Производство водорода
На сегодняшний день миру известны множество методов производства водорода. Наиболее экономически выгодным является производство водорода из природного газа и называется она паровой конверсии газа. В основе этой технологии лежит химический процесс с использованием катализаторов (хим. вещество ускоряющее реакцию). Водяной пар смешивается с природным газом (метан) под высокой температурой и давлением пропускается через катализатор. Еще один способ, который является также «старейшим» - газификация угля. Этот способ также является наиболее рентабельным. Для нас самой интересной технологией является электролиз. Эта технология наиболее перспективная и простая, где используется доступное сырье/энергия – очищенная вода и электроэнергия. Электролиз воды – физико-химический процесс, когда через воду пропускается тока. В результате вода разделяется на кислород и водород. Если использовать электроэнергию, полученную из солнца, ветра, то на выходе мы получаем «зеленый» водород, то есть водород без углеродного следа. Остальные способы промышленного производства в этом плане имеют недостаток – углеродный след, что не совсем вписывается в матрицу безуглеродной энергетики.Структура производства водорода
Сферы применения и перспективы водорода
На сегодняшний день водород используются в основном для производства бензина, аммиака и в металлургии, также его используют домашние хозяйства для автономного энергоснабжения, где используются топливные элементы. Все это можно отнести к начальному этапу развития водородной экономики. В новой эпохе ESG у водорода сфера использования будет только расширятся:1) Обеспечение эффективной интеграции возобновляемых источников энергии
В энергетике часто бывает некий дисбаланс в предложении и спросе на электроэнергию за счет временных и сезонных факторов. Ночью мы потребляем меньше электричества, а зимой тратим больше. Интеграция в мировую систему энергоснабжения ВИЭ (более 40% от общего объема электроэнергии) повышает риски сбоя поставок электроэнергии до потребителей, так ВИЭ является непостоянными источниками электроэнергии. Встает вопрос о аккумуляции излишков энергии, когда она не нужна, и использовать эту энергию, когда на нее спрос увеличивается, например, летом(зимой).
Электролиз может преобразовывать избыточную электроэнергию в водород во время переизбытка. Произведенный водород затем может использоваться для обеспечения резервного питания во время дефицита электроэнергии или может использоваться в других секторах, таких как транспорт, промышленность или жилой сектор. Таким образом, он повышает ценность избыточной электроэнергии. Потенциал повышения ценности возобновляемых источников энергии, которые в противном случае были бы сокращены, является значительным. Например, в одной только Германии, для сценария с 90% ВИЭ, прогнозируется сокращение более чем на 170 ТВтч / год в 2050 году, что эквивалентно примерно половине потребляемого водорода парком легковых автомобилей на топливных элементах. Водород также поможет справляться со сбоями электроснабжения ВИЭ, например, во время неблагоприятных погодных условий.
2) Долгосрочное хранение
Водород представляет собой оптимальное комплексное решение длительного хранения без выбросов углерода для устранения сезонных дисбалансов. Например, в Германии спрос на энергию примерно на 30% выше зимой, чем летом, в то время как возобновляемая генерация зимой обычно на 50% ниже, чем летом.
На данный момент водород остается современным способом хранения энергии, все больше крупных проектов планируются построить по всему миру - например, в Дании, Канаде, Японии и странах Азии. Кроме того, подземное хранение больших объемов водорода является общепринятой отраслевой практикой и не представляет собой серьезного технологического барьера. С увеличением доли возобновляемых источников энергии ожидается, что внедрение водорода в качестве решения долгосрочного хранения будет ускоряться. Водород будет играть роль поддерживающую общую систему энергоснабжения ВИЭ.
3) Распределение энергии по регионам
Страны, такие как Япония не имеют возможностей для производства энергии только с помощью ветровой или солнечной энергии. Другим странам может потребоваться время для привлечения необходимых инвестиций. В некоторых случаях импорт возобновляемые источники энергии могут быть более экономичными, например, доставляя дешевую солнечную энергию из «солнечных» стран в менее солнечные регионы.
4) Транспорт на водородных двигателях
Электромобили на топливных элементах (FCEV) играют важную роль в декарбонизации транспорта. На бензин и дизельное топливо приходится 96% потребления и 21% всех выбросов углерода. Гибридные автомобили, такие как (HEV) и гибридные электромобили (PHEV), уже вносят свой вклад в сокращение выбросов. Однако для полной декарбонизации транспорта потребуется широкое внедрение автомобилей с нулевым уровнем выбросов, такие как водородные FCEV и аккумуляторные электромобили (BEV), или их гибридные комбинации.
FCEV обладают рядом существенных преимуществ. Во-первых, они могут преодолевать большие расстояния без необходимости дозаправки (уже более 500 км), что очень ценится потребителями. Во-вторых, они заправляются быстро (от 3 до 5 минут), как и нынешние бензиновые / дизельные двигатели. В-третьих, благодаря гораздо более высокой плотности энергии системы хранения водорода (по сравнению с батареями), что повышает его привлекательность и вероятность внедрения транспортных средств, требующих значительного накопления энергии (например, большой грузоподъемности и / или дальнего действия / интенсивного использования). Наконец, инфраструктура FCEV может опираться на существующую инфраструктуру розничной торговли бензином, создавая экономические преимущества и сохраняя местную рабочие места и основные фонды.
Компании, производящие топливные элементы
1) Bloom Energy Corporation (BE)
BloomEnergy была основана в 2001 году с миссией производить чистую, надежную и доступную энергию. Для выполнения этой миссии компания разработала распределенное локальное решение для электроснабжения для рынка размеров в 2,4 триллиона долларов США. Решение представляет собой стационарную платформу для выработки электроэнергии, созданную для эпохи цифровых технологий. BloomEnergyServer способен обеспечивать высоконадежную, бесперебойную, круглосуточную постоянную (или базовую нагрузку) электроэнергию, которая также является экологически чистой и устойчивой. Клиентами являются коммерческие и промышленные потребители электроэнергии. Клиентская база включают 25 компаний из списка Fortune 100. BloomEnergy находится в Сан-Хосе, Калифорния.
BloomEnergy производит генераторы на твердооксидных топливных элементах(ТТЭ), называемые BloomEnergyServers, которые используют природный газ или биогаз в качестве топлива. КПД производимой электрической энергии из ТТЭ является самым высоким из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления. Комбинирование высокотемпературного топливного элемента с турбиной позволяет создать гибридный топливный элемент для повышения КПД генерирования электрической энергии до 70%. Твердооксидные топливные элементы работают при очень высоких температурах (600°C–1000°C), в результате чего требуется значительное время для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. При таких высоких рабочих температурах не требуется преобразователь для восстановления водорода из топлива, что позволяет теплоэнергетической установке работать с относительно нечистым топливом, полученным в результате газификации угля или отработанных газов и т.п. Также данный топливный элемент превосходно подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции. Промышленно выпускаются модули с выходной электрической мощностью 100 кВт.
Подробнее см. (https://s22.q4cdn.com/122868703/files/doc_presentations/2021/02/Service-Business-Presentation.pdf)
2) Plug Power Inc (PLUG)
Производит системы водородных топливных элементов для электромобилей (заменяют обычные батареи в авто) и стационарной энергетики в Северной Америке и Европе. Компания реализует продукцию компаниям розничной торговли, производственным предприятиям, дилерским сетям. 12 января Renault подписал меморандум с Plug Power по разработке, производству и продаже легковых автомобилей с электрическими топливными элементами. Основана в 1997 г.
Компания специализируется на экологически чистом водороде (водородное топливо, производимое с использованием возобновляемых ресурсов и электролиза) и решениях на топливных элементах, используемых для питания электродвигателей. Компания имеет развернула более 40 000 систем топливных элементов и ускорила вертикальную интеграцию за счет приобретений других компаний, что сделало ее мировым лидером в области экологически чистых водородных решений.
Специализируются на протонообменной мембране (PeM), топливных элементах и технологияхобработкитоплива, гибридныхтехнологияхтопливныхэлементовибатарей, а также связанных с ними инфраструктуры для производства, хранения и распределения водорода и зеленого водорода.
Plug Power поставляет комплексные решения с чистым водородом и топливными элементами с нулевым уровнем выбросов для цепочек поставок и логистических приложений, дорожных электромобилей, стационарного рынка электроэнергии и т. Д. На сегодняшний день крупнейшим рынком является погрузочно-разгрузочная деятельность. В июне 2020 года Plug Power завершила сделку по приобретению United Hydrogen Group Inc. («uhG»). ) и Giner elX, inc. («Giner elX»), в соответствии со стратегией вертикальной интеграции Компании. Эти приобретения еще больше укрепят позиции Plug Power в водородной отрасли, благодаря возможности производства, сжижению и распределению водородного топлива, дополняя лидирующее положение Компании в области проектирования, строительства и эксплуатации водородных заправочных станций, ориентированных на клиентов.
Кроме того, компания производит и продает продукцию на топливных элементах для замены батарей и дизельных генераторов в стационарных системах резервного питания. Эти продукты доказали свою ценность для компаний в сфере телекоммуникаций, транспорта и коммунальных услуг.
Расширяя свое присутствие на рынке дорожных электромобилей, платформа модульных двигателей на топливных элементах Plug Power ProGen позволяет производителям оборудования и системным интеграторам быстро внедрять технологию водородных топливных элементов.
Подробнее см. (https://www.ir.plugpower.com/Home/default.aspx)
3) FuelCell energy (FCEL)
Предоставляет эффективные, доступные и экологически чистые решения для поставки, рекуперации и хранения энергии. Компания проектирует, производит, устанавливает, эксплуатирует и обслуживает системы топливных элементов мегаваттного масштаба, обслуживая коммунальные предприятия, промышленные предприятия и крупные муниципальных потребителей электроэнергии с решениями, которые включают производство электроэнергии как в масштабах коммунального предприятия, так и на месте, улавливание углерода, локальное производство водорода для транспорта и промышленности, а также долговременное хранение энергии. Компания является разработчиком электростанций на топливных элементах. Станция SureSource генерирует поток водорода, подходящий для промышленного и транспортного оборудования. Компания выбрана Министерством энергетики США для получения гранта в размере $8 млн на поддержание разработки и производства платформы для электролиза SureSource.
Подробнее см. (https://investor.fce.com/WhyInvest/default.aspx)
Ну и в заключение компания Nikolacorp.
Разработчик и производитель аккумуляторно-электрических и водородно-электрических транспортных средств с нулевым уровнем выбросов, трансмиссии электромобилей, компонентов транспортных средств, систем хранения энергии и инфраструктуры водородных станций. У компании перспективный рынок в размере 600 млрд.долларов США (Грузовики – 118 млрд. долларов США, Заправочные станции – 367 млрд. долларов США, Сервис и ремонт – 112 млрд. долларов США)
Подробнее см. (https://nikolamotor.com/investors/index?active=overview)
Все компании, предоставленные выше являются высокорискованными, так как большинство из еще не вышли на прибыль, но перспективы у данной отрасли очевидные. Также есть и промышленные, химические компании, производящие водород такие как Linde, Dow, DuPont, Air Products & Chemicals и Cummins.
