовой генерации, неизбежен и он уже начался во многих странах. Речь идет вводимых в скором времени в строй и планируемых к строительству десятках блоков разной мощности. Но здесь нас интересует ситуация с именно с АСММ, как альтернативы водородной энергетике.
Напомню, всё началось после того, как «Академик Ломоносов» – плавучая малая АЭС с реактором РИТМ-200, прибыла в порт приписки – Певек, и приступила к работе. Тогда все ведущие страны Мира закричали типа – «Мы тоже можем», и стали рисовать свои проекты Атомных станций малой мощности.
Но пока западные страны «рисовали» свои проекты и рассказывали про свои грандиозные планы, 23 декабря 2020 года Госкорпорация «Росатом» и Правительство Республики Саха (Якутия) заключили соглашение, которое закрепляет принципы тарифообразования на электроэнергию в рамках проекта сооружения АСММ на базе реакторной установки РИТМ-200Н в поселке Усть-Куйга Усть-Янского улуса.
Более того, «Росатом» стал подписывать один за другим «меморандумы о взаимопонимании» по строительству «ядерных центров» и АСММ с разными странами из Африки, Азии и Южной Америки. И таких стран уже шесть, где уже ведутся проектно-изыскательные работы или начато непосредственно строительство объектов (пока «Ядерные центры»).
И вот из последнего: в сентябре текущего года на генеральной конференции МАГАТЭ «Росатом» и компания-оператор атомных электростанций Бразилии Eletronuclear подписали меморандум о взаимопонимании, среди прочего предполагающего сотрудничество в области строительства и обслуживания атомных станций большой и малой мощности.