Направления развития водородных энергетических технологий

МАТЕРИАЛЫ СЕМИНАРА ЛАБОРАТОРИИ ВЭТ ОИВТ РАН 

15 

 

 

 

Как  отмечают  исследователи  [35]  в  настоящее  время  концепция  Smart-Grid  в 

основном  рассматривается  с  точки  зрения  электрических  сетей,  хотя  в  будущем  это 

будет  объединение  электрической,  топливной  и  тепловой  сетей.  Международное 

энергетическое  агентство  рассматривает  водород  как  связующее  звено  между  этими 

сетями [36] (см. рисунок 3). 

 

Рисунок 3 – Энергосистемы сегодняшнего и завтрашнего дня [36] 

Крупномасштабное  хранение  энергии  с  помощью  водорода  рассматривается  как 

часть следующих концепций: 

–  Power-to-Power  (электроэнергия-в-электроэнергию)  с  хранением  водорода  как  в 

газообразном  состоянии  (в  том  числе  в  подземных  газохранилищах),  так  и  в 

связанном состоянии, в том числе в гидридах металлов; 

–  Power-to-Gas 

электроэнергия-в-газ,  включающая  добавление  водорода  в 

существующую  инфраструктуру  для  природного  газа  (обогащенный  водородом 

природный газ), а также создание синтетического метана из водорода (метанизация). 

Концепция  Power-to-Gas  рассматривается  как  самый  простой  и  быстрый  способ 

создания крупномасштабного рынка водорода. Самый дешевый способ транспортировки 

водорода:  по  трубопроводу  в  смеси  с  природным  газом.  Поскольку  прокладка  новых 

газопроводов требует значительных капитальных затрат (порядка 1 млн. $/милю в США) 

именно этот способ рассматривается как основной в настоящее время и в ближайшем 

будущем. 

Плюсы  этого  решения  основаны  на  относительной  дешевизне  технологии, 

использовании существующей инфраструктуры природного газа, при этом безопасность 

транспортировки  водорода  находится  на  том  же  уровне,  что  и  ПГ,  проницаемость 

газовых труб в диапазоне от 1.4…7 бар достаточно мала и добавка водорода уменьшает 

вероятность конденсации тяжелых углеводородов в трубах.  

В то же время есть и недостатки, в первую очередь необходимость разделения газов, 

что  приводит  к  затратам  20…30%  водорода  на  разделение  (+25..50%  к  стоимости), 

одорант  меркаптан  содержит  серу  и  от  него  необходима  дополнительная  очистка 

существуют ограничения на теплотворную способность газа (число Воббе). 

В  настоящее  время  в  Европейском  союзе  идет  большая  работа  по  созданию 

демонстрационных проектов в рамках этой концепции. 

16 

ВОДОРОДНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ - 2017 

 

 

 

Благодаря  высокому  КПД  энергоустановоки  на  базе  топливных  элементов 

рассматриваются в качестве перспективных источников энергии в киловаттном классе 

мощности  (см.  таблицу  5).  Такие  энергоустановки  требуют  использования  водорода 

чистотой  выше  99.9%.  Поэтому  при  использовании  в  автономных  системах 

низкотемпературных  топливных  элементов  может  оказаться  необходимой  доочистка 

водорода.  В  настоящее  время  созданы  эффективные  электролизеры  на  повышенные 

давления  с  КПД  >  75%  и  энергозатратами  (4.2-4.4)  кВтч/нм

3

  и  низкотемпературные 

топливные элементы (с твердополимерным и щелочным электролитом) с КПД более 55% 

[24]. Для комбинации «электролизер – топливный элемент» коэффициент рекуперации 

электроэнергии  может  составлять  более  40%,  что  вполне  приемлемо  для 

энергоустановок  на  основе  ВИЭ.  При  разработке  таких  систем  аккумулирования 

электроэнергии  основные  научно-технические  барьеры  связаны  с  созданием 

энергоэффективных  систем  очистки  и  хранения  водорода,  интегрированных  с 

топливными элементами. 

Среди  разрабатываемых  новых  технологий  и  устройств  очистки  и  хранения 

водорода для автономной энергетики экономически приемлемыми и безопасными могут 

стать устройства и системы, основанные на использовании обратимых металлогидридов 

(МГ)  –  интерметаллических  соединений  (ИМС),  способных  избирательно  и  обратимо 

поглощать водород [37; 38]. При этом основная масса водорода в системе находится в 

связанном  твердофазном  состоянии,  что  обеспечивает  повышенную  безопасность  при 

эксплуатации. 

Избирательность 

поглощения 

водорода, 

возможность 

гибко 

контролировать термодинамические свойства интерметаллических сплавов с помощью 

вариации  их  состава  позволяет  использовать  их  не  только  для  хранения,  но  и  для 

высокоэффективной очистки водорода, создания термохимических тепловых насосов и 

водородных компрессоров [39; 40].  

Таблица 5 – Сравнение различных технологии аккумулирования энергии для систем 

киловаттного класса 

Характеристики 

для 

систем 

киловаттного класса 

Аналог 

– 

АКБ 

Аналог – ДГУ  Водородное 

аккумулирование 

Время автономности 

< 0,5 ч 

> 1 ч 

>1 ч 

Коэффициент готовности,% 

>99 

<90 

>95 

Суточные потери, % 

0,5 

нет 

нет 

КПД,% 

60…90 

15…25 

35…50 

Зависимость 

от 

привозного 

топлива 

нет 

да 

нет 

Необходимость 

кондиционирования воздуха 

да 

нет 

нет 

Уровень шума 

низкий 

высокий 

низкий 

Необходимость 

регулярного 

обслуживания 

высокая 

высокая 

низкая 

Экологическая чистота 

нет 

нет 

да 

 

Разрабатываемые методы водородного аккумулирования энергии с использованием 

гидридов металлов должны превысить мировой уровень по времени автономной работы, 

экологической  чистоте  и  безопасности  хранения  водорода  за  счет  использования 

металлогидридных  технологий  [41].  Повышение  эффективности  работы  водородных 

МАТЕРИАЛЫ СЕМИНАРА ЛАБОРАТОРИИ ВЭТ ОИВТ РАН 

17 

 

 

 

систем  аккумулирования  энергии  связано  со  снижением  энергетических  затрат  при 

получении,  очистке  и  хранении  водорода.  Современные  системы  ожижения  водорода 

требуют  затрат  до  30-40%  (10-13  кВтч/кг  H

2

)  общей  химической  энергии  хранимого 

водорода (по низшей теплоте сгорания), и системы компримирования водорода до 350-

750  бар  требуют  до  20%  (6.4  кВтч/кг  H

2

),  при  этом  эксплуатация  таких  систем  в 

энергоустановках автономной и распределенной энергетики затруднена из-за высоких 

затрат на криогенное оборудование или трубопроводную арматуру высокого давления, 

обеспечения безопасности затрат на обучение и подготовку обслуживающего персонала. 

Анализ публикационной активности за последние 20 лет показал, что в начале 2000-

х  годов  произошел  резкий  всплеск  научной  активности  в  области  технологий 

производства  водорода.  При  этом  после  начала  мирового  финансового  кризиса  на 

рубеже  2010  г.  отмечен  резкий  переход  к  стабилизации  количества  статей  за 

исключением резкого роста интереса к технологиям получения водорода электролизом 

воды (рисунок 4). 

Обращает на себя внимание тот факт, что наибольшим интересом исследователей 

пользуются технологии биоводорода. Несмотря на то, что биологическое производство 

водорода  далеко  от  внедрения  в  практику,  количество  публикаций  на  эту  тему 

превосходит  количество  опубликованных  работ  по  термохимическим  методам 

получения водорода. 

На  рисунке  5  представлено  распределение  количества  опубликованных  работ  по 

странам. Здесь с существенным отрывом лидируют исследователи из КНР, второе место 

принадлежит  США,  Россия  занимает  19-е  место.  Для  успешного  развития 

инновационной экономики российским исследователям надо преодолеть этот разрыв. 

 

Рисунок 4 – Публикационная активность по типам технологий производства водорода в 

1997-2017 гг. по данным Scopus 

18 

ВОДОРОДНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ - 2017 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Публикационная активность в области производства водорода в 1997-

2017 гг. по данным Scopus 

Выводы 

Выполнен  обзор  современного  состояния  и  ближайших  перспектив  развития 

водородных  энергетических  технологий.  В  настоящее  время  мировая  энергетика 

переживает  период  важных  структурных  изменений,  связанных  с  увеличением  доли 

ВИЭ  и  распределенной  генерации  в  общем  энергетическом  балансе.  Повышение 

устойчивости сети, создание дружественных к требованиям сети солнечных и ветровых 

электростанций,  обеспечение  доступности  электростанций,  готовых  включиться  в 

поддержание  уровня  мощности  за  короткий  период  времени  могут  быть  эффективны 

только  до  того  момента,  когда  ВИЭ  достигнут  25%  доли  в  генерации.  Обеспечение 

качества  электроснабжения  при  широком  распространении  ВИЭ  должно  быть 

покреплено развитием системам хранения энергии. 

В  настоящее  время  мировая  мощность  систем  аккумулирования  энергии 

оценивается  в  3%  (150  ГВт)  от  общей  генерации  электроэнергии,  причем  на  95%  эти 

мощности обеспечиваются за счет единственной технологии  – гидроаккумулирующих 

станций.  

Водородное  аккумулирование  энергии  в  виде  цепочки,  связывающей  первичный 

источник  энергии,  производство  водорода,  систему  хранения  водорода  и  водородную 

энергоустановку позволяет осуществлять долговременное аккумулирование энергии без 

потерь,  дополняя  в  мегаваттном  классе  мощности  гидроаккумулирующие  системы  и 

конкурируя в области малых мощностей с аккумуляторными системами. 

Развитие  водородных  энергетических  технологий  будет  способствовать  развитию 

следующих сегментов реального сектора экономики: 

– 

нефтедобыча и нефтепереработка; 

– 

переработка природного газа; 

– 

производство аммиака; 

– 

радиоэлектронная промышленности 

МАТЕРИАЛЫ СЕМИНАРА ЛАБОРАТОРИИ ВЭТ ОИВТ РАН 

19 

 

 

 

– 

пищевой промышленности; 

– 

стекольной промышленности. 

Водород найдет широкое применение в создаваемых секторах экономики, включая: 

– 

новый экологически чистый электрический и водородный транспорт; 

– 

аккумулирование энергии для возобновляемой энергетики; 

– 

аккумулирование  энергии  в  системах  бесперебойного,  резервного  и 

аварийного электропитания. 

Новые водородные технологии переработки биомассы будут широко применяться в 

секторах: 

– 

переработки твердых бытовых отходов; 

– 

переработки органических отходов; 

– 

переработки сельскохозяйственных отходов 

Необходимость развития новых энергетических технологий начинают осознавать и 

в  нашей  стране.  Проект  энергетической  стратегии  Российской  Федерации  до  2035  г. 

указывает на новые технологии, распространение которых раньше или позже приведет к 

утрате  углеродной  энергетикой  доминирующего  положения,  в  том  числе 

возобновляемые источники энергии и накопители энергии, гибридные и электромобили, 

включая  автомобили  на  водородном  топливе,  в  результате  потребуется  ускоренное 

освоение совокупности перспективных групп технологий, в том числе ВИЭ, водородной 

энергетики,  накопителей  энергии  и  интеллектуальных  сетей.  Согласно  указу  №  642 

Президента  Российской  Федерации  от  01.12.2016  г.  в  ближайшие  10  -  15  лет 

приоритетами  научно-технологического  развития  Российской  Федерации  следует 

считать  те  направления,  которые  позволят  получить  научные  и  научно-технические 

результаты  и  создать  технологии,  являющиеся  основой  инновационного  развития 

внутреннего  рынка  продуктов  и  услуг,  устойчивого  положения  России  на  внешнем 

рынке, и обеспечат в том числе переход к экологически чистой и ресурсосберегающей 

энергетике, 

повышение 

эффективности 

добычи 

и 

глубокой 

переработки 

углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и 

хранения энергии.  

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №17-

19-01738). 

жүктеу/скачать 0,69 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: