Устойчивое развитие является центральным вопросом в современном обществе. Стихийные бедствия, тревожные сводки новостей и давление со стороны политиков требуют, чтобы все больше и больше отраслей промышленности прилагали все усилия к тому, чтобы работать более устойчиво.
В соответствии с Европейским зеленым курсом, Европейский климатический закон также устанавливает юридически обязательную цель сокращения выбросов парниковых газов на 55% в 2030 году по сравнению с уровнем 1990 года и достижения климатической нейтральности в ЕС к 2050 году. Чтобы достичь этих целей, сегодня во многих отраслях промышленности необходимо принять меры. Это приводит к множеству исследований, дискуссий и, к счастью, к разработке перспективных возобновляемых источников энергии.
В этом блоге мы сосредоточимся на водороде как важной составляющей современной дискуссии об устойчивом развитии. Водород обладает огромным потенциалом для использования в качестве устойчивого энергоносителя при условии адекватного производства и использования.
Каковы характеристики этого газа? Какие возможности открывает водород с точки зрения устойчивости? Каковы основные области применения, и какие решения предлагает Demaco? Об этом и многом другом мы поговорим в этом блоге.
Что такое жидкий водород?
Водород — самый легкий газ во Вселенной. При нормальных условиях это химический элемент с символом H и атомным номером 1, бесцветный, не имеющий запаха и легковоспламеняющийся газ. Этот газ не встречается на Земле в изолированном виде, а входит в состав воды. Следовательно, недостаток водорода действительно не станет проблемой.
Водород используется как в жидкой, так и в газообразной форме. Газ имеет плотность (кг.м-3) 0,08988 и температуру кипения -252,9 °C. При температуре кипения водород конденсируется из газа в жидкость.
По сравнению с большинством других газов, температура кипения водорода чрезвычайно низка. Еще более низкую температуру кипения имеет только гелий, температура кипения которого составляет -268,9 °C. Очень низкая температура в сочетании с высокой воспламеняемостью водорода делает его относительно опасным материалом. Поэтому необходимы строгие меры безопасности и современная инфраструктура.
История жидкого водорода
Водород был впервые получен в 1671 году ученым Робертом Бойлем. Он исследовал реакцию различных металлов, погружая их в кислоту. По мере того, как металлы вступали в соответствующие реакции с кислотой, в качестве побочного эффекта образовывался водород.
Однако только в 1766 году водород был впервые идентифицирован Генри Кавендишем. В своей научной работе он подтвердил, что водород является отдельным элементом, и подробно описал чрезвычайную воспламеняемость этого недавно открытого газа.
Кавендиш также обнаружил, что водородный газ образует воду при соединении с огнем. Это открытие привело к названию, которое Антуан Лавуазье дал газу несколько лет спустя: hydrogenium («hydro» и «genes» можно перевести как «создающий воду» или «образующий воду»).
Источник: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f5/Cavendish_hydrogen.jpg
Производство водорода не получило настоящего развития до тех пор, пока Уильям Николсон и сэр Энтони Карлайл не открыли процесс производства водорода в 1800 году. Метод электролиза заключается в воздействии электрического тока на воду, в результате чего образуется водород и газообразный кислород.
В то время водород был исключительно газообразным. Лишь спустя несколько десятилетий несколько ученых по всему миру начали свои эксперименты по сжижению газа. Одним из этих исследователей был Хайке Камерлинг Оннес, профессор Лейденского университета. Он построил холодную лабораторию и усердно соревновался с другими исследователями, чтобы первым произвести жидкий водород.
В то время как Камерлинг Оннес был на правильном пути, шотландский физик Джеймс Дьюар был первым, кому удалось превратить водород в жидкость. В 1898 году он впервые достиг температуры -252,9 °C. Несколько лет спустя, в 1906 году, Камерлинг Оннес также успешно произвел жидкий водород. Он добился этого в своей криогенной лаборатории в Лейдене, где в то время были достигнуты самые низкие температуры в мире.
Тем временем исследования по применению водорода также неуклонно продолжались. Это привело к разработке первой газовой батареи в 1945 году и, вскоре после этого, к исследованию возможностей водорода в качестве энергоносителя в топливных элементах.
В 1990-х годах потенциал водорода становился все более очевидным. Начались эксперименты на кораблях, грузовиках и самолетах, и вскоре аэрокосмический сектор стал основным пользователем.
Все более очевидными становились и преимущества устойчивого развития. В 1970 году Джон О’М. Бокрис создал термин «водородная экономика». Он описал экономику, в которой возобновляемый водород станет основным энергоносителем, заменив ископаемое топливо.
Преимущества жидкого водорода
Хотя водородная экономика Бокриса еще не стала реальностью, устойчивый водород действительно находится в центре внимания. Преимущества для устойчивого развития значительны:
- Во-первых, водород — вездесущий элемент. Таким образом, несмотря на то, что в настоящее время существуют проблемы, связанные с производством водорода, недостатка в сырье нет.
- Кроме того, при экологичном производстве и использовании водород не оказывает негативного влияния на окружающую среду. Единственными побочными продуктами являются тепло и вода, которые легко возвращаются в атмосферу.
- Наконец, производство водорода не требует больших площадей земли, что, например, характерно для биотоплива и гидроэнергетики.
Помимо экологичности, водород имеет и практические преимущества. Например, он может эффективно хранить в течение длительного времени выработанную энергию. В отличие от энергии, получаемой от энергии ветра. Эта энергия должна подаваться непосредственно в сеть и разряжаться в случае ее заполнения.
Но действительно ли водород настолько экологичен, как многие думают? Это зависит от способа его производства. Если в процессе производства используется возобновляемая энергия, водород действительно является очень экологичным вариантом.
Однако, к сожалению, в большинстве случаев это еще не так. В настоящее время только 5% водорода производится с использованием устойчивой энергии; в остальных случаях по-прежнему используется ископаемое топливо. Несмотря на благие намерения, такой метод производства не делает водород очень устойчивым.
Производство водорода
Поскольку водород не существует на Земле в чистом виде, его необходимо производить. Существует три немного отличающихся друг от друга производственных процесса, основанных на одном и том же принципе.
Для производства водорода необходимо сырье, которое приводится в контакт с источником энергии. Как сырье, так и источник энергии могут быть разными. На практике существует три различных производственных процесса:
Серый водород
Серый водород производится с использованием ископаемого топлива (например, угля или природного газа) и пара. В результате эта форма производства водорода также называется паровым риформингом метана. Преимущество этого метода производства в том, что затраты относительно низкие, и возможно крупномасштабное производство.
Однако существенным недостатком является то, что в процессе производства выделяется CO2. Это, к сожалению, делает серый водород вредным для окружающей среды.
В настоящее время около 95% водорода производится путем парового риформинга метана. Это осуществляется в больших реформерах, которые расщепляют углеводород на водород и углерод.
Голубой водород
Производство голубого водорода в основном такое же, как и производство серого водорода, с одним отличием. Огромное количество CO2, выделяемого в процессе производства, не поглощается в воздух, а улавливается или повторно используется.
Это делает голубой водород гораздо более экологичным, чем серый. Однако улавливание С02 требует затрат энергии, что снижает конечный выход в общей энергии.
Зеленый водород
При производстве зеленого водорода используется экологически чистая энергия и вода. С помощью электролиза вода преобразуется в водород и кислород. При таком способе производства не выделяется CO2, что делает «зеленый водород» единственным по-настоящему экологичным водородом.
Крупномасштабное производство «зеленого» водорода стало бы значительным шагом вперед в повышении устойчивости топлива и энергии. К сожалению, в настоящее время это не так, поскольку несколько факторов делают производство зеленого водорода проблематичным:
- Производство зеленого водорода очень дорогостоящее по сравнению с производством серого водорода. Технологии электролиза дороги, а «зеленая» энергия также (пока) дороже «серой».
- Электролиз потребляет относительно большое количество энергии. Поэтому критики спрашивают, не будет ли более эффективным подавать использованную электроэнергию непосредственно в энергосеть. При электролизе эффективность составляет 70%. Это означает, что 30% вырабатываемой энергии теряется в процессе производства водорода.
- Для электролиза необходима вода. Для чего в настоящее время используется в основном чистая вода, что может вызвать проблемы в странах с дефицитом воды. Однако исследования показывают, что морская вода и сточные воды также могут быть использованы для успешного электролиза. Это открывает возможности для будущего.
Вышеуказанные причины означают, что производство «зеленого» водорода все еще медленно набирает обороты. По этой причине для того, чтобы сделать возможным крупномасштабное производство «зеленого» водорода, необходимо существенное снижение цен и большая поддержка со стороны правительств.
Хранение и транспортировка
Хотя водород относительно широко используется в газообразной форме, хранение и транспортировка газообразного водорода представляет собой сложную задачу. Из-за своей чрезвычайно низкой плотности водород в газообразном состоянии занимает большой объем при атмосферном давлении.
Однако, если поместить газ под высокое давление (350-700 бар в баллоне) или сжижить его, эта проблема решается. В действительности, в жидком состоянии плотность водорода увеличивается в 800 раз. Это означает, что в одном и том же резервуаре или емкости можно хранить в 800 раз больше водорода.
Что это означает для транспортировки водорода? На короткие расстояния водород часто транспортируется в жидком виде в оптимальных изолированных линиях передачи, а для транспортировки на большие расстояния используются большие криогенные танкеры или поезда. Водород также перевозится в газообразном виде по автомобильным или железным дорогам в баллонах высокого давления.
Как и транспортировка, хранение водорода также становится более удобным, если он находится в жидкой форме или хранится под очень высоким давлением. Поэтому газообразный водород обычно хранится в специальных резервуарах, построенных таким образом, чтобы выдерживать и регулировать такое высокое давление. Жидкий водород также хранится в больших резервуарах или емкостях. Они оснащены оптимальной (вакуумной) изоляцией, сводящей к минимуму потери энергии.
В настоящее время изучается возможность использования существующих инфраструктур природного газа для транспортировки водорода в будущем. Этот вариант кажется осуществимым без слишком больших изменений в существующей инфраструктуре, но и в этом случае речь идет о слишком высоких затратах. Другой вопрос заключается в том, что не все инфраструктуры одинаковы, и каждую из них придется оценивать индивидуально, чтобы определить степень необходимых корректировок.
Применение жидкого водорода
Для чего именно используется водород? В настоящее время (жидкий) водород в основном используется и исследуется в следующих отраслях промышленности:
- Космическая промышленность, в том числе в качестве топлива для космических ракет. При соединении с жидким кислородом (в качестве окислителя) водород может генерировать огромную энергию, необходимую для запуска космической ракеты.
- Морская промышленность проявляет растущий интерес к водороду как к устойчивому энергоносителю (через топливные элементы). Для достижения целей ЕС по сокращению выбросов CO2 переход от ископаемых видов топлива к топливу, не содержащему CO2, является обязательным для этой отрасли.
- Авиационная промышленность настойчиво работает над моделями авиационных двигателей, работающих на водороде. Ожидается, что первые опытные образцы будут построены примерно в 2030 году, но новые модели самолетов поступят в эксплуатацию не ранее 2040 года.
- Сектор автомобильного транспорта, включающий как грузовые, так и пассажирские перевозки. Недавно были разработаны некоторые легковые и грузовые автомобили, использующие водород в качестве источника энергии. Однако ожидается, что использование водорода для грузовых перевозок начнется не ранее 2025 года. Также проводятся испытания по использованию водорода в качестве источника энергии для двигателей внутреннего сгорания.
- Промышленный сектор, в котором водород служит основным сырьем для производства аммиака и пластмасс. Водород также используется для производства нефтепродуктов и метанола.
- Энергетический сектор, в котором водород может использоваться как для охлаждения генераторов на электростанциях, так и для стабилизации энергосистемы. Водород хранится и используется в топливных элементах, которые обеспечивают стабильное резервное энергоснабжение, что приводит к оптимальному времени работы.
Хотя вышеперечисленные отрасли промышленности в настоящее время являются наиболее известными потребителями водорода и заинтересованы в нем, универсальный газ используется и во многих других отраслях. Например, в пищевой промышленности водород используется для преобразования ненасыщенных жиров в насыщенные масла и жиры.
Промышленный сектор, помимо прочего, также использует водород для производства железа; водород применяется для так называемой атомно-водородной сварки (AHW). В электронной промышленности водород используется для производства различных электронных компонентов, а в медицинском секторе водород применяется для получения перекиси водорода (H2O2).
Как упоминалось ранее, во многих отраслях промышленности водород используется в газообразной форме, но хранится и транспортируется в жидком виде. Однако у жидкого водорода есть и несколько применений:
- Аэрокосмическая промышленность является одним из основных потребителей жидкого водорода. Как было сказано ранее, в этой отрасли жидкий водород используется для запуска ракет.
- В настоящее время растет интерес к сверхпроводимости (состояние, при котором материал практически не оказывает сопротивления при переносе электричества), в которой жидкий водород играет важную роль. Это обеспечивает еще одно потенциальное использование жидкого газа.
- Наконец, при разработке более тяжелых грузовиков и судов с увеличенной дальностью плавания также рассматривается возможность использования жидкого водорода в баках.
Риски, связанные с жидким водородом
Использование водорода, будь то в газовой или жидкой форме, не лишено рисков. Когда водород вступает в реакцию с нужным количеством газообразного кислорода, выделяется огромное количество энергии, что приводит к взрыву. Кроме того, водород имеет относительно низкую температуру горения и поэтому является легковоспламеняющимся.
Кроме того, поскольку водород не имеет цвета и запаха, утечку в системе трудно обнаружить. Даже водородное пламя почти невидимо, и поэтому его трудно погасить. Жидкий водород также чрезвычайно холоден (-252,9 °C) и вызывает замерзание при контакте. Наконец, кислород может конденсироваться, если водород недостаточно изолирован, что создает повышенную пожарную опасность.
Существуют некоторые споры о том, насколько вышеуказанные риски сопоставимы с другими видами топлива. На самом деле, исследования показывают, что водород представляет собой несколько более высокий риск возгорания, чем бензин или природный газ. Что означает этот повышенный риск для будущего водорода, еще предстоит выяснить. Однако все другие виды топлива также не лишены опасностей, и при наличии соответствующей инфраструктуры и информации водород можно использовать хорошо и безопасно.
К счастью, водород уже давно используется в различных отраслях промышленности, а инфраструктура и меры безопасности значительно улучшились за последние несколько десятилетий. В настоящее время существуют сложные датчики, которые сразу же указывают на утечку из инфраструктуры. Водородные резервуары, трубопроводы и приложения также подлежат строгим стандартам испытаний. Перед вводом в эксплуатацию это оборудование подвергается воздействию высокого давления и экстремальных температур.
При наличии соответствующей инфраструктуры водород можно безопасно использовать без каких-либо проблем, если конечный пользователь также ответственно подходит к обращению с газом. В этом отношении предоставление правильной информации играет важную роль. Чем лучше пользователь следует инструкциям и осведомлен о возможных опасностях, тем меньше будет риск.
Изоляция для жидкого водорода
Жидкий водород требует более высокого качества изоляции, чем некоторые другие жидкие газы. Основной причиной этого является чрезвычайно низкая температура газа. Если, например, водород транспортируется по линии передачи с изоляцией из пенопласта, небольшой разрыв в пенопласте может стать источником конденсации кислорода из-за сильного холода, излучаемого жидким водородом. При контакте конденсированного кислорода с водородом или любым другим горючим материалом может произойти пожар или взрыв.
К счастью, существует вид изоляции, который обеспечивает оптимальную изоляцию. Метод вакуумной технологии — это решение для безопасной транспортировки, хранения и использования жидкого водорода. Вакуумная изоляция в 15 раз лучше, чем другие изоляционные материалы (например, PIR/PUR, или Foamglas, Armaflex, Perlite и Misselon), и может использоваться для труб, а также фитингов, резервуаров и криогенного оборудования.
Вакуумная технология использует вакуум или высокий вакуум для оптимальной изоляции линий передачи или систем. Вакуумная среда создается путем инкапсуляции этих линий или систем двойной стенкой и вакуумирования пространства между двумя стенками. Вакуум обеспечивает невозможность теплообмена (поскольку большинство молекул удалено) между теплым внешним и холодным внутренним пространством.
Вакуумная изоляция для водородных систем не только безопасна, но и отвечает строгим требованиям, предъявляемым к водородным инфраструктурам. Например, ожидается, что линии передачи жидкого водорода на судах будут оборудованы двойной защитой для дополнительной безопасности (если на технологической линии произойдет утечка, дополнительная защитная оболочка будет на месте). Если трубопроводы снабжены вакуумной изоляцией, то вакуумная труба также выполняет непосредственно функцию двойной изоляции. Таким образом, вакуумная изоляция убивает двух зайцев одним выстрелом.
Решения Demaco для жидкого водорода
В компании Demaco мы верим в будущее зеленого водорода. Фактически, мы находимся на переднем крае исследований лучших водородных инфраструктур. На протяжении десятилетий мы экспериментировали с прототипами, участвовали в новаторских проектах и осуществляли доказательство концепции передовых проектов и продуктов.
Мы работаем с основными игроками водородного рынка и являемся аффилированным лицом Hydrogen Europe. Эта ассоциация представляет интересы индустрии водорода и топливных элементов и, вместе с сотнями компаний и ассоциаций, привержена будущему водорода в обществе с нулевым уровнем выбросов. Благодаря нашему сотрудничеству с Hydrogen Europe мы не только внимательно следим за всеми событиями, но и активно участвуем в исследованиях и принятии решений. Это делает нас экспертами в области водорода.
Компания Demaco также является поставщиком «под ключ» для водородных проектов по всему миру. Мы участвуем в работе с самого начала и предлагаем поддержку, начиная с первоначального концептуального эскиза, детального проектирования, инжиниринга, производства, поставки, монтажа, шеф-монтажа, ввода в эксплуатацию и, наконец, технического обслуживания и сертификации инфраструктуры и ее оборудования.
Естественно, все наши проекты выполняются с использованием лучших материалов, тщательно изолируются вакуумом и следуют строгим стандартам инженерного проектирования, касающимся потенциальной взрывоопасности в атмосферных условиях (ATEX). В результате мы можем минимизировать упомянутые риски, связанные с водородом. Кроме того, Demaco сертифицирована DNV для применения на судах.
В настоящее время мы предлагаем рынку водорода следующие продукты и решения:
- A. Заправочные станции и погрузочные площадки для грузовых автомобилей
- B. Вакуумные изолированные погрузочные манипуляторы для судов
- C. Вакуумные изолированные линии передачи между резервуаром или сжижителем и местом применения на судах и на суше.
- D. Распределительные коробки с вакуумной изоляцией
- E. Водородные очистители
- F. Малогабаритные установки для сжижения водорода
Мы гордимся знаниями и опытом, накопленными за последние десятилетия. Поскольку мы работаем с водородом так давно, наши методы, продукты и инфраструктура прошли всестороннее тестирование и оптимизацию. Мы можем предложить проверенную технологию всякий раз, когда к нам обращается (новый) клиент за решением.
Еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем водородная экономика Бокриса станет реальностью. Мы, однако, готовы!
Хотите узнать больше?
Для получения дополнительной информации о нашей работе ознакомьтесь с нашими продуктами и услугами. Для получения дополнительной информации о жидком водороде, пожалуйста, загляните на нашу страницу, посвященную жидкому водороду.
