Показники енергетичної щільності: гравіметричні та об’ємні реалії для зберігання зеленого водню

Гравіметричні обмеження металогідридів порівняно з системами стисненого газу

Проблема зберігання водню в твердому стані полягає в тому, що такі системи просто занадто важкі. Більшість металогідридів забезпечують лише приблизно 4,5 мас. % ємності зберігання, що не відповідає цілям Міністерства енергетики США на 2025 рік (їхня мета — 5,5 мас. %). Цей дефіцит близько 20 % пояснюється тим, що для фактичного поглинання водню такі системи зберігання потребують досить важких металів. Розглядаючи ситуацію з іншого боку, сучасні системи зберігання стисненого газу, що працюють під тиском 700 бар, можуть утримувати водень із ефективністю приблизно 5,7 мас. %, і для них не потрібні додаткові матеріали, крім тих, що використовуються безпосередньо для стиснення.

Об’ємні переваги сферичних резервуарів на 700 бар у застосуваннях зеленого водню масштабу електроенергетичних систем

Сферичні резервуари дуже ефективно працюють у випадках, коли простір обмежений. Зберігання водню за допомогою металгідридів теоретично дозволяє розмістити близько 80 кілограмів на кубічний метр, але в реальних системах, з урахуванням усіх необхідних контейнерів та систем охолодження, зазвичай досягається лише половина цього показника. Зелені водневі електростанції, що працюють із сферичними резервуарами під тиском 700 бар, фактично зберігають близько 40 кг/м³, при цьому потребуючи значно менш складного температурного контролю. Ця різниця сьогодні має велике значення. Такі круглі резервуари дозволяють операторам зберігати приблизно на 30 відсотків більше водню в межах тієї самої фізичної площі порівняно з твердотільними варіантами для масштабних операцій. Нещодавно опубліковане в журналі Energy Reports дослідження підтверджує це твердження дуже переконливо.

Компроміси щодо щільності на рівні системи: теплоізоляція, вага контейнерів та вплив компонентів системи

При виборі рішень для зберігання інженерам потрібно враховувати не лише саму основну середу зберігання. Системи на основі метал-гідридів мають власний набір викликів, у тому числі необхідність кріогенної ізоляції, яка зазвичай збільшує загальну масу системи приблизно на 15–20 відсотків. Також існує питання обладнання для очищення водню та систем теплового управління, які споживають близько двадцяти відсотків зберіганого водню. З іншого боку, системи високого тиску, як правило, характеризуються вищою ефективністю, оскільки втрати під час процесів стискання становлять лише близько восьми відсотків, хоча для їхніх контейнерів потрібні спеціальні сплави. Сферичні резервуари також забезпечують певні реальні переваги: вони скорочують кількість додаткових компонентів, необхідних у інших частинах електростанції, і можуть забезпечувати вражаючий рівень ефективності співвідношення «зберігання–подача» — близько дев’яноста двох відсотків — при масштабуванні для застосування в електричних мережах. Це робить їх особливо привабливими для інтеграції з відновлюваними джерелами енергії, де така ефективність має вирішальне значення.

Техніко-економічний аналіз варіантів зберігання зеленого водню

Порівняння CAPEX: синтез і сертифікація матеріалів на основі металевих гідридів порівняно з виготовленням сферичних резервуарів, що відповідають стандарту ASME

Системи зберігання на основі метал-гідридів мають досить високу ціну через складну роботу з матеріалами та необхідність отримання суворих сертифікатів безпеки. Згідно з галузевими даними, самі лише матеріали часто коштують понад 15 доларів США за кілограм для цих передових сплавів, а ще 20–30 % додаються як витрати на проходження сертифікації. З іншого боку, сферичні резервуари, що відповідають стандартам ASME, виготовляються за допомогою типових технологій виробництва, які більшість виробничих підприємств уже добре володіють, що знижує початкові витрати приблизно на 40–60 % порівняно з їх твердотільними аналогами. Чому? Тому що виробники вже роками випускають подібну продукцію й не потребують екзотичних матеріалів. Проте слід зазначити, що жоден із цих варіантів не є бюджетним у контексті масштабних проектів зеленого водню. Обидва підходи вимагають значних капіталовкладень на початковому етапі, перш ніж почнуть проявлятися реальні переваги.

Фактори OPEX: енергія стиснення, деградація терміну служби циклу та тепловий контроль у процесах виробництва зеленого водню

Аналіз експлуатаційних витрат показує досить значні відмінності між варіантами зберігання. Системи високого тиску втрачають близько 8–12 % збереженої енергії лише на її стискання, тоді як металогідри поступово втрачають ємність з часом — приблизно 0,05 % за кожним циклом. Підтримка оптимальної температури споживає від чверті до майже половини витрат компаній на твердотільні системи зберігання, оскільки для них потрібен постійний клімат-контроль. Проте це не стосується сферичних резервуарів, що працюють за нормального атмосферного тиску. Недоліком таких круглих конструкцій є швидше зношування клапанів і регуляторів, що призводить до частіших ремонтів. Коли всі ці показники порівнюють між собою, системи тиску 700 бар, як правило, коштують близько 1,7 млн дол. США за кожен гігават-годину збереженої енергії, тоді як у разі використання металогідридних систем у проєктах «зеленого» водню витрати становлять приблизно 2,4 млн дол. США.

Масштабованість та готовність до впровадження промислової інфраструктури «зеленого» водню

Проблеми теплового управління, що обмежують масштабування твердотільних систем зберігання у об’єктах зеленого водню

Проблема зберігання водню в твердому стані полягає у керуванні теплом під час процесів поглинання та виділення, що ускладнює масштабування таких систем для промислового використання в реальних умовах. Підтримання стабільної температури в межах приблизно ±5 °C є абсолютно необхідним, щоб уникнути поступового руйнування матеріалів. Однак досягти такої точності стає дуже складно при роботі з великими обсягами водню для зберігання. Необхідність додаткового охолоджувального обладнання додає ще один рівень складності. Ці системи охолодження насправді споживають від 15 % до 30 % збереженого водню, а також займають цінне місце в загальній компоновці установки. Згідно з поточними тенденціями, більшість великих проектів «зеленого» водню навіть не розглядає варіанти зберігання в твердому стані за межами невеликих пілотних випробувань. Експерти галузі називають проблеми термокерування головною причиною того, чому широке впровадження таких технологій досі не відбулося.

Доведена масштабованість сферичних резервуарів високого тиску в існуючих пілотних та комерційних проектах зеленого водню

Сферичні резервуари під високим тиском готові до використання «з коробки». У всьому світі зараз реалізується понад 47 великомасштабних проектів зеленого водню, кожен із яких зберігає понад 100 тонн, і всі вони працюють саме на таких резервуарах тиском 700 бар. Їх особливістю є природна термічна стабільність, тому складні системи охолодження не потрібні. Це означає, що компанії можуть розширювати свої операції модуль за модулем, використовуючи стандартні конструкції, сертифіковані ASME. Наприклад, у Шотландії було створено відновлюваний водневий хаб потужністю 2,5 гігават-година, і весь проект був запущений лише за 18 місяців. Такої швидкості неможливо досягти за допомогою альтернативних твердотільних технологій, які досі перебувають у стадії розробки. Здатність швидко масштабуватися надає сферичним резервуарам реальну перевагу при швидкому будівництві нової промислової інфраструктури, що особливо важливо для проектів, які мають встигнути виконати дедлайни зі скорочення викидів вуглекислого газу, встановлені урядами по всьому світі.

Розділ запитань та відповідей

Яка цільова вагова ємність зберігання водню встановлена Міністерством енергетики США?

Міністерство енергетики США має за мету досягти вагової ємності зберігання 5,5 відсотка до 2025 року для рішень зберігання водню.

Як сферичні баки порівнюються за об’ємною ємністю з системами зберігання водню на основі метал-гідридів?

Сферичні баки, що працюють під тиском 700 бар, можуть зберігати приблизно 40 кг/м³ водню, забезпечуючи приблизно на 30 % більшу ємність у тому самому об’ємі порівняно з системами на основі метал-гідридів.

Які основні проблеми систем на основі метал-гідридів у застосуваннях із «зеленим» воднем?

Для метал-гідридів потрібна кріогенна ізоляція та системи теплового управління, що збільшують вагу й складність системи.

Як собівартість (CAPEX) сферичних баків порівнюється зі собівартістю систем на основі метал-гідридів?

Сферичні баки мають нижчу початкову вартість завдяки стандартним методам виготовлення, що знижує CAPEX приблизно на 40–60 відсотків порівняно з системами на основі метал-гідридів.