Водородный реактор: Цензор.НЕТ | Необхідно виконати дію

Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы

Автомобили с водородными двигателями называют главными конкурентами электрокаров. Но у технологии пока что немало минусов, и, например, основатель Tesla Илон Маск называет ее «тупой и бесполезной». Прав он или нет?

С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.

Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.

История развития рынка водородных двигателей

Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.

Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.

В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.

В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.

Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].

Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.

В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.

В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.

Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.

Toyota Mirai 2016 года выпуска

Как работает водородный двигатель?

На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.

Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.

Схема работы водородного двигателя

По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.

Как работает водородный двигатель внутри Toyota Mirai

Где применяют водородное топливо?

• В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
• В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
• В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
• В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
• На водном транспорте. Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
• Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
• В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
• В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.

Плюсы водородного двигателя

• Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
• Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%. Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
• Бесшумная работа двигателя;
• Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами;
• Сокращение зависимости от углеводородов. Водородным двигателям не нужна нефть, запасы которой не бесконечны и к тому же сосредоточены в нескольких странах. Это позволяет нефтяным государствам диктовать цены на рынке, что невыгодно для развитых экономик.

Минусы водородного двигателя

• Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
• Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
• Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
• Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.

Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили

Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.

Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.

Водородный транспорт в России

В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.

В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.

Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.

Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».

В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.

Перспективы технологии

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.

Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.

С одной стороны, в Европе Toyota Mirai II стоит несколько дешевле, чем Tesla Model S (€64 тыс. против €77 тыс.) [18]. Полная зарядка водородного автомобиля занимает около 3 минут — против 30-75 минут для электрокара. Однако вся разница — в обслуживании: Toyota Mirai вмещает 5 кг водородного топлива [19] по цене $8-9 за кг. Таким образом, полный бак обойдется в $45, и его хватит на 500 км — получаем около $9 за 100 км пробега. Для Tesla Model S те же 100 км обойдутся всего в $3.

Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.

Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.

Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].

Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:

1. Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
2. Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
3. Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.

Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

водород и бор вместо дейтерия и трития / Хабр

Прототип термоядерного реактора TAE 5-го поколения был разработан для создания температур 30 миллионов градусов Цельсия, но уже сейчас он достиг 75 миллионов градусов. И в настоящее время команда разработчиков стремится увеличить температуру в 10 раз, причем ориентируясь на более дешевое, простое и безопасное борсодержащее топливо.

Если достаточно сильно ударить ядра двух атомов друг о друга, они могут слиться и создать другой элемент. Если вы используете правильные элементы, то получившийся в результате слияния атом будет весить меньше, чем первоначальные компоненты, а разница в массе будет высвобождена в виде энергии E=mc², как предсказывает знаменитое уравнение Эйнштейна. Если учесть, что квадрат скорости света довольно большое число, то даже небольшая масса топлива может выделить много энергии.

Но проблема в том, что атомные ядра чрезвычайно малы и положительно заряжены, они отталкиваются друг от друга, из-за чего их трудно столкнуть вместе. Тем не менее процесс синтеза постоянно происходит на Солнце. Но Солнце обладает колоссальной массой и гравитацией, которая притягивает атомы к центру звезды, заставляя их яростно колебаться и соударяться друг с другом. Сливаясь вместе, они высвобождают большое количество тепла, и такая цепная реакция не закончится в течение миллиардов лет.

Люди в течение многих десятилетий пытались воспроизвести этот процесс на Земле, привлеченные потенциальным обилием чистой энергии, причем даже более безопасной, чем ядерное деление, которое в свою очередь, несмотря на несколько громких инцидентов, остается одной из самых безопасных форм производства энергии. Пока еще ни у кого нет работающей термоядерной установки, но прогресс в этой области, похоже ускоряется.

Не имея огромной массы Солнца и его гравитационного притяжения многие попытки термоядерного синтеза на Земле полагаются на более высокие температуры, чем у нашего светила. В проектах синтеза с магнитным удержанием плазмы она нагревается примерно до 100 миллионов градусов по Цельсию, что почти в 4 раза горячее, чем в ядре Солнца. Тепло – это движение на атомном уровне, поэтому ожидается, что это дополнительное движение столкнет атомы плазмы друг с другом достаточно сильно, чтобы преодолеть ядерное отталкивание и началась реакция синтеза.

Но заметьте, предполагается, что вы используете тритий и дейтерий в качестве топлива. Например, этот способ реализует масштабный международный проект ИТЭР (ITER). Но у трития есть свои проблемы – он радиоактивный и облучает материалы реактора. Еще хуже тот факт, что он достаточно редок – сегодня в мире накоплено всего около 25 килограммов этого вещества, и, по собственным оценкам ИТЭР рассчитывает использовать почти всё это количество в экспериментах. Поэтому дефицит и радиоактивность делают термоядерную энергию достаточно дорогой.

Michl Binderbauer

«Практические ограничения немедленно становятся ограничениями по стоимости», — говорит Michl Binderbauer – генеральный директор TAE Technology (раннее называвшейся Tri Alpha Energy). Эта калифорнийская компания, основанная еще в 1998 году, как дочерняя компания Калифорнийского университета в Ирвине, привлекла более 1,2 миллиарда долларов США от таких инвесторов, как Google, Chevron, Goldman Sachs, Пол Аллен, семья Рокфеллеров и других. Собранные средства используются для создания ряда прототипов, которые постепенно увеличиваются в размерах.

Этапы развертывания термоядерного реактора

К началу 2030-х годов версия прототипа Да Винчи должна стать первой термоядерной электростанцией, поставляющей энергию в сеть

Четвертый прототип, названный Norman, в честь его разработчика Нормана Ростокера (Norman Rostoker), был построен в 2017 году и рассчитан на температуру плазмы 30 млн °C. Однако Норман получился намного лучше, чем запланировано. TAE продемонстрировал способность поддерживать плазму при температуре 75 млн °C, что позволило компании опередить график. Но конструкторы не нацелены даже на 100 миллионов градусов – их задача миллиард градусов Цельсия.

TAE надеется, что тритий будет просто демонстрационной точкой на пути к тому, чего компания действительно хочет достичь – синтез водорода и бора. У бора есть все преимущества, которых нет у трития: процесс не сопровождается никакой радиоактивностью, а на выходе получается гелий – химически инертный и безопасный, настолько насколько это вообще возможно. Бор сегодня производится метрическими тоннами. Он используется в моющих средствах – это товарный продукт, его можно найти повсюду.

Недостатком является то, что атом бора больше, чем тритий, с большим количеством положительных зарядов в ядре, поэтому в конструкции с магнитным удержанием нужно использовать гораздо больше энергии. Энергии на миллиард градусов.

Чтобы достичь температуры в 10 раз выше, чем то, к чему даже стремятся токамаки мира, TAE пришлось спроектировать совсем другой реактор, конструкция которого перекликается с ускорителем частиц в ЦЕРНе, где субатомные частицы разгоняются до астрономических величин и достигается температура в 5 триллионов градусов или ее эквивалент. Но для проекта TAE нужен только миллиард.

К концу 1990-х команда проработала достаточно много теоретического материала, провела моделирование и симуляцию процессов. В результате через 20 лет приступила к работе уже над физическими прототипами. Это был путь не столько научных открытий, сколько отработки технологий и создания инженерных компонентов.

Ускорители частиц текущего поколения (желтые цилиндры) позволяют разогреть плазму до 75 миллионов градусов

В то время как ускоритель частиц Большого адронного коллайдера представляет собой кольцо длиной 27 км, установка TAE удивительно компактна. «По сравнению с ЦЕРНом наши цифры выглядят смешными, — продолжает Биндербауэр. – Они могут создавать триллионы градусов, нам нужно в 1000 – 10 000 раз меньше. Они ускоряют более или менее отдельные частицы до 99,999% скорости света в вакуумной системе. Они работают на гораздо более высоком токе – миллионы ампер, мы же работаем с сотнями ампер. Нам же нужно «толкать» гораздо больше частиц, с более низкой энергией и скоростью. Так что наши показатели намного скромнее с точки зрения физического масштаба».

Токамак ИТЭР

Вместо того, чтобы вращать свою плазму в форме пончика, TAE удерживает ее на месте, ограничивая перемещение мощными магнитными кольцами. Это магниты с простой геометрией – плазма выглядят, как эллипсоид и вращается внутри цилиндра вдоль его оси. У разработчиков есть возможность управлять вращением и благодаря гироскопической стабилизации она очень устойчива и предсказуема.

Реактор в разрезе, показывающий, как плазма удерживается и вращается в середине цилиндраУдержание и вращение плазмы

Это более или менее похоже на выпрямленную часть тора токамака, но с существенным улучшением – магниты можно легко удалить или заменить без необходимости разборки всей установки. TAE может использовать диверторы (отводящие устройства) для отбора материи в любом конце трубы, действуя как «мусорные баки» для поглощения примесей и частиц выхлопных газов. В токамаке же это сопряжено с огромными проблемами. Норман собран из цилиндров около трех метров в диаметре, изготовленных из простого листового металла. Причем, в случае возникновения проблемы с теплопередачей, исследователи могут просто удвоить размер.

С точки зрения магнитной эффективности, являющейся основным параметром, в TAE она составляет около 90%, против около 10% в токамаке. Магниты являются большой и дорогой частью термоядерных систем, поэтому, если их эффективно использовать, то можно вырабатывать и более дешевую энергию.

Благодаря тому, что машина пятого поколения имеет показатели на 250 % выше проектных, исследователи начинают понимать, что чем горячее становится плазма, тем лучше работают ускорители частиц и системы магнитного удержания. Таким образом есть высокая степень уверенности, что можно достичь не только 150 миллионов градусов для трития, но и миллиарда градусов и выше, необходимых для бора. Это будет в конце десятилетия или в начале 30-х.

Следующий прототип, система Коперник (Copernicus) 5-го поколения, рассчитана на достижение температуры 100-150 миллионов градусов для того, чтобы доказать свою способность для синтеза трития.

  TAE нацелилась на 2025 год для своей первой демонстрации положительного по энергии синтеза трития

Коперник разработан для демонстрации положительного энергетического баланса, т.е. больше единицы, что означает, что он будет генерировать больше энергии, чем использует. Если и когда это удастся, разработчики перейдут к последнему шагу, машине Да Винчи (Da Vinci), которая доведет процесс до водородно-борных условий. Машина Да Винчи будет прототипом электростанции, выдающей ток от паротурбинного генератора.

Ожидания от инвестиций

В современном мире от инвесторов TAE требуется огромное терпение. Да, конечно же машины передовые и дорогие, но коммерческая отдача от них далеко за горизонтом. Подход компании заключается в работе над моделью «деньги после этапа» и направлен на снижение максимально возможного инвестиционного риска. Есть независимая научная группа, состоящая из самых ярких специалистов в области термоядерной физики, у которых нет ни акций, ни какой-либо доли в компании. Но они приходят два раза в год, им платят за их время, они проверяют работу и дают независимое подтверждение того, достигли ли разработчики определенного рубежа.

С другой стороны, у инвесторов есть потенциальное вознаграждение — владение технологией экологически чистой энергии, которая использует обильные, простые и дешевые виды топлива. Помимо этого, технология позволяет реагировать на скачки потребления электроэнергии, переходя от температуры окружающей среды к миллиарду градусов за несколько тысячных долей секунды. Таким образом, мощность установки может увеличиться, производя относительно быстрый нагрев воды и вращение турбин.

Что касается последнего пункта, то команда работает над системой прямого преобразования энергии, которая полностью исключит громоздкую турбину и заменит ее твердотельным устройством преобразования излучения в электроэнергию. Это отдаленно напоминает работу солнечных панелей, но в данном случае происходит преобразование не света, а мягкого рентгеновского излучения.

Стоимость электроэнергии и отношение общества к термояду

США электричество, вырабатываемое на газовых электростанциях, может стоить в диапазоне от одного до двух центов за киловатт-час. Атомная энергия, особенно с высоким уровнем безопасности АЭС, дороже и может быть на уровне 10-15 центов. Компания TAE ожидает, что их электростанция первого поколения будет производить электроэнергию по цене около 6-7 центов за киловатт-час. Причем эта цена без учета углеродных кредитов и субсидий. Но это будет первая электростанция, а в дальнейшем цены должны снизиться.

Вместе с тем компания предполагает, что ее электростанция не будет самым дешевым источником энергии, однако она будет практичной, полностью зеленой и с низкой ресурсоемкостью. Такие станции смогут безопасно работать даже в мегаполисах и по всему миру.

Безопасность является одним из ключевых преимуществ термоядерного синтеза по сравнению с ядерным делением. Правда придется провести просветительскую работу, поскольку каждый раз, когда кто-то слышит, что реактор планирует работать с субстанцией, которая почти в 40 раз горячее, чем ядро ​​Солнца у многих возникают опасения. Чиновники, например, всё время задают вопрос: миллиард градусов, разве это не расплавит реактор и не приведет к взрыву.

Взрыва не будет. ЦЕРН без происшествий достиг температуры более пяти триллионов градусов. Люди должны понимать, насколько малы атомы и как быстро рассеивается тепло. Если взять плазму с температурой 75 миллионов градусов и поместить в нее кубик льда, то … лед превратится в воду и даже не нагреется. Произойдет просто фазовый переход. Но большинству людей это совершенно непонятно. В реакторе нет расплавления активной зоны. У боро-водорода нет и радиоактивности. Процесс синтеза безопаснее, чем процесс расщепления и это надо донести до общественности. Но если к термоядерному синтезу относиться так же, как к ядерному делению, то регулирование этого направления отрасли будет длительным и сложным. Бюрократическая волокита может добавить лет 10 лет к срокам коммерциализации термоядерной энергии и соразмерно увеличит цену за электричество.

Команда TAE на фоне прототипа Norman

Видео по теме.

В статье использованы фото TAE Technologies и журнала Science.

4 атомные электростанции готовятся к производству чистого водорода

Офис
Ядерная энергия

9 ноября 2022 г.

По оценкам DOE

, один реактор мощностью 1000 мегаватт может производить до 150 000 тонн водорода в год.

Водород может сыграть важную роль в переходе страны на 100% чистую энергию.

Его можно использовать в различных секторах для хранения и доставки полезной энергии для питания сети, управления промышленными процессами или создания энергоемких видов топлива, необходимых для дальнемагистральных грузовиков и самолетов.

Но около 95% водорода, производимого в настоящее время в Соединенных Штатах, производится из природного газа, что приводит к выбросам углерода.

Вот почему Министерство энергетики США (DOE) инвестирует миллиарды, чтобы помочь снизить стоимость и увеличить производство чистого водорода за счет использования существующих национальных энергетических активов, включая атомные электростанции.

Как производится чистый водород?

ИНФОГРАФИКА

Чистый водород на базе ядерной энергии

Большая часть водорода, производимого в настоящее время в США, производится путем конверсии метана с водяным паром. В этом процессе метан реагирует с высокотемпературным паром с образованием монооксида углерода, диоксида углерода и водорода.

Одним из способов производства водорода без выбросов является низко- и высокотемпературный электролиз путем расщепления воды на чистый водород и кислород. Высокотемпературные электролизеры используют как тепло, так и электричество для расщепления воды и более эффективны.

Традиционные и усовершенствованные ядерные реакторы хорошо подходят для обеспечения постоянного тепла и электроэнергии, необходимых для производства чистого водорода, который может открыть новые рынки для атомных электростанций.

По оценкам Министерства энергетики, один реактор мощностью 1000 мегаватт может производить до 150 000 тонн водорода в год. Это может быть продано на региональном уровне как товар для удобрений, нефтепереработки, производства стали, погрузочно-разгрузочного оборудования, автомобилей на топливных элементах или даже синтетического топлива с нейтральным уровнем выбросов углерода.

Демонстрационные проекты по производству водорода на атомных электростанциях

Управление по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии (EERE) и Управление по ядерной энергии (NE) Министерства энергетики США уже начали сотрудничество с коммунальными предприятиями для поддержки четырех демонстрационных проектов по использованию водорода на атомных электростанциях.

Эти четыре проекта включают:

Атомная электростанция «Найн-Майл-Пойнт» (Освего, штат Нью-Йорк)  

Министерство энергетики поддерживает строительство и установку системы низкотемпературного электролиза на атомной электростанции «Найн-Майл-Пойнт». Проект станет первым предприятием по производству чистого водорода на атомной энергии в США, и водород будет использоваться для охлаждения завода.

Constellation планирует начать производство водорода до конца года.

Коммунальное предприятие также сотрудничало с NYSERDA в отдельном проекте по питанию топливных элементов на объекте и начнет подавать дополнительную мощность в сеть в 2025 году. Атомная электростанция (Оук-Харбор, Огайо)

Energy Harbour работает над демонстрацией системы низкотемпературного электролиза на атомной электростанции Дэвис-Бесс.

Цель проекта — доказать техническую осуществимость и экономические преимущества производства чистого водорода, что может облегчить будущие возможности для крупномасштабной коммерциализации.

Ожидается, что одиночный реактор будет производить чистый водород к 2023 году.

Потенциальное использование может быть продано для местного производства и транспортных услуг, включая топливо для местного автобусного парка.

Атомная электростанция Дэвис-Бесс

Energy Harbour

Атомная электростанция Prairie Island (Red Wing, MN)

Bloom Energy и Xcel Energy работают над первым в своем роде проектом, чтобы продемонстрировать температурный электролиз на АЭС Прери-Айленд.

Данные, собранные в ходе этой демонстрации, будут использованы для масштабирования этого процесса.

Ожидается, что производство водорода начнется в начале 2024 года.

Атомная электростанция в Прери-Айленд

Xcel Energy

Электростанция в Пало-Верде (Тонопа, Аризона)

Министерство энергетики ведет переговоры о заключении контракта и PNW Hydrogen для демонстрации еще одной системы низкотемпературного электролиза на электростанции в Пало-Верде.

Водород будет использоваться для производства электроэнергии в периоды повышенного спроса или для производства химикатов и другого топлива.

Проект может начать производство водорода в 2024 году после завершения переговоров о присуждении контракта.
 

Генераторная станция Пало-Верде

Предприятие общественного обслуживания Аризоны

Дальнейшие действия

Министерство энергетики продолжает поддерживать разработку и усовершенствование производства чистого водорода, включая финансирование от шести до десяти региональных узлов чистого водорода в Соединенных Штатах через двухпартийную организацию. Закон об инфраструктуре. Как минимум один из хабов будет ориентирован на производство чистого водорода с использованием ядерной энергии.

Дополнительное финансирование в рамках Закона о снижении инфляции также включает поддержку производства чистого водорода за счет налоговых льгот, по которым будет выплачиваться до 3 долларов США за кг низкоуглеродистого водорода.

Вся эта работа поддерживает цель Hydrogen Shot Министерства энергетики США по снижению стоимости чистого водорода на 80% до 1 доллара за 1 килограмм за 1 десятилетие.

Достижение этой цели по снижению затрат откроет новые рынки для водорода, а также создаст больше рабочих мест в области экологически чистой энергетики, сократит выбросы парниковых газов и сделает Америку более конкурентоспособным игроком на мировом рынке экологически чистой энергии.

Подписывайтесь на нас

Производство атомного водорода | IAEA

Водородная экономика становится все более заметной и получает более сильную политическую поддержку в нескольких частях мира. В последние годы объем программы Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) по неэлектрическим применениям ядерной энергии был расширен за счет включения других более многообещающих применений, таких как ядерное производство водорода и применение высокотемпературного технологического тепла. Технологии ядерного производства водорода обладают большим потенциалом и преимуществами по сравнению с другими источниками, которые можно рассматривать для увеличения доли водорода в будущей мировой энергетике. Выбор водородных технологий (для сопряжения с ядерными энергетическими реакторами) во многом зависит от типа самой атомной электростанции. Некоторые технологии производства водорода, такие как обычный электролиз, требуют только электроэнергии. В то время как для других, таких как термохимические циклы, может потребоваться только технологическое тепло (которое может подаваться при повышенных значениях температуры) или гибридные технологии, такие как высокотемпературный паровой электролиз (HTSE) и гибридные термохимические циклы, для которых требуется как тепло, так и электричество.

Программа экономической оценки водорода (HEEP)

Программа МАГАТЭ по экономической оценке водорода HEEP была разработана и выпущена Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) в качестве бесплатного инструмента, который можно использовать для экономической оценки крупномасштабного производства водорода с использованием ядерной энергии. Программное обеспечение можно использовать для оценки экономики четырех наиболее перспективных процессов производства водорода: высокотемпературный и низкотемпературный электролиз, термохимические процессы, включая процесс S-I, традиционный электролиз и паровой риформинг.

Программное обеспечение HEEP МАГАТЭ подходит для сравнительных исследований не только между ядерными и ископаемыми источниками энергии для производства водорода, но и для производства исключительно водорода или когенерации с электричеством. Модели HEEP основаны на некоторых экономических и технических данных, а также на моделировании затрат, которые включают различные аспекты водородной экономики, включая хранение, транспортировку и распределение с возможностью исключения или включения конкретных деталей по требованию пользователей.

Скачать Программное обеспечение HEEP

Новое обновление — версия 2021

Калькулятор водорода (HydCalc)

Одним из наиболее важных факторов, которые следует учитывать при принятии решения о производстве атомного водорода, является размер ядерного энергетического реактора. Реакторы большего размера больше подходят для когенерации, в то время как меньшие и модульные реакторы больше подходят для производства водорода как отдельного товара. Экономика производства водорода является еще одним решающим фактором, который становится более эффективным с введением налога на выбросы углерода. HydCalc был разработан как калькулятор единого окна для приблизительной оценки стоимости производства водорода с использованием различных технологий.