Энергетическая эффективность производства и потребления водорода
Ключевые слова:
коэффициент энергетической рентабельности, пароводяная конверсия природного газа, электролиз, транспорт и коэффициент энергетической эффективности использования водорода
Аннотация
Изучена энергетическая эффективность производства водорода на основе коэффициента энергетической рентабельности. Предложена модель расчета энергетической рентабельности EROEI (Energy Returned on Energy Invested) по ряду переделов реализации водорода при исследовании различных вариантов производства, хранения и транспорта. Исходя из проведенных расчетов показано, что затраты энергии на реализацию водорода составляют 154.. .614% от его химической энергии в зависимости от способов производства, хранения и транспорта, что соответствует EROEI = 0,651.0,163 и характеризует водород как энергетически нерентабельный энергоноситель. Выполнен обзор литературы, представлены возможные варианты создания энергоффективного производства водорода, опирающиеся на использование энергетически дешевых источников энергии, которыми для электролитического производства могут стать возобновляемые источники энергии, а также электроэнергия от атомных и тепловых электростанций.
Представлены направления энергосберегающего производства водорода при использовании методологии интенсивного энергосбережения, где получаемый водород сопровождается значительными энергосберегающими эффектами при комбинировании его получения с металлургическим производством. Проанализировано производство водорода конверсионными способами при использовании выбрасываемых вторичных энергетических ресурсов на примерах конвертерных газов сталеплавильного производства и нефтеперерабатывающего завода. Рассмотрены эффекты от использования водорода на автотранспорте, в энергетике и металлургической промышленности. Предложен коэффициент энергетической эффективности использования водорода, определяющийся как отношение экономии удельного расхода топлива при использовании водорода к энергозатратам на его производство. Дан пример энергоэффективного использования водорода при термической обработке стали, где энергосберегающий эффект от его использования в 4,73 раз превосходит затраты на его получение.
Литература
1. Радченко Р.В., Мокрушин А.С., Тюльпа В.В. Водород в энергетике. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2014.
2. Сафронов А.Ф., Голоскоков А.Н. EROEI как показатель эффективности добычи и производства энергоресурсов // Бурение и нефть. 2010. № 12 С. 48—51.
3. Голоскоков А.Н. Критерии сравнения эффективности традиционных и альтернативных энергоресурсов // Нефтегазовое дело. 2011. № 1. С. 285—299.
4. Visalli D. Getting a Decent Return on Your Energy Investment [Электрон. ресурс] http://www.resilience. org/stories/2006-04-12/getting-decent-return-your-energy- investment (дата обращения 08.04.18).
5. Heinberg R. Searching for a Miracle: Net Energy Limits and Fate of Industrial Society. San Francisco: Post Carbon Institute, 2009.
6. Crude Oil Reserves [Электрон. ресурс] www.eia. doe.gov/pub/international/iealf/crudeoilreserves.xls (дата обращения 13.04.18).
7. Hall C.A.S., Balogh S., Murphy D.J.R. What is the Minimum EROI that a Sustainable Society Must Have? // Energies. 2009. V. 2 (1). Pp. 25—47.
8. Hall C. Why EROI Matters (Pt. 1 of 6) // The Oil Drum. 2008. [Электрон. ресурс]: http://www.theoildrum. com/node/3786 (дата обращения 10.04.18).
9. Синяк Ю.В. Перспективы применения водорода в системах децентрализованного электро- и теплоснабжения // Проблемы прогнозирования. 2007. № 3. C. 35—47.
10. Козлов С.И., Фатеев В.Н. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы. М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009.
11. Установка по производству водорода на основе парового риформинга [Электрон. ресурс] http://www. mahler-ags.com/ru/hydrogen/hydroform-c.htm (дата обращения 10.03.18).
12. Клышников С.Т. и др. Установка для получения водорода из природного газа и водяного пара // Сталь. 2010. № 3. С. 114—115.
13. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. М.: Изд-во МЭИ, 2007.
14. Хрестоматия энергосбережения. М.: Теплоэнергетик, 2002.
15. Tremel А. e. a. Techno-economic Analysis for the Synthesis of Liquid and Gaseous Fuels Based on Hydrogen Production Via Electrolysis // Intern. J. Hydrogen Energy. 2015. V. 40. Pp. 11457—11464.
16. Ключников А.Д. Основы теории интенсивного энергосбережения. М.: Изд-во МЭИ, 2016.
17. Ключников А.Д., Петин С.Н. Повышение энергетической и экологической эффективности производства водорода на базе комплексного использования природного газа на предприятиях черной металлургии // Вестник МЭИ. 2008. № 3. С. 18—23.
18. Пат. № 2637439 РФ. Способ утилизации конвертерных газов для производства водорода / Петин С.Н., Бурмакина А.В., Ипполитов В.А. // Бюлл. изобрет. 2017. № 34.
19. Петин С.Н. Утилизация конвертерных газов с целью получения водорода // Вестник МЭИ. 2018. № 1. С. 29—33.
20. Electricity from Hydrogen with Combined Cycles. The Fusina Project [Электрон. ресурс] https://www. xing-events.com/eventResources/r/v/kfKncJZVrUe3Xh/ Electricity_from_hydrogen_with_combined_cycles_-_ The_Fusina_Project.pdf (дата обращения 15.03.18).
21. Достижения в применении техники отжига в колпаковых печах // Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке: Сб. науч. трудов. М.: Металлургия, 1994. Т. 2 [Электрон. ресурс] http://engineeringsystems. ru/sbornik-nauchnih-trudov-chernya-metalurgiya-rossii-i- stran-sng-tom2/dostizheniya-v-primeneniitehniki-otzhiga. php (дата обращения 15.03.18).
---
Для цитирования: Петин С.Н. Энергетическая эффективность производства и потребления водорода // Вестник МЭИ. 2019. № 2. С. 29—36. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-29-36.
---
Работа выполнена при поддержке: Министерства образования и науки РФ по государственному заданию в рамках конкурсного отбора научных проектов, выполняемых научными коллективами исследовательских центров и научных лабораторий образовательных организаций высшего образования (заявка № 13.3233.2017/ПЧ)
#
1. Radchenko R.V., Mokrushin A.S., Tyul'pa V.V. Vodorod v Energetike. Ekaterinburg: Izd-vo Ural'skogo Un-ta, 2014. (in Russian).
2. Safronov A.F., Goloskokov A.N. EROEI kak Poka- zatel' Effektivnosti Dobychi i Proizvodstva Energoresur- sov. Burenie i Neft'. 2010;12:48—51. (in Russian).
3. Goloskokov A.N. Kriterii Sravneniya Effektivnosti Traditsionnyh i Al'ternativnyh Energoresursov. Neftegazovoe Delo. 2011;1:285—299. (in Russian).
4. Visalli D. Getting a Decent Return on Your Energy Investment [Elektron. Resurs] http://www.resilience.org/ stories/2006-04-12/getting-decent-return-your-energy- investment (Data Obrashcheniya 08.04.18).
5. Heinberg R. Searching for a Miracle: Net Energy Limits and Fate of Industrial Society. San Francisco: Post Carbon Institute, 2009.
6. Crude Oil Reserves [Elektron. Resurs] www.eia. doe.gov/pub/international/iealf/crudeoilreserves.xls (Data Obrashcheniya 13.04.18).
7. Hall C.A.S., Balogh S., Murphy D.J.R. What is the Minimum EROI that a Sustainable Society Must Have?. Energies. 2009;2 (1):25—47.
8. Hall C. Why EROI Matters (Pt. 1 of 6). The Oil Drum. 2008. [Elektron. Resurs]: http://www.theoildrum. com/node/3786 (Data Obrashcheniya 10.04.18).
9. Sinyak Yu.V. Perspektivy Primeneniya Vodoroda v Sistemah Detsentralizovannogo Elektro- i Teplosnabzhe- niya. Problemy Prognozirovaniya. 2007;3:35—47. (in Russian).
10. Kozlov S.I., Fateev V.N. Vodorodnaya Energetika: Sovremennoe Sostoyanie, Problemy, Perspektivy. M.: Gazprom VNIIGAZ, 2009. (in Russian).
11. Ustanovka po Proizvodstvu Vodoroda na Osnove Parovogo Riforminga [Elektron. Resurs] http://www.mahler-ags.com/ru/hydrogen/hydroform-c.htm (Data Obrashcheniya 10.03.18). (in Russian).
12. Klyshnikov S.T. i dr. Ustanovka dlya Polucheniya Vodoroda iz Prirodnogo Gaza i Vodyanogo Para. Stal'. 2010;3:114—115. (in Russian).
13. Promyshlennaya Teploenergetika i teplotekhnika. M.: Izd-vo MEI, 2007. (in Russian).
14. Hrestomatiya Energosberezheniya. M.: Teploenergetik, 2002. (in Russian).
15. Tremel A. e. a. Techno-economic Analysis for the Synthesis of Liquid and Gaseous Fuels Based on Hydrogen Production Via Electrolysis. Intern. J. Hydrogen Energy. 2015;40:11457—11464.
16. Klyuchnikov A.D. Osnovy Teorii Intensivnogo Energosberezheniya. M.: Izd-vo MEI, 2016. (in Russian).
17. Klyuchnikov A.D., Petin S.N. Povyshenie Energeticheskoy i Ekologicheskoy Effektivnosti Proizvodstva Vodoroda na Baze Kompleksnogo Ispol'zovaniya Prirodnogo Gaza na Predpriyatiyah Chernoy Metallurgii. Vestnik MEI. 2008;3:18—23. (in Russian).
18. Pat. № 2637439 RF. Sposob Utilizatsii Konver- ternyh Gazov dlya Proizvodstva Vodoroda / Petin S.N., Burmakina A.V., Ippolitov V.A. Byull. izobret. 2017;34. (in Russian).
19. Petin S.N. Utilizatsiya Konverternyh Gazov s Tsel'yu Polucheniya Vodoroda. Vestnik MEI. 2018;1: 29—33. (in Russian).
20. Electricity from Hydrogen with Combined Cyc- les. The Fusina Project [Elektron. Resurs] https://www. xing-events.com/eventResources/r/v/kfKncJZVrUe3Xh/ Electricity_from_hydrogen_with_combined_cycles_-_ The_Fusina_Project.pdf (Data Obrashcheniya 15.03.18).
21. Dostizheniya v Primenenii Tekhniki Otzhiga v Kolpakovyh Pechah. Chernaya Metallurgiya Rossii i Stran SNG v XXI Veke: Sb. Nauch. Trudov. M.: Metallurgiya, 1994;2 [Elektron. Resurs] http://engineeringsystems.ru/ sbornik-nauchnih-trudov-chernya-metalurgiya-rossii-i- stran-sng-tom2/dostizheniya-v-primeneniitehniki-otzhiga. php (Data Obrashcheniya 15.03.18). (in Russian).
---
For citation: Petin S.N. Energy Efficiency of Hydrogen Production and Consumption. Bulletin of MPEI. 2019;2:29—36. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-29-36.
---
The work is executed at support: Ministry of Education and Science of the Russian Federation on the State Task in the Framework of Competitive Selection of Scientific Projects Carried Out by Research Teams of Research Centers and Research Laboratories of Educational Institutions of Higher Education (Application No. 13.3233.2017/ПЧ)
2. Сафронов А.Ф., Голоскоков А.Н. EROEI как показатель эффективности добычи и производства энергоресурсов // Бурение и нефть. 2010. № 12 С. 48—51.
3. Голоскоков А.Н. Критерии сравнения эффективности традиционных и альтернативных энергоресурсов // Нефтегазовое дело. 2011. № 1. С. 285—299.
4. Visalli D. Getting a Decent Return on Your Energy Investment [Электрон. ресурс] http://www.resilience. org/stories/2006-04-12/getting-decent-return-your-energy- investment (дата обращения 08.04.18).
5. Heinberg R. Searching for a Miracle: Net Energy Limits and Fate of Industrial Society. San Francisco: Post Carbon Institute, 2009.
6. Crude Oil Reserves [Электрон. ресурс] www.eia. doe.gov/pub/international/iealf/crudeoilreserves.xls (дата обращения 13.04.18).
7. Hall C.A.S., Balogh S., Murphy D.J.R. What is the Minimum EROI that a Sustainable Society Must Have? // Energies. 2009. V. 2 (1). Pp. 25—47.
8. Hall C. Why EROI Matters (Pt. 1 of 6) // The Oil Drum. 2008. [Электрон. ресурс]: http://www.theoildrum. com/node/3786 (дата обращения 10.04.18).
9. Синяк Ю.В. Перспективы применения водорода в системах децентрализованного электро- и теплоснабжения // Проблемы прогнозирования. 2007. № 3. C. 35—47.
10. Козлов С.И., Фатеев В.Н. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы. М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009.
11. Установка по производству водорода на основе парового риформинга [Электрон. ресурс] http://www. mahler-ags.com/ru/hydrogen/hydroform-c.htm (дата обращения 10.03.18).
12. Клышников С.Т. и др. Установка для получения водорода из природного газа и водяного пара // Сталь. 2010. № 3. С. 114—115.
13. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. М.: Изд-во МЭИ, 2007.
14. Хрестоматия энергосбережения. М.: Теплоэнергетик, 2002.
15. Tremel А. e. a. Techno-economic Analysis for the Synthesis of Liquid and Gaseous Fuels Based on Hydrogen Production Via Electrolysis // Intern. J. Hydrogen Energy. 2015. V. 40. Pp. 11457—11464.
16. Ключников А.Д. Основы теории интенсивного энергосбережения. М.: Изд-во МЭИ, 2016.
17. Ключников А.Д., Петин С.Н. Повышение энергетической и экологической эффективности производства водорода на базе комплексного использования природного газа на предприятиях черной металлургии // Вестник МЭИ. 2008. № 3. С. 18—23.
18. Пат. № 2637439 РФ. Способ утилизации конвертерных газов для производства водорода / Петин С.Н., Бурмакина А.В., Ипполитов В.А. // Бюлл. изобрет. 2017. № 34.
19. Петин С.Н. Утилизация конвертерных газов с целью получения водорода // Вестник МЭИ. 2018. № 1. С. 29—33.
20. Electricity from Hydrogen with Combined Cycles. The Fusina Project [Электрон. ресурс] https://www. xing-events.com/eventResources/r/v/kfKncJZVrUe3Xh/ Electricity_from_hydrogen_with_combined_cycles_-_ The_Fusina_Project.pdf (дата обращения 15.03.18).
21. Достижения в применении техники отжига в колпаковых печах // Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке: Сб. науч. трудов. М.: Металлургия, 1994. Т. 2 [Электрон. ресурс] http://engineeringsystems. ru/sbornik-nauchnih-trudov-chernya-metalurgiya-rossii-i- stran-sng-tom2/dostizheniya-v-primeneniitehniki-otzhiga. php (дата обращения 15.03.18).
---
Для цитирования: Петин С.Н. Энергетическая эффективность производства и потребления водорода // Вестник МЭИ. 2019. № 2. С. 29—36. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-29-36.
---
Работа выполнена при поддержке: Министерства образования и науки РФ по государственному заданию в рамках конкурсного отбора научных проектов, выполняемых научными коллективами исследовательских центров и научных лабораторий образовательных организаций высшего образования (заявка № 13.3233.2017/ПЧ)
#
1. Radchenko R.V., Mokrushin A.S., Tyul'pa V.V. Vodorod v Energetike. Ekaterinburg: Izd-vo Ural'skogo Un-ta, 2014. (in Russian).
2. Safronov A.F., Goloskokov A.N. EROEI kak Poka- zatel' Effektivnosti Dobychi i Proizvodstva Energoresur- sov. Burenie i Neft'. 2010;12:48—51. (in Russian).
3. Goloskokov A.N. Kriterii Sravneniya Effektivnosti Traditsionnyh i Al'ternativnyh Energoresursov. Neftegazovoe Delo. 2011;1:285—299. (in Russian).
4. Visalli D. Getting a Decent Return on Your Energy Investment [Elektron. Resurs] http://www.resilience.org/ stories/2006-04-12/getting-decent-return-your-energy- investment (Data Obrashcheniya 08.04.18).
5. Heinberg R. Searching for a Miracle: Net Energy Limits and Fate of Industrial Society. San Francisco: Post Carbon Institute, 2009.
6. Crude Oil Reserves [Elektron. Resurs] www.eia. doe.gov/pub/international/iealf/crudeoilreserves.xls (Data Obrashcheniya 13.04.18).
7. Hall C.A.S., Balogh S., Murphy D.J.R. What is the Minimum EROI that a Sustainable Society Must Have?. Energies. 2009;2 (1):25—47.
8. Hall C. Why EROI Matters (Pt. 1 of 6). The Oil Drum. 2008. [Elektron. Resurs]: http://www.theoildrum. com/node/3786 (Data Obrashcheniya 10.04.18).
9. Sinyak Yu.V. Perspektivy Primeneniya Vodoroda v Sistemah Detsentralizovannogo Elektro- i Teplosnabzhe- niya. Problemy Prognozirovaniya. 2007;3:35—47. (in Russian).
10. Kozlov S.I., Fateev V.N. Vodorodnaya Energetika: Sovremennoe Sostoyanie, Problemy, Perspektivy. M.: Gazprom VNIIGAZ, 2009. (in Russian).
11. Ustanovka po Proizvodstvu Vodoroda na Osnove Parovogo Riforminga [Elektron. Resurs] http://www.mahler-ags.com/ru/hydrogen/hydroform-c.htm (Data Obrashcheniya 10.03.18). (in Russian).
12. Klyshnikov S.T. i dr. Ustanovka dlya Polucheniya Vodoroda iz Prirodnogo Gaza i Vodyanogo Para. Stal'. 2010;3:114—115. (in Russian).
13. Promyshlennaya Teploenergetika i teplotekhnika. M.: Izd-vo MEI, 2007. (in Russian).
14. Hrestomatiya Energosberezheniya. M.: Teploenergetik, 2002. (in Russian).
15. Tremel A. e. a. Techno-economic Analysis for the Synthesis of Liquid and Gaseous Fuels Based on Hydrogen Production Via Electrolysis. Intern. J. Hydrogen Energy. 2015;40:11457—11464.
16. Klyuchnikov A.D. Osnovy Teorii Intensivnogo Energosberezheniya. M.: Izd-vo MEI, 2016. (in Russian).
17. Klyuchnikov A.D., Petin S.N. Povyshenie Energeticheskoy i Ekologicheskoy Effektivnosti Proizvodstva Vodoroda na Baze Kompleksnogo Ispol'zovaniya Prirodnogo Gaza na Predpriyatiyah Chernoy Metallurgii. Vestnik MEI. 2008;3:18—23. (in Russian).
18. Pat. № 2637439 RF. Sposob Utilizatsii Konver- ternyh Gazov dlya Proizvodstva Vodoroda / Petin S.N., Burmakina A.V., Ippolitov V.A. Byull. izobret. 2017;34. (in Russian).
19. Petin S.N. Utilizatsiya Konverternyh Gazov s Tsel'yu Polucheniya Vodoroda. Vestnik MEI. 2018;1: 29—33. (in Russian).
20. Electricity from Hydrogen with Combined Cyc- les. The Fusina Project [Elektron. Resurs] https://www. xing-events.com/eventResources/r/v/kfKncJZVrUe3Xh/ Electricity_from_hydrogen_with_combined_cycles_-_ The_Fusina_Project.pdf (Data Obrashcheniya 15.03.18).
21. Dostizheniya v Primenenii Tekhniki Otzhiga v Kolpakovyh Pechah. Chernaya Metallurgiya Rossii i Stran SNG v XXI Veke: Sb. Nauch. Trudov. M.: Metallurgiya, 1994;2 [Elektron. Resurs] http://engineeringsystems.ru/ sbornik-nauchnih-trudov-chernya-metalurgiya-rossii-i- stran-sng-tom2/dostizheniya-v-primeneniitehniki-otzhiga. php (Data Obrashcheniya 15.03.18). (in Russian).
---
For citation: Petin S.N. Energy Efficiency of Hydrogen Production and Consumption. Bulletin of MPEI. 2019;2:29—36. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-29-36.
---
The work is executed at support: Ministry of Education and Science of the Russian Federation on the State Task in the Framework of Competitive Selection of Scientific Projects Carried Out by Research Teams of Research Centers and Research Laboratories of Educational Institutions of Higher Education (Application No. 13.3233.2017/ПЧ)
Опубликован
2018-05-14
Выпуск
Раздел
Промышленная теплоэнергетика (05.14.04)
