Қыстық энергиялық қиыншылықтар және жасыл сутегінің рөлі

Тұрғын үйлердегі маусымдық энергия айырбастауларын түсіну

Қыс мезгілінде үйде энергия пайдалану көлемі 30-тан 50 пайызға дейін артады, негізінен адамдар жылытуға мұқтаж болады және күн шығып тұрмайды (2023 жылғы Энергетика министрлігінің есебі). Өте суық аймақтарда тұратындар үшін күн электр станциялары қыста шамамен 20 пайыздан 40 пайызға дейін ғана өндіреді, ал күн жарқырап шығып тұрған кезде олардың өндіретіні әлдеқайда көп болады. Сонда не болады? Көптеген үй шаруашылықтары жылынып және үйлерін жарықтандыру үшін жанармай жағып алынған дәстүрлі электр желісіне қайта оралуға мәжбүр болады.

Жасыл сутегі қыстық энергия тапшылығын қалай жабады

Күктің жылы мезгілінде күн энергиясының артық болуы жағдайында жасыл сутегі көміртегі шығарылымын өндірмей-ақ энергияны сақтаудың үздік жолы болып табылады. Фотоэлектрлік панельдерден артық энергия осы PEM электролизерлік жүйелер арқылы өткізіледі, нәтижесінде су сутегі газына ыдырайды. Біз алтыдан сегіз айға дейінгі сақтау мерзімі туралы айтып жатырмыз. Қыс келгенде не болады? Жақында сол отындық ұяшықтар технологиясы қайтадан іске қосылады, сақталған сутегін қайта пайдаланылатын электр энергиясына және сонымен қатар жылуға айналдырады. Бұл барлық процес сол жеткілікті күзгі күннің жақсы кезінде пайдаланылатын, бірақ суық мезгілде ең көп қажеттілікті қанағаттандыру үшін қол жетімді болатындай етіп орын ауыстырады.

Салыстырмалы талдау: тек күн энергиясы жүйесі мен күн+сутегі жүйелері

Сутегі түрінде күзгі күн энергиясын сақтау арқылы гибридті жүйелер жыл мезгілдеріне байланысты желілік тәуелділікті жояды. 2024 жылғы зерттеу күн сәулесі мен сутегі жүйесін пайдаланатын үйлер қыста желіге тәуелділігін күн сәулесі ғана пайдаланатын жүйелерге қарағанда 83% азайтатынын көрсетті.

Деректер талдауы: күн энергиясының 70% ақауы қыс айларында болады (NREL, 2022)

Ұлттық Қайта Қалпына Келтірілетін Энергетикалық Зерттеулер Зертханасы 2022 жылы желтоқсан-ақпан аралығында үй шаруашылықтарында күн энергиясының жетіспеушілігінің жуық 70% қыздыру сұранысының ең жоғарғы деңгейіне сәйкес келетінін хабарлады. Жасыл сутегінің сақтау жүйесі субнөлдік жағдайларда жылу сорғытқышын 14 сағатқа дейін жұмыс істеуге жеткілікті әр килограмынан 8–12 кВт·сағ энергия беру арқылы осы кемшілікті шешеді.

Артық күн энергиясынан жасыл сутегін шығару

Күзгі маусымдағы артық күн энергиясын электролизге пайдалану

RMI-нің өткен жылғы зерттеуіне сәйкес, үйлердегі күн сәулесін пайдаланатын панельдер жарық күндерінде жиі 11-ден 41 пайызға дейін артық электр энергиясын өндіреді. Бұл қалдық энергияны сутегі алу үшін арнайы құрылғылар – PEM электролизерлері арқылы пайдалануға болады. Бұл құрылғылар үйде электр энергиясы аз пайдаланылатын кезде автоматты түрде іске қосылып, суды сутегі мен оттегі газдарына ыдырату үшін қосымша күн энергиясын пайдаланады. Бұл жағдай қызықтығы сол, әдетте қалдық ретінде жоғалып кететін энергияны кейін пайдалану үшін сақтауға болатын затқа айналдырады. Көптеген үйдер жаз мезгілінде алынған сутегінің екі үштен бірінен бас барып, суық мезгілде қажетті жылу және басқа энергиялық қажеттіліктерді толық қамтуға болатынын байқайды.

Үй жүйелеріндегі PEM электролизерлерінің тиімділік көрсеткіштері

PEM электролизерлер тұрғын үйлерде электр энергиясын сутеге айналдыру әсерін 70–80% дейін көрсетеді, ал сутегін айнымалы жүктеме кезінде сілтілі жүйелерден тиімдірек шығарады. Орташа өлшемдегі электролизерге қосылған 10 кВт күн энергия көзі жылына 180–220 кг жасыл сутегін шығаруға болады, бұл қыста отын элементі арқылы түрлендірілген пайдалануға болатын энергияның 3600–4400 кВт·сағ тең.

Шатырдың жарық энергиясымен интеграция: жасыл сутегін шығарудың тиімділігін арттыру

Ақылды энергия басқару жүйелері күн энергиясын сутегі шығарумен синхрондайды, үйдегі тікелей қажеттіліктерді қамтамасыз етіп, қосымша электр энергиясын электролизге бағыттайды. Күрделі жүйелер ауа райы мен пайдалану үлгілерін болжау үшін алдын ала болжау алгоритмдерін қолданады, нәтижесінде тімерге негізделген негізгі басқаруды пайдаланған жылы жасыл сутегін шығаруды 18–22% арттырады.

Қыста пайдалану үшін жасыл сутегін қауіпсіз және тиімді сақтау

Тұрғын үй масштабындағы ыдыстарда қысылған газ түрінде сақтау

Жоғары қысымды ыдыстар (700 барға дейін) құрылыс өндірісіне қолданылатын композитті материалдар арқылы жаздық сутегін сақтайды. Бұл ыдыстар литий-ионды аккумуляторлармен салыстырылатын энергия тығыздығын ұсынады және нөлден төмен температурада да өз қабілетін сақтайды. 2025 жылғы материалдар туралы ғылыми шолу нәтижесінде көміртегі талшықты ыдыстар 1000 зарядтау циклынан кейін өз сыйымдылығының 93% ұстап тұрғаны анықталды, бұл үй шаруашылығында ондаған жыл пайдалануға мүмкіндік береді.

Материалдық сақтау: Металл гидридтері және адсорбенттер

Магний-никель қорытпалары мен нанопорлы адсорбенттерді қолданып қатты күйде сақтау қауіпсіз, төменгі қысымды альтернатива (10–30 бар) ұсынады. Бұл материалдар сутегін химиялық түрде байланыстырады, жарылыс қаупін азайтады және модульдік конструкцияларды іске асыруға мүмкіндік береді. Соңғы жетістіктер 2020 жылмен салыстырғанда 40% жоғары көрсеткіш болып, салмақ бойынша 6,5% сақтау сыйымдылығына қол жеткізді, сонымен қатар -30°C дейінгі тұрақты жұмыс істеу қабілетін сақтайды.

Үйде пайдаланылатын сутегі жүйелеріне арналған қауіпсіздік протоколдары мен стандарттарға сәйкестік

Үйлердегі сутегі жүйелері NFPA 2 және ISO 16111 стандарттарына сәйкес келуі тиіс, сонымен қатар, құбырлардан сутегінің сыртқа ағып кетуін анықтау, жалын аррестаторлары мен қопарылыс қауіпсіз компоненттер қамтылуы қажет. Заманауи жүйелер өз-өзін герметиктейтін қосқыштар мен инертті газдарды пайдаланып тазалау технологиясын қолданады, бұл бастапқы жобалауға қарағанда өрт қауіптерін 82% азайтады.

Зерттеу жағдайы: Скандинавиядағы Hyto Life пилот жобасы – 6 айлық желіден тыс жұмыс істеу нәтижелері

Бір скандинавиялық қауымдастық полярлық түн шарттарында жасалған сутегіне негізделген сақтау жүйесі арқылы қыста 94% энергетикалық тәуелсіздікке қол жеткізді. Олардың жүйесі 30 кВт оттегі элементтері мен 500 кг сутегін сақтау мүмкіндігін біріктіріп, желтоқсан мен ақпан айларында үзіліссіз жылу мен электр энергиясын қамтамасыз етті. Бұл жүйе төменгі температурада жалғыз батареялы жүйелерге қарағанда 31% өнімділікке артықшылық беріп, 85% өзара әсер ету әсер етімділігін қамтамасыз етті.

Сақталған жасыл сутегін сенімді қысқы энергияға айналдыру

Суық климаттағы үйлерді жылыту мен электрмен жабдықтауда оттегі элементтерінің әсер етімділігі

Бүгінгі таңда сутегі отынды элементтерін суықтан жақсы оқшаулаған жағдайда, қыста 85-ден 90 пайызына дейінгі пайдалы әрекет көрсеткішіне жетеді. Оларды қызықтыратын нәрсе – электр мен жылуды бір мезгілде өндіру қабілеті. Көпшілік қондырғылар 2-ден 4 киловатт электр қуатын және 6-дан 9 киловаттқа дейінгі жылу энергиясын шығарады. Дәл осындай екі жақты шығыс күш электр желілерінен тыс уақытта да жылу насостары мен маңызды электр жүйелерін жұмыс істеу қабілетін сақтауға мүмкіндік береді. Скандинавия сияқты аймақтардан алынған нақты көрсеткіштер басқа бір тұжырым жасайды. Минус 15 градус Цельсий температура кезінде бұл жүйелер маусым бойы өзінің әдеттегі тиімділігінің шамамен 67 пайызын сақтайды. Ал мұздатқыш жағдайларда қиыншылық туғызатын кәдімгі аккумуляторлармен салыстырсаңыз, соңғы кезде сутегі технологиясының суық ауа райындағы өнімділігі үшін қаншалықты көп назар аударылып жатқанын түсініп отырасыз.

Гибридті жүйелер: Жылу насостарымен жұптасқан сутегі отынды элементтері

5 кВт PEM отын элементтерін айнымалы жылдамдықты жылу сорғыларымен интеграциялау әрі тиімді, өзін-өзі реттеуші жылу желілерін құруға мүмкіндік береді.

Бұл конфигурация отын элементтерінің жұмысы кезінде пайда болатын жылу қалдықтарын пайдалану арқылы таза электрлік жүйелерге қарағанда қыста жылыту шығындарын 40% азайтады.

Нақты өнімділік: 1 кг жасыл сутегінен 5 кВт үздіксіз қуат алу

Бір килограмм жасыл сутегі заманауи отын элементтері арқылы 18 кВтсағ пайдаланылатын энергия береді – бұл қыстың ең үлкен сұранысы кезінде 2500 кв.фут үйді 36 сағат бойы қамтамасыз етуге жеткілікті. Бұл қолдайды:

• 3,5 кВт жылу сыйымдылығы
• 1 кВт құрылғыларды пайдалану
• 0,5 кВт жарық және электроника үшін

Күн сәулесінен қысқы шығысқа дейінгі жүйе 52% өндірістік пайдалану әсерін тигізеді, ол жыл маусымы бойынша орта есеппен 30% төмен болатын батареялық сақтау жүйесінен асып түседі.

Тұрғын үй жасыл сутегі жүйелерінің экономикалық және экологиялық пайдалылығы

Сутегі негізіндегі өзбетінше жабдықтау үшін энергияның тұрақты бағасы (LCOE)

Үйде пайдаланылатын жасыл сутегі жүйесі артық күн энергиясымен жұмыс істесе, әдетте 18-ден 27 центке дейінгі киловатт-сағат құрайды. Бұл оларды тораптан тыс жерде тұратын пайдаланушылар үшін әдетте 30-дан 60 центке дейінгі киловатт-сағат құрайтын ескі дизель генераторларына қарағанда арзан етеді. Протон алмасу мембраналы электролизерлер де жақсы жұмыс істейді, әдетте 70% жоғары әсер ету коэффициентіне ие. Алайда, жыл мезгіліне байланысты сақтау бір жүктеп-разрядтау циклында тек 55%-дан 65%-ға дейінгі әсер ету коэффициентін ғана қамтамасыз етеді. Алдағы уақытта көптеген сарапшылар электролизерлердің бағасы ондағы он жылдық мерзімнің аяғына қарай шамамен 40% төмендей алатынын айтады. Егер олай болса, сутегін сақтау әсіресе қайтарымның тиімділігі кәсіпкерлер мен үй иелері үшін бірдей маңызды болып табылатын аймақтарда литий-ионды аккумуляторлармен нақты бәсекеге түсе алады.

Көміртегінің үнемдеуі: Әрбір тұтынушы үшін жылына 8 тоннаға дейін CO₂

Пропан жылыту мен дизель генераторларынан көк сутегіне ауысу әр жылы үй шаруашылығындағы шығарындыларды 78%-дан 92%-ға дейін азайтады. Жылыту мен электр тогын шығару үшін жылына шамамен 1,200 килограмм сутегі жағатын орташа 2,500 шаршы фут үйді алыңыз. Мұндай жүйе ауада екі кәдімгі бензинді көліктің тасталуымен шамамен бірдей мөлшерде ластануды болдырмақ. Бірақ шатырға күн сәулесі панельдерін қоссаңыз, онда осындай үйлер күн жарқыраған жаз айларында қоршаған ортаға көміртегін шығаруды тоқтатып, оның орнына жұтады.

Еуропа мен Солтүстік Америкадағы үкіметтік дамыту шаралары мен қайтарым мерзімі

ЕО-ның 2023 жылғы сутегі стратегиясы бойынша тұрғын үйге салық жеңілдіктері 3 000 евро мен 7 500 евро аралығында беріледі, бұл Германия мен Скандинавияда инвестицияларды 6-8 жыл ішінде өтеу мүмкіндігін береді. Басқа жағынан, Америка Құрама Штаттарында Энергетикалық және сутегі бағдарламасы (H2@Home) қаржы салу бойынша 30% салық жеңілдігін береді. Канадада сутегі технологиясымен үйді жылыту жүйелерін орнату үшін 5 000 долларға дейінгі «Greener Homes Grant» гранттары беріледі. Бұл қаржылық жеңілдіктер көптеген үй иелерінің таңдауын жасыл энергетикаға қарай өзгертті. Қазіргі кезде инвестициялардың тиімділігі жақсы, бірақ дәл сандар орналасқан жердегі жағдайлар мен жабдықтарды орнату құнына тәуелді.

• 7 жыл оңтүстік Еуропада (жылына 1600+ күн радиациясы)
• 9 жыл жаңа Англияда/Солтүстік Америкада
• 11 жыл қосымша жел интеграциясы жоқ бұлтты аймақтарда

Жиі қойылатын сұрақтар

Жасыл сутегі дегеніміз не және ол қалай жұмыс істейді?

Жасыл сутегін күн сәулесі сияқты қайта өңделетін энергия көзін электролиздеу үшін пайдаланып, көміртегі шығарындылары болмайтын суды сутегі мен оттегіге бөледі. Сутегін сақтауға болады және кейіннен электр энергиясы мен жылу алу үшін пайдалануға болады.

Сутегін сақтау неліктен қыстағы энергия қажеттіліктері үшін маңызды?

Қыста энергияға деген сұраныс артады, ал күн сәулесінің шығысы төмендейді, әсіресе суық аймақтарда. Сутегін сақтау күн сәулесінің көп болатын айларында күн энергиясынан алынған энергияны қыста пайдалану үшін сақтауға мүмкіндік береді, соның нәтижесінде желілік электр энергиясы мен отынды пайдалануды азайтады.

Жасыл сутегі дәстүрлі энергия сақтау шешімдерімен қалай салыстырылады?

Жасыл сутегі аккумуляторлық сақтауға қарағанда ұзағырақ сақтау мерзімін және қыстағы энергияның жоғары қолжетімділігін ұсынады. Ол тек күн сәулесіне негізделген жүйелер ұсынатын 25–40% қарсы, күн сәулесінің күзетінде 80–95% дейін қыстағы энергияны қамтамасыз етуі мүмкін.

Тұрғын үйлердегі сутегі жүйелерін пайдалану қауіпсіз бе?

Иә, тұрғын үйлердегі сутегі жүйелері қауіп-қатерлерді азайту үшін NFPA 2 және ISO 16111 сияқты қатаң қауіпсіздік стандарттарына сәйкес жасалған, соның ішінде ақау датчиктері мен өзін-өзі герметиктейтін қосқыштар сияқты технологиялар қолданылады.

Үйде сутегі технологиясын енгізудің қаржылық дамыту шаралары қандай?

Еуропа мен Солтүстік Америкадағы кейбір аймақтарда тұрғын үйлердегі сутегі жүйелеріне бастапқы инвестицияны азайтып, қайтарым мерзімін жақсартуға болатын салық жеңілдіктері мен гранттар сияқты әртүрлі үкіметтік дамыту шаралары бар.