Energía 2.0 y "Valle del Hidrógeno" de Rusia
Mi anterior artículo sobre el uso del hidrógeno como combustible del futuro se escribió hace dos años. Muchos en los comentarios se mostraron escépticos acerca de mis predicciones. Algunos bromearon, dicen, que todo esto es ciencia ficción, irrealizable, "hermoso lejos". Otros temían el desastre del dirigible estadounidense Hindenburg en mayo de 1937.
Pero han pasado más de 80 años desde la tragedia en la Base Aérea de Lakehurst. Las tecnologías y los materiales han cambiado, el nivel de seguridad del uso del hidrógeno ha aumentado en un orden de magnitud. Cada uno de nosotros ha viajado al menos una vez en un autobús lanzadera a gasolina. Algunos han convertido sus coches con cilindros de gas. Y todos están vivos.
De hecho, en cierto modo, los escépticos tenían razón, ya que el monopolio existente de los combustibles de hidrocarburos aparentemente bloqueó todos los proyectos de hidrógeno hasta hace poco. Pero el mundo no se detiene. Y mis pronósticos para la energía del hidrógeno comenzaron a hacerse realidad, tomando forma real. Y el conflicto de intereses del monopolio de los hidrocarburos con el combustible de hidrógeno ya se ha agotado.
Durante los últimos 15 a 20 años, el mercado mundial del hidrógeno ha crecido de 40 millones de dólares a 12 mil millones de dólares. Bank of America predice que la industria del combustible de hidrógeno pronto entrará en el mercado de $ 11 billones. Países jugadores clave en este mercado: Canadá, EE. UU., China, UE, Japón, Corea.
En 2020, a pesar de la pandemia de coronavirus, varios países anunciaron sus planes para descarbonizar o "cero emisiones" de dióxido de carbono para 2050. Sus planes son eliminar el uso de carbón, petróleo y gas, mientras que el hidrógeno es un combustible alternativo real para lograr un 100% libre de carbono.
Resultó que reducir las emisiones en un 80% es difícil, pero posible. Pero el alto costo significativo de eliminar el 20% restante se convirtió en el "obstáculo" de todos los programas de descarbonización.
Wood Mackenzie, una consultora internacional de investigación energética, ha declarado la década de 2020 como la "década del hidrógeno". Y Europa en julio del año pasado adoptó la "Estrategia de Hidrógeno de la UE". La denominada "Iniciativa 2x40 GW" de la asociación "Hydrogen Europe". Para el 2030, planean desplegar electrolizadores de 40 gigavatios que produzcan hidrógeno "verde" y quieren exportar la misma cantidad de hidrógeno de los países vecinos. Australia, Japón, China, Canadá y varios estados de EE. UU. También han anunciado estrategias para utilizar hidrógeno como combustible de cero emisiones.
Los países líderes en la producción de hidrógeno prometen incrementar su producción 50 veces en seis años.
El consorcio internacional de gigantes de la energía recién formado, Green Hydrogen Catapult, también planea crear una producción de 2026 gigavatios de hidrógeno verde para 25, al tiempo que reduce su costo a $ 2 por kilogramo. Los miembros del consorcio son IPP ACWA Power de Arabia Saudita, el desarrollador de turbinas eólicas marinas Orsted, el fabricante chino de turbinas eólicas Envision y la empresa de gas italiana Snam.
De la perspectiva de la economía del hidrógeno de Bloomberg:
"En 2050, el hidrógeno cubrirá el 24% de las necesidades energéticas del mundo y su precio bajará al nivel de los precios actuales del gas".
En otras palabras, el consumo de hidrógeno crecerá en proporción a la disminución del coste de su producción.
"Valle del Hidrógeno"
Nuestro país tampoco se mantuvo alejado de las tendencias globales.
En 2015, Rusia "entró en juego" al firmar la convención marco de la ONU, que implica una reducción múltiple de las emisiones de carbono de la generación de electricidad para la próxima década. El verano pasado, el primer ministro ruso Mikhail Mishustin aprobó "Estrategia energética de la Federación de Rusia hasta 2035", en el que la energía del hidrógeno se detalla como un elemento separado.
Objetivos de la estrategia -
"Desarrollo de la producción y consumo de hidrógeno,
la entrada de la Federación de Rusia en las filas de los líderes mundiales en su producción y exportación ”.
la entrada de la Federación de Rusia en las filas de los líderes mundiales en su producción y exportación ”.
Está previsto que Rusia en 2024 exportará alrededor de 200 mil toneladas de hidrógeno, y para 2035 10 veces más, alrededor de 2 millones de toneladas.
Así es, nada menos, pero el desarrollo integral de la energía del hidrógeno y la entrada del país en el número de líderes mundiales en su producción y exportación, que en un horizonte de diez años puede ser 10-15% del mercado mundial del hidrógeno.
Y aquí está la hoja de ruta para el plan de desarrollo de la energía del hidrógeno en Rusia:
- A finales de 2020, se desarrolló un concepto para el desarrollo de la energía del hidrógeno, así como medidas de apoyo a proyectos piloto para la producción de hidrógeno.
- A principios de 2021 deberían aparecer incentivos para los exportadores y compradores de hidrógeno en el mercado nacional.
- Los primeros productores de hidrógeno serán Gazprom и Rosatom... Las empresas lanzarán plantas piloto de hidrógeno en 2024, en plantas de energía nuclear, instalaciones de producción de gas y plantas de procesamiento de materias primas.
- En 2021, Gazprom desarrollará y probará una turbina de gas con combustible de metano-hidrógeno.
- Hasta 2024, Gazprom estudiará el uso de hidrógeno y combustible metano-hidrógeno en instalaciones de gas (turbinas de gas, calderas de gas, etc.) y como combustible de motor en diversos tipos de transporte.
- En 2024, Rosatom construirá un sitio de prueba para el transporte ferroviario utilizando hidrógeno. Estamos hablando de la transferencia de trenes a pilas de combustible de hidrógeno en Sakhalin, que fue anunciada en 2019 por Russian Railways, Rosatom y Transmashholding.
En noviembre de 2020, el consorcio ruso “Valle del hidrógeno tecnológico", Que realizará investigaciones y desarrollará tecnologías de hidrógeno. El consorcio creado incluyó: Universidad Politécnica de Tomsk, Instituto de Catálisis SB RAS, Instituto de Problemas de Física Química RAS, Instituto de Síntesis Petroquímica RAS, Universidad Técnica Estatal de Samara y Universidad Estatal de Sajalín. Pero luego otras universidades e instituciones académicas podrán unirse a ellos.
Y aquí están los clientes: empresas rusas que dependen de la energía del hidrógeno: Gazprom, Gapromneft, SIBUR, Russian Railways, Severstal, Rosatom, NOVATEK. Seamos realistas, nuestro país tiene una buena ventaja en forma de desarrollos propios y generación de hidrógeno en plantas de energía nuclear, lo que nos permite aumentar la producción de hidrógeno casi de inmediato.
Pero, como suele decirse, hay algunos matices ...
Producción de hidrógeno
Según el método de producción, se acostumbra separar el hidrógeno por color:
"Verde" hidrógeno (libre de carbono): electrólisis con fuentes de energía renovables (FER);
"Amarillo" hidrógeno (libre de carbono): electrólisis mediante centrales nucleares (NPP);
"Turquesa" pirólisis de hidrógeno (bajo contenido de carbono) - gas natural (metano);
"Azul" hidrógeno (carbono medio) - reformado con vapor de metano (PCM) o carbón con utilización de CO2 (CCS - y tecnología de captura y almacenamiento de carbono);
"Gris" hidrógeno (alto contenido de carbono): reformado con vapor de metano con emisiones de CO2;
"Marrón" hidrógeno (alto contenido de carbono): gasificación o reformado con vapor de carbón.
En esta figura se muestran los principales métodos de producción de hidrógeno y el consumo de energía para su producción.
Tenga en cuenta la descomposición catalítica del metano en presencia de un catalizador (línea inferior). La ventaja de este método radica en la ausencia de CO2 y CO en los productos de reacción, así como en la formación de un producto valioso: el carbono nanofibroso (NFC), que se utiliza hoy en día en muchas industrias. Ahora nuestros científicos están trabajando para mejorar las características de los materiales utilizados en los reactores de membrana catalítica (CMR), que separan el hidrógeno de los medios gaseosos.
Incluso me encontré con una forma exótica de producir hidrógeno "verde" (en el CMR) a partir de sulfuro de hidrógeno en el fondo del Mar Negro, donde sus reservas potenciales pueden alcanzar los 3 mil millones de toneladas.
También existe una tecnología de producción en dos etapas de hidrógeno "marrón".
Etapa I: producción de gas de síntesis a partir de residuos de petróleo, residuos combustibles líquidos, residuos sólidos urbanos, biomasa, carbones de bajo grado y alto contenido de cenizas, turba, esquisto y otros combustibles fósiles.
Etapa II: el uso de gas de síntesis para generar calor, electricidad, desprendimiento de hidrógeno (en el CMR).
En nuestro país se han desarrollado catalizadores estructurados, modelos de reformadores y procesadores de combustibles para producir hidrógeno y mezclas que contienen hidrógeno a partir de diversos líquidos (diesel, biodiesel, gasolina, metanol, etanol, etc.) y gaseosos (metano, propano-butano, dimetiléter) combustibles ...
Por ejemplo, en China, el hidrógeno "marrón" se extrae a escala industrial a partir de carbón de baja calidad y pizarra bituminosa. Pero debido a esto, la ecología sufre mucho y la atmósfera está contaminada.
Método de electrólisis
La electrólisis del agua es el método más ecológico para producir hidrógeno "verde", pero hasta ahora el más caro del mundo. El coste de producción de hidrógeno por electrólisis PEM para Europa se estima en 3,93 euros por kg.
En Rusia, las capacidades de las centrales hidroeléctricas, las centrales eólicas o las centrales nucleares con poca carga son ideales para la electrólisis de hidrógeno. La presencia de una carga adjunta como la producción de hidrógeno por electrólisis es muy beneficiosa para las centrales nucleares, ya que asegura el funcionamiento de la planta a un nivel de potencia constante, suavizando la carga "sinusoide" durante los períodos de baja carga.
Los planes para la estrategia de desarrollo de nuestra industria nuclear hasta 2050 incluyen la producción de 50 millones de toneladas de hidrógeno al año, lo que representa el 10% de su consumo global.
La opción ideal para el proyecto piloto de la State Corporation Rosatom es la central nuclear de Kola.
El consumo de energía para la producción de hidrógeno "amarillo" por electrólisis en centrales nucleares es de 6 kW * h por 1 metro cúbico. m de hidrógeno. Productividad hasta 83000 metros cúbicos m / h de hidrógeno. El costo del hidrógeno producido es de $ 3 por kg. Sin embargo, el transporte de hidrógeno a Europa todavía está en duda y el hidrógeno "amarillo" generado de esta manera puede no estar certificado como "renovable", que es tan importante para el mercado de la UE.
Además, Rosatom está organizando agrupaciones de hidrógeno "occidentales" y "orientales" para proporcionar hidrógeno a los mercados nacionales y de exportación de Europa y Asia. Rosatom está trabajando actualmente en un estudio de viabilidad para dos proyectos prometedores. Estos son el lanzamiento de trenes de hidrógeno en Sakhalin y la exportación de hidrógeno ruso a Japón.
Debe admitirse que la electrólisis aún no es capaz de proporcionar una producción económicamente viable de hidrógeno en los volúmenes requeridos. Ahora en todo el mundo, la producción a gran escala de hidrógeno se lleva a cabo a partir de gas natural utilizando la tecnología de reformado con vapor de metano (PCM). Es cierto que en este caso casi la mitad del gas inicial se quema y los productos de combustión se liberan al medio ambiente. Por otro lado, los trabajadores del gas están contentos, su producto tiene demanda, es posible obtener hidrógeno "gris" de bajo costo y venderlo de manera rentable en grandes volúmenes.
Pero si en la tecnología de reformado con vapor de metano (PCM) utilizamos calor de un reactor refrigerado por gas de alta temperatura (HTGR) o un reactor de torio refrigerado por gas de alta temperatura (HTGTRU), entonces obtenemos un tándem excelente para la producción. de electricidad e hidrógeno "azul". Esto ahorra gas natural, electricidad y no genera emisiones nocivas al medio ambiente.
De acuerdo con este esquema, se puede desarrollar una prometedora central nuclear (AETS), que garantizará la producción a gran escala de hidrógeno "amarillo" y barato "azul" ecológico, cuyo precio es cercano al costo del gas natural. Entonces, solo un módulo HTGR con una capacidad térmica de 200 MW puede proporcionar la producción de aproximadamente 100 mil toneladas de hidrógeno por año.
Almacenamiento y transporte de hidrógeno
Debido a la alta "fluidez" del hidrógeno, es muy difícil transportarlo a grandes distancias, como, por ejemplo, el gas natural licuado (GNL).
El problema con el transporte de hidrógeno líquido es que las moléculas de la sustancia son tan pequeñas que pueden filtrarse a través de la estructura atómica de un recipiente metálico a temperaturas superiores a -253 ° C. Mantener tal temperatura en un gran volumen durante mucho tiempo requiere mucha energía. Pero hay un problema más: la fragilización por hidrógeno y la destrucción de metales bajo la influencia del hidrógeno atómico. Incluso los aceros de alta resistencia, así como las aleaciones de titanio y níquel, están sujetos a ella.
Actualmente, no es económicamente viable almacenar hidrógeno en grandes volúmenes. Los científicos todavía están desarrollando métodos de almacenamiento eficaces y seguros. Por lo tanto, es más razonable producir hidrógeno directamente en el sitio y almacenar solo el 10% del volumen consumido, lo que significa un ciclo continuo de su producción y consumo.
No olvide que incluso en pequeñas proporciones, se forma un explosivo “gas explosivo” con oxígeno. Pero este efecto también se puede detener en una mezcla de metano-hidrógeno (MHM), que permanece segura incluso con una concentración de hidrógeno del 30%.
El hidrógeno se producirá a partir de metano (o MBC) utilizando la tecnología de conversión adiabática de metano (ACM) patentada por Gazprom. Se puede suponer que la entrega de hidrógeno a Europa está prevista para llevarse a cabo de esta forma, y para ello se finaliza urgentemente la construcción del gasoducto Nord Stream-2. Alemania está más interesada en esto que todos los países europeos, ya que presentó su doctrina del hidrógeno, que obliga al país a cambiar por completo al hidrógeno para 2050. Los medios escriben que Gazprom incluso ofreció a la fiesta anfitriona construir una gran planta de producción de hidrógeno en las cercanías de la entrada a tierra del gasoducto en construcción e incluso revertir el CO2 de Alemania.
En el futuro, los compuestos orgánicos líquidos hidrogenados reversiblemente (LOHC), el metanol y el amoníaco se pueden utilizar para transportar hidrógeno. Pero sobre esto hay problemas como la toxicidad de las "fragancias" y condiciones muy duras para la reacción inversa.
Nuestros científicos también han desarrollado formas aún más eficientes de almacenar hidrógeno. Se basa en la capacidad única de los metales sólidos hidrogenados reversiblemente y las aleaciones basadas en LaNi5 para retener el hidrógeno en su estructura, y la densidad de empaquetamiento de sus átomos es mayor que la densidad de los átomos en el hidrógeno líquido.
Este método se denomina almacenamiento de hidrógeno "intermetálico". Ya se han fabricado y probado dispositivos de almacenamiento intermetálicos (IMN), que han demostrado su eficacia y fiabilidad. Para extraer hidrógeno de un almacenamiento tan compacto, el consumidor simplemente tendrá que calentarlo.
En conclusión, me gustaría presentarles otra tecnología única para el almacenamiento y transporte nanocapilar de hidrógeno (CNT), que se basa en el principio de dividir la estructura de almacenamiento en millones de capilares independientes: microvolúmenes o la llamada matriz policapilar. . Dichos acumuladores de hidrógeno tendrán una serie de ventajas: peso ligero, compacidad y seguridad contra explosiones.
Estructura nanocapilar para almacenar hidrógeno bajo un microscopio
Motor de pila de combustible e hidrógeno
La pila de combustible de óxido sólido (SSF) sigue siendo el principal convertidor de hidrógeno en energía eléctrica. Este dispositivo convierte la energía química del combustible (hidrógeno) directamente en energía eléctrica oxidando el oxígeno sin quemarlo.
Dentro del TFC, las moléculas de hidrógeno entran en una reacción química con los iones de oxígeno y la salida es electricidad, calor y vapor de agua. Las pilas de combustible pueden funcionar con varios combustibles de hidrocarburos: hidrógeno, así como metano, butano o gas de síntesis. Su eficiencia eléctrica alcanza el 60%, y en el futuro el 80%, mientras que las centrales térmicas, de turbinas de gas o nucleares tienen una eficiencia de alrededor del 40%.
BTE-84 se crea sobre la base de pilas de combustible de polímero sólido, funciona con gas de síntesis (hidrógeno) y aire con una sobrepresión mínima de 0,004 kg / m6,5. cm, potencia nominal 40 kW, rango de voltaje 80–0 V, corriente de carga 160–60A, temperatura de funcionamiento +84 ºC, número de TEs - 72, peso - XNUMX kg.
El hidrógeno es de 3 a 4 veces más eficiente energéticamente que el combustible tradicional y se utilizó por primera vez como combustible para motores de combustión interna en 1806. En la URSS, durante la guerra en la sitiada Leningrado, el hidrógeno también se utilizó en el transporte debido a la escasez de gasolina.
El moderno motor de pistón rotativo de hidrógeno (RPE) desarrollado, como tal, está previsto que se instale en vehículos eléctricos principalmente para aumentar su kilometraje. Y en los motores de turbina de gas para varios tipos de transporte, Gazprom debería probar el uso de hidrógeno y combustible de metano-hidrógeno hasta 2024.
Auge del hidrógeno
Y de postre, les presento una pequeña selección de Noticias sobre temas de hidrógeno.
Canadá, que produce aproximadamente 3 millones de toneladas de hidrógeno al año, ya es uno de los diez mayores productores de hidrógeno, lo que proporciona una creciente demanda del mercado.
Estados Unidos están desarrollando el camión volquete para minería de hidrógeno y electricidad más grande del mundo, clase UFCEV.
La preocupación automotriz General Motors ha anunciado que será neutral en carbono para 2035. Y esto significa no solo abandonar los autos con motores de combustión interna, sino también que todas las fábricas del gigante automotor utilizarán solo fuentes renovables de energía "verde".
Japón en 2019, firmó un acuerdo sobre la importación de hidrógeno de Rusia, así como con los ferrocarriles rusos, Transmashholding y las autoridades regionales sobre el lanzamiento del transporte ferroviario en Sakhalin utilizando trenes de pila de combustible de hidrógeno. Japón prohibirá la venta de automóviles con motores de combustión interna para 2035. La planta de hidrógeno de energía solar más grande del mundo se inauguró en Fukushima en 2020, capaz de alimentar hasta 560 vehículos de celda de combustible por día.
En la actualidad, ya hay 100 estaciones de servicio de hidrógeno en funcionamiento en el país y se planea construir 2030 más para 900. Kawasaki ha lanzado el primer barco del mundo para transportar hidrógeno líquido. En septiembre de 2020, el consorcio japonés NYK Line anunció planes para desarrollar un barco de turismo de pila de combustible de 100 pasajeros.
Corea Hyundai Motor tiene la intención de suministrar vehículos eléctricos de hidrógeno al mercado ruso y está en conversaciones con Rosatom para crear la infraestructura correspondiente.
La empresa de construcción naval Samsung Heavy Industries y Bloom Energy han anunciado el desarrollo de barcos basados en pilas de combustible de óxido sólido escalables (SOFC).
China lanzó su primer coche de hidrógeno, el Grove Obsidian, con un alcance de 1 km. A fines de 000, había alrededor de 2020 FCEV en China. Hay planes para aumentar el número de estos coches a 6 para 165 y a 2025 millón para 50. Los planes son construir 000 estaciones de servicio de hidrógeno para 2030 y 1 gasolineras para 350.
Australia planea producir amoniaco (transporte de hidrógeno) alimentado por energía solar y eólica con una capacidad de 1,5 GW.
Arabia Saudita. ACWA Power está trabajando con US Air Products para construir una planta verde de hidrógeno y amoníaco de 4 GW.
Gran Bretaña prohibirá los automóviles con motores de combustión interna en 2030, y para 2050 planea cambiar a energía completamente "libre de carbono". Shearwater Energy está trabajando en una planta de energía híbrida en el norte de Gales que combinará una turbina eólica, un reactor nuclear modular NuScale de EE. UU. Y la producción de hidrógeno.
Noruega planea construir una planta de producción de hidrógeno en Geirangerfjord para alimentar ferries y cruceros. Planean comenzar a usar el primer vapor de hidrógeno en 2021.
Holanda. El operador de la red de gas Gasunie y el puerto de Groningen han formado el consorcio NortH2. Los planes son crear un "Valle del Hidrógeno europeo" con capacidad de energía asignada de parques eólicos marinos de hasta 10 GW para 2040.
Alemania presentó una doctrina del hidrógeno para convertir todas las esferas de la economía en hidrógeno para 2050, incluida la industria pesada y la producción petroquímica. Al mismo tiempo, su estrategia de hidrógeno está dirigida a Rusia como un "estado vecino" capaz de resolver el problema del hidrógeno de Alemania.
Франция. El mayor operador de centrales nucleares, EDF, ha anunciado la creación de una filial, Hynamics, para desarrollar la energía del hidrógeno.
Airbus ha presentado tres conceptos de aviones de hidrógeno: un turborreactor "clásico", un turbohélice y un avión de fuselaje integrado (ala volante).
Italia. La empresa de construcción naval Fincantieri SpA ha recurrido a PowerCell para la descarbonización de barcos, que probará sus pilas de combustible MS-30 para la generación de energía en los barcos y yates de la empresa.
Ucrania buscando la posibilidad de construir una planta de producción de hidrógeno en el país,
"En condiciones de excedente de generación nuclear",
para exportarlo a la UE.
Rusia De alguna manera, de manera casual y sin problemas presentó sus propios desarrollos de transporte de hidrógeno, incluidos automóviles, autobuses, camiones KamAZ, tranvías, aviones y trenes. Así como muchos desarrollos y tecnologías únicos para la producción y almacenamiento de hidrógeno, que indican el desarrollo estratégicamente correcto del país en la dirección elegida.
Resumen de los desarrollos en el campo de las tecnologías del hidrógeno por el Centro NTI IPCP RAS
https://youtu.be/jWCmG2wZles
https://youtu.be/jWCmG2wZles
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