Tools

Site ExplorerSite Explorer
Close site explorer

Волшебное средство водород

26 июня 2018 г.

Габриэле Шмидель, руководитель отдела водородных технологий в подразделении корпоративных технологий Siemens.

Увеличение доли возобновляемых источников энергии в мировой энергетике способствует сокращению выбросов CO2. Однако для энергосетей этот рост связан с большими проблемами.

Если в 2014 году ценовой рекорд для солнечной энергии составлял 7 центов за киловатт-час, то спустя всего 4 года он упал ниже 2 центов. Вряд ли кто-то верил в подобные изменения. Если такой обвал цен будет продолжаться, стоимость выработки ветровой и солнечной электроэнергии может скоро упасть до абсолютного минимума. Причина: рост объема генерации зеленого электричества.

Такое развитие на первый взгляд кажется приятным, однако скрывает ряд проблем. Например, в Германии уже сегодня временами вырабатывается больше электроэнергии, чем могут принять электросети. Этот эффект будет еще более усугубляться, прежде всего, в тех странах, где затраты на производство энергии из ветра и солнца будут продолжать падать, то есть в ветреных или богатых солнцем регионах. Сети должны гибко реагировать на колебания в поступлениях электроэнергии от возобновляемых источников - это единственный способ обеспечить стабильность энергосистемы и надежность энергоснабжения.

Роль хранения возрастает

Энергохранилища – это решение проблемы повышения гибкости энергосистемы. Во время сильного ветра или в солнечные дни они могут принимать электроэнергию и выдавать ее в сеть в периоды затишья или пасмурного неба, обеспечивая тем самым баланс между генерацией и потреблением, а также разделяя их во времени. Неоспоримый факт: роль хранилищ не просто возрастает - они абсолютно необходимы, если мы хотим использовать большую часть электроэнергии из возобновляемых источников.

«Существующих сегодня технологий, таких как аккумуляторные батареи, конденсаторы, маховики-аккумуляторы или пневматические аккумуляторы, в будущем будет недостаточно», - объясняет Габриэле Шмидель, глава направления Hydrogen Solutions в подразделении корпоративных технологий Siemens. - Нам нужны решения для хранилищ энергии с невиданной ранее емкостью в объеме тераватт-часов». Для этих целей идеально подходит такой энергоноситель как водород.

Как электролитическая ванна может удовлетворить растущий спрос на хранение электроэнергии? Если кратко, то в ней происходит превращение воды в водород и кислород с помощью, в идеальном случае, «зеленого» электротока. «Водород впечатляет своей универсальностью», - говорит Шмидель. Он служит энергоносителем, который позволяет сохранять от нескольких киловатт до гигаватт электроэнергии в течение нескольких недель. В последующем его можно использовать в качестве технологического газа в промышленности или на транспорте в качестве топлива для экологичных топливных элементов. Кроме того, его можно подвергнуть дальнейшей обработке и получать ценные сырьевые материалы, например, аммиак для производства удобрений или метанол, который используется в качестве базисного химиката и топлива. Даже при низких ценах на электроэнергию ее выгодно хранить, а затем снова реконвертировать с помощью парогазовых электростанций, так как это гарантия надежности энергоснабжения. Такая многофункциональность объясняет важную роль, которую может сыграть электролиз водорода для всемирной декарбонизации. Крупномасштабные хранилища позволят продолжать активно развивать возобновляемые источники энергии и интегрировать их в энергосистему. Только так можно уменьшить выбросы CO2 и завершить эру использования ископаемого топлива.

На территории завода компании Voestalpine в Линце проводятся исследования возможности применения водорода на отдельных этапах сталелитейного производства.

Инновационный PEM-электролиз

Процесс электролиза - это хорошо известный метод, который был открыт еще в начале XIX века. Однако команда Шмидель фокусирует внимание на передовой технологии PEM-электролиза, на основе которого идет разработка уже второго поколения электролизера Silyzer. Название PEM (Proton Exchange Membrane) означает протонпроводящую мембрану. Ее особое свойство: она проницаема для протонов, но не для таких газов как водород или кислород. Таким образом, мембрана в электролитическом процессе выполняет функцию сепаратора и предотвращает смешивание образующихся газов. По обе стороны мембраны установлены электроды из драгоценных металлов, соединенные с положительным и отрицательным полюсами источника напряжения. Здесь происходит расщепление воды. От традиционного щелочного электролиза технология PEM отличается возможностью быстрого запуска и прерывания без фазы предварительного нагрева, поэтому она идеально подходит для накопления ветровой и солнечной электроэнергии, для которых характерна нерегулярность поступления.

В Европе установками для электролиза от Siemens пользуются уже несколько клиентов. В настоящее время крупнейший в мире PEM-электролизер номинальной мощностью 5 МВт работает на нефтеперерабатывающем заводе в Гамбурге. В Австрии в рамках проекта H2FUTURE с финансированием по научно-исследовательской программе ЕС, посвященной исследованиям в области водородной энергетики и топливных элементов (FCH JU), Siemens в сотруднисетве с Voestalpine, Verbund, Austrian Power Grid, голландским Центром исследований энергетики (ECN), а также Центром компетенции в металлургии K1-MET строит первую установку нового поколения электролизеров Silyzer 300. Планируемая мощность 6 МВт (см. вставку). И это только начало. Чем больше электричества необходимо будет преобразовывать, тем выше должны быть возможности потенциальных установок. В этом особенно заинтересованы клиенты из регионов с высокой солнечной активностью и сильными ветрами.

Значительно более крупные по сравнению с Европой солнечные парки Ближнего и Среднего Востока или Австралии могут стать мотивацией для строительства электролизеров с мощностями совершенно нового порядка. «Мы обсуждаем эту тему с заинтересованными сторонами, которые думают о мощностях до 400 МВт», - рассказывает Шмидель. Она убеждена, что такие сценарии, которые с позиции сегодняшнего дня кажутся весьма отдаленными перспективами, могут быстро стать реальностью. Пример мобильной связи и смартфонов только подтверждает ее правоту.

«Мультифункциональный» водород: хранилище энергии, технологический газ для промышленности, топливо для безэмиссионных топливных элементов, а после преобразования, например, в аммиак - основа для производства удобрений, или в метанол - базовый химикат и топливо.

Начало строительства одной из крупнейших в мире экспериментальных промышленных электролизных установок

В конце 2017 года правительство земли Верхняя Австрия одобрило строительство в Линце одной из крупнейших в мире опытных установок по производству водорода без выбросов СО2, положив тем самым начало развитию прогрессивного научного подхода к решению задачи декарбонизации сталеплавильного производства. Ядром новой экспериментальной установки является разработанная Siemens крупнейшая в мире система PEM-электролиза мощностью 6 МВт, способная производить 1 200 кубометров водорода в час. Положительное решение властей стало сигналом для начала строительства новой электролизной установки на территории завода компании Voestalpine. Речь идет о запуске в конце 2018 года крупнейшей и самой современной установки для получения «зеленого», то есть произведенного с помощью экологически чистого зеленого электричества, водорода. Кроме того, установку планируют использовать для исследования эффективности процесса электролиза и возможности участия в рынке регулирования энергии. Долгосрочной целью является переход в производстве стали от угля и кокса через промежуточную фазу природного газа к использованию «зеленого» водорода. H2FUTURE - это проект, финансируемый ЕС в рамках программы исследований проблем водородной энергетики и топливных элементов (Fuel Cell Hydrogen Joint Undertakings – FCH JU). Подробная информация о проекте: h2future-project.eu