Для чего нужен водород

Применение водорода в промышленности

Современную промышленность невозможно представить без использования в разных ее отраслях и на разных этапах производства технических газов. И водород один из самых востребованных промышленностью газов, он занимает третье место после кислорода и азота.

Водород является одним из важнейших видов сырья нефтехимической и химической промышленности. Без этого газа не обходятся и другие отрасли: металлургическая, пищевая, стекольная, электронная, электротехническая.

Химическая промышленность

Основной областью применения водорода является производство химических продуктов — аммиака, метанола, хлористого водорода и его раствора — соляной кислоты. В дальнейшем аммиак используется для получения азотных удобрений, взрывчатых веществ, синтетических волокон, пластмассы, лекарств.

Нефтеперерабатывающая промышленность

На НПЗ водород используется при получении топлива из высокосернистого тяжелого сырья, в установках гидрообессеривания, для гидрокрекинга дистиллятов, гидроочистки, при производстве смазочных материалов, так же водород необходим в других процессах нефтепереработки.

Металлургия

В металлургии основная доля используемого водорода приходится на получение металлизированного сырья прямым восстановлением железа. С помощью водорода восстанавливают металлы из их оксидов, например, так получают вольфрам.

Большие объемы технического водорода применяются в прокатном производстве для термической обработки холоднокатаного проката. Используется водород металлургическими предприятиями для получения азотно-водородной защитной атмосферы при термической обработке трубного проката.

При горении водорода в кислороде температура поднимается примерно до 3000 °C, что позволяет сваривать тугоплавкие металлы.

Стекольная промышленность

В этой отрасли водород используется при производстве листового стекла флоат-методом и при получении кварцевого стекла, изготавливаемого плавлением кварца, горного хрусталя или синтетического диоксида кремния в кислородно-водородном пламени.

Энергетика

Благодаря таким свойствам, как высокие теплопроводность и коэффициент диффузии, водород используется для охлаждения мощных турбогенераторов на ТЭЦ и АЭС.

Пищевая промышленность

На предприятиях пищевой промышленности — масложировых комбинатах — водород применяется при производстве маргарина методом гидрогенизации жидких растительных жиров.

К другим потребителям водорода относятся горно-обогатительные комбинаты, электротехническая и электронная промышленность, заводы по изготовлению ядерного топлива, транспортные, газовые, фармацевтические предприятия.Сжиженный водород используется как ракетное горючее.

Источник

Перспективы и недостатки водородной энергетики

Для хранения и выработки энергии от водорода используются топливные элементы. Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах 19 века. Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

В 1959 году Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовались правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

В отличие от кислорода водород практически не встречается на земле в чистом виде и поэтому извлекается из других соединений с помощью различных химических методов.

По этим способам его разделяют на цветовые градации.

Зеленый — производится из возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого: вода, электролизер и большое снабжение электроэнергией.

Голубой — производится из природного газа, а вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее идеально чистым этот метод не назовешь.

Розовый или красный — произведенный при помощи атомной энергии.

Серый — водород получают путем конверсии метана. При его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.

Коричневый — водород получают в результате газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы.

Еще существуют технологии получения биоводорода из мусора и этанола, но их доля чрезвычайно мала.

Себестоимость производства по видам водорода, доллар за килограмм

Водородная энергетика

На переработку угля приходится 18% производства водорода, 4% обеспечивается за счет зеленого водорода и 78% — переработкой природного газа и нефти. Методы производства, основанные на ископаемом топливе, приводят к образованию 830 млн тонн выбросов CO₂ каждый год, что равно выбросам Великобритании и Индонезии, вместе взятым. И тем не менее водород — это более чистая альтернатива традиционному топливу.

В мире три основных источника выбросов, способствующих потеплению климата: транспорт, производство электроэнергии и промышленность. Водород может использоваться во всех трех областях. При использовании в топливных элементах водородная энергия оставляет минимальные потери, а после использования в качестве побочного продукта остается только вода, из которой снова можно добывать водород.

Перспективы отрасли

Согласно докладу МЭА, к 2050 году мировой спрос на водород должен достичь 528 млн тонн — против 87 млн в 2020, — а его доля в мировом потреблении составит 18%, из них 10% будет приходиться на зеленый водород.

В июне 2020 года Германия объявила о реализации национальной водородной стратегии с инвестициями в 7 млрд евро, чтобы стать лидером в этой области.

Япония, Франция, Южная Корея, Австралия, Нидерланды и Норвегия начали свой курс на водород раньше Германии, а Япония сделала это раньше всех — в декабре 2017 года.

В июле 2020 года Минэнерго подготовило план развития в РФ водородной энергетики на период 2020—2024 годов. Производить водород собираются «Росатом», «Газпром» и «Новатэк». В дорожной карте предусмотрены следующие меры:

В 2021 году HydrogenOne Capital — первый в мире инвестиционный фонд, ориентированный на зеленый водород, заявил о листинге на Лондонской бирже. Фонд инвестирует в проекты мощностью 20—100 МВт с возможностью их расширения до 500 МВт.

Как сделать ремонт и не сойти с ума

Преимущества водородной энергетики

Высокая применимость. Электрификация транспорта поможет снизить выбросы в атмосферу, но авиацию, морские и грузовые перевозки на дальние расстояния трудно перевести на использование электроэнергии, потому что для этих секторов требуется топливо с высокой плотностью энергии. Зеленый водород может удовлетворить эти потребности. Например, Airbus представил концепции самолетов с водородным двигателем и надеется ввести его в эксплуатацию к 2035 году.

Nikola строит полуприцепы, работающие как на аккумуляторных батареях, так и на водороде. Компания заявляет, что ее топливные элементы могут работать при более низких температурах, чем батареи. И они легче, что делает их более практичными для грузовиков и другой тяжелой техники. Nikola также утверждает, что дальность хода такого грузовика составит 900 миль на баке с водородом. Для сравнения: у Tesla Semi с батарейным питанием, который может быть запущен в производство в конце этого года или в 2022 году, заявленная дальность — 200—300 миль.

Также свои аналогичные модели транспорта представили компании Toyota, Honda и BMW.

Время заправки электромобиля на топливных элементах в среднем составляет менее четырех минут. При этом в отличие от батарей они не нуждаются в перезарядке. Поскольку они могут работать независимо от сети, то могут использоваться как запасные генераторы электричества или тепла.

Важный элемент перехода на водород — его применение в ЖКХ. Кроме пилотных проектов в Великобритании Лидс станет первым городом, энергоснабжение которого будет полностью водородным. Согласно плану, все газовые сети и транспортное оборудование переведут на него.

Запасы водорода практически безграничны. Так как он встречается почти всюду, его можно использовать там, где он производится. В отличие от батарей, которые не могут хранить большое количество электроэнергии в течение продолжительного времени, водород можно производить из избыточной возобновляемой энергии и хранить в больших количествах.

Энергоэффективность. Водород содержит почти в три раза больше энергии, чем ископаемое топливо, поэтому для выполнения какой-либо работы его требуется гораздо меньше. Например, по сравнению с электростанцией, работающей на сжигании топлива с КПД от 33 до 35%, водородные топливные элементы выполнят ту же функцию с КПД до 65%. Для примера, у солнечных элементов КПД — 20%, а у ветряных — 40%.

Весной 2020 года в городе Фукусима была запущена самая крупная в мире электростанция, работающая на водороде. Для питания электролизных установок на ней размещены солнечные батареи общей мощностью 20 МВт. Всего станция вырабатывает 1,2 тысячи кубических метров водорода в час.

В автомобилях топливные элементы используют 40—60% энергии топлива, а также обеспечивают сокращение его расхода на 50%.

Зеленый водород — отличная среда для хранения энергии. Например, у Германии существует проблема с энергосистемой. В ясные и ветреные дни солнечные экраны и ветряные турбины на севере производят больше электроэнергии, чем может потребить эта часть страны. Из-за этого Германия вынуждена продавать излишки электроэнергии соседним странам себе в убыток. Избыток электроэнергии из ВИЭ можно хранить в виде водорода, а затем сжигать для выработки электроэнергии, когда это необходимо.

Недостатки водородной энергетики

Стоимость зеленого водорода. Как уже говорилось выше, именно стоимость добычи самого чистого вида водорода ставит наиболее сильные препятствия в его развитии. По словам и прогнозам Минэнерго РФ, перспективы водородной энергетики связаны с удешевлением стоимости водорода, производимого электролизом воды. В качестве основных факторов обеспечения конкурентоспособности зеленого водорода рассматривается перспективное снижение капитальных затрат на электролизеры, а также стоимости электроэнергии из ВИЭ.

Источник

Водород: энергия «чистого» будущего

Александр Новак
Заместитель председателя Правительства РФ

Области использования водорода

Водород, полученный с использованием низкоуглеродных технологий, может быть эффективным средством декарбонизации тех отраслей промышленности, которые в настоящее время потребляют большое количество угля или газа в качестве источника энергии, либо такой водород может стать вариантом замены уже используемого водорода на низкоуглеродный (например, в нефтепереработке и химической промышленности).
Несмотря на то, что сегодня водород используется в основном в промышленном производстве, этот химический элемент имеет значительный потенциал расширения областей применения.
В сфере электроэнергетики он может использоваться в качестве углеродно-­нейтрального топлива как для централизованной, так и для распределенной генерации, выступать средством накопления энергии и применяться в качестве вторичного энергоносителя, аккумулирующего энергию, которая производится на объектах возобновляемой энергетики.
Кроме того, использование водорода в смеси с метаном или в чистом виде в системе газоснабжения рассматривается в качестве направления декарбонизации децентрализованного теплоснабжения и ЖКХ.
Водород может применяться в различных видах транспорта – автомобилях, складском транспорте, поездах, авиатранспорте, судах – как в топливных элементах, так и в двигателях внутреннего сгорания.

Молекула водорода
Источник: vistapointe.net

Настоящее и будущее водородной энергетики

По оценкам экспертов, мировой спрос на чистый водород в настоящее время находится на уровне 75 млн тонн в год. При этом порядка 95 % потребления приходится на нефтеперерабатывающую и химическую промышленность, в основном самостоятельно обеспечивающих собственные потребности в водороде за счет его производства на специализированных установках непосредственно в месте потребления (так называемый кэптивный рынок). Еще около 42 млн тонн водорода используется в смеси с другими газами (в основном в виде синтез-газа) в качестве сырья или топлива при производстве тепловой и электрической энергии.
Для сравнения, в качестве энергоносителя в таких перспективных сферах как транспорт и энергетика в настоящее время потребляется менее 0,01 млн тонн в год. Столь незначительные объемы во многом связаны с сохраняющимися барьерами развития водородной энергетики: высокой стоимостью низкоуглеродного водорода, недостаточной готовностью технологий для его широкого применения, включая обеспечение безопасности всей производственной цепочки, дефицитом необходимой инфраструктуры для хранения и транспортировки водорода, а также рядом пробелов в нормативной правовой базе.
На сегодняшний день наиболее экономически выгодным является производство водорода из ископаемого сырья. По данным МЭА, в структуре мирового производства чистого водорода 75 % приходится на природный газ, 23 % – на уголь. При этом водород, производящийся из ископаемого сырья (в первую очередь, угля) обладает относительно высоким углеродным следом. Для снижения углеродного следа и дальнейшей декарбонизации отраслей возможно внедрение технологий производства водорода из ископаемого сырья с использованием систем улавливания и хранения углекислого газа, а также электролиза воды, в первую очередь, с помощью энергии объектов атомной, гидро-, ветряной и солнечной энергетики. Большие перспективы имеются у новых технологий низкоуглеродного производства водорода, в частности технологии пиролиза метана.
В настоящее время мировые эксперты не пришли к единому мнению о потенциальных объемах мирового рынка водорода. Диапазон оценок глобального спроса на водород к 2050 году колеблется в пределах от нескольких десятков до почти 700 млн тонн в год. Между собой конкурируют два возможных сценария дальнейшего развития водородной энергетики: формирование глобального рынка с крупнотоннажными перевозками энергоресурса от центров производства к центрам потребления, по аналогии с рынками нефти и сжиженного природного газа, или же локальное сосредоточение производства и потребления водорода в рамках отдельных стран или небольших регионов.
По какому сценарию пойдет дальнейшее развитие водородной энергетики, будет во многом зависеть от темпов декарбонизации мировой экономики и скорости освоения и развития водородных технологий. Способствовать появлению глобального рынка водорода будет спрос со стороны стран, ратифицировавших Парижское климатическое соглашение, но не имеющих достаточных собственных ресурсов для производства низкоуглеродной энергии и топлива для декарбонизации секторов экономики. Еще одним немаловажным стимулом, способным увеличить объемы производства и потребления водорода, является развитие технологий для его использования в качестве средства накопления энергии на установках ВИЭ и расширение сфер применения водородных топливных элементов.

Развитие водородной энергетики в России

В 2019 году Россия присоединилась к Парижскому соглашению по климату, чем поддержала международные усилия по противодействию изменению климата, охране окружающей среды и рациональному природопользованию.
Уже сегодня страна является одним из гарантов глобальной энергетической безопасности, обеспечивая природным газом – наиболее экологическим чистым ископаемым источником энергии – европейских и восточных партнеров.
Одна из ключевых задач, закрепленных в Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года, – на основе имеющихся компетенций в сфере традиционной энергетики развивать потенциал России в новых перспективных направлениях, формируя собственную научную и техническую базу энергетики будущего и наращивая экспорт высокотехнологичных решений и несырьевой продукции. В этой связи развитие водородной энергетики полностью отвечает поставленным задачам.

Одним из первых самолетов на водороде стал советский ТУ-155
Источник: jetphotos.com

Несмотря на то, что отечественные топливно-­энергетический и электроэнергетические балансы сегодня являются одними из самых «зеленых» в мире, Россия продолжает дальнейшую работу над развитием альтернативных источников, в том числе над расширением использования водорода на внутреннем рынке.
В качестве наиболее перспективных направлений в настоящее время рассматривается применение водорода в качестве энергоносителя на транспорте, в энергетике и промышленности. Помимо этого, водород потенциально может использоваться для энергоснабжения потребителей энергетически изолированных районов и территорий с особыми требованиями экологичности, например, в Арктике.
Наша страна обладает важными конкурентными преимуществами: значительным энергетическим потенциалом и ресурсной базой, генерирующими мощностями, географической близостью к потенциальным потребителям водорода, научным заделом в сфере производства, транспортировки и хранения водорода, а также действующей транспортной инфраструктурой.
Для реализации имеющегося в стране потенциала в октябре 2020 года правительством была утверждена дорожная карта по развитию водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года, задача которой – расширение производства и потребления водорода, а также вхождение страны в число мировых лидеров по его производству и экспорту. В настоящее время подготовлен проект Концепции развития водородной энергетики, в котором сформулированы приоритеты развития водородной энергетики с определением краткосрочных, среднесрочных и долгосрочных целей.
Одной из первостепенных задач, на которой предстоит сосредоточиться, должна стать разработка конкурентоспособных технологий производства водорода как из ископаемого сырья, в первую очередь природного газа, так и электролизом воды на базе АЭС и ВИЭ. При этом, нужно продолжать работу по развитию в стране возобновляемой энергетики, уделяя особое внимание снижению стоимости, получаемой от солнечных и ветровых станций электроэнергии, для организации экономически эффективного производства водорода с минимальным углеродным следом.

Использование водорода на НПЗ в Германии
Источник: pressebox.de

Отдельное внимание стоит обратить на разработку технологий эффективной и безопасной транспортировки и хранения водорода, не получивших в настоящее время достаточного развития для широкомасштабного применения в промышленности. Для достижения эффективных результатов потребуется развитие отечественной научной школы и профессиональных кадровых компетенций, создание инжиниринговых центров и полигонов для отработки пилотных проектов, а также разработка соответствующей нормативной базы по стандартизации и в сфере безопасности по всей цепочке жизненного цикла от производства до применения водородных энергоносителей. Для вывода на рынок новых решений необходимо будет обеспечить и законодательную поддержку водородной энергетики.
Развитие всех этих направлений предусмотрено в рамках дорожной карты по развитию водородной энергетики. К 2024 году запланирована реализация ряда пилотных проектов в области водородной энергетики, направленных, в том числе, на создание и применение пилотных установок производства водорода без выбросов углекислого газа, разработку, изготовление и проведение испытаний газовых турбин на метано-­водородном топливе, создание опытного образца железнодорожного транспорта на водороде и опытных полигонов низкоуглеродного производства водорода на объектах переработки углеводородного сырья или добычи природного газа, производство водорода с использованием атомных электрических станций.

Международное сотрудничество

В активной стадии находится взаимодействие с иностранными партнерами в сфере водородной энергетики. В первую очередь, ставка будет делаться на страны Европейского союза и Азиатско-­Тихоокеанского региона, в которых уже приняты долгосрочные программы развития водородной энергетики.
В настоящий момент наиболее интенсивный диалог ведется с немецкой и японской сторонами. В рамках Российско-­Японского Консультационного энергетического совета достигнуты принципиальные договоренности о взаимодействии в рамках двусторонней рабочей группы. Отдельное внимание уделяется перспективам сотрудничества по водородному направлению между российскими компаниями и японскими органами власти.
В частности, одна из крупнейших энергетических компаний России – «Росатом» – в рамках подписанного в 2019 году соглашения о сотрудничестве совместно с Агентством по природным ресурсам и энергетике Японии разрабатывает технико-­экономическое обоснование (ТЭО) проекта поставок водорода из России в Японию. В случае его успеха можно будет говорить о реализации масштабного проекта организации глобальной цепочки поставок водорода, а в будущем – о формировании уникального низкоуглеродного водородного кластера, цена на водород в котором будет интересна для потенциальных партнеров. Еще одним перспективным направлением сотрудничества двух сторон может стать обмен опытом в части развития технологий.
Что касается российско-­германского сотрудничества, в высокой степени готовности находится подписание совместной российско-­германской декларации о намерениях между Минэнерго России и Федеральным Министерством экономики и энергетики ФРГ о сотрудничестве в сфере устойчивой энергетики. Предусматривается создание рабочей группы высокого уровня по устойчивой энергетике под председательством министров энергетики России и Германии и входящей в ее состав подгруппы по сотрудничеству в сфере водородной энергетики.

Южнокорейская Hyundai активно развивает производство машин на водороде и заправочные станции для них
Источник: hyundai.com

Подписание Декларации станет основой для расширения взаимовыгодного энергетического сотрудничества между нашими странами, обмена опытом в области изучения технологии производства, хранения, использования и транспортировки водорода для реализации совместных российско-­германских проектов в данной сфере, а также будет способствовать использованию и совершенствованию наилучших доступных технологий и практик.
На сегодняшний день энергетическая политика Российской Федерации полностью отражает ключевые мировые тренды. Наша страна на протяжении многих лет является одним из лидеров на глобальном рынке углеводородов, при этом параллельно, не теряя, а наращивая компетенции в традиционных направлениях ТЭК, Россия намерена вой­ти в число мировых лидеров в сфере производства и экспорта водорода. Это окажет мультипликативный эффект на развитие смежных отраслей и будет способствовать достижению глобальной цели низкоуглеродного развития мировой экономики.

Источник

Сферы применения водорода

Современную промышленность сложно представить без применения технических газов на различных этапах производства. На сегодняшний день водород входит в тройку наиболее востребованных промышленностью газов, уступая лишь кислороду и азоту.

Структура производства промышленных газов в России, %

Водород относится к числу важнейших видов сырья химической и нефтехимической промышленности. Свойства этого газа обуславливают его применение и в других отраслях промышленности: металлургической, пищевой, стекольной, электронной, электротехнической.

Структура потребления водорода в России в 2013 г.

Химическая промышленность

В России основная область потребления водорода – производство химических продуктов, прежде всего аммиака и метанола.

Потребление водорода при синтезе метанола CH ₃ OH составило 0,6 млн.т. в 2013 г.

Потребление водорода в остальных сегментах химической промышленности не превышает 90 тыс.т. – 3% от объема потребления.

Нефтеперерабатывающая промышленность

Повышается потребность НПЗ в водороде, необходимом для получения топлив из тяжелого высокосернистого сырья. Огромное количество водорода требуется для установок гидрообессеривания, гидрокрекинга дистиллятов, гидроочистки, изомеризации, производств смазочных материалов. Кроме того, водород на НПЗ используется для активации катализаторов риформинга и регенерации катализаторов изомеризации.

Металлургия

Основной областью применения водорода в металлургии является производство металлизированного сырья методом прямого восстановления железа. Сейчас в этом процессе потребляется около 320 тыс.т. водорода.

Значительные объемы водорода расходуются в технологических процессах прокатного производства (при термической обработке холоднокатаного проката). Потребление водорода – около 15 тыс.т. в год.

Водород на металлургических предприятиях используется также для создания защитной азотно-водородной атмосферы при термообработке труб.

Стекольная промышленность

В стекольной промышленности водород применяется при производстве листового стекла float-методом, а также для получения кварцевого стекла, которое изготавливают плавлением чистого горного хрусталя, кварца или синтетического оксида кремния в водородно-кислородном пламени.

Энергетика

В энергетике водород используется для охлаждения мощных турбогенераторов, благодаря его высокой теплопроводности и коэффициенту диффузии, а также нетоксичности. По оценкам, в энергетике на ТЭЦ, АЭС потребляется около 4-5 тыс.т. водорода в год.

Пищевая промышленность

В пищевой промышленности водород используется в процессах гидрогенизации масел и жиров при получении твердых жиров (маргарина). Объем потребления водорода масложировыми комбинатами оценивается на уровне 1,5 тыс.т. в год.

Среди прочих потребителей водорода – обогатительные комбинаты, заводы, занимающиеся фабрикацией ядерного топлива, предприятия электронной и электротехнической промышленности, транспортные и газовые компании, фармацевтика.

Источник