Předchozí můj článek o využití vodíku jako paliva budoucnosti bylo napsáno před dvěma lety. Mnozí v komentářích byli skeptičtí k mým předpovědím. Někteří vtipkovali, říkají, že to všechno je sci-fi, nerealizovatelné „krásné daleko“. Jiné vyděsila katastrofa americké vzducholodě „Hindenburg“, ke které došlo v květnu 1937.
Od tragédie na letecké základně Lakehurst ale uplynulo více než 80 let. Změnily se technologie a materiály, řádově se zvýšila míra bezpečnosti při používání vodíku. Každý z nás alespoň jednou jel v kyvadlovém autobusu na plyn. Někteří přestavěli své auto a dali plynové láhve. A všichni jsou naživu.
Skutečně se ukázalo, že skeptici měli v některých ohledech pravdu, protože existující monopol na uhlovodíkové palivo zjevně až donedávna blokoval všechny vodíkové projekty. Ale svět nestojí na místě. A moje předpovědi o vodíkové energii se začaly naplňovat a dostávaly reálné obrysy. A střet zájmů uhlovodíkového monopolu s vodíkovým palivem je nyní vyřešen.
Za posledních 15–20 let se globální trh s vodíkem rozrostl ze 40 milionů USD na 12 miliard USD. Bank of America předpovídá, že průmysl vodíkových paliv brzy vstoupí na trh 11 bilionů dolarů. Klíčové země-hráče tohoto trhu: Kanada, USA, Čína, EU, Japonsko, Korea.
V roce 2020, navzdory pandemii koronaviru, řada zemí oznámila své plány na dekarbonizaci nebo „nulové“ emise oxidu uhličitého do roku 2050. Jejich plány jsou upustit od používání uhlí, ropy a plynu, zatímco vodík je skutečné alternativní palivo pro dosažení 100% nulového uhlíku.
Ukázalo se, že snížení emisí o 80 % je obtížné, ale možné. Ale značné vysoké náklady na odstranění zbývajících 20 % se tak staly „kamenem úrazu“ všech dekarbonizačních programů.
Globální poradenská společnost pro energetický výzkum Wood Mackenzie vyhlásila rok 2020 „Dekádou vodíku“. A Evropa v červenci loňského roku přijala „strategii EU pro vodík“. Takzvaná „Iniciativa 2x40 GW“ od sdružení „Hydrogen Europe“. Do roku 2030 plánují nasadit 40gigawattové elektrolyzéry zeleného vodíku a stejné množství vodíku chtějí vyvážet ze sousedních zemí. Austrálie, Japonsko, Čína, Kanada a několik států USA rovněž oznámily strategie využití vodíku jako paliva s nulovými emisemi.
Přední země ve výrobě vodíku slibují, že do šesti let navýší jeho produkci 50krát.
Nedávno vytvořené mezinárodní konsorcium energetických gigantů Green Hydrogen Catapult také plánuje do roku 2026 vytvořit 25-gigawattovou výrobu „zeleného“ vodíku a zároveň snížit jeho náklady na 2 dolary za kilogram. Konsorcium zahrnovalo saúdskoarabskou společnost IPP ACWA Power, offshore větrný developer Orsted, čínský výrobce větrných turbín Envision a italskou plynárenskou společnost Snam.
Ze zprávy Bloombergu „Hydrogen Economy Outlook“:
"V roce 2050 bude 24 % světové energetické potřeby pokryto vodíkem a jeho cena klesne na úroveň dnešních cen plynu."
Jinými slovy, spotřeba vodíku poroste úměrně se snižováním nákladů na jeho výrobu.
"Vodíkové údolí"
Ani naše země nezůstala stranou světových trendů.
V roce 2015 Rusko „vstoupilo do hry“ podpisem Rámcové úmluvy OSN, která počítá s několikanásobným snížením emisí uhlíku z výroby elektřiny v průběhu příštího desetiletí. Loni v létě schválil ruský premiér Michail Mišustin "Energetická strategie Ruské federace do roku 2035", ve kterém je energie vodíku specifikována jako samostatný odstavec.
Cíle strategie -
„rozvoj výroby a spotřeby vodíku,
vstup Ruské federace mezi světové lídry v její výrobě a exportu“.
vstup Ruské federace mezi světové lídry v její výrobě a exportu“.
To je plánováno Rusko v roce 2024 vyveze asi 200 tisíc tun vodíku a do roku 2035 to bude 10krát více - asi 2 miliony tun.
A tak neméně, ale komplexní rozvoj vodíkové energetiky a vstup země mezi světové lídry v její výrobě a exportu, který v horizontu deseti let může být 10–15 % celosvětového trhu s vodíkem.
A zde je „cestovní mapa“ plánu rozvoje vodíkové energie v Rusku:
- Koncem roku 2020 byla vypracována koncepce rozvoje vodíkové energie a podpůrná opatření pro pilotní projekty na výrobu vodíku.
- Na začátku roku 2021 by měly existovat pobídky pro vývozce a odběratele vodíku na domácím trhu.
- Prvními výrobci vodíku budou Gazprom и Rosatom. Společnosti spustí pilotní vodíkové elektrárny v roce 2024 v jaderných elektrárnách, zařízeních na výrobu plynu a zařízení na zpracování surovin.
- V roce 2021 by měl Gazprom vyvinout a otestovat plynovou turbínu poháněnou metan-vodíkovým palivem.
- Do roku 2024 bude Gazprom studovat využití vodíku a metan-vodíkového paliva v plynových zařízeních (motory s plynovou turbínou, plynové kotle atd.) a jako motorového paliva v různých typech dopravy.
- V roce 2024 postaví Rosatom experimentální místo pro železniční dopravu na vodíkový pohon. Řeč je o přesunu vlaků na vodíkové palivové články na Sachalin, který v roce 2019 oznámily ruské dráhy, Rosatom a Transmashholding.
V listopadu 2020 ruské konsorcium "Technologické vodíkové údolí“, která bude provádět výzkum a vývoj vodíkových technologií. Vytvořené konsorcium zahrnovalo: Tomsk Polytechnic University, Institute of Catalysis SB RAS, Institute of Problems of Chemical Physics RAS, Institute of Petrochemical Synthesis RAS, Samara State Technical University a Sachalin State University. Později se k nim ale budou moci připojit i další univerzity a akademické instituce.
A zde jsou zákazníci – ruské společnosti, které spoléhají na vodíkovou energii: Gazprom, Gapromněfť, SIBUR, Ruské dráhy, Severstal, Rosatom, NOVATEK. Přiznejme si, že naše země má dobrý náskok v podobě vlastního vývoje a výroby vodíku v jaderných elektrárnách, což nám umožňuje téměř okamžitě zvýšit produkci vodíku.
Ale jak se říká, existují určité nuance ...
Výroba vodíku
Podle způsobu výroby se vodík obvykle dělí podle barvy:
"Zelená" vodík (bez uhlíku) - elektrolýza využívající obnovitelné zdroje energie (OZE);
"Žlutá" vodík (bez uhlíku) - elektrolýza s využitím jaderných elektráren (JE);
"Tyrkysový" vodík (nízkouhlíkový) – pyrolýza zemního plynu (metan);
"Modrý" vodík (středně uhlík) - parní reformování metanu (SCM) nebo uhlí s využitím CO2 (CCS - a technologie zachycování a ukládání uhlíku);
"Šedá" vodík (s vysokým obsahem uhlíku) – parní reformování metanu s emisemi CO2;
"Hnědý" vodík (s vysokým obsahem uhlíku) – zplyňování nebo parní reformování uhlí.
Hlavní způsoby výroby vodíku a spotřeba energie na jeho výrobu jsou znázorněny na tomto obrázku.
Všimněte si katalytického rozkladu metanu v přítomnosti katalyzátoru (spodní řádek). Výhodou této metody je absence CO2 a CO v reakčních produktech a také vznik cenného produktu – nanovlákenného uhlíku (NFC), který se dnes používá v mnoha průmyslových odvětvích. Nyní naši vědci pracují na zlepšení vlastností materiálů používaných v katalytických membránových reaktorech (CMR), které oddělují vodík od plynných médií.
Dokonce jsem narazil na exotický způsob získávání „zeleného“ vodíku (v KMR) ze sirovodíku na dně Černého moře, kde jeho potenciální zásoby mohou dosahovat 3 miliard tun.
Existuje také technologie dvoustupňové výroby „hnědého“ vodíku.
Etapa I - získávání syntézního plynu z ropného odpadu, kapalného spalitelného odpadu, pevného komunálního odpadu, biomasy, nízkokvalitního a vysoce popelavého uhlí, rašeliny, břidlice a dalších fosilních paliv.
Stupeň II – využití syntézního plynu k výrobě tepla, elektřiny, vývoje vodíku (v CMR).
Pro výrobu vodíku a směsí obsahujících vodík z různých kapalných (nafta, bionafta, benzín, metanol, etanol atd.) a plynných (metan, propan-butan, dimethyl éter) paliva. .
Například v Číně se hnědý vodík vyrábí v průmyslovém měřítku z nekvalitního uhlí a ropných břidlic. Životní prostředí ale kvůli tomu velmi trpí a ovzduší je znečištěné.
Metoda elektrolýzy
Elektrolýza vody je nejekologičtější metodou získávání „zeleného“ vodíku, ale zatím nejdražší na světě. Náklady na výrobu vodíku elektrolýzou PEM pro Evropu se odhadují na 3,93 eur za 1 kg.
V Rusku jsou pro elektrolýzu vodíku ideální kapacity nedostatečně zatížených VE, větrných elektráren nebo jaderných elektráren. Přítomnost takové připojené zátěže, jako je elektrolýza výroby vodíku, je pro jaderné elektrárny velmi výhodná, protože zajišťuje provoz elektrárny na konstantní úrovni výkonu a vyhlazuje „sinusoidu“ zátěže v obdobích nízké zátěže.
Plány rozvojové strategie naší jaderné energetiky do roku 2050 zahrnují produkci 50 milionů tun vodíku ročně, což je 10 % její celosvětové spotřeby.
Ideální variantou pro pilotní projekt Státní korporace Rosatom je JE Kola.
Spotřeba energie na výrobu „žlutého“ vodíku elektrolýzou v jaderných elektrárnách je 6 kWh na 1 metr krychlový. m vodíku. Kapacita až 83000 3 cu. m/h vodíku. Cena výsledného vodíku je 1 $ za XNUMX kg. Pravda, přeprava vodíku do Evropy je stále sporná a takto vyrobený „žlutý“ vodík nemusí být certifikován jako „obnovitelný“, což je pro trh EU tak důležité.
Rosatom také organizuje „západní“ a „východní“ vodíkové klastry s cílem dodávat vodík na domácí a exportní trhy v Evropě a Asii. Nyní Rosatom pracuje na studii proveditelnosti dvou slibných projektů. Jedná se o spuštění vodíkových vlaků na Sachalin a vývoz ruského vodíku do Japonska.
Nutno přiznat, že elektrolýza zatím není schopna zajistit ekonomicky rentabilní výrobu vodíku v požadovaných objemech. Nyní se po celém světě ve velkém měřítku vyrábí vodík ze zemního plynu pomocí technologie parního reformingu metanu (SCM). Je pravda, že v tomto případě se spálí téměř polovina zdrojového plynu a produkty spalování se uvolňují do životního prostředí. Ale plynaři jsou spokojeni, jejich produkt je žádaný, lze jej použít k výrobě levného „šedého“ vodíku a ziskově ho prodávat ve velkých objemech.
Pokud se ale teplo z vysokoteplotního plynem chlazeného reaktoru (HTGR) nebo vysokoteplotního plynem chlazeného thoriového reaktoru (VGTRU) využije v technologii parního reformingu metanu (PKM), pak získáme vynikající tandem pro výroba elektřiny a „modrého“ vodíku. Zároveň se šetří zemní plyn, elektřina a nevznikají žádné škodlivé emise do životního prostředí.
Podle tohoto schématu může vzniknout perspektivní jaderná elektrárna (AETS), která zajistí velkovýrobu ekologicky šetrného „žlutého“ a levného „modrého“ vodíku, cenově blízkou ceně zemního plynu. Pouze jeden modul HTGR o tepelném výkonu 200 MW tak dokáže zajistit produkci asi 100 tisíc tun vodíku ročně.
Skladování a přeprava vodíku
Vzhledem k vysoké „tekutosti“ vodíku je velmi obtížné jej přepravovat na velké vzdálenosti, jako například zkapalněný zemní plyn (LNG).
Problém s transportem kapalného vodíku je v tom, že molekuly látky jsou tak malé, že mohou prosakovat atomovou strukturou kovové nádoby při teplotách nad -253 °C. Udržet takovou teplotu ve velkém objemu po dlouhou dobu je velmi energeticky náročné. Je tu ale další problém – vodíkové křehnutí a destrukce kovů vlivem atomárního vodíku. Podléhají jí dokonce i vysokopevnostní oceli, stejně jako slitiny titanu a niklu.
Skladovat vodík ve velkých objemech je dnes ekonomicky nerentabilní. Vědci stále vyvíjejí účinné a bezpečné metody pro jeho skladování. Proto je rozumnější vyrábět vodík přímo na místě a skladovat pouze 10 % spotřebovaného objemu, což znamená nepřetržitý cyklus jeho výroby a spotřeby.
Nezapomeňte, že i v malých poměrech s kyslíkem vzniká výbušný „výbušný plyn“. Ale tento efekt lze zastavit také ve směsi metanu a vodíku (MVM), která zůstává bezpečná i při 30% koncentraci vodíku v ní.
Vodík se bude vyrábět z metanu (neboli MAM) pomocí patentované technologie adiabatické konverze metanu (ACM) společnosti Gazprom. Dá se předpokládat, že dodávka vodíku do Evropy se plánuje realizovat tímto způsobem, a proto se urychleně dokončuje plynovod Nord Stream-2. Německo se o to zajímá více než všechny evropské země, protože představilo svou vodíkovou doktrínu, která zemi zavazuje do roku 2050 zcela přejít na vodík. Média píší, že Gazprom hostitelské zemi dokonce nabídl, že postaví velkou továrnu na výrobu vodíku v oblasti spádu budovaného plynovodu a dokonce reverzní CO2 z Německa.
V budoucnu mohou být k přepravě vodíku použity kapalné reverzibilně hydrogenující organické sloučeniny (LOHC), methanol a amoniak. To však vyvolává takové problémy, jako je toxicita „aromat“ a velmi drsné podmínky pro zpětnou reakci.
Naši vědci také vyvinuli ještě účinnější způsoby skladování vodíku. Základem je jedinečná schopnost pevných reverzibilně hydrogenujících kovů a slitin na bázi LaNi5 zadržovat vodík ve své struktuře a hustota balení jeho atomů je vyšší než hustota atomů v kapalném vodíku.
Tato metoda se nazývá „intermetalické“ skladování vodíku. Již byly vyrobeny a testovány intermetalické akumulátory (IMN), které prokázaly svou účinnost a spolehlivost. Pro extrakci vodíku z takového kompaktního úložiště jej spotřebitel bude muset jednoduše zahřát.
Na závěr vám chci představit další unikátní technologii nanokapilárního skladování a transportu vodíku (CNT), která je založena na principu rozdělení akumulační struktury do milionů nezávislých kapilár – mikroobjemů, neboli tzv. polykapilární matrice. Takové vodíkové akumulátory budou mít řadu výhod: nízkou hmotnost, kompaktnost a bezpečnost proti výbuchu.
Nanokapilární struktura pro skladování vodíku pod mikroskopem
Palivový článek a vodíkový motor
Palivový článek s pevným oxidem (SFC) zůstává hlavním konvertorem vodíku na elektrickou energii. Toto zařízení přeměňuje chemickou energii paliva (vodík) přímo na elektrickou energii oxidací kyslíku bez jeho spalování.
Uvnitř TFC molekuly vodíku vstupují do chemické reakce s ionty kyslíku a výstupem je elektřina, teplo a vodní pára. Palivové články mohou pracovat s různými uhlovodíkovými palivy: vodíkem, ale i metanem, butanem nebo syntézním plynem. Jejich elektrická účinnost dosahuje 60 %, v budoucnu 80 %, zatímco tepelné, plynové turbíny nebo jaderné elektrárny mají účinnost kolem 40 %.
BTE-84 je založen na palivových článcích z pevných polymerů, pracuje se syntézním plynem (vodíkem) a vzduchem s minimálním přetlakem 0,004 kg/sq. cm, jmenovitý výkon 6,5 kW, rozsah napětí 40-80 V, zatěžovací proud 0-160A, provozní teplota +60ºC, počet palivových článků - 84, hmotnost - 72 kg.
Vodík je 3–4krát energeticky účinnější než tradiční palivo a byl poprvé použit jako palivo pro spalovací motory v roce 1806. V SSSR se za války v obleženém Leningradu kvůli nedostatku benzinu používal v dopravě i vodík.
Vyvinutý moderní vodíkový rotační pístový motor (RPD) jako takový se plánuje instalovat na elektromobily především kvůli zvýšení jejich kilometrového výkonu. A v motorech s plynovou turbínou pro různé druhy dopravy by použití vodíku a metan-vodíkového paliva do roku 2024 měl testovat Gazprom.
vodíkový boom
A jako dezert uvádím krátký výběr světa Zprávy na téma vodík.
Kanada, produkující přibližně 3 miliony tun vodíku ročně, je již dnes jedním z deseti největších výrobců vodíku a zajišťuje rostoucí poptávku na trhu.
United States vyvíjí největší vodíkový elektrický těžební vozík na světě, třídu UFCEV.
Automobilový koncern General Motors oznámil, že do roku 2035 se stane uhlíkově neutrálním. A to znamená nejen odmítnutí aut se spalovacími motory, ale také to, že všechny závody automobilového gigantu budou využívat pouze obnovitelné zdroje „zelené“ energie.
Japonsko již v roce 2019 uzavřela dohodu o dovozu vodíku z Ruska, stejně jako s JSC Russian Railways, JSC Transmashholding a regionálními úřady o zahájení železniční dopravy na Sachalin pomocí vlaků s vodíkovými palivovými články. Japonsko se chystá zakázat prodej vozů ICE do roku 2035. Fukušima otevřela v roce 2020 největší solární vodíkovou elektrárnu na světě, která je schopna naplnit až 560 vozidel na palivové články denně.
Už dnes v zemi funguje 100 vodíkových čerpacích stanic a 2030 dalších se plánuje postavit do roku 900. Kawasaki spustila jako první na světě loď na přepravu kapalného vodíku. V září 2020 oznámilo japonské konsorcium NYK Line plány na vývoj výletní lodi s palivovými články pro 100 cestujících.
Korea Hyundai Motor se chystá dodávat vodíková elektrická vozidla na ruský trh a jedná s Rosatomem o vytvoření vhodné infrastruktury.
Společnost zabývající se stavbou lodí Samsung Heavy Industries a Bloom Energy oznámily vývoj lodí založených na škálovatelných palivových článcích na bázi pevných oxidů (SOFC).
Čína uvedla na trh své první vodíkové auto Grove Obsidian s dojezdem 1 000 km. Na konci roku 2020 bylo v Číně asi 6 165 FCEV. Do roku 2025 se plánuje zvýšit počet takových aut na 50 000 a do roku 2030 na 1 milion. Do roku 350 se plánuje vybudování 2025 vodíkových čerpacích stanic a do roku 1 000 2030 čerpacích stanic.
Austrálie plánuje vyrábět čpavek (dopravující vodík) poháněný solární a větrnou energií o výkonu 1,5 GW.
Saúdská Arábie. ACWA Power spolu s americkou Air Products plánuje výstavbu elektrárny na zelený vodík a čpavek o výkonu 4 GW.
Británie zakáže v roce 2030 vozidla se spalovacím motorem a do roku 2050 plánuje přejít na zcela „bezuhlíkovou“ energii. Shearwater Energy pracuje na hybridní elektrárně v severním Walesu, která bude kombinovat větrnou turbínu, americký modulární jaderný reaktor NuScale a výrobu vodíku.
Norsko plánuje postavit vodíkovou továrnu v Geirangerfjordu, která by poháněla trajekty a výletní lodě. První vodíkový trajekt plánují začít využívat v roce 2021.
Holandsko. Provozovatel plynárenské sítě Gasunie a přístav Groningen vytvořily konsorcium NorthH2. Existují plány na vytvoření „evropského vodíkového údolí“ s přidělenou energetickou kapacitou z pobřežních větrných farem až do 10 GW do roku 2040.
Německo představil vodíkovou doktrínu pro přechod na vodík do roku 2050 ve všech sektorech hospodářství, včetně těžkého průmyslu a petrochemické výroby. Jejich vodíková strategie je přitom ve skutečnosti zaměřena na Rusko jako „sousední stát“ schopný vyřešit německý problém s vodíkem.
Francie Největší provozovatel jaderné elektrárny EDF oznámil vytvoření dceřiné společnosti Hynamics, která bude vyvíjet vodíkovou energii.
Výrobce letadel Airbus odhalil tři koncepty vodíkových letadel: „klasiku“ s proudovým motorem, turbovrtulový letoun a letoun s integrovaným trupem (létající křídlo).
Itálie. Stavitel lodí Fincantieri SpA se obrátil na PowerCell, aby dekarbonizoval lodě, která bude testovat své palivové články MS-30 pro výrobu energie na lodích a jachtách společnosti.
Ukrajina hledá možnost výstavby závodu na výrobu vodíku v zemi,
"v podmínkách přebytku jaderné výroby",
vyvážet do EU.
Rusko jaksi nenuceně a bez rozruchu představila svůj vlastní vývoj vodíkové dopravy, včetně aut, autobusů, nákladních vozů KamAZ, tramvají, letadel a vlaků. Stejně jako mnoho unikátních vývojů a technologií pro výrobu a skladování vodíku, naznačující strategicky správný vývoj země zvoleným směrem.