Тема:Перспективы развития водородных технологий в мировой энергетике: от генерации до конечного использования
Исполнитель: Гусев Александр Олегович гр. 341-об
Научный руководитель: Русинов Владислав Леонидович, СКБ "Промышленная робототехника и автоматизация".
Задачи
- Исследовать и систематизировать существующие, перспективные и находящиеся в разработке технологические решения в области водородной энергетики.
- Проанализировать перспективы развития водородной энергетики.
- Выявить ключевые научно-технические проблемы в концепции идеализированной (полностью экологичной) водородной энергетики, и предложить направления для дальнейших исследований.
План
Введение. Концепция "Зелёного водорода" и полной экологизации энергетики
Глава 1. Технологии и решения в производстве "Зелёного водорода"
1.1 Открытие способов производства зелёного водорода
1.2 Научные школы и инженерные альтернативные решения в производстве экологичного водорода.
1.3 Значение исследований способов синтеза в общей концепции водородной энергетики.
Глава 2. Технологии и решения в транспортировке и хранении
2.1 Физико-химические основы хранения водорода.
2.2 Перспективные методы хранения водорода.
2.3 Применение перспективных методов хранения в водородной энергетике.
(
Следующие разделы в ответе на тему)
Глава 3. Направления и способы эффективного использования водорода.
3.1 Общие принципы преобразования химической энергии топлива.
3.2 Способы преобразования химической энергии водорода в тепловую, механическую и электрическую.
3.3 Сравнительный анализ и перспективные области применения.
Заключение. Выводы.
Введение
Водород - первый в периодической таблице химический элемент и обладает уникальными физическими и химическими свойствами. Его атом самый малый по размерам, а ядро неделимо, т.к. состоит лишь из одного протона. Это самый распространённый элемент во вселенной, а на Земле его соединения покрывают более 70% поверхности. Имеются основания полагать, что водород ошибочно принимают за неметалл. Основываясь на химических свойствах, и физических свойствах в твёрдом агрегатном состоянии, вернее считать его единственным газообразным при нормальных условиях металлом. Однако и свойствами неметалла водород тоже обладает. Указанные особенности -- сочетание фундаментальной простоты строения с высокой химической активностью -- обусловливают интерес к водороду как к перспективному энергоносителю в контексте декарбонизации мировой энергетики. Целью данной работы является анализ полного жизненного цикла водородных технологий -- от генерации до конечного потребления -- и оценка перспектив их практической реализации.
Рассмотрим, что подразумевается под декарбонизацией энергетики и введём понятие "зелёного водорода".
Углеводородное топливо (далее УВТ), как известно, является превалирующим источником энергии над альтернативными. Подобная ситуация небезосновательна -- возобновляемые источники энергии (далее ВИЭ) получили своё применение лишь во второй половине XX века (то есть значительно позже применения УВТ), и технология каждого источника имеет определённые недостатки. Однако этим недостаткам противопоставлена глобальная экологическая проблема -- выбросы парниковых газов от сжигания УВТ. Их объёмы приводят к глобальным экологическим последствиям, отмечаемым учёными повсеместно. Предполагается, что переход на источники энергии не производящие углеродосодержащий выхлоп приведёт к замедлению парникового эффекта и постепенному естественному сокращению углерода в атмосфере благодаря росту растительной массы в мире. Такое решение в энергетике и промышленности называется декарбонизацией.
В рамках этой концепции водород рассматривается как средство компенсации нестабильности ВИЭ. Солнечная, ветряная и гидро- энергетика имеет цикличность и неравномерность производства энергии, из-за циклов дня и ночи, смены времён года и сезонности. Водород, благодаря относительно развитым и дешёвым технологиям производства и переработки в энергию, а также возможностям хранения и транспортировки, позволяет накапливать запасы энергии в периоды наибольшей эффективности того или иного источника, и расходовать её в периоды наименьшей эффективности. Водород произведённый таким образом (за исключением выработке благодаря атомным источникам энергии) в классификации Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) принято считать "Зелёным водородом".
Рисунок 1. Наглядная классификация используемых технологий производства водорода по цветам и экологичности. Практически полностью соответствует классификации IRENA, но не учитывает новые перспективные технологии.
Предположение о способности биосферы к самовосстановлению опирается на палеонтологические данные: на протяжении практически всей геологической истории Земли концентрация CO
2 в атмосфере снижалась, что обусловлено захоронением органического углерода в осадочных породах, сформировавших впоследствии залежи углеводородов. Главными преобразователями и накопителями углерода в биомассы всегда были и остаются по сей день одноклеточные водоросли и цианобактерии, обитающие в мировом океане, пресных водоёмах и почве. Однако как и ранее, естественный процесс декарбонизации атмосферы займёт сотни миллионов лет, а парниковый эффект, изменение погодных паттернов, повышение уровня моря отразятся на человеческой истории уже в ближайшие десятки-сотни лет, и это без учёта столь медленных темпов декарбонизации энергетики и промышленности. График концентрации углекислого газа за последние 500 тыс. лет (полученный по данным ледяных кернов Антарктиды) подтверждает, что процесс естественного даже небольшого снижения концентрации занимает продолжительное время, а антропогенный след на этом графике значительно больше относительно естественных "гребней".
Рисунок 2. Наглядный график концентрации CO
2 в атмосфере земли за последние 500 тысяч лет по данным NASA. Данные по большему периоду неутешительны.
Несмотря на доминирование электролизных и пиролизных технологий в водородной промышленности, научный поиск исследователей всего мира ориентирован на решения, предполагающие положительный экологический эффект. Совместно с этим, проводятся исследования по совершенствованию технологий хранения, переработки водорода, и по внедрению технологий в энергетику, промышленность, транспорт и инфраструктуру. Настоящая работа посвящена анализу современного состояния и перспектив развития указанных направлений -- от методов производства до систем хранения и интеграции водорода в ключевые сектора экономики.
Глава 1. Технологии и решения в производстве "Зелёного водорода"
1.1 Открытие способов производства зелёного водорода.
Прежде чем перейти к обзору технологий производства водорода, необходимо уточнить понятийную рамку исследования. Общепринятая классификация Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) относит к категории "зеленого" водород, полученный методом электролиза воды с использованием электроэнергии из возобновляемых источников.
Однако, как было показано во введении, с точки зрения долгосрочной экологической перспективы подобное определение представляется недостаточно строгим. Электролиз на ВИЭ, будучи климатически нейтральным, не решает проблему уже накопленного в атмосфере углерода и, по сути, лишь не усугубляет ситуацию. Подлинно "зелеными" имело бы смысл называть лишь те технологии, которые способны не только избегать новых выбросов, но и обеспечивать нетто-изъятие CO₂ из атмосферы. В связи с этим в данном исследовании предлагается уточненная классификация. Термин "салатовый водород" будет использоваться для обозначения водорода, получаемого электролизом на возобновляемой энергии, -- как промежуточной, "условно зеленой" категории. Собственно "зеленый водород" в рамках данного исследования резервируется за технологиями, обладающими потенциалом углеродной отрицательности. Какие именно технологии могут претендовать на этот статус, будет показано в ходе дальнейшего рассмотрения.
Долгое время считалось, что биологические системы могут быть лишь потребителями энергии, но не ее генераторами в масштабах, значимых для энергетики. Это представление было опровергнуто, когда исследователи обнаружили у ряда микроорганизмов удивительную способность: в определенных условиях они переключают свой метаболизм с выделения кислорода на выделение водорода. Фактически, перед наукой предстал готовый, самовоспроизводящийся и работающий на солнечной энергии "биореактор", отточенный миллионами лет эволюции.
Первым организмом, у которого был задокументирован этот феномен, стала зеленая микроводоросль
Хламидомонада Рейнгардта (
Chlamydomonas reinhardtii). В 1939 году немецким исследователем Хенсом Гаффроном в Чикагском университете было обнаружено, что данная микроводоросль иногда переключается с производства кислорода на производство водорода. На тот момент у Гаффрона не было возможностей установить причину этого переключения. В конце 1990-х годов в Калифорнийском университете в Беркли, профессор Анастасис Мелис обнаружил, что подобное явление происходит в условиях недостатка серы, и обнаружил ответственный за это фермент - гидрогеназу.
Как оказалось, способность к продукции водорода не является уникальной чертой одного вида. Напротив, в ходе эволюции разные группы микроорганизмов независимо выработали собственные механизмы биосинтеза H
2, использующие различные субстраты и собственные ферментативные системы. Подобное разнообразие открывает широкие возможности для технологического проектирования: в зависимости от доступных ресурсов и условий можно подбирать оптимальные биореакторы, комплексы и комбинации биореакторов, биосистем.
Так, если Chlamydomonas reinhardtii представляет собой типичную зеленую водоросль, продуцирующую водород в стрессовых условиях (при недостатке серы), то принципиально иной подход демонстрируют цианобактерии (например, Anabaena или Nostoc). Эти древнейшие фотосинтезирующие организмы используют для производства водорода специализированные клетки. Внутри этих клеток создается бескислородная среда, позволяющая ферменту нитрогеназе восстанавливать протоны до молекулярного водорода как побочный продукт фиксации азота.
Еще более необычный механизм встречается у пурпурных несерных бактерий (например, Rhodobacter sphaeroides). Эти микроорганизмы не выделяют кислород при фотосинтезе и используют в качестве доноров электронов не воду, а органические соединения или сероводород. В процессе фотоферментации они способны с высоким выходом превращать органические кислоты (часто -- отходы других производств) в водород, выступая одновременно и "переработчиками" органики, и производителями чистого топлива.
Наконец, существуют анаэробные гетеротрофные бактерии, такие как Clostridium butyricum, которые вовсе не нуждаются в свете. Они разлагают сложные органические субстраты (биомассу, отходы) в темноте, выделяя водород как один из продуктов брожения. Это открывает путь к созданию систем, работающих круглосуточно и не зависящих от освещения.
Таким образом, перед исследователями и инженерами разворачивается целая палитра природных решений. Зеленые водоросли эффективны там, где есть солнечный свет, но требуют управления стрессовыми условиями. Цианобактерии интересны своей автономностью (гетероцисты создают среду для реакции). Пурпурные бактерии могут служить связующим звеном между переработкой отходов и энергетикой. Анаэробные клостридии работают в темноте, потребляя биомассу. Выбор конкретного организма или их комбинации становится не просто научным вопросом, а инженерной задачей, решение которой зависит от доступных ресурсов, климата и конечных целей производства.
1.2 Научные школы и инженерные альтернативные решения в производстве экологичного водорода.
Исследования Анастасиса Мелиса (Калифорнийский университет в Беркли, США).
В экспериментах 2000-2002 годов Мелис и его коллеги показали, что при переносе культуры Chlamidomonas reinhardtii в среду без серы скорость выделения кислорода падает ниже скорости дыхания, что создаёт анаэробные условия в реакторе. В этих условиях фермент гидрогеназа активируется, и клетки начинают выделение водорода. В результате было выдвинуто предположение, что процесс необходимо разбить на две стадии, в первой культура будет существовать в привычных условиях, во второй - в стрессовых, с серным голоданием
Ключевые показатели:
- Продукция водорода продолжалась порядка 100-120 часов (около 4-5 суток)
- Объём выделенного водорода достигал 2-3 мл на литр культуры в час
- Расчётная эффективность конверсии световой энергии в водород составила около 1-1,5%
Для сравнения: у обычного электролиза с ВИЭ такой показатель можно считать аналогичным за вычетом потерь, но важно отметить гораздо большую стоимость установки, сложности её создания и утилизации
Стоит отметить значимость данной работы: впервые показана возможность длительной продукции водорода организмом в управляемых условиях и открыт путь к созданию двухстадийных биореакторов.
Рисунок 3. Принципиальная схема универсального биореактора.
На рисунке 3 изображена примерная схема биореактора. Она передаёт основные принципы проектирования таких установок: биореактор представляет собой герметичную ёмкость, резервуар с возможностью измерять и регулировать химический состав и физические свойства среды, в которой культивируются микроорганизмы. Объём биореактора, как и его форма и размеры, выбираются проектировщиками относительно свободно. Функционал биореактора, в частности датчики, устройства для подачи или откачки газов и среды, выбирается в соответствии с условиями, в которых должна содержаться целевая культура. Также, для фотобиореактора (биореактор, позволяющий культивировать фотосинтезирующие организмы) требуется выбор прозрачного материала для ёмкости реактора, а его размеры и форма подбираются в соответствии с прозрачностью среды и выращиваемой культуры таким образом, чтобы весь объём реактора был равномерно освещён. Такую концепцию используют учёные при проектировании реакторов для любой культуры и для любых целей. Для производства водорода также важно откачивать непосредственно водород, снабжать культуру водой и специально подготовленным воздухом, состав которого определяется, например, стадией роста культуры.
Рисунок 4. Внешний вид фотобиореактора для выращивания зелёных микроводорослей. Данный пример разработан в РАН.
Исследования Педера Линдберга (Каролинский институт, Швеция).
Эксперименты 2017-2020 годов заключались в использовании пурпурных водорослей Rhodobacter sphaeroides для переработки органических загрязнений в водород. В проточных фотобиореакторах объёмом от 1 до 10 литров бактерии культивировались на модельных сточных водах, содержащих органические кислоты (лактат, ацетат и др.).
Ключевые показатели:
- Максимальный выход водорода достиг 6,2-7,1 моль H₂ на моль субстрата (теоретический предел для данного метаболического пути -- около 8 моль)
- Скорость продукции составляла до 20-25 мл H₂ в час на литр культуры
- Система работала непрерывно в течение 60-80 суток с поддержанием стабильной продуктивности
- Бактерии утилизировали до 85-90% органических загрязнений в субстрате, то есть одновременно происходила очистка воды
Данная работа показывает принципиальную возможность совмещения очистки сточных вод с производством водорода в масштабе, приближенном к промышленным потребностям.
Работы Ларса Энгстрема (Университет Корнелла, США).
Ларс Энгстрем исследовал цианобактерию Synechocystis sp. PCC 6803, соедржащую гидрогеназу, чувствительную к O
2. Была поставлена цель генетически модифицировать цианобактерии для повышения толерантности гидрогеназы к кислороду. Методом направленного мутагенеза (заменой аминокислот в активном центре фермента) получено несколько мутантных штаммов.
Ключевые показатели:
- В атмосфере с содержанием кислорода 5% (что губительно для дикого типа) мутантные штаммы сохранили 30-40% активности гидрогеназы
- В среде с пониженным содержанием серы (аналогично методу Мелиса) модифицированные цианобактерии продуцировали водород в 2-3 раза дольше, чем дикий тип, прежде чем активность падала из-за окисления
- Скорость роста мутантных штаммов практически не отличалась от исходных
В результате работы была впервые показана возможность создания штаммов-продуцентов, способных работать в менее строгих анаэробных условиях, что упрощает конструкцию биореакторов и снижает затраты на создание бескислородной среды.
Исследования Марины Григорьевны Владимировой (Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва, Россия).
Марина Григорьевна Владимирова -- известный российский физиолог растений, специалист по культивированию фотосинтезирующих микроорганизмов. Она разрабатывала методы создания искусственных ассоциаций (ко-культур) из разных видов водорослей и цианобактерий. Её идея - использовать нитчатую зелёную водоросль (например, Ulothrix или Stigeoclonium) как естественный носитель (субстрат) для иммобилизации цианобактерий, способных к азотфиксации и, как следствие, к выделению водорода (через нитрогеназу).
Ключевые показатели:
- За счёт иммобилизации на нитчатой водоросли цианобактерии не вымывались из проточного реактора, что позволяло достигать плотности биомассы в 3-5 раз выше, чем в суспензионной культуре.
- Искусственная ассоциация сохраняла активность в течение 2-3 месяцев без пересева, тогда как монокультура цианобактерий в тех же условиях деградировала за 2-3 недели.
- В условиях азотного голодания (когда активируется нитрогеназа) ассоциация продуцировала водород со скоростью 0,5-1,0 мл H₂ в час на грамм сухой биомассы.
- Нитчатая водоросль, фотосинтезируя, снабжала цианобактерии органическими соединениями, а цианобактерии, фиксируя азот, обогащали среду связанным азотом, который мог использоваться водорослью. Возникал примитивный, но работающий симбиоз.
Работы Владимировой показали, что можно создавать искусственные многовидовые системы, где один организм служит "каркасом" для другого, повышая общую устойчивость и плотность культуры. Это важно для масштабирования: в больших объёмах суспензионные культуры часто нестабильны, а иммобилизованные на носителе системы работают надёжнее.
1.3 Значение исследований способов синтеза в общей концепции водородной энергетики.
Представленный в предыдущем разделе обзор охватывает лишь малую долю исследований, ведущихся сегодня в области биологического водорода. От лабораторий Калифорнийского университета до Института физиологии растений в Москве - научное сообщество разных стран объединяет убеждение: именно биосинтез, основанный на природных фотосинтетических и ферментативных механизмах, способен стать технологическим фундаментом водородной энергетики, соответствующей выбранным экологическим и энергетическим постулатам. Масштаб вовлечённых исследовательских групп и география работ свидетельствуют о том, что данное направление признано приоритетным на мировом уровне.
Важно подчеркнуть, что принципиальные механизмы биофотолиза, ферментативного и фотоферментативного получения водорода изучены и описаны. На их основе созданы действующие лабораторные установки, опытные прототипы и пилотные биореакторы, подтвердившие воспроизводимость результатов. Сомнений в принципиальной реализуемости биологических методов производства водорода сегодня не остаётся -- вопрос лишь в инженерном совершенствовании, экономической оптимизации и автоматизации. Впрочем, в этом контексте автоматизация подходит и под категорию инженерного совершенствования, и под категорию экономической оптимизации.
Одно из важнейших преимуществ рассматриваемого подхода - исключительное разнообразие доступных биологических агентов и технологических схем. Исследователь, инженер, разработчик и проектировщик не связаны единственным решением: уже на этапе фундаментальных исследований были очевидны возможные климатические условия, доступные субстраты, требования к масштабу и режиму работы, изобретателю требуется подобрать оптимальный микроорганизм или комбинацию микроорганизмов. Зелёные водоросли эффективны в условиях интенсивного освещения, цианобактерии автономны и неприхотливы, пурпурные бактерии способны утилизировать органические отходы, анаэробные клостридии работают в темноте, перерабатывая биомассу.
Возможность комбинирования заключается в двух подходах: создания ко-культур (как в работе Владимировой, Льорки и других учёных) и многоступенчатых систем, где отходы одного реактора служат сырьём для другого, а отходы другого служат сырьём для третьего биореактора, сырьём в химической промышленности, или ресурсом в сельском хозяйстве.
Здесь необходимо напомнить, что отходом любого биореактора является биомасса, которая и представляет собой накопленный в виде органических соединений углерод. Простая или комбинированная биосистема гарантированно является углерод-отрицательной в той или иной мере. Параллельное применение нескольких подходов в построении систем и/или нескольких видов культур позволяет регулировать баланс между продукцией топлива и осаждением углерода из атмосферы, а высокий уровень автоматизации даст возможность динамически изменять этот баланс вслед за колебаниями энергопотребления.
Данное умозаключение, возникающее из анализа сформулированных во введении априорных экологических и энергетических критериев, приводит к необходимости пересмотра самого взгляда на структуру водородной энергетики. Если биологический синтез способен не только производить топливо, но и управляемо связывать углерод, то производство водорода перестаёт быть изолированным технологическим этапом. Оно естественным образом встраивается в более общую систему, которую в рамках настоящей работы предлагается обозначить как "полный водородный цикл энергопроизводства".
Данная концепция, подробно рассматриваемая в данной и в последующих главах, объединяет три взаимосвязанных компонента: генерацию водорода биологическими методами (с регулируемым углеродным следом), его накопление и хранение (как необходимое звено для преодоления неравномерности энергопотребления) и конечное использование (с замыканием углеродного цикла). В идеальной, эталонной модели такой цикл приближается к состоянию энергетической автономности и экологической благотворностью, становясь практической реализацией тех принципов, которые были заложены в исходных постулатах работы. На этом предлагается завершить обзорное рассмотрение технологий производства зелёного водорода, и перейти к рассмотрению следующего звена полного водородного цикла.
Глава 2. Технологии и решения в транспортировке и хранении водорода.
2.1 Физико-химические основы хранения водорода.
Прежде чем перейти к обзору конкретных технологий хранения, необходимо зафиксировать ключевую особенность, отличающую водород от всех других энергоносителей. Будучи самым лёгким из химических элементов, водород обладает рекордно высокой удельной энергией в расчёте на единицу массы (около 120 МДж/кг, что почти втрое превышает энергоёмкость бензина). Однако платой за эту лёгкость становится крайне низкая объёмная плотность энергии: при нормальных условиях в одном литре газообразного водорода содержится менее 0,01 МДж -- в три тысячи раз меньше, чем в литре бензина. К этой фундаментальной особенности добавляется и уникальная физическая подвижность: молекула H
2 настолько мала, что способна диффундировать через многие материалы, которые для других газов служат надёжным барьером.
Именно эти обстоятельства делают хранение водорода нетривиальной инженерной задачей. Исторически сложились два основных подхода к её решению, давно известных и широко применяемых в промышленности. Первый -- хранение в сжатом виде (до 350-700 атмосфер в толстостенных баллонах из стали или композитных материалов). Второй -- сжижение (охлаждение водорода до температуры -253
оC и хранение в криогенных ёмкостях). Оба метода технологически отработаны и используются там, где иные решения недоступны: от водородных заправочных станций до ракетной техники.
Однако, будучи очевидными и доступными, эти классические способы обладают фундаментальными недостатками, которые ставят под сомнение их применимость в масштабах «полного водородного цикла». Сжатие до высоких давлений требует затрат энергии, достигающих 10-15% от энергосодержания самого водорода, а сами баллоны тяжелы и потенциально опасны. Сжижение ещё более энергозатратно: на охлаждение водорода до криогенных температур уходит до 30-40% его энергетической ценности, и даже в идеально изолированных резервуарах неизбежны потери на испарение (до 1-3% в сутки). Оба метода, таким образом, либо существенно снижают общую энергоэффективность системы, либо создают риски, неприемлемые для широкого внедрения.
Из этого следует, что для реализации концепции экологически позитивного водородного цикла необходимо обратиться к иной стороне природы водорода. Если его физические свойства (малый размер, низкая плотность) создают трудности для хранения, то химические свойства -- высокая реакционная способность, способность обратимо образовывать соединения с металлами и органическими молекулами -- открывают принципиально иные возможности. Именно на использовании химической активности водорода основаны перспективные методы хранения.
2.2 Перспективные методы хранения водорода.
Рассмотрим три основных направления, в которых химическая активность водорода применяется в целях его хранения. Каждое направление предлагает отличный от других способ «удержать» водород, используя его склонность к взаимодействию с другими веществами.
Сорбционные материалы (MOF).
Наиболее близкий к физическим методам подход -- использование пористых структур с огромной удельной поверхностью. В основе этого подхода лежит применение Ван-дер-Ваальсовых сил, благодаря которым, молекулы водорода удерживаются на поверхности или в объёме микропор очень пористого материала. Такие материалы производятся очень сложно и дорого
Однако именно здесь ведутся наиболее активные исследования. Современные работы по созданию более совершенных MOF направлены на увеличение объёма и реакционной способности пор, а также на модификацию поверхности каркаса для усиления энергии связи с молекулами водорода. Учёные стремятся получить материалы, эффективно работающие при более высоких температурах -- вплоть до комнатной. Эксперименты показывают, что введение в структуру MOF дополнительных центров адсорбции (например, ионов лития или магния) способно увеличить теплоту адсорбции в 2-3 раза, приближая момент, когда криогенное охлаждение станет необязательным.
Жидкие органические носители (LOHC).
Принципиально иной подход -- химическое связывание водорода с органическими соединениями, которые при нормальных условиях являются безопасными жидкостями (например, дибензилтолуол, N-этилкарбазол). Технология работает следующим образом: на стадии гидрирования водород под давлением и при повышенной температуре (около 150-200
оC) в присутствии катализатора (обычно на основе рутения или палладия) присоединяется к молекуле-носителю, переводя её из "пустой" формы в "заряженную" -- насыщенную водородом. В таком виде жидкость может храниться при атмосферном давлении и комнатной температуре сколь угодно долго, не создавая рисков утечек или взрывов. Транспортировка осуществляется обычными автоцистернами или трубопроводами. В месте потребления проводится обратный процесс -- дегидрирование -- при более высокой температуре (250-300
оC) и также с катализатором; водород выделяется в чистом виде, а носитель возвращается на повторное гидрирование.
Из преимуществ такого способа следует отметить возможность использовать существующую инфраструктуру для жидких углеводородов, безопасность хранения, высокую объёмную плотность. Однако имеются и недостатки: энергозатраты на стадии дегидрирования (до 25-30% от энергосодержания водорода), необходимость в дорогих катализаторах и некоторый риск загрязнения выделяемого водорода примесями (оксидами углерода) при деградации носителя.
Металлогидридные (абсорбционные) накопители
Потенциально самый эффективный способ хранения водорода. Заключается в химическом соединении некоторых металлов с водородом при легко достигаемых условиях. Такой способ не требует криогенного охлаждения водорода (в отличие от сжиженного, сжатого и адсорбированного видов), не требует высоких давлений (в отличие от всех остальных способов хранения), а повышение давления увеличивает лишь скорость заполнения, а не количество хранимого водорода. После прекращения заполнения накопителя, водород в нём будет хранится при комнатной температуре и атмосферном давлении. Для изъятия водорода необходимо нагреть накопитель на до температуры в пределах сотни градусов. Конкретные значения параметров абсорбции/десорбции зависят от конкретного применяемого металла, сплава и дополнительного катализатора (опционально).
Рисунок 5. Принцип накопления водорода в металле.
Объём такого накопителя в разы меньше баллонов для газообразного или даже сжиженного водорода. Для сравнения вводится величина называемая объёмной плотностью хранения. Так например, жидкостный резервуар объёмом 1 м
3 будет порядка 70 кг водорода, в то время как металлогидридный накопитель (на основе титана и его сплавов) того же объёма будет хранить 150 кг водорода. При этом, не требуется оборудование для охлаждения и поддержания криогенных температур, как и оборудование для сжатия водорода до давления в сотни атмосфер. Из недостатков следует отметить тепловой гистерезис (различие между температурами/давлениями зарядки и разрядки) и инерционность процессов, требующая времени на прогрев накопителя для начала выделения водорода.
Накопители металлогидридной технологии уже существуют в промышленности, в продаже для любого покупателя, и в автомобилестроении. Известные модели японских и китайских концернов оснащены водородными установками и именно металлогидридными накопителями. Это в очередной раз подтверждает преимущества этого способа хранения в сравнении с прочими.
2.3 Применение перспективных методов хранения в водородной энергетике.
Проведённый в предыдущих параграфах обзор трёх перспективных методов хранения водорода -- сорбционного, на основе жидких органических носителей (LOHC) и металлогидридного -- позволяет перейти от описания отдельных технологий к их сравнительному анализу и определению места в общей концепции водородной энергетики.
Каждый из рассмотренных методов имеет собственные преимущества и ограничения, определяющие его потенциальную нишу.
Сорбционные материалы (MOF, активированные угли) предлагают принципиально простой механизм удержания водорода за счёт физической адсорбции. Их сильные стороны -- быстрая кинетика (высокая скорость зарядки и разрядки) и полная обратимость процесса. Сорбционные методы наиболее перспективны там, где есть доступ к дешёвому криогенному охлаждению, либо в качестве буферных накопителей с быстрым откликом.
Жидкие органические носители (LOHC) используют химическое связывание водорода с органической молекулой, превращающейся в безопасную жидкость. Их ключевое преимущество -- совместимость с существующей инфраструктурой перевозки жидких углеводородов (цистерны, трубопроводы, резервуары). Хранение происходит при атмосферном давлении и комнатной температуре, что обеспечивает высокую безопасность. Объёмная плотность хранения достигает 50-60 кг/м
3, сопоставима с жидким водородом, но без криогенных сложностей. LOHC оптимальны для крупнотоннажных перевозок на дальние расстояния и долговременного хранения, где важна совместимость с существующей логистикой.
Металлогидриды представляют собой наиболее ёмкий с точки зрения объёмной плотности метод. Способность некоторых металлов и сплавов обратимо поглощать водород с образованием химического соединения обеспечивает безопасное хранение при атмосферном давлении и комнатной температуре. Объёмная ёмкость может достигать 150 кг/м
3 -- более чем вдвое выше, чем у жидкого водорода. Металлогидриды наиболее перспективны для стационарных хранилищ большой ёмкости, где допустима инерционность и есть возможность использовать сбросное тепло.
Применение разных подходов к накоплению водорода позволит гибко подбирать хранилища под определённые нужды, а комплексное применение нескольких видов накопителей даёт широкий спектр возможностей. Так например, предлагается в рамках энергопроизводства использовать как минимум два вида водородных накопителей: металлогидридный накопитель - большого объёма с большой инерцией и гистерезисом, и адсорбционный накопитель - меньшего объёма, с быстрой кинетикой адсорбции/десорбции. Такой комплекс решает несколько задач. Во-первых, накопление водорода на долгий срок в большом объёме, с целью амортизации суточных, месячных и сезонных перепадов в продукции водорода. Во-вторых, буферизация водорода между большим накопителем и потребителем в меньшем объёме для снижения инерции и задержек в откачке водорода из большего накопителя. В-третьих, непрерывная подача водорода потребителю. В-четвёртых, точное и быстрое регулирование подачи водорода на энергопроизводящую установку при изменении потребления электроэнергии в сети. При этом значительно снижаются затраты и сложности в производстве уникальных сорбционных материалов (нет необходимости производить их в большом количестве), повышается эффективность и оптимизация потребления и хранения водорода, расширяются возможности по автоматизации производства энергии.
Таким образом, мы рассмотрели ещё один аспект концепции "полного водородного цикла" -- технологии хранения и транспортировки. До этого момента в работе не конкретизировались способы генерации энергии из водорода, в том числе потому, что этот вопрос требует не меньших исследований и изучений. Теперь, имея в арсенале описание технологий производства (глава 1) и хранения (глава 2), мы подобрались к этой теме со всех сторон, располагая набором решений, способных справиться с большинством задач, стоящих перед зелёной водородной энергетикой.
Глава 3 и Заключение выложены в ответах под темой, в связи с ограничениями на размер темы.