러시아의 에너지 2.0과 "수소 계곡"
내 이전 기사 수소를 미래의 연료로 사용하는 것에 대한 내용은 1937 년 전에 작성되었습니다. 댓글의 많은 사람들이 내 예측에 회의적이었습니다. 어떤 사람들은이 모든 것이 공상 과학 소설이며 실현 불가능한 "아름답다"라고 농담을했습니다. 다른 사람들은 XNUMX 년 XNUMX 월 미국 힌덴부르크 비행선의 재앙을 두려워했습니다.
그러나 레이크 허스트 공군 기지에서 발생한 비극 이후 80 년 이상이 지났습니다. 기술과 재료가 변하면서 수소 사용의 안전성 수준이 엄청나게 증가했습니다. 우리 각자는 적어도 한 번은 가스로 셔틀 버스를 탔습니다. 일부는 가스 실린더로 자동차를 개조했습니다. 그리고 모두가 살아 있습니다.
실제로 탄화수소 연료의 기존 독점이 최근까지 모든 수소 프로젝트를 차단했기 때문에 어떤면에서 회의론자들이 옳은 것으로 판명되었습니다. 그러나 세상은 가만히 있지 않습니다. 그리고 수소 에너지에 대한 저의 예측이 현실화되기 시작했습니다. 그리고 수소 연료와 탄화수소 독점의 이해 상충은 이제 고갈되었습니다.
지난 15 ~ 20 년 동안 세계 수소 시장은 40 천만 달러에서 12 억 달러로 성장했습니다. Bank of America는 수소 연료 산업이 곧 11 조 달러 시장에 진입 할 것이라고 예측합니다. 이 시장의 주요 플레이어 국가 : 캐나다, 미국, 중국, EU, 일본, 한국.
2020 년 코로나 바이러스 전염병에도 불구하고 많은 국가에서 2050 년까지 이산화탄소를 제거하거나 이산화탄소를 "제로 배출"할 계획을 발표했습니다. 그들의 계획은 석탄, 석유, 가스의 사용을 없애는 것이며 수소는 100 % 탄소 제로를 달성하기위한 진정한 대체 연료입니다.
배출량을 80 %까지 줄이는 것은 어렵지만 가능하다는 것이 밝혀졌습니다. 그러나 나머지 20 %를 제거하는 데 드는 상당한 비용은 모든 탈탄 소화 프로그램의 "걸림돌"이되었습니다.
국제 에너지 연구 컨설팅 회사 인 Wood Mackenzie는 2020 년대를 "수소 2 년"이라고 선언했습니다. 그리고 지난 40 월 유럽은 "EU 수소 전략"을 채택했습니다. "Hydrogen Europe"협회의 소위 "2030x40 GW Initiative". 그들은 XNUMX 년까지 녹색 수소를 생산하는 XNUMX 기가 와트 전해조를 배치 할 계획이며 이웃 국가에서 같은 양의 수소를 수출하기를 원합니다. 호주, 일본, 중국, 캐나다 및 여러 미국 주에서도 수소를 무공해 연료로 사용하는 전략을 발표했습니다.
수소 생산의 선두 국가들은 50 년 이내에 생산량을 XNUMX 배로 늘릴 것을 약속합니다.
새로 형성된 에너지 거인의 국제 컨소시엄 인 Green Hydrogen Catapult는 또한 2026 년까지 25 기가 와트의 녹색 수소 생산을 창출하는 동시에 비용을 킬로그램 당 2 달러로 줄일 계획입니다. 컨소시엄 회원은 사우디 아라비아의 IPP ACWA Power, 해상 풍력 터빈 개발 업체 Orsted, 중국 풍력 터빈 제조업체 인 Envision 및 이탈리아 가스 회사 Snam입니다.
Bloomberg의 수소 경제 전망에서 :
"2050 년에는 세계 에너지 수요의 24 %가 수소로 충당 될 것이며 그 가격은 오늘날의 가스 가격 수준으로 떨어질 것입니다."
즉, 수소 소비는 생산 비용의 감소에 비례하여 증가 할 것입니다.
"수소 계곡"
우리나라는 또한 세계 트렌드에서 벗어나지 않았습니다.
2015 년 러시아는 향후 XNUMX 년 동안 전력 생산으로 인한 탄소 배출량을 여러 번 감소시킬 것을 의미하는 UN 프레임 워크 협약에 서명함으로써“게임에 뛰어 들었습니다”. 지난 여름 미하일 미슈 스틴 러시아 총리는 승인 "2035 년까지 러시아 연방의 에너지 전략", 여기서 수소 에너지는 별도의 항목으로 표시됩니다.
전략 목표-
"수소 생산 및 소비 개발,
러시아 연방이 생산 및 수출 분야에서 세계 지도자 대열에 합류했습니다.
러시아 연방이 생산 및 수출 분야에서 세계 지도자 대열에 합류했습니다.
저것은 계획된다 러시아는 2024 년에 약 200 만 톤의 수소를 수출 할 것이며 2035 년까지 10 배 더 많은 약 2 만 톤의 수소를 수출 할 것입니다.
이것이 바로 수소 에너지의 통합 개발과 생산 및 수출 분야의 세계 선두 주자에 대한 국가의 진입 방법입니다. 세계 수소 시장의 10-15 %.
다음은 러시아 수소 에너지 개발 계획의 로드맵입니다.
-2020 년 말 수소 에너지 개발 개념 개발 및 수소 생산 시범 사업 지원
-2021 년 초에는 내수 시장에서 수소 수출자와 구매자에게 인센티브가 나타나야한다.
-최초의 수소 생산자는 가즈프롬 и Rosatom... 두 회사는 2024 년에 원자력 발전소, 가스 생산 시설 및 원자재 가공 공장에 파일럿 수소 발전소를 착수 할 예정입니다.
-2021 년 가즈프롬은 메탄-수소 연료를 사용하는 가스 터빈을 개발하고 시험 할 예정이다.
-2024 년까지 Gazprom은 가스 설비 (가스 터빈 엔진, 가스 보일러 등)에서 수소 및 메탄-수소 연료를 사용하고 다양한 운송 수단에서 모터 연료로 사용하는 방법을 연구합니다.
-2024 년, 로자 톰은 수소를 이용한 철도 수송 실험 장을 건설 할 예정이다. 우리는 러시아 철도, Rosatom 및 Transmashholding이 2019 년에 발표 한 사할린의 수소 연료 전지로 열차를 이전하는 것에 대해 이야기하고 있습니다.
2020 년 XNUMX 월 러시아 컨소시엄“기술 수소 계곡수소 기술을 연구하고 개발할 것입니다. 생성 된 컨소시엄에는 Tomsk Polytechnic University, Institute of Catalysis SB RAS, Institute of Problems of Chemical Physics RAS, Institute of Petrochemical Synthesis RAS, Samara State Technical University 및 Sakhalin State University가 포함되었습니다. 그러나 나중에 다른 대학과 학술 기관이 참여할 수 있습니다.
그리고 여기에 수소 에너지에 의존하는 러시아 기업들이 있습니다 : Gazprom, Gapromneft, SIBUR, Russian Railways, Severstal, Rosatom, NOVATEK. 현실을 직시하자면, 우리나라는 원자력 발전소에서 자체 개발과 수소 생성의 형태로 좋은 출발을하고있어 거의 즉각적으로 수소 생산을 증가시킬 수 있습니다.
그러나 그들이 말했듯이 뉘앙스가 있습니다 ...
수소 생산
생산 방법에 따라 수소를 색상으로 분리하는 것이 일반적입니다.
"초록" 수소 (무 탄소)-재생 가능 에너지 원 (RES)을 사용한 전기 분해;
"노랑" 수소 (무 탄소)-원자력 발전소 (NPP)를 사용한 전기 분해;
"터키 옥" 수소 (저탄소)-천연 가스 (메탄) 열분해;
"푸른" 수소 (중 탄소)-메탄 (PCM) 또는 CO2 활용 석탄 (CCS 및 탄소 포집 및 저장 기술)의 증기 개질
"회색" 수소 (고 탄소)-CO2 배출과 함께 메탄의 증기 개질;
"갈색" 수소 (고 탄소)-석탄의 가스화 또는 증기 개질.
수소를 생산하는 주요 방법과 생산을위한 에너지 소비가이 그림에 나와 있습니다.
촉매 존재 하에서 메탄의 촉매 분해에 유의하십시오 (하단 선). 이 방법의 장점은 반응 생성물에 CO2와 CO가 없을뿐만 아니라 오늘날 많은 산업에서 사용되는 가치있는 생성물 인 나노 섬유 탄소 (NFC)의 형성에 있습니다. 이제 우리 과학자들은 가스 매체에서 수소를 분리하는 촉매 막 반응기 (CMR)에 사용되는 재료의 특성을 개선하기 위해 노력하고 있습니다.
저는 흑해 바닥에있는 황화수소로부터 "녹색"수소 (KMR)를 생산하는 이국적인 방법을 발견했습니다. 흑해의 잠재적 매장량은 3 억 톤에이를 수 있습니다.
"갈색"수소를 XNUMX 단계로 생산하는 기술도 있습니다.
XNUMX 단계-석유 폐기물, 액체 가연성 폐기물, 고체 도시 폐기물, 바이오 매스, 저급 및 고 회분 석탄, 이탄, 셰일 및 기타 화석 연료로부터 합성 가스 생산.
XNUMX 단계-합성 가스를 사용하여 열, 전기, 수소 발생 (CMR에서)을 생성합니다.
우리나라에서는 다양한 액체 (디젤, 바이오 디젤, 가솔린, 메탄올, 에탄올 등) 및 기체 (메탄, 프로판-부탄, 디메틸 에테르) 연료 ...
예를 들어, 중국에서 "갈색"수소는 저급 석탄과 오일 셰일에서 산업 규모로 추출됩니다. 그러나 이로 인해 생태가 크게 악화되고 대기가 오염됩니다.
전기 분해 방법
물 전기 분해는 "녹색"수소를 생산하는 가장 환경 친화적 인 방법이지만 지금까지 세계에서 가장 비쌉니다. 유럽에서 PEM 전기 분해로 수소를 생산하는 비용은 kg 당 3,93 유로로 추정됩니다.
러시아에서는 활용도가 낮은 수력 발전소, 풍력 발전소 또는 원자력 발전소의 용량이 수소 전기 분해에 이상적입니다. 전기 분해 수소 생산과 같은 부착 된 부하의 존재는 원자력 발전소에 매우 유익합니다. 이는 일정한 전력 수준에서 발전소의 작동을 보장하고 부하가 낮은 기간 동안 부하 "정현파"를 부드럽게하기 때문입니다.
2050 년까지 우리 원자력 발전 전략의 계획에는 연간 50 천만 톤의 수소 생산이 포함되어 있으며 이는 세계 소비량의 10 %에 해당합니다.
State Corporation Rosatom의 파일럿 프로젝트에 이상적인 옵션은 Kola NPP입니다.
원자력 발전소에서 전기 분해에 의한 "황색"수소 생산을위한 에너지 소비량은 6m1 당 83000kW * h입니다. m의 수소. 최대 3 입방 미터의 생산성 m / h의 수소. 생산 된 수소의 비용은 kg 당 $ 1입니다. 그러나 유럽으로의 수소 수송은 여전히 의문의 여지가 있으며 이러한 방식으로 생성 된 "황색"수소는 "재생 가능"으로 인증되지 않을 수 있으며 이는 EU 시장에 매우 중요합니다.
또한 Rosatom은 유럽과 아시아의 국내 및 수출 시장에 수소를 공급하기 위해 "서부"및 "동부"수소 클러스터를 조직하고 있습니다. Rosatom은 현재 두 가지 유망한 프로젝트에 대한 타당성 조사를 진행하고 있습니다. 이것은 사할린에서 수소 열차의 발사와 러시아 수소의 일본 수출이다.
전기 분해는 아직 필요한 양으로 경제적으로 실행 가능한 수소 생산을 제공 할 수 없음을 인정해야합니다. 이제 전 세계적으로 메탄의 증기 개질 (PCM) 기술을 사용하여 천연 가스에서 대규모 수소 생산이 이루어지고 있습니다. 사실,이 경우 초기 가스의 거의 절반이 연소되고 연소 생성물이 환경으로 방출됩니다. 그러나 가스 노동자들은 행복하고, 그들의 제품은 수요가 있으며, 그것으로부터 저렴한 "회색"수소를 얻고 그것을 대량으로 수익성있게 판매 할 수 있습니다.
그러나 PCM (증기 메탄 개질) 기술에서 고온 가스 냉각 반응기 (HTGR) 또는 고온 가스 냉각 토륨 반응기 (HTGTRU)의 열을 사용하면 생산을위한 우수한 탠덤을 얻을 수 있습니다. 전기와 "청색"수소. 이것은 천연 가스, 전기를 절약하고 환경으로의 유해한 배출을 방지합니다.
이 계획에 따르면 유망한 원자력 발전소 (AETS)가 개발 될 수 있으며, 이는 천연 가스 비용에 가까운 가격 인 친환경 "노란색"및 값싼 "청색"수소의 대규모 생산을 보장 할 것입니다. 따라서 열용량이 200MW 인 HTGR 모듈 하나만 연간 약 100 만 톤의 수소를 생산할 수 있습니다.
수소 저장 및 운송
수소의 높은 "유동성"으로 인해 예를 들어 액화 천연 가스 (LNG)와 같이 장거리 운송이 매우 어렵습니다.
액체 수소 수송의 문제는 물질의 분자가 너무 작아서 -253 ° C 이상의 온도에서 금속 용기의 원자 구조를 통해 스며들 수 있다는 것입니다. 오랜 시간 동안 이러한 온도를 대량으로 유지하는 것은 매우 에너지 집약적입니다. 그러나 또 하나의 문제가 있습니다-수소 취성 및 원자 수소의 영향으로 금속 파괴. 고강도 강철, 티타늄 및 니켈 합금도 적용됩니다.
오늘날 대량으로 수소를 저장하는 것은 경제적으로 불가능합니다. 과학자들은 여전히 효과적이고 안전한 저장 방법을 개발하고 있습니다. 따라서 현장에서 직접 수소를 생산하고 소비량의 10 % 만 저장하는 것이 더 합리적입니다. 이는 생산 및 소비의 연속 사이클을 의미합니다.
적은 비율로도 폭발성 "폭발성 가스"가 산소와 함께 형성된다는 사실을 잊지 마십시오. 그러나이 효과는 메탄-수소 혼합물 (MHM)에서도 멈출 수 있으며, 30 % 수소 농도로도 안전합니다.
수소는 가즈프롬이 특허 한 단열 메탄 전환 기술 (ACM)을 사용하여 메탄 (또는 MBC)에서 생산됩니다. 유럽으로의 수소 공급은 이러한 방식으로 수행 될 계획이며이를 위해 Nord Stream-2 파이프 라인 건설이 긴급하게 완료 될 것으로 예상 할 수 있습니다. 독일은 2050 년까지 완전히 수소로 전환해야하는 수소 교리를 제시했기 때문에 모든 유럽 국가보다 이에 더 관심이 있습니다. 언론은 Gazprom이 건설중인 가스 파이프 라인의 상륙 근처에 대규모 수소 생산 공장을 건설하고 심지어 독일에서 CO2를 역으로 역전시킬 수 있도록 주최측에 제안했다고 전했습니다.
미래에는 액체 가역 수소화 유기 화합물 (LOHC), 메탄올, 암모니아를 사용하여 수소를 수송 할 수 있습니다. 그러나 이것에 대해서는 "향기"의 독성과 역반응에 대한 매우 가혹한 조건과 같은 문제가 있습니다.
우리 과학자들은 또한 수소를 저장하는 훨씬 더 효율적인 방법을 개발했습니다. 그것은 구조에 수소를 보유하는 LaNi5 기반 고체 가역 수소화 금속 및 합금의 독특한 능력을 기반으로하며 원자의 패킹 밀도는 액체 수소의 원자 밀도보다 높습니다.
이 방법을 "금속 간"수소 저장이라고합니다. 금속 간 저장 장치 (IMS)는 이미 제조 및 테스트되어 효율성과 신뢰성이 입증되었습니다. 이러한 소형 저장소에서 수소를 추출하려면 소비자는 단순히 가열하면됩니다.
결론적으로, 저장 구조를 수백만 개의 독립적 인 모세관 (마이크로 볼륨 또는 소위 폴리 모세관 매트릭스)으로 나누는 원리를 기반으로하는 나노 모세관 저장 및 수소 수송 (CNT)의 또 다른 고유 한 기술을 소개하고자합니다. . 이러한 수소 축적 기는 경량, 소형화 및 폭발 안전성과 같은 여러 가지 장점을 가지고 있습니다.
현미경으로 수소를 저장하기위한 나노 모세관 구조
연료 전지 및 수소 엔진
고체 산화물 연료 전지 (SSF)는 수소를 전기 에너지로 전환하는 주요 변환기입니다. 이 장치는 연료 (수소)의 화학 에너지를 연소하지 않고 산소를 산화시켜 전기 에너지로 직접 변환합니다.
TFC 내부에서 수소 분자는 산소 이온과 화학 반응을 일으키고 출력은 전기, 열 및 수증기입니다. 연료 전지는 수소, 메탄, 부탄 또는 합성 가스와 같은 다양한 탄화수소 연료로 작동 할 수 있습니다. 그들의 전기 효율은 60 %에 이르고 미래에는 80 %에 이르며 화력, 가스 터빈 또는 원자력 발전소의 효율은 약 40 %입니다.
BTE-84는 고체 폴리머 연료 전지를 기반으로 생성되며 합성 가스 (수소)와 공기에서 작동하며 최소 과압은 0,004kg / sq입니다. cm, 정격 출력 6,5kW, 전압 범위 40–80V, 부하 전류 0–160A, 작동 온도 + 60ºC, TE 수-84, 무게-72kg.
에너지 효율 측면에서 수소는 기존 연료보다 3 ~ 4 배 더 높으며 1806 년 내연 기관용 연료로 처음 사용되었습니다. 소련에서는 포위 된 레닌 그라드 전쟁 중에 휘발유 부족으로 인해 수소가 수송에 사용되었습니다.
이와 같이 개발 된 현대식 수소 로터리 피스톤 엔진 (RPE)은 주로 연비를 높이기 위해 전기 자동차에 장착 될 계획입니다. 그리고 다양한 유형의 운송을위한 가스 터빈 엔진에서 2024 년까지 수소와 메탄-수소 연료의 사용은 Gazprom에 의해 테스트되어야합니다.
수소 붐
그리고 디저트로는 짧은 세계를 선물합니다 뉴스 수소 주제에.
캐나다연간 약 3 백만 톤의 수소를 생산하는은 이미 오늘날 XNUMX 대 수소 생산 업체 중 하나이며 시장 수요가 증가하고 있습니다.
미국 세계 최대의 수소 전기 채굴 덤프 트럭 인 UFCEV 클래스를 개발하고 있습니다.
자동차 문제 General Motors는 2035 년까지 탄소 중립이 될 것이라고 발표했습니다. 그리고 이것은 내연 기관이있는 자동차를 버리는 것뿐만 아니라 자동차 거인의 모든 공장이 재생 가능한 "녹색"에너지 원만을 사용할 것임을 의미합니다.
일본 2019 년에 러시아는 물론 러시아 철도, 트랜스 마쉬 홀딩 및 지역 당국과 수소 연료 전지 열차를 이용한 사할린 철도 운송 개시에 관한 계약을 체결했습니다. 일본은 2035 년까지 내연 기관 차량 판매를 금지 할 예정입니다. 세계 최대 규모의 태양열 수소 발전소가 2020 년 후쿠시마에 문을 열었으며 하루 최대 560 대의 연료 전지 차량에 연료를 공급할 수 있습니다.
현재 미국에는 이미 100 개의 수소 충전소가 운영되고 있으며 2030 년까지 900 개가 더 건설 될 예정입니다. Kawasaki는 액체 수소를 수송하는 세계 최초의 선박을 출시했습니다. 2020 년 100 월 일본 컨소시엄 NYK 라인은 XNUMX 인승 연료 전지 투어링 보트 개발 계획을 발표했습니다.
한국 현대차는 러시아 시장에 수소 전기차를 공급할 계획이며 이에 상응하는 인프라 구축을 위해 로자 톰과 협의 중이다.
조선사 삼성 중공업과 블룸 에너지가 SOFC (Scalable Solid Oxide Fuel Cell) 기반 선박 개발을 발표했다.
중국 최초의 수소 자동차 인 Grove Obsidian을 1km 범위로 출시했습니다. 000 년 말 중국에는 약 2020 대의 수소 전기차가있었습니다. 6 년까지 165 만대, 2025 년까지 50 만대로 늘릴 계획이다. 000 년까지 수소 충전소 2030 대, 1 년까지 주유소 350 대를 건설 할 계획이다.
호주 1,5GW 용량의 태양열 및 풍력 에너지로 구동되는 암모니아 (수소 수송)를 생산할 계획입니다.
사우디 아라비아. ACWA Power는 US Air Products와 협력하여 4GW 녹색 수소 및 암모니아 공장을 건설하고 있습니다.
영국 2030 년에 내연 기관이있는 자동차를 금지하고 2050 년까지 완전히 "탄소없는"에너지로 전환 할 계획입니다. Shearwater Energy는 풍력 터빈, 미국 NuScale 모듈 형 원자로 및 수소 생산을 결합 할 노스 웨일즈의 하이브리드 발전소를 연구하고 있습니다.
노르웨이 페리와 유람선에 연료를 공급하기 위해 Geirangerfjord에 수소 생산 공장을 건설 할 계획입니다. 그들은 2021 년에 첫 수소 증기를 사용할 계획입니다.
네덜란드. 가스 네트워크 운영자 인 Gasunie와 Groningen 항구가 NortH2 컨소시엄을 구성했습니다. 계획은 10 년까지 해상 풍력 발전 단지에서 최대 2040GW의 전력 용량을 할당받은 "유럽 수소 계곡"을 만드는 것입니다.
독일 중공업 및 석유 화학 생산을 포함하여 2050 년까지 경제의 모든 영역을 수소로 전환하는 수소 교리를 제시했습니다. 동시에 그들의 수소 전략은 실제로 독일의 수소 문제를 해결할 수있는 "이웃 국가"로서 러시아를 겨냥하고있다.
프랑스 가장 큰 원자력 발전소 운영자 인 EDF는 수소 에너지를 개발하기 위해 자회사 인 Hynamics를 설립한다고 발표했습니다.
Airbus는 "클래식"터보 제트, 터보프롭 및 통합 동체 (비행 날개) 항공기의 세 가지 수소 항공기 개념을 공개했습니다.
이탈리아. 조선 회사 Fincantieri SpA는 선박의 탈탄 소화를 위해 PowerCell을 선택했습니다.이 회사는 회사의 선박과 요트에서 발전을 위해 MS-30 연료 전지를 테스트 할 것입니다.
우크라이나 미국에 수소 생산 공장을 건설 할 가능성을 찾고
"원자력 과잉의 조건에서",
EU로 수출합니다.
러시아 어떻게 든 아무렇게나 소란스럽지 않고 자동차, 버스, KamAZ 트럭, 트램, 비행기 및 기차를 포함한 수소 수송의 자체 개발을 발표했습니다. 또한 수소의 생산 및 저장을위한 많은 고유 한 개발 및 기술은 선택한 방향으로 국가의 전략적으로 올바른 발전을 나타냅니다.
NTI IPCP RAS 센터의 수소 기술 분야 개발 검토
https://youtu.be/jWCmG2wZles
https://youtu.be/jWCmG2wZles
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