能源2.0和俄罗斯的“氢谷”
我以前的 文章 氢作为未来燃料的使用是两年前写的。 然后，评论中的许多人都对我的预测表示怀疑。 他们说，有些人开玩笑说这一切都是科幻小说，无法实现的“美丽遥远”。 其他人则担心1937年XNUMX月美国兴登堡号飞艇的灾难。
但是，自从莱克赫斯特空军基地发生悲剧以来，已经过去了80多年。 技术和材料发生了变化，使用氢气的安全性水平提高了一个数量级。 我们每个人至少有一次乘坐穿梭巴士上的汽油。 有些人用气瓶改装了汽车。 每个人都还活着。
确实，在某些方面，怀疑论者是正确的，因为直到现在，碳氢化合物燃料的现有垄断显然阻碍了所有氢项目。 但是世界并没有停滞不前。 我对氢能的预测开始成真，并形成了现实。 如今，用氢燃料垄断碳氢化合物垄断的利益冲突已被耗尽。
在过去的15-20年中，全球氢气市场已从40万美元增长到12亿美元。 美国银行预测氢燃料产业将很快进入11万亿美元的市场。 该市场的主要参与者国家：加拿大，美国，中国，欧盟，日本，韩国。
在2020年，尽管冠状病毒大流行，许多国家还是宣布了他们的计划，即到2050年之前，向大气中二氧化碳脱碳或“零排放”。 他们的计划是消除使用煤炭，石油和天然气，而氢气是实现100％无碳的真正替代燃料。
事实证明，将排放量减少80％是困难的，但有可能。 但是消除其余20％的巨大高成本成为所有脱碳计划的``绊脚石''。
国际能源研究咨询公司伍德·麦肯齐（Wood Mackenzie）宣布2020年代为“氢十年”。 欧洲去年2月通过了“欧盟氢战略”。 来自“ Hydrogen Europe”协会的所谓“ 40x2030 GW Initiative”。 他们计划到40年部署XNUMX吉瓦的电解槽，生产“绿色”氢气，并希望从邻国出口相同数量的氢气。 澳大利亚，日本，中国，加拿大和美国的几个州也宣布了使用氢作为零排放燃料的战略。
氢生产的领先国家承诺在六年内将氢产量提高50倍。
新成立的国际能源巨头财团Green Hydrogen Catapult还计划在2026年之前生产25吉瓦的绿色氢，同时将其成本降至每公斤2美元。 该财团的成员包括来自沙特阿拉伯的IPP ACWA Power，海上风力发电机开发商Orsted，中国风力发电机制造商Envision和意大利天然气公司Snam。
彭博社《氢经济展望》：
“到2050年，全球24％的能源需求将被氢所覆盖，其价格将跌至当今天然气价格的水平。”
换句话说，氢的消耗将与它的生产成本的降低成比例地增加。
“氢谷”
我国也没有远离全球趋势。
2015年，俄罗斯通过签署联合国框架公约“进入了游戏”，这意味着在未来十年中，发电产生的碳排放将大量减少。 去年夏天，俄罗斯总理Mikhail Mishustin批准了 “直到2035年的俄罗斯联邦能源战略”，其中氢能是单独的项目。
策略目标-
“发展氢气的生产和消费，
俄罗斯联邦进入其生产和出口的世界领导者行列”。
俄罗斯联邦进入其生产和出口的世界领导者行列”。
按照计划， 俄罗斯在2024年将出口约200万吨氢，到2035年将增长10倍，约2万吨。
事实就是如此，但氢能的综合发展以及该国在其生产和出口方面已跻身世界领导者之列，这在十年的时间里可能是 全球氢气市场的10-15％.
这是俄罗斯氢能发展计划的路线图：
-到2020年底，开发了氢能开发概念，并为试点制氢项目提供了支持措施。
-从2021年初开始，应该为国内市场上的氢的出口商和购买者提供激励措施。
-第一家制氢厂将 “天然气工业公司” и “俄罗斯联邦原子能机构”... 两家公司将于2024年在核电厂，天然气生产设施和原料加工厂启动试点制氢厂。
-俄罗斯天然气工业股份公司（Gazprom）将于2021年开发并测试使用甲烷-氢燃料的燃气轮机。
-直到2024年，俄罗斯天然气工业股份公司将研究在气体装置（燃气轮机，燃气锅炉等）中使用氢和甲烷-氢燃料，并在各种运输方式中将其用作汽车燃料。
-在2024年，Rosatom将建立一个使用氢气的铁路运输实验性试验场。 我们正在谈论将火车转移到萨哈林岛上的氢燃料电池，这是俄罗斯铁路，罗萨姆特和Transmashholding在2019年宣布的。
2020年XNUMX月，俄罗斯财团“技术氢谷”，它将进行氢技术的研究和开发。 创建的财团包括：托木斯克工业大学，催化研究所SB RAS，化学物理问题RAS研究所，石油化学合成RAS研究所，萨马拉州立技术大学和萨哈林州立大学。 但是后来其他大学和学术机构也可以加入。
这里有客户-依赖氢能的俄罗斯公司：俄罗斯天然气工业股份公司，俄罗斯天然气工业股份公司，西布尔，俄罗斯铁路，谢韦尔斯塔尔，罗萨姆特，诺瓦特克。 面对现实，我们国家在核电厂自身发展和氢气生产方面拥有良好的领先优势，这使我们几乎立即增加了氢气产量。
但是，正如他们所说，有些细微差别...
制氢
根据生产方法，习惯上按颜色分离氢：
“绿色” 氢（无碳）-使用可再生能源（RES）进行电解；
“黄色” 氢（无碳）-使用核电厂进行电解（NPP）；
“绿松石” 氢（低碳）-天然气（甲烷）的热解；
“蓝色” 氢（中碳）-利用CO2的甲烷（PCM）或煤的蒸汽重整（CCS-以及碳捕获和储存技术）；
“灰色” 氢（高碳）-二氧化碳排放的甲烷蒸汽重整；
“棕色” 氢（高碳）-煤的气化或蒸汽重整。
该图显示了生产氢气的主要方法以及其生产所消耗的能源。
注意在催化剂存在下甲烷的催化分解（下图）。 该方法的优势在于反应产物中不存在CO2和CO，以及形成了有价值的产物-纳米纤维碳（NFC），如今已在许多行业中使用。 现在，我们的科学家正在努力改善催化膜反应器（CMR）中使用的材料的特性，该膜将氢气与气态介质分离。
我什至遇到了一种奇特的方式，可以从黑海底部的硫化氢生产“绿色”氢（以KMR计），那里的潜在储量可以达到3亿吨。
还有一种两阶段生产“棕色”氢气的技术。
第一阶段-由废油，液体可燃废物，固体城市废物，生物质，低品位和高灰分煤，泥煤，页岩和其他化石燃料生产合成气。
第二阶段-使用合成气产生热，电，氢（在CMR中）。
在我国，已开发出结构化催化剂，重整器模型和燃料处理器，以从各种液体（柴油，生物柴油，汽油，甲醇，乙醇等）和气态（甲烷，丙烷-丁烷，二甲醚）燃料...
例如，在中国，“褐”氢是以低品位煤和油页岩为工业规模生产的。 但是正因为如此，生态遭受了极大的损害，大气也受到了污染。
电解法
水电解是生产“绿色”氢的最环保方法，但迄今为止是世界上最昂贵的方法。 欧洲通过PEM电解生产氢气的成本估计为每公斤3,93欧元。
在俄罗斯，利用不足的水力发电厂，风电场或核电厂的能力非常适合氢电解。 诸如电解制氢这样的附加负载的存在对核电站非常有益，因为它确保了该设备在恒定功率水平下运行，从而在低负载期间使负载“正弦曲线”变得平滑。
到2050年，我们核电行业的发展战略计划包括每年生产50万吨氢，占其全球消费量的10％。
国营公司Rosatom试点项目的理想选择是可乐NPP。
在核电厂中通过电解方法生产“黄色”氢气的能耗为每6立方米1 kW * h。 氢。 生产率高达83000立方米氢气的m / h。 产生氢气的成本为每公斤3美元。 的确，氢到欧洲的运输仍然是个问题，以这种方式产生的“黄色”氢可能不会被证明是“可再生的”，这对欧盟市场非常重要。
此外，Rosatom正在组织“西方”和“东方”氢簇，以向欧洲和亚洲的国内和出口市场提供氢。 Rosatom目前正在为两个有前途的项目进行可行性研究。 这些是萨哈林岛上氢火车的开通，以及俄罗斯向日本的氢出口。
必须承认，电解还不能提供所需体积的氢气经济上可行的生产。 现在，在世界范围内，使用甲烷的蒸汽重整（PCM）技术从天然气中大规模生产氢气。 没错，在这种情况下，几乎有一半的初始气体被燃烧，燃烧产物被释放到环境中。 但是天然气工人很高兴，他们的产品供不应求，有可能从中获得廉价的“灰色”氢气并大量出售。
但是，如果在甲烷蒸汽重整（PCM）技术中使用来自高温气冷反应堆（HTGR）或高温气冷or反应堆（VGTRU）的热量，那么对于生产电力和“蓝色”氢气。 这样可以节省天然气，电力，并且不会对环境造成有害排放。
根据该计划，可以开发有前途的核电站（AETS），这将确保大规模生产环保的“黄色”和廉价的“蓝色”氢，其价格与天然气的价格相近。 因此，只有一个热容量为200 MW的HTGR模块可以提供每年约100万吨的氢气产量。
氢气的储存和运输
由于氢的高“流动性”，因此很难长距离运输氢，例如液化天然气（LNG）。
传输液态氢的问题在于该物质的分子是如此之小，以至于它们可以在-253°C以上的温度下渗入金属容器的原子结构。 长时间长时间保持这种温度非常耗能。 但是还有另一个问题-在原子氢的影响下氢脆和金属破坏。 即使是高强度的钢，以及钛和镍合金也要服从它。
如今，在大容量下储存氢在经济上是不可行的。 科学家们仍在开发有效且安全的存储方法。 因此，在现场直接生产氢气并仅存储消耗量的10％较为合理，这意味着其生产和消耗是连续的。
不要忘记，即使是很小的比例，氧气也会形成爆炸性的“爆炸性气体”。 但是，也可以在甲烷-氢混合物（MHM）中停止这种作用，即使其中的氢浓度为30％，该混合物仍然是安全的。
氢气将使用俄罗斯天然气工业股份公司（Gazprom）专利的绝热甲烷转化技术（ACM）由甲烷（或MBC）生产。 可以假定计划以此方式将氢输送到欧洲，并且为此目的，Nord Stream-2管道的建设已迫切完成。 德国比所有欧洲国家对此都更感兴趣，因为德国提出了氢学说，该学说迫使德国到2050年完全转换为氢。 媒体写道，俄罗斯天然气工业股份公司甚至提议东道国在正在建设的天然气管道登陆点附近建造一个大型制氢厂，甚至将来自德国的二氧化碳反向排放。
将来，液态可逆氢化有机化合物（LOHC），甲醇，氨可用于运输氢。 但是与此有关的是诸如“香料”的毒性和逆反应的非常苛刻的条件等问题。
我们的科学家还开发了更有效的储氢方法。 它基于基于LaNi5的固态可逆氢化金属和合金将氢保留在其结构中的独特能力，并且其原子的堆积密度高于液态氢中的原子密度。
该方法称为“金属间”氢存储。 金属间存储设备（IMS）已被制造和测试，已经证明了其效率和可靠性。 为了从这种紧凑的储存器中提取氢气，消费者只需将其加热即可。
最后，我想向您介绍另一种独特的纳米毛细管氢存储和运输技术（CNT），其原理是将存储结构分为数百万个独立的毛细管-微体积或所谓的多毛细管基质。 这种储氢器将具有许多优点：重量轻，紧凑和爆炸安全。
用于在显微镜下储存氢的纳米毛细管结构
燃料电池和氢发动机
固体氧化物燃料电池（SSF）仍然是氢到电能的主要转化器。 该设备通过氧化氧气而不燃烧氧气，将燃料（氢）的化学能直接转化为电能。
在TFC内，氢分子与氧离子发生化学反应，其输出为电，热和水蒸气。 燃料电池可以与各种碳氢燃料一起使用：氢以及甲烷，丁烷或合成气。 它们的电效率达到60％，将来达到80％，而热电厂，燃气轮机或核电厂的效率约为40％。
BTE-84是基于固体聚合物燃料电池创建的，使用合成气（氢气）和空气运行，最小过压为0,004 kg / sq。 厘米，额定功率6,5 kW，电压范围40–80 V，负载电流0–160A，工作温度+60ºC，TE数量-84，重量-72 kg。
就能源效率而言，氢是传统燃料的3-4倍，并于1806年首次用作内燃机的燃料。 在苏联，在围攻列宁格勒的战争期间，由于汽油短缺，氢气也被用于运输。
因此，已开发的现代氢旋转活塞发动机（RPE）计划安装在电动汽车上，主要是为了增加其行驶里程。 在用于各种运输工具的燃气涡轮发动机中，俄罗斯天然气工业股份公司应测试氢和甲烷-氢燃料的使用，直到2024年。
氢气臂
对于甜点，我介绍了一些简短的世界 新闻 关于氢的话题。
加拿大该公司每年生产约3万吨氢气，已经是当今十大氢气生产商之一，市场需求不断增长。
美国 正在开发世界上最大的氢电采矿自卸车UFCEV级。
汽车关注通用汽车（General Motors）宣布到2035年将实现碳中和。 这不仅意味着拒绝使用内燃机的汽车，而且意味着这家汽车巨头的所有工厂将仅使用可再生的“绿色”能源。
日本 早在2019年，它就从俄罗斯进口氢以及与俄罗斯铁路，Transmashholding和地区当局签署了一项协议，就使用氢燃料电池火车在萨哈林岛上开展铁路运输提供协议。 日本将在2035年禁止销售带有内燃机的汽车。 福岛于2020年开设了世界上最大的太阳能制氢厂，每天可为多达560辆燃料电池汽车加油。
如今，日本已经有100个加氢站，并计划到2030年再建造900个加氢站。川崎已下水世界第一艘运输液态氢的船。 2020年100月，日本财团NYK Line宣布了开发XNUMX人座燃料电池游览船的计划。
韩国。 现代汽车打算向俄罗斯市场供应氢电动汽车，并正在与Rosatom进行谈判以建立相应的基础设施。
造船公司三星重工业和Bloom Energy宣布开发基于可扩展固体氧化物燃料电池（SOFC）的船舶。
中国 推出了首款续航里程为1公里的氢动力汽车-Grove Obsidian。 截至000年底，中国约有2020辆FCEV。 计划到6年将这类汽车的数量增加到165，到2025年增加到50万。计划到000年建造2030个加氢站，到1年建造350个加油站。
澳大利亚 计划生产以太阳能和风能为动力的氨（氢气运输），容量为1,5吉瓦。
沙特阿拉伯。 ACWA Power正在与US Air Products合作建设一个4 GW的绿色氢气和氨气工厂。
不列颠 将在2030年禁止带有内燃机的汽车，并计划在2050年之前转向完全“无碳”的能源行业。 Shearwater Energy正在北威尔士建设一座混合动力工厂，该工厂将结合风力涡轮机，美国NuScale模块化核反应堆和制氢技术。
挪威 计划在盖朗厄尔峡湾（Geirangerfjord）建立一座制氢厂，为渡轮和游轮提供燃料。 他们计划在2021年开始使用第一条氢气蒸汽。
荷兰。 天然气网络运营商Gasunie和格罗宁根港已组成NortH2财团。 计划是到10年创建一个“欧洲氢谷”，其海上风电场的分配功率将达到2040 GW。
德国 提出了氢理论，到2050年将所有经济领域转换为氢，包括重工业和石化生产。 同时，他们的氢战略实际上是针对俄罗斯作为有能力解决德国氢问题的“邻国”。
法国。 最大的核电站运营商EDF宣布成立一家子公司Hynamics，以开发氢能。
空中客车公司公布了三种氢能飞机的概念：“经典”涡轮喷气飞机，涡轮螺旋桨飞机和集成机身（飞行翼）飞机。
意大利。 造船公司Fincantieri SpA已将PowerCell用于船舶脱碳，该公司将对其MS-30燃料电池进行测试，以在该公司的船舶和游艇上发电。
乌克兰 寻找在该国建立制氢厂的可能性，
“在核发电过剩的情况下”，
出口到欧盟。
俄罗斯 不经意地以某种方式随意地介绍了氢运输的发展，包括汽车，公共汽车，KamAZ卡车，电车，飞机和火车。 以及氢气生产和储存的许多独特开发和技术，表明该国在所选方向上的战略正确发展。
NTI IPCP RAS中心概述了氢技术领域的发展
https://youtu.be/jWCmG2wZles
https://youtu.be/jWCmG2wZles
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