6.2

1.

Раздел 6.2. Водородная энергетика
6.2.1. Производство водорода
6.2.2.Сферы и способы использования
водородного топлива
6.2.3. Перспективы Н-энергетики

2. Тенденции в изменении энергетического уклада

• С 2020 годов в энергетических доктринах многих стран
мира стал прослеживаться интерес к внедрению водорода
как основного энергоносителя и к созданию новой
водородной экономики.
• Внедрение водорода совместно с ядерной и
возобновляемой энергетикой должно ознаменовать
окончательный переход на новый энергетический уклад
стран большой двадцатки к 2050 году.
• Водород, как энергоноситель, должен в перспективе
полностью заменить углеводородное ископаемое топливо.
А производить его должны из экологически чистого
источник ресурсов – воды с использованием чистой
(«зеленой») энергии, получаемой из возобновляемых
источников. Водород, произведённый по такой
технологии, является действительно «зеленым»,
поскольку он совершенно естественен для экосистемы
Земли, как и круговорот воды в природе.

3.

• Водородная энергетика в большинстве стран ЕС, в США,
Японии, а также в России, включена в перечень критических
технологий, от уровня которых зависит безопасность
страны. Около 10 стран приняли государственные
водородные программы. Например, Исландия к 2030г.
отказывается от углеводородного топлива вообще, Япония и
Австралия заявили о том, что у них будет водородная
экономика.
• Наиболее последовательные сторонники водорода в
перспективе рассматривают его как основу не только
энергетики, но и экономики в целом (используют термин
«водородная экономика».
• Мировые потребности в водороде к 2050г.составят 200-300
млн т, а к 2100 – 800-1000 млн т
• Согласно оценок международного Водородного совета, к
2050 году на водород будет приходиться 18 % от общего
мирового спроса на энергию.

4. Свойства водорода как топлива и энергоносителя

1. 3апасы водорода практически не ограничены, хотя в
свободном состоянии его практически нет из-за высокой
активности и малого уд. веса (Во Вселенной самые распространенные
химические элементы это водород и гелий, на планете Земля - кислород и кремний);
2. Водород – универсальный вид энергоресурса для производства
электричества в рабочих циклах различного типа, обладающий
рядом преимуществ :
- наибольшая теплотворная способность на единицу массы среди
прочих видов органического топлива;
- наименьшее отрицательное воздействие на окружающую среду
в энергетических циклах;
- высокая эффективность его использования в накопителях
энергии;
- удобство его транспортировки в газообразном, жидком и
связанном состояниях.

5. Энергоемкость различных видов топлива, кВт-час/кг

Энергоемкость различных видов топлива, кВт-час/кг
Тип топлива
Водород Природный
(газ)
газ
Бензин
Дизельное Метанол
топливо
39,45
13,36
10,17
15,45
6,47
Энергосодержание: При использовании водорода в топливных
элементах вследствие высокого КПД топливного элемента (в 1,5–3
раза больше, чем у ДВС) эффективность водорода как топлива
оказывается выше в 4–10 раз.

6. Получение водорода и обращение с ним

Водород можно получать 19-ю методами, но
экономически приемлемыми на сегодня признаны:
- паровая конверсия и каталитический пиролиз
метана – 70%.
- электролиз воды – около 30%.
Другие методы пока находятся в стадии
исследования и разработки пилотных установок
(термическое разложение воды в
высокотемпературных газоохлаждаемых атомных
реакторах, подземная газификация угля,
расщепление угля и др.).

7. Происхождение и воздействие на ОС

По этим признакам различают:
- зеленый водород, (электролиз воды с
использованием электричества,
произведенного из ВИЭ,
- серый или черный водород (конверсия
метана, электролиз с использованием
электричества, произведенного на ТЭС,
- синий водород (расщепление угля с
захоронением СО2 , который образуется при
этой технологии.

8.

Производство водородного топлива
Паровая конверсия
метана
Электролитическое
разложение воды
Термолиз
Ступенчатый
фотокатализ
Добыча водорода
как ископаемого сырья
Отделение водорода от углеродной
основы в метане или других газообразных
углеводородах:
а) природном газе,
б) сингазе, получаемом газификацией угля,
в) биосингазе, получаемом из биомассы.
Разложение электролита
электрическим током на мембранных
электродах с КПД ≥ 90%
Прямое разложение воды на водород
и кислород при Т° ≥ 2500 °С
Использование набора химических
реакций, идущих в живых растениях
Добыча водорода из некоторых
горных пород глубокого залегания

9. Стоимость производства 1кг. водорода (на сегодня и в близкой перспективе)

Способ производства
Паровая
конверсия
газа/метана
Современная
стоимость, долл./кг.
природного 2-5
Производство водорода на АЭС 2,3-2,5
(химическое, электролиз, термолиз)
Электролиз
при
электричества от:
Перспективная
стоимость, долл./кг.
2-2,5
(включая
доставку и хранение)
Около 2,0
использования
- сети
6-7
3-4
- ВЭС
7-11
3
- СЭС
10-30
3-4
Разложение биомассы
5-7
1-3
Газификация угля
2-2,5
1,5

10. Технология производства H2 из воды за счет ее термического разложения

Технология основана на использовании высокотемпературных
реакторов с гелиевым теплоносителем ВТГР. Это новый тип экологически
чистых универсальных атомных энергоисточников, способных вырабатывать
тепло при температурах более 1000°С, которое используется для производства
электроэнергии в прямом газотурбинном цикле (с КПД около 50%) и для
производства H2. Проект разрабатывают совместно российские и американские
атомщики.
Термохимический процесс получения H2 из воды использует цикл
реакций с химически активными соединениями, например, соединениями брома
или йода. Такой цикл может быть построен и на базе технологии паровой
конверсии метана (ПКМ), поскольку при паровой конверсии метана половина H2
производится не из метана, а из воды. Довести в этом цикле долю H2,
получаемого расщеплением воды, до 100% и, тем самым, полностью избежать
расхода метана можно, если получать в качестве промежуточного продукта
метанол с последующим электрохимическим восстановлением метана,
возвращаемого в голову процесса.
Подобное развитие технологии по отношению к связке "ВТГР-ПКМ"
может стать рентабельным при росте цен на природный газ свыше 120-150
долл./1000 м3. (На середину 2022г. в странах ЕС она на порядок выше).

11. Ископаемый водород

Согласно одной из гипотез, вся
глубинная часть Земли (ядро, внешнее ядро и
т.д.) состоит, в основном, из водорода,
который самопроизвольно вырывается оттуда
и улетучивается в верхние слои атмосферы и
в космос. В этом случае разработка
технологий добычи и улавливарие водорода
обеспечит человечество неисчерпаемым
энергоресурсом.

12. Способы использования водорода

• Топливные элементы (электрохимические
генераторы/накопители электрической энергии)
• Сжигание H2 как обычного топлива в некоторых
критических технологиях:
- «подсветка» угольного топлива в мощных котлах ТЭС,
(сжигание H2 при этом позволяет существенно повысить
параметры пара и, как следствие, достичь более высокого
КПД паровых турбин (до 55%);
- форсирование режима работы турбоагрегата на ТЭС и
АЭС в период пиковой нагрузки в электрической сети,
- перегрев свежего пара с целью повышения КПД
турбогенераторов (на 1-7,5%) в базовом режиме работы
ТЭС и АЭС.
• Использование водорода в быту (предстоит тяжелая
борьба с «водородофобией»).

13. Продолжение

При переходе на водородное топливо неизбежно
появление новых технических проблем - после
получения он должен быть упакован путем
сжатия, сжижения или насыщения им
специальных материалов (гидриды металлов,
химические гидриды, углеродные структуры),
способных накапливать его в больших
количествах, а за тем транспортирован
наземными или морскими транспортными
средствами и сохранен в системах хранения до
передачи потребителю.

14. История создания топливных элементов (ТЭ)

ТЭ — это электрохимические генераторы (ЭХГ),
преобразующие химическую энергию топлива в
электрическую (открыты в 1839 г.). Они имеют
принципиальное отличие от всех генераторов
электроэнергии — в них химическая энергия
преобразуется непосредственно в электрическую, т.е.
минуя стадию превращения в тепловую энергию. КПД
любой тепловой машины не превышает определенной
величины (40-50%), зависящей, от температуры рабочего
тела (пара или газа) на входе и выходе тепловой машины,
в то время как на КПД ЭХГ это ограничение не
распространяется. Современные водородно-кислородные
ТЭ имеют КПД порядка 70%.

15. Преобразование химической энергии традиционным и электрохимическим способами.

16. Продолжение

• Время работы обычных гальванических элементов и
аккумуляторов ограничено заложенным в них запасом
активных веществ, после использования которых,
гальванические элементы выходят из строя, а аккумуляторы
требуют заряда от внешнего источника электроэнергии для
восстановления запаса активных веществ. Отличие
топливных элементов от этих источников тока
заключается в том, что в них непрерывно подаются топливо и
окислитель и также непрерывно отводятся продукты реакции,
благодаря чему они могут работать без остановок длительное
время. В этом проявляется схожесть ЭХГ с ДВС.
• В конечном счете, в ТЭ протекает тот же процесс горения
топлива, что и в топках или ДВС — взаимодействие топлива с
кислородом. Однако процесс этот идет даже при комнатной
температуре, поэтому такое горение в отличие от обычного
называют “холодным горением”.

17. Принцип работы электролитического топливного элемента

В качестве катализатора в таких ТЭ,
как
правило,
применяются
микрочастицы платины, нанесенные
на углеродное волокно. Благодаря
своей структуре такой катализатор
хорошо
пропускает
газ
и
электричество. Мембрана обычно
изготавливается из серосодержащего
полимера
нафиона.
Толщина
мембраны составляет десятые доли
миллиметра.
Попадающий в элемент водород
разлагается под действием катализатора на
электроны и положительно заряженные
ионы водорода H+. Специальная мембрана,
исполняющая здесь роль электролита в
обычной батарейке, пропускает через себя
протоны, но задерживает электроны. Таким
образом, скопившиеся на аноде электроны
создают избыточный отрицательный заряд,
а ионы водорода создают положительный
заряд на катоде. Если включить элемент в
нагрузку, то электроны потекут через нее к
катоду, создавая ток и завершая процесс
окисления водорода кислородом.

18. Схема твердополимерного протонообменного ТЭ

19. ЭХГ – электрохимический генератор

• Напряжение на отдельном ТЭ – топливном
элементе не превышает 1,1 V. Чтобы получить
необходимое напряжение, ТЭ соединяют
последовательно в батареи. А чтобы получить
требуемую мощность необходимо эти батареи,
состоящие из ТЭ соединить параллельно. Эти
батареи ТЭ необходимо смонтировать в один
блок вместе с газораспределительными и
терморегулирующими элементами. Созданный
таким образом ЭХГ является «сердцем»
электрохимической энергоустановки.
• Уже созданы комплексы ЭХГ с мощностью в
десятки МВт.

20. ЭЭУ – электрохимическая энергоустановка

21. Гибридные установки: топливный элемент/газовая турбина.

Такой гибрид позволяет повысить эффективности,
снижения себестоимости энергии и для утилизации тепловой
энергии применяются установки, совмещающие топливные
элементы и газовые турбины.
Компания FuelCell Energy (США) разработала
гибридную версию SOFC топливного элемента и газовой
турбины. В этой схеме топливный элемент производит 4/5
энергии, а остальную часть из тепловой энергии — турбина.
КПД данной схемы приближается к 70 %. Испытывается
электростанция мощностью 40 МВт, состоящая из 10
топливных элементов и одной турбины мощностью 10 МВт.
Доминируют две технологии: PEM (протон-обменная)
и SOFC (твёрдо-оксидная).

22. ТЭ - химический накопитель энергии

ТЭ можно отнести к химическим накопителям
энергии, т.к. с его помощью в электроэнергию,
потребную в период максимума нагрузки,
превращается
синтетическое
топливо,
произведённое
за
счёт
использования
электроэнергии в период минимума нагрузки
(например, водород, полученный электролизом).
Этот способ накопления энергии очень
привлекателен
независимостью
этапов
накопления энергии («заряд») и её использования
(«разряд»),
высокой
удельной
ёмкостью
запасаемой в топливе энергии и возможностью
длительного её хранения.

23. Основные типы ТЭ

По типу электролита:
1) водородно-кислородные элементы с протонообменной
мембраной,
2) твердополимерные водород-кислородные электролитные,
3) твердополимерные метанольные,
4) на щелочном электролите,
5) фосфорно-кислотные,
6) на расплавленных карбонатах,
7) твердооксидные.
По рабочей температуре:
низкотемпературные, среднетемпературные (200-2500C) и
высокотемпературные.
По окислителю:
воздух, перекись водорода, хлор, бром, азотная кислота и т.д.
8

24.

Преимущества и недостатки ТЭ как технической
основы водородной энергетики
Достоинства
Недостатки
Экологическая чистота
Высокая цена:
3-5 тыс. долл. за 1 кВт
Высокий КПД (50-70%)
(Приемлемая:
1000 долл/кВт – для автомобилей,
100 долл/кВт – для энергетики)
Бесшумность
Модульная конструкция
Многообразие
первичных
энергоресурсов
(метан, природный газ,
и др.)
Малый срок службы:
2- 4 тыс. час
(Приемлемый: ≥20-30 тыс. час)
Низкая надежность
9

25. Одна из моделей топливного элемента

26. Авто с топливным элементом в качестве двигателя, совершивший кругосветное путешествие

27. Локомотив на топливных элементах

Осенью 2021г. в Китае испытали первый локомотив,
который использует водородные топливные элементы. Об
этом сообщает агентство Xinhua.
Испытания проводили на северо-востоке страны. Локомотив
прошел по пути, который используется для транспортировки
угля. Отмечается, что такая модель может развивать
скорость 80 километров в час и работать непрерывно в
течение суток при полной заправке.
Предполагается, что такой локомотив в будущем может
использоваться в портах, заводах и шахтах.

28. Области применения ЭХГ (диапазон мощностей: от мВт до МВт)

Стационарные приложения
производство электрической энергии (на электрических станциях),
аварийные источники энергии,
автономное электроснабжение.
Транспорт
электромобили, автотранспорт,
морской транспорт,
железнодорожный транспорт, горная и шахтная техника
вспомогательный транспорт (складские погрузчики, аэродромная
техника и т. Д.)
Бортовое питание
авиация, космос,
подводные лодки, морской транспорт,
Мобильные устройства
портативная электроника,
питание сотовых телефонов,
зарядные устройства для армии.

29. Планы перехода к Н-энергетике

1. В мире ежегодно тратится $20-25млрд на переход к
водородной энергетике (Лидируют ЕС, Япония, Китай)
2. Страны ЕС:
- перевод на водородное топливо к 2020 г. не менее 5 %
транспортных средств (в основном легковых автомобилей
и автобусов),
- использование водорода в качестве энергетического
топлива,
- создание водородной инфраструктуры.
Большое внимание уделяется совершенствованию
топливных элементов, уже применяемых на неатомных
подводных лодках (ПЛ) в качестве воздухонезависимой
(анаэробной) силовой установки (Произв. в Германии).
Для того чтобы реализовать планы и довести долю
водорода в энергетическом балансе до 5% к 2020г.
инвестиции должны составить 4-15 млрд. евро.

30. 3. США

- к 2010г. – первичный выход водорода на рынок;
- к 2015г. – коммерческая доступность водорода;
- к 2025г. – полномасштабная реализация Нэнергетики.
В 2003г. президентом США была провозглашена
«Инициатива в области водородной энергетики».В
2004-2008гг. только из гобюджета США на её
поддержку было направлено 720 млн. долл. и в
несколько раз большие инвестиции частных компаний.
Но в 2006г.федеральное финансирование этой
программы прекращено. Заявлено, что создание
топливных элементов нерентабельно.

31. 4. Япония

Планирует довести суммарную мощность
электростанций на основе ТЭ к 2020г. до 10 ГВт.
К 2020г. намечена полная коммерциализация
водородных ТЭ и создание необходимой для
этого инфраструктуры.
По прогнозам, к 2050г. 70% автомобилей будут
оснащены водородными двигателями.
По пессимистическому прогнозу в большой
энергетике водород может занять
лидирующее положение (38% генерации на
основе ТЭ) только к концу нынешнего
столетия.

32. 5. Россия

• В 1990-е гг. многие проекты по Н-энергетике,
разрабатываемые в СССР с 1960-х гг., были
свёрнуты вследствие отсутствия государственной
поддержки (из-за глубочайшего экономического
кризиса).
• Сейчас десятки институтов и университетов
России в кооперации с международными
компаниями работают над этой проблемой. В
России есть хороший задел в смежных с
водородной областях науки и технологий:
нанотехнологии, направленный синтез
материалов, тонкопленочные и лучевые
технологии и др. Важно также, что 50 %
мирового количества палладия – важнейшего для
ТЭ материала (катализаторы, мембранные
аппараты, электролизёры и др.) – производится в
России (Норильские месторождения).

33. Продолжение

По инициативе ТПУ шесть ведущих вузов и научных
организаций России, обладающих лидирующими компетенциями
в области водородной энергетики, подписали в 2020г.
соглашение о создании консорциума по развитию водородных
технологий «Технологическая водородная долина». Участники
(ТПУ, Институт катализа СО РАН, Институт проблем
химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза
РАН, Самарский государственный технический университет и
Сахалинский государственный университет) будут вести
совместные исследования и разрабатывать технологии для
получения водорода, его транспортировки, безопасного хранения
и использования в энергетике.
• Консорциум планирует тесное сотрудничество с крупнейшими
компаниями РФ, заинтересованными в развитии водородной
энергетики. Первым совместным научным мероприятием станет
конференция, ее проведение намечено на декабрь 2020 года.
• Консорциум — структура открытая, в дальнейшем к нему
присоединятся другие вузы и академические институты.
Индустриальные партнеры войдут в наблюдательный совет
консорциума для обеспечения трансфера технологий.

34. Вклад ТПУ в разработку технологий получения водорода

В ИШЭ ТПУ разработана уникальная технология
получения перспективного материала — кубического
карбида вольфрама, который сможет заменить дорогие
платиновые катализаторы и снизить стоимость получения
водорода с помощью электролиза воды. Для его синтеза
необходима температура около 3000°С и высокая скорость
охлаждения. Коллективу под руководством проф. А.А.
Сивкова удалось получить этот материал с помощью
уникальной лабораторной установки - коаксиальному
магнитоплазменному ускорителю, который позволяет
достичь высокой температуры и стремительного
охлаждения при помощи сверхбыстрых плазменных
струй. Продукт – наноразмерные (менее 70 нанометров)
частицы кубического карбида вольфрама в углеродных
оболочках; чистота материала около 95%. . В качестве
исходных материалов (сырья) используются доступные и
относительно дешевые порошки вольфрама и
технического углерода.

35. Продолжение-1

• Для широкомасштабного использования топливных ячеек (ТЯ) в
энергетике необходимо сделать их: 1) еще более эффективными
(сейчас их электрический коэффициент полезного действия достигает
60 %), 2) надежными, 3) дешевыми.
• Для создания одного из ключевых элементов ТЯ – электролита,
ученые ТПУ и Института сильноточной электроники СО РАН
впервые в России предложили использовать метод магнетронного
распыления. Благодаря этому методу им удалось получить очень
тонкий слой электролита — не более 5 микрон. Это позволило
снизить температуру, при которой происходит выработка
электроэнергии, с 850°С до 750°С. Это, в свою очередь, позволит
повысить срок службы ТЯ и плотность мощности. Электролит в ТЯ
играет роль барьера между молекулами водорода и кислорода. Если
смешать их напрямую, может произойти взрыв. Слой электролита
пропускает только нужные для безопасной реакции ионы кислорода.
В твердооксидных ТЯ – это тонкая пленка из диоксида циркония,
стабилизированного иттрием, и оксида церия, допированного
гадолинием. Наносят электролит на керамический анод. Требуются
долгосрочные ресурсные испытания.

36. Продолжение-2

• По инициативе ТПУ шесть ведущих университетов и научных
организаций России, обладающих ведущими компетенциями в
области водородной энергетики, подписали в 2020 году соглашение о
создании консорциума по развитию водородных технологий
«Технологическая водородная долина». Участники (ТПУ, Институт
катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН,
Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский
государственный технический университет и Сахалинский
государственный университет) будут проводить совместные
исследования и разрабатывать технологии производства,
транспортировки, безопасного хранения и хранения водорода.
использование в энергетическом секторе. Консорциум планирует
тесное сотрудничество с крупными российскими компаниями,
заинтересованными в развитии водородной энергетики. Первым
совместным научным мероприятием станет конференция, которая
запланирована на декабрь 2020 года. Консорциум - открытая
структура, в будущем к нему присоединятся другие университеты и
академические институты. Промышленные партнеры присоединятся к
наблюдательному совету консорциума, чтобы обеспечить передачу
технологий.
• На сегодня «Водородные долины» созданы в ряде стран (Япония,
Германия, Китай).

37. Продолжение-3

• 23-24.12.20 на платформе ТПУ состоялась научнопрактической конференции «Водород. Технологии.
Будущее». Ее участники обсудили перспективы развития
технологий для водородной энергетики в России и
представили последние разработки в этой области. По
итогам конференции планируется создать карту
технологических компетенций в сфере водородных
технологий, где участники не дублируют разработки друг
друга, а создают технологические цепочки, конкретные
продукты, готовые к внедрению в российскую
промышленность. Конференция работала по четырем
секциям, посвященным технологиям получения,
транспортировки, хранения и использования водорода, а
также вопросам безопасности водородных технологий.
Кроме вузов и академических институтов в ее работе
приняли участие крупные компании: «Росатом»,
«Газпром», «СИБУР», «Новатэк», «РЖД» и другие.

38. Конференция «Водород. Технологии. Будущее» в ТПУ (октябрь 2021г.)

• В ТПУ в октябре 2021г. прошла II
Всероссийская конференция с
международным участием «Водород.
Технологии. Будущее», организованная
Консорциумом водородных технологий.
Конференция собрала почти 200 экспертов
— это ученые, представители
индустриальных компании и профильных
ведомств. Участники представляют
результаты последних исследований и
обсуждают готовность водородных
технологий к внедрению.

39. Продолж.-5

Всероссийская научно-практическая конференция «Водород. Технологии. Будущее» пройдет
25 и 26 октября 2022г. Ее участники обсудят вопросы, касающиеся современного состояния и
перспектив развития научных разработок и технологий водородной энергетики. Томский
политехнический университет выступает одним из основных организаторов мероприятия.
Конференция пройдет в очно-дистанционном формате в Казани. Тезисы и доклады для
участия принимаются до 24 октября.
«Водород. Технологии. Будущее» — крупнейшая площадка для обсуждения актуальных
вопросов, касающихся развития водородной энергетики. Она проводится Консорциумом
водородных технологий, который был создан в 2020 году по инициативе Томского
политехнического университета, при поддержке федеральной программы «Приоритет 2030».
В этом году конференция расширяет географию и впервые пройдет на платформе Казанского
федерального университета.
Мероприятие соберет крупнейших экспертов со всей страны — ученых, представителей
индустриальных компаний и профильных ведомств. Работа конференции будет проходить по
трем секциям: «Технологии получения водорода», «Транспортировка и хранение водорода»,
«Использование водорода». Ее участники обсудят современные технологии получения
водорода, способы транспортировки и хранения водорода, а также проблемы, связанные с
техническим обеспечением научных разработок и производственных цепочек.
«Томский политехнический университет обладает обширными и развитыми компетенциями в
различных областях водородной энергетики. Наши эксперты представят на конференции
разработки последних лет, связанные с пиролизом, новыми материалами-накопителями,
защитными покрытиями, а также обеспечением безопасности и методами контроля баллонов
высокого давления для хранения водорода. Большинство этих проектов реализуются при
поддержке программы «Приоритет 2030» или выполняются в рамках государственного
задания»,.
Также представители Томского политеха выступят модераторами круглого стола. Его
участники обсудят проблемы и перспективы получения водорода из углеродного сырья.
Второй круглый стол, который запланирован в рамках конференции, будет посвящен
применению водорода на транспорте и другим альтернативным вариантам его
использования.
«В работе конференции примут участие индустриальные партнеры ТПУ. Предполагается, что
это будут представители нефтегазовых компаний, нефтеперерабатывающих заводов и
транспортных компаний. Они представят разработанные ими технологии и поделятся
запросами на удовлетворение технологических разрывов в их продуктовых линейках».