Электр өндіруде сутегі энергиясы қалай қолданылады

Сутегіні пайдаланып электр энергиясын өндіру негізінен екі әдіспен жүзеге асады: отын элементтері мен сутегіге бейімделген жағу турбиналары арқылы. Отын элементі технологиясы электрхимиялық процестер арқылы қуат өндіру принципіне негізделген және жылу қайта өңдеу жүйелерімен жұмыс істеген кезде оның пайдалы әсер коэффициенті шамамен 60% дейін жетеді. Табиғи газ үшін алғаш құрылған көптеген жағу турбиналары қазір сутегі қоспаларын немесе тіпті таза сутегіні өңдей алады, бұл желі операторларына тұрақты электрмен жабдықтауды сақтау үшін қажетті икемділікті береді. Жасыл сутегіні өндіру кезінде электролиз деп аталатын процесс арқылы жел және күн сияқты жаңартылатын энергия көздерін пайдаланып су молекулаларын бөледі. Бұл жасыл сутегі жаңартылатын энергия қолжетімділігі төмендегенге дейін сақталады, содан кейін қайтадан электр энергиясына айналдырылады. Мысалы, Германияда бірнеше офшорлық жел қондырғылары бұл кезде жасыл сутегін өндіреді. Бұл жобалар кейбір сынақ аймақтарында көмір электр станцияларына тәуелділікті шамамен 40% дейін азайтты, әрине нәтижелер жергілікті жағдайлар мен жүзеге асыру ерекшеліктеріне байланысты өзгеріп отырады.

Бағдарламалық желілерге сутегіні интеграциялау

Сутегі қуат желілерін тазартуға көмектеседі және олардың тұрақтылығын сақтайды. Қосымша жаңартылатын энергия болған кезде сутегі оны сақтап, сұраныс шыңына жеткенде қайтадан босатады. Мысалы, Данияны алып қарастырайық, ондағы пилоттық жобалар тұз қоймаларына сутегіні сақтау әрбір жыл сайын энергияның шығындалуын 15-тен 20 пайызға дейін азайтатынын көрсетті. Күн электр станциялары электролиз жабдықтарымен бірге жұмыс істейтін гибридті орнатылымдар пайда болып жатыр, бірақ энергия екі бағытта да ағатындықтан, бәрін біркелкі жұмыс істеуге итермелейтін өте күрделі энергия басқаруы қажет. Калифорнияның Жаңартылатын Сутегі Арқауы жобасын қараңыз — олар шынымен сутегіні қолданып, соңғы кездері қалыпты жұмысты мүлде бұзатын қатаң ыстық толқындар кезінде желіні тұрақты ұстап тұрады.

Зерттеу жағдайы: Германия мен Жапониядағы сутегімен жұмыс істейтін қондырғылар

Германиядағы Energiepark Mainz 6 мегаватттық электролизаторды жел энергиясымен біріктіріп, жылына шамамен 200 тонна сутек өндіреді. Бұл орнатылым 1,4 МВт-тық отын элементі жүйесі арқылы электр үзілген кезде шамамен 2000 тұрғын үйге электр беруі мүмкін. Тынық мұхит арқылы Жапония FH2R деп қысқартылатын Фукусима сутекті энергетикалық зерттеу облысы деген одан да ірі нәрсені құрды. 10 МВт қуатымен ол әлемдегі ең үлкен жасыл сутек зауыты болып табылады. Ол тек Токионың кейбір бөліктеріне қуат беріп қоймай, сонымен қатар зерттеушілер мұхит арқылы сутекті тасымалдау тәжірибесін жүргізеді. Бұл жобалардың ерекшелігі - олардың 95% шамасындағы әсер ету коэффициенті. Олар электр желісіне нақты қажет болған сәтте сутекті өндірудің көлемін реттеп отыру арқылы осы жоғары өнімділікке қол жеткізеді.

Негізгі электр қуаты үшін сутекті кеңейту қиындықтары

Негізгі электрмен жабдықтауда сутектің рөлін шектейтін үш негізгі кедергі:

• Баға : Электролизерлердің бастапқы құны табиғи газ турбиналарынан шамамен үш есе жоғары болып қала береді.
• Пайдалы әрекет коэффициентінің төмендеуі : Электр энергиясын сутегіге айналдырып, кейін қайтадан электр энергиясына айналдыру процесі 30–35% энергия жоғалтуға әкеледі.
• Инфрақұрылым : Жер шары бойынша газ құбырларының 15%-ден аз бөлігі 20%-дан жоғары сутегі қоспаларын қауіпсіз тасымалдай алады.

2021 жылғы салалық шолу оттық ұяшықтардың ұзақ мерзімділігі мен құбыр өткізгіштердегі брухинизацияны зерттеу жұмыстарының негізгі бағыттары екенін атап өтті және 2040 жылға дейін инфрақұрылымды жаңартуға 1,2 триллион доллар қажет болатынын бағалады. Сутегі жаңартылатын энергияны толықтырады, бірақ қазіргі уақытта кеңінен қолданылатын базалық электр энергиясын жеткізу бойынша құны теңестірілмеген.

Жылу үшін сутегі: Өнеркәсіптік және тұрғын үй жүйелерін көміртегісіздендіру

Сутегі энергиясының жылыту жүйелерін көміртегісіздендірудегі рөлі

Энергияны пайдаланудан шығатын барлық CO2 шығарындылардың шамамен 40 пайызы өткен жылғы ЭЕА деректері бойынша жылу жүйелерінен келеді, сондықтан көптеген сарапшылар сәйкесінше өнеркәсіптік пештер мен үйлердегі қазандықтарда пайдаланылатын пайдалы қазбаларды сутекпен ауыстыруды нақты ойын өзгертетін фактор ретінде қарастырады. Сутек 2800 градус Цельсийге жуық температурада жануы оны болат өндірісі сияқты ауыр өнеркәсіп салалары үшін ерекше тартымды етеді. Қуат пен жылуды өндіру үшін отын элементі негізіндегі микрокомплекстермен жүргізілген кейбір сынақтар да тамаша нәтижелер көрсетті және аудандық жылу беру желілерінде қолданылған кезде 90 пайызға жуық ПӘК-ке жетті. Қызықтысы, сутек шамамен қазіргі газ құбырларының 20 пайызында инфрақұрылымға ешқандай өзгеріс енгізбей-ақ жақсы жұмыс істей алады, бұл әртүрлі салаларда бұл технологияны енгізу жылдамдығын шынымен арттыруы мүмкін.

Газ құбырларындағы табиғи газбен сутекті араластыру

Барлық газ желілеріне сутекті араластыру ауысу жолын ұсынады:

Еуропалық сынақтар сутектің 20% қоспасы жылына 6 миллион тонна шығарылымды азайтуға мүмкіндік беретінін, бірақ сутектің көлемдік энергия тығыздығы төмен болғандықтан, қоспаның жоғары деңгейінде ағын жылдамдығы 15–25% артуы керек екенін көрсетеді.

Үй жылуы үшін сутек қолданатын пилоттық жобалар: Ұлыбритания мен Нидерландтар

Ұлыбританиядағы HyDeploy бағдарламасы шамамен 300 үйге газ жабдықтамасына сутекті 20% шамасында араластыруды қамтамасыз етті, және көпшілік осыған қанағаттанады - тәжірибеге қатысушылардың шамамен 8-де 10 адам қанағаттануын білдірді. Нидерландтардағы H2Stad тәжірибесінде 1500 үй толығымен сутекті қондырғыларға ауыстырылды, бұл тағы да қызықты болды. Нәтижелер де өте елеулі болды, өйткені дәстүрлі табиғи газ жүйелерімен салыстырғанда жылу жабдықтамасынан шығатын шығарындылар 90%-ға жуық төмендеді. Бұл сынақ бағдарламалары сутектің ірі масштабта жұмыс істеуі мүмкін екенін көрсетсе де, назар аудару қажет мәселелер де бар. Материалдарға жүргізілген зерттеулер сораптар толығымен тұрақты түрде сутекпен жұмыс істесе, олардың пайдалану өмірі 12%-дан 18%-ға дейін қысқаруы мүмкін екенін көрсетеді. Бұл жақсы хабар емес, бірақ дұрыс жоспарлау арқылы басқаруға болады.

Сутекті жылу жабдықтамасының әсер етуі мен қауіпсіздігі

Сутегі бойлерлері шамамен 85-90 пайызға дейінгі пайдалы әрекет коэффициентімен жұмыс істейді, бұл табиғи газбен салыстырғанда (шамамен 94%) сәл төмен. Алайда сутегінің 0,3 мДж-ге қажетті метанның керісінше, тек 0,02 мДж-ға жануы оның әлдеқайда оңай жануын білдіреді. Бұл бізге 1 пайыз концентрациясына дейінгі өте аз мөлшерді тіпті анықтай алатын өте жақсы сорғының болуын қажет етеді. DNV-дің 2023 жылғы соңғы зерттеулеріне сәйкес, сутегі полиэтилен құбырлар арқылы қалыпты газға қарағанда шамамен 30 есе тезірек сіңіп кетеді. Осы проблемаға байланысты, көбінесе ескі құбыр желілеріне уақыт өте келе арнайы композиттік жабындарды қосу қажет болады. Сонымен қатар, жеткілікті желдетуді де ұмытпауымыз керек. Ғимараттар дұрыс қайта жабдықталған кезде, тек осы қарапайым шара ғана жарылыс қаупін жуық 92 пайызға дейін азайтуға мүмкіндік береді.

Көлікте сутегі: отын элементтерінен бастап әуежайларға дейін

Сутегі отын элементі көліктері — экологиялық таза көлік түрі ретінде

Отын элементі электр көліктері ұяшықтың ішіндегі химиялық реакциялар арқылы қуат өндіру жолымен жұмыс істейді және негізінен тек буды ғана шығарады. Ықтималдың бір артықшылығы — толтыру бес минуттан кем уақытты алады, ал мұндай көліктер келесі толтыруды қажет етпес бұрын 500 километрден аса жүре алады. Ұзақ қашықтықтағы камаздар мен жүк кемелері үшін бұл оларды жай аккумуляторлардан гөрі жақсы етеді, себебі олар жүк кеңістігін көп азайтпай, кішірек кеңістікке көбірек энергия сыйдырады. Соңғы кездері Toyota және Hyundai сияқты компаниялар үлкен көлік қажеттіліктері үшін сутек технологиясына нақты ақша салып жатыр.

Калифорния мен Оңтүстік Кореяда сутекті автобустар мен камаздарды енгізу

Калифорнияның H2 Frontier жобасы 2023 жылдан бері 12 аймақтық аудандарда 50-ден астам сутекпен жұмыс істейтін автобусты пайдалануға енгізді, жылына 1200 тоннаға жуық шығарындыларды қысқартып отыр. Оңтүстік Кореяда Ульсан Сутек Порты жақын жердегі офшорлық жел энергиясымен жұмыс істейтін электролизаторлардың қолдауымен контейнерлерді тасымалдау үшін 120 отын элементі камазын пайдаланады.

Германия мен Франциядағы сутегімен жұмыс істейтін пойыздар

Германияның Coradia iLint пойыздары 2023 жылы 220 000 шығарылымсыз километр жүрді. Францияның TER Occitanie бағыты 15 дизельдік қондырғыны сутегілі гибридті пойыздармен ауыстырды, олар электрлендірілмеген маршруттарда қашықтықты ұлғайту үшін шатырда орнатылған отын элементтерін пайдаланады.

Теңіз және әуе көлігі саласындағы дамушы қолданбалар

Теңіз операторлары Солтүстік теңізде төрт жүк кемесін жағу үшін сутегіден алынған аммиакты пайдалануда, бұл ауыр отын майымен салыстырғанда CO2 шығарылымын 85% азайтады. Әуежүзіде сұйық сутегі жануымен жұмыс істейтін шығарылымсыз әуе кемелері 2035 жылға дейін пайдалануға енуі күтілуде, ал қазіргі прототиптер 750 км сынақ ұшықтарын табысты аяқтады.

Сутегіні толтыру желілеріне арналған инфрақұрылымның қиындықтары

Бүкіл әлемде 1000-нан аз сутегі толтыру станциялары бар, оның 42%-ы Еуропада және 38%-ы Азияда орналасқан. Қысымды сақтау әлі де 2024 жылы кг-ына 1800 доллар тұратын қымбат болып қала береді және құбыр желісі материалдарының сынғыштығы масштабты тарату үшін қиындықтар туғызады.

Жасыл сутегін өндіру: Тұрақты әдістерді дамыту

Сұр, көк және жасыл сутегі: Қоршаған ортаға және экономикаға әсері

Сутегін өндірудің бірнеше әдістері бар және олардың әрқайсысының өзіндік қоршаған ортаға әсері мен бағасы бар. Күл сутегі будың метанмен әрекеттесуінен (SMR) түзіледі және өндірілген әрбір килограмм сутегі үшін 9-дан 12 кг дейін CO2 шығарады. Бағасы қандай? Халықаралық энергетикалық агенттіктің 2023 жылғы мәліметтері бойынша, сутегінің әр килограмына $1,50-ден $2,80-ға дейін. Содан кейін SMR процесін пайдаланатын, бірақ көміртек ұстап алу технологиясын қосатын көк сутегі бар. Бұл шамамен 80-90 пайызға шығарындыларды азайтады, бірақ әр килограмына $2,50-ден $4-ке дейін тұратын қымбаттауға әкеледі. Және соңында, жаңартылатын энергия көздерінен электр энергиясын пайдаланып электролиз аппараттарын іске қосқан кезде түзілетін жасыл сутегіге келеміз. Бұл әдіс тікелей шығарындыларды шығармайды және қазіргі уақытта әр килограмына $3-тен $5-ке дейін тұрады. Бұл нақты шамамен екі жыл бұрынғы $4-тен $6-қа дейінгі бағалармен салыстырғанда қатты төмендеді.

Жасыл сутегі энергиясының шығарылымын арттыратын электролиздің жетілдірілуі

Протондық алмасу мембранасы (PEM) электролизаторларының әсер ету коэффициенті 2010 жылы 60% болса, қазір ол 75–83% деңгейінде. Сілтілік жүйелер 65–70% әсер ету коэффициентімен жұмыс істеп, 60 000 сағаттан астам қызмет ету мерзіміне ие. Қатты тотықтық электролизаторлар (SOEC) 700–900°C температурада жұмыс істей отырып, зерттеулер барысында 85% әсер ету коэффициентіне жетті, бұл өнеркәсіптік масштабтағы жасыл сутегі өндірісінің перспективалы екенін көрсетеді (ScienceDirect, 2024).

Жаңартылатын энергиямен жұмыс істейтін сутегі өндірісінің құнының динамикасы мен масштабталуы

Күн энергиясымен жұмыс істейтін электролиздің көмегімен сутегі өндірудің құны 2015 жылдан бері шамамен 62% төмендеп, 2024 жылы оның бағасы килограмына 3-4,50 доллар аралығында болды. Төменгі Аустралияда жел электр станциялары жыл сайын килограмына шамамен 3,80 долларға 1000 тоннадан аса жасыл сутегі өндіріп шығаруда. Ал Қытайда электролизерлердің ірі масштабты орнатылуы әр жылдары өндірістің құнын жуық шамамен жылына 18% азайтып отыр. Алдағы уақытта BloombergNEF болжамынша, жасыл сутегі 2030 жылға дейін килограмына тек 1,50 долларға жетуі мүмкін. Бұл құбылыс жаңартылатын энергия көздерінің тез өсуіне байланысты болады, олар әлемде барлық жаңа электр энергиясы өндірудің жуық шамамен 85%-ын құрайтын болады.

ЖИҚ (Жиі қойылатын сұрақтар)

Сутегіні пайдаланып электр энергиясын өндірудің негізгі әдістері қандай? Негізгі әдістер — сутегіге бейімделген отын элементтері мен жану турбиналары арқылы жүргізілетін әдістер.
Сутегі электр желісінің тұрақтылығына қалай ықпал етеді? Сутегі артық жаңартылатын энергияны сақтайды және сұраныс тостаған кезде оны бөліп, желінің тұрақтылығын қамтамасыз етеді.
Негізгі электр қуаты үшін сутегіні пайдаланудың қазіргі уақыттағы қандай қиындықтары бар? Жоғары құны, энергияны түрлендіру кезіндегі пайдалы әсер коэффициентінің төмендеуі және инфрақұрылымның шектеулері – негізгі қиындықтар болып табылады.
Жылу жүйелерінде сутегі қалай қолданылады? Сутегі өнеркәсіптік және тұрғын үйлердегі жылу жүйелерінде пайдаланылатын пайдаланылатын отындардың орнына тұрақты альтернатива ретінде пайдаланылуы мүмкін.
Жасыл сутегі өндіру саласында қандай жетістіктерге қол жеткізілді? Электролиз технологиясындағы жетістіктер мен үлкен масштабтағы орнатылымдар құнын едәуір төмендетті және пайдалы әсер коэффициентін арттырды.