Как используется водородная энергия в производстве электроэнергии

Производство электроэнергии с использованием водорода осуществляется в основном двумя способами: топливными элементами и газовыми турбинами, адаптированными для использования водорода. Технология топливных элементов работает за счёт выработки энергии посредством электрохимических процессов, а при сочетании с системами утилизации тепла их эффективность может достигать около 60 %. Многие существующие газовые турбины, изначально созданные для работы на природном газе, теперь могут работать на смесях водорода или даже на чистом водороде, что обеспечивает операторам электросетей необходимую гибкость для поддержания стабильного энергоснабжения. Производство «зелёного» водорода предполагает расщепление молекул воды с помощью возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия, в процессе, называемом электролизом. Этот «зелёный» водород хранится до тех пор, пока не снизится доступность возобновляемой энергии, после чего он может быть снова преобразован в электричество. Например, в Германии несколько морских ветровых установок уже производят «зелёный» водород. Эти проекты позволили сократить зависимость от угольных электростанций примерно на 40 % в отдельных опытных районах, хотя результаты могут различаться в зависимости от местных условий и особенностей реализации.

Интеграция водорода в существующие электрические сети

Водород помогает сделать электросети чище, одновременно обеспечивая их стабильность. Когда возникает избыток энергии от возобновляемых источников, водород позволяет сохранить её, а затем вернуть в сеть в периоды пикового спроса. Например, в Дании их пилотные проекты показали, что хранение водорода в соляных кавернах сокращает потери энергии на 15–20 процентов ежегодно. Сейчас появляются гибридные установки, где солнечные электростанции работают совместно с оборудованием для электролиза, хотя для бесперебойной работы всей системы требуется достаточно сложное управление энергией из-за двустороннего потока энергии в системе. Обратите внимание на проект Калифорнии «Опорная сеть возобновляемого водорода»: там водород используется для поддержания стабильной работы сети во время сильных волн жары, которые в последнее время сильно нарушают нормальное функционирование.

Пример из практики: электростанции на водородном топливе в Германии и Японии

Энергопарк Майнц в Германии сочетает в себе 6-мегаваттный электролизер и источники энергии ветра для производства около 200 тонн водорода каждый год. Эта установка может фактически обеспечивать электроэнергией примерно 2000 домохозяйств во время перебоев с питанием благодаря своей топливной ячейке мощностью 1,4 МВт. Через Тихий океан Япония разработала нечто ещё большее под названием Поле исследований водородной энергии Фукусима, или FH2R для краткости. При мощности 10 МВт она является крупнейшим в мире заводом по производству зелёного водорода. Он не только помогает обеспечивать энергией части Токио, но и используется исследователями для экспериментов по перевозке водорода через океаны. То, что делает эти проекты выдающимися, — это их впечатляющий коэффициент полезного действия около 95%. Они достигают такой высокой производительности, поскольку корректируют объём производства водорода в зависимости от реальных потребностей электросети в каждый конкретный момент.

Проблемы масштабирования водорода для базовой генерации

Три основные преграды ограничивают роль водорода в базовой генерации:

• Расходы : Стоимость капитальных затрат на электролизеры остается примерно в три раза выше, чем у газовых турбин.
• Потери эффективности : Процесс преобразования электроэнергии в водород и обратно сопряжен с потерей энергии в размере 30–35%.
• Инфраструктура : Менее 15% газопроводов по всему миру могут безопасно транспортировать смеси водорода с концентрацией свыше 20%.

В ходе обзора отрасли в 2021 году надежность топливных элементов и охрупчивание трубопроводов были определены как приоритетные направления исследований и разработок; к 2040 году потребуется около 1,2 трлн долларов США на модернизацию инфраструктуры. Хотя водород дополняет возобновляемые источники энергии, в настоящее время он не обеспечивает сопоставимой стоимости для широкомасштабного использования в качестве основного источника энергии.

Водород для отопления: декарбонизация промышленных и бытовых систем

Роль водородной энергетики в декарбонизации систем отопления

Около 40 процентов всех выбросов CO2 от энергопотребления в мире приходится на отопление, согласно данным МЭА за прошлый год, поэтому многие эксперты считают водород настоящим прорывом в замене ископаемого топлива как в промышленных печах, так и в домашних котлах. То, что водород горит при температурах, достигающих почти 2800 градусов по Цельсию, делает его особенно подходящим для тяжелых отраслей промышленности, таких как производство стали. Некоторые испытания микросистем тепло- и электроснабжения на топливных элементах также показали впечатляющие результаты, достигнув около 90 процентов эффективности при использовании в системах централизованного теплоснабжения. Интересно то, что водород фактически хорошо работает примерно в 20 процентах существующих газопроводов без необходимости вносить изменения в инфраструктуру, что может значительно ускорить внедрение этой технологии в различных секторах.

Смешивание водорода с природным газом в газопроводах

Смешивание водорода в существующие газовые сети предлагает переходный путь:

Испытания в Европе показывают, что смеси с содержанием 20% могут сократить выбросы на 6 миллионов тонн ежегодно при сохранении безопасной эксплуатации. Однако из-за более низкой объёмной энергоёмкости водорода расход должен увеличиться на 15–25% при более высоких уровнях смешивания.

Пилотные проекты в Великобритании и Нидерландах по использованию водорода для отопления жилых домов

Программа HyDeploy в Великобритании успешно внедрила смешение водорода в газоснабжение примерно для 300 домов на уровне около 20%, и большинство людей остались довольны — примерно 8 из 10 участников сообщили о своей удовлетворенности. В Нидерландах ситуация стала ещё интереснее: в ходе эксперимента H2Stad 1500 домов полностью перешли на котлы, работающие на водороде. Результаты оказались впечатляющими — выбросы, связанные с отоплением, сократились почти на 90% по сравнению с обычными системами на природном газе. Хотя эти пилотные программы показывают, что водород может работать в более крупных масштабах, существуют и определённые проблемы. Испытания материалов показывают, что при постоянной транспортировке чистого водорода по трубопроводам их срок службы может сократиться на 12–18%. Не самые хорошие новости, но при правильном планировании это всё ещё остаётся управляемым.

Вопросы эффективности и безопасности при использовании водородного отопления

Водородные котлы работают с КПД около 85–90 процентов, что на самом деле немного ниже, чем у природного газа — около 94 %. Особенность водорода в том, что он воспламеняется гораздо легче, поскольку для этого требуется всего 0,02 мДж по сравнению с 0,3 мДж у метана. Это означает, что нам необходимы очень надёжные системы обнаружения утечек, способные выявлять даже минимальные количества, возможно, уже при концентрации 1 %. Согласно некоторым недавним исследованиям DNV за 2023 год, водород проникает через полиэтиленовые трубы примерно в 30 раз быстрее, чем обычный газ. Из-за этой проблемы большинству старых трубопроводных сетей, вероятно, потребуется установка специальных композитных вкладышей на каком-то этапе. И не стоит забывать и о правильной вентиляции. При правильной модернизации зданий одна только эта простая мера может снизить опасность взрыва почти на 92 %.

Водород в транспорте: от топливных элементов до авиации

Транспортные средства на водородных топливных элементах как экологически чистая альтернатива

Водородные электромобили работают за счёт выработки энергии посредством химических реакций внутри топливного элемента, и в качестве выхлопа они практически выделяют только водяной пар. Главное преимущество — заправка занимает менее пяти минут, а такие автомобили могут проехать более 500 километров до следующей дозаправки. Для дальних грузовиков и судов это делает их предпочтительнее обычных аккумуляторов, поскольку они обеспечивают большую плотность энергии в меньшем объёме, не жертвуя при этом полезным грузовым пространством. Компании Toyota и Hyundai в последнее время начали активно инвестировать в водородные технологии для своих крупных транспортных нужд.

Распространение водородных автобусов и грузовиков в Калифорнии и Южной Корее

В рамках проекта H2 Frontier в Калифорнии с 2023 года было развернуто более 50 водородных автобусов в 12 транспортных округах, что позволило сократить выбросы на 1200 тонн в год. В Южной Корее порт Ульсан на базе водорода эксплуатирует 120 грузовиков с топливными элементами для перевозки контейнеров, используя при этом электролизеры, работающие на электроэнергии от близлежащих оффшорных ветровых установок.

Водородные поезда в Германии и Франции

Немецкие поезда Coradia iLint прошли 220 000 километров без выбросов в 2023 году. На линии TER Occitanie во Франции 15 дизельных поездов были заменены на водородные гибридные, которые используют топливные элементы на крыше для увеличения дальности хода на неэлектрифицированных маршрутах.

Новые сферы применения в морском и авиационном секторах

Морские операторы используют аммиак на основе водорода для заправки четырёх грузовых судов в Северном море, что позволяет сократить выбросы CO2 на 85% по сравнению с тяжёлым топочным топливом. В авиации ожидается ввод в эксплуатацию к 2035 году региональных самолётов с нулевыми выбросами, работающих на сгорании жидкого водорода; текущие прототипы уже совершают испытательные полёты на расстояние 750 км.

Проблемы инфраструктуры водородных заправочных сетей

Во всём мире существует менее 1000 водородных заправочных станций, из которых 42% находятся в Европе и 38% — в Азии. Хранение под высоким давлением остаётся дорогостоящим — 1800 долларов США за кг в 2024 году, — а хрупкость материалов трубопроводов создаёт трудности для крупномасштабной доставки.

Производство зеленого водорода: развитие устойчивых методов

Серый, синий и зеленый водород: экологические и экономические компромиссы

Существует довольно много различных способов производства водорода, и у каждого из них есть собственное воздействие на окружающую среду и стоимость. Серый водород получают методом паровой конверсии метана (SMR), при этом выделяется от 9 до 12 килограммов CO2 на каждый килограмм произведенного водорода. Сколько это стоит? Около 1,50–2,80 доллара за килограмм по данным Международного энергетического агентства за 2023 год. Затем идет синий водород, который по сути использует тот же процесс SMR, но с добавлением технологии улавливания углерода. Это сокращает выбросы примерно на 80–90 процентов, однако делает производство более дорогим — примерно 2,50–4 доллара за килограмм. И, наконец, зеленый водород, который получают, когда электроэнергия из возобновляемых источников используется для питания оборудования электролиза. Этот метод не выделяет прямых выбросов и в настоящее время стоит от 3 до 5 долларов за килограмм. Это значительно ниже по сравнению с уровнем нескольких лет назад, когда цена составляла около 4–6 долларов за килограмм.

Достижения в области электролиза повышают выработку энергии из зелёного водорода

Электролизеры с протонообменной мембраной (PEM) теперь достигают эффективности 75–83%, по сравнению с 60% в 2010 году. Щелочные системы работают с эффективностью 65–70% и имеют срок службы более 60 000 часов. Твердооксидные электролизеры (SOEC), работающие при температуре 700–900 °C, достигли эффективности 85% в ходе испытаний, что открывает перспективы для производства зелёного водорода в промышленных масштабах (ScienceDirect, 2024).

Тенденции стоимости и масштабируемости производства водорода с использованием возобновляемых источников энергии

Стоимость производства водорода с помощью электролиза, powered by solar energy, снизилась значительно — примерно на 62% с 2015 года. В 2024 году мы наблюдаем цены в диапазоне от 3 до 4,50 долларов США за килограмм. Внизу, в Австралии, ветряные электростанции производят более 1000 тонн зелёного водорода каждый год по цене около 3,80 доллара за кг. Тем временем в Китае крупномасштабные установки электролизёров делают производство дешевле с каждым годом, снижая затраты примерно на 18% ежегодно. В перспективе BloombergNEF прогнозирует, что стоимость зелёного водорода может достичь всего 1,50 доллара за кг к 2030 году. Это произойдёт по мере продолжения быстрого расширения возобновляемых источников энергии, которые, как ожидается, будут составлять почти 85% всех новых мощностей по выработке электроэнергии во всём мире.

Часто задаваемые вопросы

Каковы основные методы генерации электроэнергии с использованием водорода? Основными методами являются топливные элементы и газовые турбины, адаптированные для работы на водороде.
Как водород способствует стабильности энергосистемы? Водород хранит избыточную возобновляемую энергию и высвобождает её во время пиковых нагрузок, обеспечивая стабильность электросети.
Каковы текущие проблемы при использовании водорода для базовой генерации электроэнергии? Высокая стоимость, потери эффективности при преобразовании энергии и ограниченная инфраструктура являются основными проблемами.
Как используется водород в системах отопления? Водород может заменить ископаемое топливо в промышленных и бытовых системах отопления, предлагая устойчивую альтернативу.
Какие достижения были достигнуты в производстве зелёного водорода? Разработки в области технологии электролиза и создание крупномасштабных установок значительно снизили затраты и повысили эффективность.