Распоряжение Правительства РФ от 5 августа 2021 г. № 2162-р «Об утверждении Концепции развития водородной энергетики в РФ» задаёт уровень экспорта водорода до 0,2 млн. тонн в 2024 году, 2 - 12 млн. тонн в 2035 году и 15 - 50 млн. тонн в 2050 году. В статье рассмотрены лучшие на сегодняшний день способы транспортировки и хранения водорода.
Участие университета в проектировании газовоза позволило сформировать колоборацию, способную к проектированию, комплектации, строительству, сертификации комплектных грузосодержащих систем сжиженных газов (включая водород) промышленного тоннажа для судов, морских или наземных сооружений. Автор данной статьи не касается перспективных технологий металлогидридного, капиллярного или адсорбционного хранения водорода, а рассматривает лишь доступные на сегодняшний день технологии.
Первоначально мы проанализировали основные виды топлива (см. таблицу 1).
Представленные данные приводят нас к ряду выводов:
Вывод 1 – интегральный КПД энергосистемы на водороде в 2 – 2,5 раза выше, чем у энергосистем на традиционных видах топлива (уголь, газ).
Получение 1 кг Н2 требует 4 кг метана. Получение 1 кг Н2 пиролизом требует ~18,4 МДж. Теплотворная способность водорода ~121 МДж/кг. КПД прямого преобразования водорода в электричество в топливном элементе ~85%. Энергоэффект H2: (121–18,4)х0,85=87,2 МДж;
Если мы просто сожжём 4 кг метана (ровно столько метана надо на получение 1 кг Н2)? Теплотворная способность метана ~63 МДж/кг. Интегральный КПД энергосистемы по преобразованию в электроэнергию ~24%. Энергетический эффект СH4: 63х4х0,24=60,5 МДж;
Вывод 2 – получить водород из природного газа и преобразовать в топливном элементе в электричество несоизмеримо выгоднее, чем сжечь природный газ в турбине или паровом котле.
Вывод 3 - логистика сжиженного водорода (по объёмам поставки в м3) всего на ~25 % уступает логистике СПГ. Важно для экспорта/импорта.
Вывод 4 – Все конечные потребители, для которых можно создать сосуд на 1000 атм. будут пользоваться компримированным водородом. Экономически это наилучшее решение.
В СПбГМТУ (ИЛИСТ) уже освоены титановые сосуды (рис. 1) на давление 500 Bar. Нет никаких принципиальных технических препятствий (есть решения по защите от водородного охрупчивания) для выращивания сосудов любого необходимого размера на давление 1000 Bar. Например: такой сосуд на 80 литров может накопить энергию ~1000 МДж. Электромобиль с топливной ячейкой на такой заправке уедет на ~800 км. А с рекуперацией энергии на 1200 км.
Вывод 5 – сосуды под давлением на 1000 Bar технологически и экономически доступны уже сегодня.
Что касается сжиженного водорода, то необходимо обратить Ваше внимание на диаграмму его состояний (рис. 2). {1} Удержаться в жидкой фазе на очень узком диапазоне 6 градусов (при атмосферном давлении) – очень неуютная, очень дорогая технологическая задача. Удержаться в жидкой фазе на диапазоне 70 градусов (при давлении ~ 10 атм.) – рутина. При этом давлении температура закипания жидкого водорода ~ 180C, а это технологически отработанная область СПГ.
СПбГМТУ (Корабелка) обладает необходимым научно-техническим заделом и компетенциями для проектирования ёмкостей хранения сжиженного водорода под давлением 1 Мпа.
Вывод 6 – инфраструктура получения СПГ и его экспорта морскими перевозками близка к тем же операциям со сжиженным водородом.
Такие ёмкости (вкладные водородные танки типа В, рис. 3) {2} могут устанавливаться на суда для хранения газа, как топлива; на суда – бункеровщики, на газовозы для коммерческих перевозок больших объёмов сжиженного водорода.
Для локальных стационарных объектов с потребляемой мощностью до 2 МВт протягивать водородопроводы, на наш взгляд, слишком капиталоёмко. Проще подвозить цистернами и выгружать в наши стационарные ёмкости малого и среднего размера.
Большие стационарные ёмкости могут потребоваться промышленным потребителям водорода с неравномерной энергетической потребностью, как буферные хранилища, чтобы не питать технологические процессы «прямо» из водородопровода.
Вывод 7 – крупнотоннажные ёмкости (для жидкого водорода) наземного и морского использования технологически и экономически доступны уже сейчас.
Ещё большие хранилища водорода требуются для организации его системных запасов в масштабах региональных и национальных энергосистем. Эти задачи обеспечиваются подземными хранилищами, прежде всего соляными, которыми успешно занимается ООО «Кекстон» (рис. 5). {3}
Вывод 8 – Мы с Вами, уже сегодня, обладаем технологической готовностью для коммерчески оправданного хранения водорода в любых объёмах.
