почему водород перспективнее солнечных батарей и ветряков — РБК
Фото: Akos Stiller / Bloomberg
В последний год водородные технологии стали одной из самых обсуждаемых тем в энергетике. Энтузиасты о наступающей эре водорода говорили довольно давно, но сейчас водородная энергетика стала одной из 42 стратегических инициатив по социально-экономическому развитию страны, представленных правительством. О том, что Россия будет активно участвовать в разработке водородных технологий, заявил премьер-министр Михаил Мишустин. Минэнерго разрабатывает соответствующую стратегию. В консорциум по содействию этой работе вошли более 30 компаний из разных отраслей.
Почему именно водородная стратегия может создать задел для сохранения позиций России в мировой энергетике в будущем?
Дело в том, что процесс декарбонизации, к которому подключились множество стран, столкнулся с рядом проблем. Предполагалось, что отказаться от сжигаемых видов топлива ради уменьшения углеродного следа и предотвращения изменений климата помогут солнечные панели и ветряки.
adv.rbc.ru
Водород же можно хранить в баллонах и подземных соляных кавернах, есть ряд способов транспортировки водорода в танкерах и трубопроводами. При сжигании он не образует углекислого газа и дает высокие температуры. Водород может использоваться как восстанавливающий агент вместо угля в металлургии. С помощью водородных топливных ячеек можно получать электричество без сжигания.
adv.rbc.ru
Таким образом, использование водорода на сегодня выглядит чуть ли не единственным универсальным способом преодолеть проблемы, которые не удается решить с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
В природе нет месторождений водорода — его можно получать либо с помощью электролиза из воды (на самом деле, из щелочных растворов, но щелочь при этом не расходуется), а электроэнергию брать из источников с низким углеродным следом — ветра, солнца, ГЭС и АЭС либо из природного газа — метана — с помощью процесса паровой конверсии. При этом, правда, образуется довольно много углекислоты, но эту углекислоту достаточно легко уловить и закачать под землю, так что итоговый углеродный след водорода из метана можно сделать достаточно низким. Есть передовые разработки, которые позволяют расщеплять метан на водород и углерод без окисления, тогда СО2 не образуется, но до промышленного масштаба их пока не довели.
Есть, конечно, и сложности. Водород можно сжижать для перевозки и хранения, как метан, но для этого нужна температура не -160, а -260 градусов, почти абсолютный ноль, а это и гораздо дороже, и трудно найти материалы, которые могут функционировать при таких температурах.
Впрочем, это вопрос денег: так или иначе водород используют в промышленности — от нефтеперерабатывающих заводов до маргариновых фабрик — больше 100 лет, больше 70 лет — в качестве ракетного топлива, причем в СССР его для этого доставляли из подмосковной Балашихи на Байконур.
Многие страны и Евросоюз начали разрабатывать и публиковать водородные стратегии как стратегии энергетического перехода. А технический прогресс работает таким образом, что если какое-то решение набирает популярность, то оно становится частью производственных цепочек и оказывается доминирующим. В новом энергетическом укладе, который сейчас начинает создаваться, по всей видимости, водород станет одним из таких элементов. Поэтому России, крупному игроку на мировой энергетической арене, надо участвовать в движении. Тем более что у страны есть все предпосылки для этого — большие запасы природного газа, геологические структуры, подходящие для закачки CO 2 (например, отработанные газовые месторождения), развитые компетенции в атомной энергетике.
На этой базе вполне можно построить крупный экспортный бизнес. Кроме того, водород может оказаться необходимым для обеспечения конкурентоспособности традиционных российских экспортных отраслей — металлургии, производства азотных удобрений, которые без этого окажутся под риском все увеличивающегося трансграничного углеродного налога.
России предстоит непростой разговор с Евросоюзом, который декларирует, что он будет рад импортировать большие объемы водорода, но только «зеленого», полученного с помощью ВИЭ. А «голубой» из метана или «желтый» из атомного электричества приемлемы только в ограниченной временной перспективе, в качестве стартовых объемов для создания предложения для потенциальных европейских потребителей. Эта позиция выглядит не слишком справедливой ни по отношению к поставщикам, которым предлагается потратиться на создание производственных мощностей и компетенций с ограниченным сроком годности, ни к европейским потребителям (себестоимость «зеленого» водорода превышает себестоимость «голубого» в несколько раз).
Водород в электрогенерации и декарбонизация
Опубликовано 27 мая 2021
Автор Dr Neil D’Souza, Principal Consultant, Argus Consulting
Нил Д’Суза, главный консультант-аналитик Argus Consulting, рассуждает о том, как водород может помочь в процессе декарбонизации при производстве электроэнергии.
Перевод: Татьяна Давыдова
На долю электрогенерации приходится примерно 27% выбросов парниковых газов в мире. С учетом этого внушительного показателя политики стали искать способы декарбонизации данной отрасли.
Государственные инициативы и предписания помогают ускорить внедрение переменных возобновляемых источников энергии (VRE), таких как энергия ветра и солнца. Эти технологии электрогенерации называются переменными, поскольку соответствующий ресурс, из которого вырабатывается электроэнергия, меняется в течение дня.
В отличие от электроэнергии, получаемой на электростанциях, использующих уголь или газ, оператор электростанции не может менять выработку энергии из VRE по своему усмотрению — VRE считаются источниками энергии без возможности диспетчерского управления. На рис. 1 видно, насколько существенно увеличились мощности VRE за последние два десятилетия.
В 2019 г. доля VRE в совокупной мощности установленных электрогенераторов в мире достигла почти 20%. Однако с учетом относительно низкой доступности солнечной и ветряной энергии, обеспечивающих работу электростанций, в сравнении с электростанциями, использующими уголь, газ или ядерную энергию, выработка электроэнергии на основе VRE невелика.
В 2019 г. на долю солнечной и ветряной энергии приходилось около 8% мировой электрогенерации.
Что можно сделать с непостоянной природой VRE
Быстрый рост мощностей VRE способствует удешевлению электроэнергии, полученной на основе возобновляемых источников энергии. В ряде стран полная приведенная стоимость электроэнергии (LCOE), отражающая себестоимость производства электроэнергии на протяжении всего жизненного цикла электростанции, на электростанциях с использованием VRE ниже, чем на электростанциях, использующих ископаемое топливо. Рис. 2 иллюстрирует эту ситуацию в Индии.
Поскольку доля источников энергоснабжения прерывистого действия в энергосети растет, порой выработка энергии превышает спрос. В результате возникает необходимость сокращения производства электроэнергии на основе VRE или на электростанциях, использующих ископаемое топливо. Обе опции недешевые. Так, ежегодные расходы на перенаправление электроэнергии в Германии в 2017—2019 гг. достигали €1,2—1,4 млрд.
Способы хранения этих излишков электроэнергии в течение недель и месяцев, а не часов, позволили бы достичь высокого уровня декарбонизации электроэнергетического сектора и в то же время добиться снижения системных издержек. Эти запасы энергии можно было бы использовать в ту пору, когда спрос превысит предложение. Долгосрочные способы хранения энергии также могли бы дополнить ее переменную выработку из VRE.
Водород как способ хранения электроэнергии
Водород рассматривают как один из эффективных способов хранения излишков электроэнергии. Когда электроэнергии больше, чем требуется, цены на нее снижаются. Эту дешевую энергию можно будет использовать для рентабельного производства водорода путем электролиза. Полученный водород будет храниться под землей в наземных резервуарах либо в подземных соляных кавернах. Также можно будет задействовать выработанные газовые или нефтяные пласты.
Одна из проблем заключается в том, что при низкой загрузке мощностей стоимость получения водорода посредством электролиза растет.
В этом отношении водород может конкурировать с аккумуляторами. Водород из хранилищ можно смешивать с природным газом для выработки энергии либо непосредственно сжигать его на электростанциях в периоды высоких цен на электроэнергию.
Коммерциализация твердооксидных топливных элементов, благодаря которым можно также получать пригодное для использования тепло, позволила бы эффективно использовать водород из хранилищ и облегчить работу систем распределенной электрогенерации. Помимо прочего, топливные элементы эффективнее газовых турбин комбинированного цикла (CCGT). Потери при выработке и использовании энергии, получаемой при сжигании водорода в CCGT, больше, чем в процессе потребления водорода топливными элементами.
Декарбонизация электростанций на природном газе с помощью водорода
Водород может создать условия для декарбонизации действующих электростанций, использующих природный газ.
В прошлом году выработка энергии на электростанциях, работающих на газе, составила около 1 900 ГВт. Большинство существующих CCGT могут использовать смесь природного газа и водорода. Вместе с тем доля водорода, которую можно добавить в такую смесь, варьируется в зависимости от модели и даты выпуска турбины.
Помимо ограничений, связанных с характеристиками турбины, инфраструктура также может влиять на максимальное содержание водорода в смеси с природным газом. К примеру, имеющиеся газовые трубопроводы иногда можно использовать лишь при условии низкой концентрации водорода в смеси с природным газом. При высоком содержании водорода потребуется специальный трубопровод.
Для обеспечения надлежащего контроля над смесью водорода с газом, а также соблюдения требований безопасности водород, вероятно, придется поставлять на электростанцию отдельно от природного газа. В связи с этим возникает необходимость в создании системы смешивания топлива. Все эти условия могут увеличить стоимость выработки электроэнергии, зато будут способствовать декарбонизации электростанций.
Если на некоторых электростанциях декарбонизация возможна при помощи улавливания, использования и хранения соединений углерода (CCUS), то на других электростанциях использование смесей с водородом может оказаться единственным вариантом. Следовательно, установленная в нескольких странах задача по достижению нулевых выбросов может способствовать использованию водорода в электрогенерации.
Производители турбин разрабатывают проекты электростанций, полностью работающих на водороде, если такая электростанция будет получать зеленый водород. В таком случае выбросы будут нулевыми. Подобные турбины, как ожидается, поступят на рынок к концу этого десятилетия.
Новый дизайн турбин, а также материалы для их изготовления помогут решить проблемы, связанные с более высокой температурой горения водорода, более высокой скоростью ламинарного пламени и меньшей задержкой воспламенения по сравнению с природным газом. Власти могут сделать выбор в пользу строительства таких электростанций, поскольку они позволяют минимизировать выбросы парниковых газов, увеличивать диверсификацию топлива и стимулировать технологический прогресс.
Декарбонизация электростанций на угле при помощи водорода
Водород также может помочь в декарбонизации электростанций, использующих уголь. В Японии проводятся испытания, которые позволят оценить технико-экономическую целесообразность сжигания вместе с углем аммиака как носителя водорода. В 2020 г. генерирующие мощности, работающие на угле, составляли 2 150 ГВт. Сжигание угля вместе с аммиаком (до 20% по энергоемкости) позволило бы сократить выбросы углекислого газа на этих электростанциях примерно на 1,7 млрд т/год CO2 при условии использования зеленого аммиака. В принципе, благодаря спросу на зеленый аммиак с целью его сжигания вместе с углем мировая торговля аммиаком с перевозкой на морских танкерах увеличилась бы в разы с текущих 20 млн т/год. Однако для этого потребуются инвестиции в развитие соответствующей инфраструктуры.
Сжигание аммиака позволило бы сохранить генерирующие мощности, работающие на угле, поскольку выбросы здесь были бы уже ограниченны.
В то же время такие электростанции во всем мире находятся под давлением либо со стороны рыночных факторов, либо со стороны правительства: возникает необходимость закрывать их раньше, чем предполагает срок их эксплуатации. Таким образом, аммиак с углем может стать переходным топливом.
Заключение
Водород, позволяющий организовать международную торговлю возобновляемой энергией, вызывает заметный энтузиазм у политиков благодаря своему потенциалу для декарбонизации экономики. Это особенно актуально для стран, в которых труднее найти возможности для декарбонизации с использованием возобновляемой энергии с учетом их меньшей обеспеченности солнечной и ветряной энергией. Использование водорода в качестве топлива для электрогенерации потребует технического прогресса, развития новых и экономически эффективных производственно-сбытовых цепочек, строительства соответствующей инфраструктуры и последовательной политики, особенно в тех странах, где водород будет использоваться для выработки электроэнергии.
Если это произойдет, водород сможет помочь глубокой декарбонизации в электроэнергетике.
Использование водорода – Управление энергетической информации США (EIA)
- Основы
- +Меню
Водород используется во многих промышленных процессах
Почти весь водород, потребляемый в Соединенных Штатах, используется промышленностью для очистки нефти, обработки металлов, производства удобрений и переработки пищевых продуктов. Нефтеперерабатывающие заводы США используют водород для снижения содержания серы в топливе.
Водород используется для исследования космического пространства
900:10 Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) начало использовать жидкий водород в 1950-х годах в качестве ракетного топлива, и НАСА было одним из первых, кто начал использовать водородные топливные элементы для питания электрических систем космических кораблей.Космическая ракета НАСА
Источник: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) (общественное достояние)
Источник: адаптировано из проекта National Energy Education Project (общественное достояние)
Водородные топливные элементы производят электричество электричества за счет соединения атомов водорода и кислорода.
Водород вступает в реакцию с кислородом через электрохимический элемент, аналогичный аккумулятору, для производства электричества, воды и небольшого количества тепла.Существует множество различных типов топливных элементов для широкого спектра применений. Небольшие топливные элементы могут питать портативные компьютеры и даже сотовые телефоны, а также военные устройства. Крупные топливные элементы могут поставлять электроэнергию в электрические сети, обеспечивать резервное или аварийное электроснабжение зданий, а также поставлять электроэнергию в места, не подключенные к электрическим сетям.
По состоянию на конец октября 2021 года в США насчитывалось около 166 работающих генераторов электроэнергии на топливных элементах на 113 объектах с общей мощностью производства электроэнергии около 260 мегаватт (МВт). Самый большой одиночный топливный элемент — это Бриджпорт (Коннектикут) Fuel Cell, LLC с генерирующей мощностью около 16 МВт. Следующие два крупнейших действующих топливных элемента имеют генерирующую мощность по 6 МВт каждый.
Один из них расположен в энергетическом центре Red Lion в Делавэре, где есть еще пять топливных элементов меньшего размера для комбинированной установки общей электрической мощностью 25 МВт. Большинство всех действующих топливных элементов используют трубопроводный природный газ в качестве источника водорода, но три используют свалочный газ и три используют биогаз, полученный при очистке сточных вод.
Проект San Diego Gas and Electric по преобразованию энергии из газа в электроэнергию будет использовать электрическую сеть для производства водорода путем электролиза и использовать его в топливных элементах для выработки электроэнергии.
Сжигание водорода для производства электроэнергии
Интерес к использованию водорода в качестве топлива для электростанций растет. В Соединенных Штатах несколько электростанций объявили о планах работать на топливной смеси природного газа и водорода в газовых турбинах внутреннего сгорания. Одним из примеров является объект Long Ridge Energy Generation Project мощностью 485 МВт в Огайо с газовой турбиной внутреннего сгорания, которая будет работать на 9Топливная смесь 5% природного газа и 5% водорода в газовой турбине с планом в конечном итоге использовать 100% зеленый водород, произведенный из возобновляемых ресурсов.
Другим примером является запланированное Intermountain Power Agency преобразование существующей угольной электростанции в Юте в газовую электростанцию с комбинированным циклом, которая первоначально будет использовать до 30% водорода, а в конечном итоге будет использовать 100% зеленый водород.
Использование водорода в транспортных средствах
Водород считается альтернативным топливом для транспортных средств в соответствии с Законом об энергетической политике от 19 г.92. Интерес к водороду как к альтернативному транспортному топливу обусловлен его способностью питать топливные элементы в транспортных средствах с нулевым уровнем выбросов (автомобили без выбросов загрязнителей воздуха), его потенциалом для внутреннего производства и потенциалом топливных элементов для обеспечения высокой эффективности. Топливный элемент может быть в два-три раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания, работающего на бензине. Водород также может использоваться в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, но сжигание водорода приводит к выбросам оксидов азота и менее эффективно, чем использование в топливных элементах.
Некоторые производители транспортных средств предлагают в аренду или продажу легкие автомобили на водородных топливных элементах в Калифорнии, где есть общественные заправочные станции. Испытательные автомобили также доступны в ограниченном количестве организациям, имеющим доступ к водородным заправочным станциям.
Высокая стоимость топливных элементов и ограниченная доступность водородных заправочных станций ограничивают количество используемых сегодня транспортных средств, работающих на водороде. Производство транспортных средств, работающих на водороде, ограничено, потому что люди не будут покупать эти автомобили, если водородные заправочные станции труднодоступны, а компании не будут строить заправочные станции, если у них нет клиентов с водородными транспортными средствами. В Соединенных Штатах насчитывается около 48 водородных заправочных станций, и почти все они находятся в Калифорнии. Программа чистого транспорта штата Калифорния включает помощь в создании общедоступных заправочных станций для автомобилей на водороде по всей Калифорнии для продвижения потребительского рынка автомобилей на топливных элементах с нулевым уровнем выбросов.
Гибридный автомобиль на водородных топливных элементах
Источник: Wikimedia Commons
Последнее обновление: 20 января 2022 г.
Подробнее
- Водородная программа Министерства энергетики США
- Основы водорода
- Энергия 101: Технология топливных элементов
- Космические применения водорода и топливных элементов
- Топливные элементы: лучший источник энергии для Земли и космоса
- Национальный центр оценки технологий топливных элементов
- Данные автомобиля об альтернативном топливе
- Расположение водородных заправочных станций
- Калифорнийская программа чистого транспорта
- Водород для нефтеперерабатывающих заводов все чаще поставляют промышленные поставщики
- Power-to-gas ставит новый акцент на проблему хранения энергии из возобновляемых источников
Как электромобили на топливных элементах работают на водороде?
Как и полностью электрические транспортные средства, электромобили на топливных элементах (FCEV) используют электричество для питания электродвигателя.
В отличие от других электромобилей, FCEV производят электроэнергию, используя топливный элемент, работающий на водороде, а не только от батареи. В процессе проектирования транспортного средства производитель транспортного средства определяет мощность транспортного средства по размеру электродвигателя (двигателей), который получает электроэнергию от комбинации топливного элемента и аккумулятора соответствующего размера. Хотя автопроизводители могут разработать FCEV с подключаемыми модулями для зарядки аккумулятора, большинство FCEV сегодня используют аккумулятор для рекуперации энергии торможения, обеспечения дополнительной мощности во время коротких ускорений и сглаживания мощности, подаваемой от топливного элемента, с возможностью простаивайте или выключайте топливный элемент при малой потребности в мощности. Количество хранимой на борту энергии определяется размером водородного топливного бака. Это отличается от полностью электрического транспортного средства, где количество доступной мощности и энергии тесно связано с размером батареи.
Узнайте больше об электромобилях на топливных элементах.
Изображение в высоком разрешении
Аккумулятор (вспомогательный): В электромобиле низковольтная вспомогательная аккумуляторная батарея обеспечивает электроэнергию для запуска автомобиля до включения тяговой батареи; он также питает автомобильные аксессуары.
Блок аккумуляторов: Этот высоковольтный аккумулятор накапливает энергию, вырабатываемую рекуперативным торможением, и обеспечивает дополнительную мощность тягового электродвигателя.
Преобразователь постоянного тока в постоянный: Это устройство преобразует постоянный ток высокого напряжения от блока тяговых аккумуляторов в постоянный ток низкого напряжения, необходимый для питания автомобильных аксессуаров и подзарядки вспомогательного аккумулятора.
Тяговый электродвигатель (FCEV): Используя энергию топливного элемента и тягового аккумулятора, этот электродвигатель приводит в движение колеса автомобиля.
В некоторых транспортных средствах используются мотор-генераторы, которые выполняют как функции привода, так и функции регенерации.
Блок топливных элементов: Сборка отдельных мембранных электродов, которые используют водород и кислород для производства электроэнергии.
Горловина топливного бака: Форсунка от заправочной колонки крепится к приемнику на автомобиле для заполнения бака.
Топливный бак (водород): Хранит газообразный водород на борту транспортного средства до тех пор, пока он не понадобится топливному элементу.
Контроллер силовой электроники (FCEV): Этот блок управляет потоком электроэнергии, подаваемой топливным элементом и тяговой батареей, контролируя скорость тягового электродвигателя и создаваемый им крутящий момент.
Тепловая система (охлаждение) — (FCEV): Эта система поддерживает надлежащий диапазон рабочих температур топливного элемента, электродвигателя, силовой электроники и других компонентов.