Интерес мировой науки к производству водорода с использованием возобновляемых источников энергии возник сравнительно недавно, хотя попытки задействовать его в энергетике предпринимаются с 1970-х годов. В Японии исследования начались в 1974-м, когда был запущен исследовательский проект Sunshine («солнечный свет»), и продолжились после 1978-го в проекте Moonlight («лунный свет») по созданию водородных топливных элементов.
Стратегия развития водородной энергетики в стране была формализована в 2014-м с принятием Четвёртого основного энергетического плана, в котором было заявлено, что «наступило время всесторонне обсудить возможность выстроить "водородное сообщество", использующее #водород как источник энергии». Этот план был принят через три года после фукусимской катастрофы, когда всю энергетику страны трясло и компании терпели большие убытки из-за необходимости импортировать #углеводороды в рекордных объёмах на фоне неопределённости с перезапуском атомных реакторов. Документ определил водороду центральную роль в будущем электрической и тепловой генерации. Однако легко сказать, да трудно сделать. Прежде чем причислить водород к энергоносителям и начать широко применять его на практике, нужно провести ряд исследовательских и демонстрационных проектов.
ПРОБА ТЕХНОЛОГИЙ
Министерство экономики, торговли и промышленности Японии организовало совет из представителей производственных компаний, научных учреждений и государства для того, чтобы обсудить подходы к развитию водородной энергетики. Вскоре ведомство выпустило «дорожную карту» по развёртыванию стационарных установок на топливных элементах и строительству водородных электростанций. Большие задачи в этом документе поставлены для NEDO - японского исследовательского агентства по развитию новой энергетики и промышленности. Оно должно заняться водородной электрогенерацией и различными технологиями получения водорода с помощью возобновляемой энергии, включая электролиз.
NEDO быстро взялось за дело, уже в 2014-м организовав участки опытного производства водорода мощностью от 5 до 30 куб. м/ч. По мере получения обнадёживающих результатов водородные #НИОКР начали привлекать внимание энергетических компаний. В 2016 году корпорация Toshiba Energy Systems & Solutions объявила об организации Фукусимского полигона водородной энергетики (Fukushima Hydrogen Energy Research Field - FH2R) совместно с компаниями Tohoku Electric Power и Iwatani.
Проект, отражённый в Пятом основном энергетическом плане Японии и тем самым получивший статус национального, был сфокусирован на развитии промышленных технологий получения, хранения и использования водорода. Строительство полигона началось в июле 2018 года и в целом было завершено к марту 2020-го.
На сегодня FH2R - крупнейший проект своего рода. На площади 180 тыс. кв. м размещены солнечная фотоэлектрическая станция мощностью 20 МВт, подстанция для подключения к внешней электрической сети, 10-мегаваттный электролизёр и другое оборудование. Согласно разработчикам проекта, система (см. рисунок) рассчитана на производство до 1200 кубометров газа в час.
Главные цели проекта - проверить систему управления водородным кластером, чтобы достичь оптимального соотношения мощностей производства и хранения газа, а также обеспечить балансировку электрической микросети без использования аккумуляторных батарей.
Хлорно-щелочной электролизёр Aqualyzer разработан и построен подразделением химической компании Asahi Kasei. Заказ на него поступил от компании Toshiba в 2017-м. После инсталляции электролизёра в 2019 году было проведено несколько его пробных запусков, чтобы убедиться, что водород имеет требуемое качество и допускаются вариации потребляемой мощности. Установка, находящаяся в эксплуатации с марта 2020 года, вместе с водородом производит хлор и едкий натр.
Корпорация Toshiba Energy Systems & Solutions, выполнившая разработку проекта, поставку оборудования и инжиниринг, сегодня отвечает за всю водородно-энергетическую систему и администрирование полигона. Компания Tohoku Electric управляет его электрической сетью, а Iwatani - системами производства и хранения водорода таким образом, чтобы выдерживался баланс мощности в электрической микросети. Как сообщает Toshiba, система в целом работает, как ожидалось: «Производство, хранение и потребление водорода балансируется в соответствии с прогнозами спроса на этот вид топлива, одновременно поддерживается баланс электрических нагрузок в сети полигона». С учётом нововведений в нормативной базе японской энергетики в прошлом году была добавлена возможность выдавать энергию солнечной станции во внешнюю сеть.
ПОТРЕБИТЕЛИ
Малая водородная электростанция (3,5 кВт) на основе топливных элементов, используемая для собственных нужд полигона, появилась на площадке в 2020-м. Тем временем находящийся неподалёку посёлок Намиэ расширяет свою промышленную зону, которая будет потреблять возобновляемую энергию солнца и водород, поступающий по трубопроводу с полигона FH2R.
Здесь сверхзадача - оценить возможность выхода на углеродную нейтральность (то есть полного отказа от углеводородного топлива) с помощью возобновляемых источников энергии через получение «зелёного» водорода и его применение на производстве, на транспорте и в быту.
Рассматриваются перевод жителей посёлка на водородные автомобили, оснащение индивидуальных домов и малых предприятий топливными элементами, организация тепло- и электроснабжения общественных зданий от водородных микроТЭС, а также развитие «водородного туризма».
Сегодня, когда уже стало очевидно, что проект #FH2R успешен, агентство NEDO планирует масштабировать электролизную установку, а заодно и полуторамегаваттную электрогенерирующую систему на основе топливных элементов с протонообменной мембраной, построенную в префектуре Яманаси. На подобные цели правительство страны собирается в течение ближайших десяти лет потратить свыше трёх миллиардов долларов.
К НОВЫМ МАСШТАБАМ
В августе 2021 года агентство NEDO приняло предложение компаний Asahi Kasei и JGC Holdings совместно продемонстрировать возможность построить электролизную систему мощностью до 100 МВт и при ней - «зелёный» химзавод, использующий возобновляемую энергию. «Для демонстрации и коммерциализации системы щелочного электролиза на мощности, исчисляемые двузначными числами в мегаваттах, потребуется весь опыт, накопленный в проекте FH2R, а также модульная технология для параллельной инсталляции электролизёров, чтобы удовлетворить потребности рынка с учётом факторов безопасности, производительности и стоимости», - сообщила компания Asahi Kasei. Участники этого проекта будут разрабатывать систему управления «зелёным» химзаводом и оптимизировать его работу под вариации объёмов водородного сырья, неизбежные ввиду переменчивого характера возобновляемой генерации.
* * *
Как говорится, не было бы счастья, да фукусимское несчастье помогло. В Японии строительство водородно-энергетических систем началась задолго до того, как по всему миру водород стали считать перспективным энергоносителем.
__________________________________
Спасибо за ваши комментарии и лайки. Нам важно, что вы нас читаете.