Роль водородной энергетики в мировой энергетической системе

Водородная энергетика. Предпосылки

В последние десятилетия водородная энергетика испытала циклы чрезмерных ожиданий, сопровождаемых разочарованием, после всплеска интереса к ним в середине XX века. Тем не менее, как только развитые страны пошли по курсу декарбонизации энергетики, водородная энергетика получила новый приток капитала. В этой главе представлен обзор потенциальной роли водорода в обеспечении электрической и тепловой энергией людей и промышленности и оценка вероятности такого сценария. Водород хорошо себя зарекомендовал в определенных нишах, к примеру, в настоящее время уже выпускаются серийные автомобили, работающие на топливных элементах. Проблемы с дороговизной системы и её эффективностью все еще актуальны – хоть ситуация и улучшается, все еще требуется значительная модернизация технологии.

В то время как электричество сравнительно легко вырабатывать без сжигания углеводородов, благодаря освоению возобновляемых источников энергии, декарбонизировать другие сферы намного сложнее. Водородные технологии конкурируют не с традиционными способами получения электрической и тепловой энергии, а с системами декарбонизации энергетической системы: с улавливанием и хранением углерода и его оксидов, биоэнергетикой и тепловыми насосами.

Рис. 1. Глобальные выбросы парниковых газов в 2014 году с разбивкой по секторам и странам [1]

После того как Toyota начала крупномасштабное производством автомобилей на топливных элементах, стало понятно, что коммерциализировать топливные элементы возможно. В Европе тренд последних пяти лет – система отопления и электроснабжения домохозяйств на таких элементах. Ключевое отличие нынешнего «водородного цикла» от последнего водородного «цикла обмана» в 2000-е, что топливные элементы стали внедряться на коммерческой основе в сферах портативной электроники, источников резервного питания и автомобилестроения [2].

Тринадцать международных корпораций недавно сформировали Водородный совет, где позиционируют водород среди ключевых решений энергетического перехода [3]. Были обозначены следующие тезисы:

Водород может быть получен из многих видов сырья и с помощью различных процессов, эти процессы кардинально отличаются по оставляемому углеродному следу, капитальным затратам и инфраструктурным требованиям.
Водород можно использовать многими способами, в том числе и вне топливных элементов, в то время как топливные элементы могут работать с использованием топлива, отличного от водорода.
Водород и топливные элементы во многих отношениях способны развить энергетическую систему.
Водородная инфраструктура с нуля – очень дорогое удовольствие, но использованием существующих газопроводов существенно ее удешевляет.

В марте 2017 года британский Supergen Hub по водородным топливным элементам опубликовал «белую книгу», в которой оценивалось текущее состояния и будущие перспективы водородных технологий [4]. Эта книга обновляется и в настоящее время, расширяя сферу применения топливных элементов. Книга основана на предыдущих комплексных обзорах по водороду [5-7]. Этот обзор охватывает следующие сферы:

Транспортный сектор, как личные транспортные средства, так и более крупный грузовой и общественный транспорт.
Производство тепла для бытовых, коммерческих и промышленных потребителей.
Интеграция водорода в мировую электроэнергетику, балансирование неустойчивых возобновляемых источников энергии.
Потребности в инфраструктуре, варианты использования существующих газовых сетей, требования к водороду в качестве топлива.
Политические проблемы, глобальная поддержка и дорожная карта для водорода и топливных элементов.

Водородная энергетика. Транспорт.

Возможность использования топливных элементов варьируется в зависимости от вида транспорта, который может перемещаться по суше, морю или вообще воздуху. Также все зависит от того, что мы везем: груз или пассажиров.
Почти половина спроса на энергию для глобальных перевозок приходится на легковые автомобили, и ожидается, что к 2050 году число легковых автомобилей в мире вырастет с 1 до 2,5 млрд [8].
Страны Европы должны вдвое сократить выбросы CO2 от транспорта до 2030 года, чтобы выполнить обязательства по европейскому плану декарбонизации. Однако за последние 5 лет выбросы увеличились, а доля возобновляемых источников в транспортной отрасли сократилась до 4,2 % по сравнению с целевым показателем 10 % [9].
Водород представляет собой один из трех основных вариантов по декарбонизации транспортной сферы наряду с био топливом и электромобилями. Электромобили на несколько лет опережают водород по развитию технологии из-за боле низких затрат и легкодоступной инфраструктуры. На электромобили приходится 30 % всех продаж новых автомобилей, в среднем по миру этот показатель равен 2 % [10-11].
Этот тренд объясняется общенациональной политикой развитых стран. Многие крупные города Европы объявили о запрете легковых и грузовых автомобилей с дизельным двигателем к 2025 году и запрете автомобилей с двигателем внутреннего сгорания к 2040 году [12-13].

Сравнительные характеристики

Обычные двигатели внутреннего сгорания можно модифицировать так, чтобы они работали на чистом водороде – преимущество данной технологии в том, что она обходится значительно дешевле, чем использование топливных элементов. Однако из-за высокой удельной энергии водорода значительно повышаются требования к материалу двигателя, к тому же КПД такого преобразования ниже, чем в топливном элементе. В европейской «дорожной карте» по энергетическому переходу есть цели, связанные со снижением выбросов оксидов азота (NOX), и подобная система не уменьшает этот показатель, поэтому такой путь маловероятен. Возможен вариант с подмешиванием водорода к природному газу или использование двухтопливных силовых агрегатов – это позволяет использовать существующую инфраструктуру, но опять же это противоречит европейской политике.

Транспортные средства на топливных элементах используют элементы с твердополимерным электролитом, поскольку эти системы предлагают высокий КПД и высокую удельную мощность. Средняя мощность топливного элемента для легкового транспорта – 60 кВт. Конкурентами автомобилей на топливных элементах являются двигатели внутреннего сгорания, электромобили на аккумуляторах, а также гибридные автомобили, использующие и ДВС, и аккумуляторные батареи.

Легковые автомобили

Глубокая декарбонизация транспорта должна быть сосредоточена на личных автомобилях, на которые приходится около половины мирового транспортного сектора. В настоящее время силовой агрегат на топливных элементах стоит очень дорого, но есть сценарии развития технологии, где за счет массового производства совокупная стоимость владения может стать сопоставимой с альтернативными вариантами к 2030 году:
Цена на платину является ключевым фактором, влияющим на капитальные затраты автомобилей с топливными элементами, такому автомобилю требуется металлов платиновой группы в 10 раз больше (около 30 г), чем используется в дожигателе автомобиля с дизельной силовой установкой. Однако раньше ситуация выглядела еще хуже: Daimler сократил на 90 % закладку платины с 2009 года, а цель Toyota – снижения содержания платины на 50 % в сравнении с текущем уровнем.
Toyota, Hyundai и Honda в настоящее время производят легковые автомобили на топливных элементах, при этом Audi и Mercedes-Benz последовали их примеру и в 2020 году представили свои автомобили на водородном топливе. Из-за отсутствия водородных заправок в подавляющем большинстве стран мира автомобили на топливных элементах не имеют практического смысла, всего было продано около 5000 машин. Ожидается, что драйвером развития водородного транспорта до 2025 года будут США, поскольку Водородный совет обещал инвестировать 1,75 млрд долларов в год на постройку необходимой инфраструктуры [35]. Международное энергетическое агентство заключает, что продажи автомобилей на топливных элементах могут достичь 8 млн к 2030 году и 150 млн к 2050 году.

Водородная энергетика. Теплоэнергетика и промышленность

На тепло и горячую воду приходится 60–80 % конечного энергопотребления в жилых и коммерческих зданиях по всей Европе [62-63]. В энергетической политике стран Евросоюза строго определено, что к 2050 году выбросы должны сократиться на 50 %. Однако в секторе теплоэнергетики трудно провести декарбонизацию по нескольким причинам [64-65]:

Отопление – необходимость в странах с умеренным климатом.
Требования потребителей лежат в очень широком диапазоне: от низкотемпературного отопления до больших высокотемпературных промышленных нагрузок, при этом нет единого решения, способного удовлетворить все потребности в тепловой энергии.
Потребность в тепле меняется ежедневно и сезонно, что требует очень гибкого графика поставок тепловой энергии [66].
Ископаемое топливо легко обеспечивает гибкость при очень низких затратах, низкоуглеродные альтернативы менее конкурентоспособны по цене, к тому же появляются риски не удовлетворить спрос на тепловую энергию [67].

Основной проблемой для отопления при низких выбросах в странах с умеренным климатом является удовлетворение зимнего пикового спроса на тепло, который значительно выше и более изменчив, чем пиковый спрос на электрическую энергию [68-70]. Эти проблемы легко решаются газовым отоплением, поскольку газовые электрические станции имеют низкие капитальные затраты на кВт установленной мощности, а газовая сеть и большие газовые хранилища легко могут хранить в себе месячный объем потребления.
Современная тепловая изоляция, аккумуляторы тепловой энергии и более эффективное преобразование химической энергии топлива в тепловую могут лишь частично декарбонизировать энергетическую систему, и имеют предел по декарбонизации. Замена природного газа на другое газообразное топливо может помочь значительно снизить выбросы. Великобритания сильно зависит от природного газа, и, вероятно, нескоро достигнет значительных успехов в декарбонизации сектора теплоэнергетики [74].

Рис. 6. Среднеевропейский профиль потребления энергетических ресурсов [71]

Рис. 7. Распределение доли различного топлива для отопления домов в десяти странах. Биомасса включает в себя как традиционную (древесина, навоз), так и современную (продукты мискантуса). Электричество подразумевает под собой ТЭНы и тепловые насосы [72,73]

Максимум на что может рассчитывать Великобритания – 20 % к 2030 году за счет современных видов изоляции и модернизации зданий. Природный газ является дешевой, удобной и относительно чистой альтернативой углю и нефти, газовое топливо доминирует в энергетическом балансе Европы. Тепловые насосы распространены в Азии и Америке. А центральное отопление – прерогатива России и Скандинавии, и, кстати, самая декарбонизированная технология из всех традиционных [75].

Отопление

Вернемся к топливным элементам. Несмотря на дороговизну системы, у топливных элементов самая большая мировая доля в сегменте микро-ТЭЦ для отопления частных домов. В мире установлено свыше 225000 систем с твердополимерным электролитом. Электрическая эффективность таких систем ниже, чем у других типов, но в то же время они обладают высокой тепловой эффективностью (55 %).
В Японии 7 % всех систем отопления оснащены ТОТЭ, которые работают постоянно, так как время запуска системы может превышать 12 часов [92]. Они имеют высокую электрическую эффективность и пониженные требования к топливу из-за высоких рабочих температур (700 °С).
Коммерческий сектор также использует системы на топливных элементах. По всему миру суммарно установлены 100 МВт, но основная часть – в США и Южной Корее. Здесь преобладают РКТЭ и ФКТЭ системы, поскольку они требуют более дешевых катализаторов. РКТЭ имеют электрический КПД в районе 45 %, но обладают низким сроком службы (20000 часов) и высокой степенью деградации из-за агрессивной среды расплавленных карбонатов и высоких температур [93]. К тому же, в отличие от ТПТЭ, системы на РКТЭ потребляют CO2 в качестве топлива и не в состоянии работать на чистом водороде, но открывают возможность улавливать и хранить углерод.

Промышленность

Промышленность полностью полагается на ископаемое топливо: 75 % всей энергии, используемой для промышленных нужд, получено из углеводородов, соответственно, на промышленность приходится 20 % всех вредных выбросов в мире. В промышленности путь декарбонизации будет очень долгим, поскольку в развитых странах промышленность уже достигла своих пределов по технологиям энергосбережения, к тому же инвестировать в новое оборудование, которое, возможно, и не будет работать как надо, – не самая удачная идея.
Здесь открывается неожиданная ниша для водородных технологий. Водород и так широко используется в качестве химического сырья (производство аммиака или нефтепереработка), а во многих технологических процессах является побочным продуктом (например, производство хлора), и есть возможность использовать этот водород в качестве источника электрической или тепловой энергии. Водород может заменить природный газ для выработки тепловой энергии в промышленности, для этого понадобится переоборудование горелок и печей, но и требования к чистоте водорода в этом случае ниже.

Рис. 12. Выбросы углерода от промышленности с разбивкой по топливу. Глобальные выбросы (включая производство электрической энергии) составили 12 Гт в 2016 году, а это 37 % от общемирового объема

В целом при использовании водорода в промышленности остается больше вопросов, чем ответов. Из-за низкой «зрелости» технологии, неопределенных капитальных затрат и вероятности фундаментальной модернизации производства переход на водород в обозримом будущем не представляется возможным. Промышленность нуждается в рентабельной и надежной системе, решение об установке которой в первую очередь основывается на технической и экономической рациональности, а компактность и эстетические соображения могут быть проигнорированы.

Электроснабжение на водородных технологиях.

С 1990 года мировое потребление электрической энергии увеличилось вдвое, и составляет сейчас 40 % от всего потребления первичных источников энергии [94]. Ископаемое топливо производит 75 % всей электроэнергии, выделяя при этом 15 Гт CO2 ежегодно, или 42 % от всего мирового объема [95]. В мировой энергетической политики развитых стран заложен путь на декарбонизацию этой отрасли.
В отличие от других секторов, рассмотренных ранее, в производстве электрической энергии уже имеется ряд альтернатив не только с низким, но даже отрицательным выбросом углерода. За последние 10 лет ветровая и солнечная энергетика выросла в десять раз, и составляет в настоящее время 11 % мировых генерирующих мощностей.
Ветровая и солнечная энергетика – это формы периодически возобновляемых источников энергии: их производство невозможно полностью контролировать или прогнозировать, поскольку они зависят от локальных условий.

Рис.13. Слева показана динамика ввода мощностей электрической генерации от различных источников, справа – динамика ввода мощностей электрической генерации от топливных элементов (без учета топливных элементов, установленных для генерации тепловой энергии, и топливных элементов, использующихся в качестве силовой установки автомобилей) [96-99]

Уравновешивание спроса и предложения требует новых решений, при условии декарбонизации отрасли и сохранении текущего уровня надежности. Электроэнергетика имеет фундаментальное ограничение – предложение всегда должно уравновешивать спрос, а надежность системы имеет первостепенное значение, так как выход системы из строя влечет за собой экономический и социальный ущерб.
Водородные технологии могут помочь как в интеграции, так и в расширении производства электроэнергии с низким содержанием углерода. Производство электроэнергии из водорода набирает обороты – мировые мощности достигли 1,2 ГВт в 2020 году, и в целом прирост составляет 25 % в год. Однако, несмотря на этот рост, ни одна компания еще не получила ощутимой прибыли от продажи стационарных топливных элементов.

Электроэнергетика

Топливные элементы хорошо подходят для сектора электроэнергетики благодаря возможности работы при различных нагрузках без потери эффективности, а также быстрому переходу между рабочими режимами, к тому же, как правило, их располагают близко к конечному потребителю, тем самым минимизируя потери при передаче и распределении электрической энергии. Кроме того, водородная энергетика предусматривает долгосрочное хранение водорода, тем самым позволяя воплощать сезонное аккумулирование энергии в энергетических системах с ВИЭ. Условно говоря, в солнечный день, когда есть избыток электрической энергии, можно направить его на электролиз воды, запасая водород, а в пасмурный день использовать этот водород в топливном элементе.
Но потенциал декарбонизации, связанный с использованием водородных технологии, зависит от технологического процесса производства водорода и цепи поставок. Получая водород при помощи паровой конверсии, мы все так же выбрасываем парниковые газы в атмосферу в промышленных масштабах.

Хранение электрической энергии

Хранение электрической энергии в виде газообразного водородного топлива может обеспечить практически неограниченное по объему и времени хранение. Правда, если использовать путь полной декарбонизации, тут получается сомнительная эффективность. Для получения 1 м3 водорода необходимо затратить на электролиз от 4,5 до 5,2 кВт*ч электрической энергии, плюс сюда же надо добавить затраты на сжатие и подачу водорода в хранилища. Для того чтобы получить 1 кВт*ч электрической энергии в топливном элементе нам понадобится 0,7 м3 водорода. Интегральный КПД получится на уровне 10 %, но такой подход можно считать уместным, если будет взят курс на декарбонизацию. В настоящее время существует два коммерчески доступных процесса электролиза воды: щелочной электролиз и твердополимерный электролиз; перспективным считается системы с твердооксидным электролизом, но они уже долгое время находятся в стадии НИР.

Рис. 14. Суммарная установленная мощность электролизеров на 2017 год. Красная линия – щелочной электролиз, синяя – твердополимерный, желтая – твердооксидный [113-115]

Самым дешевым и эффективным способом электролиза является щелочной. В среднем затраты на 1 м3 водорода в нем составляют 4,4 кВт*ч, против 5,2 кВт*ч в твердополимерной системе. Но при щелочном электролизе существует ряд проблем электрохимического характера, что делает систему неудобной в эксплуатации, поэтому в последнее время активно вводятся твердополимерные системы (около 30 % от всех электролизных установок)[116-117].

Водород или метан?

Получать водород с помощью электрической энергии дешевле и проще. Если представить мир, где вся энергия получена от ВИЭ, то обеспечить заправочные станции водородом будет в разы проще, чем метаном. Но метановая инфраструктура уже существует и сильно развита, а водородная – нет. Чаще всего водород хранят в резервуарах высокого давления (до 750 атм). Одна из альтернатив – смешивание водорода с природным газом в существующих сетях, правда, выше уже сказано, что водорода может быть максимум 10–20 % по объему от всей смеси [118-119].
Еще более сложный и неэффективный процесс – преобразование водорода в метан (цикл обратный паровой конверсии метана). Метанирование водорода достигается либо каталитическим, либо биологическим процессом и требует источника CO и CO2. Преобразование энергии в метан на 15–30 % дороже, чем процесс преобразования энергии в водород. В глобальном масштабе емкость хранения энергии в газораспределительных сетях оценивается в 3600 ТВт*ч, это в три раза больше, чем все мировое производство от ВИЭ вместе взятых[120]. В целом существующая газовая инфраструктура и возможность утилизировать CO и CO2 в процессе превращения водорода в метан делает идею интересной.

Электролиз воды

Щелочной электролиз известен более 100 лет, именно эта технология обеспечивала и продолжает обеспечивать кислородом системы жизнеобеспечения на космических станциях. Но твердополимерные системы развиваются очень быстро и представляют особый интерес в плане получения водорода.
Щелочной электролиз – наиболее продуманная и дешевая технология. Между анодом и катодом, который находится в щелочном электролите, подается постоянный ток. Электролизные блоки могут иметь мощность в несколько МВт.
Хотя твердополимерные системы известны относительно давно, коммерчески доступными они стали лишь в начале 2000-х годов. Они имеют мгновенный отклик и запуск, спокойно реагируют на резкий останов. Обладая высокой удельной мощностью, высоким выходным давлением (80 бар), способны работать без компрессора, тем самым уменьшая затраты на сжатие водорода [151,152]. Стоимость такой системы примерно в два раза выше, чем у щелочной, а срок службы ячеек в 1.5 раза меньше.
Твердооксидные электролизеры используют твердый керамический электролит и работают при высоких температурах (700–900 °С), такая температура оказывает хорошее влияние на протекание электрохимической реакции, за счет этого система имеет КПД выше, чем у аналогов. Основной проблемой является деградация материалов из-за высоких температур и невозможность совершения многократных пусков и остановок системы. Это обусловлено различными коэффициентами термического расширения материалов электролизера, то есть система на пятый, к примеру, запуск может просто рассыпаться [153-155].

Удельные затраты на электролизеры высоки, киловатт установленной мощности щелочного электролизера около 1300–2500 USD.

Вместо вывода.

В 2022 году исполнится 90 лет с момента старта освоения топливных элементов. За это время был проделан большой путь от использования в космических программах до первого коммерческого автомобиля. В настоящее время топливные элементы отапливают 225000 домов.
Водород может играть важную роль наряду с электричеством в низкоуглеродной экономике, поскольку может служить источником как тепла, так и электричества. Даже при том, что сам по себе водород не отвечает фундаментальным требованиям для мгновенного балансирования энергетической системы, он может обеспечить альтернативный вариант на пути к более глубокой декарбонизации за счет водородных хранилищ. Многочисленные способы производства, распределения и потребления водорода представляют собой сложный компромисс между стоимостью, выбросами, масштабируемостью и требованиями к чистоте водорода, но также предоставляют множество вариантов, которые можно использовать в зависимости от конкретных обстоятельств.
Водород и топливные элементы не являются синонимами, они могут работать в тандеме, или отдельно друг от друга. Топливные элементы могут работать на природном газе, но в самих топливных элементах не происходит реакции горения, что позволяет снизить влияние на экологию. Водород можно сжигать в двигателях и котлах без прямого выброса CO2. При совместном использовании, в виде водородных топливных элементов, отсутствуют выбросы в точке использования, а общие выбросы зависят от способа производства водорода (этот тезис также относится к электричеству).
Стоимость автомобилей на топливных элементах высока по сравнению с электромобилями на аккумуляторных батареях, но запас хода значительно больше и время заправки меньше у водородных автомобилей. Теплоэнергетика почти не приспособлена для декарбонизации, тепловые насосы, системы централизованного теплоснабжения и сжигание биомассы постоянно сталкиваются с препятствиями. Комбинированное производство тепла и электричества на топливных элементах может работать на сегодняшней газовой инфраструктуре, правда, с отрицательным экономическим эффектом и без особого улучшения ситуации с выбросами.
Вероятно, раньше всего водородные технологии найдут себя в низкоуглеродных энергетических системах, в которых преобладает спрос на ВИЭ и/или электрическое отопление. Имея хорошую маневренность, топливные элементы в состоянии компенсировать дополнительную нагрузку в пиковые сезоны на те же тепловые насосы. Помимо управления краткосрочной динамикой, преобразование электроэнергии в водород или другие виды топлива может обеспечить крупномасштабное долгосрочное хранение, необходимое для поддержания сети в период отсутствия возобновляемых ресурсов.
Вероятно, раньше всего водородные технологии найдут себя в низкоуглеродных энергетических системах, в которых преобладает спрос на ВИЭ и/или электрическое отопление. Имея хорошую маневренность, топливные элементы в состоянии компенсировать дополнительную нагрузку в пиковые сезоны на те же тепловые насосы. Помимо управления краткосрочной динамикой, преобразование электроэнергии в водород или другие виды топлива может обеспечить крупномасштабное долгосрочное хранение, необходимое для поддержания сети в период отсутствия возобновляемых ресурсов.

Источник - habr.com