Ключевые слова: водород, транспортировка, энергообеспечение, аккумулирование энергии, нетрадиционные виды топлива.
В качестве энергоносителя водород отличается тем, что имеет наивысшие удельные массовые энергетические свойства (рисунок 1) при сравнении с традиционными видами топлив, и при его сгорании в основном образуется водяной пар, что делает его экологически чистым источником энергии, при этом имеется практически неограниченная сырьевая база при условии получения водорода из воды. Наиболее эффективно использовать водород в топливных элементах, где происходит преобразование химической энергии в электрическую в результате химической реакции между водородом и кислородом. Топливные элементы имеют КПД порядка до 80 %, обеспечивают бесшумный процесс работы и являются более компактными по сравнению с ДВС [1].
Прогноз роста спроса на низкоуглеродный водород в секторе транспорта составляет 1 млн тонн/год = 2700 тонн/сутки – потребление в секторе транспорта к ~ 2028 г. и 8500 тонн/сутки – потребление в секторе транспорта к 2033 г. [2] (рисунок 2). Значительную долю рынка водорода на транспорте займет именно жидкий водород, так как жидкий водород преимущественно будет использоваться на крупном транспорте.
Применение жидкого водорода на крупном транспорте (авиа, ж/д, грузовая и карьерная техника и т.п.) рационально по следующим причинам:
- возможность обеспечить больший запас топлива при меньших по массе и габаритам опливного бака по сравнению со сжатым водородом;
- возможность обеспечить высокую скорость заправки.
Актуальная стоимость жидкого водорода составляет $10–24 США за кг [3], при этом для потребителя важна не просто стоимость топлива, а стоимость всей цепочки его использования – производства, транспортировки и использования. В перспективе стоимость для потребителя может достичь $3,3 США за кг к 2030 году и $2,2 США за кг в долгосрочной перспективе [4].
Получение жидкого водорода
Ожижение водорода требует больших энергетических затрат: от 25 до 45 % энергии ожижаемого водорода расходуется на процесс ожижения. Минимальные удельные затраты энергии на ожижение водорода составляют порядка 4 кВт·ч/кг. Данная величина превышает аналогичные значения для других типов энергоносителей, например метана или аммиака [5] (таблица 1).
Работа ожижения в реальных установках значительно выше и лежит в диапазоне от 13 до 70 кВт·ч/кг [6] (рисунок 3). Удельные затраты циклов, представленных на рисунке 3, разделены на три области: классические циклы ожижения и их теоретические аналоги, существующие промышленные установки ожижения водорода и перспективные технологии ожижения. В группе классических циклов представлены затраты первых установок ожижения водорода, работающих по циклам Линде-Хэмпсона, Клода и др., а также их возможная минимальная работа ожижения. Существующие установки представлены установкой ожижения водорода в городе Ингольштадт, Германия и группой установок Praxair, США. Установка в Ингольштадте, введенная в эксплуатацию в 1992 году, имеет производительность по жидкому водороду 5 т/сутки. Технологический процесс ожижения водорода реализован по циклу Клода с использованием водорода в качестве рабочего вещества, предварительное охлаждение осуществляется жидким азотом. Установки компании Praxair имеют производительность от 20 до 36 т/сутки при удельных затратах от 12,5 до 15 кВт·ч/кг, технология ожижения аналогична установке в Ингольштадте [7].
Особенностью ожижения водорода, по сравнению с ожижением других газов, является необходимость в проведении орто-параконверсии продукционного потока водорода для долгосрочного и эффективного хранения жидкого продукта, так как в жидкой фазе орто-параконверсия протекает самопроизвольно с выделением теплоты, что приводит к быстрой испаряемости жидкого водорода – до 20 % в день [8].
Данный процесс существенно влияет на работу ожижителей и связан с квантовыми эффектами, присущими водороду. От 15 до 30 % энергозатрат на ожижение расходуются на процесс орто-параконверсии водорода.
Установки получения жидкого водорода по величине их производительности можно разделить на три группы: крупнотоннажные, малотоннажные и лабораторные.
Особенностью крупнотоннажных установок ожижения (производительностью по жидкому водороду от 5 т/сутки) является применения водородного детандерного криогенного цикла внешнего охлаждения, что в сочетании с циклом предварительного охлаждения, работающего на смесевом хладагенте, считается сегодня наиболее эффективной технологией и позволяет теоретически снизить затраты на ожижение до 7,75 кВт·ч/кг. Данные установки предназначены для получения жидкого водорода для последующей транспортировки морским транспортом (рисунок 5, б).
Типовая малотоннажная установка ожижения водорода работает на внешнем гелиевом цикле с предварительным охлаждением жидким азотом (либо с замкнутым азотным циклом). Энергетические затраты данных циклов составляют от 16 до 30 кВт·ч/кг в диапазоне производительности от 1 кг/ч до 200 кг/ч жидкого водорода. Данные установки обеспечивают региональный спрос на жидкий водород, в основном транспортируемый в автомобильных цистернах (рисунок 5, а).
Лабораторные ожижители водорода производительностью до 2 кг/ч обычно используют криогенные газовые машины Гиффорда-МакМагона или Стирлинга с удельными затратами энергии от 30 до 70 кВт·ч/кг.
Транспортировка и хранение жидкого водорода
Сравнение способов транспортировки водорода в жидком, газообразном и связанном состоянии представлено на рисунке 4 [2].
На расстояниях до 800 км рентабельно транспортировать газообразный водород в сжатом виде с давлением 350 бар, но с увеличением расстояния стоимость доставки возрастает по сравнению с транспортировкой жидкого водорода, так как один трейлер с цистерной жидкого водорода эквивалентен емкостям сжатого водорода на восьми трейлерах.
Жидкий водород хранится в вертикальных или горизонтальных емкостях объемом до 200 м3 либо в сферических емкостях объемом до 3800 м3 (рисунок 5Особенности использования жидкого водорода
Помимо использования жидкого водорода как энергоносителя, он уже применяется и перспективен в авиационной, автомобильной и космической отраслях.
Применение жидкого водорода в авиации имеет следующие преимущества:
- декарбонизация авиационной отрасли;
- лучшая массовая плотность энергии;
- возможность создания электрического самолета на топливных элементах;
- увеличение эффективности двигателя;
- возможность отвода теплоты жидким и газообразным водородом.
Жидкий водород может использоваться для охлаждения электрических машин (генераторов и двигателей) с обмотками на основе высокотемпературных сверхпроводников, охлаждения поверхностей – снижения температуры фюзеляжа при трении о воздух, охлаждения рециркуляционного воздуха в системе кондиционирования самолета и охлаждения воздуха на входе в двигатель – задел на сверх- и гиперзвуковые самолеты дальнего следования.
Снижение затрат на обслуживание по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и практическое отсутствие вредных выбросов в атмосферу делает водород безальтернативным топливом для крупного автомобильного транспорта.
Разработки МГТУ им. Н.Э. Баумана
МГТУ им. Н.Э. Баумана выполнял разработку комплекта рабочей конструкторской документации на интеграцию энергетической установки, сборку прототипа и проводил пусконаладочные работы для электробуса (водоробуса) ЛиАЗ-62744-H2 в 2021 году (рисунок 7), карьерного самосвала БелАЗ-7513-H2 в 2023 году и энергетической платформы Урал-7513-H2 в 2023 году.), в зависимости от потребителя и производительности установки ожижения водорода. Емкости имеют вакуумно-перлитную либо многослойную экранно-вакуумную изоляцию, обеспечивающую испаряемость водорода от 0,1 % в сутки.
Особенности использования жидкого водорода
Помимо использования жидкого водорода как энергоносителя, он уже применяется и перспективен в авиационной, автомобильной и космической отраслях.
Применение жидкого водорода в авиации имеет следующие преимущества:
- декарбонизация авиационной отрасли;
- лучшая массовая плотность энергии;
- возможность создания электрического самолета на топливных элементах;
- увеличение эффективности двигателя;
- возможность отвода теплоты жидким и газообразным водородом.
Жидкий водород может использоваться для охлаждения электрических машин (генераторов и двигателей) с обмотками на основе высокотемпературных сверхпроводников, охлаждения поверхностей – снижения температуры фюзеляжа при трении о воздух, охлаждения рециркуляционного воздуха в системе кондиционирования самолета и охлаждения воздуха на входе в двигатель – задел на сверх- и гиперзвуковые самолеты дальнего следования.
Снижение затрат на обслуживание по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и практическое отсутствие вредных выбросов в атмосферу делает водород безальтернативным топливом для крупного автомобильного транспорта.
Разработки МГТУ им. Н.Э. Баумана
МГТУ им. Н.Э. Баумана выполнял разработку комплекта рабочей конструкторской документации на интеграцию энергетической установки, сборку прототипа и проводил пусконаладочные работы для электробуса (водоробуса) ЛиАЗ-62744-H2 в 2021 году (рисунок 7), карьерного самосвала БелАЗ-7513-H2 в 2023 году и энергетической платформы Урал-7513-H2 в 2023 году.
В 2023 году разработан и изготовлен комплекс ожижения, транспортировки жидкого водорода и его газификации производительностью 0,3 кг/ч по жидкому водороду (рисунок 7). Подобных установок ожижения водорода малой производительности в РФ нет, при этом в мире их насчитывается всего несколько образцов (Корея, Япония, Германия, США). Распространенным техническим решением является установка получения жидкого гелия малой производительности на базе криогенных газовых машин Гиффорда-МакМагона или Стирлинга. Однако их конструкция кардинально отличается из-за специфических требований к обеспечению безопасности при работе с водородом, а также из-за необходимости учитывать при проектировании установки орто-параконверсию водорода при охлаждении. Разрабатываемое решение имеет перспективу для применения на малых заправочных станция для заправки техники жидким водородом, либо в качестве решения по обеспечению длительного бездренажного хранения жидкого водорода.
Литература
1 Филиппов С.П., Голодницкий А. Э., Кашин А. М. Топливные элементы и водородная энергетика // Энергетическая Политика. 2020. № 11 (153). С. 28–39.
2 Plug Power Inc. Green Hydrogen with Plug, Unveiling the potential of liquid hydrogen: Market insights and innovative solutions2023.
3 Filling up with H2 Hydrogen mobility starts now // H2 Mobility [Электронный ресурс] 2024. URL. https://h2.live/en/tankstellen/ (дата обращения: 27.08.2024).
4 Hydrogen for Australia’s Future – A Briefing Paper for the COAG Energy Council, prepared by the Hydrogen Strategy Group // Department of Climate Change, Energy, the Environment and Water [Электронный ресурс] 2018. URL. http://www.coagenergycouncil.gov.au/publications/hydrogen-australias-future (дата обращения: 27.08.2024).
5 Архаров А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Криогенные системы. Том 1. Основы теории и расчета, М.: Машиностроение, 1996. – 576 с.
6 Aasadnia M., Mehrpooya M. Large-scale liquid hydrogen production methods and approaches: A review // Applied Energy. 2018.212. Р. 57–83
7 Al Ghafri SZS, Munro S, Cardella U, Funke T, Notardonato W, Trusler JPM et al. Hydrogen liquefaction: a review of the fundamental physics, engineering practice and future opportunities // Energy and Environmental Science. 2022. 15(7). P. 2690–2731.
8 Исупова Л.А., Жужгов А.В. Катализаторы низкотемпературной конверсии ортоводорода в пара-водород / Всероссийская научно-практическая конференция «Водород. Технологии. Будущее» – Томск: ТПУ. 2020. С. 1–9.
