Водородная энергетика преимущества и недостатки: Перспективы и недостатки водородной энергетики

Перспективы и недостатки водородной энергетики

Вадим Кизимов

частный инвестор

Профиль автора

Для хранения и выработки энергии от водорода используются топливные элементы. Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах 19 века. Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

В 1959 году Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовались правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

В отличие от кислорода водород практически не встречается на земле в чистом виде и поэтому извлекается из других соединений с помощью различных химических методов.

По этим способам его разделяют на цветовые градации.

Зеленый — производится из возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого: вода, электролизер и большое снабжение электроэнергией.

Голубой — производится из природного газа, а вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее идеально чистым этот метод не назовешь.

Розовый или красный — произведенный при помощи атомной энергии.

Серый — водород получают путем конверсии метана. При его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.

Коричневый — водород получают в результате газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы.

Еще существуют технологии получения биоводорода из мусора и этанола, но их доля чрезвычайно мала.

Себестоимость производства по видам водорода, доллар за килограмм

Зеленый

10 $

Голубой

2 $

Красный

2 $

Серый

2—2,5 $

Коричневый

2—2,5 $

Источник: Википедия

Водородная энергетика

На переработку угля приходится 18% производства водорода, 4% обеспечивается за счет зеленого водорода и 78% — переработкой природного газа и нефти. Методы производства, основанные на ископаемом топливе, приводят к образованию 830 млн тонн выбросов CO₂ каждый год, что равно выбросам Великобритании и Индонезии, вместе взятым. И тем не менее водород — это более чистая альтернатива традиционному топливу.

В мире три основных источника выбросов, способствующих потеплению климата: транспорт, производство электроэнергии и промышленность. Водород может использоваться во всех трех областях. При использовании в топливных элементах водородная энергия оставляет минимальные потери, а после использования в качестве побочного продукта остается только вода, из которой снова можно добывать водород.

Источник: IEA Источник: IEA

Перспективы отрасли

Согласно докладу МЭА, к 2050 году мировой спрос на водород должен достичь 528 млн тонн — против 87 млн в 2020, — а его доля в мировом потреблении составит 18%, из них 10% будет приходиться на зеленый водород.

К 2050 году МЭА планирует снизить затраты на производство этого экологически чистого вида топлива до 2 $ за килограмм, что существенно ниже нынешних 10 $. Это произойдет благодаря развитию технологий ВИЭ и удешевлению производства энергии ветра и солнца.

В июне 2020 года Германия объявила о реализации национальной водородной стратегии с инвестициями в 7 млрд евро, чтобы стать лидером в этой области.

Япония, Франция, Южная Корея, Австралия, Нидерланды и Норвегия начали свой курс на водород раньше Германии, а Япония сделала это раньше всех — в декабре 2017 года.

В июле 2020 года Минэнерго подготовило план развития в РФ водородной энергетики на период 2020—2024 годов. Производить водород собираются «Росатом», «Газпром» и «Новатэк». В дорожной карте предусмотрены следующие меры:

• поддержка пилотных проектов по производству водорода;
• стимулы для экспортеров и покупателей на внутреннем рынке;
• первые водородные установки запустят в 2024 году на атомных электростанциях, объектах добычи газа и переработки ископаемых.

В 2021 году HydrogenOne Capital — первый в мире инвестиционный фонд, ориентированный на зеленый водород, заявил о листинге на Лондонской бирже. Фонд инвестирует в проекты мощностью 20—100 МВт с возможностью их расширения до 500 МВт.

Преимущества водородной энергетики

Высокая применимость. Электрификация транспорта поможет снизить выбросы в атмосферу, но авиацию, морские и грузовые перевозки на дальние расстояния трудно перевести на использование электроэнергии, потому что для этих секторов требуется топливо с высокой плотностью энергии. Зеленый водород может удовлетворить эти потребности. Например, Airbus представил концепции самолетов с водородным двигателем и надеется ввести его в эксплуатацию к 2035 году.

Nikola строит полуприцепы, работающие как на аккумуляторных батареях, так и на водороде. Компания заявляет, что ее топливные элементы могут работать при более низких температурах, чем батареи. И они легче, что делает их более практичными для грузовиков и другой тяжелой техники. Nikola также утверждает, что дальность хода такого грузовика составит 900 миль на баке с водородом. Для сравнения: у Tesla Semi с батарейным питанием, который может быть запущен в производство в конце этого года или в 2022 году, заявленная дальность — 200—300 миль.

Также свои аналогичные модели транспорта представили компании Toyota, Honda и BMW.

Время заправки электромобиля на топливных элементах в среднем составляет менее четырех минут. При этом в отличие от батарей они не нуждаются в перезарядке. Поскольку они могут работать независимо от сети, то могут использоваться как запасные генераторы электричества или тепла.

Важный элемент перехода на водород — его применение в ЖКХ. Кроме пилотных проектов в Великобритании Лидс станет первым городом, энергоснабжение которого будет полностью водородным. Согласно плану, все газовые сети и транспортное оборудование переведут на него.

Запасы водорода практически безграничны. Так как он встречается почти всюду, его можно использовать там, где он производится. В отличие от батарей, которые не могут хранить большое количество электроэнергии в течение продолжительного времени, водород можно производить из избыточной возобновляемой энергии и хранить в больших количествах.

Энергоэффективность. Водород содержит почти в три раза больше энергии, чем ископаемое топливо, поэтому для выполнения какой-либо работы его требуется гораздо меньше. Например, по сравнению с электростанцией, работающей на сжигании топлива с КПД от 33 до 35%, водородные топливные элементы выполнят ту же функцию с КПД до 65%. Для примера, у солнечных элементов КПД — 20%, а у ветряных — 40%.

Весной 2020 года в городе Фукусима была запущена самая крупная в мире электростанция, работающая на водороде. Для питания электролизных установок на ней размещены солнечные батареи общей мощностью 20 МВт. Всего станция вырабатывает 1,2 тысячи кубических метров водорода в час.

В автомобилях топливные элементы используют 40—60% энергии топлива, а также обеспечивают сокращение его расхода на 50%.

Зеленый водород — отличная среда для хранения энергии. Например, у Германии существует проблема с энергосистемой. В ясные и ветреные дни солнечные экраны и ветряные турбины на севере производят больше электроэнергии, чем может потребить эта часть страны. Из-за этого Германия вынуждена продавать излишки электроэнергии соседним странам себе в убыток. Избыток электроэнергии из ВИЭ можно хранить в виде водорода, а затем сжигать для выработки электроэнергии, когда это необходимо.

Недостатки водородной энергетики

Стоимость зеленого водорода. Как уже говорилось выше, именно стоимость добычи самого чистого вида водорода ставит наиболее сильные препятствия в его развитии. По словам и прогнозам Минэнерго РФ, перспективы водородной энергетики связаны с удешевлением стоимости водорода, производимого электролизом воды. В качестве основных факторов обеспечения конкурентоспособности зеленого водорода рассматривается перспективное снижение капитальных затрат на электролизеры, а также стоимости электроэнергии из ВИЭ.

При масштабировании производства электролизеров их стоимость может снизиться с текущих 1000 до 200 $/кВт к 2050 году, по оценке J. P. Morgan — даже до 100 $/кВт. При реализации такого сценария к 2050 году стоимость электролизеров может снизиться до уровня менее 2 $/кг. Но с учетом применения различных программ государственного субсидирования водородной энергетики эти сроки могут быть сокращены.

Стоимость производства зеленого водорода по странам к 2050 году, евро за 1 кг

Аргентина

1,5

Австралия

1,25

Бразилия

1,25

Канада

1,5

Чили

1,25

Китай

1,25

Франция

2

Германия

2,25

Индия

1,25

Япония

2,75

Марокко

1,25

Польша

2,5

Россия

1,5

Источник: Statista

Горючесть. По сравнению с бензином, природным газом и пропаном водород огнеопаснее в воздухе, малейшие трещины в баке могут привести к трагедии. Но некоторые критики заблуждаются, когда говорят, что с развитием водородной энергетики «мир сядет на огромную пороховую бочку». Поскольку водород очень легкий — примерно в 57 раз легче, чем пары бензина, — он может быстро рассеиваться в атмосфере, и это положительный для безопасности фактор.

Хранение и транспортировка. Так как водород — самый легкий среди химических элементов, в заданном объеме его помещается значительно меньше, чем других видов топлива. Например, потребуется гораздо больший баллон с газообразным водородом, чтобы проехать заданное расстояние на автомобиле. Существующие бензобаки при этом слишком малы, чтобы вмещать количество водорода, которое необходимо для расстояния, которое покроет полный бензобак. Для решения этой проблемы сейчас модернизируют способы перевода водорода в жидкое или газообразное состояние. Его необходимо либо охладить до −253 °C, чтобы сжижать, либо сжать до давления, в 700 раз превышающего атмосферное, чтобы его можно было доставить в виде сжатого газа. 

В настоящее время водород транспортируется по специальным трубопроводам, в автоцистернах для низкотемпературных жидкостей, в трубчатых прицепах, перевозящих газообразный водород, по железной дороге или на баржах.

В свою очередь, правительства стран уже сейчас «бронируют» будущие объемы водородного сырья, проводя переговоры и подписывая соответствующие международные соглашения. В качестве примеров можно привести германо-марокканское Соглашение о сотрудничестве в сфере зеленого водорода в июне 2020 года, японо-австралийское Совместное заявление о сотрудничестве в сфере водорода и топливных ячеек в январе 2020 года и российско-германскую Декларацию о намерениях по сотрудничеству в сфере устойчивой энергетики.

Производство

В водородной энергетике большой выбор компаний. Крупнейшие представители — это производители водорода, которые в основном используют самый дешевый метод производства — паровой риформинг. Небольшие компании сосредоточены исключительно на конкретных аспектах использования водорода. Их в основном можно разделить на производителей электролизеров и производителей топливных элементов. Некоторые компании работают над тем, чтобы стать полностью вертикально интегрированным поставщиком водородной энергетики. Разберем каждую категорию отдельно.

Производители водорода

Air Products. Основное направление деятельности компании Air Products — производство атмосферных и технологических газов и сопутствующего оборудования для различных отраслей, включая нефтепереработку, нефтехимию и металлургию.

Компания в 2020 году объявила о планах строительства завода по производству экологически чистого водорода в Саудовской Аравии, работающего на ветряной и солнечной энергии мощностью 4 ГВт, — сейчас это крупнейший в мире проект. Завершенный завод будет производить 650 тонн зеленого водорода ежедневно, чего достаточно для работы около 20 тысяч автобусов.

Linde — одна из крупнейших в мире компаний, специализирующихся в области промышленных технологий по подготовке, разделению и сжижению природного газа. В 2021 году компания объявила, что подписала долгосрочное соглашение с Infineon Technologies о производстве и хранении экологически чистого водорода. Linde будет строить, владеть и эксплуатировать двухмегаваттный электролизный завод в Австрии. Завод будет производить зеленый водород с использованием технологии протонообменной мембраны (PEM) от ITM Power.

Cummins представила водородную стратегию в ноябре 2020 года. В 2019 году компания приобрела Hydrogenics, в результате чего получила технологию производства топливных элементов и электролизеры.

Все это большие компании с большим опытом в области промышленного газа. Их основное внимание сегодня уделяется серому водороду, но они также переходят на более чистые решения. Акции этих компаний привычно растут вместе с рынком, и можно говорить, что среди остальных представителей они разумно оценены.

Сравнительные показатели компаний, млрд долларов

Air Products (APD)

Рыночная капитализация

61,68

Выручка в 2020 году

8,86

P / E

29,59

P / S

6,97

Linde (LIN)

Рыночная капитализация

132,41

Выручка в 2020 году

27,05

P / E

52,72

P / S

4,69

Cummins (CMI)

Рыночная капитализация

36,49

Выручка в 2020 году

19,56

P / E

21,59

P / S

1,88

Источник: отчеты компаний

Компании по производству топливных элементов

Ballard Power Systems специализируется на интеграции топливных элементов в автобусы и грузовики. Ballard предоставляет системы топливных элементов для других компаний, которые интегрируют их в свои автомобили.

Bloom Energy производит сервера на топливных элементах, они представляют собой стационарные энергосистемы, в основном предназначенные для резервного питания. Предприятие также производит электролизеры и представило водородную стратегию в июле 2020 года.

FuelCell Energy работает в том же секторе, что и Bloom Energy. Производит электростанции на базе стационарных топливных элементов.

Plug Power стремится стать крупным производителем экологически чистого водорода. Компания приобрела предприятия по производству собственных электролизеров и водородных заправочных станций. Plug Power работает с производителями экологически чистой энергии Brookfield Renewable Partners (BEP) и Apex Clean Energy над строительством водородных заводов. Компания строит общенациональную сеть экологически чистого водорода.

PowerCell Sweden производит топливные элементы в основном для транспортных систем. У компании заключена сделка с Bosch. Bosch может производить и продавать топливные элементы на основе дизайна PowerCell Sweden.

Сравнительные показатели компаний, млн долларов

Ballard Power Systems (BLDP)

Рыночная капитализация

10 430

Выручка в 2020 году

117,65

P / S

72,10

Bloom Energy (BE)

Рыночная капитализация

6400

Выручка в 2020 году

758,40

P / S

6,44

FuelCell Energy (FCEL)

Рыночная капитализация

5820

Выручка в 2020 году

70,87

P / S

56,53

Plug Power (PLUG)

Рыночная капитализация

28 760

Выручка в 2020 году

307,54

P / S

66,94

PowerCell Sweden (PCELF)

Рыночная капитализация

2750

Выручка в 2020 году

10,31

P / S

266,12

Источник: отчеты компаний

Компании — производители электролизеров

Мы не будем подробно разбирать каждую из компаний, поскольку все они торгуются пока на внебиржевом рынке. Эти компании убыточны, поэтому сюда не включен коэффициент P / E.

Сравнительные показатели компаний, млн долларов

McPhy Energy (MPHYF)

Рыночная капитализация

1170

Выручка в 2020 году

13,96

P / S

55,49

Nel ASA

Рыночная капитализация

5570

Выручка в 2020 году

55,35

P / S

92,24

ITM Power (ITMPF)

Рыночная капитализация

450

Выручка в 2020 году

6,31

P / S

594,46

Источник: отчеты компаний

Заключение

В 2020 году возобновляемые источники энергии пережили необычный бум популярности. Этому способствовали и год окончания правления республиканцев в США, и привлекательность ESG-инвестиций, а также мягкая кредитная политика. Все это создало экономически привлекательную среду для многих компаний в этой сфере.

Хотя существует множество вариантов инвестирования в экономику экологически чистого водорода, пока входить в рынок рискованно. Эти компании все еще растут, и им необходимо достичь больших масштабов, чтобы получать прибыль в будущем. Сегодня для инвестирования в водород важна хорошая база для выбора, основанная на деятельности, оценках, партнерах и менеджменте.

Водородная энергетика, ее плюсы и минусы

Водород – элемент, который считается наиболее распространённым на нашей планете. Именно на основе водорода и существует водородная энергетика. На данный момент единого способа добычи нет. Учёные разделились на две половины. Одна половина считает, что использование водородной энергетики существенно упростит жизнь человечеству. Вторая часть утверждает, что водородная энергетика приведёт к серьёзной опасности.

Общая информация

Современные технологии позволяют использовать водород в качестве топлива. Такое топливо хватает на дольшее время. Водитель, использующий водородное топливо, может проехать на машине в два раза больше, чем при использовании топлива на другой основе. Но сейчас водородное топливо практически не используется. Только несколько изготовителей машин склоняются к выбору такого вида топлива.

Водород добывается тремя способами:

1. Химический.
2. Электролиз.
3. Термохимический.

Каждый из способов, так или иначе, захватывает природные ресурсы. Поэтому этот способ считают экономически невыгодным. Использование природных ресурсов в качестве топлива встречает достаточное количество отрицательных отзывов среди защитников природы. Хоть способ и считается экологически чистым, но многие считают, что использовать природные ресурсы попросту нельзя.

Использование природных ресурсов при получении водорода, связано с тем, что в чистом виде водорода в природе сейчас нельзя встретить. А все современные способы добычи либо затрагивают природные ресурсы, либо большое количество финансов.

Плюсы

Преимущества водородной энергетики:

• Является экологически чистым продуктом. Применение водорода в качестве топлива не наносит вред окружающей среде. Учёные выявили, что при использовании природного водорода в окружающую среду не выделяется никаких вредных веществ, что нельзя сказать про топливо на другой основе. Именно поэтому водородное топливо становится ведущей идеей учёных. Но, увы, пока не получается распространить использование водородной энергетики по всему миру.
• Автомобили на водородном топливе проезжают в 2-3 раза больше километров, чем автомобили на другом топливе. Подобное связано с тем, что водородное топливо меньше расходуется, но позволяет извлекать из себя такое же количество энергии.
• Перевозка водорода осуществляется без проблем. Водород хранится в газообразном состоянии, поэтому его легко перевозить по трубам или большим ёмкостям.
• Больший срок хранения. Условия хранения также проще, чем у другого топлива.
• Разнообразное применение. Водородная энергетика может быть применена в автомобильной сфере, промышленности, жилищном хозяйстве, инженерном деле.

Большое количество преимуществ водородной энергетики побуждают учёных задумываться над целесообразным применением природного элемента. На данный момент изучаются и разрабатываются более дешёвые способы получения водорода. Но пока всё находится на стадии изучения и разработки. Нельзя за стопроцентной уверенностью сказать, когда именно водородная энергетика будет использоваться повсеместно.

Минусы

Несмотря на плюсы, существуют также недостатки, которые оттягивают использование природного материала назад:

• Нет единого механизма по добыче. Получение водорода всё ещё представляет собой трудоёмкий процесс, который ничем не регламентирован. Существует несколько способов получения водорода. Но каждый из них не приобрёл должного распространения. Такое связано с тем, что каждый способ (указаны выше) имеет свои преимущества и недостатки. Но, как правила, недостатки перевешивают количество плюсов. Из-за этого не выбран единый способ по добыче водорода.
• Для получения используются природные ресурсы (нефть, газ и другие природные материалы). Природные ресурсы не вечны и имеют свойство заканчиваться. Поэтому учёные считают, что использовать природные ресурсы для выделения водорода нецелесообразно. Природные ресурсы лучше направить на развитие другой сферы.
• При добыче существует вероятность взрыва, так как этот элемент имеет повышенную взрывоопасность. При получении должны применяться специальные инструкции, малейшее нарушение которых может повлечь за собой большие проблемы. Но даже при соблюдении всех условий существует вероятность возникновения взрыва.
• Финансовый аспект. Добыча этого природного элемента считается неоправданно дорогой. На получение даже небольшого количества элемента отправляется очень много средств.

Сейчас учёные обращают всё большее внимание на добычу из воды. Воды на планете огромное количество – мировой океан занимает огромную часть планеты. А значит, получение водорода из этого элемента будет наиболее выгодным. Не нанесёт вред убывающим природным ресурсам и окружающей среде.

Но получение водород из воды находится только на стадии обсуждения и согласования. На данный момент не разработано однозначного способа добычи важного природного элемента их воды.

Выводы

Преимущества примерно равны недостаткам, поэтому перспектива использования водородной энергетики в будущем неоднозначна. Никто не может заявить со 100-процентной уверенностью, что будет в дальнейшем. Учёные разделились на два лагеря.

Первые утверждают, что в ближайшем будущем энергетика на природном материале станет популярной и найдёт своих клиентов. Сейчас найден дешёвый аналог добычи водорода – из воды. Осталось лишь создать устройства, с помощью которого будет осуществляться получение. Этот вопрос легко решаем, и инженеры уже ищут, чем ответить на такую задачу.

Второй лагерь учёных говорит, что использовать водород как элемент для энергетики нельзя. При его распространении мир будет на грани катастрофы. Водород – взрывоопасный элемент. Никто не знает, что можно ожидать от него в следующий момент. Как поведёт себя сам элемент при такой добыче.

Чёткого мнения нет ни в первом случае, ни во втором. Все разговоры учёных строятся лишь на догадках и гипотезах, которые пока не нашли своего практического подтверждения.

Преимущества и недостатки водородных топливных элементов при транспортировке материалов

Технология водородных топливных элементов

Водородные топливные элементы работают за счет химической реакции газообразного водорода с кислородом внутри топливного элемента, в результате которой в качестве побочных продуктов вырабатывается электричество и вода.

Водородная энергетика была популярна в 1990-х и начале 2000-х годов, когда многие думали, что она положит начало революции чистой энергии, но воображаемый новый мир водородной энергетики так и не материализовался.

Одним из основных факторов, стоящих на пути большинства новых форм энергии, является инфраструктура.

Высокие производственные затраты, неоптимальная эффективность производства и производства, а также сложные требования к хранению и транспортировке также препятствуют тому, чтобы водородные топливные элементы стали широко применяемой технологией для потребительских автомобилей.

Однако для промышленного применения водородный топливный элемент больше подходит тем, кто может позволить себе необходимую инфраструктуру для его поддержки. В этом блоге мы расскажем о преимуществах и недостатках водородных топливных элементов, используемых для питания погрузочно-разгрузочного оборудования.

Преимущество: высокая плотность энергии повышает производительность

Поскольку многие компании ищут в своих вилочных погрузчиках альтернативу двигателям внутреннего сгорания без выбросов, некоторые обращаются к технологии водородных топливных элементов.

Водородные топливные элементы не производят выбросов CO2 во время работы, даже если их производство не обязательно безуглеродное. Это дает им преимущество перед автомобилями с двигателями внутреннего сгорания, которые могут выделять небольшое количество ядовитого угарного газа и требуют хорошо проветриваемых помещений для использования внутри помещений.

Процесс заправки водородных топливных элементов прост и занимает около трех минут по сравнению с более длительным и сложным процессом замены большой тяжелой свинцово-кислотной батареи, когда ее необходимо зарядить.

По сравнению с заправкой вилочного погрузчика, работающего на пропане, процесс заправки водородными топливными элементами имеет преимущество. Поскольку плотность энергии водородных топливных элементов очень высока, оборудование, работающее на водороде, может работать дольше и с менее частой дозаправкой, чем с пропановым баллоном.

Плотность энергии водородных топливных элементов и литий-ионных аккумуляторов очень близка, что делает их отличным выбором для занятых операций, которым требуется оборудование, рассчитанное на полную смену.

Недостаток: использование ископаемого топлива в производстве водорода

Хотя верно то, что водородные топливные элементы не выделяют вредных газов во время работы, то же самое нельзя сказать о производственном процессе производства водородного топлива. На самом деле водородная энергетика почти энергонейтральна — это означает, что для ее производства требуется почти столько же энергии, сколько и того, что она производит.

Водород является одним из самых распространенных элементов на Земле, но обычно он связан с другими элементами и должен быть изолирован для использования в энергетических целях.

Распространенным способом выделения водорода является его извлечение из природного газа в процессе, называемом риформингом. Этот процесс является дорогостоящим и приводит к выбросу углекислого газа, что контрпродуктивно по сравнению с использованием источника энергии без выбросов.

Другим способом выделения водорода является электролиз, при котором он извлекается из воды и отделяется от молекулы кислорода с помощью электрического тока.

Источником этого электрического тока может быть что угодно, но сегодня электричество чаще всего вырабатывается на установках, работающих на природном газе.

Единственным по-настоящему безуглеродным способом использования энергии водородных топливных элементов является использование солнечной или ветровой энергии (которая недоступна в некоторых регионах мира) для выработки электроэнергии для процесса электролиза.

Поскольку процесс производства водородного топлива настолько сложен, использование водородных топливных элементов становится более дорогостоящим, чем использование других форм энергии. При выборе источника энергии для интеграции в погрузочно-разгрузочное оборудование руководители автопарков должны убедиться, что затраты на водородное топливо и инфраструктуру будут компенсированы значительной экономией труда по сравнению со свинцово-кислотными.

Недостаток: Хранение и транспортировка водорода

Водород можно хранить либо в виде газа в резервуарах высокого давления, либо в виде жидкости при криогенных температурах, но для использования в качестве топлива для погрузчиков он должен быть в газообразном состоянии. клетки.

Оба метода хранения водорода сопряжены с неотъемлемыми потерями энергии. Для сжатия водорода требуется около 13% от общего содержания энергии в самом водороде, а при сжижении теряется около 40%.

Источник: «Водород или батарея: случай прояснен до дальнейшего уведомления», Volkswagen AG

Газообразный водород легко воспламеняется и может легко выйти из-под сдерживания. Если газообразный водород выходит за пределы защитной оболочки, он может разъедать металлы. Это, в свою очередь, может сделать эти загрязненные металлы хрупкими и склонными к поломке.

Организации, которые в настоящее время используют водородную энергию, могут либо доставлять к ним газообразный водород в меньших количествах на автоцистернах, либо, если им требуется большее количество топлива, они должны построить на месте завод по производству газообразного водорода.

Создание инфраструктуры для использования водородных топливных элементов требует больших капиталовложений. Организациям придется работать со своими местными органами власти и пожарной службой, чтобы получить разрешение, а также беспокоиться о расходах, связанных с поставками газообразного водорода или строительством завода по производству газообразного водорода на месте.

Недостаток: эффективность топливных элементов

Водородные топливные элементы более энергоэффективны, чем двигатели внутреннего сгорания. Тем не менее, литий-ионные аккумуляторы по-прежнему являются наиболее энергоэффективными и высокопроизводительными источниками энергии для вилочных погрузчиков.

Рейтинг CE — это мера энергоэффективности батареи, которая определяет количество электронов, потерянных во время полного цикла зарядки-разрядки.

На самом высоком уровне энергоэффективность топливных элементов составляет около 60%. Типичные двигатели внутреннего сгорания имеют КПД 20-30%. Литий-ионные аккумуляторы имеют один из самых высоких рейтингов CE — 99%, а свинцово-кислотные — около 90%.

Это сравнение с точки зрения эффективности «бак-колеса»; если учесть потери от производства до утилизации, водородные топливные элементы имеют значительно более высокие потери энергии, чем батареи.

На этом сравнительном графике из исследования Копенгагенского центра энергоэффективности показаны совокупные потери энергии.

Почему литий-ионные аккумуляторы являются лучшим вариантом для электрических вилочных погрузчиков

При сравнении водородных топливных элементов с другими источниками энергии важно учитывать различия между различными типами аккумуляторов для вилочных погрузчиков.

Свинцово-кислотные аккумуляторы — это старейшая и наиболее часто используемая технология аккумуляторов, но они имеют гораздо более короткий срок службы и быстро теряют свои характеристики в течение всего цикла разрядки.

Литий-ионные аккумуляторы сохраняют постоянный уровень напряжения в течение всего цикла разрядки, поэтому они могут сохранять постоянную производительность до тех пор, пока им не потребуется подзарядка.

Водородные топливные элементы обеспечивают лучшую производительность, чем свинцово-кислотные батареи, но они не превосходят литий-ионные батареи, когда речь идет об эффективности, стоимости и безопасности.

При выборе топливных элементов для питания ваших вилочных погрузчиков убедитесь, что вы понимаете все их преимущества и недостатки.

Каковы плюсы и минусы водородных топливных элементов?

Водородные топливные элементы используют водород в качестве топлива в электрохимическом процессе, который объединяет водород и кислород для производства электроэнергии и воды. Обратный процесс электролиза, который производит «зеленый» водород и кислород из воды, может использовать ряд возобновляемых источников энергии (ветер, волны, солнце) для производства водорода в качестве топлива для производства возобновляемой энергии. Также растет интерес к водородной энергетике как к уникально чистому источнику энергии, который может производить тепло и единственным побочным продуктом которого является вода.

Зеленый водород, полученный в результате электролиза (высокоэнергетический процесс) и возобновляемых источников энергии, является дорогостоящим вариантом, на долю которого приходится лишь около 5% от общего объема производства H ₂ . В настоящее время подавляющее большинство мирового производства водорода происходит из источников ископаемого топлива (риформинг газообразного метана), и это будет продолжаться в течение нескольких десятилетий. Однако по мере роста производственных мощностей для более эффективных и рентабельных электролизеров ожидается, что затраты на производство заметно снизятся по мере развертывания зрелых технологий и мощностей по производству возобновляемой энергии.

Для создания безопасной, отказоустойчивой и обезуглероженной энергетической системы производство и хранение водорода будут играть важную роль в уравновешивании прерывистых поставок энергии из возобновляемых источников энергии с потребностями конечных пользователей (т. промышленное отопление и топливо для транспорта).

Продолжаются споры о преимуществах и недостатках водородных топливных элементов, но, несмотря на текущие ограничения, водород по-прежнему является экологически чистой альтернативой ископаемому топливу и может использоваться для обеспечения гибкой и высокой плотности энергии и движения для широкого спектра промышленных предприятий и виды транспорта, использующие технологию водородных топливных элементов.

Технология водородных топливных элементов  имеет ряд преимуществ по сравнению с другими источниками энергии, в том числе:

1. Возобновляемость и доступность

Водород является наиболее распространенным элементом во Вселенной и, несмотря на проблемы, связанные с его извлечением из воды, является уникально богатый и возобновляемый источник энергии, идеально подходящий для наших будущих потребностей в комбинированном производстве тепла и электроэнергии с нулевым выбросом углерода.

2. Водород — это чистый и гибкий источник энергии, поддерживающий безуглеродные энергетические стратегии

Водородные топливные элементы представляют собой по своей сути чистый источник энергии, не оказывающий неблагоприятного воздействия на окружающую среду во время работы, поскольку побочными продуктами являются просто тепло и вода. В отличие от биотоплива или гидроэнергетики, для производства водорода не требуются большие площади земли. Фактически, НАСА даже работало над использованием водорода в качестве ресурса, а вода, полученная в качестве побочного продукта, использовалась в качестве питьевой воды для астронавтов. Это показывает, что водородные топливные элементы являются нетоксичным источником топлива и, следовательно, превосходят уголь, природный газ и ядерную энергию, которые либо потенциально опасны, либо труднодоступны. Производство, хранение и использование водорода будут играть важную роль в дальнейшем развитии возобновляемых источников энергии за счет уравновешивания их прерывистых режимов поставок со сложными потребностями конечных пользователей, избегая необходимости значительных первоначальных инвестиций для модернизации сетевой инфраструктуры.

3. Более мощный и энергоэффективный, чем ископаемое топливо

Технология водородных топливных элементов обеспечивает источник энергии высокой плотности с хорошей энергоэффективностью. Водород имеет самое высокое содержание энергии среди всех распространенных видов топлива по массе. Газообразный и жидкий водород под высоким давлением имеет примерно в три раза большую гравиметрическую плотность энергии (около 120 МДж/кг) дизельного топлива и СПГ и аналогичную объемную плотность энергии природному газу. Эти  

4. Высокая эффективность по сравнению с другими источниками энергии

Водородные топливные элементы более эффективны, чем многие другие источники энергии, в том числе многие экологически чистые энергетические решения. Эта топливная эффективность позволяет производить больше энергии на фунт топлива. Например, обычная электростанция на основе внутреннего сгорания вырабатывает электроэнергию с КПД 33-35% по сравнению с 65% для водородных топливных элементов. То же самое касается транспортных средств, где водородные топливные элементы используют 40-60% энергии топлива, а также обеспечивают снижение расхода топлива на 50%.

5. Почти нулевые выбросы

Водородные топливные элементы не производят выбросов парниковых газов, как источники ископаемого топлива, что снижает загрязнение и, как следствие, улучшает качество воздуха.

6. Сокращает углеродный след

Почти не производя выбросов, водородные топливные элементы не выделяют парниковых газов, что означает, что они не оставляют углеродного следа во время использования.

7. Быстрая зарядка

Время зарядки силовых агрегатов на водородных топливных элементах чрезвычайно быстрое, как и у обычных автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), и заметно быстрее по сравнению с электромобилями с батарейным питанием. Там, где для зарядки электромобилей требуется от 30 минут до нескольких часов, водородные топливные элементы можно перезарядить менее чем за пять минут. Это быстрое время зарядки означает, что автомобили с водородным двигателем обеспечивают такую ​​​​же гибкость, как и обычные автомобили.

8. Отсутствие шумового загрязнения

Водородные топливные элементы не создают шумового загрязнения, как другие источники возобновляемой энергии, такие как энергия ветра. Это также означает, что, как и электромобили, автомобили с водородным двигателем намного тише, чем те, которые используют обычные двигатели внутреннего сгорания.

9. Отсутствие визуального загрязнения

Некоторые низкоуглеродные источники энергии, в том числе энергия ветра и электростанции на биотопливе, могут вызывать раздражение, однако водородные топливные элементы не требуют такого же пространства, а это означает, что визуальное загрязнение также меньше.

10. Длительное время использования

Водородные топливные элементы обеспечивают большую эффективность в отношении времени использования. Водородный автомобиль имеет такой же запас хода, как и автомобили, работающие на ископаемом топливе (около 300 миль). Это превосходит то, что в настоящее время предлагают электромобили (EV), которые все чаще разрабатываются с силовыми установками на топливных элементах в качестве «удлинителей запаса хода». Водородные топливные элементы также не подвержены значительному влиянию температуры наружного воздуха и не портятся в холодную погоду, в отличие от электромобилей. Это преимущество увеличивается еще больше в сочетании с коротким временем зарядки.

11. Идеально подходит для использования в отдаленных районах

Там, где позволяют местные условия, доступность водорода за счет местного производства и хранения может оказаться альтернативой дизельному электроснабжению и отоплению в отдаленных районах. Это не только уменьшит потребность в транспортировке топлива, но и улучшит жизнь тех, кто живет в отдаленных регионах, предлагая экологически чистое топливо, получаемое из легкодоступных природных ресурсов.

12. Универсальность использования

По мере развития технологий водородные топливные элементы смогут обеспечивать энергией ряд стационарных и мобильных приложений. Транспортные средства с водородным двигателем являются лишь одним из примеров, но их также можно использовать в небольших приложениях, таких как бытовые товары, а также в более крупных системах отопления. Подобно силовым установкам с ДВС, функции емкости накопления энергии (т. Е. Топливного бака) и размера двигателя не связаны, в отличие от мощности на основе батареи (т. Е. Для которой мощность линейно зависит от массы), что обеспечивает большую гибкость конструкции.

13. Демократизация энергоснабжения

Водородные топливные элементы могут уменьшить зависимость нации от ископаемого топлива, что поможет демократизировать энергетику и электроснабжение во всем мире. Эта повышенная независимость станет преимуществом для многих стран, которые в настоящее время зависят от поставок ископаемого топлива. Конечно, это также позволит избежать проблемы роста цен на ископаемое топливо по мере сокращения запасов.

Примеры использования водородной энергетики

TWI обладает большим опытом и знаниями в области производства электроэнергии, и вы можете узнать больше об этом здесь.