УДК 661.96 [примечание редактора- https://teacode.com/online/udc/ ] ВОДОРОД ИЗ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Р.И. Столярова, Л.С. Макарова, Д.О. Шарапов, З.Р. Файзуллина Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа, Российская Федерация email: [email protected] Аннотация. [примечание редактора- Аннотация не менее 200 слов] В статье рассмотрены основные тенденции, проблемы и перспективы использования водорода как альтернативного источника энергии. Приведена классификация видов водорода и основной принцип получения каждого из них. В силу усиливающегося международных глобальной энергетических экономики рынков необходимо влияния на развитие курса на стремиться декарбонизацию к достижению климатической нейтральности и отсутствия загрязнения окружающей среды путем перехода на использование низкоуглеродных и безуглеродных источников энергии. Поскольку именно водород как экологически чистое топливо может сыграть одну из ключевых ролей в курсе на декорбоназации, в работе проводится анализ способов его получения в контексте проблемы загрязнения окружающей среды диоксидом кислорода, а также анализ стоимости получения различных видов водорода. На сегодняшний день немало важно развивать альтернативную энергетику. В частности, в статье рассмотрены методы получения водорода из ископаемых и возобновляемых источников энергии. По мнению авторов, использование зеленого водорода, в особенности получаемого из солнечной энергии, может существенно улучшить экологические показатели планеты. Представлена оценка стоимости производства зеленого водорода из возобновляемых источников энергии. Результаты анализа говорят о вполне возможной конкурентоспособности водорода из солнечной энергии как топлива. Солнечная энергия, как возобновляемый и изобильный источник, может стать возможным устойчивым решением растущего мирового спроса на энергию. Ключевые слова: [примечание редактора- не менее 5 слов/словосочетаний] водород, солнечная энергия, зеленый водород, декарбонизация, диоксид водорода, водородная энергетика, альтернативные источники энергии, ископаемое топливо, возобновляемая энергия, производство водорода, стоимость водорода. HYDROGEN FROM SOLAR ENERGY R.I. Stolyarova, L.S. Makarova, D.O. Sharapov, Z.R. Faizullina Ufa state petroleum technological university, Ufa, Russian Federation Abstract. The article discusses the main trends, problems and prospects for the use of hydrogen as an alternative energy source. The classification of hydrogen types and the basic principle of obtaining each of them are given. Due to the increasing influence on the development of international energy markets of the course towards the decarbonization of the global economy, it is necessary to strive to achieve climate neutrality and the absence of environmental pollution by switching to the use of low-carbon and carbon-free energy sources. Since it is hydrogen as an environmentally friendly fuel that can play one of the key roles in the decorbonation course, the paper analyzes the methods for its production in the context of the problem of environmental pollution with oxygen dioxide, as well as an analysis of the cost of obtaining various types of hydrogen. Today it is very important to develop alternative energy. In particular, the article discusses methods for producing hydrogen from fossil and renewable energy sources. According to the authors, the use of green hydrogen, especially derived from solar energy, can significantly improve the environmental performance of the planet. An estimate of the cost of producing green hydrogen from renewable energy sources is presented. The results of the analysis indicate the quite possible competitiveness of hydrogen from solar energy as a fuel. Solar energy, as a renewable and abundant source, could be a possible sustainable solution to the growing global energy demand. Key words: hydrogen, solar energy, green hydrogen, decarbonization, hydrogen dioxide, hydrogen energy, alternative energy sources, fossil fuels, renewable energy, hydrogen production, hydrogen cost. [примечание редактора- полный текст статьи на русском или английском языке. Объем статьи не менее 14 000 знаков без пробелов] В современном мире значительное распространение получают тренды к расширению использования альтернативных источников энергии. Все более значимую роль в данном сегменте играет водород. В качестве энергоносителя этот химический элемент известен миру уже более полутора столетий. Однако специфические физико-химические свойства и высокая стоимость его производства пока не позволили водороду получить широкого применения в отраслях ТЭК. Поскольку влияние курса на декорбонизацию глобальной экономики на развитие международных энергетических рынков усиливается, мировое сообщество стремится к поступательному переходу на использование низкоуглеродных и безуглеродных источников энергии. И именно водород как экологически чистое топливо может сыграть одну из ключевых ролей в достижении углеродной нейтральности. Таким образом, сегодня водородная энергетика получает второй шанс на ускоренное развитие [1] [примечание редактораисточники нумеруются по порядку их упоминания в тексте]. Водород, являющийся элементарным топливом, обладает рядом важнейших свойств – горение с образованием воды без побочных продуктов и возможность его эффективного преобразования в электроэнергию посредством топливных элементов [2]. Технология получения «зеленого» водорода является наиболее чистой, газ добывается путем электролиза воды с применением электроэнергии, произведенной из возобновляемых источников (ВИЭ) (рисунок 1 [примечание редактора - рисунки должны располагаться непосредственно после текста, в котором они упоминаются. Рисунки должны быть четкими, фотографии — контрастными. Рисунки должны быть продублированы в виде отдельных файлов. Разрешение — не более 400 пикс/дюйм]. Рисунок 1 – Классификация водорода, предложенная Европейским союзом [3] Технологии солнечно-водородной энергетики способны не только обеспечить чистой энергией многие отрасли производства и бытовые нужды населения, но и обеспечить продвижение многих отраслей по инновационному пути развития и создание базовых технологий в промышленности, решить задачи освоения новых видов синтеза водорода с целью повышения эффективности его производства и получения экономической выгоды. Состояние и актуальность водородной энергетики. В настоящее время водородная энергетика особенно популярна. Практически во всех странах мира развитие водородных технологий является энергетической стратегий. Данный интерес обусловлен рядом причин [4, 5]: некоторые виды производимого водорода имеют интерес с экологической точки зрения; снижение спроса на традиционные источники энергии; увеличение доли возобновляемых источников энергии; водород используется в качестве ракетного топлива, что дает возможность освоения космоса; развитие транспортной инфраструктуры; развитие технологий и др. На сегодняшний день в России основная часть (около 98% от общего количества) производимого водорода используется в нефтепереработке и в химической промышленности (в первую очередь, для производства аммиака и метанола). Оставшиеся 2% используются в энергетическом потреблении (рисунок 2). Рисунок 2 – Структура потребления водорода в России [4] В Российской водородной энергетике наибольший представляют три сценария: развитие «серого» водорода; развитие «желтого (оранжевого)» водорода; развитие «синего (голубого)» водорода. интерес В России слабо развит сектор возобновляемых источников энергии. Для производства такого вида водорода необходимо приложить большие усилия и затратить огромные средства, поэтому производство «зеленого» водорода на сегодняшний день не осуществлено. В ближайшее будущее национальные стратегии направлены на увеличение производства водорода и снижение его себестоимости независимо от того, каким способом он производится. Стратегии водородной энергетики некоторых стран представлены в таблице 1 [примечание редактора - рисунки должны располагаться непосредственно после текста, в котором они упоминаются. Размер шрифта для таблиц 10 – 11. Межстрочный интервал – 1,0]. Таблица 1 – Сравнительная характеристика действующих водородных стратегий некоторых стран [3] Страна Япония ЕС Германия Франция Норвегия Ориентиры Базовая водородная стратегия 2017 года Достижение «общества водорода» для повышения энергобезопасности и декарбонизации Ориентация на импорт водорода (с акцентом на «зеленый» водород после 2040 года) Основное применение в электроэнергетике Развитие экспорта автомобилей на топливных элементах (например, Toyota) Водородная стратегия для климатически нейтральной Европы 2020 года Достижение климатической нейтральности и отсутствия загрязнения Использование водорода на основе энергии ветра и солнца Национальная водородная стратегия 2020 года Достижение климатической нейтральности Ориентация на импорт и внутреннее производство «зеленого» водорода Основное применение на транспорте и в промышленности Развитие технологий Power-to-X Национальная стратегия развития «чистого» водорода 2020 года Достижение климатической нейтральности Расширение мощностей электролиза и внутреннее производство «зеленого» водорода - Основное применение на транспорте и в промышленности Водородная стратегия 2020 года Достижение климатической нейтральности Расширение мощностей электролиза и внутреннее производство «зеленого» водорода, в т.ч. с использованием CCS Основное применение на транспорте и в промышленности Анализируя данные из аналитического центра на основе стратегий и обзоров Bennett Jones (таблица 1), можно сделать вывод, что у данных стран наибольший интерес представляет низкоуглеродная водородная энергетика, согласно которой выбросы углекислого газа в атмосферу значительно сокращаются. Такой водород на сегодняшний день в основном производится из природного газа или угля с использованием технологий улавливания и хранения углерода или путем электролиза, используя электроэнергию с низким углеродным следом. Методы получения водорода. Для производства H2 доступно множество различных процессов, которые в зависимости от используемого сырья может быть разделены на две основные категории, а именно: традиционные и возобновляемые технологии [6]. Производство водорода из ископаемого топлива. Существует несколько технологий получения водорода из ископаемое топливо, основными из которых являются риформинг углеводородов и пиролиз. Эти методы являются наиболее разработанными и распространенными [6]. Способы риформинга углеводородов. По определению, риформинг углеводородов - это процесс, посредством которого углеводородное топливо превращается в водород через некоторые методы реформирования. Помимо углеводорода, другие реагентом для процесса риформинга может быть как пар, эта реакция известна как паровой риформинг или кислород, такая реакция известна как частичное окисление. Если объединить эти две реакции, то процесс называется автотермическим [6]. Пиролиз углеводородов. Пиролиз углеводородов – хорошо известный процесс, в котором единственным источником водорода является углеводород, который подвергается термическому разложению в результате следующих общих реакций [6]: Cn H m nC 1/ 2mH 2 (1) [примечание редактора - Формулы выполняются в математическом редакторе и также имеют сквозную нумерацию]. Заключение. Водород, являющийся элементарным топливом, обладает рядом важнейших свойств. Его использование в энергетике позволит снизить уровень выбросов и решить ряд экологических проблем. Как газообразное химическое топливо водород может заменять углеводороды в двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах и системах отопления. Кроме того, его можно использовать для прямого получения электрической энергии с помощью топливных элементов [7]. Водород, получаемый из возобновляемых источников энергии, называется «зеленым» и является самым перспективным направлением в альтернативной энергетике. До сегодняшних дней водород из ВИЭ производился в наименьшей степени (лишь на 4% от общего количества), оставшиеся же 96% составляли его получение из ископаемого топлива [8]. Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Так, использование всего лишь 0,0125% этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% - полностью покрыть потребности на перспективу. Однако одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения. Кроме того, солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. На сегодняшний день стратегии многих стран направлены на широкое внедрение технологий по производству именно «зеленого» водорода. Россия не остается в стороне и предлагает ЕС свои ресурсы для производства экологически чистого водорода. Данные, полученные в результате анализа стоимости получения водорода различными методами, говорят о его вполне возможной конкурентоспособности как топлива в ближайшие 15-20 лет [9-10]. По оптимистическим оценкам наиболее выгоден водород, получаемый из природного газа (в сжатом виде стоимость его производства 1,2 долл./кг H2), но он не представляет интереса с экологической точки зрения, в отличие от водорода, получаемого из солнечной энергии, однако он является самым дорогим и его стоимость в сжатом определенную виде составляет 7,1 долл./кг H2. В ближайшем будущем водород может занять нишу в энергетическом балансе России. Это требует интенсификации научных исследований по разработке водородных технологий и подготовки к их встраиванию в национальную экономику. [примечание редактора – полный текст статьи должен быть не менее 14 000 знаков без учета пробелов]. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ [примечание редактора – На все использованные источники должны быть ссылки в тексте. Общее количество источников - не менее 7, оформленных в соответствии с ГОСТ Р 7.0.5-2008. Русскоязычные ссылки— на русском языке, иностранные публикации— на иностранном языке. В выходных данных публикаций необходимо указывать место издания, издательство, год издания, общий объем страниц (для книг) или диапазон страниц (для статей). В русскоязычной статье список источников дополнительно дается в транслитерации.]. 1. Попадько Н.В. Водородная энергетика и мировой энергопереход / Н.В. Попадько, Г.И. Рожнятвский, Д.И. Дауди // Инновации и инвестиции. – 2021. – № 4. – С.59. REFERENCES 1. Popadko, N.V. Vodorodnaya energetika i mirovoi energoperehod / N.V. Popadko, G.I. Rozhnyatvskii, D.I. Daudi // Innovation and investment.– 2021. – № 4. – P.59.
