ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
УДК 62-622:621.039
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ВОДОРОДА И МЕТАНО-ВОДОРОДНОЙ СМЕСИ
Миронов Егор Александрович Сафронов Илья Андреевич Прокаев Николай Васильевич Буйлин Иван Евгеньевич
студенты Научные руководители: Плешивцева Юлия Эдгаровна
д.т.н., профессор
Деревянов Максим Юрьевич
к. т. н., доцент ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет»
Аннотация: В статье приведен анализ информации о проектах по генерации водорода в мире с 1990 по 2050 годы на основе открытых источников информации, который включает в себя анализ сведений о сроках реализации проектов, их выходных продуктах и секторах конечного потребления [1, с. 2]. В статье представлена классификация проектов по используемым в них технологиям производства водорода. Работа выполнена в рамках реализуемого в СамГТУ проекта «Анализ энергоэффективности и экологической безопасности инновационных технологий водородной энергетики».
Ключевые слова: Водород, технологии, электролиз, классификация, развитие
PROSPECTS FOR DEVELOPMENT OF TECHNOLOGIES
FOR THE PRODUCTION OF HYDROGEN
AND METHANE-HYDROGEN MIXTURE
Mironov Egor Alexandrovich Safronov Ilya Andreevich Prokaev Nikolay Vasilyevich Builin Ivan Evgenievich
Scientific advisors: Pleshivtseva Yulia Edgarovna
Derevyanov Maksim Yurievich
89
МЦНП «Новая наука»
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Abstract: This article provides an analysis of information about hydrogen generation projects in the world from 1990 to 2050 based on open sources of information, which includes an analysis of information about the timing of projects, their output product and final consumption sectors [1, p. 2]. The article presents the classification of projects according to the hydrogen production technologies used in them. The work was carried out within the framework of the project «Analysis of energy efficiency and environmental safety of innovative technologies of hydrogen energy» being implemented at SamSTU.
Key words: Hydrogen, technologies, electrolysis, classification, development
Введение
Среди наиболее актуальных и обсуждаемых тем в области мировой экологии на первом месте остаётся климатическая проблема. Причиной этого стали выбросы СО2, которые имеют прямое отношение к изменению климата на планете. Для снижения выбросов СО2 предлагается ряд стратегических решений, одним из которых является развитие технологий водородной энергетики, продукт которой не только является экологически чистым энергоресурсом, но и необходимом видом сырья для множества промышленных секторов.
Целью данной работы является анализ мировых тенденций развития технологий по производству водорода и продуктов на его основе в контексте наиболее передовых из существующих стратегий развития водородной энергетики, перехода к возобновляемой энергетике и снижению выбросов СО2.
В работе анализируется и классифицируется информация о 428 мировых проектах по производству водорода и продуктов на его основе, информации о которых представлена в открытых источниках.
Данная работа является важной основой для дальнейшей многофакторной сравнительной оценки инновационных технологий производства водорода по критериям энергоэффективности, ресурсосбережения и экологической безопасности на основе DEA метода, которая позволит сделать научно-обоснованный выбор передовых технологий производства водорода и продуктов на его основе, которые могут составить технологическую базу водородной энергетики будущего в РФ.
Классификация и анализ технологий по генерации водорода и метано-водородной смеси
На рис. 1 представлены технологии генерации водорода и метановодородной смеси, представленные в проанализированных авторами 428
90
МЦНП «Новая наука»
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
проектах производства водорода в мире, информация о которых собиралась с более 700 открытых источников информации [4-9]. Процентное распределение технологий по проектам (рис. 2).
Рис. 1. Классификация технологий производства водорода [2, 3]
Рис. 2. Процентное соотношение технологий по производству водорода и метана водородной смеси
91
МЦНП «Новая наука»
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
В результате анализа проектов, оказалось, что к числу самых распространенных технологий генерации водорода и метано-водородной смеси относятся такие технологии, как технологии щелочного электролиза, занимающие 26% от всего числа рассмотренных проектов, и технологии электролиза с протонообменной мембраной34%. Распространенность и развитие электролизных технологий связано с тем, что во многих странах установлено множество мер стимулирования производства «зеленого» водорода, к ним относятся также освобождение от пошлин электроэнергии, генерируемой солнечными и ветровыми электростанциями, и введение платы за выделяемый углекислый газ при использовании традиционных источников энергии.
Анализ сведений о сроках реализации проектов и их конечных продуктах
Согласно анализируемым данным (Рис. 3), только 176 проектов реализуются в настоящий момент, что составляет около 41,12% от всего количества рассмотренных проектов, из которых лидирующие позиции, применяемых технологий среди проектов, занимают электролиз с использованием протонообменной мембраны – 42,61%, технология щелочного электролиза – 36,93% и технологии, использующие на данный момент конфиденциальные способы преобразования избыточной энергии в водород – 11.36%. Около 76 проектов планируются к реализации в ближайшие 10 лет, что говорит об ускоренном развитии водородной энергетики. Большая часть планируемых проектов ориентированы на использование экологически чистых электролизных технологий таких как электролиз с протонообменной мембраной – 14,47%, щелочной электролиз – 13,16%. Подавляющее большинство проектов планирует реализовать выработку водорода и метанаводородной смеси, используя технологии Power to X – 46%, информация о которых на данный момент не доступна. К 114 завершенным проектам в основном относятся экспериментальные и лабораторные установки, имеющие крайне низкие характеристи выработки водорода и электрической установленной мощности по сравнению с реализуемыми и планируемыми проектами. Самой популярной технологией среди завершенных проектов, является электролиз с протонообменной мембраной – 38% от всех завершенных проектов.
Учитывая результаты ранжировки выходных продуктов по количеству проектов (Рис. 4), можно сделать вывод, что спрос на чистый водород увеличивается ежегодно, и большая часть проектов направлена на выработку
92
МЦНП «Новая наука»
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
водорода. Большинство проектов, рассматривающих в качестве выходного продукта H2, применяют технологию PEM электролиза, большая часть из которых реализуется в данный момент. Проекты, выходным продуктом которых является CH4, преимущественно используют технологию щелочного электролиза.
Рис. 3. Данные о состоянии реализации проектов по производству водорода и метано-водородной смеси
Рис. 4. Ранжировка выходных продуктов по количеству проектов
93
МЦНП «Новая наука»
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Анализ секторов конечного потребления
Результат анализа конечных секторов потребления по количеству проектов, представленный на рисунке 5, показал, что большинство водородных проектов рассматривают в качестве конечного потребителя транспортный сектор, где водород будет использоваться в качестве топлива.
Около 142 проектов ориентированы на транспортный сектор, среди которых 55 проектов являются действующими и большинство из них использует технологию PEM электролиза – около 40%, а 40 проектов планируется реализовать в ближайшие 10 лет, среди которых более 50% будет использовать технологии Power to X. На втором месте по числу проектов находится сектор Н2 Power - сектор, направленный на использование водорода для преобразования электроэнергии, аккумулирования и подачи в электрические сети. В секторе Н2 Power насчитывается порядка 133 проектов, из которых только 70 проектов являются действующими, среди которых доминирующей технологией является PEM электролиз, и 17 проектов планируются к реализации, из которых большинство планирует применить технологию Power to X.
Рис. 5. Ранжировка проектов по секторам конечного потребления
Обращая внимание на ранжировку секторов потребления по расчетной нормализованной производительности можно заметить, что промышленный сектор является лидером по нормализованной производительности- 2,93 млн. нм3 Н2/ч. Наличие всего лишь 72 проектов, направленных на промышленный сектор, при очень большой нормализованной производительности говорит о
94
МЦНП «Новая наука»
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
том, что в этом секторе преобладают крупные проекты по производству водорода из природного газа.
Рис. 6. Ранжировка секторов потребления по расчетной нормализованной производительности [10]
Заключение
Подводя итоги, можно сказать, что водородная энергетика – это стремительно развивающаяся отрасль, ведь она является одним из перспективных средств декарбонизации экономики.
Экологическая обстановка и потребность в водороде как в энергоносителе и конечном продукте во многих секторах увеличивает спрос, что в свою очередь стимулирует развитие технологий производства и водородных проектов. Сказанное подтверждает ранжировка секторов конечного потребления по расчетной нормализованной производительности, где только в промышленном секторе расчетная нормализованная производительность составляет 2,93 млн. нм3 Н2/ч, и по числу проектов, значительная часть которых планируется к реализации в ближайшие 10 лет
[2].
Большинство крупных ориентированных на развитие водородной энергетики стран нацелены на выработку «зеленого» водорода, что доказывается наличием доминирующего количества проектов с технологиями щелочного электролиза и электролиза с протонообменной мембраной.
95
МЦНП «Новая наука»
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Список литературы
1.IEA Paris. Hydrogen projects database. – 2020. – 5 с.
2.Дуников Д.О. Водородные энергетические технологии: Материалы семинара лаборатории ВЭТ ОИВТ.–РАН: сб. науч. тр. 2017.–190 с.
3.Григорьев С.А. Получение водорода электролизом воды: современное состояние, проблемы и перспективы. – Транспорт на альтернативном топливе. – 2008. – С. 62-69.
4.G. Maggio, A. Nicita, G. Squadrito, How the hydrogen production from RES could change energy and fuel markets: A review of recent literature, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 44, Issue 23. – 2019, С. 1137111384.
5.A. Abanades. ETSII-UPM Direct decarbonization of natural gas A key technology into the energy transition. – 2018. – 24 с.
6.IRENA. Hydrogen: A renewable energy perspective. Report prepared for the 2nd Hydrogen Energy Ministerial Meeting in Tokyo, Japan. – 2019. – 51 с.
7.IEA. The Future of Hydrogen. – Paris. – 2019.
8.Митрова Т., Мельников Ю., Чугунов Д. Водородная экономика – путь книзкоуглеродному развитию. – Центр энергетики Московской школы управления СКОЛКОВО. – 2019 – 63 с.
9.Болдырев В. Водородная энергетика. – Промышленные ведомости: экспертная общероссийская газета, No 5. – 2006.
10.Пименов А.А. Разработка научных основ технологии и конструирования оборудования генерации водорода для производства метановодородной смеси и нужд водородной энергетики: Итоговый отчет по ПНИЭР № АААА-А19-119121690060-0 // СамГТУ; Самара, 2020. – 650 с.
©Е.А. Миронов, И.А. Сафронов, Н.В. Прокаев, И.Е. Буйлин, 2021
96
МЦНП «Новая наука»