Як використовується воднева енергія у виробництві електроенергії

Виробництво електроенергії за допомогою водню здійснюється переважно двома способами: паливні елементи та газові турбіни, адаптовані для використання водню. Технологія паливних елементів працює шляхом отримання енергії за рахунок електрохімічних процесів, а у поєднанні з системами утилізації тепла їхня ефективність може сягати приблизно 60%. Багато існуючих газових турбін, спочатку створених для роботи на природному газі, тепер можуть використовувати суміші водню або навіть чистий водень, що надає операторам енергомереж необхідної гнучкості для підтримки стабільних поставок електроенергії. Виробництво «зеленого» водню полягає у розщепленні молекул води за допомогою відновлюваних джерел енергії, таких як вітер та сонячна енергія, через процес, який називається електроліз. Цей «зелений» водень зберігається до тих пір, поки не виникне спад у доступності відновлюваної енергії, після чого його можна перетворити назад на електроенергію. Наприклад, у Німеччині кілька офшорних вітроустановок уже виробляють «зелений» водень. Ці проекти вдалося зменшити залежність від вуглевих електростанцій приблизно на 40% у певних дослідних районах, хоча результати можуть варіюватися залежно від місцевих умов та особливостей реалізації.

Інтеграція водню в існуючі електромережі

Водень допомагає зробити електромережі чистішими, зберігаючи при цьому їхню стабільність. Коли є надлишок енергії від відновлюваних джерел, водень накопичує її, а потім повертає назад у мережу під час пікового попиту. Наприклад, у Данії їхні пілотні проекти показали, що зберігання водню в соляних кавернах скорочує втрати енергії на 15–20 відсотків щороку. Зараз з'являються гібридні установки, де сонячні ферми працюють разом з обладнанням для електролізу, хоча для безперебійної роботи всього комплексу потрібен досить складний менеджмент енергії через двосторонній потік енергії в системі. Зверніть увагу на проект Каліфорнії «Опорна мережа відновлюваного водню»: там використовують водень, щоб підтримувати стабільну роботу мережі під час сильних хвиль спеки, які останнім часом серйозно порушують нормальне функціонування.

Дослідження випадку: Електростанції, що працюють на водні, у Німеччині та Японії

Енергопарк Майнц у Німеччині поєднує 6-мегаватний електролізер із джерелами вітрової енергії для виробництва близько 200 тонн водню щороку. Ця установка може фактично забезпечувати електроенергією приблизно 2000 домогосподарств під час відключень завдяки своїй паливній комірці потужністю 1,4 МВт. По той бік Тихого океану Японія розробила ще більший проект — Дослідне поле гідрогенної енергетики Фукусіма, або FH2R. З потужністю 10 МВт, це найбільший у світі завод з виробництва зеленого водню. Він не лише допомагає забезпечувати енергією окремі райони Токіо, а й використовується дослідниками для експериментів із транспортування водню через океани. Особливістю цих проектів є їхня вражаюча ефективність — близько 95%. Таких показників вони досягають завдяки регулюванню обсягів виробництва водню відповідно до реальних потреб електромережі в будь-який момент.

Проблеми масштабування водню для базового електропостачання

Три основні бар'єри обмежують роль водню в базовому електропостачанні:

• Вартість : Витрати на капітал для електролізерів залишаються приблизно втричі вищими, ніж у разі газових турбін.
• Втрати ефективності : Цикл перетворення електроенергії на водень і назад супроводжується втратою 30–35% енергії.
• Інфраструктура : Менше ніж 15% газопроводів у світі можуть безпечно транспортувати суміші водню з концентрацією понад 20%.

Огляд галузі 2021 року вказав на довговічність паливних елементів і крихкість трубопроводів як пріоритетні напрямки досліджень, оцінивши потребу в модернізації інфраструктури до 2040 року в 1,2 трильйона доларів США. Хоча водень доповнює відновлювані джерела енергії, наразі він не має конкурентоспроможності за вартістю для масового використання в основному навантаженні.

Водень для опалення: декарбонізація промислових та побутових систем

Роль енергетики на основі водню в декарбонізації систем опалення

Приблизно 40 відсотків усіх викидів CO2 від споживання енергії у світі походять від опалення, згідно з даними МЕА за минулий рік, саме тому багато експертів вважають водень справжнім проривом для заміни викопного палива як у промислових печах, так і в побутових котлах. Те, що водень горить при температурах, що сягають майже 2800 градусів Цельсія, робить його особливо придатним для важких галузей промисловості, таких як виробництво сталі. Деякі випробування паливних елементів у мікротеплоенергетичних системах також показали вражаючі результати, досягаючи близько 90 відсотків ефективності при використанні в системах централізованого теплопостачання. Цікаво те, що водень фактично добре працює приблизно в 20% існуючих газопроводів без необхідності вносити зміни до інфраструктури, що може значно прискорити впровадження цієї технології в різних галузях.

Змішування водню з природним газом у газопроводах

Змішування водню в існуючі газові мережі пропонує перехідний шлях:

Європейські випробування показують, що суміші 20% можуть скоротити викиди на 6 мільйонів тонн щороку при збереженні безпечного режиму роботи. Однак через нижчу об'ємну густину енергії водню, швидкість потоку повинна збільшитися на 15–25% на вищих рівнях суміші.

Пілотні проекти у Великобританії та Нідерландах із використанням водню для опалення житла

Програма HyDeploy у Великобританії вдалося змішати водень із газопостачанням для приблизно 300 будинків на рівні близько 20%, і більшість людей, схоже, були задоволені — приблизно 8 із 10 учасників повідомили про задоволення. У Нідерландах ситуація стала ще цікавішою завдяки експерименту H2Stad, де 1500 будинків повністю перейшли на котли, що працюють на водні. Результати також були досить вражаючими, оскільки це скоротило викиди, пов’язані з опаленням, майже на 90% порівняно зі звичайними системами природного газу. Хоча ці тестові програми показують, що водень може працювати в більших масштабах, існують певні побоювання, які варто врахувати. Випробування матеріалів свідчать про те, що якщо трубопроводи постійно працюватимуть на чистому водні, їхній термін експлуатації може скоротитися від 12% до 18%. Не найкраща новина, але все ж управлінськи можлива за належного планування.

Питання ефективності та безпеки у системах опалення на основі водню

Водневі котли працюють з ККД близько 85–90 відсотків, що трохи нижче, ніж у природного газу — близько 94%. Однак водень займається значно легше, оскільки для цього потрібно лише 0,02 мДж проти 0,3 мДж у метану. Це означає, що нам потрібні дуже чутливі системи виявлення витоків, здатні виявляти навіть найменші кількості — можливо, концентрацію всього 1%. Згідно з деякими недавніми дослідженнями DNV за 2023 рік, водень просочується крізь поліетиленові труби приблизно в 30 разів швидше, ніж звичайний газ. Через цю проблему більшість існуючих мереж трубопроводів, ймовірно, згодом матимуть потребу в установці спеціальних композитних вкладишів. І не варто забувати про належну вентиляцію. Коли будівлі правильно модернізують, саме цей простий захід може скоротити небезпеку вибуху майже на 92%.

Водень у транспорті: від паливних елементів до авіації

Транспортні засоби на водневих паливних елементах як чиста альтернатива

Автомобілі з паливними елементами працюють за рахунок вироблення енергії шляхом хімічних реакцій всередині елемента, і практично єдиним їхнім вихлопом є водяна пара. Великою перевагою є те, що заправка займає менше п’яти хвилин, а ці автомобілі можуть проїхати понад 500 кілометрів, перш ніж знадобиться чергова дозаправка. Для таких транспортних засобів, як довгодистанційні вантажівки та вантажові судна, вони є кращими, ніж звичайні акумулятори, оскільки забезпечують більше енергії в меншому об'ємі без значної втрати місця для вантажу. Такі компанії, як Toyota та Hyundai, останнім часом почали серйозно інвестувати в водневі технології для своїх великих транспортних потреб.

Впровадження водневих автобусів та вантажівок у Каліфорнії та Південній Кореї

У межах проекту H2 Frontier у Каліфорнії з 2023 року було розгорнуто понад 50 водневих автобусів у 12 округах, що дозволило скоротити викиди на 1200 тонн щороку. У Південній Кореї порт Ульсан на базі паливних елементів експлуатує 120 вантажівок для перевезення контейнерів, що забезпечується електролізерами, які працюють на електроенергії від офшорних вітрових електростанцій.

Потяги, що працюють на водні, в Німеччині та Франції

Німецькі потяги Coradia iLint у 2023 році подолали 220 000 кілометрів без викидів. У Франції лінія TER Occitanie замінила 15 дизельних поїздів гібридними водневими потягами, які використовують паливні елементи на даху для збільшення радіусу дії на неелектрифікованих маршрутах.

Нові сфери застосування в морському та авіаційному секторах

Морські оператори використовують аміак на основі водню для чотирьох вантажних суден у Північному морі, скоротивши викиди CO2 на 85% порівняно з важким паливом. У авіації очікується, що безвідходні регіональні літаки, що працюють на рідкому водні, вийдуть на лінію до 2035 року, а поточні прототипи вже виконують тестові польоти на відстань 750 км.

Проблеми інфраструктури для мереж заправлення воднем

У світі існує менше 1000 станцій заправлення воднем, з яких 42% — в Європі та 38% — в Азії. Зберігання під високим тиском залишається дорогим — 1800 доларів США за кг у 2024 році, — а крихкість матеріалів трубопроводів створює труднощі для масштабного розподілу.

Виробництво зеленого водню: розвиток сталих методів

Сірий, синій та зелений водень: екологічні та економічні компроміси

Існує чимало різних способів виробництва водню, і всі вони мають власний вплив на навколишнє середовище та вартість. Сірий водень отримують з парової конверсії метану (SMR), при цьому виділяється від 9 до 12 кілограмів CO₂ на кожен кілограм виробленого водню. Його вартість — близько 1,50–2,80 долара за кілограм за даними Міжнародного енергетичного агентства у 2023 році. Потім є синій водень, який отримують майже таким самим способом SMR, але з додаванням технології уловлювання вуглецю. Це скорочує викиди приблизно на 80–90 відсотків, хоча й підвищує вартість до приблизно 2,50–4 долари за кілограм. І, нарешті, зелений водень — його отримують, коли електроенергія з відновлюваних джерел живить обладнання для електролізу. Цей метод не виділяє прямих викидів і зараз коштує від 3 до 5 доларів за кілограм. Це значно менше, ніж кілька років тому, коли ціни були в межах 4–6 доларів за кілограм.

Досягнення в електролізі підвищують виробництво енергії зеленого водню

Електролізери з протонно-обмінною мембраною (PEM) досягають тепер ефективності 75–83%, порівняно з 60% у 2010 році. Лужні системи працюють з ефективністю 65–70% і мають термін служби понад 60 000 годин. Твердооксидні електролізери (SOEC), що працюють при температурі 700–900 °C, досягли ефективності 85% у дослідних умовах, що свідчить про їхній потенціал для промислового виробництва зеленого водню (ScienceDirect, 2024).

Тенденції вартості та масштабованість виробництва водню за допомогою відновлюваних джерел енергії

Вартість виробництва водню за допомогою електролізу, що живиться сонячною енергією, різко знизилася — приблизно на 62% з 2015 року. У 2024 році ми бачимо ціни в діапазоні від 3 до 4,50 дол. США за кілограм. В Австралії вітрові ферми щороку виробляють понад 1 000 тонн зеленого водню за ціною близько 3,80 дол. США за кг. Тим часом у Китаї великі електролізні установки щороку знижують витрати на виробництво, скорочуючи їх приблизно на 18% щороку. Згідно з прогнозами BloombergNEF, до 2030 року вартість зеленого водню може знизитися до всього 1,50 дол. США за кг. Це станеться на тлі швидкого розширення використання відновлюваних джерел енергії, які, як очікується, складатимуть майже 85% усіх нових об’єктів виробництва електроенергії у світі.

ЧаП

Які основні методи генерації електричної енергії з використанням водню? Основними методами є паливні елементи та газові турбіни, адаптовані для роботи на водні.
Як водень сприяє стабільності енергомережі? Водень зберігає надлишкову відновлювану енергію, виділяючи її під час піків попиту для забезпечення стабільності мережі.
Які існують поточні виклики у використанні водню для базового енергопостачання? Висока вартість, втрати ефективності під час перетворення енергії та обмеження інфраструктури є основними викликами.
Як використовується водень у системах опалення? Водень може замінити викопне паливо в промислових та побутових системах опалення, пропонуючи сталий альтернативний варіант.
Які досягнення були зроблені у виробництві зеленого водню? Розробки в технології електролізу та великомасштабні установки значно знизили вартість та підвищили ефективність.