Водородное топливо и будущее транспорта

Дэйв Эдлунд, основатель и генеральный директор Element 1 Corp, рассказывает о водородном топливе, проблемах, с которыми оно сталкивается, и его огромном потенциале для заправки транспортных средств по всему миру.

Ожидается, что по мере наращивания темпов электрификации транспорта водородное топливо будет играть значительную роль в содействии внедрению электромобилей, судов и самолетов.

Учитывая широкий диапазон мощности и энергетических потребностей по всему спектру вариантов транспортировки, неудивительно, что как электромобили на топливных элементах (FCEVs), так и электромобили на аккумуляторных батареях (BEV) демонстрируют огромный коммерческий потенциал. Рассмотрим аргументы в пользу высокоэффективного преобразования метанола в водород для поддержки заправочных станций FCEV, инфраструктуры зарядки BEV и выработки водорода на борту FCEV.

Различные потребности для разных транспортных средств

Полезно подумать о различных видах транспорта с точки зрения потребления энергии между подзарядками или дозаправками топливом. Энергия выражается в киловатт-часах (кВтч) или мегаватт-часах (МВтч). При низком потреблении кВтч аккумуляторы являются удобным и доступным решением для электрификации транспорта.

При потреблении энергии в несколько сотен кВт*ч топливные элементы и сжатый водород начинают демонстрировать преимущества в дальности действия. При потреблении энергии в МВт*ч аккумуляторы становятся проблематичными из-за их веса и того, что для их подзарядки требуется много времени.

В этом сегменте, вероятно, будут доминировать водородные топливные элементы в гибридной конфигурации с аккумулятором небольшого размера в качестве энергетического буфера. Однако хранение МВтч сжатого или жидкого водорода на борту транспортного средства или судна также сопряжено с проблемами с точки зрения физических размеров, веса и безопасности. Следовательно, носители жидкого водорода могут быть привлекательной альтернативой большим количествам сжатого или жидкого водорода на борту транспортного средства или судна.

В течение 2020 года глобальный рост продаж FCEV был устойчивым, но после пандемии продажи FCEV резко снизились. Ограниченное количество станций заправки водородом сдерживало внедрение FCEV. В Соединенных Штатах наибольшая концентрация заправочных станций водородом сосредоточена в столичном Лос-Анджелесе (Южная Калифорния).

Эти станции в основном выдают серый водород, полученный из природного газа или воды электролизом с использованием электроэнергии из региональной сети. Строительство водородных заправочных станций обходится дорого, и их может быть сложно разместить в условиях плотной городской застройки из-за ограничений по зонированию и проблем с безопасностью, связанных с наличием большого количества сжатого или жидкого водорода.

В отличие от FCEVs, BEVs популярны, и все крупные производители автомобилей предлагают по крайней мере одну модель. В Соединенных Штатах продажи BEV превысили продажи FCEVs более чем на 40/1, при этом прогнозируется, что в 2030 году в Соединенных Штатах будет продано почти пять миллионов BEV.

Учитывая популярность BEV, имеет смысл рассмотреть вопрос об инфраструктуре зарядки BEV. Несмотря на то, что общественных зарядных станций BEV во много раз больше, чем станций, заправляющихся водородом, создание инфраструктуры для зарядных станций по-прежнему является огромной проблемой, которой препятствуют национальные электрические сети, у которых мало возможностей для расширения мощностей.

По сравнению с BEVs преимущество водородного топлива заключается в обеспечении независимой от сети выработки электроэнергии путем чистого и эффективного преобразования водорода в электроэнергию с помощью топливного элемента. Генератор энергии на водородных топливных элементах мощностью до сотен кВт может быть как полупостоянной установкой, так и портативным решением (устанавливаемым на грузовике или прицепе).

Стоит отметить, что независимо от источника водорода, независимые от сети зарядные станции могут быть развернуты быстрее и с меньшими затратами по сравнению с любыми концепциями реконструкции или расширения национальных электросетей, которые обязательно включают в себя генерирующие установки, передачу на большие расстояния и распределение (от подстанции до розетки).

Производство водородного топлива

Большая часть водородного топлива сегодня производится путем парового риформинга природного газа, хотя другие набирающие популярность источники водорода включают электролиз воды, разложение аммиака и риформинг метанола. Выбор исходного сырья и способа конверсии в водород сильно влияет на связанные с этим экономические показатели ($/кг водорода в месте использования), а также на углеродоемкость (кг CO2e/кг водорода).

Для расщепления воды на водород и кислород требуется около 50 кВт*ч электроэнергии на килограмм произведенного водорода. Таким образом, этот процесс неосуществим для выработки электроэнергии, независимой от сети. В отличие от электролиза, метанол и аммиак преобразуются в водород с помощью термохимического процесса, и при рассмотрении в качестве носителя водорода каждый из них имеет свои уникальные плюсы и минусы.

Как показано на рис. 3, чистый метанол содержит больше водорода в каждом объеме, чем тот же объем жидкого водорода, что делает метанол привлекательным носителем водорода. Еще лучше то, что добавление дополнительной воды к метанолу увеличивает выход водорода на 50%, а соответствующее объемное содержание водорода в два раза превышает содержание жидкого водорода. Кроме того, метанол является жидкостью при любых условиях окружающей среды и легко хранится в легких металлических или пластиковых емкостях соответствующей формы.

Поскольку аммиак представляет собой сжатый сжиженный газ с давлением паров около 1,5 МПа при температуре 40°C, его хранят в тяжелых цилиндрических резервуарах. С учетом такой геометрии (неэффективное использование пространства на борту транспортного средства) аммиак менее привлекателен в качестве носителя водорода по сравнению с метанолом. Кроме того, аммиак находится в невыгодном положении из-за ряда уникальных соображений безопасности, так что размещение больших количеств сжиженного аммиака в густонаселенных городских районах в лучшем случае будет сложной задачей.

Не менее важно и то, что стоимость производства высокочистого водородного топлива из смеси метанола и воды в месте использования (например, на станции заправки водородом или зарядной станции BEV) составляет около 3,45 долларов за кг водорода при условии, что метанол поставляется по цене 500 долларов за метрическую тонну. Это привлекательно и выгодно отличается от цены на бензин в США.

Преодоление проблем с водородом

Использование метанола в качестве носителя водорода подверглось критике, поскольку метанол содержит углерод, а местные выбросы CO2 являются необходимым побочным продуктом превращения метанола в водород. Однако, как и в случае с производством аммиака и электроэнергии, важны глобальные выбросы парниковых газов (ПГ), а не только локальные выбросы ПГ. Точно так же, как синтез аммиака и выработка электроэнергии могут быть связаны с низкими выбросами парниковых газов, то же самое верно и для метанола, как показано на рис. 4.

Низкая и даже отрицательная углеродоемкость достигается за счет использования возобновляемого метанола. Для сравнения, высокая углеродоемкость является результатом использования электроэнергии из сети для расщепления воды на водород и кислород. Превращение природного газа в водород также приводит к высокой углеродоемкости.

Несколько различных способов получения возобновляемого метанола дают самый экологичный водород, в некоторых случаях с резко отрицательной углеродоемкостью из-за предотвращения выбросов метана. Возобновляемый метанол получается в результате использования биогенного сырья (биомассы, твердых бытовых отходов, навоза животных и человека) или углекислого газа, улавливаемого непосредственно из воздуха или из потоков промышленных отходов (электронный метанол) для производства метанола.

Возобновляемый метанол был коммерчески доступен в течение десятилетий, но новый спрос стимулирует приток инвестиций в новые мощности. В настоящее время по всему миру объявлено или реализуется более 90 проектов по производству биометанола или электронного метанола, совокупная ожидаемая производственная мощность которых к 2027 году составит восемь миллионов тонн в год.

Морской сектор особенно хорошо подходит для использования метанола в качестве водородного топлива для обеспечения электрификации судов. Несколько текущих демонстрационных программ с использованием паромов с электрическими батареями высветили проблему зарядки аккумуляторов этих судов.

Буксирный катер M/V Hydrogen One представляет собой первый в классе рабочих катеров, который будет оснащен генераторами преобразования метанола в водород и модулями топливных элементов на борту для выработки 1,4 МВт энергии для силовых установок и загрузки отелей. Заправка метанолом на борту обеспечит этому рабочему судну запас хода до дозаправки в 550 миль. Запуск M/V Hydrogen One запланирован на 2024 год.

По материалам https://www.innovationnewsnetwork.com/