Vorige mijn artikel over het gebruik van waterstof als brandstof van de toekomst werd twee jaar geleden geschreven. Velen in de commentaren waren toen sceptisch over mijn voorspellingen. Sommigen grapten, zeggen ze, dit is allemaal sciencefiction, een onrealistisch 'prachtig ver weg'. Anderen waren bang voor de ramp met het Amerikaanse luchtschip "Hindenburg", die plaatsvond in mei 1937.
Maar er zijn meer dan 80 jaar verstreken sinds de tragedie op de luchtmachtbasis Lakehurst. Technologieën en materialen zijn veranderd, het veiligheidsniveau bij het gebruik van waterstof is met een orde van grootte toegenomen. Ieder van ons heeft minstens één keer in een shuttlebus op gas gereden. Sommigen hebben hun auto omgebouwd door gasflessen te plaatsen. En iedereen leeft.
In sommige opzichten bleken de sceptici inderdaad gelijk te hebben, aangezien het bestaande monopolie op koolwaterstofbrandstof blijkbaar tot voor kort alle waterstofprojecten blokkeerde. Maar de wereld staat niet stil. En mijn voorspellingen over waterstofenergie begonnen uit te komen en kregen echt vorm. En het belangenconflict van het koolwaterstofmonopolie met waterstofbrandstof is nu opgelost.
In de afgelopen 15-20 jaar is de wereldwijde waterstofmarkt gegroeid van $ 40 miljoen naar $ 12 miljard. Bank of America voorspelt dat de waterstofbrandstofindustrie binnenkort een markt van $ 11 biljoen zal betreden. Belangrijkste landen-spelers van deze markt: Canada, VS, China, EU, Japan, Korea.
In 2020 kondigden een aantal landen, ondanks de pandemie van het coronavirus, hun plannen aan om de uitstoot van kooldioxide tot 2050 koolstofvrij te maken of "nul" te maken. Hun plannen zijn om af te zien van het gebruik van kolen, olie en gas, terwijl waterstof een echte alternatieve brandstof is om 100% koolstofvrij te bereiken.
Het bleek dat het verminderen van de uitstoot met 80% moeilijk, maar mogelijk is. Maar de aanzienlijk hoge kosten om de resterende 20% te elimineren, zijn dus het "struikelblok" geworden van alle decarbonisatieprogramma's.
Het wereldwijde adviesbureau voor energieonderzoek Wood Mackenzie heeft 2020 uitgeroepen tot het "Decade of Hydrogen". En Europa heeft in juli vorig jaar de "EU-waterstofstrategie" aangenomen. Het zogenaamde "Initiatief 2x40 GW" van de vereniging "Hydrogen Europe". Tegen 2030 zijn ze van plan om 40 gigawatt groene waterstofelektrolyzers in te zetten, en ze willen dezelfde hoeveelheid waterstof exporteren uit buurlanden. Australië, Japan, China, Canada en verschillende Amerikaanse staten hebben ook strategieën aangekondigd om waterstof als emissievrije brandstof te gebruiken.
De leidende landen in de productie van waterstof beloven de productie binnen zes jaar met 50 keer te verhogen.
Het onlangs gevormde internationale consortium van energiereuzen Green Hydrogen Catapult is ook van plan om tegen 2026 een productie van "groene" waterstof van 25 gigawatt te creëren, terwijl de kosten worden verlaagd tot $ 2 per kilogram. Het consortium omvatte het Saoedi-Arabische bedrijf IPP ACWA Power, offshore windontwikkelaar Orsted, de Chinese windturbinefabrikant Envision en het Italiaanse gasbedrijf Snam.
Uit het rapport "Hydrogen Economy Outlook" van Bloomberg:
"In 2050 zal 24% van de energiebehoefte van de wereld worden gedekt door waterstof, en de prijs zal dalen tot het niveau van de huidige gasprijzen."
Met andere woorden, het waterstofverbruik zal groeien in verhouding tot de verlaging van de productiekosten.
"Waterstof Vallei"
Ook ons land bleef niet weg van wereldtrends.
In 2015 "deed Rusland mee" door het VN-raamverdrag te ondertekenen, dat voorziet in een meervoudige vermindering van de koolstofemissies door elektriciteitsopwekking in het komende decennium. Afgelopen zomer keurde de Russische premier Mikhail Mishustin "Energiestrategie van de Russische Federatie tot 2035", waarin Waterstofenergie als een aparte paragraaf wordt gespecificeerd.
Strategie doelstellingen -
“ontwikkeling van productie en consumptie van waterstof,
de toetreding van de Russische Federatie tot de wereldleiders in haar productie en export”.
de toetreding van de Russische Federatie tot de wereldleiders in haar productie en export”.
Het is de bedoeling dat Rusland zal in 2024 ongeveer 200 duizend ton waterstof exporteren en in 2035 zal het 10 keer meer zijn - ongeveer 2 miljoen ton.
Dus niets minder dan de alomvattende ontwikkeling van waterstofenergie en de toetreding van het land tot de wereldleiders in zijn productie en export, die over een horizon van tien jaar kan worden 10-15% van de wereldwijde waterstofmarkt.
En hier is de "routekaart" van het plan voor de ontwikkeling van waterstofenergie in Rusland:
- Eind 2020 is een concept voor de ontwikkeling van waterstofenergie ontwikkeld, evenals ondersteunende maatregelen voor pilotprojecten voor de productie van waterstof.
- Begin 2021 moeten er prikkels komen voor exporteurs en afnemers van waterstof op de binnenlandse markt.
- De eerste producenten van waterstof worden gazprom и "Rosatom". De bedrijven zullen in 2024 pilot waterstofinstallaties lanceren bij kerncentrales, gasproductiefaciliteiten en grondstofverwerkende bedrijven.
- In 2021 gaat Gazprom een methaan-waterstof gasturbine ontwikkelen en testen.
- Gazprom gaat tot 2024 onderzoek doen naar het gebruik van waterstof en methaan-waterstofbrandstof in gasinstallaties (gasturbinemotoren, gasboilers, etc.) en als motorbrandstof in verschillende soorten transport.
- In 2024 bouwt Rosatom een proeftuin voor spoorvervoer op waterstof. We hebben het over de overdracht van treinen naar waterstofbrandstofcellen op Sakhalin, die in 2019 werd aangekondigd door de Russische Spoorwegen, Rosatom en Transmashholding.
In november 2020 heeft het Russische consortium "Technologische waterstofvallei”, die onderzoek zal doen en waterstoftechnologieën zal ontwikkelen. Het gecreëerde consortium omvatte: Tomsk Polytechnic University, Institute of Catalysis SB RAS, Institute of Problems of Chemical Physics RAS, Institute of Petrochemical Synthesis RAS, Samara State Technical University en Sakhalin State University. Maar later kunnen ook andere universiteiten en academische instellingen zich bij hen aansluiten.
En hier zijn de klanten - Russische bedrijven die afhankelijk zijn van waterstofenergie: Gazprom, Gapromneft, SIBUR, Russian Railways, Severstal, Rosatom, NOVATEK. Laten we eerlijk zijn, ons land heeft een goede voorsprong in de vorm van de eigen ontwikkelingen en opwekking van waterstof bij kerncentrales, waardoor we de waterstofproductie vrijwel direct kunnen verhogen.
Maar, zoals ze zeggen, er zijn enkele nuances ...
Производство водорода
Volgens de productiemethode wordt waterstof meestal gedeeld door kleur:
"Groente" waterstof (koolstofvrij) - elektrolyse met behulp van hernieuwbare energiebronnen (RES);
«Желтый» waterstof (koolstofvrij) - elektrolyse met behulp van kerncentrales (NPP's);
"Turkoois" waterstof (koolstofarm) - pyrolyse van aardgas (methaan);
"Blauw" waterstof (medium carbon) - stoomreforming van methaan (SCM) of steenkool met CO2-benutting (CCS - en technologie voor het afvangen en opslaan van koolstof);
"Grijs" waterstof (high carbon) – stoomreforming van methaan met CO2-uitstoot;
"Bruin" waterstof (koolstofrijk) - vergassing of stoomreforming van steenkool.
De belangrijkste methoden om waterstof te produceren en het energieverbruik voor de productie ervan zijn weergegeven in deze figuur.
Let op de katalytische ontleding van methaan in aanwezigheid van een katalysator (bottom line). Het voordeel van deze methode is de afwezigheid van CO2 en CO in de reactieproducten, evenals de vorming van een waardevol product - nanovezelkoolstof (NFC), dat tegenwoordig in veel industrieën wordt gebruikt. Nu werken onze wetenschappers aan het verbeteren van de eigenschappen van materialen die worden gebruikt in katalytische membraanreactoren (CMR's) die waterstof scheiden van gasvormige media.
Ik kwam zelfs een exotische manier tegen om "groene" waterstof (in de KMR) te verkrijgen uit waterstofsulfide op de bodem van de Zwarte Zee, waar de potentiële reserves kunnen oplopen tot 3 miljard ton.
Er is ook een technologie van tweetrapsproductie van "bruine" waterstof.
Fase I - het verkrijgen van synthesegas uit olieafval, vloeibaar brandbaar afval, vast stedelijk afval, biomassa, laagwaardige en hoog-askool, turf, schalie en andere fossiele brandstoffen.
Fase II - het gebruik van synthesegas om warmte, elektriciteit, waterstofontwikkeling (in CMR) te genereren.
Gestructureerde katalysatoren, modellen van reformers en brandstofprocessors zijn in ons land ontwikkeld om waterstof en waterstofhoudende mengsels te produceren uit verschillende vloeibare (diesel, biodiesel, benzine, methanol, ethanol, enz.) en gasvormige (methaan, propaan-butaan, dimethyl ether) brandstoffen.
In China wordt bijvoorbeeld op industriële schaal 'bruine' waterstof geproduceerd uit laagwaardige steenkool en olieschalie. Maar hierdoor lijdt het milieu enorm en is de atmosfeer vervuild.
elektrolyse methode:
Waterelektrolyse is de meest milieuvriendelijke methode om "groene" waterstof te verkrijgen, maar tot nu toe de duurste ter wereld. De kosten voor de productie van waterstof door middel van PEM-elektrolyse voor Europa worden geschat op 3,93 euro per 1 kg.
In Rusland zijn de capaciteiten van onderbelaste HPP's, windparken of kerncentrales ideaal voor waterstofelektrolyse. De aanwezigheid van een dergelijke aangesloten belasting, zoals de elektrolyseproductie van waterstof, is zeer gunstig voor kerncentrales, omdat het de werking van het station op een constant vermogensniveau garandeert, waardoor de "sinusoïde" van de belasting tijdens perioden van lage belasting wordt afgevlakt.
De plannen voor de ontwikkelingsstrategie van onze kernenergie-industrie tot 2050 omvatten de productie van 50 miljoen ton waterstof per jaar, dat is 10% van het wereldwijde verbruik.
Een ideale optie voor het proefproject van het Staatsbedrijf Rosatom is de Kola NPP.
Het energieverbruik voor de productie van "gele" waterstof door elektrolyse bij kerncentrales is 6 kWh per 1 kubieke meter. m waterstof. Capaciteit tot 83000 cu. m/u waterstof. De kosten van de resulterende waterstof zijn $ 3 per 1 kg. Het is waar dat het transport van waterstof naar Europa nog steeds ter discussie staat, en de "gele" waterstof die op deze manier wordt gegenereerd, kan mogelijk niet worden gecertificeerd als "hernieuwbaar", wat zo belangrijk is voor de EU-markt.
Rosatom organiseert ook "westerse" en "oosterse" waterstofclusters om waterstof te leveren aan binnenlandse en exportmarkten in Europa en Azië. Nu werkt Rosatom aan een haalbaarheidsstudie voor twee kansrijke projecten. Dit zijn de lancering van waterstoftreinen op Sakhalin en de export van Russische waterstof naar Japan.
Toegegeven moet worden dat elektrolyse nog niet in staat is om economisch rendabele productie van waterstof in de benodigde volumes te realiseren. Nu wordt overal ter wereld op grote schaal waterstof geproduceerd uit aardgas met behulp van stoomreforming of methaan (SCM)-technologie. Toegegeven, in dit geval wordt bijna de helft van het brongas verbrand en komen verbrandingsproducten vrij in het milieu. Maar de gasarbeiders zijn blij, er is veel vraag naar hun product, het kan worden gebruikt om goedkope 'grijze' waterstof te produceren en dit in grote hoeveelheden winstgevend te verkopen.
Maar als warmte van een hogetemperatuurgasgekoelde reactor (HTGR) of een hogetemperatuurgasgekoelde thoriumreactorinstallatie (VGTRU) wordt gebruikt in de methaanstoomreformingtechnologie (PKM), dan krijgen we een uitstekende tandem voor de productie van elektriciteit en "blauwe" waterstof. Tegelijkertijd wordt er bespaard op aardgas, elektriciteit en zijn er geen schadelijke emissies naar het milieu.
Volgens dit schema kan een veelbelovende kerncentrale (AETS) worden ontwikkeld, die zal zorgen voor grootschalige productie van milieuvriendelijke "gele" en goedkope "blauwe" waterstof, die qua prijs dicht bij de kosten van aardgas ligt. Zo kan slechts één HTGR-module met een thermisch vermogen van 200 MW zorgen voor de productie van ongeveer 100 duizend ton waterstof per jaar.
Opslag en transport van waterstof
Door de hoge "vloeibaarheid" van waterstof is het erg moeilijk om het over lange afstanden te transporteren, zoals bijvoorbeeld vloeibaar aardgas (LNG).
Het probleem met het transporteren van vloeibare waterstof is dat de moleculen zo klein zijn dat ze bij temperaturen boven -253°C door de atomaire structuur van een metalen container kunnen sijpelen. Het langdurig in stand houden van een dergelijke temperatuur in een groot volume kost veel energie. Maar er is nog een ander probleem: waterstofbrosheid en vernietiging van metalen onder invloed van atomaire waterstof. Zelfs hogesterktestaalsoorten, evenals titanium- en nikkellegeringen zijn eraan onderworpen.
Tegenwoordig is het economisch onrendabel om waterstof in grote volumes op te slaan. Wetenschappers ontwikkelen nog steeds efficiënte en veilige methoden om het op te slaan. Daarom is het redelijker om waterstof direct ter plaatse te produceren en slechts 10% van het verbruikte volume op te slaan, wat een continue cyclus van productie en consumptie betekent.
Vergeet niet dat zelfs in kleine hoeveelheden met zuurstof een explosief "explosief gas" wordt gevormd. Maar dit effect is ook te stoppen in een methaan-waterstofmengsel (MVM), dat zelfs met een waterstofconcentratie van 30% veilig blijft.
Waterstof zal worden geproduceerd uit methaan (of VAM) met behulp van Gazprom's gepatenteerde adiabatische methaanconversie (ACM) technologie. Aangenomen mag worden dat de levering van waterstof aan Europa op deze manier gepland staat, en daarvoor wordt de Nord Stream-2-leiding dringend voltooid. Duitsland is hierin meer geïnteresseerd dan alle Europese landen, aangezien het zijn waterstofdoctrine presenteerde, die het land verplicht om in 2050 volledig over te schakelen op waterstof. De media schrijven dat Gazprom het gastland zelfs heeft aangeboden om een grote waterstofproductie-installatie te bouwen in het gebied van aanlanding van de in aanbouw zijnde gasleiding en zelfs CO2-retour vanuit Duitsland terug te draaien.
In de toekomst kunnen vloeibare reversibel hydrogenerende organische verbindingen (LOHC), methanol en ammoniak worden gebruikt om waterstof te transporteren. Maar dit roept problemen op als de toxiciteit van "aroma's" en zeer barre omstandigheden voor een omgekeerde reactie.
Onze wetenschappers hebben ook nog efficiëntere manieren ontwikkeld om waterstof op te slaan. Het unieke vermogen van vaste reversibel hydrogenerende metalen en legeringen op basis van LaNi5 om waterstof in zijn structuur te behouden, wordt als basis genomen, en de pakkingsdichtheid van de atomen is hoger dan de dichtheid van atomen in vloeibare waterstof.
Deze methode wordt "intermetallische" opslag van waterstof genoemd. Er zijn al intermetallische accu's (IMN) vervaardigd en getest, die hun effectiviteit en betrouwbaarheid hebben bewezen. Om waterstof uit zo'n compacte opslag te halen, hoeft de consument het alleen maar te verwarmen.
Tot slot wil ik u kennis laten maken met een andere unieke technologie van nanocapillaire opslag en transport van waterstof (CNT), die is gebaseerd op het principe van het verdelen van de opslagstructuur in miljoenen onafhankelijke capillairen - microvolumes, of de zogenaamde polycapillaire matrix . Dergelijke waterstofaccu's zullen een aantal voordelen hebben: lichtgewicht, compactheid en explosieveiligheid.
Nanocapillaire structuur voor waterstofopslag onder de microscoop
Brandstofcel en waterstofmotor
De vaste oxide brandstofcel (SFC) blijft de belangrijkste converter van waterstof in elektrische energie. Dit apparaat zet de chemische energie van brandstof (waterstof) direct om in elektrische energie door zuurstof te oxideren zonder het te verbranden.
Binnen de TFC gaan waterstofmoleculen een chemische reactie aan met zuurstofionen, en de output is elektriciteit, warmte en waterdamp. Brandstofcellen kunnen werken met verschillende koolwaterstofbrandstoffen: waterstof, maar ook methaan, butaan of synthesegas. Hun elektrisch rendement bereikt 60% en in de toekomst 80%, terwijl thermische, gasturbine- of kerncentrales een rendement van ongeveer 40% hebben.
BTE-84 is gebaseerd op vaste polymere brandstofcellen, werkt op synthesegas (waterstof) en lucht met een minimale overdruk van 0,004 kg/sq. cm, nominaal vermogen 6,5 kW, spanningsbereik 40-80 V, belastingsstroom 0-160A, bedrijfstemperatuur +60 ºC, aantal brandstofcellen - 84, gewicht - 72 kg.
Waterstof is 3-4 keer energiezuiniger dan traditionele brandstof en werd in 1806 voor het eerst gebruikt als brandstof voor verbrandingsmotoren. In de USSR, tijdens de oorlog in het belegerde Leningrad, werd vanwege een tekort aan benzine ook waterstof gebruikt in het transport.
Het is de bedoeling dat de ontwikkelde moderne waterstofrotatiezuigermotor (RPD) als zodanig op elektrische voertuigen wordt geïnstalleerd, voornamelijk om het aantal kilometers te vergroten. En in gasturbinemotoren voor verschillende soorten transport moet het gebruik van waterstof en methaan-waterstofbrandstof tot 2024 worden getest door Gazprom.
waterstof boom
En als toetje presenteer ik een korte selectie van world Nieuws over waterstof.
Canada, dat ongeveer 3 miljoen ton waterstof per jaar produceert, is nu al een van de tien grootste waterstofproducenten en voorziet in een groeiende vraag in de markt.
Verenigde Staten van Amerika ontwikkelen 's werelds grootste waterstof-elektrische mijnbouwtruck, de UFCEV-klasse.
Autoconcern General Motors maakte bekend dat het in 2035 klimaatneutraal gaat worden. En dit betekent niet alleen de afwijzing van auto's met verbrandingsmotoren, maar ook dat alle fabrieken van de autogigant alleen hernieuwbare bronnen van "groene" energie zullen gebruiken.
Japan in 2019 sloot het een overeenkomst over de import van waterstof uit Rusland, evenals met JSC Russian Railways, JSC Transmashholding en regionale autoriteiten over de lancering van spoorwegvervoer op Sakhalin met behulp van waterstofbrandstofceltreinen. Japan gaat de verkoop van ICE-auto's tegen 2035 verbieden. Fukushima opende in 2020 's werelds grootste waterstoffabriek op zonne-energie, die tot 560 brandstofcelvoertuigen per dag kan vullen.
Vandaag zijn er al 100 waterstoftankstations in gebruik in het land en tegen 2030 zullen er nog 900 gebouwd worden. Kawasaki lanceerde 's werelds eerste schip om vloeibare waterstof te vervoeren. In september 2020 kondigde het Japanse consortium NYK Line plannen aan om een rondvaartboot met brandstofcel voor 100 passagiers te ontwikkelen.
Korea. Hyundai Motor gaat waterstof-elektrische voertuigen leveren aan de Russische markt en onderhandelt met Rosatom om een geschikte infrastructuur te creëren.
Scheepsbouwbedrijf Samsung Heavy Industries en Bloom Energy hebben de ontwikkeling aangekondigd van schepen op basis van schaalbare solid oxide brandstofcellen (SOFC).
China lanceerde zijn eerste waterstofauto Grove Obsidian met een bereik van 1 km. Eind 000 waren er ongeveer 2020 FCEV's in China. Er zijn plannen om het aantal van dergelijke auto's te verhogen tot 6 in 165 en tot 2025 miljoen in 50. De plannen zijn om 000 waterstoftankstations te bouwen in 2030 en 1 tankstations in 350.
Australië plant ammoniakproductie (waterstoftransport) aangedreven door zonne- en windenergie met een capaciteit van 1,5 GW.
Saoedi-Arabië. ACWA Power is van plan om samen met het Amerikaanse Air Products een 4 GW groene waterstof- en ammoniakfabriek te bouwen.
Britannia verbiedt voertuigen met verbrandingsmotoren in 2030 en is van plan om tegen 2050 over te schakelen op volledig "koolstofvrije" energie. Shearwater Energy werkt aan een hybride energiecentrale in Noord-Wales die een windturbine, de Amerikaanse NuScale Modular Nuclear Reactor en waterstofproductie zal combineren.
Noorwegen plannen om een waterstoffabriek te bouwen in de Geirangerfjord om veerboten en cruiseschepen van brandstof te voorzien. Ze zijn van plan om in 2021 de eerste waterstofveerboot in gebruik te nemen.
Holland. Gasnetbeheerder Gasunie en de haven van Groningen hebben het consortium NorthH2 gevormd. Er zijn plannen om tegen 10 een "Europese waterstofvallei" te creëren met toegewezen energiecapaciteit van offshore windparken tot 2040 GW.
Duitsland een waterstofdoctrine gepresenteerd voor de overschakeling op waterstof in 2050 van alle sectoren van de economie, inclusief de zware industrie en de petrochemische productie. Tegelijkertijd is hun waterstofstrategie eigenlijk gericht op Rusland als een "buurstaat" die in staat is het Duitse waterstofprobleem op te lossen.
France. De grootste exploitant van kerncentrales, EDF, kondigde de oprichting aan van een dochteronderneming Hynamics, die waterstofenergie gaat ontwikkelen.
De vliegtuigbouwer Airbus heeft drie concepten van waterstofvliegtuigen onthuld: een "klassieker" met een turbojetmotor, een turbopropvliegtuig en een vliegtuig met een geïntegreerde romp (vliegende vleugel).
Italië. Scheepsbouwer Fincantieri SpA wendde zich tot PowerCell om schepen koolstofarm te maken, die zijn MS-30-brandstofcellen zal testen voor stroomopwekking op de zeeschepen en jachten van het bedrijf.
Oekraïne is op zoek naar de mogelijkheid om een waterstoffabriek in het land te bouwen,
"in omstandigheden van overschot aan nucleaire opwekking",
om het naar de EU te exporteren.
Rusland op de een of andere manier nonchalant en zonder poespas presenteerde ze haar eigen ontwikkelingen op het gebied van waterstoftransport, waaronder auto's, bussen, KamAZ-vrachtwagens, trams, vliegtuigen en treinen. Evenals vele unieke ontwikkelingen en technologieën voor de productie en opslag van waterstof, die de strategisch correcte ontwikkeling van het land in de gekozen richting aangeven.