Kaip vandenilio energija naudojama elektros energijos gamyboje

Elektros energijos gamyba naudojant vandenilį vyksta daugiausia dviem būdais: kuriant kuro elementus ir pritaikius degimo turbinas vandeniliui. Kuro elemento technologija veikia, generuodama energiją elektrocheminių procesų būdu, o poruota su šilumos atgavimo sistemomis gali pasiekti apie 60 % efektyvumo lygį. Daugelis jau esamų degimo turbinų, iš pradžių sukurtų dujų operacijoms, dabar gali tvarkytis su vandenilio mišiniais ar net grynu vandeniliu, kas suteikia tinklo operatoriams labai reikalingos lankstumo stabiliai elektros tiekimo priežiūrai. Žaliasis vandenilis gaunamas vandens molekules skiriant atgaunamosiomis energijos šaltinių, tokiais kaip vėjo ir saulės energija, pagalda – tai vadinamas elektrolizės procesas. Šis žaliasis vandenilis yra kaupiamas tol, kol atsiranda atgaunamosios energijos trūkumas, tada jis gali būti vėl paverstas į elektros energiją. Paimkime Vokietiją, kur keletas jūros vėjo jėgainių jau gamina žaliąjį vandenilį. Šie projektai tam tikrose bandomosiose vietovėse jau sumažino priklausomybę nuo anglių elektrinių apie 40 %, nors rezultatai kinta priklausomai nuo vietos sąlygų ir diegimo specifikos.

Vandenilio integravimas į esamus elektros tinklus

Vandenilis padeda padaryti elektros tinklus švaresniais, išlaikant jų stabilumą. Kai yra perteklinės atsinaujinančios energijos, vandenilis ją kaupia, o vėliau išleidžia atgal, kai pakyla paklausa. Pavyzdžiui, Danijoje vykdomiems bandymo projektams pasisekė – saugojant vandenilį druskos urvuose, kasmet mažinamas energijos švaistymas nuo 15 iki net 20 procentų. Dabar vis dažniau pasitaiko hibridinių sprendimų, kai saulės elektrinės veikia kartu su elektrolizės įranga, nors visam šiam komplektui sklandžiai funkcionuoti reikalinga itin sudėtinga energijos valdymo sistema, kadangi energija sistemose teka abiem kryptimis. Pažvelkite į tai, ką daro Kalifornijoje su savo Projektu „Atsinaujinančiojo vandenilio pagrindas“ – jie iš tiesų naudoja vandenilį, kad tinklas karščio bangų metu, kurios pastaruoju metu taip trikdo normalų veikimą, liktų stabilus.

Atvejo tyrimas: Vandeniliu varomi energetikos objektai Vokietijoje ir Japonijoje

Vokietijoje esantis Energiepark Mainz sujungia 6 megavatų elektrolizatorių su vėjo energijos šaltiniais, kad kasmet pagamintų apie 200 tonų vandenilio. Ši įranga gali tiekti elektrą apie 2 000 namų ūkių per elektros tiekimo nutraukimus dėl jos 1,4 MW kuro elementų sistemos. Per Ramųjį vandenyną Japonija sukūrė dar didesnį projektą – Fukushima Vandenilio Energijos Tyrimų Aikštelę, trumpai vadinamą FH2R. Turėdama 10 MW pajėgumą, ji yra didžiausia žalia vandenilio gamykla pasaulyje. Ji ne tik padeda maitinti dalį Tokijo, bet ir tyrėjai naudoja ją eksperimentuoti su vandenilio vežimu per vandenynus. Tai, kas išskiria šiuos projektus, yra jų įspūdingas efektyvumo lygis – apie 95 %. Jie pasiekia tokį aukštą našumą todėl, kad koreguoja vandenilio gamybą priklausomai nuo to, ko elektros tinklas iš tikrųjų reikalauja bet kuriam momentui.

Kliūtys plėtojant vandenilį baziniam maitinimui

Tris pagrindines kliūtis riboja vandenilio vaidmenį baziniame maitinime:

• Kaina : Elektrolizatorių kapitaliniai kaštai vis dar yra maždaug tris kartus didesni nei gamtinių dujų turbinų.
• Efektyvumo nuostoliai : Elektrinės energijos konvertavimas į vandenilį ir atgal sukelia 30–35 % energijos nuostolių.
• Infrastruktūra : Mažiau nei 15 % viso pasaulio dujotiekio gali saugiai perduoti vandenilio mišinius, viršijančius 20 %.

2021 m. pramonės apžvalga pabrėžė kuro elementų ilgaamžiškumą ir dujotinkio trapumą kaip pagrindines R&D prioritetines sritis, 2040 m. iki prognozuojama reikalinga 1,2 trilijono JAV dolerių infrastruktūros modernizacija. Nors vandenilis papildo atsinaujinančią energiją, šiuo metu jis neturi kainos lygiavertės platumo mastu naudojant bazinę apkrovą.

Vandenilis šildymui: pramoninių ir buitinių sistemų dekarbonizacija

Vandenilio energijos vaidmuo šildymo sistemų dekarbonizacijoje

Apie 40 procentų visų pasaulyje iš energijos vartojimo kilusių CO2 emisijų tenka šildymui, kas pagal praėjusiais metais paskelbtus IEA duomenis verčia daugelį ekspertų laikyti vandenilį tikru žaidimo keitėju, keičiant fosilinį kurą tiek pramoniniuose krosnyse, tiek namų katiluose. Tai, kad vandenilis dega beveik 2800 laipsnių Celsijaus temperatūroje, daro jį ypač tinkamą sunkiosioms pramonės šakoms, tokioms kaip plieno gamyba. Kai kurie bandymai su kuro elementų mikro kombinuotais šilumos ir energijos gavybos sistemomis taip pat parodė įspūdingus rezultatus, pasiekiant apie 90 procentų efektyvumą naudojant šias sistemas rajonų šildymo tinkluose. Įdomu tai, kad vandenilis beveik 20 procentų esamų dujotiekio ruožų veikia pakankamai gerai be jokių infrastruktūros pokyčių, kas galėtų labai pagreitinti šios technologijos priėmimą skirtingose srityse.

Vandenilio maišymas su gamtinėmis dujomis dujotiekyje

Vandenilio maišymas į esamus dujų tinklus siūlo pereinamąjį būdą:

Europos bandomieji duomenys rodo, kad 20 % mišiniai galėtų kasmet sumažinti išmetamąsias teršalas 6 milijonais tonų, išlaikant saugią veiklą. Tačiau dėl vandenilio mažesnio tūrinio energijos tankio, didesniuose mišiniuose srauto greitis turi būti padidintas 15–25 %.

Pilotiniai projektai Jungtinėje Karalystėje ir Nyderlanduose, naudojantys vandenilį namų šildymui

Jungtinėje Karalystėje veikęs HyDeploy projektas pavyko sumaišyti vandenilį su dujų tiekimu apie 300 namų, kur maždaug 20 % mišinio sudarė vandenilis, ir dauguma žmonių buvo patenkinti – apie 8 iš 10 dalyvių pranešė esantys patenkinti. Nyderlanduose situacija dar įdomesnė – eksperimente H2Stad jie iš tiesų visiškai pervertė 1 500 namų pereiti prie vandeniliu maitinamų katilų. Rezultatai taip pat buvo įspūdingi, nes tai sumažino šildymo metu išmetamų teršalų kiekį beveik 90 %, lyginant su įprastomis gamtinių dujų sistemomis. Nors šie bandomieji programos rodo, kad vandenilis gali veikti didesniame mastelyje, yra ir kai kurių susirūpinimą keliančių aspektų. Medžiagų tyrimai rodo, kad jei vamzdynai nuolat veštų gryną vandenilį, jų naudingo tarnavimo laikas galėtų sutrumpėti tarp 12 % ir galbūt 18 %. Ne itin geri naujienos, tačiau su tinkamu planavimu vis dar valdoma.

Efektyvumo ir saugos klausimai, susiję su vandeniliu grindžiamu šildymu

Vandenilio katilai veikia apie 85–90 procentų efektyvumu, kas iš tikrųjų šiek tiek žemiau nei gamtinių dujų, kurių efektyvumas siekia apie 94 %. Tačiau vandenilis užsidega žymiai lengviau, nes jam reikia tik 0,02 mJ, palyginti su metano 0,3 mJ. Tai reiškia, kad mums reikia labai gerų nuotėkio aptikimo sistemų, gebančių aptikti net mažiausias daleles, galbūt net 1 % koncentraciją. Pagal 2023 metais atliktus DNV tyrimus, vandenilis per polietilenines vamzdžių sistemas prasigeria apie 30 kartų greičiau nei įprastos dujos. Dėl šios problemos dauguma senesnių vamzdynų tikriausiai ilgainiui reikalaus specialių kompozitinių apvalkalų. Be to, nereikia pamiršti ir tinkamo vėdinimo. Kai pastatai tinkamai modernizuojami, vien šis paprastas priemonė gali sumažinti sprogimo pavojų beveik 92 %.

Vandenilis transporte: nuo kuro elementų iki aviacijos

Vandenilio kuro elemento transporto priemonės kaip švaraus transporto alternatyva

Kuro elementų elektriniai automobiliai veikia, kurdamiesi energiją cheminės reakcijos būdu viduje elemento viduje, ir iš esmės išmeta tik vandens garus kaip išmetamąsias dujas. Didelis pliusas yra tai, kad papildymas trunka mažiau nei penkias minutes, o šie automobiliai gali nuvažiuoti daugiau nei 500 kilometrų, kol vėl reikės papildyti kuro. Ilgiems maršrutams skirtiems sunkvežimiams ir krovininiams laivams tai daro juos geresnius už įprastas baterijas, nes jie telpa daugiau energijos mažesniuose tūriuose, neatrenkant pernelyg daug krovinių vietos. Įmonės, tokios kaip Toyota ir Hyundai, pastaruoju metu pradėjo rimtai investuoti į vandenilio technologijas savo didesniam transportui.

Vandenilio autobusų ir sunkvežimių naudojimas Kalifornijoje ir Pietų Korėjoje

Kalifornijos projektas „H2 Frontier“ nuo 2023 m. išdėstė daugiau nei 50 vandeniliu varomų autobusų 12 eismo rajonuose, kas kasmet sumažino išmetamų teršalų kiekį 1 200 tonų. Pietų Korėjoje Ulsano vandenilio uostas naudoja 120 kuro elementų sunkvežimių konteineriams vežti, kuriuos aptarnauja šalia esantys jūros vėjo jėgainių elektrolizatoriai.

Vandeniliu varomi traukiniai Vokietijoje ir Prancūzijoje

Vokietijos traukiniai Coradia iLint 2023 m. įveikė 220 000 išmetamųjų teršalų laisvų kilometrų. Prancūzijos TER Occitanie maršrute 15 dyzelinių traukinių buvo pakeista vandeniliu varomais hibridiniais traukiniais, kuriuose naudojamos ant stogo sumontuotos kuro elementai, kad būtų galima ilgesniems atstumams neelektrifikuotuose maršrutuose.

Atsirandančios taikymo sritys jūrų ir aviacijos sektoriuje

Jūrų operatoriai Šiaurės jūroje naudoja vandeniliu pagamintą amoniaką keturių krovinių laivų varikliams maitinti, dėl to CO2 išmetimas sumažėja 85 % lyginant su sunkiu kuru. Aviacijoje nulinio išmetimo regioniniai orlaiviai, vežami skysto vandenilio deginimo technologija, turėtų pradėti eksploatuoti iki 2035 m., o dabartiniai prototypai jau atliko bandomąsias skrydžių keliones iki 750 km.

Infrastruktūros iššūkiai vandenilio pripildymo tinklams

Visame pasaulyje yra mažiau nei 1 000 vandenilio pripildymo stotelių, iš kurių 42 % – Europoje, o 38 % – Azijoje. Aukšto slėgio saugojimas iki šiol yra brangus – 2024 m. kaina siekia 1 800 JAV dolerių už kg – o vamzdynų medžiagos trapumas kelia sunkumų didelio masto platinimui.

Žaliojo vandenilio gamyba: Tvarbios metodikos tobulinimas

Pilkas, mėlynas ir žalias vandenilis: aplinkosauginiai ir ekonominiai kompromisai

Yra gana daug skirtingų būdų gaminti vandenilį, ir kiekvienas iš jų turi savo aplinkos poveikį bei kainą. Pilkas vandenilis gaunamas garo metano reformingu (SMR) ir sukelia 9–12 kg CO2 išmetimą kiekvienam pagamintam vandenilio kilogramui. Kokia kaina? Apie 1,50–2,80 JAV dolerio už kilogramą pagal Tarptautinę energetikos agentūrą 2023 m. Tada yra mėlynasis vandenilis, kuris esminiai naudoja tą patį SMR procesą, bet prideda anglies surinkimo technologiją. Tai sumažina išmetamų teršalų kiekį apie 80–90 procentų, nors dėl to kaina padidėja iki maždaug 2,50–4 JAV dolerių už kilogramą. Ir galiausiai turime žaliąjį vandenilį, kuris gaunamas elektrolizės įrangą maitinant elektra iš atsinaujinančių energijos šaltinių. Šis metodas tiesiogiai neleidžia jokių išmetamųjų teršalų ir šiuo metu kainuoja nuo 3 iki 5 JAV dolerių už kilogramą. Iš tikrųjų tai yra gerokai mažiau nei buvo prieš keletą metų, kai kainos svyravo nuo 4 iki 6 JAV dolerių už kilogramą.

Elektrolizės technologijų tobulėjimas didina žaliosios vandenilio energijos išeigą

Protonų keitiklio membranos (PEM) elektrolizatoriai dabar pasiekia 75–83 % efektyvumą, palyginti su 60 % 2010 m. Šarmai veikia 65–70 % efektyvumu ir turi ilgesnį nei 60 000 valandų tarnavimo laiką. Kietosios oksido elektrolizatoriai (SOEC), veikiantys 700–900 °C temperatūroje, bandymuose pasiekė 85 % efektyvumą, kas leidžia tikėtis pažangos pramoninio masto žaliojo vandenilio gamyboje (ScienceDirect 2024).

Atsinaujinančia energija varomos vandenilio gamybos sąnaudų tendencijos ir mastelio plėtimas

Vandenilio gamybos kaina, naudojant saulės energiją elektrolizei, smarkiai sumažėjo – apie 62 % nuo 2015 m. Dabar 2024 m. kainos svyruoja tarp 3 ir 4,50 JAV dolerio už kilogramą. Australijoje vėjo elektrinės kasmet pagamina daugiau nei 1 000 tonų žaliojo vandenilio po apie 3,80 JAV dolerio už kg. Tuo tarpu Kinijoje didelio masto elektrolizatorių įrenginiai kiekvienais metais daro gamybą vis pigesnę, kasmet sumažindami išlaidas maždaug 18 %. Ateityje BloombergNEF prognozuoja, kad žaliasis vandenilis iki 2030 m. galėtų pasiekti tik 1,50 JAV dolerio už kg. Tai įvyks tuo metu, kai atsinaujinančios energijos šaltiniai toliau sparčiai plėsis ir, kaip tikimasi, sudarys beveik 85 % visos naujos elektros energijos gamybos pasaulyje.

DUK

Kokie yra pagrindiniai būdai generuoti elektros energiją naudojant vandenilį? Pagrindiniai būdai – tai degalų elementai ir degimo turbinos, pritaikytos vandeniliui.
Kaip vandenilis prisideda prie elektros tinklo stabilumo? Vandenilis kaupia perteklinę atsinaujinančios energijos energiją ir išleidžia ją esant dideliam paklausos šuoriui, kad būtų užtikrinta tinklo stabilumas.
Kokie yra kai kurie dabartiniai iššūkiai naudojant vandenilį bazinės galios tiekimui? Didelės sąnaudos, energijos konvertavimo metu atsirandantys efektyvumo nuostoliai ir infrastruktūros apribojimai yra pagrindiniai iššūkiai.
Kaip vandenilis naudojamas šildymo sistemose? Vandenilis gali pakeisti iškastinį kurą pramoniniuose ir buitiniuose šildymo sistemaose, siūlydamas tvarų alternatyvą.
Kokie pasiekimai pasiekti žaliojo vandenilio gamyboje? Elektrolizės technologijos tobulinimas ir stambiosios įrangos diegimas ženkliai sumažino sąnaudas ir padidino efektyvumą.