СОВРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЁР.

Безуглеродное будущее реально: в погоне за созданием совершенного электролизера Елена Восканян Наука и новые технологии Интерес к водороду продолжает расти. В соответствии с парадигмой декарбонизации мировой экономики в последние 10 лет в мире в целом и Евросоюзе в частности стали активизироваться водородные проекты, в том числе и в нашей стране. В России водородная генерация включена в перечень приоритетных направлений развития энергетики РФ на перспективу до 2035 года. При этом сегодня основной уклон делается на безуглеродные способы производства энергоносителей, в том числе и водорода. Кроме того, важно, чтобы энергия, которая затрачивается на его производство, тоже была безуглеродной. Под эти критерии подходит совсем немного методов. Один из них — электролиз воды. «Из генерирующих источников для производства водорода в этом случае идеально подходит два — атомная генерация и возобновляемая энергетика. Это, по сути, два кита, которые должны лежать в основе водородной энергетики, — отметил старший научный сотрудник ФГБУН «Федеральный исследовательский центр «Саратовский научный центр Российской академии наук», профессор кафедры «Тепловая и атомная энергетика» имени Андрющенко А.И. ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», д. т. н. Артем Байрамов на Всероссийской научно-практической конференции «Водородная энергетика: видение, практики, перспективы». — Безуглеродная генерация энергии, безуглеродное производство водорода электролизом воды идеально укладывается в эту парадигму. Вода, по моему мнению, выступает перспективным ресурсом для производства водорода и полностью удовлетворяет безуглеродной концепции». Вовлечены все По прогнозам McKinsey, опубликованным в начале 2024 года, к 2050 году спрос на чистый водород в мире возрастет до 125–585 млн тонн в год. Неудивительно, что сегодня страны вовлечены в разработки электролизных технологий производства водорода. «Во многих институтах и вузах Европы и Азии ведутся интенсивные исследования, направленные на повышение эффективности метода получения водорода электролизом воды. Данный метод признан одним из основных, как не имеющий углеродного следа и в сочетании с возобновляемыми источниками энергии, а также АЭС, позволяющим производить зеленый водород», — отмечает Артем Байрамов. В частности, ведется поиск эффективных катализаторов взамен дефицитных металлов платиновой группы, что позволит снизить стоимость электролизеров. Ведется создание эффективных электродов для расщепления воды и протонпроводящих мембран. Также разрабатываются новые методы электролиза воды: в ультразвуковом поле, кислотно-щелочной, угольной воды, щелочной воды с никель-железным газодиффузионным электродом и другие. Занимаются ученые и повышением эффективности электролиза воды с использованием магнитного поля, что способствует дополнительному уменьшению рабочего напряжения на ячейках электролизера и удельного расхода электроэнергии. Еще одно актуальное направление касается разработки интеллектуальных систем управления процессом электролиза воды. При этом важно повышать безопасность, надежность и долговечность электролизеров. И это лишь некоторые задачи, на которых сейчас сфокусировано внимание глобального научного сообщества. Активно идут разработки в области увеличения рабочего давления от 0,5 до 13 МПа и температур от 90 до 120°С. Преимущество электролиза воды под давлением в том, что произведенные водород и кислород не требуют компримирования. Что касается способов хранения водорода, в мировой практике ведутся исследования, в основном по металлогидридам, где соединения на основе магния имеют наибольшую сорбционную емкость. А также газообразному сжатому в специальных композитных баллонах повышенной прочности под давлением до 100 МПа и в подземных полостях большого объема. При этом использование подземных полостей адаптировано в основном для хранения водородсодержащего газа, в то время как мировой опыт хранения чистого водорода отсутствует. Производство энергии за счет водорода освоено в основном по двум направлениям: топливные элементы (пять типов), в том числе обратимые и микро ГТУ. При этом топливные элементы применяются в наземных, водных и аэрокосмических транспортных средствах, в системах теплоснабжения и портативных устройствах». Россия не отстает Ученые Национального исследовательского института «МЭИ» впервые в РФ разработали экспериментальный образец электролизера для проведения электролиза воды под давлением 15 МПа. Учитывая, что максимальное рабочее давление у серийных электролизеров, производимых в нашей стране, всего 1 МПа, это настоящий прорыв. В мире же, по данным Артема Байрамова, есть опытные образцы электролиза под давлением до порядка 80 МПа. «Сейчас происходит всестороннее совершенствование технологии электролиза воды. В мире пытаются создать суперсовременный электролизер, максимально эффективный и надежный, в то же время экономически выгодный и оправданный по капиталовложениям, без этого никак», — говорит эксперт. Фото 123RF Паровая конверсия уйдет в прошлое? В настоящее время приоритетным способом производства водорода является паровая конверсия метана, но в условиях декарбонизации экономики от этого метода, вероятно, начнут постепенно отказываться. Согласно прогнозу Евросоюза по развитию технологий электролиза воды, конверсионные процессы, основанные на газификации угля, будут вытесняться безуглеродным способом производства водорода, основанным на возобновляемой и атомной генерации. Так, ожидается, что в 2030 году доля производства водорода путем газификации угля будет составлять 60%, в 2040-м — 30%, а в 2050-м — всего 9%. Электролиз воды на базе ВИЭ в 2030 году составит 39%, в 2040-м — 47%, в 2050-м — 55%, а электролиз воды на базе АЭС: в 2030-м — примерно 1%, в 2040-м — 23% и в 2050-м — 36%. Тем не менее в ближайшие 10–20 лет именно паровая конверсия метана и электролиз будут базовыми технологиями, вокруг которых будет развиваться сектор производства водорода. В поисках «зеленого» водорода Особый интерес вызывает «зеленый» водород. «Впереди планеты всей» оказался Китай: в прошлом году в северо-западном регионе Синьцзяне запущено в эксплуатацию крупнейшее в мире производство «зеленого» электролизного водорода производительностью 20 тыс. т/год на базе возобновляемой энергетики — фотоэлектрической установки мощностью 300 МВт с площадью солнечных панелей свыше 630 Га. При этом вклад в сокращение выбросов диоксида углерода оценен в 485 тыс. т/год. Производство принадлежит компании Sinopec. Капиталовложения оцениваются на уровне 470 млн долларов, себестоимость водорода составит 2,67 долл./кг. Разработку объектов по производству и экспорту электролизного водорода с нулевыми выбросами углерода в странах Скандинавского региона, а именно в Норвегии, Швеции и Дании, планируют австралийская компания Provaris Energy совместно с норвежской водородной компанией Norge Hydrogen AS. Казахстан, в сотрудничестве с компанией Svevind Energy Group, намерен создать электролизное производство «зеленого» водорода мощностью 20 ГВт при производительности порядка 2 млн т. H2/год с питанием от ветряных и фотоэлектрических установок. На глобальное лидерство нацелена Индия, где в 2021 году запущена национальная стратегия по освоению такого водорода. В планах — производство «зеленого» водорода в 5 млн тонн при развитии ВИЭ к 2030 году. К слову, впервые в стране внедрено электролизное производство такого водорода производительностью 4,3 тонны H2/день чистотой 99,999% на базе электролизера протонообменной мембраны общей мощностью 10 МВт. Подобных примеров много и в других странах. Очевидно, никто не хочет оказаться в числе аутсайдеров и догонять уходящий поезд. Производство в РФ есть В России тоже есть компании, занимающиеся производством электролизных установок. Так, например, Специальное конструкторское технологическое бюро по электрохимии выпускает электролизеры с протонообменной мембраной. Организация производит электролизеры HYClever производительностью по водороду 2…10 нм3/ч чистотой 99,99% об. ООО «Поликом» производит электролизеры А-серии производительностью по водороду 2…10 нм3/ч и B-серии 15…30 нм3/ч с чистотой 99,999% об. Институт физико-технических исследований выпускает электролизеры щелочного типа ФС-20-25 производительностью по водороду 20 нм3/ч чистотой 99,6% об. Электролизные установки типа СУЭ, производительностью по водороду 4…40 пм3/ч и ФВ производительностью 250…500 нмзH2/ч с чистотой 99,7% об. изготавливает ООО НК «Русэлектролиз», а НПО «Центротех» — приборы производительностью 5…40 и 50…1000 нм3H2/ч. «Вместе с тем, Россия ставит амбициозную цель — стать мировым лидером по экспорту водорода, произведенного за счет энергии возобновляемых источников, а также от АЭС, — констатирует Артем Байрамов. — В этой связи производство водорода включено в стратегию развития атомной энергетики РФ. Впервые внедрено электролизное производство водорода на Кольской АЭС. Согласно мировым прогнозам, водород, произведенный за счет энергии возобновляемых источников, а также от АЭС, займет свою нишу в экономике будущего как альтернатива водороду, произведенному методом паровой каталитической конверсии природного газа. В этой связи в мире отмечается ежегодное увеличение темпов ввода электролизных мощностей для производства водорода, которая к 2050 году должна выйти на уровень до приблизительно 400 ГВт в год». Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) Водород Водородная энергетика Зеленая энергетика