GEH2® – водороден генератор на енергия с нулеви емисии
Държава на разработване/прилагане:
Франция
Обхват на иновациите
☐ Работа в офиса
☒ Процес на производство / доставка на услуги
Специфични за сектора
☐ Да / моля, посочете сектора(ите):
☒ Не (отнася се за всички сектори)
Описание на нуждите
Водородът е най-простият и най-лекият атом – тъй като се състои от ядро, съдържащо протон и периферен електрон – и най-разпространеният химичен елемент във вселената: той представлява 75% от масата на вселената и две трети от всички молекули на нашата планета. Гориво за звездите и гориво за „празните пространства“ между звездите, водородът не е първична енергия, а енергоносител. За разлика от други източници, като изкопаемите или възобновяемите енергии, той е вторична енергия без емисии на CO2.
На Земята водородът обикновено не съществува сам по себе си в природата и трябва да се произвежда от съединения, които го съдържат, например от вода (H2O). Единственото изключение е много малък процент, който съществува в земната атмосфера. Този намален процент се дължи на ниската му плътност; земната гравитация не е в състояние да го задържи и той се носи в пространството. Изгубеният поток е около 95 000 тона водород годишно.
При стайна температура водородът е газ, но се превръща в течност при -252,8˚С, а от течно в твърдо състояние – при -259,2˚С. Около 10% от теглото на живите организми се състои от водород – основно вода, протеини и мазнини.
Електролизата е процес на генериране на водород за производство на електричество без въглеродни емисии. Принципите на електролизата отдавна се изучават в училище: електрически ток се използва за разграждане на молекула вода (H2O) на водород (H2) и кислород (O2). В положителния електрод (анода) водата първо се разгражда на кислород, H+ йони и електрони. След това йоните H+ се насочват към отрицателния електрод (катод), където рекомбинират с електрони, за да образуват водород. Използва се мембрана, която позволява на протоните да мигрират, като същевременно блокира електроните, за да ги насочи към анода. За да бъде водородът екологичен, електроенергията, използвана за генериране на химическата реакция на разделяне на молекулите, трябва да идва от възобновяеми енергийни източници – слънчева, вятърна или водна енергия.
Водородът може да се съхранява в газообразна форма в цилиндрични съдове под налягане, най-често 200 бара за промишлени цели, като тези резервоари се монтират на стелажи, за да се улесни транспортирането им в по-голям брой. Резервоарите в автомобилната индустрия позволяват налягане до 700 бара. За автобуси и камиони, както и в морския сектор, стандартът за съхранение е при 350 бара, но е възможно да се достигне до 700 бара и дори повече, в подходящи резервоари. Колкото по-голяма е компресията, толкова по-голям е обемът на водорода, съхраняван в същото пространство. Въпреки това капацитетът за съхранение не се удвоява с удвояване на налягането, тъй като стените на резервоарите, които обикновено са изработени от композитни материали, са по-дебели, за да издържат на тези високи налягания.
Друг метод за съхранение е превръщането на водорода в течност. За целта е необходимо температурата му да се понижи и поддържа на -253°C, което изисква много енергия. Интересът към втечнения водород се заключава в малкия обем, който заема, спрямо енергията, която носи. Това решение обаче представлява интерес само когато използването на водорода за захранване на горивна клетка е възможно най-продължително: водородът, използван за захранване на клетката, идва от промяната на състоянието от течен в газообразен водород, когато той се нагрява и става летлив.
Съществуват и други, повече или по-малко технологично развити процеси за съхранение, които позволяват съхраняването на водород при температура и налягане на околната среда, като се използват съдове, които задържат молекулите на водорода, преди да ги освободят при необходимост. Тези химически разтвори се наричат LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier). Съществуват и решения за съхранение, базирани на метални и неорганични хидриди, чиято цел е подобна: да се даде възможност за решаване на проблемите с налягането и обема на съхранение на водорода, като трудността е да се ограничи количеството енергия, необходимо за тези методи, за да не се загуби твърде много ефективността по време на цялата операция по съхранение.
Понастоящем 95% от водорода, произвеждан във Франция, е с изкопаем произход, както и почти 99% от водорода, произвеждан в останалата част на света. Най-често той се получава от процеса на реформинг на метан – основен компонент на природния газ, с водна пара. Всеки килограм произведен по този начин водород отделя 12 кг. CO2, а цената му варира от 1 до 2,5 евро за килограм. Близо 45% от световното производство се осъществява чрез тази техника.
Около 25% от производството на водород идва от „съвместно производство“ на рафинирани продукти от въглеводороди. Разходите за производството му са променливи, тъй като той е остатък от производството на други химични елементи, поради което и въглеродният му отпечатък е такъв.
Третият метод използва въглища, които се изгарят при много висока температура (1200-1500°C), за да се отдели водородът, който се нарича дихидроген H2. Това производство, около 30 % от общото, дава възможност за получаване на водород, чиято цена на килограм варира между 1,5 и 3 EUR, но при него във въздуха се отделят 19 кг. CO2 на килограм водород.
Това са промишлени модели, които произвеждат т.нар. „сив“ водород. „Зеленият“ водород, който представлява по-малко от 1% от световното производство (около 5% във Франция), се получава от използването на безвъглеродна или възобновяема енергия (слънчева, вятърна и др.). Електролизата на вода, която позволява нулев въглероден отпечатък, представлява само 0,1% от световното производство на водород през 2019 г., поради сравнително твърде високата си производствена цена в сравнение с други методи – производствените разходи на килограм водород са между 3 и 12 евро; върху тях се начисляват останалите разходи – транспорт, дистрибуция и т.н.
Ползи от водорода:
· Неизчерпаем: на Земята най-богатият източник на водород е водата. По време на процесите на електролиза и електрохимично преобразуване в горивната клетка единствените странични продукти са кислород и вода. Следователно наличността му е безкрайна.
· Пълен с енергия: въпреки че плътността му е много ниска, което налага компресирането или втечняването му, водородът има изключителна енергийна плътност: 1 кг. водород отделя 4,1 пъти повече енергия от 1 кг. въглища, 2,8 пъти повече от 1 кг. бензин и 2,4 пъти повече от 1 кг. природен газ.
· Най-добрият съюзник на възобновяемата енергия: водородът дава възможност за дългосрочно съхранение на излишъците от възобновяема енергия, така че те да могат да бъдат използвани на по-късен етап.
· Лек: въпреки по-ниската теоретична производителност в сравнение с акумулаторните батерии, съхранението на водород се оказва до 10 пъти по-леко. Ето защо тежкотоварният транспорт – влакове, автобуси, камиони и кораби, които използват много гориво и се нуждаят от много енергия, за да изминат дълги разстояния с един резервоар с гориво, е идеалният целеви пазар за водорода в прехода към нисковъглеродни решения.
· Чист: производството на водород от възобновяеми източници е въглеродно неутрално. Използването му в горивна клетка не отделя CO2, NOx и фини прахови частици. Отделя се само чиста вода, без никакви минерали, и топлина. Можем дори да твърдим, че околният въздух, използван от горивната клетка за осъществяване на химическата реакция, излиза много по-чист, отколкото е постъпил в горивната клетка, тъй като се филтрира преди процеса.
· Зарежда се бързо: в сектора на мобилността е възможно да се зарежда за няколко минути в сравнение с няколко часа за еквивалента на батерията. Голямо предимство за електромобилността на бъдещето.
Постигането на нулеви емисии до 2050 г. ще изисква широк спектър от технологии и преобразуване на инфраструктурите. Енергийната ефективност, промяната на парадигмата, възобновяемите енергийни източници и новите технологии ще трябва да дадат своя принос. Водородът, който вече е признат за своите многобройни предимства и е подкрепен от много държави, които инвестират сериозно, за да популяризират използването му и да постигнат своите нисковъглеродни цели през следващите години, представлява реална възможност за ускоряване на енергийния преход.
Промишлените участници, местните власти и публичните институции увеличават броя на инициативите за развитие на пазара на възобновяеми/зелени водородни технологии, за да работят за енергийния преход и устойчивия растеж. Едно от основните предизвикателства е да се произвежда чист водород на достъпна цена (под 10 евро за килограм), но и да се предлагат технологични решения както за използване, така и за доставка, които са икономически целесъобразни.
За постигането на тези цели е важно не само да се преобразуват секторите, които потребяват най-много изкопаеми горива, като например транспорта и промишлеността, в екологичен водород, но и да им се предоставят иновативни и интелигентни възможности, улесняващи прехода към безвъглеродни решения. Развитието на технологии за справяне с тези предизвикателства и предлагането им на пазара е мисията на Energy Observer Developments EODev. Компанията предлага решения за ускоряване на енергийния преход както за промишлени, така и за потребителски цели.
Тъй като иновациите придобиват смисъл само ако се разпространяват и тъй като най-необикновените изобретения представляват интерес само ако се споделят, EODev разчита на собствения си технологичен напредък и на този на своите партньори, за да проектира, разработва и произвежда достъпни, високопроизводителни решения, отговарящи на основните предизвикателства на 21st век.
Описание на решението
При електролизата на водата молекулите на водорода се отделят от молекулите на кислорода. Горивната клетка действа в обратна посока и използва кислород от въздуха и водород, от който улавя електроните по време на химичната реакция, преди те да се превърнат в електричество. Принципът на електро-водородния генератор е да може да замени дизелов генератор за захранване на електрически двигател, за приложения, свързани с транспорта, или да доставя директно електричество без въглеродни емисии за всякакви други приложения. Не съществува водороден двигател, въпреки че съществува възможност двигателите с вътрешно горене да работят отчасти с водород, а целта е те да работят само с водород. Повечето от настоящите иновации са насочени към производството на безвъглеродна електроенергия чрез комбинацията „водород + горивна клетка“, както като алтернатива на изкопаемите горива, така и за да се преодолеят недостатъците на тежките и скъпи батерии.
Горивната клетка е изработена от метал, графит и електроди, а процесът е химически. Горивната клетка преобразува химическата енергия (енергия, съхранена в молекулните връзки) в електрическа енергия. PEM (протонно-обменна мембрана) клетка използва като горива водороден газ (H2) и кислороден газ (O2); електричеството се генерира чрез окисление на редуциращо гориво – водород, и редукция на окислител, например кислород, съдържащ се във въздуха. Продуктите на реакцията в клетката са вода, електричество и топлина. Тъй като кислородът е лесно достъпен в атмосферата, достатъчно е горивната клетка да се снабди с водород, който може да се получи от процес на електролиза.
GEH2® на EODev е генератор на електроенергия с водородни горивни клетки, предназначен да замени дизелови или газови генераторни агрегати както в мобилни, така и в основни и аварийни резервни приложения. Този генератор има нулеви преки емисии, като отпадните продукти от работата му са вода и топлина. Не генерира шум и емисии, вкл. на CO2 и фини прахови частици. Проектиран е по начин, осигуряващ мащабируемост, ефективен и лесен за използване, оборудван с последно поколение водородни горивни клетки от Toyota, което му осигурява висока надеждност и рекорден експлоатационен срок. По този начин генераторът може да се използва в различни сценарии, в зависимост от нуждите на клиентите, за осигуряване на нисковъглеродна електроенергия в подкрепа на съществуващите ограничения на електроснабдяването от мрежата. Клиентите са компании, които имат нужда от временно или аварийно електрозахранване. В случаи на прекъсване от електропреносната мрежа или на липса на достъп до нея, електро-водородният генератор GEH2® на EODev осигурява необходимата енергия, без емисии на CO2 и фини прахови частици. С площ от по-малко от четири квадратни метра и оптимизирана маса, GEH2 е най-компактният и ефективен електро-водороден генератор на пазара.
Тъй като за съжаление енергийният преход не може да се осъществи с еднократен акт, GEH2 може да се свързва и с дизелови или газови генератори и дори с електрическата мрежа. Именно тази гъвкавост при изпълнението му го превръща в идеалния партньор за доставка на автономна, декарбонизирана енергия.
Благодарение на интегриран модул, GEH2 информира клиента или техниците, ако нивото на водорода е ниско или ако е необходима операция по поддръжка. Неговата 4G връзка позволява непрекъснато онлайн наблюдение (местоположение, профил на използване, състояние на водородния резерв и т.н.). За да предложи по-голяма гъвкавост, дистанционният интерфейс допълва екрана за управление на устройството. Това означава, че контролът и събирането на данни са винаги на една ръка разстояние от клиента.
Материалите, използвани за производството на GEH2, са внимателно проучени от дизайнерските и инженерните екипи на EODev, за да се намали възможно най-много отпечатъкът върху околната среда през целия му жизнен цикъл.
GEH2 в числа:
· Размери – 3300 x 1100 x 2252 мм.;
· Тегло – 3,3 т.;
· Мощност – 110 kVA / 88 kW в ESP, 100 kVA / 80 kW в PR;
· Изходно напрежение – 400 VAC / 480 VAC;
· Изходна честота – 50 Hz – 60 Hz;
· Индекс на защита – IP43.
Един генератор, множество приложения:
· Изолирани обекти (отдалечени обекти, острови, телекомуникационни обекти);
· Чувствителна или затворена среда (тунели, мини, затворени пространства);
· Защитени и регулирани зони (зони с нулеви емисии);
· Строителни площадки (извън обхвата на електропреносната мрежа);
· Събития (концерти, спортни събития);
· Аварийно захранване (центрове за данни, болници, летища, пристанища, банки);
· Пристанищни зони (електрификация на доковете).
Описание на ефекта
Устойчивост. Продуктите на EODev са проектирани с цел минимизиране на екологичния отпечатък и постигне въглеродна неутралност. Те са мащабируеми, разглобяеми и рециклируеми, използват нисковъглеродни материали и имат свързана система за прогнозна поддръжка.
Надеждност. Тя е в основата на решенията на EODev, резултат от най-строгите тестове на борда на Energy Observer в най-тежки условия: влажност, сол, вибрации, екстремни температури и др.
Достъпност. Масовото производство позволява на EODev да предлага икономически достъпни и ефективни продукти и решения. Адаптивността им благодарение на опростения интерфейс човек/машина позволява да се увеличат многократно потенциалните им приложения.
Ползи за околната среда:
· Авангардният генератор GEH2® има нулеви емисии на замърсители, като отделя само вода и топлина като странични продукти; няма шум, няма изпарения, няма CO2 или фини прахови частици.
· Изключително тих и без отделяне на миризми по време на работа.
Финансови ползи
· Енергийната ефективност на GEH2® е 50%, докато дизеловото решение работи само с 30% ефективност.
· EODev предлага гаранция от 6500 часа или 24 месеца експлоатация, но се очаква експлоатационният срок на GEH2 да достигне поне 13 000 часа.
Дружество/дружества, което/които е/са разработило/приложило/предложило иновацията
EODev (Energy Observer Developments) е резултат от уникалния опит, натрупан на борда на Energy Observer: първото самозахранващо се водородно плавателно средство за чиста енергия, подпомагащо разработването на иновативни решения за околната среда. Създадена през март 2019 г., мисията на компанията е да ускори енергийния преход, като предлага устойчиви, надеждни, ефективни и достъпни индустриални решения.
Energy Observer Developments SAS
Адрес на централата: 27, quai Duguay Trouin – 35400 Saint-Malo – Франция
Форма за контакт
Уебсайт: https://www.eo-dev.com/
Допълнителна информация
Видео: Водородно захранване – EODev доставя електричество за площадката за игра в We Love Green!
Видео: Първото резервно решение за част от електрическата мрежа в Air Liquide!