The elements of future energy — ABC Chemicals

Будущее на водородном топливе на нас. Подготовка к нему потребует новых технологий — и химия здесь, чтобы помочь

Изменение климата является одной из самых серьезных проблем, стоящих сегодня перед миром. Поскольку правительства во всем мире стремятся сократить выбросы парниковых газов за счет использования более чистых, экологически чистых и возобновляемых источников энергии, новые технологии будут играть ключевую роль в формировании будущего общества. Джонсон Матти (JM), мировой лидер в области прикладных наук и устойчивых технологий, разрабатывает новые решения для удовлетворения этого спроса на более чистую энергию.

Для чистого воздуха

The elements of future energy - ABC Chemicals

Источник: © Shutterstock

Масштабы выбросов в секторах транспорта и производства электроэнергии делают их четкими целями для компаний по разработке более чистых решений. Подсчитано, что на эти секторы приходилось 27% и 24% от общего объема выбросов парниковых газов в Великобритании соответственно в 2017 году. Взносы парниковых газов из транспортных источников возрастают до 34%, если учитывать взносы авиации и судоходства, связанные с Великобританией.

По всему миру правительства борются с выбросами транспортных средств, чтобы помочь создать города с нулевым уровнем выбросов. Внедряется законодательство для перехода от двигателей внутреннего сгорания (ДВС) к более устойчивым альтернативам путем ограничения и, в конечном итоге, ликвидации продажи автомобилей с бензиновым и дизельным двигателем. Норвегия нацелена на ликвидацию продаж новых автомобилей ICE к 2025 году, Германия нацелена на 2030 год, а Великобритания и Франция нацелены на 2040 год.

Конечно, чтобы преуспеть в замене нашей инфраструктуры, работающей на ископаемом топливе, необходимо успешно внедрить систему альтернативного топлива. JM обладает более чем 40-летним опытом исследования технологий чистого воздуха, которые охватывают весь транспортный сектор, а также борьбы с выбросами из стационарных источников, таких как электростанции. JM также является инициатором множества инициатив по чистому воздуху, охватывающих технологии каталитических нейтрализаторов, материалы аккумуляторов для электромобилей и водородные топливные элементы. Здесь мы сосредоточимся на том, как водород можно использовать для производства низкоуглеродной энергии, необходимой для устойчивого будущего.

Низкоуглеродистая генерация водорода

The elements of future energy - ABC Chemicals

Источник: © Николь С Гласс / Shutterstock.com

Водород имеет большой потенциал для обезуглероживания нашей энергетической инфраструктуры. Водород обладает мощным ударом, который приносит множество преимуществ в качестве способа производства электроэнергии для питания наших поездов, самолетов, автомобилей или бытовой техники в наших домах. Водород также может быть использован в качестве источника тепла. Использование водорода в качестве топлива не имеет вредных выбросов; единственным продуктом сгорания водорода является вода.

В 2015 году было подсчитано, что годовой спрос на водород вырос до 8 экзаджоулей (EJ), где один эксаджоуль равен 1018Дж, или около одного дня от общей потребности в энергии в мире. Но большая часть этого водорода используется в качестве реагента, а не топлива. Он используется на нефтеперерабатывающих заводах для снижения вредных уровней серы в топливе, в производстве аммиака для удобрений и в производстве метанола.

Если водород станет топливом будущего, нам нужно будет увеличить объемы производства. И чтобы это было действительно экологически чистое топливо, эти маршруты должны иметь минимальные, если не нулевые, выбросы парниковых газов. В этих случаях водородное топливо может быть чистым источником энергии и иметь широкий спектр применения на различных рынках.

Получение водорода

Большая часть водорода производится с использованием паровой конверсии метана, где природный газ расщепляется на водород и диоксид углерода, образуя большое количество водорода. Природный газ является ключевым сырьем, но также используются фракции нефти, такие как нафта. В некоторых частях мира водород производится путем газификации угля. Таким образом, производство водорода способствует глобальным выбросам парниковых газов.

Однако, комбинируя этот метод с улавливанием, использованием и хранением углерода (CCUS), его выбросы углерода могут быть значительно сокращены. Технологическая схема усовершенствованного риформинга JM — это уникальная технология, которая особенно хорошо сочетается с CCUS, снижая стоимость килограмма водорода и снижая первоначальные капитальные затраты. В краткосрочной и среднесрочной перспективе, если мы хотим добиться ощутимого сокращения выбросов, нам потребуются большие масштабы и низкая стоимость, связанные с этим маршрутом.

В более долгосрочной перспективе, вероятно, что электролиз будет играть большую роль. Очень небольшое количество водорода получается путем электролиза — с использованием электричества, чтобы разделить молекулы воды на водород и кислород. Для максимально эффективной работы необходимы иридиевые и платиновые катализаторы. Водород затем сжимается до того, как становится доступным для электромобилей с топливными элементами.

The elements of future energy - ABC Chemicals

На предприятии JM в Суиндоне, Великобритания, где производятся и собираются компоненты топливных элементов, электролиз обеспечивает местный «узел водорода». Станция заправки водородом (HRS) в Суиндоне, которая была построена в партнерстве с ITM Power и открыта в сентябре прошлого года, является одной из примерно 20 станций, расположенных на всей территории Великобритании, помогая обслуживать коридор M4 и другие маршруты, и первоначально электролиз является вероятно, будет основным маршрутом для производства водорода в транспортном секторе.

Водород также рассматривается в качестве замены природного газа в наших трубопроводах с такими инициативами, как новый проект H21 на севере Англии. Есть надежда, что к 2050 году проект H21 будет развернут за пределами севера Англии с потенциалом длясократить выбросы углерода на 258 миллионов тонн в год, что составляет около 80% от оставшегося в Великобритании целевого показателя сокращения выбросов углерода.

Но без значительных инвестиций в нашу электросеть электролиз вряд ли обеспечит количество водорода, необходимое для реализации своего потенциала в таких областях. Чтобы обслуживать рынки, которые требуют больших объемов энергии, таких как отопление (ответственное за более чем 30% выбросов в Великобритании) и диспетчеризованное производство электроэнергии, потребуется как паровая конверсия метана, так и электролиз.

Использование водородного топлива

The elements of future energy - ABC Chemicals

Одно из наиболее широко обсуждаемых применений водородного топлива — в топливных элементах для выработки электроэнергии. Первоначально разработанные в 19-м веке, топливные элементы используются для питания транспортных средств, замены двигателя внутреннего сгорания или в стационарных применениях. Вместо использования бензина или дизельного топлива в качестве топлива газообразный водород хранится в баке на борту транспортного средства. Это тогда реагирует с кислородом (от воздуха), чтобы произвести электричество, необходимое, чтобы привести транспортное средство в действие.

Единственным продуктом этой реакции является вода, которая является одним из основных преимуществ топливного элемента по сравнению с транспортными средствами ДВС, которые выделяют оксид углерода, оксиды азота (NOИкс) и несгоревших углеводородов в выхлопе.

Компоненты топливного элемента, разработанные специально для автомобильной промышленности на площадке JM в Суиндоне, используются в топливных элементах с полимерной электролитной мембраной. Они состоят из двух основных компонентов: анода и катода, разделенных полимерным электролитом. На аноде водород окисляется до H+ через катализатор из платинового металла; на катоде, H+ в сочетании с кислородом образует воду и вырабатывает электричество. JM разрабатывает и производит мембрану и катализаторы, которые управляют этими критическими реакциями, и внедряет их в мембраны, покрытые катализатором, и сборки мембранных электродов.

Зачем использовать водород в транспорте?

Водородное топливо имеет высокую удельную энергетическую плотность и, когда оно находится под давлением в баке на транспортном средстве, оно имеет высокую объемную плотность энергии, что соответствует большому диапазону транспортного средства.

The elements of future energy - ABC Chemicals

Источник: © Pajor Pawel / Shutterstock.com

В транспортной отрасли есть две технологии, часто рекламируемые как альтернативы двигателям сжигания ископаемого топлива: батареи и топливные элементы. Исследования аккумуляторов продолжают улучшать такие факторы, как диапазон, стоимость и плотность энергии, но плотность энергии (по массе) водорода примерно в 140 раз выше, чем у существующих батарей. На практике это означает, что автомобили с топливными элементами могут проехать до 400 миль, используя всего 5 кг водорода под давлением. Эта более высокая плотность энергии означает, что для транспортных средств, которые регулярно путешествуют на большие расстояния, таких как дальнобойщики и часть парка легковых автомобилей, топливные элементы могут быть жизнеспособным вариантом. Для большей части парка легковых автомобилей, обычно используемых для более коротких городских поездок, аккумуляторы имеют больше смысла.

Еще одним преимуществом водородного топлива является время, необходимое для заправки автомобиля. Поскольку в топливный бак необходимо залить не более 5 кг водорода, автомобили с топливными элементами можно заправить за считанные минуты, наравне с нынешними бензиновыми или дизельными автомобилями. Опять же, это делает его особенно привлекательным для дальних перевозок или для тех, кому требуется очень высокая загрузка автомобиля.

The elements of future energy - ABC Chemicals

Высокая плотность энергии и быстрое время дозаправки также делают топливные элементы пригодными для других видов транспорта, включая вилочные погрузчики и поезда. Фактически, в сентябре прошлого года был запущен первый в мире водородный поезд для обслуживания 62-мильной колеи в северной Германии.

Технологии аккумуляторных батарей и топливных элементов превосходны в различных транспортных применениях, поэтому JM инвестирует в обе технологии. Компания JM разработала свои собственные катодные материалы для аккумуляторов eLNO, одновременно проводя исследования и производство ключевых компонентов для водородных топливных элементов на своем предприятии в Суиндоне.

Сила на будущее

Хотя методы производства, транспортировки и использования водородного топлива будут продолжать развиваться в ближайшие годы, по-прежнему существует одна проблема, препятствующая его широкому распространению: инфраструктура. В настоящее время в мире насчитывается около 300 станций заправки водородом, и если водородное топливо будет иметь желаемое влияние, это необходимо решать с помощью совместного и стратегического видения. Исходя из текущих задач правительства и других заинтересованных сторон, число водородных заправочных станций, согласно прогнозам, увеличится примерно до 5000 к 2030-м годам.

В частном секторе был создан Совет по водородным ресурсам для обеспечения долгосрочного видения, которое будет направлять будущее водородной энергетики. Состоящие из множества различных компаний по всему миру, его члены работают над созданием необходимой стратегии для превращения водородного топлива в основной вклад в переход на экологически чистую энергию. В 2018 году компания JM присоединилась к Водородному совету в качестве руководящего члена, поскольку мы ясно понимаем, что потребуются многочисленные партнеры со всего мира, чтобы полностью реализовать потенциал, который водород может предложить обществу. Принимая ведущую роль в этой организации, мы можем работать с другими членами в формировании будущего для водорода.

The elements of future energy - ABC Chemicals

Источник: © Джонсон Матти

Благодаря нашему наследию в автомобильной промышленности, поставляющему каталитические нейтрализаторы для автомобилей, работающих на ископаемом топливе, мы имеем все возможности для продолжения перехода к низкоуглеродистому топливу во многих секторах цепочки поставок. У нас многолетний опыт, связанный с производством ключевых компонентов для топливных элементов, используемых на рынках транспорта и производства электроэнергии, или в лицензировании наиболее эффективного процесса производства низкоуглеродистого водорода в масштабе. Наши ключевые научно-исследовательские возможности в области разработки катализаторов и технологий реформинга означают, что мы можем продолжать предоставлять клиентам необходимый опыт, который поможет реализовать будущее водорода.

К 2030 году возможно, что до 4 миллионов транспортных средств будут работать на водороде, при этом примерно 5 миллионов топливных элементов будут использоваться на транспорте и других рынках. Также ожидается, что водород сократит выбросы от отопления и энергетики с крупномасштабными демонстрациями в действии, позволяющими принимать ключевые решения о развертывании до 2030-х годов.

Будущее на водородном топливе на нас. Благодаря инвестициям, политике, исследованиям и инновациям водородное топливо поможет реализовать будущее без углерода.

Джейн Батчер — управляющий директор по производству топливных элементов в Johnson MattheyСэм Френч — менеджер по развитию бизнеса в Johnson MattheyЭнди Уолкер — технический директор по маркетингу в Johnson MattheyБарри Эдмонстоун-Уэст, директор группы стратегий в Johnson Matthey

eLNO является торговой маркой Johnson Matthey Public Limited Company

Джонсон МаттиВ Johnson Matthey мы видим мир, который будет чище и здоровее. Наши ученые каждый день работают над созданием инновационных продуктов, которые обеспечивают более чистый воздух, улучшают здоровье и позволяют более эффективно использовать природные ресурсы. Являясь мировым лидером в области устойчивых технологий, мы работаем с нашими клиентами на различных рынках, от фармацевтического и медицинского до автомобильного, промышленного и химического производства, оптимизируя процессы и повышая эффективность. Наши решения продолжают развиваться с изменяющимися требованиями нашего времени, когда мы решаем новые задачи, чтобы построить более чистое и здоровое будущее для будущих поколений.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *