Водородная энергетика. Транспортировка водорода по композитным трубопроводам природного газа
ВОДОРОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
Водород самый распространенный элемент во Вселенной. Он применяется для различных целей в различных отраслях промышленности.
С середины XX века водород был интегрирован в технологии нефтепереработки, производства удобрений из природного газа (80%) и генерации электроэнергии (20%). Значительная часть водорода и сейчас используется для повышения качества удобрений (53%), нефтепродуктов (31%) и стали (8%) – в процессе гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов, охлаждения генераторов на электростанциях, и конечно же – в водородной энергетике.
Водород, который в настоящее время используется, производится из ископаемого топлива, и с ним связано значительное количество выбросов CO2.
Принято разделять водород на «серый» – из угля, нефти и газа, на «голубой» – ПГУ ТЭС или АЭС с технологией CCS, и на «зеленый» – из воды (ВИЭ). Согласно исследованиям Wood Mackenzie, сегодня 99% водорода является «серым» и «голубым», создавая огромный углеродный след, сопоставимый с половиной суммарных выбросов СО2 всей экономикой России, и только 1% водорода считается «зеленым».
Зеленый водород ( green hydrogen ), производимый из возобновляемых источников энергии, ядерного или ископаемого топлива с помощью CCUS, может помочь в декарбонизации различных секторов. Объявлено и инициировано несколько проектов по производству экологически чистого водорода в разных странах мира.
Философский камень энергетики
Седрик Нейке, исполнительный директор Siemens AG Smart Infrastructure, охарактеризовал на Азиатском саммите водород как «философский камень энергетики» – универсальную субстанцию, которая превращает электричество в любой химический продукт и сама превращается в электричество.
Количество инновационных проектов с использованием водорода в области большой и распределенной энергетики, накопления энергии и всех видов транспорта, от автомобилей до самолетов и морских судов, переходит в статус серийных.
Создается ощущение, что именно сейчас, в 2020 годах, в мире происходит электрическая водородная революция. Она может привести к смене уклада энергосистем и постепенному формированию общего мирового рынка энергетики, как это уже случилось после сланцевой революции на газовом и нефтяном рынках в 2008–2013 годах.
Сейчас эксперты обсуждают, какой именно энергоноситель водород заменит в первую очередь: нефть на транспорте или уголь и газ в генерации.
Рынок будет глобальным, возникнут крупномасштабные перевозки водорода, аналогичные тем схемам, по которым сейчас торгуется СПГ.
Исполнительный директор Vestas Asia Pacific Клайва Туртона видит будущее водорода в развитии топливных элементов как системы накопления энергии (в аммиаке как удобной для хранения и транспортировки форме водорода), которые к 2030 году, судя по прогнозу на Азиатском саммите, сравняются со средней ценой дизеля в мире.
СМЕШИВАНИЕ ЗЕЛЕНОГО ВОДОРОДА В ПРИРОДНОМ ГАЗЕ
Зеленый водород можно смешивать в большинстве газовых сетей в количестве 6% по объему. Это может произойти при отсутствии чувствительных конструкций или установок на территории заказчика. Смешивание зеленого водорода может покрыть расходы на строительство специализированных водородных трубопроводов на ранней стадии развития рынка. После нескольких объявлений об установке электролизеров мощностью 100 МВт ожидается, что транспортировка по трубопроводам природного газа будет играть важную роль.
В различных странах допускаются разные доли водорода в природном газе (метане) – от 0,1% (Бельгия, Новая Зеландия, Великобритания и США) до 10% в Германии и 12% в Нидерландах. Верхний предел определяется национальными технологическими стандартами, связанными с безопасностью газопроводов и генерирующего оборудования электростанций. Для масштабной европейской газотранспортной системы подмешивание 20% водорода, по данным МЭА, снизило бы выбросы СО2 на 60 млн тонн в год (7%).
Например, проект Ameland, Нидерланды, не обнаружил, что смешение водорода до 30% создает какие-либо трудности для бытовых устройств, таких как газовые плиты для приготовления пищи.
Есть несколько разработок, включая анонсы проектов, запуск пилотных проектов, финансирование исследований, которые проводятся для выполнения смешивания зеленого водорода в трубопроводах природного газа.
Это первый в Великобритании пилотный проект по введению зеленого водорода в газовую сеть, который будет использоваться для таких приложений, как отопление домов и предприятий. Использование 20% зеленого водорода в газопроводах является самым высоким показателем в Европе. Он питает 100 домов и 30 факультетов. Это проект стоимостью 7 миллионов фунтов стерлингов возглавляет Cadent в партнерстве с Northern Gas Networks.
Использование 20% экологически чистого водорода в газопроводах по всей Великобритании может сэкономить до 6 миллионов тонн выбросов CO2 в год.
Именно на этот вариант развития энергетики и рассчитывают в «Газпром экспорте», предпочтительно с поставкой метана до страны-потребителе. В этом случае от компании не потребуется никаких существенных изменений.
Grhyd Project
ENGIE испытывает закачку зеленого водорода в газораспределительную сеть Le Petit Village во Франции и заправочную станцию NGV для автобусов, расположенную в городском сообществе Дюнкерка. При начальной смеси 6% будет опробован зеленый водород, который со временем будет увеличен до 20%. Природный газ, смешанный с экологически чистым водородом, будет использоваться для обслуживания парка из 50 автобусов.
ARENA Австралийская газовая сеть
ARENA предоставила финансирование в размере 1,28 миллиона долларов австралийской газовой сети для создания Австралийского водородного центра (AHC) для изучения возможности добавления 10% водорода в сети природного газа для выбранных региональных городов в Южной Австралии и Виктории. AGN также реализует флагманский проект, который будет запущен к середине 2020 года, когда 5% зеленого водорода будет добавлено в газовую сеть для 710 домашних хозяйств в Митчелл-парке.
Snam увеличил содержание водорода до 10%.
Snam удвоила объем водородной смеси в своей газотранспортной сети в Contursi Terme (Салерно, Италия) с 5% до 10%. Это было сделано всего через несколько месяцев после того, как 5% водородная смесь была введена в сеть природного газа для непосредственного снабжения двух компаний в Contursi. 10% водорода в сети природного газа может означать, что ежегодно в сеть вводится 7 миллиардов кубометров зеленого водорода. Это соответствует годовому потреблению 3 миллионов домашних хозяйств и приведет к сокращению выбросов CO 2 на 5 миллионов тонн.
Есть несколько других проектов, включая инициирование ATCO начала смешивания зеленого водорода в сети природного газа в Janadakot, Австралия, план Турции по тестированию впрыска зеленого водорода с 2021 года, проект зеленого водорода Westküste100 и австралийский проект HyPSA, которые являются пионерами в этом секторе..
ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С ДОБАВЛЕНИЕМ ЗЕЛЕНОГО ВОДОРОДА В ПРИРОДНЫЙ ГАЗ
Низкая плотность энергии
Некоторые отрасли промышленности зависят от углерода, содержащегося в природном газе, им придется использовать большее количество природного газа.
Влияние на качество продукции
Изменчивость объема водорода, смешанного с потоком природного газа, может повлиять на работу оборудования, предназначенного для работы только с узким диапазоном газовых смесей. Оборудование с более низким допуском на использование газовой смеси будет определять допуск всей сети передачи. Ожидается, что одно из самых серьезных препятствий будет в промышленном секторе, где большая часть промышленного оборудования не оценивалась на предмет смешения водорода.
Гармонизация пределов смешивания для разных стран
Опасность распространения пламени
Изменения требований к трубопроводам
Транспортировка водорода по стальным газовым трубопроводам потребует повышения качества очистки природного газа из-за усиления коррозийных процессов, и в дальнейшем, перехода на использование неметаллических композитных трубопроводов.
Успех различных текущих проектов по смешиванию водорода в сети природного газа может оказаться важным шагом на пути к развитию водородной экономики, поскольку смешивание позволяет избежать значительных капитальных затрат, связанных с разработкой новых технических решений для отдельной инфраструктуры передачи и распределения для водорода.
В отчете МЭА также говорится, что транспортировка водорода путем смешивания его с трубопроводом природного газа, как правило, является более дешевым вариантом при транспортировке водород на расстояние менее 1500 км. А применение для транспортировки гибких композитных трубопроводов (металло-гибридных HFP и композитных TCP-DGB с неметаллическим газовым барьером ) позволяет снизить затраты на инсталляцию по меньшей мере на 30%.
Это потребует изменение политики и нормативных актов, направленных на обеспечение более высоких уровней смешения. Это также должно включать стратегию замены (адаптации) оборудования в домах, офисах и на фабриках, которая помогут в дальнейшем использовании природного газа, смешанного с экологически чистым водородом.
Транспортировка водорода путем смешивания его с трубопроводом природного газа так же добавит ускорения развития композитной индустрии, особенно применению композитов с газобарьерными свойствами.
В России с водородам пока могут работать только большие корпорации – окупаемость здесь не так важна, если будет возможность занять у государства на приемлемых условиях. Аналитики полагают, что источниками производства водорода могли бы быть Кольская и Ленинградская АЭС, работающие не на полную мощность. Росатом активно проводит маркетинговые исследования. Тем более что у корпорации есть и дочерняя структура по ветрогенерации, и исследовательские институты по разработке энергоблоков малой мощности.
В России так же имеется большой ресурс научных разработок по топливным элементам (ТЭ), которые могут быть трансформированы в собственные технологии водородной энергетики.
В августе 2021 в России принята Концепция развития водородной энергетики до 2050 года. С появлением первых реализованных проектов Россия вступит в клуб мировых технологических лидеров, а разработка отечественных аналогов или доработка технологий – это вопрос времени и инвестиций.
ЕВРОПЕЙСКИЙ ПЛАН СОЗДАНИЯ ИНФРАСТРУКТУРЫ ТРАНСПОРТИРОВКИ ВОДОРОДА
Через неделю после того, как Европейская комиссия опубликовала свою Водородную стратегию Подчеркивая необходимость создания специализированной сети водородных трубопроводов, группа из 11 европейских газовых инфраструктурных компаний из девяти стран-членов ЕС объявила о плане создания специализированной водородной транспортной инфраструктуры.
Webinar Replay: Launch of the European Hydrogen Backbone
Отчет иллюстрирует постепенное появление сети водородных трубопроводов, которое ожидается к середине 2020-х годов. К 2040 году эксперты прогнозируют водородную сеть протяженностью 23 000 км, 75% которой будут состоять из переоборудованных газопроводов, соединенных новыми участками трубопроводов, на которые приходится оставшиеся 25%. Затраты оцениваются от 27 до 64 миллиардов евро, и ожидается, что в конечном итоге в рамках плана будут построены две параллельные газотранспортные сети: выделенная водородная сеть и выделенная (био) метановая сеть.
Консорциум состоит из Enagás, Энергинет, Fluxys Бельгия, Gasunie, GRTgaz, NET4GAS, НГЭ, ОНТРАС, Snam, Шведы, а также Terégaи предлагает другим европейским компаниям, занимающимся газовой инфраструктурой, помочь в дальнейшей разработке плана.
КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДО 2050 ГОДА. Распоряжение Правительства РФ от 5 августа 2021 г. № 2162-р.
ВОДОРОДНАЯ СТРАТЕГИЯ ДЛЯ КЛИМАТИЧЕСКИ НЕЙТРАЛЬНОЙ ЕВРОПЫ.A HYDROGEN STRATEGY FOR A CLIMATE-NEUTRAL EUROPE
ПЛАН ВОДОРОДНОЙ ПРОГРАММЫ МИНИСТЕРСТВА ЭНЕРГЕТИКИ США. HYDROGEN PROGRAM PLAN. US DEPARTMENT OF ENERGY (DOE)
По материалам International Journal of Hydrogen Energy
ПРОИЗВОДСТВО КОМПОЗИТОВ
| Производство RTP/TCP композитных труб |
| Производство термопластичных UD лент |
| Проектирование производства композитов |
| Оборудование для TCP / FCP / RTP труб |
| Готовые решения для TCP |
| Пресс-формы для пластмасс |
| В начало страницы | На главную | Планотека | Бизнес-планы по отраслям |
НАШИ УСЛУГИ
Консультации: +7 915 187-91-16, teo@teo.ru
HIGH TECHNOLOGIES COMPOSITES
Экологичная транспортировка водорода по трубопроводам природного газа
Консультируем по вопросам технологий и организации производства композитных газонепроницаемых труб для нефтегазовой промышленности и водородной энергетики.
Технические решения, инжиниринг, проектирование, оборудование
Эксперты оценили возможность поставлять водород через «Северный поток-2»
Опрошенные РБК эксперты оценили возможность использовать трубопровод «Северный поток-2» для транспортировки водорода. Ранее исполнительный директор Nord Stream 2 AG (оператор трубы) Маттиас Варниг сообщил, что компания изучает такую возможность.
«Исследования в этом направлении ведутся и в рамках научно-технической деятельности «Газпрома», и, судя по заявлению господина Варнига, на уровне компании-оператора. Условий для того, чтобы это внедрять прямо сейчас, нет — ни коммерческих, ни регуляторных. Технически тоже пока не все ясно, но техника тут как раз намного опережает коммерцию и правовую среду», — сообщил РБК заместитель главы Фонда национальной энергетической безопасности Алексей Гривач.
По словам замглавы фонда, в целом перспективы еще большего «озеленения» газа, поставляемого на рынок через новые магистрали из России в Европу, есть, но когда и как это будет происходить, сказать сложно. «На мой взгляд, природный газ, учитывая сегодняшний топливно-энергетический баланс Европы, — это само по себе наиболее экологичное из доступных и надежных решений и самое быстрое из всего спектра возможностей по сокращению вредных выбросов в атмосферу», — добавил он.
Аналитик, старший директор отдела корпораций рейтингового агентства Fitch Дмитрий Маринченко в беседе с РБК заявил, что поставлять чистый водород по текущей системе газопроводов технически проблематично, так как у него атомы небольшого размера и могут вызывать коррозию металла. «Речь идет о том, чтобы смешивать природный газ с водородом и поставлять эту смесь каким-то из текущих покупателей. Это позволило бы «Газпрому» усилить свой имидж как компании, ориентированной на «зеленую» энергетику и потенциально увеличить долю рынка, особенно если европейское законодательно будет давать преференции компаниям, поставляющим и покупающим водород или газоводородную смесь», — отметил он.
Маринченко подчеркнул, что пока механизм ценообразования и регулирования на рынке водорода не ясен, поэтому количественно оценить потенциальные выгоды «Газпрома» от этого проекта невозможно. «Тут скорее можно говорить об опции, а не о четком плане», — считает эксперт.
Декан факультета международного энергетического бизнеса РГУ нефти и газа им. Губкина Елена Телегина в разговоре с РБК заявила, что сейчас водородная энергетика в тренде. «Это сейчас самое модное направление развития. И в принципе, Россия может занять очень хорошую позицию на этом рынке, потому что инфраструктура транспортировки газа легко переделывается под транспортировку водорода. И сейчас уже «Газпром» начал работу в этом направлении. И да, действительно, «Северный поток-2», действующая система, которая есть, может быть достаточно легко трансформирована в транспорт водорода. Это новая стратегия, новый проект — они совместные, потому что это дорогая технология. Они вместе с европейскими компаниями на европейский рынок направлены, потому что водород в рамках низкоуглеродной энергетики — чистое топливо, которое будет очень востребовано на европейском рынке», — рассказала она.
По оценкам Телегиной, трансформировать систему для транспортировки не слишком сложно, самое сложное — разобраться с технологиями производства водорода. «Есть чистые, без выбросов вредных веществ, но это дорогие технологии. И есть более загрязняющие атмосферу. Тут вопрос еще, какие технологии производства водорода будут использоваться, главное — с точки зрения инвестиций. А сама транспортная инфраструктура легко может быть трансформирована технологически, потому что это тот же газ под давлением, который идет по трубопроводным системам. Это прежде всего, наверное, будет немецкий рынок, рынок крупных стран. Европейский рынок, в те страны, которые готовы к использованию водородных технологий», — пояснила она.
О том, что Nord Stream 2 изучает возможность использовать трубопровод для транспортировки водорода, Варниг заявил на прошлой неделе. «Вполне реально, что не позже чем через десять лет мы сможем добавлять водород в одну или обе нитки», — сказал он.
Транспортировка не только газа, но и водорода по «Северному потоку-2» возможна, поскольку при строительстве трубопровода были использованы специальные материалы, говорил глава Восточного комитета немецкой экономики Оливер Хермес. «Северный поток-2» в отличие от более старых газопроводов уже в ближайшие десятилетия может быть на 70% заполнен водородом», — заявил он (цитата по «Интерфаксу»).
Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: c ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.
На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.
Водородные топливные элементы
Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.
Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.
Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов. Источник: James Humphreys / Wikimedia Commons
Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.
Принцип работы водородного топливного элемента. Источник: Geek.com
С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.
С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.
Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.
Проблемы добычи
Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.
Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро
Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba H2One.
Мобильная электростанция Toshiba H2One
Мы разработали мобильную мини-электростанцию H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м 3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м 3 водорода станции требуется до 2,5 м 3 воды.
Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.
Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.
Монтаж системы H2One в городе Кавасаки
Водородное будущее
Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.
Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.
