Что такое четвёртый энергопереход и каковы перспективы у водородных технологий? Как производится водород и насколько он эффективен как топливо для разных видов транспорта? Что из себя представляет водородная энергетика и как она работает? Где используются такие технологии?
Об истории использования водорода, его применении в настоящее время и перспективах в будущем, рассказывает Алексей Паевский, научный журналист, спецпредставитель Десятилетия науки и технологии в России, автор Блога истории медицины, главный редактор портала Новости нейронаук и нейротехнологий, заместитель руководителя центра компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» ФИЦ ПХФ и МХ РАН.
Ролик создан при поддержке Ассоциации волонтёрских центров в рамках Международной премии МЫВМЕСТЕ.
Модель электромобиля на водородных топливных элементах
В мире постепенно увеличивается спрос на транспорт с электрическим двигателем. К основным проблемам их эксплуатации относятся недостаточное распространение зарядных станций и ограниченный максимальный пробег электромобиля, в среднем не превышающий 500 км. Использование водорода в качестве альтернативного источника энергии решает эти проблемы. Такой вариант отличается своей экологичностью, большим запасом хода на одной зарядке (более 1000 км), быстрой заправкой и безопасностью. Электромобиль на водородном топливе – это сложная техническая система, требующая изучения. В России есть всего одна зарубежная марка такого транспортного средства – Тойота Мирай. Ученые Пермского Политеха разработали нагрузочный стенд для проведения испытаний и изучили конструкцию малогабаритной модели этого гоночного болида. Разработка позволила выявить важные эксплуатационные характеристики объекта, обнаруженные в процессе его работы. Исследование поспособствует импортозамещению зарубежных аналогов электромобилей на водородном топливе.
Статья с результатами опубликована в журнале «Мир транспорта и технологических машин», №3-3 (82), 2023. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
При разработке водородных электромобилей важно изучить все аспекты его работы от производства водорода до работы электродвигателя. Ученые ПНИПУ создали испытательный стенд для проведения тщательных контрольных тестирований изучаемого продукта. С его помощью политехники исследовали модель электромобиля и выявили характеристики, которые в дальнейшем помогут при разработке отечественных моделей.
При эксплуатации электромобилей на водородном топливе отсутствуют выбросы вредных газов в атмосферу. Однако на окружающую среду влияет углеродный след от производства водорода. Оптимальный и экологичный способ его выделения – электролиз воды. Для этого в ходе эксперимента политехники использовали генератор, который расщепляет воду на водород и кислород. На основном элементе генератора, протонообменной мембране, происходит выделение чистого газа.
Водород на борту модели гоночного болида хранится в специальном накопителе, емкость которого равна 10 литрам. При соединении с электролизером емкость заполняется в среднем за 17 минут. Ученые поставили перед собой задачу – выяснить, насколько конструкция накопителя прочна, долговечна и безопасна для применения в электромобиле. Для этого они распилили его и провели химический анализ сплава.
– Мы сделали вывод, что марганец является основанием химической реакции, лежащей в основе работы накопителя. Титан – это добавка, оказывающая положительное влияние, как катализатор. Добавление в сплав хрома позволяет использовать его в качестве аккумулятора. А увеличение содержания ванадия эффективно для повышения выделения водорода. В итоге данная система хранения водородного топлива стабильная, многоразовая и безопасная, а значит, ее стоит использовать в дальнейших разработках транспорта на альтернативном источнике энергии, – рассказывает ведущий инженер кафедры «Автомобили и технологические машины» Пермского Политеха Ольга Иванова.
Исследуемый гоночный болид является радиоуправляемой моделью электромобиля с размещенной на ней водородной энергоустановкой. На борту модели топливо хранится в водородном картридже, который подключен к регулятору давления. Трубопроводы направляют газ к блоку топливных элементов, который в свою очередь конвертирует химическую энергию водорода и кислорода в электрическую. Постоянный ток поступает в контроллер, необходимый для питания и управления электродвигателем. Данные рабочие процессы обеспечивают эффективное передвижение электромобиля на альтернативном топливе.
Испытательный стенд, разработанный учеными, дает возможность динамического моделирования всех этапов преобразования водорода – от хранения в топливном баке до питания электродвигателя. Разработка позволила провести эксперимент по стабильности работы модели гоночного болида. Политехники испытывали модель на уровень мощности и продолжительность работы. Для определения этих параметров экспериментальная установка оборудована автоматизированной системой измерений, регистрации электрических параметров и скорости движения.
Необходимый минимальный уровень мощности установки 10,5 Вт. Выход на стабильный режим работы такой мощности занял 1,5 минуты. Так как для эксперимента политехники использовали небольшой объем водорода (3 литра), время работы установки составило 9 минут при среднем значении выходной мощности 11 Вт. Как только водород в системе закончился, режим стабильной работы пошел на спад и мощность начала снижаться. Эксперимент подтвердил, что параметры водородной энергоустановки достаточны для движения электромобиля на различных эксплуатационных режимах.
Благодаря разработанному стенду ученые ПНИПУ получили важные характеристики работы электромобиля на водородном топливе, которые станут основой для разработки уже реальных отечественных полномасштабных автомобилей на альтернативном источнике энергии. Кроме того исследование обращает внимание на недостатки модели, которые в дальнейшем будут доработаны.
Для справки:
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель – формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60% – региональные университеты.
Консалтинговая компания Genesis была выбрана для предпроектных работ одного из крупнейших в мире промышленных заводов по производству зеленого водорода в Казахстане.
Это является частью амбициозного проекта по использованию обширных возобновляемых ресурсов Казахстана для промышленного производства зеленого водорода, который будет играть важную роль в энергетическом переходе
Контракт был заключен с Hyrasia one — дочерней компанией европейской группы экологически чистых технологий SVEVIND Energy Group, которая разрабатывает крупный проект по ветровой, солнечной и водородной энергетике в Казахстане.
С 2030 года завод будет производить до двух миллионов тонн зеленого водорода или 11 миллионов тонн зеленого аммиака в год. Для этого в обширных степях юго-западного Казахстана будут установлены миллионы солнечных панелей и тысячи ветряных турбин, которые в совокупности смогут вырабатывать около 40 гигаватт возобновляемой электроэнергии.
Затем эта энергия будет транспортироваться недалеко от казахстанского прибрежного города Курык для производства зеленого водорода путем электролиза воды. Затем водород будет преобразован в аммиак с помощью установок синтеза.
Состоялось торжественное подписание контракта с вице-президентом Technip Energies по обслуживанию и PMC Stephane Mespoulhes и генеральным директором SVEVIND Вольфгангом Кроппом во время визита президента Германии Франка-Вальтера Штайнмайера и премьер-министра Казахстана Элихана Смайлова для запуска геологического бурения новой фазы проекта.
Устройство, способное собирать воду из воздуха и производить водородное топливо – полностью на солнечной энергии – было давней мечтой ученых, но теперь она близка к осуществлению.
Инженер-химик Кевин Сивула и его команда сделали значительный шаг к приближению этой мечты к реальности, разработав гениальную, но простую систему.
Она сочетает в себе технологию на основе полупроводников с новыми электродами, которые обладают двумя ключевыми характеристиками: они пористые, чтобы максимально увеличить контакт с водой в воздухе, и прозрачные, чтобы максимально увеличить воздействие солнечного света на полупроводниковое покрытие.
Когда устройство просто подвергается воздействию солнечного света, оно забирает воду из воздуха и производит газообразный водород, который затем можно закачивать в грузовики, поезда или самолеты с водородными топливными элементами для экологически чистого сжигания топлива.
В своих исследованиях по созданию возобновляемого топлива, не содержащего ископаемых, инженеры Федеральной политехнической школы в Лозанне в сотрудничестве с Toyota Motor Europe черпали вдохновение в том, как растения способны преобразовывать солнечный свет в химическую энергию, используя углекислый газ из воздуха.
Растение, по сути, собирает углекислый газ и воду из окружающей среды, а с дополнительным притоком энергии от солнечного света может превратить эти молекулы в сахар и крахмал – процесс, известный как фотосинтез.
«Разработка нашего прототипа устройства была сложной задачей, поскольку прозрачные газодиффузионные электроды ранее не демонстрировались, и нам пришлось разрабатывать новые процедуры для каждого этапа», – сказала Марина Каретти, ведущий автор работы.
«Однако, поскольку каждый шаг относительно прост и масштабируем, я думаю, что наш подход откроет новые горизонты для широкого спектра применений, начиная от подложек для диффузии газа для производства водорода на солнечной энергии».
Покрытие войлочной пластины из оксида кремния прозрачной тонкой пленкой оксида олова, легированного фтором, позволило получить прозрачную, пористую и проводящую пластину, необходимую для максимального контакта с молекулами воды в воздухе и пропускания фотонов. Второе прозрачное покрытие из полупроводниковых материалов поглощает солнечный свет и завершает процесс.
Депутаты Европарламента хотят, чтобы станции подзарядки автомобилей были установлены каждые 60 км.
Автомобили должны иметь возможность подзаряжаться каждые 60 км и заправляться водородом каждые 100 км, в то время как суда используют береговое электроснабжение в портах, чтобы помочь ЕС стать климатически нейтральным к 2050 году.
Комитет по транспорту и туризму принял проект мандата на переговоры по развертыванию инфраструктуры альтернативных видов топлива 36 голосами против 2 и 6 воздержавшихся в понедельник вечером. Она направлена на стимулирование развертывания станций подзарядки или альтернативных заправочных станций (таких как электрические или водородные) для легковых, грузовых автомобилей, поездов и самолетов, а также на поддержку внедрения экологически чистых транспортных средств.
Трюдо и Шольц договорились о поставках водорода в ФРГ с 2025 года
Канада и Германия подписали декларацию о намерениях создать альянс по экспорту водородного топлива в ФРГ к 2025 году. Документ был подписан в Канаде в присутствии премьер-министра страны Джастина Трюдо и немецкого канцлера Олафа Шольца, трансляцию вел Global News.
На церемонии подписания Трюдо напомнил, что странам Запада следует отказываться от ископаемых источников энергии, в пользу альтернативного топлива. «Мы [Канада] можем стать надежным поставщиком чистой энергии, в которой нуждается мир», — заявил канадский премьер.
Шольц в свою очередь отметил, что водородное топливо будет играть ведущую роль в поставках энергоносителей в будущем, особенно в таких секторах, как перевозки грузов, авиация и транспорт.
По данным Associated Press, канадская сторона планирует построить завод с нулевым уровнем выбросов, который будет использовать энергию ветра для производства водорода и аммиака на экспорт.
Каждый житель Камчатки наверняка слышал о Пенжинской губе в Охотском море. Находится она в том месте, где наш полуостров как бы встречается с материком. Это самый отдалённый от Петропавловска район – Пенжинский. Официально такие дали именуются глубинкой, а в простонародье говорят «дыра». Так вот, этот забытый богом район сможет закрыть все «дыры» в камчатском бюджете, да ещё помочь деньгами соседям
Оказывается, в Пенжинской губе можно производить водород в мировых масштабах! А всё из-за того, что во время прилива вода в этой губе поднимается на 9 метров, а иногда и до 13 метров! Площадь акватории Пенжинской губы – 21 000 квадратных километров (сравнима с площадью Крыма). Учёные подсчитали, что через вход в губу каждые сутки перемещается до 500 кубических километров воды!
Для сравнения: река Волга такое количество воды переносит за два года, а река Дон – за 25 лет. Даже самая мощная река мира – Амазонка – способна перенести 500 «кубокилометров» воды лишь за 25 дней.
Как же работает приливная электростанция?
Суть ПЭС в том, что в море устанавливается дамба, в неё монтируются турбины. Во время прилива уровень воды с одной стороны дамбы повышается и гидроагрегат вращается, вырабатывая ток. Во время отлива происходит обратная ситуация – вода вытекает назад и снова вращает турбины.
Предполагаемая мощность ПЭС в Пенжинской губе оценивается в цифру, превышающую 100 ГВт!
Максимальная мощность Пенжинской ПЭС может составить 135 ГВт, что равняется 60% (!) совокупной установленной мощности всех электростанций России на 2012 г.
То есть это примерно как 25 современных атомных станций, или как 5 китайских мега-ГЭС. При этом приливная станция не выбрасывает углекислый газ и вообще не имеет выбросов, имеет возобновляемый или бесконечный источник энергии, безопасна с точки зрения катастроф, т.к. в случае чего – никто не гибнет, ничто не загрязняется, не затапливается; выдает очень низкую стоимость электроэнергии.
Почему до сих пор не построили?
Планы по строительству Пенжинской ПЭС существуют уже свыше 100 лет. Рассматривается два основных проекта: Северный створ (21 ГВт) и Южный створ (87 ГВт). Даже для самого скромного проекта (Северного створа) стоимость строительства оценивается в 60 млрд долл., что всего в 20 раз больше стоимости Крымского моста. Эти миллиарды можно было бы вложить и потом вернуть за счёт продажи электричества, но вот продавать его в «дыре» некому. Но не всё так печально, есть идея – как Пенжинской ПЭС окупить себя. Ведь можно продавать не саму электроэнергию, а водород, созданный с её помощью. На водород сегодня переводится автотехника, это, пожалуй, самый экологически чистый вид топлива. Крайнюю нужду в нём испытывают ближайшие соседи Камчатки – страны АТР. На водороде могут не только ездить автомобили, но и летать самолёты и ракеты, отапливаться дома и работать заводы.
Единственная проблема – добывать водород очень дорого: требуется много электроэнергии. Но если появится Пенжинская ПЭС, то можно построить прямо в губе завод по извлечению водорода из воды, сжижать водород и газовозами поставлять его по всему миру. Так камчатская ПЭС может стать планетарной батарейкой.
Жаль, конечно, что Пенжинская ПЭС пока остаётся проектом, о начале строительства никто речи пока не ведёт, а Камчатка упорно садится на газовую трубу, которую нужно спонсировать из федерального бюджета каждый год.
Действующая энергетическая стратегия России предполагает наращивание экспорта водорода с 0,2 млн тонн в 2024 году до 2 млн тонн уже к 2035 году. Согласно плану, в середине XXI века продажа водорода на внешних рынках должны приносить стране около 100 млрд долларов ежегодно. Это позволит не только сократить зависимость РФ от экспорта не возобновляемых ресурсов, но и обеспечить ее доминирование на рынке новой энергетики.