Как се използва водородната енергия при производството на електроенергия

Производството на електроенергия с водород се осъществява основно чрез два метода: горивни клетки и газови турбини, адаптирани за използване на водород. Технологията на горивните клетки работи чрез създаване на енергия чрез електрохимични процеси и при комбиниране с системи за възстановяване на топлина може да достигне около 60% ефективност. Много от съществуващите газови турбини, първоначално построени за работа с природен газ, вече могат да използват смеси с водород или дори чист водород, което осигурява на операторите на мрежата необходимата гъвкавост за поддържане на стабилното електрозахранване. Производството на зелен водород включва разделянето на водни молекули с помощта на възобновяеми източници на енергия като вятъра и слънчевата светлина чрез процес, наречен електролиза. Този зелен водород се съхранява, докато не настъпи спад в наличността на възобновяема енергия, след което може да бъде преобразуван отново в електроенергия. Вземете Германия например, където няколко морски вятърни инсталации вече произвеждат зелен водород. Тези проекти успяха да намалят зависимостта от въглищни централи с приблизително 40% в определени пробни области, въпреки че резултатите варират в зависимост от местните условия и конкретната реализация.

Интеграция на водорода в съществуващите електрически мрежи

Водородът помага да се направят електрическите мрежи по-чисти, като в същото време запазва тяхната стабилност. Когато има излишна възобновяема енергия, водородът я съхранява и след това я освобождава обратно при върхови търсения. Вземете Дания например – техните пилотни проекти установиха, че съхранението на водород в солни кухини намалява загубите на енергия с между 15 и дори до 20 процента годишно. Наблюдаваме появата на такива хибридни системи, при които слънчеви ферми работят заедно с електролизни инсталации, въпреки че свързването на всичко гладко изисква доста сложен мениджмънт на енергията, тъй като енергията циркулира в двете посоки през системата. Вижте какво прави Калифорния с проекта си Renewable Hydrogen Backbone – те всъщност използват водород, за да поддържат мрежата стабилна по време на силните вълни от горещина, които наскоро толкова нарушават нормалната работа.

Кейс студи: Електроцентрали, задвижвани от водород, в Германия и Япония

Енергиепарк Майнц в Германия комбинира 6 мегаватов електролизьор с източници на вятърна енергия, за да произвежда около 200 тона водород всяка година. Тази инсталация може всъщност да захранва с електричество приблизително 2000 домакинства при прекъсвания на тока чрез своята 1,4 MW топлинна клетка. Отвъд Тихия океан Япония е разработила нещо още по-голямо, наречено Поле за изследване на водородна енергия Фукушима или FH2R за кратко. С капацитет от 10 MW, той е най-голямата зелена водородна централа в света. Тя не само помага за захранване на части от Токио, но и учените я използват за експерименти с превоз на водород през океаните. Онова, което отличава тези проекти, е тяхната впечатляваща ефективност от около 95%. Постигат тази висока производителност, като регулират количеството произвеждан водород според реалните нужди на електрическата мрежа във всеки даден момент.

Предизвикателства при мащабирането на водорода за базово електроосигуряване

Три основни бариери ограничават ролята на водорода в базовото електроосигуряване:

• Разходи : Капиталовите разходи за електролизьори остават приблизително три пъти по-високи в сравнение с тези за газови турбини.
• Загуби на ефективност : Процесът на преобразуване на електричество във водород и обратно води до загуба на енергия от 30–35%.
• Инфраструктура : По-малко от 15% от глобалните газопроводи могат безопасно да пренасят водородни смеси над 20%.

Преглед на индустрията от 2021 г. посочи издръжливостта на горивните клетки и охрупчването на тръбопроводите като ключови приоритети за проучвания и разработки, като се оценяват нуждите от инвестиции в инфраструктурата на 1,2 трилиона щатски долара до 2040 г. Въпреки че водородът допълва възобновяемата енергия, в момента той не осигурява паритет в разходите за широко разпространено базово енергоснабдяване.

Водород за отопление: Декарбонизация на индустриални и битови системи

Ролята на водородната енергия при декарбонизацията на отоплителните системи

Около 40 процента от всички CO2 емисии от енергийното потребление по света идват от отоплението, според данни на МЕА от миналата година, което е причината много експерти да считат водорода за истински променник в замяната на изкопаемите горива както в индустриални пещи, така и в домашни бойлери. Фактът, че водородът изгаря при температури, достигащи почти 2800 градуса по Целзий, го прави особено подходящ за тежката индустрия, като производството на стомана. Някои тестове с микро системи за комбинирано топлинно и електрическо захранване с горивни клетки също показаха впечатляващи резултати, достигайки около 90 процента ефективност при използване в мрежи за централно отопление. Интересното е, че водородът всъщност работи доста добре в около 20% от съществуващите газопроводи без нужда от промени в инфраструктурата, което би могло сериозно да ускори разпространението на тази технология в различни сектори.

Смесване на водород с природен газ в тръбопроводи

Смесването на водород в съществуващите газови мрежи предлага преходен път:

Европейски проби показват, че 20% смеси биха могли да намалят емисиите с 6 милиона тона годишно, като при това се осигури безопасна експлоатация. Въпреки това, поради по-ниската обемна плътност на енергията на водорода, дебитът трябва да се увеличи с 15–25% при по-високи нива на смесване.

Пилотни проекти във Великобритания и Холандия, използващи водород за отопление на домакинства

Програмата HyDeploy във Великобритания успя да смеси водород в газовата мрежа за около 300 домакинства на ниво около 20%, като повечето хора изглеждаха доволни – приблизително 8 от всеки 10 участници съобщиха, че са удовлетворени. В Холандия нещата станаха още по-интересни с експеримента H2Stad, при който 1500 домакинства бяха напълно превключени към водородни бойлери. Резултатите също бяха впечатляващи, тъй като това намали емисиите от отопление с почти 90% в сравнение с обичайните системи на природен газ. Въпреки че тези пробни програми показват, че водородът може да работи в по-голям мащаб, има някои загрижености, които заслужават внимание. Изследвания върху материали сочат, че ако тръбопроводите пренасят постоянно чист водород, техният полезен живот може да се съкрати между 12% и 18%. Не са много добри новини, но все пак управляеми при подходящо планиране.

Ефективност и безопасност при отоплението базирано на водород

Водородните котли работят с около 85 до 90 процента ефективност, което всъщност е малко по-ниско в сравнение с природния газ, който достига около 94%. Особеността при водорода обаче е, че той се запалва много по-лесно, тъй като се нуждае само от 0,02 mJ спрямо 0,3 mJ за метана. Това означава, че се нуждаем от изключително добри системи за откриване на течове, способни да засичат дори минимални количества, може би концентрация от едва 1%. Според някои скорошни проучвания на DNV от 2023 г., водородът преминава през полиетиленови тръби около 30 пъти по-бързо в сравнение с обикновения газ. Поради този проблем повечето от по-старите тръбни мрежи вероятно ще имат нужда от специални композитни подложки, добавени на някой етап. И нека не забравяме и правилната вентилация. Когато сградите бъдат правилно модернизирани, тази проста мярка сама по себе си може да намали опасността от експлозии с почти 92%.

Водород в транспорта: От горивни клетки до авиация

Превозни средства с водородни горивни клетки като чист алтернативен транспорт

Вehicles с водородни горивни клетки генерират енергия чрез химични реакции вътре в клетката и по същество отделят само водна пара като изгорели газове. Голямото предимство е, че зареждането отнема по-малко от пет минути, а тези превозни средства могат да изминат над 500 километра, преди да се нуждаят от ново презареждане. За дълги разстояния, като камиони и товарни кораби, това ги прави по-добри от обикновените батерии, тъй като съхраняват повече енергия в по-малки пространства, без да жертват много товарно място. Компании като Toyota и Hyundai наскоро започнаха сериозни инвестиции във водородни технологии за своите по-големи транспортни нужди.

Приемане на водородни автобуси и камиони в Калифорния и Южна Корея

Проектът на Калифорния „H2 Frontier“ е разположил повече от 50 водородни автобуса в 12 транзитни района от 2023 година, като намалява емисиите с 1200 тона годишно. В Южна Корея пристанището за водород в Улсан управлява 120 камиона с горивни клетки за превоз на контейнери, подпомагани от електролизатори, задвижвани от морски вятър наблизо.

Водородни влакове в Германия и Франция

Водородните влакове Coradia iLint на Германия изминаха 220 000 километра без емисии през 2023 г. Линията TER Occitanie във Франция замени 15 дизелови единици с водородни хибриди, които използват горни горивни клетки за удължаване на обсега по неелектрифицирани маршрути.

Нови приложения в морския и авиационния сектор

Морските оператори използват амоняк от водород за захранване на четири товарни кораба в Северно море, като намалят CO2 емисиите с 85% в сравнение с тежкото фуражно масло. В авиацията се очаква самолети за регионални полети с нулеви емисии, задвижвани от горене на течен водород, да влязат в експлоатация до 2035 г., като съществащите прототипи вече извършват пробни полети на разстояние 750 км.

Предизвикателства за инфраструктурата на мрежите за превключване на водород

Глобално съществуват по-малко от 1 000 станции за зареждане с водород, като 42% са в Европа и 38% — в Азия. Съхранението под високо налягане остава скъпо — 1 800 щатски долара за кг през 2024 г. — а крехкостта на материалите за тръбопроводите създава предизвикателства за разпределението в големи мащаби.

Производство на зелен водород: Напредък в устойчивите методи

Сив, син и зелен водород: Екологични и икономически компромиси

Има доста различни начина за производство на водород, като всеки от тях има собствено въздействие върху околната среда и цена. Сивият водород се получава чрез парна метанова реформация (SMR) и отделя между 9 и 12 килограма CO2 на всеки килограм произведен водород. А каква е цената? Около 1,50 до 2,80 щатски долара за килограм според Международната агенция за енергетика през 2023 г. Следва синият водород, който използва същия процес SMR, но добавя технология за улавяне на въглерод. Това намалява емисиите с около 80 до 90 процента, макар и да повишава разходите – приблизително 2,50 до 4 щатски долара за килограм. И накрая имаме зеления водород, който се произвежда, когато електроенергия от възобновяеми източници задвижва електролизни устройства. Този метод не отделя директни емисии и в момента струва между 3 и 5 щатски долара за килограм. Всъщност тази цена значително е намаляла спрямо преди само няколко години, когато беше около 4 до 6 щатски долара за килограм.

Напредък в електролизата увеличава производството на зелена водородна енергия

Електролизаторите с протонна обменна мембрана (PEM) вече постигат ефективност от 75–83%, спрямо 60% през 2010 г. Алкалните системи работят с ефективност 65–70% и имат срок на служба над 60 000 часа. Твърдите оксидни електролизатори (SOEC), работещи при температури 700–900°C, са постигнали ефективност от 85% при изпитвания, което показва потенциал за промишлено производство на зелен водород (ScienceDirect 2024).

Тенденции в разходите и мащабируемостта на производството на водород с възобновяема енергия

Разходите за производство на водород чрез електролиза, задвижвана от слънчева енергия, рязко намаляха, с около 62% от 2015 г. насам. През 2024 г. вече виждаме цени между 3 и 4,50 щатски долара за килограм. На юг в Австралия, вятърни ферми произвеждат повече от 1 000 тона зелен водород всяка година при около 3,80 щатски долара за килограм. Междувременно в Китай, големи електролизаторни инсталации правят производството по-евтино всяка година, като намаляват разходите приблизително с 18% годишно. Напредвайки в бъдещето, BloombergNEF прогнозира, че зеленият водород може да достигне само 1,50 щатски долара за килограм до 2030 г. Това ще се случи, докато източниците на възобновяема енергия продължават своя бърз разширяване, очаквайки да представляват почти 85% от всичко ново електроенергийно производство по света.

ЧЗВ

Какви са основните методи за генериране на електричество, използващи водород? Основните методи са чрез горивни елементи и двигатели с вътрешно горене, адаптирани за водород.
Как допринася водородът за стабилността на електроенергийната мрежа? Водородът съхранява излишната възобновяема енергия и я освобождава по време на върхови натоварвания, за да осигури стабилност на мрежата.
Какви са някои текущи предизвикателства при използването на водород за базово електроснабдяване? Големите разходи, загубите на ефективност по време на преобразуване на енергията и ограниченията в инфраструктурата са основни предизвикателства.
Как се използва водородът в отоплителните системи? Водородът може да замени изкопаемите горива в промишлени и битови отоплителни системи и предлага устойчив алтернативен вариант.
Какви постижения са постигнати в производството на зелен водород? Разработките в технологията на електролизата и големите инсталации значително намалиха разходите и повишиха ефективността.