Водород

1. Предмет

Основным методом получения "зеленого" водорода считают электролиз, главным недостатком которого - высокие затраты энергии. На производство 1 кг водорода требуется 50–55 кВт·ч/кг, а вернуть из него можно лишь 33-39 кВт*ч - то есть в 1,5 раза меньше, чем затрачено. Смысл производства - аккумулирование энергии из возобновляемых источников. Цена зеленого водорода 3-8 $ за 1 кг (на Ближнем Востоке 3-5 $\кг)

Альтернативный способ - реакции алюминия с водой, где для получение 1 кг водорода требуется израсходовать 9 кг алюминия. Вместе с этим выделится 9 кВт*ч энергии (1 моль Al (27 г) = 100 кДж = 0,278 кВт*ч, т.е. 1 кг Al = 1,03 кВт*ч). Биржевая цена алюминия около 2,6 $\кг, доставка и другие расходы 10-25%, итого 2,85-3,25 $\кг. Эффективность процесса в 9 раз хуже.

Процесс имеет смысл, когда будет найдена возможность использовать все его выходы. Получение только водорода инвестиционных перспектив не имеет. Далее приведен пример умопостроений, построенных на ошибочной гипотезе.

2. Метод

Скорость и глубина переработки алюминия в водород зависят от площади контакта алюминия с водой - то есть от размера частиц реагирующего алюминия. Необходимо заменить микропорошок алюминия (1-100 мкм) нанопорошком (100-10000 нм). Получить его на мельницах сложно и дорого.

Предлагается использовать вращающееся магнитное поле, способы создания которого хорошо известны. Поместив в такое поле гранулы алюминия и шарики твердого магнитного металла, получаем шаровую мельницу с высокой тонкостью помола.

Гранулы, шарики и вода подаются в мельницу непрерывно, водород образуется прямо в мельнице. Обдирка алюминия от оксидов и запуск реакции происходит механически, без кислот или щелочей, используемых в подобных установках.

Гидроксид алюминия может быть восстановлен до чистого металла, при этом энергозатраты несколько ниже, чем при его получении из руды. Кроме того, отсутствуют затраты на добычу и обогащение руды, составляющие 30-40% стоимости готового алюминия.

3. Дополнительно

С учетом простоты транспортировки алюминия, установку следует размещать вблизи объектов потребления водорода - например, высокоманевренных газовых станций систем распределенной генерации. Установку можно сделать компактной, модульного типа, обеспечив гибкость применения.

В идеале, рядом следует размещать установки восстановления алюминия из гидроксида - тогда комплекс превращается в специфический аккумулятор с минимальным подвозом алюминия. Для больших производств, возможно организовать оборот с производителем.

Плотность энергии в алюминии в 3,3-3,9 раза выше, чем в жидком природном газе. 40-футовый контейнер содержит 28-30 тн алюминия или 900-1100 мВт*ч энергии. Для питания небольших установок распределенной генерации в маневренном режиме, этого хватит на месяцы. Установка может обслуживать автопредприятие, небольшую котельную и т.п.

В процессе выделяется тепло, которое можно отобрать рекуператором для отопления\охлаждения близлежащих объектов. Выход тепла можно регулировать за счет выхода водорода.

Установка обладает свойствами синхронного компенсатора - устройства для снижения потерь от реактивной мощности. Это проблема в энергосистемах с большим числом инверторов (СЭС, ВЭС) и дефицитом индуктивных потребителей. Если потребитель допускает cosφ ниже 0,9, штраф составит 10-30% от потребленной активной мощности.

4. Продукт

Основной продукт - серийно выпускаемые модули установки для преобразования алюминия в водород. Имеют разную производительность, чтобы обеспечить гибкость применения в локальных сетях потребителей разной мощности. На основе этих модулей, возможно создание:

• завод по производству водорода с доставкой водорода потребителям;

• завод полного цикла с рециклингом гидроксида алюминия (высокая маневренность идеальна для продаж энергорынку услуг балансировки);

• небольшие энергетические установки для локальных энергоузлов, включая набор модулей и устройство для получения электроэнергии (возможно, с рециклингом гидроксида);

• энергетические установки для домашних хозяйств и небольшого бизнеса, включая модуль, устройство получения электроэнергии, обор газа для отопления и других устройства.

В первую очередь следует применить установку на производстве, где уже есть электролизеры и инфраструктура обращения с водородом. Гидроксид алюминия отправлять на переработку, подбор устройств для которой рассмотреть отдельно. Ожидается, что уже на этом этапе себестоимость получения зеленого водорода удастся снизить в 1,5 раза

При развитии проекта, себестоимость производства может снижаться за счет рециклинга, а доход от применения водорода повышаться за счет когенерации, услуг крупным энергосетям и извлечения потерь, вызванных особенностями их конфигурации.

5. Процесс

Прорывной характер технологии требует осторожного подхода. Необходимо:

• отработать конструкцию сначала на лабораторных, затем на малых опытных образцах;

• запатентовать конструкцию и методы применения;

• внедрить несколько модульных установок на действующем производстве водорода;

• обеспечить сбор и публичную демонстрацию показателей работы установок;

• развернуть малосерийное производство модулей для собственных предприятий;

• развернуть крупносерийное производство модулей за рубежом, масштабировать решение;

6. Структура работ

6.1 Лабораторные изыскания

Необходимо выяснить, как минимум, следующее:

• оптимальный размер гранул, микро и наночастиц алюминия;

• оптимальный размер и мощность модуля;

• минимизация потерь окисленного алюминия при запуске установки;

• обеспечение непрерывности процесса, отработка запуска и остановки;

• разделение отработавшей шихты на гидроксид и шарики;

• изыскания по применению побочных продуктов;

Результаты этапа могут быть предложены крупному инвестору, занятому производством водорода.

6.2 Опытный образец

Предварительно, конструкция установки не содержит элементов, требующих создания отдельного производства. Опытный образец и крупносерийные партии могут изготавливаться на стандартном оборудовании действующих производителей. Для опытных образцов будут подобраны готовые компоненты без доработки (удешевление и ускорение за счет эффективности). Задачи этапа

• разработать комплект конструкторской документации на устройство в целом;

• выявить и устранить проблемы, обеспечить технологичность производства;

• отработать сборку и подключение устройства;

• отладить режимы эксплуатации, подготовить алгоритм автоматизации процесса;

• разработать конструкторскую документацию на источник вращающегося поля;

6.3 Патентные и рыночные изыскания

• Проведение патентных изысканий и получение патента

• Разбирательства и переговоры с патентодержателями при необходимости

• Проведение рыночных изысканий по внедрению рециклинга гидроксида алюминия

• Проведение рыночных изысканий по применению установок в локальных энергоузлах распределенной энергетики, на рынке балансировочных услуг для энергосистем

6.4 Пилотный проект

Опытные образцы будут применены в действующем производстве для отработки предсерийной технологии, сертификации, а также для накопления опыта эксплуатации. На этом этапе:

• Проведение испытаний в авторитетных лабораториях и сертификация;

• Создание публичной системы мониторинга ключевых показателей (для рекламных компаний);

• Начало продаж водорода в миксе с электролизным;

• Продажа гидроксида алюминия производителям алюминия;

6.5 Масштабирование

• Подбор и аттестация партнеров по изготовлению, проектированию, сопровождению

• Организация крупносерийного производства, монтажно-наладочных работ, обучения и др

• Проведение информационной и рекламной кампании

• Организация продаж и др

7. Стартап

Необходимо получить объективные доказательства целесообразности продолжения работ в данном направлении, оценить затраты, ближние и дальние перспективы, разработать предложения для крупных игроков на рынке водородной энергетики.

Наш опыт связан с разработкой технологии и оборудования для производства нанопорошков, в том числе алюминия. Исследования химических процессов получения водорода из алюминия нами не проводились. Эти данные взяты из публикаций в научной периодике (например). Наше решение имеет принципиальные отличия:

• нанопорошок алюминия создается в одном цикле с получением водорода;

• удаление оксидной пленки происходит вместе с измельчением;

Физические и химические изыскания необходимо проводить неразрывно в одном процессе, чего ранее никогда не проводилось. Для снижения финансовых рисков, возможно проведение исследований в два раунда:

I. Создать малую лабораторную установку из подручных средств. Получить принципиальные результаты, сделать заключение о целесообразности, стоимости и сроках дальнейших изысканий.

II. Создать лабораторный стенд, провести полномасштабные изыскания. Оценить теоретический предел эффективности. Получить исходные данные для создания опытного производства.

Ориентировочные затраты на оба раунда $100 тыс, срок проведения 7 месяцев от поступления средств на закупку материалов. Первый транш на запуск проекта $30 тыс, создание малой лабораторной установки - 3 месяца.