Водород топливо: Что такое водородное топливо, когда будем заправлять в автомобили

Автозаправка сможет получать топливо из воздуха

Российские ученые сделали и уже подключили к автозаправке первый отечественный электролизный генератор газа, способный производить водород с чистотой 99,999%. Это делает заправку автономной – топливо она получит из воды.

Водородный электролизер – устройство, способное разделять компоненты жидкости при помощи электрического тока, – разработан компанией «Поликом» на базе Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) «Новые и мобильные источники энергии». С его использованием заправка становится независима от внешних поставок газа. По сравнению с обычной бензиновой заправка, для которой водород поставляется в баллонах, в 5–6 раз дороже в эксплуатации. Электролизер эту диспропорцию выравнивает. Прибор использует электричество и воду – эти ресурсы, даже с учетом системы водоподготовки, есть на любой заправке, говорит генеральный директор «Поликома» Евгений Волков.

Внедрение водородного топлива в России делает самые первые шаги – в стране практически нет водородного транспорта, поэтому нет и инфраструктуры для его заправки. В регулярном режиме в России сейчас эксплуатируется только один-единственный автомобиль на водородных топливных элементах – Toyota Mirai. Но это только начало. Год назад правительство России приняло решение разработать программу развития национальной водородной энергетики. Это ключевой фактор глобальной энергетической трансформации, позволяющий снизить парниковые выбросы. Чтобы к 2050 г. понизить температуру окружающего воздуха на 2 градуса, нужно перевести на водородное топливо 400 млн частных автомобилей, 15–20 млн грузовиков и 5 млн единиц общественного транспорта, показал отчет аналитического центра Hydrogen Council. Данные легли в основу программы Центра компетенций НТИ «Водородная Россия – 2050». Один из этапов программы – создание водородной трассы Москва – Казань со всей необходимой инфраструктурой. А также постепенное внедрение в России водородных автомобилей.

В ноябре 2020 г. компания «Эвокарго» объявила о выпуске беспилотного грузовика EVO-1. Он полностью основан на российских разработках, оснащен гибридной системой питания от электрических батарей и водородных топливных элементов, говорилось в официальном сообщении компании. В перспективе грузовики «Эвокарго» смогут пользоваться водородными заправками «Поликома», отметили в офисе НТИ. Понятно, что водородные заправки будут востребованы, когда будут реализованы масштабные транспортные проекты на водороде – пассажирские перевозки, грузовой и коммунальный транспорт.

Человечество более 50 лет ищет альтернативу традиционным моторам, и одна из возможных замен – двигатели, работающие на водороде. При сгорании водорода не образуется токсичных выбросов, он совершенно экологически безопасен, рассказывает генеральный директор «Донэнерго», эксперт в области энергетики и электротранспорта Сергей Сизиков. Минусы водорода – его стоимость и взрывоопасность, а также то, что для его добычи нужен целый производственный комплекс и не в каждом регионе он есть. Водородный транспорт существует пока в виде проектов – в основном ими занимаются крупные автомобильные компании, которые вместе с учеными разрабатывают соответствующие концепты. Из-за взрывоопасности технология не получила распространения в повседневной жизни – мировые производители в качестве основного вектора выбрали электротранспорт, эта технология уже используется людьми и на данный момент электрические гибриды существенно перспективнее водородных, заключает Сизиков. Так что на данный момент водородная технология является скорее научной, чем практической.

Водород — топливо будущего — ITC.ua

Популярность электромобилей в последнее время несколько задвинула на второй план авто на топливных элементах. Тем не менее водород готовится дать бой электричеству, и сегодня мы посмотрим на перспективы этого элемента в энергетическом будущем планеты. Водород — это самый простой и распространенный химический элемент во вселенной, на долю которого приходится 74% всей известной нам материи. Именно водород используется звездами, в том числе и Солнцем, для высвобождения огромного количества энергии в результате термоядерных реакций.

Несмотря на свою простоту и распространенность, на Земле водород в свободной форме не встречается. За счет своего легкого веса он либо поднимается в верхние слоя атмосферы, либо вступает в связь с другими химическими элементами, например с кислородом, образуя воду.

Интерес к водороду, как к альтернативному источнику энергии, в последние десятилетия вызван двумя факторами. Во-первых, загрязнением окружающей среды ископаемым топливом, являющимся основным источником энергии на данном этапе развития цивилизации. И, во-вторых, тем фактом что запасы ископаемого топлива ограничены и по оценкам экспертов будут истощены приблизительно через шестьдесят лет.

Водород, как впрочем и некоторые другие альтернативы, является решением вышеперечисленных проблем. Использование водорода приводит к нулевым загрязнениям, поскольку в результате выделения энергии побочными продуктами являются лишь тепло и вода, которые могут быть использованы повторно для других целей. Запасы водорода также очень сложно истощить, учитывая что он составляет 74% вещества во Вселенной, а на Земле входит в состав воды, которой покрыто две трети поверхности планеты.

Получение водорода

В отличие от ископаемых источников энергии (нефти, угля, природных газов), водород не является готовым к использованию источником энергии, а считается ее носителем. То есть взять водород в чистом виде как уголь и использовать для получения энергии невозможно, необходимо сначала потратить некоторую энергию для того чтобы получить чистый водород пригодный для использования в топливных элементах.

Поэтому водород нельзя сравнивать с ископаемыми источниками энергии и более коректна аналогия с батареями, которые предварительно необходимо зарядить. Правда батареи перестают работать после разряда, а водородные элементы могут производить энергию до тех пор пока будут снабжаться топливом (водородом).

Наиболее распространенным и недорогим методом получения водорода считается паровой риформинг, в котором используются углеводороды (вещества состоящие исключительно из углерода и водорода). Во время реакции воды и метана (Ch5) при высоких температурах выделяется большое количество водорода. Недостатком метода является то, что побочным продуктом реакции является углекислый газ, поступающий в атмосферу точно так же как и при сжигании ископаемого топлива, что соответственно не снижает выбросы парниковых газов несмотря на использование альтернативного источника энергии..

Возможно и прямое применение некоторых природных газов непосредственно в водородных топливных элементах в качестве альтернативы. Это позволяет не затрачивать энергию на получение водорода из газа. Стоимость таких топливных элементов будет ниже, однако при работе на природном газе в атмосферу также будут попадать парниковые газы и другие токсические элементы, что не делает такие газы полноценной заменой водороду.

Получить водород можно и в процессе электролиза. При пропускании электрического тока через воду, происходит ее разделение на составляющие химические элементы в результате чего получают водород и кислород.

Помимо привычных способов сейчас тщательно исследуются альтернативные пути получения водорода. Например, при наличии солнечного освещения продуктом жизнедеятельности некоторых водорослей и бактерий также может быть водород. Некоторые из этих бактерий могут производить водород прямо из обычных бытовых отходов. Несмотря на относительно низкую эффективность этого метода, возможность перерабатывать отходы делает его достаточно перспективным, особенно с учетом того что эффективность процесса постоянно повышается в результате создания новых видов бактерий.

Совсем недавно на горизонте появился еще один перспективный способ получения водорода с применением аммиака (Nh4). При разделении этого химического вещества на составляющие получается одна часть азота и три части водорода.

Наилучшими катализаторами таких реакций являются дорогостоящие редкие металы. Новый способ вместо одного редкого катализатора использует два доступных и недорогих вещества, соду и амиды. При этом эффективность процесса сопоставима с наиболее результативными дорогими катализаторами.

Помимо низкой стоимости данный метод примечателен и тем что аммиак проще хранить и транспортировать по сравнению с водородом. А в необходимый момент водород можно получить из аммиака просто запустив химическую реакцию. По неподтвержденным пока прогнозам использование аммиака позволит создать реактор объемом не более 2-литровой бутылки, достаточный для производства водорода из аммиака в количествах достаточных для использования автомобилем обычных размеров.

Аммиак на данный момент транспортируется в огромных количествах и широко применяется в качестве удобрения. Именно это химическое вещество делает возможным выращивание практически половины еды на Земле, и возможно в будущем станет одним из важнейших источников энергии для человечества.

Сферы применения

Водородные топливные элементы могут применяться практически в любом виде транспорта, в стационарных источниках энергии для домов, а также в небольших портативных, иногда карманных устройствах, для генерирования электричества, используемого другими мобильными устройствами.

Еще в 70-х годах прошлого столетия водород начали применять в NASA для вывода ракет и космических шатлов на орбиту Земли. Водород используется и позже для получения электричества на шатлах, а также воды и тепла в качестве побочных продуктов реакции.

На текущий момент наибольшие усилия направлены на продвижение водорода как топлива в автомобильной индустрии.

Сравнение водородных и электрических автомобилей

Водород на обывательском уровне по-прежнему принято считать опасным химическим элементом. Эта репутация закрепилась за ним после крушения дирижабля Гинденбург в 1937. Тем не менее Администрация по энергетической информации США (EIA) утверждает что в аспектах использования водорода касающихся нежелательных взрывов, этот элемент как минимум так же безопасен как и бензин.

На текущий момент очевидно, что если не произойдет очередной технологической революции, то машины ближайшего будущего будут преимущественно либо электрическими, либо водородными, либо гибридными формами этих двух технологий и бензиновых авто.

У каждого из вариантов развития автоиндустрии есть свои преимущества и недостатки. Заправочные станции под водородное топливо гораздо проще сделать на базе текущих бензиновых заправок, чего не можно сказать об инфраструктуре для электического «заряда» транспортных средств.

В определенном смысле разделение на водородные и электрические автомобили является искусственным, поскольку в обоих случаях машина использует электричество для движения. Только в электрокарах оно запасено в более привычной для нас форме непосредственно в аккумуляторах, а в топливных элементах вещество, которое в результате реакции будет переводить химическую энергию в электрическую, можно добавить в любой момент.

Заправка водородом по времени сравнима с заправкой бензином, и занимает несколько минут, а вот полный заряд электрических аккумуляторов на текущий момент в лучшем случае производится за 20-40 минут. С другой стороны электромобили обладают тем преимуществом что их можно подключать к розетке непосредственно дома, и если делать это ночью то можно экономить на электро-тарифах.

Экологичность

Поскольку ни электричество, ни водород не являются природными источниками энергии, в отличие от ископаемого топлива, то на их получение необходимо затратить энергию. Источник этой энергии и становится решающим фактором в экологичности как водородных, так и электрических автомобилях.

Для получения водорода требуется либо тепло, либо электрический ток, которые в жарких и солнечных регионах планеты могут быть получены сбором солнечной энергии. В холодных странах, например Скандинавии, уже сейчас упор делается на более подходящем для этого климата источнике зеленой энергии, на ветряных станциях, которые с таким же успехом могут принимать участие в производстве водорода с помощью электролиза.

Примечательно что водород в таком случае может использоваться и для хранения неиспользуемой энергии, например при выработке ночью.

Учитывая обязательную стадию получения водорода и электричества, нулевой уровень выбросов таких автомобилей зависит от того каким способом была получена первичная энергия. Именно поэтому между обоими типами транспортных средств соблюдается паритет и ни один нельзя причислить к более экологическому средству передвижения.

Шум

Ничью можно констатировать и сравнив шумность этих видов транспорта. В отличие от традиционных, новые двигатели работают гораздо тише.

По этому поводу можно вспомнить известный закон красного флага регулирующий появление первых автомобилей в 19 веке. Согласно самым жестким формам этого закона транспортное средство без лошадей не могло перемещаться в черте города со скоростью превышающей 3.2 км/ч. При этом предвосхищяя движение автомобиля за несколько минут до его появления по дороге должен был идти человек с красным флагом, предупреждающий о появлении транспорта.

Закон красного флага был принят в связи с тем что новые транспортные средства перемещались относительно бесшумно по сравнению с каретами и могли стать причиной аварий и травм, по крайней мере по мнению судей того времени. Проблема, хоть и была преувеличена, но все же спустя полтора века мы можем стать свидетелями новых подобных законов в связи с бесшумностью новых типов двигателей. Электрокары и авто на топливных элементах вряд ли работают громче первых транспортных средств, а вот скорость их перемещения в городской черте сейчас явно выше 3 км, что делает их потенциально опасными для пешеходов. В той же Формула 1 сейчас задумываются об усилении звука моторов с помощью искусственной озвучки. Но если в автогонках это делается для повышения зрелищности, то в новых автомобилях появление искусственного источника шума может стать требованием безопасности.

Отрицательные температуры

Автомобили на топливных элементах, как и обычные бензиновые авто, испытывают определенные проблемы на морозе. Внутри самых батарей может содержаться небольшое количество воды, замерзающее при отрицательных температурах и приводящее батареи в неработоспособное состояние. После прогрева батареи будут работать нормально, однако вначале без внешнего обогрева, они либо не заводятся, либо работают некоторое время на пониженной мощности.

Дальность перемещения

Дистанция перемещения современных водородных авто составляет приблизительно 500 км, что заметно больше чем в типичных электрокарах, которые нередко могут перемещаться лишь на 150-200 км. Ситуация изменилась после появления Tesla Model S, однако даже этот электрокар способен перемещаться без дозарядки на расстояние не более 430 км.

КПД

Такие цифры достаточно неожиданны если учесть КПД соответствующих типов двигателей. Для обычных бензиновых двигателей внутреннего сгорания КПД составляет приблизительно 15%. КПД авто на топливных элементах — 50%. КПД электромобилей — 80%. На данный момент концерн General Electrics работает над топливными элементами с 65% эффективностью и утверждает что их КПД может быть повышен до 95%, что позволят запасать до 10 МВт электрической энергии (после преобразования) в одном элементе.

Вес батарей и топлива

Однако слабым местом электрокаров являются сами батареи. Например в Tesla Model S она весит 550 кг, а полный вес авто составляет 2100 кг, что на пару сотен килограм больше веса аналогичного водородного транспортного средства. Вес этой батареи к тому же не уменьшается по мере преодоления дистанции, в то время как выработанное топливо в бензиновых и водородных автомобилях постепенно делает машину легче.

Выигрывают водородные элементы и в плане хранения энергии в пересчете на единицу массы. В плане плотности энергии на единицу объема водород не так хорош. При обычных условиях этот газ содержит лишь треть энергии метана в одинаковом объеме. Естественно водород хранится при транспортировке и внутри топливных батарей в жидком или сжатом виде. Но даже в этом случае количество энергии (Мегаджоулей) в одном литре проигрывает показателям бензина.

Сильные стороны водорода проявляются при пересчете энергии на единицу веса. В этом случае он уже в три раза превосходит бензин (143 МДж/кг против 47 МДж/кг). Выигрывает водород по этому показателю и у электрических батарей. При одинаковом весе водород имеет вдвое больший запас энергии чем электрическая батарея.

Хранение и транспортировка

Определенные сложности возникают и при хранении водорода. Наиболее эффективная форма для транспортировки и хранения этого химического элемента — жидкое состояние. Однако добиться перехода газа в жидкую форму можно лишь при температуре в -253 градуса Цельсия, что требует специальных контейнеров, оборудования и немалых финансовых затрат.

2015 год

Toyota, Hyundai, Honda и другие производители авто в течение многих лет вкладывали большие средства в исследование водородных топливных элементов и в 2015 году собираются представить первые автомобили стоимость и характеристики которых позволят рассматривать их как альтернативу другим видам транспорта. Машина на топливных элементах в 2015 году должна быть среднеразмерным 4-дверным седаном с возможностью преодоления как минимум 500 км без дозаправок, которые будут длиться не более пяти минут. Стоимость такого авто должна находиться в диапазоне от $50 тыс до $100 тыс. Таким образом стоимость водородных авто снизилась на порядок в течение одного десятилетия.

Как должно быть очевидно из списка автопроизводителей, Япония станет одним из центров развития водородных автомобилей. Интересно что одним из главных рынков для этих авто станет территория отделенная от Японии гораздо большими расстояними чем близлежащий азиатский рынок.

Калифорния уже давно имеет репутацию одного из самых прогрессивных мест на планете Земля. Именно здесь законодательство часто дает зеленый свет новейшим технологиям и изобретениям. Не стало исключением и продвижение автомобилей на альтернативном топливе.

Согласно принятому закону о транспортных средствах с нулевым выбросом (ZEV — zero-emission vehicle) к 2025 15% от всех проданных автомобилей не должны производить вредных выбросов в атмосферу. Совместно с десятью другими штатами, принявшими аналогичные законы, к 2025 году на дорогах США должно находиться около 3.3 млн ZEV.

Несмотря на то что подготовка к запуску новых автомобилей идет полным ходом, на первых этапах производителям придется столкнуться с серьезными инфраструктурными проблемами . Toyota выделила $200 млн на постройку водородных заправочных станций на территории Калифорнии, однако этих средств будет достаточно для создания лишь двадцати заправочных точек в следующем году. Даже без учета большой стоимости постройки, количество заправок будет увеличиваться достаточно скромными темпами. В 2016 году их число составит 40 штук, а в 2024 — 100 штук.

Такие размеренные сроки постройки можно легко объяснить тем что провести даже небольшую технологическую революцию за один год практически невозможно. 2015 год обозначен в календаре как год начала развития водородной автоиндустрии, однако настоящую конкуренцию машины на топливных элементах смогут составить своим конкурентам скорее всего лишь с появлением второго поколения более недорогих и надежных моделей, которые ожидаются к 2020 году, и появятся на дорогах с уже более-менее развитой сетью дозаправочных станций.

Несмотря на обилие японских имен среди производителей водородных авто, интересуются этим видом транспорта на других континентах. Среди известных производителей водородные планы есть у: General Electrics, Diamler, General Motors, Mercedes-Benz, Nissan, Volkswagen.

Итоги

Как это часто бывает, мир не делится на белое и черное, и водород не станет единственным источником энергии в будущем. Этот элемент совместно с другими альтеранитвными источниками энергии станет частью решения проблемы загрязнения окружающей среды и исчезновения природных ископаемых ресурсов. Перспектива данного вида топлива и водородных автомобилей начнет проясняться в 2015 году с появлением первых массовых авто на дорогах. Насколько они смогут конкурировать с электромобилями мы скорее всего узнаем в 2020 году по мере дальнейшего развития технологий и появления второго поколения топливных авто.

Заработать на водороде – Коммерсантъ Санкт-Петербург

Внедрение водородного топлива — перспективное направление и для России, и для всего мира: оно является более технологичным и экологичным. Популяризация подобных технологий связана с рядом существенных ограничений — высокой ценой топлива, необходимостью новых технологических решений для его хранения и транспортировки, а также с развитием инфраструктуры для обслуживания автомобилей. Эксперты отмечают, что экономическая выгода водородного топлива по сравнению с остальными пока неочевидна.

В начале ноября Смольный сообщил, что в Петербурге может появиться каршеринг на водородном топливе. Соответствующий проект рассматривается городом, Минпромторгом РФ и компанией Hyundai. По словам вице-губернатора Петербурга Евгения Елина, городское правительство намерено «забежать вперед и посмотреть, как это будет работать», организовав эксплуатацию таких автомобилей. Впрочем, конкретных сроков названо не было, равно как и подробностей запуска данного проекта, касающихся потенциального оператора каршеринга и количества таких машин.

Как пояснили BG в Минпромторге РФ, речь идет о развитии нового для нашей страны направления — использования, а в будущем и создания транспорта, работающего на водородном топливе. При этом «Каршеринг на водородном топливе» может стать одним из пилотных проектов, реализуемых в мегаполисах. В ведомстве также отметили, что поставщиками водородного топлива могут стать «Газпром» и «Росатом».

Найти отличия

Для начала стоит разделить два направления использования водорода в качестве топлива. «Первый — это применение его в качестве именно топлива для двигателей внутреннего сгорания. Этот вариант старше, чем использование бензина или дизельного топлива, причем почти на век. Прообраз такого двигателя появился еще в 1806 году»,— говорят эксперты «Авито Авто». С двигателями подобного типа создавали легковые модели Mazda (причем в этом случае двигатель роторный и двухтопливный), BMW (тоже двухтопливная схема), Audi, Ford, Hyundai, Toyota, Honda — и это далеко не полный список. В настоящее время в этом направлении (но не единственном и не наиболее приоритетном) работает и производитель грузовиков и автобусов MAN. Кроме того, имели место и российские, и даже еще советские разработки, отмечают эксперты. «Одним словом, это просто одна из ветвей развития современных двигателей. Как для легковой, так и для грузовой техники, для железнодорожных локомотивов и даже для авиации»,— заключают они.

Второе направление — относительно новое и считающееся одним из наиболее перспективных — это водородные топливные элементы, то есть системы, позволяющие использовать водород во взаимодействии с кислородом (без процесса горения) для генерации электроэнергии непосредственно на борту автомобиля. «В автомобиле с водородным двигателем, как правило, есть два бака — с водородом и воздухом, при смешивании которых выделяется электричество. Его можно использовать непосредственно для питания электродвигателя»,— рассказывает Роман Абрамов, исполнительный директор «СберАвто», добавляя, что это прекрасная на первый взгляд технология, не требующая масла, поршней, двигательных элементов, не наносящая вред окружающей среде. «Водородные топливные элементы действительно достаточно перспективны. Подобные разработки — как экспериментальные, так и серийные — также имеют многие производители, среди них Toyota, Hyundai, Mercedes, Opel, Honda, Volkswagen»,— добавляют эксперты «Авито Авто». Пионером в этой области можно назвать компанию Toyota, которая несколько лет назад представила автомобиль Toyota Mirai. «Это не концепт, а работающий продукт, который можно увидеть на улицах Японии и, думаю, в других развитых азиатских стран»,— говорит господин Абрамов. Кроме того, BMW совместно с Toyota ведет разработки для своих авто, развивают это направление Honda и Hyundai. «Какие-то попытки совершают многие производители, у Lada была «Нива» на водородном топливе. Тем не менее пока у всех, кроме Toyota, это остается на уровне экзотики и прототипов»,— указывает он.

Некоторые эксперты автоиндустрии считают, что водородный двигатель применим в первую очередь в транспортных средствах, предназначенных для коммерческого использования (например, машины такси, грузовые автомобили). В частности, такой позиции придерживается глава концерна Volkswagen Герберт Дис. «VW сделал выбор в пользу производства электромобилей, и, как отмечал Герберт Дис, одна из причин — в том, что водородный двигатель обладает большим потенциалом для использования в грузовом транспорте, чем для оснащения персональных легковых автомобилей. Одна из возможных причин такой позиции — то, что машина на водородном топливе в производстве дороже, чем авто с электрическим двигателем»,— объясняют в «Авито Авто».

Преимущества и недостатки

Необходимость перехода на водородное топливо обусловлено и климатическими, и экологическими требованиями. «В 2019 году наша страна подписала Парижскую конвенцию по климату, которая предусматривает разработку технических решений по переходу на экологические виды топлива, так называемое «зеленое» топливо. Россия имеет высокий потенциал для производства экологически чистого водорода. К 2030 году стоимость водорода станет сопоставима со стоимостью традиционных источников энергии, но в настоящее время использование «зеленого» топлива до конечного потребителя затруднительно, в том числе с финансовой точки зрения»,— замечает ректор БГТУ «Военмех» им.  Устинова Константин Иванов. При этом, по его словам, переход транспортной системы Петербурга на «зеленое» топливо потребует колоссальных инвестиций и глобальных инфраструктурных решений.

Водородное топливо — гораздо более технологичный и экологичный вид топлива, оно обеспечивает бесшумную работу, малый расход, а также полную экологичность по причине выбросов водяного пара. Такие автомобили можно очень быстро заправлять — едва ли не быстрее, чем бензиновые или дизельные, что является существенным плюсом на фоне длительной зарядки аккумуляторов. Кроме того, автомобили на топливных элементах имеют лучший запас хода.

Среди недостатков эксперты отмечают сложность и дороговизну получения водорода как топлива: в случае получения его из природных газов не снижаются углеродные эмиссии, а в случае электролиза — необходимо большое количество редкоземельных и драгоценных металлов для установки. «Однако как показало время, если развивать любую технологию, можно достичь снижения стоимости, как это было с литий-ионными батареями, стоившими сначала целое состояние»,— говорит Александр Багрецов, руководитель проектов направления «Оценка и финансовый консалтинг» группы компаний SRG.

По словам директора по административно-хозяйственной деятельности ООО «Байкал-Сервис ТК» Александра Разина, для использования водорода в качестве топлива потребуются не только энергоресурсы для его производства, но и развитая инфраструктура хранения и транспортировки — трубопроводы, железнодорожные цистерны, морские танкеры, автозаправки. «Как известно из химии, водород очень летуч и взрывоопасен. Хранение, транспортировка или использование водорода потребуют наличия высокочувствительных газоанализаторов, сверхпрочных материалов. К примеру, существующая технология водородно-воздушных топливных элементов, которая уже используется на автомобилях Honda, Toyota, Hyundai, пока не показала свою безоговорочную эффективность, так как оборудование довольно тяжелое и габаритное, а вероятность утечки чрезвычайно летучего газа снижает безопасность и требует высочайшего уровня технологий, что, безусловно, влияет на экономику проекта»,— рассуждает господин Разин.

К другим недостаткам можно отнести высокую стоимость машин, которые по своему устройству существенно сложнее бензиновых или электрических, добавляет Дмитрий Мешков, исполнительный директор ООО «Соллерс Инжиниринг». По его словам, в обозримом будущем можно говорить лишь о реализации локальных проектов, таких как создание пассажирского транспорта на водородном топливе для крупных и богатых городов. «Однако и тут не все просто, поскольку у таких автомобилей нет очевидных преимуществ перед электрическими»,— добавляет он.

По словам вице-президента Независимого топливного союза Дмитрия Гусева, практика показывает, что рост транспорта с альтернативными двигателями возможен только при создании достаточной инфраструктуры. А на стартовом этапе развитие инфраструктуры — это долгосрочные инвестиции. «Поэтому первым шагом для развития водородных двигателей будет создание сетей водородных заправок, о чем пока даже упоминания нет в «Энергостратегии-2035″»,— поясняет господин Гусев, предполагая, что в ближайшие пятнадцать лет, если не будет существенных изменений, автомобилей и заправок на водороде не планируется.

Мария Кузнецова

почему водород — это топливо будущего

Удивительные свойства водорода были обнаружены еще в XIX веке. При сжигании килограмма этого вещества производится почти в четыре раза больше энергии, чем при сжигании килограмма угля. Именно тогда люди стали использовать его для отопления и освещения, прежде чем он уступил позиции нефти и природному газу. Одной из причин тому стала очень низкая плотность, из-за которой он занимает больше места, чем эквивалентное количество того же бензина. Водород — это элемент, который есть почти везде; особенно его много в молекулах воды, которые состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Однако практически везде во Вселенной он встречается только в виде соединений, и, чтобы получить это вещество в чистом виде, его необходимо выделять. Вице-президент Air Liquide по водородной энергетике Пьер-Этьен Франк рассказал о главных направлениях применения топливных элементов и проблемах, препятствующих использованию водорода в транспорте.

Вездесущий элемент

В XXI веке поиски источников энергии, альтернативных ископаемому топливу, стали более осмысленными. В их основе лежит не только естественное для каждой экономики стремление обеспечить себе энергетическую независимость от стран, богатых природными ресурсами, но и минимизировать уже очевидный ущерб, наносимый экологии человеком. Так, экологи выяснили, что с 1976 года приземная температура воздуха на планете поднималась в среднем на 0,45 °C каждые 10 лет; причина тому — загрязнение атмосферы. А в России с ее широкомасштабной добычей полезных ископаемых и объемами промышленного производства, по данным последних исследований, потепление происходит примерно в 2,5 раза быстрее. На фоне этих изменений в 2000-х годах в Германии возник термин «энергетический поворот», который означает постепенный отказ от ископаемого топлива и переход на возобновляемую энергию. Ее источниками преимущественно выступают ветер и солнце, которые в силу природных циклов не способны генерировать энергию равномерно и непрерывно. Одно из решений этой проблемы инженеры видят в накоплении излишков энергии, выработанной в ветреные и солнечные периоды, для дальнейшего использования в часы, когда генерация электроэнергии прекращается. Но на текущем этапе развития системы хранения энергии являются слишком дорогостоящими. Другим выходом может стать использование лишней энергии для производства водорода посредством электролиза воды. Таким образом, возобновляемая энергия трансформируется в газ, пригодный для различных нужд.

Водород нужен в очень многих промышленных процессах, а инновационные методы его производства и применения могут стать ключом к декарбонизации сразу нескольких отраслей. Этот газ широко используется в микроэлектронной промышленности при производстве полупроводникового оборудования, дисплеев, светодиодных ламп и солнечных панелей. Эта самая простая из молекул обладает уникальными свойствами: имеет высокую теплопередачу и выступает эффективным восстанавливающим и травильным агентом. Водород также применяется в промышленной химии. Например, его можно сочетать с азотом для производства аммиака — основы для удобрений. Водород является реагентом, входящим в состав текстильных волокон, таких как нейлон и пенополиуретан. Он также есть в составе ряда пластиковых материалов.

Один из наиболее востребованных продуктов стекольной промышленности — плоские экраны для мониторов — по большей части производится с использованием флоат-технологии, когда на слой расплавленного легкоплавкого металла наливают слой расплавленной стекломассы. Для этой процедуры необходим водород высокой чистоты — он образует защитную атмосферу, которая позволяет создавать мониторы особого качества.

В машиностроении и металлообработке водород используется для создания защитной среды при термической обработке металлов, в которой производятся механические детали или меняются их свойства.

Еще одна отрасль, где водород в последние годы стал абсолютно необходим, — это нефтепереработка. Нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) используют водород для очистки топлива и снижения уровня содержания серы. С ростом международного спроса на дизельное топливо и ужесточением правил в отношении уровня содержания серы спрос на водород со стороны НПЗ увеличился. Само развитие данной отрасли, сопряженное с использованием более тяжелой сырой нефти и глубокой переработкой, повышает потребность в водороде, что заставляет большинство НПЗ беспокоиться о своем водородном балансе в будущем.

Хорошо забытое старое

Как топливо водород стал набирать популярность в конце XIX — начале XX века, когда люди еще только мечтали о покорении воздушного пространства. В 1783 году французский изобретатель и ученый Жак Александр Сезар Шарль изобрел воздушный шар, наполняемый водородом. Но лишь в конце XIX века немецкий граф Фердинанд фон Цеппелин выдвинул идею создания дирижаблей, работающих на водороде, которые вошли в историю как цеппелины. Цеппелин совершил свой первый полет в 1900 году. Регулярные рейсы начались в 1910 году, и к началу Первой мировой войны в августе 1914 года они перевезли 35 тыс. пассажиров без серьезных инцидентов. Во время войны цеппелины использовались немецкими войсками в качестве бомбардировщиков. Однако в 1937 году произошло крушение «Гинденбурга»: 6 мая 1937 года этот цеппелин, совершавший полет из Германии в США, загорелся в воздухе и рухнул на землю. Жертвами катастрофы стали 36 человек. Крушение «Гинденбурга» не было самой крупной подобной аварией, но получило широкий общественный резонанс и стало предвестником конца эпохи дирижаблей. Расследование обстоятельств аварии в то время показало, что причиной пожара стала утечка водорода (позже ученые выяснят, что настоящей причиной возгорания стало воздействие статического электричества с наружной легковоспламеняемой оболочкой дирижабля). Идея транспорта на водороде стала угасать.

Вновь о водороде как об эффективном источнике энергии для транспорта вспомнили в 1970-х годах, когда зависимость экономик целых стран от регулярных поставок нефти достигла предела: в 1973 году арабские страны-члены ОПЕК объявили «нефтяное эмбарго» странам, поддержавшим Израиль в ходе четвертого арабо-израильского конфликта. Возросшие цены на нефть вызвали экономический кризис в промышленных странах. В 1988 году советское конструкторское бюро «Туполев» в качестве эксперимента успешно переоборудовало коммерческий самолет Ту-154: один из трех двигателей самолета стал работать на жидком водороде. А к концу века к «водородной гонке» подключились автоконцерны: в 1994 году компания Daimler-Benz на пресс-конференции в Ульме продемонстрировала широкой публике свой первый автомобиль на водородных топливных элементах — NECAR I.

NECAR I. Фото: Mercedes-Benz

На суше и на море

И электромобиль, и водородный автомобиль работают на электроэнергии. Но если первый получает ее из внешнего источника — зарядной станции, куда энергия, как правило, поступает с традиционной электростанции, то энергия для второго создается прямо внутри него благодаря реакции водорода с кислородом воздуха в топливном элементе. Там молекулы водорода расщепляются на электроны, которые двигаются по цепи, генерируя электрический ток и избыточное тепло, и протоны, проходящие через электролитическую мембрану. На катоде протоны соединяются с электронами и молекулами кислорода, образуя воду. Таким образом, единственными побочными продуктами автомобиля на топливных элементах являются электричество, избыточные тепло и вода, которые на выходе образуют пар. Кроме того, поскольку топливные элементы не имеют движущихся частей, они работают практически бесшумно. Сегодня автомобили на водородном топливе есть у нескольких крупных производителей. Самая популярная модель — японская Toyota Mirai. Заправка таких автомобилей занимает всего 5 минут, чего хватает на преодоление более 500 км.

Toyota Mirai

Одним из наиболее успешных реализованных проектов транспорта на водороде считается запуск компанией Alstom водородных поездов в Германии в 2018 году. Первые два поезда с водородным двигателем модели Coradia iLint начали курсировать в Нижней Саксонии по 100-километровому маршруту, соединяющему Куксхафен, Бремерхафен, Бремервёрде и Букстехуде. Эти поезда способны развивать скорость до 140 км/час, что сопоставимо с дизельными поездами, которые обычно обслуживают этот маршрут. Однако дизельные поезда производят токсичные выбросы в атмосферу, а единственным отходом водородного поезда является водяной пар.

Coradia iLint

Еще одна среда, которая страдает от активного использования дизеля, — это гидросфера планеты. В судоходной отрасли сегодня эксплуатируются почти исключительно дизельные двигатели. На океанских судах в качестве топлива используется либо мазут, либо судовое дизельное топливо, а суда внутреннего плавания, например, в пределах ЕС, используют коммерческое дизельное топливо. По данным Агентства по охране окружающей среды США, в 2000 году на большие судовые дизельные двигатели пришлось около 1,6% выбросов оксида азота в США.

Проекты судов на водородном топливе появились еще в 2000-х годах, а в 2017 году на воду было спущено судно Energy Observer. Оно не является полностью водородным судном: Energy Observer функционирует не только благодаря водороду, но и за счет ветра и солнца. На нем установлены ветрогенераторы, а его поверхность покрыта солнечными панелями. Эту систему дополняет электролизер — устройство, выделяющее из воды водород и кислород методом электролиза. Полученный водород хранится в баках, и его используют, когда в силу погодных условий невозможно получить энергию ветра или солнца.

Energy Observer полностью функционирует лишь за счет возобновляемых источников энергии. Пример Energy Observer доказывает, что с помощью водорода можно создать полностью автономную энергетическую систему: водород обладает уникальной способностью регулировать дисбаланс между производством и потребностью в электроэнергии и в случае необходимости восполнять возникший энергодефицит.

Energy Observer

Мифы и вызовы

Одним из препятствий, мешающих повсеместному распространению водородного топлива, являются мифы, связанные с его использованием. К примеру, опасения по поводу взрывоопасности водорода. Они связаны с широко прогремевшим испытанием водородной бомбы в 1952 году. Водород, используемый в промышленном производстве — это стандартный атом водорода, который извлекается из молекул воды (h3О) или природного газа (СН4), используемого для отопления. Это два основных источника водорода. Водород, добываемый таким способом, существенно отличается от других видов водорода, которые имеют отношение к оружию. Термоядерная бомба — мы знаем ее как «водородную бомбу», что не совсем корректно — основана на принципе синтеза атомов дейтерия и трития. Оба элемента являются изотопами водорода, то есть разделяют с ним определенные характеристики, но не являются идентичными водороду. Для военных целей необходимо слияние дейтерия и трития, в результате которого происходит цепная реакция. Водород, используемый в промышленности, не обладает свойствами своих изотопов или реактивными характеристиками, необходимыми для термоядерной реакции.

---

Термоядерное оружие (водородная бомба) — тип ядерного оружия, разрушительная сила которого основана на использовании энергии реакции ядерного синтеза легких элементов в более тяжелые (например, синтеза одного ядра атома гелия из двух ядер атомов дейтерия), при которой выделяется энергия.

Имея те же поражающие факторы, что и у ядерного оружия, термоядерное оружие имеет намного бо́льшую возможную мощность взрыва (теоретически она ограничена только количеством имеющихся в наличии компонентов).

1 ноября 1952 года на атолле Эниветок (Маршалловы острова) под наименованием «Иви Майк» было проведено первое полномасштабное испытание двухступенчатого устройства с конфигурацией Теллера-Улама. Мощность взрыва составила 10,4 Мт, что в 450 раз превысило мощность бомбы, сброшенной в 1945 году на японский город Нагасаки.

---

Оппоненты использования водорода в качестве топлива также ссылаются на взрыв двух кислородных баллонов в аккумуляторном отсеке лунного модуля «Аполлона-13». Однако он случился не из-за утечки водородного топлива или проблемы в топливных элементах, а из-за короткого замыкания, возникшего в кабелях, подсоединенных к одному из баллонов. Риск утечки водорода действительно выше в сравнении с традиционным топливом, поскольку его молекулы малы и им легче просочиться через стенки соединения и уплотнения баллона. Но при этом водород крайне летуч, что снижает риск взрыва: он рассеивается в воздухе быстрее, чем природный газ или пары бензина.

Другой миф связан с необходимостью использования редких металлов при переходе на водородное топливо. Современные водородные топливные элементы содержат не больше платины, чем каталитические нейтрализаторы — устройства в выхлопной системе автомобиля, которые устанавливают для снижения токсичности отработанных газов. Но, в отличие от последних, топливные элементы можно перерабатывать. В соответствии с недавними исследованиями, в будущем станет возможно заменить платину на более дешевый графен (кристаллы графита) или даже бактериальные ферменты.

Помимо предрассудков, на пути развития водородного транспорта стоят и реальные вызовы. Как ни странно, самым легкорешаемым из них является ограниченный срок службы топливного элемента. Сейчас его ресурса хватает примерно на 150 тыс. км, но научные лаборатории уже активно работают над его продлением, ведь топливные элементы имеют большой потенциал и вне транспортного сектора. Другой проблемой, напрямую влияющей на распространение водородного транспорта, является его дороговизна — та же Toyota Mirai в последней конфигурации стоит около $60 тыс. По мере увеличения производства цена таких автомобилей будет снижаться, но чтобы стимулировать спрос, необходимо создавать условия для их комфортной эксплуатации — то есть развивать заправочную инфраструктуру. Ускорить этот процесс поможет государственно-частное партнерство, заинтересованное в построении «водородного» общества. Правительство Японии, например, уже разработало дорожную карту, предполагающую установку 320 станций к 2025 году, и заручилось поддержкой консорциума из почти 20 компаний — Japan h3 Mobility (JHyM). Он взял на себя обязательство разместить 80 станций в течение ближайших четырех лет. Похожая организация существует в Германии (h3 Mobility Deutschland) и также пользуется поддержкой лидеров страны. На глобальном уровне развитию водородной инфраструктуры способствует Hydrogen Council — объединение 60 глав заинтересованных международных компаний. Будучи одним из крупнейших поставщиков водорода на различные рынки, Air Liquide входит во все три организации, и наши заправочные станции уже стоят у японских и немецких дорог, а также во Франции, Нидерландах, США и ОАЭ.

Проникновение водорода во все секторы экономики способно серьезно повлиять на будущее нашей планеты. Уровень парниковых газов снизится колоссально уже за счет перевода транспорта на водородное топливо, ведь на нем могут работать не только личные автомобили, но и автобусы, поезда, грузовики, вилочные погрузчики и даже самолеты и космические ракеты. Производство водорода с использованием излишков энергии, генерируемой возобновляемыми источниками, позволит устранить один из факторов, ограничивающих развитие альтернативной энергетики — проблему хранения. Более того, это обеспечит человечество достаточным количеством «зеленого» водорода для обогрева и освещения зданий (с помощью топливных элементов и водородных турбин), а также его использования в различных отраслях промышленности.

Вспомните, как легко человечество освоило добычу нефти и газа, выстроив на них всю мировую экономику, невзирая на пагубные последствия. А теперь представьте, какие возможности может открыть топливо, производимое и используемое без выделения вредоносных побочных продуктов. И упоминал ли я, что водород — самый распространенный элемент во Вселенной?

Водород вместо нефти, газа и угля — новый тренд в Европе | Экономика в Германии и мире: новости и аналитика | DW

В Европе явно назревает водородный бум. Во всяком случае, в разных странах к нему начинают активно готовиться. В последнее время в СМИ появляется все больше сообщений о пилотных проектах с водородом — и все чаще мелькает химическое обозначение этого газа: h3.

Кто претендует на титул «водородная держава №1»

Так, в Германии сооружается крупнейшая в мире установка по его производству методом электролиза и стартует эксперимент по частичному замещению водородом природного газа в отоплении жилья. Над этим же, над заменой метана на h3 в газопроводной сети, работают и в Великобритании. В Нидерландах и Бельгии собираются протестировать речное судно на водородном топливе и создать для него систему заправки.  

Себастьян Курц обещает превратить Австрию в мирового лидера в области водородных технологий

В Австрии три ведущих концерна готовят сразу несколько совместных пилотных проектов, в том числе по использованию водорода вместо угля при производстве стали, а бывший и, вероятно, будущий канцлер, консерватор Себастьян Курц в ходе избирательной кампании выдвигает лозунг превращения своей страны в «водородную державу №1». На эту же роль претендует и Франция. Да и Германия вполне сможет побороться за такой титул.  

Пригородные электрички на водороде: лидирует ФРГ 

Ведь два пока единственных в мире водородных поезда Coradia iLint эксплуатируются именно в Германии. Более того, они уже успешно отработали свои первые 100 тысяч километров. Это произошло в июле, спустя десять месяцев после начала регулярной перевозки пассажиров по стокилометровому маршруту между городами Бремерхафен, Куксхафен, Букстехуде и Бремерфёрде. 

До конца 2021 года на этой не электрифицированной железнодорожной линии на северо-западе страны в федеральной земле Нижняя Саксония собираются полностью отказаться от дизельных локомотивов, заменив их на 14 поездов, вырабатывающих электроэнергию в топливных элементах в ходе химической реакции между водородом и кислородом. Вместо выхлопов получается вода.

Пригородная водородная электричка Coradia iLint эксплуатируется в Германии с сентября 2018 года

Такие же водородные электрички решили использовать и в федеральной земле Гессен. В мае выпускающий их французский концерн Alstom получил заказ объемом в 500 млн евро на 27 поездов, которые с 2022 года планируется использовать для пригородного сообщения с горным массивом Таунус к северо-западу от Франкфурта-на-Майне.

В результате ФРГ станет бесспорным мировым лидером в области водородного железнодорожного транспорта. Тем более, что интерес к инновационным поездам Alstom проявляют и другие федеральные земли. С некоторыми из них, сообщил глава германского филиала концерна Йорг Никутта (Jörg Nikutta) агентству dpa, он ведет сейчас «активные переговоры».   

Эксперименты с водородом в газовой сети

Немцев и в целом европейцев водород привлекает, прежде всего, из экологических соображений. При использовании h3 в атмосферу не выделяется углекислый газ CO2, самый большой виновник в парниковом эффекте и глобальном потеплении, так что более широкое внедрение водородных технологий поможет странам ЕС выполнить обязательства, взятые на себя в рамках Парижского соглашения по климату (Германия, к примеру, их пока не выполняет).

Но есть и экономический интерес. Он связан с тем, что использование такого возобновляемого источника энергии, как водород, снижает потребность в ископаемых энергоносителях, чаще всего импортируемых (в том числе из России). Например, в нефти и нефтепродуктах, на которых работают, скажем, дизельные локомотивы в том же Таунусе на не электрифицированных маршрутах.   

Впрочем, немецкая компания Avacon, начинающая пилотный проект по примешиванию к природному газу до 20 процентов водорода, в своих заявлениях говорит исключительно о защите климата. Эксперимент призван доказать, что к используемому для отопления газу можно добавлять не до 10 процентов h3, как предписывают действующие нормы, а в два раза больше. В результате сократится выброс CO2, поскольку будет сжигаться меньше углеводородного топлива.

Масштабы эксперимента скромные: он проводится в одном из районов городка Гентхин в восточногерманской земле Саксония-Анхальт. Выбрали это место потому, что имеющаяся здесь газовая инфраструктура по своим техническим характеристикам наиболее типична для всей сети компании Avacon. «Поскольку зеленый газ будет играть все более важную роль, мы хотим переоснастить свою газораспределительную сеть так, чтобы она была приспособлена к приему как можно более высокой доли водорода», — поясняет стратегическую цель эксперимента член правления Avacon Штефан Тенге (Stephan Tenge).   

Power to Gas: возобновляемая энергия, электролиз, «зеленый водород«

Под «зеленым газом» он подразумевает «зеленый водород»: так принято называть тот h3, который образуется наряду с кислородом O2 при электролизе обычной воды. Процесс этот технически весьма простой, но очень энергоемкий. Однако если использовать для него излишки электроэнергии, вырабатываемой из возобновляемых источников — ветер и солнце, то получается безвредное для климата топливо, произведенное без выбросов в атмосферу CO2.

НПЗ Shell в Весселинге: здесь будет крупнейшая в мире установка P2G по производству водорода

Собственно, начавшееся уже несколько лет назад распространение в Европе этой технологии, получившей название Power to Gas (P2G), и лежит в основе растущего европейского интереса к водороду. Так, в конце июня британо-нидерландский концерн Shell при финансовой поддержке Евросоюза (ЕС предоставил 10 из 16 млн евро) начал в Германии на территории своего нефтеперерабатывающего завода в Весселинге под Кёльном строительство крупнейшей в мире установки по производству водорода методом электролиза. До сих пор его получают здесь из природного газа.

После ввода в эксплуатацию во второй половине 2020 года мощность установки, сообщает Shell, составит ежегодно 1300 тонн водорода, который будет использоваться главным образом в производственных процессах на самом НПЗ. Но часть пойдет на то, чтобы превратить территорию между Кёльном и Бонном в модельный регион по внедрению h3, в том числе как топлива для автобусов, грузовых и легковых автомобилей, возможно — для судов, ведь Рейн в непосредственной близости.      

Будет ли Великобритания отапливаться водородом?

Тем временем в третьем по размерам британском городе Лидсе энергетическая компания Northern Gas Networks готовит пилотный проект под многозначительным названием h31, который схож с тем, что проводится в немецком Гентхине, но значительно превосходит его по масштабам. Конечная цель: во всем городе полностью перевести отопление с природного газа, метана, на водород. Морские ветропарки для его производства методом электролиза имеются.

А соответствующие нагревающие воду бойлеры вот уже три года разрабатывает в английском городе Вустере филиал немецкой фирмы Bosch Termotechnik. Его глава Карл Арнцен (Carl Arntzen) рассказал газете Die Welt, что правительство Великобритании до самого последнего времени собиралось снижать значительные выбросы CO2 путем перевода отопительных систем по всей стране с газа на электричество, однако в этом году министерство экономики очень заинтересовалось водородной идеей.

Перед Northern Gas Networks и другими британскими газовыми компаниями это открывает перспективу перепрофилировать и тем самым сохранить имеющуюся газораспределительную систему, которая в случае электрификации отопления оказалась бы ненужной.

Водородные автомобили: высоки ли их шансы? 

Пока британское правительство только присматривается к водороду, лидер австрийских консерваторов Себастьян Курц идеей его широкого внедрения уже настолько увлекся, что сделал ее одним из своих предвыборных лозунгов. Его шансы выиграть в сентябре парламентские выборы и вновь возглавить правительство весьма высоки. И тогда, надо полагать, различные водородные проекты могут рассчитывать на активную поддержку Вены.

А конкретные проекты уже есть, поскольку три ведущие промышленные компании страны — энергетическая Verbund AG, нефтегазовая OMV и металлургическая Voestalpine — решили совместно форсировать внедрение в Австрии водородных технологий. Первый совместный проект стоимостью 18 млн евро (12 млн из них предоставил ЕС) будет реализован в Линце уже к концу 2019 года: там речь идет о замене угля на водород при производстве стали. А НПЗ Schwechat близ Вены планирует для собственных нужд наладить производство h3 методом электролиза — как Shell близ Кёльна.

Увлечение водородом обрело в Европе уже такие масштабы, что консалтинговая компания Boston Consulting Group (BCG) сочла нужным предупредить об опасности завышенных ожиданий и ошибочных инвестиций. Наилучшие перспективы «зеленый водород» имеет в промышленности, а также на грузовом, воздушном и водном транспорте, рассказал газете Handelsblatt Франк Клозе (Frank Klose), соавтор только что опубликованного исследования BCG.

А вот у легковых машин на водороде шансы на успех (пока, во всяком случае) представляются минимальными, хотя японская компания Toyota и собирается расширять их выпуск. На 1 января 2019 года в Германии, к примеру, было зарегистрировано всего-то 392 автомобиля, работающего на h3. У электромобилей, не говоря уже о гибридах, перспективы явно лучше. 

______________

Подписывайтесь на наши каналы о России, Германии и Европе в | Twitter | Facebook | YouTube | Telegram 

Смотрите также:

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Электростанция из аккумуляторов

  Как хранить в промышленных масштабах излишки электроэнергии, выработанной ветрогенераторами и солнечными панелями? Соединить как можно больше аккумуляторов! В Германии эту технологию с 2014 года отрабатывают в институте общества Фраунгофера в Магдебурге (фото). По соседству, в Шверине, тогда же заработала крупнейшая в Европе коммерческая аккумуляторная электростанция фирмы WEMAG мощностью 10 МВт.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Большие батареи на маленьком острове

  Крупнейшие аккумуляторные электростанции действуют в США и странах Азии. А на карибском острове Синт-Эстатиус (Нидерландские Антилы) с помощью этой технологии резко снизили завоз топлива для дизельных электрогенераторов. Днем местных жителей, их около 4 тысяч, электричеством с 2016 года снабжает солнечная электростанция, а вечером и ночью — ее аккумуляторы, установленные фирмой из ФРГ.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Главное — хорошие насосы

  Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) — старейшая и хорошо отработанная технология хранения электроэнергии. Когда она в избытке, электронасосы перекачивают воду из нижнего водоема в верхний. Когда она нужна, вода сбрасывается вниз и приводит в действие гидрогенератор. Однако далеко не везде можно найти подходящий водоем и нужный перепад высот. В Хердеке в Рурской области условия подходящие.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Место хранения — норвежские фьорды

  Оптимальные природные условия для ГАЭС — в норвежских фьордах. Поэтому по такому кабелю с 2020 года подводная высоковольтная линия электропередачи NordLink длиной в 623 километра и мощностью в 1400 МВт будет перебрасывать излишки электроэнергии из ветропарков Северной Германии, где совершенно плоский рельеф, на скалистое побережье Норвегии. И там они будут храниться до востребования.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Электроэнергия превращается в газ

  Избытки электроэнергии можно хранить в виде газа. Методом электролиза из обычной воды выделяется водород, который с помощью СО2 превращается в метан. Его закачивают в газохранилища или на месте используют для заправки автомобилей. Идея технологии Power-to-Gas родилась в 2008 году в ФРГ, сейчас здесь около 30 опытно-промышленных установок. На снимке — пилотный проект в Рапперсвиле (Швейцария).

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Водород в сжиженном виде

  Идея Power-to-Gas дала толчок разработкам в разных направлениях. Зачем, к примеру, превращать в метан полученный благодаря электролизу водород? Он и сам по себе отличное топливо! Но как транспортировать этот быстро воспламеняющийся газ? Ученые университета Эрлангена-Нюрнберга и фирма Hydrogenious Technologies разработали технологию его безопасной перевозки в цистернах с органической жидкостью.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  В чем тут соль?

  Соль тут в тех круглых резервуарах, которые установлены посреди солнечной электростанции на краю Сахары близ города Уарзазат в Марокко. Хранящаяся в них расплавленная соль выступает в роли аккумуляторной системы. Днем ее нагревают, а ночью используют накопленное тепло для производства водяного пара, подаваемого в турбину для производства электричества.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Каверна в роли подземной батарейки

  На северо-западе Германии много каверн — пещер в соляных пластах. Одну из них энергетическая компания EWE и ученые университета Йены превратили в полигон для испытания технологии хранения электроэнергии в соляном растворе, обогащенном особыми полимерами, которые значительно повышают эффективность химических процессов. По сути дела, речь идет о попытке создать гигантскую подземную батарейку.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Крупнейший «кипятильник» Европы

  Человечество давно уже использует тепло для производства электроэнергии. Возобновляемая энергетика поставила задачу, наоборот, превращать электричество, в том числе и избыточное, в тепло (Power-to-Heat). Строительство в Берлине крупнейшего «кипятильника» Европы мощностью 120 МВт для отопления 30 тысяч домашних хозяйств компания Vattenfall намерена завершить к концу 2019 года.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Накопители энергии на четырех колесах

  Когда по дорогам мира будут бегать миллионы электромобилей с мощными аккумуляторными батареями, они превратятся в еще один крупный накопитель энергии из возобновляемых источников. Этому поспособствуют умные сети энергоснабжения (Smart grid): они будут стимулировать подзарядку по низким ценам в моменты избытка электричества. (На фото — заправка для электромобилей в Китае).

  Автор: Андрей Гурков

Водородная стратегия: «зеленый водород», топливо будущего

Водород считается чудодейственным веществом. Он сгорает в двигателе или топливном элементе при добавлении кислорода в чистую воду. Его можно доставлять по трубопроводам или в танкерах в сжиженном виде. Его легко хранить, и он может заменить ископаемое топливо практически где угодно – в грузовиках, автомобилях или поездах, при производстве стали, цемента или химических веществ.

В Германии надеялись еще 20 лет назад, что водород сумеет вытеснить бензин и дизельное топливо в течение двух-трех лет. Однако на данный момент чуть менее 100 из примерно 14 500 АЗС в Германии предлагают заправиться водородом.

Немецкая и европейская водородная стратегия

Теперь ситуация должна измениться. В июне 2020 года германское правительство приняло национальную водородную стратегию. В начале июля в то же самое сделала и Комиссия ЕС. Предполагается, что обе программы должны способствовать распространению этого экологически чистого топлива.

Германия и ЕС делают ставку прежде всего на «зеленый водород», который добывается из возобновляемых источников энергии, а значит, является климатически нейтральным. Необходимая для его производства энергия может поставляться из тех стран, которые вырабатывают большое количество солнечной энергии или энергии ветра, например, из Марокко.

К 2030 году в Европе будет производиться до 40 000 мегаватт из называемых электролизеров, причем 5 000 мегаватт из этого объема будет вырабатываться в Германии. Электролизеры смогут производить до десяти миллионов тонн зеленого водорода в год. Чтобы выйти на такие объемы производства, Германия хотела бы поддержать строительство специальных водородных островков в Северном море, аналогичных современным нефтегазовым платформам. Окруженные крупными оффшорными ветровыми электростанциями они будут производить водород, который затем будет доставляться на берег танкерами.

Зеленый водород как альтернатива батарейкам

Зеленое топливо в первую очередь предназначено для замены ископаемого топлива там, где использование электрических батарей не имеет особого смысла, например, в грузовых автомобилях, кораблях, поездах или самолетах. Первые два водородных поезда в Германии были введены в эксплуатацию в 2018 году. Они могут проехать до 1000 километров без дозаправки.

Федеральный министр экономики Петер Альтмайер убежден, что зеленый водород – это «чистое топливо будущего». Вот почему правительство Германии выделило на финансирование исследований, создание технологий и развитие международного сотрудничества в этой области девять миллиардов евро.

© www.deutschland.de

You would like to receive regular information about Germany? Subscribe here:

Крупный производитель дизельных двигателей планирует производить водород из воды

Крупнейшие автопроизводители начинают перестраивать свой бизнес с целью ориентации на выпуск электромобилей, поскольку в некоторых странах продажа новых машин с ДВС будет запрещена уже в следующем десятилетии. Не отстают и производители силовых установок — Cummins, например, делает ставку на производство установок для добычи водорода из воды методом электролиза.

Источник изображения: Monash University

Водород не только является самым распространённым элементом во Вселенной. Его использование в качестве топлива для транспортных средств не приводит к выбросу парниковых газов, в отличие от ископаемых видов углеводородного топлива. Как отмечает издание Barron’s, известный производитель дизельных двигателей Cummins на отраслевом мероприятии обозначил основные тезисы своей программы перехода на водородное топливо.

Расходы на хранение и логистику водорода достаточно велики, поскольку для этого требуются специальные сосуды, выдерживающие очень высокое давление. По этой причине Cummins предлагает производить водород методом электролиза непосредственно в местах активного потребления. По сути, запасаемая электроэнергия из возобновляемых источников может использоваться для электролиза воды с целью выделения водорода и его дальнейшего потребления транспортными средствами.

Как отмечает Cummins, сейчас один мегаватт электролитической мощности стоит примерно $1 млн, к 2025 году эта сумма уменьшится до $750 000. Электролитическая установка мощностью в 1 мегаватт способна ежедневно производить до 400 кг водородного топлива. Такой производительности хватит, чтобы обеспечить один магистральный тягач топливом для передвижения в течение нескольких дней — при условии, что ежедневный пробег не превышает 800–1000 км.

Современной экономике потребуются тысячи мегаватт мощности по производству водорода. Потенциальный доход от реализации электролитических установок Cummins оценивает в сотни миллионов долларов в год. В масштабах бизнеса данной компании сумма не очень большая, ведь в следующем году она выручит около $21 млрд, но вектор задан вполне чётко. Помимо выпуска установок для добычи водорода из воды, Cummins собирается развивать выпуск топливных водородных элементов. Они позволяют вырабатывать электричество в ячейках, заправляемых водородом.

По оценкам Cummins, один килограмм водородного топлива будет обходиться в производстве от $3 до $6, американская компания Nikola ранее упоминала сопоставимую цену в $4 за килограмм. При таком уровне цен водород уже может соперничать с дизельным топливом по экономической целесообразности использования. Правда, чтобы развить необходимую инфраструктуру, придётся потратить не только миллиарды долларов, но и несколько лет.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Производство водорода: электролиз | Министерство энергетики

Как это работает?

Подобно топливным элементам, электролизеры состоят из анода и катода, разделенных электролитом. Различные электролизеры функционируют немного по-разному, в основном из-за разного типа материала электролита.

Мембранные электролизеры с полимерным электролитом

В электролизере с полимерным электролитом (PEM) электролит представляет собой твердый специальный пластик.

• Вода реагирует на аноде с образованием кислорода и положительно заряженных ионов водорода (протонов).
• Электроны проходят через внешнюю цепь, а ионы водорода избирательно перемещаются через PEM к катоду.
• На катоде ионы водорода объединяются с электронами из внешней цепи с образованием газообразного водорода. Анодная реакция: 2H ₂ O → O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^— Катодная реакция: 4H ⁺ + 4e ^— → 2H ₂

Щелочные электролизеры

Щелочные электролизеры работают посредством переноса гидроксид-ионов (OH ^— ) через электролит от катода к аноду с образованием водорода на катодной стороне.Электролизеры, использующие жидкий щелочной раствор гидроксида натрия или калия в качестве электролита, коммерчески доступны в течение многих лет. Новые подходы с использованием твердых щелочнообменных мембран в качестве электролита перспективны в лабораторных условиях.

Твердооксидные электролизеры

Твердооксидные электролизеры, в которых в качестве электролита используется твердый керамический материал, который избирательно проводит отрицательно заряженные ионы кислорода (O ^2-) при повышенных температурах, генерируют водород немного по-другому.

• Вода на катоде соединяется с электронами из внешней цепи с образованием газообразного водорода и отрицательно заряженных ионов кислорода.
• Ионы кислорода проходят через твердую керамическую мембрану и реагируют на аноде с образованием газообразного кислорода и генерации электронов для внешней цепи.

Твердооксидные электролизеры должны работать при температурах, достаточно высоких для нормального функционирования твердооксидных мембран (около 700–800 ° C, по сравнению с электролизерами из ПЭМ, которые работают при 70–90 ° C, и промышленными щелочными электролизерами, которые работать при 100–150 ° C).Электролизеры на твердом оксиде могут эффективно использовать тепло, доступное при этих повышенных температурах (из различных источников, включая ядерную энергию), для уменьшения количества электроэнергии, необходимой для производства водорода из воды.

Почему рассматривается этот путь?

Водород, произведенный посредством электролиза, может привести к нулевым выбросам парниковых газов, в зависимости от источника используемой электроэнергии. Источник необходимой электроэнергии, включая ее стоимость и эффективность, а также выбросы в результате производства электроэнергии, необходимо учитывать при оценке выгод и экономической целесообразности производства водорода с помощью электролиза.Во многих регионах страны сегодняшняя электросеть не идеальна для обеспечения электроэнергией, необходимой для электролиза, из-за выбросов парниковых газов и количества топлива, необходимого из-за низкой эффективности процесса производства электроэнергии. Производство водорода посредством электролиза используется для возобновляемых (ветряных) и ядерных источников энергии. Эти пути приводят к практически нулевым выбросам парниковых газов и загрязняющих веществ.

Потенциал для синергизма с производством электроэнергии из возобновляемых источников
Производство водорода посредством электролиза может открыть возможности для синергизма с производством переменного тока, что характерно для некоторых технологий возобновляемой энергетики.Например, несмотря на то, что стоимость энергии ветра продолжает снижаться, присущая ветру изменчивость является препятствием для эффективного использования энергии ветра. Водородное топливо и производство электроэнергии могут быть интегрированы в ветряную электростанцию, что позволит гибко менять производство, чтобы наилучшим образом согласовать наличие ресурсов с эксплуатационными потребностями системы и рыночными факторами. Кроме того, во время избыточного производства электроэнергии ветряными электростанциями вместо того, чтобы сокращать потребление электроэнергии, как это обычно делается, можно использовать это избыточное электричество для производства водорода путем электролиза.

Важно отметить …

• Сегодняшняя электросеть не является идеальным источником электроэнергии для электролиза, поскольку большая часть электроэнергии вырабатывается с использованием технологий, которые приводят к выбросам парниковых газов и являются энергоемкими. Производство электроэнергии с использованием технологий возобновляемой или ядерной энергии, либо отдельно от сети, либо в качестве растущей части структуры сети, является возможным вариантом преодоления этих ограничений для производства водорода посредством электролиза.
• Министерство энергетики США и другие продолжают усилия по снижению стоимости производства электроэнергии из возобновляемых источников и развитию более эффективного производства электроэнергии на основе угля с улавливанием, использованием и хранением углерода. Например, производство ветровой электроэнергии быстро растет в Соединенных Штатах и ​​во всем мире.

Исследования направлены на преодоление проблем

• Снижение капитальных затрат на электролизер и баланс системы, а также повышение энергоэффективности преобразования электроэнергии в водород.
• Интеграция компрессора в электролизер, чтобы избежать затрат на отдельный водородный компрессор, необходимый для увеличения давления для хранения водорода.

Производство водорода: газификация биомассы | Министерство энергетики

Газификация биомассы — это зрелый технологический путь, в котором используется контролируемый процесс с участием тепла, пара и кислорода для преобразования биомассы в водород и другие продукты без сжигания. Поскольку при выращивании биомассы углекислый газ удаляется из атмосферы, чистые выбросы углерода при использовании этого метода могут быть низкими, особенно в сочетании с улавливанием, использованием и хранением углерода в долгосрочной перспективе.Установки газификации биотоплива строятся и эксплуатируются, и они могут предоставить передовой опыт и извлеченные уроки для производства водорода. Министерство энергетики США ожидает, что газификация биомассы может быть развернута в ближайшем будущем.

Что такое биомасса?

Биомасса, возобновляемый органический ресурс, включает остатки сельскохозяйственных культур (такие как кукурузная солома или пшеничная солома), лесные остатки, специальные культуры, выращиваемые специально для использования энергии (например, просо или ива), органические твердые бытовые отходы и отходы животноводства. .Этот возобновляемый ресурс можно использовать для производства водорода, наряду с другими побочными продуктами, путем газификации.

Как работает газификация биомассы?

Газификация — это процесс преобразования углеродсодержащих материалов на органической или ископаемой основе при высоких температурах (> 700 ° C) без сжигания с контролируемым количеством кислорода и / или пара в моноксид углерода, водород и диоксид углерода. Затем монооксид углерода реагирует с водой с образованием диоксида углерода и большего количества водорода в результате реакции конверсии водяного газа.Адсорберы или специальные мембраны могут отделять водород от этого газового потока.

Упрощенный пример реакции
C ₆ H ₁₂ O ₆ + O ₂ + H ₂ O → CO + CO ₂ + H ₂ + другие виды

Примечание : Вышеупомянутая реакция использует глюкозу в качестве заменителя целлюлозы. Фактическая биомасса имеет очень изменчивый состав и сложность, при этом целлюлоза является одним из основных компонентов.

Реакция конверсии вода-газ
CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂ (+ небольшое количество тепла)

Пиролиз — это газификация биомассы в отсутствие кислорода.В общем, биомасса не газифицируется так же легко, как уголь, и она производит другие углеводородные соединения в газовой смеси, выходящей из газогенератора; это особенно верно, когда кислород не используется. В результате обычно требуется дополнительная стадия реформинга этих углеводородов с использованием катализатора для получения чистой смеси синтез-газа, состоящей из водорода, монооксида углерода и диоксида углерода. Затем, как и в процессе газификации для производства водорода, на стадии реакции сдвига (с паром) монооксид углерода преобразуется в диоксид углерода.Затем полученный водород отделяется и очищается.

Почему рассматривается этот путь?

Биомасса — это богатый внутренний ресурс.
В Соединенных Штатах доступно больше биомассы, чем требуется для производства продуктов питания и кормов для животных. В недавнем отчете прогнозируется, что с ожидаемыми улучшениями в методах ведения сельского хозяйства и селекции растений, до 1 миллиарда сухих тонн биомассы может быть доступно для использования в год. Для получения дополнительной информации см. Обновление в США о миллиардных тоннах: поставка биомассы для биоэнергетики и индустрии биопродуктов.

Биомасса «перерабатывает» диоксид углерода.
Растения потребляют углекислый газ из атмосферы как часть своего естественного процесса роста, поскольку они производят биомассу, компенсируя углекислый газ, выделяемый при производстве водорода посредством газификации биомассы, что приводит к низким чистым выбросам парниковых газов.

Исследования направлены на преодоление проблем

Ключевые проблемы производства водорода с помощью газификации биомассы связаны с сокращением затрат, связанных с капитальным оборудованием и сырьем для биомассы.

Исследования по снижению капитальных затрат:

• Замена криогенного процесса, который в настоящее время используется для отделения кислорода от воздуха, когда кислород используется в газификаторе, на новую мембранную технологию.
• Разработка новых мембранных технологий для лучшего отделения и очистки водорода от производимого газового потока (аналогично газификации угля).
• Интенсификация процесса (объединение шагов в меньшее количество операций).

Исследования по снижению затрат на сырье из биомассы:

• Улучшение методов ведения сельского хозяйства и селекции должно привести к низким и стабильным затратам на сырье.

Поскольку газификация биомассы является зрелой технологией, затраты на сырье и уроки, извлеченные из коммерческих демонстраций, определят ее потенциал как жизнеспособный путь для конкурентоспособного по стоимости производства водорода.

Производство водорода: газификация угля | Министерство энергетики

Управление ископаемой энергии Министерства энергетики США (DOE) поддерживает деятельность по развитию технологий преобразования угля в водород, в частности, посредством процесса газификации угля с улавливанием, использованием и хранением углерода.DOE ожидает, что газификация угля для производства водорода с улавливанием, использованием и хранением углерода может быть развернута в среднесрочной перспективе.

Как это работает?

По химическому составу уголь представляет собой сложное и очень изменчивое вещество, которое может быть преобразовано в различные продукты. Газификация угля — это один из методов, позволяющих производить электроэнергию, жидкое топливо, химические вещества и водород. В частности, водород получают путем сначала реакции угля с кислородом и водяным паром при высоких давлениях и температурах с образованием синтез-газа, смеси, состоящей в основном из моноксида углерода и водорода.

Реакция газификации угля (несбалансированная):
CH _0,8 + O ₂ + H ₂ O → CO + CO ₂ + H ₂ + другие частицы

После удаления примесей из В синтез-газе монооксид углерода в газовой смеси реагирует с водяным паром в результате реакции конверсии водяного газа с образованием дополнительных водорода и диоксида углерода. Водород удаляется с помощью системы разделения, а поток высококонцентрированного диоксида углерода впоследствии может быть уловлен и сохранен.Узнайте больше об улавливании, использовании и хранении углерода.

Почему рассматривается этот путь?

Соединенные Штаты обладают богатыми внутренними ресурсами угля. Использование угля для производства водорода для транспортного сектора может снизить общее энергопотребление Америки и ее зависимость от импортируемой нефти, помогая создавать рабочие места за счет создания отечественной промышленности. Производство водорода из угля также обеспечивает экологические преимущества при интеграции с передовыми технологиями газификации угля, производства электроэнергии, а также улавливания, утилизации и хранения углерода.Интеграция этих технологий облегчает улавливание множества загрязнителей, таких как оксиды серы, оксиды азота, ртуть и твердые частицы, а также парниковые газы, такие как диоксид углерода. Когда водород используется в эффективных транспортных средствах на топливных элементах, выбросы в транспортном секторе могут быть практически устранены.

Исследования направлены на преодоление трудностей

Использование газификации угля для производства водорода по целевым ценам и с почти нулевыми выбросами парниковых газов связано с несколькими проблемами.Дополнительные исследования и разработки необходимы для:

• Разработка технологий улавливания, использования и хранения углерода, обеспечивающих минимальное выделение углекислого газа в производственном процессе.
• Разработка новых технологий, которые могут заменить криогенный процесс, используемый в настоящее время для отделения необходимого кислорода от воздуха.

Маск называет водородные топливные элементы «глупыми», но технологии могут угрожать Tesla

Клиент заправляет автомобиль водородом на заправочной станции TrueZero в Милл-Вэлли, Калифорния.Штат тратит более 2,5 миллиарда долларов из фондов чистой энергии для ускорения продаж автомобилей на водороде и аккумуляторных батареях. Это включает 900 миллионов долларов, выделенных на завершение строительства 200 водородных станций и 250 000 зарядных станций к 2025 году.

Bloomberg | Bloomberg | Getty Images

Tesla и ее конкуренты на рынке электромобилей с батарейным питанием доминируют в спорах о том, кто будет контролировать будущее автомобилей, но в Соединенных Штатах появляется еще один вид экологически чистых транспортных технологий, основанный на самых распространенных технологиях. ресурс во вселенной.

Электромобили на топливных элементах (FCEV) объединяют водород, хранящийся в резервуаре, с кислородом из воздуха для производства электроэнергии, с водяным паром в качестве побочного продукта. В отличие от более распространенных электромобилей с батарейным питанием, автомобили на топливных элементах не нужно подключать к электросети, а все текущие модели превышают 300 миль при полном баке. Они наполняются форсункой почти так же быстро, как традиционные газовые и дизельные автомобили. Хотя сами автомобили на топливных элементах испускают водяной пар только из выхлопных труб, Союз обеспокоенных ученых отмечает, что производство водорода может привести к загрязнению.Хотя возобновляемые источники водорода, такие как сельскохозяйственные угодья и свалки, увеличиваются, большая часть водорода, используемого в качестве топлива, поступает из традиционной добычи природного газа. Тем не менее, воздействие все же меньше, чем у бензиновых аналогов.

Водородная энергия присутствует на рынке в течение многих лет, но ее объем чрезвычайно ограничен. В настоящее время в Калифорнии 39 общественных водородных заправочных станций (еще 25 находятся в стадии разработки), а также пара на Гавайях. Теперь у Восточного побережья появляется собственная инфраструктура.Несколько станций уже работают, и еще больше в Нью-Йорке, Нью-Джерси, Массачусетсе, Коннектикуте и Род-Айленде.

Коммерческий успех, проблемы потребителей

Водород более широко используется на коммерческом рынке. На складах и в распределительных центрах США в более чем 40 штатах, в том числе на предприятиях Amazon и Walmart, работает более 23000 вилочных погрузчиков с приводом от топливных элементов. Десятки автобусов на топливных элементах используются или планируются в Огайо, Мичигане, Иллинойсе и Массачусетсе, а также в Калифорнии.

Количество заправочных станций водородом растет во всем мире. Toyota и Honda объединяются с правительством Квебека для создания водородной инфраструктуры в Монреале в этом году, и даже богатая нефтью Саудовская Аравия получает свою первую станцию.

Toyota, второй по величине автопроизводитель в мире, является крупнейшим игроком на потребительском рынке США автомобилей на водородных топливных элементах. Его Mirai — семейный автомобиль на водородных топливных элементах — нашел 5000 покупателей с тех пор, как он был представлен осенью 2015 года.Расс Кобле, представитель группы по охране окружающей среды и передовых технологий Toyota, сказал, что компания ожидает увеличения продаж по мере открытия новых заправочных станций.

«Toyota уже давно утверждает, что технология водородных топливных элементов может быть решением с нулевым уровнем выбросов для широкого спектра типов транспортных средств», — сказал он.

Toyota заявляет, что масштабируемость технологии водородных топливных элементов также привела к появлению двух приложений для Калифорнийских технико-экономических обоснований в другой области, представляющей интерес для Tesla: грузовики с полуприцепами.

Полуприцеп Toyota Motor, работающий на водородных топливных элементах, представлен на AutoMobility LA в преддверии автосалона в Лос-Анджелесе

Патрик Т. Фэллон | Bloomberg | Getty Images

Компания Honda также сделала большой выбор в пользу водорода. По словам представителя Honda Натали Кумаратне, в настоящее время на дорогах США находится около 1100 автомобилей Honda Clarity Fuel Cell. Honda предлагает в аренду только Clarity Fuel Cell в Калифорнии — она ​​предлагает в аренду или продажу гибридные версии автомобиля, работающие от аккумуляторной батареи.Из 20 174 автомобилей Clarity, проданных или сданных в аренду в 2018 году, 624 были вариантами топливных элементов, 948 — электрическими батареями и 18 602 — гибридными.

Honda и Toyota объединились с дочерней компанией Shell Oil для строительства новых водородных заправочных станций в Калифорнии. По словам Кумаратне, два объекта уже построены, а пять находятся в стадии строительства. Компания выступает за строительство станций на северо-востоке США, некоторые из которых находятся в стадии разработки. «Партнерство с другими производителями водородных топливных элементов и влиятельными лицами отрасли имеет смысл.«У всех нас есть своя кожа», — сказала она.

Hyundai, которая в настоящее время имеет 220 автомобилей на водородных топливных элементах на дорогах США, также видит рост продаж. «Мы ожидаем, что Северо-Восток станет следующим крупным регионом. рост водородной инфраструктуры «, — сказал Дерек Джойс, представитель корейского производителя продукции и группы передовых силовых агрегатов. Компания только что представила Nexo в США. Агентство по охране окружающей среды оценивает запас хода среднеразмерного кроссовера до 380 миль, что больше, чем у любого электромобиля с батарейным питанием. рынок.

По состоянию на 1 февраля в США было продано и сдано в аренду чуть более 6000 электромобилей на топливных элементах, вдвое больше Японии, следующего по величине рынка.

Маск о водородных «дурацких элементах»

Соучредитель и генеральный директор Tesla Илон Маск назвал водородные топливные элементы «невероятно глупыми», и это не единственное, что он сказал о технологии. Он назвал их «дурацкими ячейками», «грудой мусора» и сказал акционерам Tesla на ежегодном собрании несколько лет назад, что «успех просто невозможен.«

Маск нашел неожиданный источник поддержки в 2017 году, когда Йошиказу Танака, главный инженер, отвечающий за Mirai, сказал Reuters:« Илон Маск прав — лучше заряжать электромобиль напрямую от розетки ». Но Toyota Исполнительный директор добавил, что водород является жизнеспособной альтернативой бензину. Председатель Toyota Такеши Учиямада сказал Reuters на том же автосалоне в Токио в 2017 году: «Мы действительно не видим враждебных отношений с нулевой суммой между электромобилями (электромобиль с батарейным питанием) и водородный автомобиль.Мы вовсе не собираемся отказываться от технологии водородных электрических топливных элементов ».

Автомобильная промышленность в целом не разделяет взгляды Маска на будущее, основанное на принципе« батарея или разрушение ». Опрос 1000 руководителей автомобильного сектора был проведен в 2017 KPMG пришли к выводу, что водородные топливные элементы имеют лучшее долгосрочное будущее, чем электромобили, и будут представлять собой «настоящий прорыв» (78 процентов), причем руководители автомобилестроения назвали короткое время дозаправки всего в несколько минут главным преимуществом. 62% респондентов заявили KPMG, что проблемы с инфраструктурой приведут к краху рынка электромобилей с батарейным питанием.

В Калифорнии продолжаются дебаты по поводу того, окупили ли субсидии, предложенные штатом для запуска рынка топливных элементов, инвестиции, судя по ограниченному использованию заправочных станций и отсутствию прибыли. Калифорния привержена усилиям, начатым при бывшем губернаторе Джерри Брауне, по финансированию инициатив в области возобновляемых источников энергии, которые включали план транспортных средств с нулевым выбросом в размере 900 миллионов долларов и финансирование инфраструктуры зарядки электромобилей, в том числе 200 водородных станций к 2025 году.

Мы могли видеть системы водородных топливных элементов, которые стоят в четыре раза меньше, чем литий-ионные батареи, а также обеспечивают гораздо больший радиус действия.

Дэвид Антонелли

Кафедра физической химии в Ланкастерском университете

GM еще не выпустила автомобиль на топливных элементах для потребительского рынка, но у нее есть совместное предприятие с Honda по производству батарей топливных элементов на заводе в Мичигане. началось в 2013 году и расширилось в 2017 году, когда обе компании заявили, что завод в Мичигане, где производятся топливные трубы, может производить автомобили, начиная с 2020 года.

Ford экспериментировал с вариантами топливных элементов своих автомобилей Focus и Fusion, а также Edge кроссовер, но таких машин в продажу не предлагает.

«Учитывая постоянно растущую долю возобновляемых источников энергии, водородные топливные элементы могут сыграть важную роль в будущем», — сказал представитель Ford. «С точки зрения массового вывода на рынок, однако, аккумулятор в настоящее время занимает более выгодное положение по сравнению с топливным элементом — не в последнюю очередь из-за ситуации со стоимостью и доступной инфраструктурой. Наша работа будет по-прежнему сосредоточена на электрификации, поскольку мы будем следить за развитием производства водорода. В настоящее время у нас нет планов предлагать автомобили на водородных топливных элементах ».

Fiat Chrysler не продает автомобиль на топливных элементах в США.S., но в течение 15 лет он поддерживал исследования под руководством профессора Дэвида Антонелли, кафедры физической химии в Ланкастерском университете в Великобритании, которые могли снизить затраты на технологию. Его команда работает с материалом, который позволяет сделать топливные баки меньше, дешевле и более энергоемкими, чем существующие технологии водородного топлива, а также транспортные средства с батарейным питанием.

«Стоимость производства нашего материала настолько низка, а плотность энергии, которую он может хранить, намного выше, чем у литий-ионной батареи, что мы можем увидеть системы водородных топливных элементов, которые стоят в четыре раза меньше, чем литий-ионные батареи. а также обеспечивает гораздо больший радиус действия «, — сказал Антонелли.Лицензия на технологию предоставлена ​​коммерческой компании Kubagen, созданной Антонелли.

Модель автомобиля и цены на заправку остаются серьезными проблемами

Безопасность вызывает беспокойство, так как водород легковоспламеняем, но бензин и литий-ионные аккумуляторы тоже. Транспортировка водорода для использования на заправочных станциях создает дополнительные риски для безопасности — станции используют датчики для отслеживания утечек. В Калифорнии не сообщалось о серьезных инцидентах, а промышленный сектор перевозил водород на протяжении десятилетий.

По данным Национальной ассоциации противопожарной защиты, транспортные средства с альтернативным топливом, категория, которая включает как водородные топливные элементы, так и электрические батареи, не более опасны, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания. Статистика NFPA показывает, что примерно каждые 3 минуты в США возникает пожар из-за двигателя внутреннего сгорания.

Однако самым большим препятствием может быть цена.

Средняя цена на водородное топливо в Калифорнии составляет около 16 долларов за кг — бензин продается за галлоны (объем), а водород за килограмм (вес).Для сравнения: 1 галлон бензина имеет примерно такое же количество энергии, как 1 кг водорода. Большинство электромобилей на топливных элементах несут от 5 до 6 кг водорода, но проходят вдвое больше, чем современный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания с эквивалентным газом в баке, что дает эквивалент бензина на галлон от 5 до 6 долларов.

Автомобили на водородных топливных элементах в настоящее время имеют средний запас хода от 312 до 380 миль, согласно EPA. Заправка из порожнего топлива будет стоить около 80 долларов (большинство водителей не позволяют баку полностью опуститься перед заправкой, поэтому в конечном итоге заправка обходится от 55 до 65 долларов).Эта стоимость в настоящее время оплачивается автопроизводителями, которые предоставляют арендаторам предоплаченные карты на три года заправки топливом на сумму до 15 000 долларов. В Калифорнии, где самые высокие в стране цены на бензин, заправка обычного автомобиля большим бензобаком может стоить 40 долларов и более.

Kelley Blue Book оценивает годовые затраты на топливо для Toyota Mirai, Honda Clarity Fuel Cell и Hyundai Nexo в 4495 долларов, что в три-четыре раза превышает стоимость бензиновых альтернатив.

«Мы понимаем, что автопроизводители не могут продолжать платить за топливо, и мы видим линию прямой видимости, чтобы попасть туда, но это объемная игра, и нам нужно набрать критическую массу», — сказал Шейн Стивенс, главный и главный разработчик сотрудник компании FirstElement Fuel, которая управляет 19 из 39 заправочных станций водородом в Калифорнии и разрабатывает 12 из 25 дополнительных станций для штата.Ближайшая цель его компании — 10 долларов за килограмм, что равняется примерно 4 долларам за галлон газа. «Это хорошее краткосрочное приемлемое число, которое можно достичь в ближайшие три-пять лет и избавить людей от топлива, субсидируемого автопроизводителями», — сказал Стивенс.

Самая большая проблема: автомобили остаются дорогими. Например, Nexo — самый дорогой Hyundai, продаваемый в США, со стартовой ценой в 59 345 долларов (стартовые цены на Santa Fe сопоставимого размера начинаются с 24 250 долларов). Модели топливных элементов Toyota Mirai и Honda Clarity имеют аналогичную рекомендованную производителем розничную цену в диапазоне 59 000 долларов.Эти покупки автомобилей имеют право на государственные скидки — в Калифорнии доступна налоговая скидка в размере 5000 долларов США.

Лизинг был популярным выбором потребителей для электромобилей на топливных элементах и ​​аккумуляторных батареях, потому что эта технология является новой, и первые пользователи не хотят быть привязанными к текущей модели в течение длительного времени по мере развития технологий и повышения эффективности.

Как и в случае с любой новой технологией, стоимость топливных элементов должна снизиться, если рынок будет расти и достигнет эффекта масштаба в производстве и инфраструктуре.«У Honda есть долгосрочные обязательства по производству водорода, но вы не можете продавать автомобили без инфраструктуры», — сказал Кумаратне.

Стивенс сказал, что если рынок в Калифорнии достигнет «нескольких сотен тысяч автомобилей», он сможет быть конкурентоспособным по цене с бензином. Это большой скачок по сравнению с 6000 проданными на данный момент автомобилями, но большинство новых автомобильных рынков начинаются с ограниченного производства. Toyota заявила, что планирует увеличить производство с 3000 единиц Mirai в год до 30 000 автомобилей к 2021 году. «Это десятикратное увеличение.»

» Несколько сотен тысяч машин в Калифорнии не так уж и далеко. И это всего лишь Toyota, — сказал Стивенс. — Речь идет не о субсидировании всего роста инфраструктуры, а просто о том, чтобы помочь нам преодолеть препятствие, а это уже не за горами. Если мы дойдем до нескольких сотен тысяч автомобилей, мы действительно сможем отказаться от государственных субсидий и стать самоокупаемыми ».

Поправка: водород — самый богатый ресурс во вселенной. Из-за ошибки редактирования более ранняя версия эта статья искажает этот факт.

Использование водорода — Управление энергетической информации США (EIA)

Использование водорода

Почти весь водород, потребляемый в Соединенных Штатах, используется промышленностью для очистки нефти, обработки металлов, производства удобрений и обработки пищевых продуктов. Нефтеперерабатывающие заводы США используют водород для снижения содержания серы в топливе.

Ракетное топливо — одно из основных источников использования водорода для получения энергии

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) начало использовать жидкий водород в 1950-х годах в качестве ракетного топлива, и НАСА было одним из первых, кто использовал водородные топливные элементы для питания электрических систем космических кораблей.

Космическая ракета НАСА

Источник: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) (общественное достояние)

Источник: по материалам Национального проекта энергетического образования (общественное достояние)

Водородные топливные элементы вырабатывают электроэнергию

Водородные топливные элементы производят электричество путем объединения атомов водорода и кислорода. Водород реагирует с кислородом через электрохимический элемент, аналогичный аккумулятору, с образованием электричества, воды и небольшого количества тепла.

Доступно множество различных типов топливных элементов для широкого спектра применений. Маленькие топливные элементы могут питать портативные компьютеры и даже сотовые телефоны, а также в военных приложениях. Большие топливные элементы могут обеспечивать электроэнергией для резервного или аварийного питания в зданиях и снабжать электричеством места, которые не подключены к электрическим сетям.

По состоянию на конец октября 2020 года на 108 объектах в Соединенных Штатах имелся около 161 действующий топливный элемент, общая электрическая мощность которых составляла около 250 мегаватт (МВт).Самым крупным из них является Энергетический центр Red Lion в Делавэре, общая мощность которого составляет около 25 МВт, в котором для работы топливных элементов используется водород, полученный из природного газа.

Использование водорода в транспортных средствах

Интерес к водороду как транспортному топливу основан на его потенциале для внутреннего производства и использования в топливных элементах для высокоэффективных электромобилей с нулевым уровнем выбросов. Топливный элемент в два-три раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания, работающего на бензине.Использование водорода в транспортных средствах является основным направлением исследований и разработок топливных элементов.

В Соединенных Штатах несколько производителей автомобилей начали выпускать малотоннажные электромобили на водородных топливных элементах в некоторых регионах, таких как Южная и Северная Калифорния, где есть доступ к водородным заправочным станциям. Испытательные автомобили также доступны в ограниченном количестве для избранных организаций, имеющих доступ к водородным заправочным станциям.

Большинство транспортных средств, работающих на водороде, — это автомобили и транзитные автобусы, у которых есть электродвигатель, работающий от водородного топливного элемента.Некоторые из этих автомобилей сжигают водород напрямую. Высокая стоимость топливных элементов и ограниченная доступность водородных заправочных станций ограничили количество автомобилей, работающих на водороде.

Гибридный автомобиль на водородных топливных элементах

Источник: Wikimedia Commons

Проблема дозаправки

Производство автомобилей на водородном топливе ограничено, потому что люди не будут покупать эти автомобили, если водородные заправочные станции труднодоступны, а компании не будут строить заправочные станции, если у них нет клиентов с автомобилями, работающими на водороде. В Соединенных Штатах около 46 заправочных станций для водородных транспортных средств, и почти все они находятся в Калифорнии. Программа чистого транспорта штата Калифорния включает помощь в создании общедоступных заправочных станций для водородных транспортных средств по всей Калифорнии для продвижения потребительского рынка транспортных средств на топливных элементах с нулевым уровнем выбросов.

Последнее обновление: 7 января 2021 г.

Водородные и топливные элементы | Мир возобновляемых источников энергии

НАСА использует водородное топливо для запуска космических кораблей.Предоставлено: НАСА

.

Водород — простейший элемент. Атом водорода состоит только из одного протона и одного электрона. Это также самый многочисленный элемент во Вселенной. Несмотря на свою простоту и изобилие, водород не встречается на Земле в естественном виде в виде газа — он всегда сочетается с другими элементами. Например, вода представляет собой комбинацию водорода и кислорода (H ₂ O).

Водород также содержится во многих органических соединениях, особенно в углеводородах , которые составляют многие из наших топлив, таких как бензин, природный газ, метанол и пропан.Водород можно отделить от углеводородов с помощью тепла — процесс, известный как реформинг . В настоящее время большая часть водорода производится таким способом из природного газа. Электрический ток также можно использовать для разделения воды на кислород и водород. Этот процесс известен как электролиз . Некоторые водоросли и бактерии, используя солнечный свет в качестве источника энергии, даже выделяют водород при определенных условиях.

Водород очень энергоемкий, но двигатель, работающий на чистом водороде, почти не загрязняет окружающую среду.НАСА использует жидкий водород с 1970-х годов для вывода на орбиту космических кораблей и других ракет. Водородные топливные элементы приводят в действие электрические системы шаттла, производя чистый побочный продукт — чистую воду, которую пьет экипаж.

Водородные топливные элементы

Топливный элемент объединяет водород и кислород для производства электричества, тепла и воды. Топливные элементы часто сравнивают с батареями. Оба преобразуют энергию, полученную в результате химической реакции, в полезную электроэнергию. Однако топливный элемент будет вырабатывать электричество, пока есть топливо (водород), и никогда не теряет свой заряд.

Топливные элементы — перспективная технология для использования в качестве источника тепла и электричества для зданий, а также в качестве источника электроэнергии для электродвигателей, приводящих в движение транспортные средства. Топливные элементы лучше всего работают на чистом водороде. Но такие виды топлива, как природный газ, метанол или даже бензин, можно преобразовать для производства водорода, необходимого для топливных элементов. Некоторые топливные элементы даже можно заправлять непосредственно метанолом, без использования риформинга.

В будущем водород также может присоединиться к электричеству в качестве важного энергоносителя.Энергоноситель перемещается и доставляет энергию потребителям в пригодной для использования форме. Возобновляемые источники энергии, такие как солнце и ветер, не могут производить энергию постоянно. Но они могут, например, производить электроэнергию и водород, которые можно хранить до тех пор, пока они не понадобятся. Водород также можно транспортировать (например, электричество) в места, где он необходим.

Дополнительные ресурсы по водородной энергии

Содержание водорода для этого раздела частично предоставлено Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии и Министерством энергетики.

Solar приводит в действие новую технологию экологически чистого водородного топлива — pv magazine International

Самостоятельная технология, разработанная Университетом Ньюкасла и компанией Southern Green Gas, позволила создать новое экологически чистое водородное топливо и зеленый метан с нейтральным выбросом углерода. Топливо было продемонстрировано на внедорожнике Hyundai Nexo на водородных топливных элементах в Сиднее.

9 апреля 2021 г. Блейк Матич

Из журнала pv Australia

В рамках партнерства между Университетом Ньюкасла (UON) и Southern Green Gas (SGG) удалось разработать современное экологически чистое водородное топливо который вчера был продемонстрирован на внедорожнике Hyundai Nexo Hydrogen на топливных элементах.

Технология извлекает чистую воду из воздуха, а затем использует экологически чистую энергию, генерируемую солнечными фотоэлектрическими батареями, для разделения ее на водород и кислород с помощью электролиза, прежде чем газообразный водород можно будет использовать в качестве топлива для автомобиля.

«Мы работали с Southern Green Gas, чтобы развить способность производить зеленый водород в лабораторных условиях, результаты которого мы видим сегодня здесь, на водородном автомобиле Hyundai», — сказал Бехдад Могтадери из UON. «Наблюдение за этим топливом на дорогах — момент гордости для моей команды, которая работала над его совершенствованием в течение нескольких лет.Сейчас мы с нетерпением ждем возможности масштабировать эту технологию, работая с Southern Green Gas над коммерческим внедрением и широким спектром возможных приложений ».

Причем партнеры не ограничиваются водородом. Их задача, с помощью Австралийского агентства по возобновляемым источникам энергии и правительства Нового Южного Уэльса, заключается в создании углеродно-нейтральной энергии за счет австралийских исследований и разработок и возобновляемых ресурсов. Помимо водородного топлива, они также развивают производственные мощности для других видов зеленого топлива, таких как зеленый метан, получаемый путем соединения водорода с двуокисью углерода из атмосферы.

Управляющий директор Southern Green Gas Рохан Гиллеспи сказал: «Возобновляемый метан обладает огромным потенциалом декарбонизации глобального транспортного сектора. Мы считаем, что эта технология представляет собой важный путь к достижению нулевого уровня выбросов во всем мире, и мы рады работать с нашими технологическими партнерами, чтобы воплотить это видение в жизнь ».

Согласно Гиллеспи, эта концепция заключается в использовании этой отечественной технологии для доставки в мир зеленого метана, чистого природного газа.Углеродно-нейтральный метан вытесняет природный газ на основе ископаемого топлива. «Итак, что мы делаем, — продолжает Гиллеспи, — используем« углекислый газ, который мы извлекаем из атмосферы », чтобы компенсировать углерод, который выделяется при использовании метана. «Таким образом, наш метан можно использовать на существующих газовых электростанциях, как и природный газ, но когда он выделяет СО2, он компенсируется СО2, который мы уже извлекли из атмосферы, поэтому он углеродно нейтральный».

Конечно, этот зеленый метан также можно превратить обратно в водород, если конечный пользователь этого захочет.

Интересно, что поставщиком специального газа SGG является Coregas, крупнейшая газовая компания, принадлежащая Австралии, и компания, которая только в прошлом месяце получила финансирование от правительства Нового Южного Уэльса на строительство водородной заправочной станции на площадке BlueScope Steelworks в Порт-Кембла. Станция будет работать в поддержку внедрения водородных транспортных средств с нулевым уровнем выбросов в регионе и в Новом Южном Уэльсе.

Исполнительный генеральный директор Coregas Алан Уоткинс сказал, что компания была рада предоставить оборудование и провести испытания газа «водорода, произведенного с помощью технологии, которая прошла успешно».Мы видим важное будущее для чистых газов, используемых в электромобилях мира, будь то аккумуляторные батареи или водородные топливные элементы ».

Демонстрация прошла на водородной заправочной станции Hyundai Australia в Беннелонге, Сидней.

Этот контент защищен авторским правом и не может быть использован повторно.