1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Энергетика
  4. № 6, 2022

Известия РАН. Энергетика, 2022, № 6, стр. 3-9

Оценка конкурентоспособности алюмоводной технологии получения водорода

Э. П. Волков *

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
Москва, Россия

* E-mail: volkov_ep@ihed.ras.ru

Поступила в редакцию 25.07.2022
После доработки 12.08.2022
Принята к публикации 15.08.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

В статье приводятся результаты сравнения стоимости производства высокочистого водорода «без углеродного следа» по технологиям окисления алюминия водой (алюмоводная технология) и электролиза воды. Показано, что в случае низкой стоимости электроэнергии (менее 3 центов/кВт ч) преимущество имеет алюмоводная технология, а более 3 центов/кВт ч – электролиз воды. При этом указаны некоторые преимущества алюмоводной технологии: 1) использование одного агента для получения водорода – электроэнергии и поэтому возможность размещения установок практически в любой точке на территории страны; 2) экономия энергии на сжатии водорода для рабочих параметров (20–90 МПа) из-за наличия в цикле при осуществлении алюмоводной технологии низкопотенциального тепла и 3) возможность снижения цены водорода при крупнотоннажном производстве (более 10 млн м3 водорода в год) из-за незначительного роста капитальных вложений в гидроокислительную установку алюминия.

Ключевые слова: водород, конкурентоспособность, алюмоводная технология, метод гидротермального окисления, метод электролиза воды

Оценку конкурентоспособности алюмоводной технологии получения водорода методом гидротермального окисления алюминия проведем по отношению к получению водорода методом электролиза воды, как к единственному на сегодняшний день методу получения водорода в промышленном масштабе, в котором может отсутствовать углеродный след. Оценка ведется на основе сравнения себестоимости получаемого водорода по методу электролиза воды и по алюмоводной технологии.

Себестоимость водорода, получаемого по методу алюмоводной технологии, рассчитывается исходя из соотношения капитальных и эксплуатационных затрат.

В случае стоимости электроэнергии 0.01 USD/кВт ч цена водорода равна 3.45 USD/кг H2, при стоимости электроэнергии 0.03 USD/кВт ч – 6.05 USD/кг H2 [1].

Расчет себестоимости получаемого водорода методом электролиза воды проводим для сопоставления по той же методике, что и расчет себестоимости водорода, получаемого по алюмоводной технологии [1].

Отсюда, требуется оценить капитальные и эксплуатационные затраты получения водорода методом электролиза воды по всей технологической цепочке с учетом коммуникаций и оборудования.

Основным оборудованием в случае электролиза воды являются:

1. Электролизеры воды с преобразователями напряжения и коммуникациями.

2. Установки по подготовке дистиллированной воды.

3. Компрессоры для доведения давления до рабочих значений (200–700 атм.).

4. Здания и сооружения технологического комплекса.

Основными эксплуатационными затратами являются затраты на используемую электроэнергию и дистиллированную воду, а также затраты на поддержание надежного и устойчивого функционирования установок по производству водорода.

Исходя из вышесказанного, эксплуатационные затраты состоят из:

1) Расхода и стоимости электроэнергии на электролиз воды;

2) Расхода и стоимости дистиллированной воды;

3) Расхода и стоимости электроэнергии на компримирование водорода до рабочих параметров и ежегодный ремонт компрессоров;

4) Затрат на оплату эксплуатационного персонала, обслуживание оборудования, проведение ремонта и закупку необходимых для функционирования комплекса расходных материалов.

Конкретные значения капитальных и эксплуатационных затрат взяты из данных реальной эксплуатации установок по электролизу воды, прежде всего из данных введенной в эксплуатацию в 2020 г. крупной установки производительностью 3000 т водорода в год, которая содержит четыре протонно-обменных мембранных электролизера воды (PEM-electrolyzer) по 5 МВт мощностью каждый, производительностью 8.2 тонны в сутки низкосодержащего углерод водорода. Такая установка сооружена в провинции Квебек (г. Беканкур, Канада) и снабжается электроэнергией от гидроэлектростанции.

Время жизни такой системы 60 000 часов – 6.8 года [7].

Тогда CAPEX·CFR = 11.78/6.8 USD/кг H2/год = 1.73 USD/год.

В работе [6] Glenk G. and Reichelstein S. приводят капвложения в протонно-обменную электролизную систему в Германии на уровне 2700 USD/kW.

1.2. Капитальные затраты на производство дистиллированной воды

Исходя из соотношения вода : водород = 9 : 1 и принимая, что стоимость дистиллята определяется капзатратами на катионитовые и анионитовые фильтры, и затратами на их эксплуатацию, стоимость 1 кг дистиллята при его производстве на тепловых электростанциях Северо-Запада и центра России равна

Сдист = 1000–1500 руб./т или 14.1–21.1 USD/т H2O (0.014–0.021 USD/кг H2O).

При условии худшего исходного качества воды стоимость дистиллята в условиях России возрастает до 3000 руб./т или 0.042 USD/кг H2O.

Таким образом, при производстве 1кг водорода стоимость использованного дистиллята в России лежит в диапазоне 0.13–0.38 USD/кг H2O. В расчетах принимаем Сдист = 0.26 USD/кг H2O. В других странах это значение будет выше.

1.3. Капзатраты на компримирование водорода

Одним из существенных недостатков водорода в качестве энергоносителя является его низкая плотность. Поэтому для его использования в качестве рабочего агента требуется его компримирование до давлений (20–70) МПа. Для этой цели традиционно используются механические компрессоры водорода (поршневые, мембранные), что значительно увеличивает стоимость водорода. Применяемые в настоящее время в промышленности механические компрессоры имеют ряд недостатков: сложность конструкции, недостаточная надежность, высокая стоимость обслуживания, вероятность утечки водорода и загрязнение водорода маслом, сильный шум и вибрации при работе.

По данным NREL [8] стоимость компримирования составляет до 70% общей стоимости доставки, хранения и выдачи водорода.

Если для компримирования используется механический компрессор фирмы Penev, то его основные показатели будут следующими [9]:

Производительность – 133 кг H2/час или 1 168 000 кг/год.

Ресурс – 30 лет.

Ремонт – 31 000 USD/год (0.026 USD/кг H2).

Расход электроэнергии – E = 4.35 кВт ч/кг H2.

Капзатраты – 14 005 276 USD или 12 USD/кг H2/год.

Тогда удельные ежегодные капзатраты:

K·CFR = 12/30 = 0.4 USD/кг H2.

1.4. Капзатраты на здания и сооружения

Исходя из соотношения стоимости зданий и оборудования 1 : 10, удельные капзатраты с учетом полной амортизации составят 0.2 USD/кг  H2.

Всего удельные капитальные затраты на производство водорода методом электролиза воды равны

${{{\text{K}}}_{{{{{\text{H}}}_{{2{\text{\;}}}}}}}} = 1.73 + 0.26 + 0.4 + 0.2 \approx 2.6~~{\text{USD/кг}}\,{{{\text{H}}}_{2}}.$

2. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ЗАТРАТЫ НА ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЫ

Учитывались следующие эксплуатационные затраты:

2.1. Расход и стоимость электроэнергии на электролиз воды

Это значение для современных электролизеров лежит в диапазоне 47–66 кВт ч/кг H2 [3, 4, 6]. При этом, как правило, не учитывают расход электроэнергии на систему в целом, включая вспомогательные устройства и оборудование (преобразователи, размыкатели, коммуникации, материалы анодов и т.д.)

Такое включение, формирующее электролизную систему, увеличивает стоимостной диапазон, который возрастает до 50–83 кВт ч/кг H2 [4, 7, 10]. Для оценки расходов на электроэнергию примем среднее значение удельного расхода электроэнергии на систему 66.5 кВт ч/кг H2.

Отсюда стоимость потребляемой электроэнергии на электролиз воды при ее цене 0.01 USD/кВт ч составит 0.665 USD/кг H2 и при цене 0.03 USD/кг H2 ~ 2 USD/кг H2.

2.2. Стоимость воды, подвергающейся электролизу для получения водорода

Дистиллированная вода, используемая для получения водорода, в зависимости от качества исходной воды и метода получения дистиллята (химобессоливание или получение с помощью паропреобразователей), имеет цену от 1000 до 3000 рублей за тонну – 0.014–0.042 USD/кг.

С учетом расхода воды на получение 1кг водорода (9 : 1) ее цена будет равна 0.13–0.38 USD.

В расчетах принято: Cдист = 0.26 USD/кг H2O.

Данное значение учитывает и капитальные и эксплуатационные расходы на получение дистиллята.

2.3. Эксплуатационные затраты на компримирование водорода и ремонт компрессора:

– при цене электроэнергии 0.01 USD/кВт  ч и ежегодных ремонтах стоимостью 31 000 USD эти затраты будут равны 0.0435 + 0.026 = 0.07 USD/кг H2;

– при цене э/э 0.03 USD/кВт  ч ‒ 0.13 + 0.026 = 0.16 USD/кг H2.

2.4. Затраты на оплату эксплуатационного персонала, проведение ремонта, обслуживание оборудования и закупку необходимых для функционирования комплекса расходных материалов

С учетом того, что стоимость замены стэков (набора электролитических ячеек) учтена нами при выборе времени эксплуатации электролизера (~7 лет), в данную статью затрат входят только расходные материалы и оплата персонала. В этом случае затраты будут не более 0.5 USD/кг H2.

Стоимость получения водорода

В целом капитальные и эксплуатационные затраты на получение 1 кг водорода методом электролиза воды составляют:

– при стоимости электроэнергии 0.01 USD/кВт ч

Затраты = 2.6 USD + 0.665 USD + 0.26 USD + 0.07 USD + 0.5 USD = 4.10 USD;

– при стоимости электроэнергии 0.03 USD/кВт ч

Затраты = 2.6 + 2 + 0.26 + 0.16 + 0.5 = 5.52 USD.

Таким образом, стоимость водорода, получаемого методом окисления алюминия водой и методом электролиза воды (с учетом использования исходных данных в достаточно широком диапазоне), примерно одинаковая. (Соответственно 3.45 USD/кг H2 и 6.05 USD/кг H2 при стоимости электроэнергии 0.01 USD/кВт ч и 0.03 USD/кВт ч при производстве по алюмоводной технологии и 4.10 USD/кг  H2 и 5.52 USD/кг H2 при тех же значениях цены электроэнергии при электролизе воды). Однако при электролизе воды необходимо иметь громадное количество обычной воды, превращенной в дистиллят, что представляет серьезную проблему для большинства стран мира. Кроме того, производства для получения водорода должны быть привязаны к объемным источникам воды, что затрудняет выбор места расположения водородопроизводящих производств. В случае алюмоводной технологии практически единственным агентом для получения водорода является электроэнергия. Это позволяет располагать источники получения водорода практически в любом месте, что особенно важно в случае малых, децентрализованных производств (заправок для автомобилей, малотоннажных производств в металлургии, в нефтеперерабатывающей и химической промышленности).

Особенно эти преимущества проявляются при наличии относительно дешевых источников электроэнергии (ГЭС, АЭС, парогазовые установки). В этом случае страны и регионы, имеющие такие источники, получают существенные конкурентные преимущества.

Экономические показатели гидротермального метода окисления алюминия (ГТОА) более чувствительны к цене электроэнергии. Данная ситуация обусловлена тем, что суммарный расход электроэнергии при производстве водорода по технологии ГТОА примерно в два раза выше, чем при электролизе воды. В то же время приведенные капитальные затраты в технологии электролиза воды в четыре-пять раз выше, чем таковые для технологии ГТОА. Поэтому до цены электроэнергии ~ 0.03 USD/кВт ч произведенный водород по технологии ГТОА несколько дешевле, чем по технологии электролиза воды, а при цене электроэнергии более 0.03 USD/кВт ч начинается преимущество метода электролиза воды.

В любом случае важными являются конкретные условия в конкретной стране: цена электроэнергии, наличие и цена воды.

Необходимо также отметить, что в алюмоводной технологии существуют возможности компенсации повышенных удельных затрат электроэнергии. Это достигается прежде всего утилизацией низкопотенциального тепла, образующегося в реакторе гидроокисления алюминия и его использованием для сжатия водорода до требуемых значений давлений (20–90 МПа) в термосорбционном компрессоре, без применения механического компрессора, требующего дополнительных затрат электроэнергии. Кроме того, остаточное после этого тепло может использоваться как низкопотенциальное для других целей, что дает экономию затрат на производство водорода на уровне 5–6%. Снижение затрат энергии возможно и за счет улучшения характеристик и соответственно уменьшения расходных материалов на функционирование электролизеров с инертными анодами. Такие работы в компании “РУСАЛ” уже проводятся. Данное обстоятельство может привести к снижению цены производимого водорода дополнительно на 8–10%. И, наконец, при строительстве крупных водородопроизводящих комплексов эффект увеличения мощности приведет к снижению удельных капитальных затрат установок, работающих по алюмоводной технологии, минимум на 10% за счет незначительного увеличения капзатрат на гидроокислительную установку при увеличении ее производительности.

В итоге перспективная стоимость 1 кг производимого водорода может снизится до 2.5–3 долл. США.

Таблица 1.
Electrolyzer Type Year of
Estimate 		(2016 €/kW) (2020 $/kW) Original Source
Использованы ссылки обзора [2]
PEM 2003 1830 2091 [13 ]
PEM 2004 1131 1293 Report-N/A ([See 12 ] )
PEM 2005 2440 2789 [41]
PEM 2008 1587 1814 [42]
PEM 2008 1241 1418 [19 ]
PEM 2009 2154 2462 [20 ]
PEM 2010 2133 2438 [43]
PEM 2010 960 1097 [21 ]
PEM 2013 1569 1793 [26]
PEM 2013 1135 1297 Report-N/A ([See 12 ] )
PEM 2014 3227 3688 [44]
PEM 2014 1110 1269 [27]
PEM 2014 1160 1326 [29]
PEM 2014 2463 2815 [45]
PEM 2014 1009 1153 [30]
PEM 2014 1160 1326 [31]
PEM 2014 1513 1729 [46]
PEM 2014 1670 1909 Interview ([See 12 ] )
PEM 2014 1387 1585 Report-N/A ([See 12 ] )
PEM 2014 1210 1383 Report-N/A ([See 12 ] )
PEM 2015 3420 3909 [47]
PEM 2015 2816 3218 [48]
PEM 2015 1012 1157 [32]
PEM 2015 1157 1322 Report-N/A ([See 12 ] )
PEM 2015 1006 1150 Report-N/A ([See 12 ] )
PEM 2015 2575 2943 Report-N/A ([See 12 ] )
PEM 2015 1006 1150 Report-N/A ([See 12 ] )
PEM 2016 1200 1371 [34]
PEM 2016 1000 1143 [35]
PEM 2016 1100 1257 [36]
PEM 2016 1112 1271 [37]
PEM 2016 1283 1466 Interview ([See 12 ] )
PEM 2016 1000 1143 Report-N/A ([See 12 ] )
PEM 2017 800 914 Report-N/A ([See 12 ] )
PEM 2017 1550 1771 Report-N/A ([See 12 ] )
PEM 2017 1000 1143 Report-N/A ([See 12 ] )
PEM 2017 975 1114 Report-N/A ([See 12 ] )

ВЫВОДЫ

1. Алюмоводная технология получения водорода является технологией безотходной, требующей использования для получения высокочистого водорода без углеродного следа только одного расходного агента – электроэнергии, что дает возможность сооружения высокопроизводительных водородных установок практически в любом географическом регионе и в любой точке страны.

2. Расход электроэнергии на производство водорода в алюмоводной технологии примерно в два раза выше, чем в технологии электролиза воды.

3. Капитальные затраты в алюмоводную технологию получения водорода на сегодняшний день в 4–5 раз меньше, чем в технологию получения водорода методом электролиза воды.

4. Алюмоводная технология водорода позволяет осуществить его компримирование практически без эксплуатационных затрат, используя образующееся в цикле низкопотенциальное тепло.

5. Алюмоводная технология обладает возможностью при использовании всего низкопотенциального тепла, доработки технологии электролиза алюминия, применяя инертные аноды и осуществляя крупные водородопроизводящие установки, снизить стоимость производства водорода до 2.5–3 долл. США.

Список литературы

  1. Отчет по НИР “Оценка конкурентоспособности алюмоводной технологии получения водорода” по договору ОИВТ РАН и ООО “Наука и инновации”, 2022 г.

  2. Christensen A. Assessment of Hydrogen Production Costs from Elictrolysis: United States and Europe. Final release, June 18, 2020. URL: https://theicct.org/sites/default/files/icct2020_assessment_ of_hydrogen_production_costs_v1.pdf (дата обращения: 24.05.2021)

  3. Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolyzers to Meet the 1.5°C Climate Goal, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi. IRENA (2020). URL:https://www.irena.org/ publications/2020/Dec/Green-hydrogen-cost-reduction (дата обращения: 24.05.2021)

  4. Mayyas A., Ruth M., Pivovar B., Bender G. and Wipke K. Manufacturing Cost Analysis for Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers. NREL/TP-6A20-72740. URL: https://www.nrel.gov/ docs/fy10osti/72740.pdf (дата обращения: 24.05.2021)

  5. Schmidt O., Gambhir A., Staffell I. et al. Future cost and performance of water electrolysis:An expert elicitation study. Int J. of Hydrogen Energy. 42 (2017) P. 30470–30492 URL: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.10.045

  6. Glenk G. and Reichelstein S. Economics of converting renewable power to Hydrogen. Nature Energy. 4. P. 216–222 (2019). URL: https://doi.org/10.1038/s41560-019-0326-1

  7. High Capacity Hydrogen Systems M Series PEM Electrolysers/ URL: https://www.p-rotononsite.com/sites/default/files/2016-10/pd-0600-0115_rev_a%20%281%29.pdf (дата обращения: 24.05.2021)

  8. Hydrogen Station Compression, Storage, and Dispensing. Technical Status and Costs, G. Parks, R. Boyd, J. Cornish, and R. Remick. Independent Peer Review Team NREL Technical Monitor: Neil Popovich NREL. Technical Report NREL/BK-6A10-58564 May 2014.

  9. Penev M., Zuboy J. and Hunter Ch. Economic analysis of a high-pressure urban pipeline concept (HyLine) for delivering hydrogen to retail fueling stations. In: Transportation Research Part D: Transport and Environment 77 (2019). pp. 92–105. URL: https://doi.org/10.1016/j.trd.2019.10.005

  10. Ivy J. Summary of Electrolytic Hydrogen Production: Milestone Completion Report (2004) DE‑A-C36-99-GO10337. URL: https://www.nrel.gov/docs/fy04osti/36734.pdf (дата обращения: 24.05.2021)

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Энергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал