Дайджест "Водородная энергетика: прогрессивные технологии"

№3, 5 ноября, 2021 г. ДАЙДЖЕСТ Водородная энергетика: прогрессивные технологии Центр научно-технической информации при Министерстве инновационного развития Республики Узбекистан Ташкент - 2021 г.

\"Наш регион, располагающий огромными ресурсами возобновляемой энергии, имеет большие возможности для развития \"зелёной экономики\"\" Президент Республики Узбекистан Ш.М. Мирзиёев Дайджест \"Водородная энергетика: прогрессивные технологии\" - Т.: 2021. С.22. Дайджест \"Водородная энергетика: прогрессивные технологии\" подготовлен Центром научно-технической информации при Министерстве инновационного развития Республики Узбекистан. Коллектив авторов: Технический редактор: Абдурахмoнов И.Ю. Райимджанов Х.Г. Турдикулова Ш.У. Абдувалиев А.А. Мусаева Р.А. Барбу Г.Ф. © Центр научно-технической информации при Министерстве инновационного развития Республики Узбекистан, 2021 г. 2

Водородная энергетика По данным обзора Hydrogen Insights 2021, опубликованного в середине февраля Водородным советом, к началу этого года общее количество проектов в сфере водородной энергетики достигло 228. Речь идет не только о производстве водорода, но и о других элементах в цепочке создания стоимости: использование водорода в промышленности, транспорте и т.д. Если все эти проекты будут реализованы, то к 2030 году общий объем инвестиций в водородную энергетику превысит $300 млрд. Более сотни компаний из двух десятков стран — планируют увеличить инвестиции в водородные проекты в 6 раз до 2025 года и в 16 раз до 2030 года. В 2020 году общая стоимость заявленных по всему миру проектов в области водородной энергетики превысила $300 млрд [1]. Отсутствие у большинства из них перспектив коммерческой окупаемости в ближайшие несколько лет отнюдь не останавливает их инициаторов — напротив, готовность правительств многих стран инвестировать в новомодные водородные стартапы лишь стимулирует активность. Эффективный катализатор для добычи водорода из воды с помощью солнечного света Для расщепления воды на водород и кислород группа японских исследователей создала двухэлектродный фотоэлектрический катализатор с очень большой продолжительностью срока службы. Создаваемые сегодня в лабораториях фотоэлектрохимические катализаторы остаются работоспособными не больше одной недели. Японская разработка расщепляет воду на водород и кислород непрерывно в течение 100 дней, что может считаться рекордом по эффективности. Для автономных необслуживаемых систем в отдалённых районах — это важнейшее свойство [2]. Идея заключается в том, что анод изготавливается из диоксида титана (TiO2) — популярного сырья для производства белой краски, а катод делают из карбида кремния (SiC). Анод реагирует на ультрафиолетовый свет, а катод — на видимый. 3

Прогрессивные технологии При этом на электроды подаётся определённое напряжение, чтобы запустить и поддерживать реакцию расщепления. Электроды опускаются в воду (очевидно, они должны быть едва покрыты водой), к ним подводится ток, а всё остальное делает падающий на катализаторы солнечный свет [3]. Следует отметить, что Япония в целях озеленения энергетики выявила еще один источник водорода: гидрат метана, который внешне напоминает спрессованный снег. Один кубический метр этого вещества способен при нагреве превратиться в 160 м³ метана и стать источником водорода. Гидрат метана сохраняет твёрдую форму при сочетании низких температур и высокого давления. Его залежи в океане находятся на глубинах от 1000 метров и ещё на сотни метров в толще дна. Добывать такое вещество будет непросто, ведь оно будет в твёрдом состоянии. Но по мере подъёма к поверхности гидрат метана будет переходить в газовое состояние и его можно будет перегонять по трубопроводу на сушу или в хранилища. Компания Modec заявила о намерении запустить пилотный проект по глубоководной добыче гидрата метана. По мнению разработчика, стоимость одной плавучей установки по подводной добыче гидрата метана составит несколько сотен млн долл. США. Но она быстро окупится и станет важным шагом на пути Японии к полной декарбонизации к 2050 году. Япония сможет отказаться от импортных поставок природного газа и водорода, а стоимость водорода снизится в пять раз по сравнению с сегодняшней ценой за куб в районе $1. Более того, по оценкам специалистов запасов гидрата метана на Земле на два порядка больше, чем нефти. Даже прямое сжигание метана даёт заметно меньше выбросов углерода, чем сжигание угля или природного газа. Япония рассчитывает «озеленить» энергетику за счёт добычи гидрата метана [4]. 4

Прогрессивные технологии Следует отметить, что инновационные способы и методы по добыче и производству водорода составляют основу ведущих актуальных исследований. Так, Австралия также задумала грандиозный проект по производству «зелёного» водорода. В рамках проекта будут развёрнуты солнечные и ветряные фермы общей мощностью 50 ГВт. Энергия солнца и ветра нового австралийского проекта WGEH в своей финальной стадии реализации должна позволить каждый год вырабатывать до 3,5 млн. тонн «зелёного» водорода или до 20 тонн аммиака [5]. 5

Генерация электроэнергии из водорода «НОВАТЭК» приступил к первому в России промышленному проекту по генерации электроэнергии из водорода. В рамках плана по сокращению выбросов СО2 компания модернизирует одну из восьми газовых турбин SGT- 800 производства Siemens на электростанции, снабжающей завод по сжижению газа «Ямал СПГ». В результате доля использования водорода в топливе ПГУ может вырасти до 60% (сейчас машины могут работать только на природном газе) [6]. 6

Зелёный водород из солнечной энергии без электролиза В рамках совместного проекта Repsol и Enagas планируется внедрение фотоэлектрокатализа на территории промышленного комплекса Пуэртоллано в Испании. Данный проект является 100%-ной испанской НИОКР, и реализуется в сотрудничестве с несколькими «самыми престижными» исследовательскими центрами.Enagás стремится к достижению углеродной нейтральности к 2040 году и продвигает 55 конкретных проектов по возобновляемым газам вместе с более чем 60 партнерами [7]. Repsol, первая из крупных международных нефтегазовых компаний, пообещала достичь к 2050 году чистых нулевых выбросов от своей деятельности (net zero emissions). Помимо этого, в июне 2020 Repsol объявил о начале проекта по производству синтетического топлива из зеленого водорода. Новая технология, совместно разрабатываемая Repsol и Enagás в течение последних десяти лет, уже используется в небольшой пилотной установке, которую обе компании создали в лаборатории Repsol Technology Lab. Более крупный завод в Пуэртольяно может заработать к 2024 году. Он будет производить около 100 кг водорода в день из солнечного света. На втором этапе в 2028 году предприятие планируют расширить. Оно займет 60 гектаров и будет производить уже 10 тонн H2 в день. Фотоэлектрокатализ, который использует только воду и солнечную энергию для производства возобновляемого водорода, является одним из технологических путей, над которыми Repsol работает для декарбонизации производства водорода. «Устройство получает прямое солнечное излучение и, используя фотоактивный материал, генерирует электрические заряды, вызывающие разделение молекулы воды на водород и кислород. Эта альтернатива позволяет избежать потерь, связанных с транспортировкой и преобразованием электричества, поэтому «технология фотоэлектрокатализа повышает эффективность процесса преобразования солнечной энергии в водород по сравнению с электролизом» [8]. 7

Водородный терминал В рамках создания центра водородной инфраструктуры в Таллинском порту планируется создать водородный терминал. В индустриальных парках Мууге и Палдиски может появиться водородное хранилище и ветропарк. По словам члена правления и главного коммерческого директора Таллиннского порта М.Вихмана, в будущем в таких портах может быть построен сервисный кампус ветропарка. Южная гавань Палдиски не замерзает, поэтому подходит для организации экспорта и импорта водорода, считают в Tallinna Sadam. Tallinna Sadam заключила соглашение с портом Гамбург о совместной проработке цепочки добавленной стоимости при формировании инфраструктуры для транспортировки водорода. Таллиннский порт также изучает различные решения по развитию береговых мощностей в порту Ванасадам для обеспечения электроэнергией круизных судов, включая производство электричества из водорода. Компания рассматривает возможность перевода своих межостровных паромов на более экологически чистое топливо, и водород в потенциале является подходящей альтернативой для этой цели [9]. 8

Процесс производства электролизёров в виде «цифровых двойников» По сообщению немецкого Института машин и технологий формовки Фраунгофера (IWU), в ФРГ начат четырехлетний проект, направленный на виртуальное воспроизведение лучших и наиболее эффективных индустриальных процессов производства электролизёров в виде так называемых «цифровых двойников». С их помощью производственные процессы и комбинация новых производственных систем могут быть рассчитаны и тщательно проверены на компьютере. Промышленные компании смогут соотнести с этим образцом ожидаемые производственные затраты на определенные типы электролизеров перед планированием производства. Цель — снизить стоимость производства электролизеров более чем на четверть. Федеральное правительство финансирует исследовательский проект в размере 22 миллионов евро через свою водородную программу H2Giga. В работе участвуют пять институтов Фраунгофера. Помимо IWU, это Институт производственных технологий (IPT), Институт производственной инженерии и автоматизации (IPA), Институт электронных наносистем (ENAS) и Институт микроструктуры материалов и систем (IMWS). IWU вносит свой вклад в исследования процессов прокатки биполярных пластин. Новый процесс многопроходной прокатки позволит реализовать геометрию каналов в анодах и катодах в соответствии с требованиями к качеству. Вклад IPT включает исследование новых технологических решений для изготовления мембраны с каталитическим покрытием (CCM), пористого транспортного слоя (PTL) и биполярных пластин. IPA будет отображать отдельные производственные модули эталонной фабрики, которые будут созданы в участвующих институтах, в качестве цифровых двойников, и виртуально объединит их в сеть, чтобы сформировать полную производственную линию. В рамках проекта Fraunhofer ENAS занимается процессом цифровой струйной печати как производственным процессом CCM с целью достижения высокопроизводительной промышленной скорости [10]. 9

Процесс производства электролизёров в виде «цифровых двойников» Fraunhofer IMWS фокусируется на оценке компонентов и систем электролизера, что позволяет на раннем этапе выявить возможные слабые места и дефекты при промышленном использовании. Цель состоит в том, чтобы снизить затраты на процедуры тестирования, оптимизировать отказоустойчивость и срок службы производственных элементов, а также сократить время разработки. В настоящее время на рынке присутствует всего несколько производителей электролизеров, которые обслуживают нишевые рынки с небольшими объемами. По-прежнему отсутствует сильный внутренний немецкий рынок водородных технологий. По мнению участников проекта, технологическое лидерство в этой отрасли поможет в становлении такого рынка. Это еще больше укрепит Германию как место ведения бизнеса — в том числе создаст новые экспортные возможности [11]. 10

Баллоны для хранения газообразного водорода Компания Advanced Structural Technologies (AST) получила сертификат Министерства транспорта ООН по стандарту ISO 11119-2 на проектирование и производство баллонов для хранения газообразного водорода под высоким давлением для использования во всем мире. Новые резервуары для хранения водорода большого диаметра будут продаваться под названием H2-MAX, чтобы обозначить уникальные характеристики продукта, в частности, его способность к более быстрой и полной заправке. Также новый продукт имеет самый большой на рынке баллон типа III. Большой диаметр H2-MAX позволяет использовать меньше баллонов, клапанов и PRD; таким образом, обеспечивается минимизация потенциальных точек утечки из-за меньшего количества необходимых фитингов и точек подключения по сравнению с традиционной системой хранения водорода, разработанной с использованием обычных баллонов [12]. 11

Производство карьерных самосвалов на водороде Komatsu, ведущий производитель строительной техники в Японии, объявил о планах сделать ставку на водород в качестве более экологичной альтернативы дизельному топливу для своих тяжёлых карьерных самосвалов. Такой переход будет совершён впервые в отрасли. Компания начала свою программу разработки грузовиков с водородными топливными элементами в 2021 году и планирует вывести машины на рынок к 2030 году. Водородная энергия уже начинает применяться в некоторых автобусах и дорожных грузовиках, но усилия по её внедрению в горнодобывающей промышленности предпринимаются впервые — в связи со стремлением клиентов Komatsu сократить выбросы углекислого газа в своём бизнесе. Сегодня некоторые карьерные самосвалы работают на электричестве, но подавляющее большинство из них дизельные. Преимущество использования водорода в качестве топлива заключается в том, что грузовики с нулевым уровнем выбросов могут передвигаться по маршрутам, недоступным для линий электропередач. Карьерные самосвалы перевозят 600 и более тонн грузов — это огромная и очень тяжёлая техника. Перевод таких машин на водородную энергию ставит массу сложных технических задач по сравнению с обычными автомобилями на водородных топливных элементах. Komatsu планирует закупать топливные элементы для своих водородных грузовиков у внешних поставщиков. Используемые для получения электроэнергии блоки топливных элементов дорогие, но если они будут применяться в более широком спектре отраслей, то массовое производство снизит их стоимость. 12

Производство карьерных самосвалов на водороде Поставки горнодобывающей техники формирует примерно 40 % продаж Komatsu. Компания является конкурентом американской Caterpillar и китайской Sany. Она стремится стать более конкурентоспособной в этой области и для этого, в частности, приобрела в 2017 году американского производителя Joy Global. В рамках общей инициативы компания объединилась с американским производителем коммерческих электромобилей для производства электрифицированной тяжёлой техники и планирует в 2023 году начать массовый выпуск готовой продукции на традиционных аккумуляторных батареях [13]. 13

Замена природного газа в трёх сотнях домов Шотландии Власти Великобритании продолжают осуществлять масштабные эксперименты по переводу жизни и экономики на «зелёные» рельсы. Один из таких экспериментов готовится в Шотландии. Около 300 домов будут переведены на отопление, подогрев воды и готовку пищи с использованием экологически добытого водорода вместо природного газа. Утверждается, что аналогов этому опыту сегодня нет нигде в мире. Согласно проекту, около 300 домов в округе Файф, Шотландия, бесплатно будут оснащены водородными топливными котлами, бойлерами и кухонными принадлежностями. Переоборудование домохозяйств на экологически чистое топливо будет завершено к концу 2022 года. Плата за водород взиматься не будет. Эксперимент будет продолжаться в течение примерно четырёх лет и должен либо доказать правильность перевода отопления на водород, либо его опровергнуть. Успех на этом первом этапе позволит расширить опытную эксплуатацию водородных энергоносителей до 1000 или более домохозяйств. В Великобритании 85 % домохозяйств для отопления используют газовые котлы, поэтому данный вид оборудования оставляет в углеродном следе острова значительный отпечаток [14]. 14

Дроны на водородном топливе Команда Делфтского технологического университета (TU Delft) в Нидерландах разработала водородный топливный элемент, благодаря которому дрону удалось продержаться в воздухе впечатляющие 3,5 часа. Аппарат поддерживает вертикальный взлёт и посадку и использует в общей сложности 12 двигателей. Проект является результатом сотрудничества команды Делфтского технологического университета, Королевского флота Нидерландов и береговой охраны Нидерландов. Дрон весит порядка 13 кг и имеет размах крыла 3 метра, с шестью двигателями на каждой стороне фюзеляжа. Из-за большого количества моторов аппарат крайне надёжен: даже если 7 двигателей выйдут из строя, он не упадёт и продолжит полёт. 15

Дроны на водородном топливе Декан факультета аэрокосмической техники Делфтского технического университета Анри Вери (Henri Werij) отметил: «Одним из важнейших аспектов этого исследовательского проекта является сам полёт на водородном топливе. Во всём мире водород считается одним из важнейших претендентов на роль экологически безопасного авиационного топлива». Находясь на земле, дрон слегка наклонен вверх, что более эффективно для поднимающих его двигателей. Дрон несёт топливо в 6,8-литровом водородном баллоне из углеродного композита, выдерживающем давление в 300 бар, а питание осуществляется от топливного элемента мощностью 800 Вт, который преобразует водород в электричество. В результате реакции окисления кислородом дрон выделяет воду, что делает его экологически чистым [15]. 16

Мобильные устройства на водородном топливном элементе Команда Делфтского технологического университета (TU Delft) в Нидерландах разработала водородный топливный элемент, благодаря которому дрону удалось продержаться в воздухе впечатляющие 3,5 часа. Аппарат поддерживает вертикальный взлёт и посадку и использует в общей сложности 12 двигателей. Проект является результатом сотрудничества команды Делфтского технологического университета, Королевского флота Нидерландов и береговой охраны Нидерландов. Дрон весит порядка 13 кг и имеет размах крыла 3 метра, с шестью двигателями на каждой стороне фюзеляжа. Из-за большого количества моторов аппарат крайне надёжен: даже если 7 двигателей выйдут из строя, он не упадёт и продолжит полёт. 17

Авиалайнеры с водородным двигателем Airbus представила три концепта первых в мире коммерческих пассажирских самолётов с нулевым выбросом углекислого газа, которые могут быть введены в эксплуатацию в 2035 году. Все они, как задумано, должны работать на водородном топливе. Каждая концепция исследует различные технологические пути и аэродинамические конфигурации для достижения «чистого нуля» (отсутствия выбросов парниковых газов) [17]. Все три концептуальных самолёта компании, штаб-квартира которой расположена во французской Тулузе, имеют кодовое название ZEROe. Это: 1) Самолет с турбовентиляторным двигателем, 120–200 пассажиров, дальность полёта более 3700 километров, способен работать на трансконтинентальных направлениях, приводится в действие модифицированным газотурбинным двигателем, работающим на водороде, а не на реактивном топливе, за счёт сгорания и превращения в воду. Жидкий водород будет храниться и распределяться через резервуары, расположенные за задним герметическим шпангоутом; 2) Самолет с турбовинтовым двигателем, до 100 пассажиров, также работающий на водородных модифицированных газотурбинных двигателях, способен преодолевать расстояние более 1800 километров, что делает его идеальным вариантом для перевозок на короткие расстояния; 3) Концепт совмещённого с крылом фюзеляжа, до 200 пассажиров, дальность полёта более 3700 километров. Исключительно широкий фюзеляж открывает множество возможностей для хранения и распределения водорода, а также для компоновки салона [18]. 18

Биржа водорода Биржу водорода планируют создать в Нидерландах в рамках проекта HyXchange. Она может стать катализатором развития рынка климатически нейтрального водорода. Согласно исследованиям, проведенным для национальной газовой компании Gasunie, реализация проекта потребует сертификации, а также создания спотового рынка (в самом начале имитационного), индекса цен, механизмов для балансировки физических объемов и хранения водорода. В частности, в индексе цен на водород предполагается учесть метод его производства и степень достигнутого сокращения выбросов CO2. 19

Биржа водорода Gasunie совместно с администрациями портов страны и другими участниками рынка предполагают, что биржа H2 станет катализатором развития рынка климатически нейтрального водорода. По мнению авторов концепции, будет возможна транспортировка водорода различных способов получения в одной сети, как в случае с электроэнергией или газом. Стоит отметить, что в Нидерландах уже находится ключевой европейский хаб по торговле природным газом Title Transfer Facility (TTF). Он был учрежден компанией Gasunie в 2003 г. для обеспечения роста продаж и повышения ликвидности [19]. 20

Источники 1. Водород // https://nangs.org/news/renewables/vodorodnaya-lihoradka-zelenogo-keynsianstva 2. Обзор СМИ по тематике: энергетика, альтернативна энергетика, энергосбережение, энергоэффективность с 19 по 25 июля 2021 г. // http://kazee.kz/userfiles/ufiles/meropriyatiya/informatsionnyy_daydzhest_24___.pdf 3. Катализатор для добычи водорода из воды https://3dnews.ru/1044872/yapontsi-sozdali-effektivniy- katalizator-dlya-dobichi-vodoroda-iz-vodi-s-pomoshchyu-solnechnogo-sveta 4. Япония рассчитывает «озеленить» энергетику за счёт добычи гидрата метана // https://3dnews.ru/1035343/yaponiya-rasschitivaet-ozelenit-energetiku-za-schyot-dobichi-gidrata- metana 5. На ТЭС «Ямал СПГ» модернизируют турбины // https://goarctic.ru/news/na-tes-yamal-spg- moderniziruyut-turbiny/ 6. Австралия может стать мировым производителем “зеленого” водорода // https://teknoblog.ru/2021/07/23/112784 7. НОВАТЭК модернизирует турбины на ТЭС «Ямал СПГ»// https://www.kommersant.ru/doc/4606242 8. Зелёный водород из солнечной энергии без электролиза — совместный проект Repsol и Enagas // https://renen.ru/zelyonyj-vodorod-iz-solnechnoj-energii-bez-elektroliza-sovmestnyj-proekt-repsol-i- enagas/ 9. В Таллинском порту появится водородный терминал // https://neftegaz.ru/news/Alternative- energy/694170-v-tallinskom-portu-poyavitsya-vodorodnyy-terminal-/ 10. Институт Фраунгофера запускает эталонный завод по производству электролизеров // http://decarbonization.ru/news/industry/institut-fraungofera-zapuskaet-etalonnyi-zavod-po- proizvodstvu-elektrolizerov/ 11. Фраунгофер запускает эталонный завод по производству электролизеров // https://renen.ru/fraungofer-zapuskaet-etalonnyj-zavod-po-proizvodstvu-elektrolizerov/ 12. AST obtains certification for its high-pressure cylinders for hydrogen storage // https://www.h2- view.com/story/ast-obtains-certification-for-its-high-pressure-cylinders-for-hydrogen-storage/ 13. Komatsu хочет стать лидером в производстве карьерных самосвалов на водороде // https://3dnews.ru/1033174/komatsu-hochet-stat-liderom-v-proizvodstve-karernih-samosvalov-na- vodorode 14. Водородное отопление // https://terman-s.ru/otoplen-3/otoplenie-doma-vodorodom-vodorod-dlya- otopleniya-zdanij-neobosnovannoe-reshenie.html 15. Источники Энергии Дронов – Раздвигая Границы Электрического Полета // https://radiocopter.ru/istochniki-energii-dronov-razdvigaya-granitsy-elektricheskogo-poleta/ 16. Apple запатентовала мобильное устройство с питанием от водородного топливного элемента // https://php.ru/news/687814 17. Tethered Chem Combos Could Revolutionize Artificial Photosynthesis // https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=116868 18. Исследователи повышают эффективность производства водорода из солнечного света // https://www.hydrogenfuelnews.com/researchers-improve-efficiency-of-producing-hydrogen-from- sunlight/8538857/ 19. Водородная энергетика // https://energy.hse.ru/hydrenergy 20. Airbus reveals the next generation of CityAirbus // https://www.airbus.com/ 21. Биржа водорода может быть создана в Нидерландах // https://greendeal.org.ua/birzha-vodoroda- mozhet-byt-sozdana- viderlandah/?fbclid=IwAR0ULCjLmjsgmqpZIgtUhA0jhZ9VVR99lX6evP8rWiaip_ScSGjbNphRFAc 15

Центр научно-технической информации при Министерстве инновационного развития Республики Узбекистан Ташкент - 2021 г.