В наших предыдущих обзорах мы уже освещали применение водорода для стабилизации энергоснабжения и хранения энергии. В журнале IEEE Electrification Magazine (т. 12 № 4 за 2024 год) опубликована статья Хоссама А. Габбара и Отавио Лопеса Алвеса Эстевеса, в которой предлагается интегрировать производство водорода с ядерными и возобновляемыми источниками энергии (концепция получила обозначение N-RHES) с целью повышения гибкости, надежности и устойчивости получаемых гибридных энергетических систем. По мнению авторов, такой подход позволяет максимально использовать преимущества водородной энергетики и минимизировать её недостатки. Предлагаем вашему вниманию краткий обзор статьи.
Водород как энергоноситель: преимущества и недостатки
В отличие от других решений по хранению энергии, например гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС), водород обеспечивает уникальные преимущества в стабилизации баланса в сети, долгосрочном хранении энергии и промышленной декарбонизации. ГАЭС известны своей эффективностью и масштабируемостью, но могут быть размещены не во всех регионах. Водород можно производить в районах с обильными возобновляемыми ресурсами, где традиционные методы хранения нецелесообразны, также он может нивелировать переменный характер генерации на ВИЭ, выступая и в качестве энергоносителя, и в качестве способа хранения энергии.
Для получения водорода с помощью электролиза авторы предлагают использовать избыточное электричество от ВИЭ (ветровых и солнечных генераторов), а также энергию ядерных реакторов. Полученный водород можно хранить и позже преобразовывать в электричество в топливных элементах или водородных турбинах. Таким образом, энергия может быть запасена для периодов высокого спроса, что повышает стабильность системы.
Авторы отмечают ряд проблем, с которыми по-прежнему сталкивается внедрение водорода. Первая – это значительные потери энергии при получении водорода посредством электролиза и в обратном процессе его преобразования в электричество. Эффективность топливных элементов составляет 40 – 60 %, а эффективность цикла в целом около 25%, что намного ниже, чем у других вариантов хранения энергии. Второй существенной проблемой являются высокие затраты на инфраструктуру для производства, хранения и распределения водорода, что снижает коммерческую жизнеспособность данной технологии.
Сценарии использования водорода в гибридной энергосистеме
В статье приводится описание двух сценариев, рассчитанных в результате моделирования (с использованием MATLAB/Simulink, TRNSYS) и балансирующих показатели стоимости, эффективности и воздействия на окружающую среду в различных стратегиях.
1. «Стабильность сети и управление нагрузкой»
В этом сценарии производство водорода интегрируется как с ВИЭ, так и с АЭС. В часы пиковой генерации ВИЭ излишки энергии используются для производства водорода путем электролиза с последующим его хранением в резервуарах или подземных хранилищах. При росте спроса на электроэнергию или снижении выработки ВИЭ водород преобразуется в электричество с помощью топливных элементов или водородных турбин. Это помогает обеспечивать полное использование ВИЭ при сохранении стабильности системы и сократить использование дорогих пиковых газовых электростанций. Водородные системы также могут служить резервным источником питания в случае отказа сети, обеспечивая бесперебойное питание критически важной инфраструктуры. Операторам сетей водород обеспечивает гибкость и надежность, позволяя лучше управлять спросом и предложением.
Моделирование показало, что возможно преобразование 80% избыточной энергии в водород, удовлетворение за счет водорода пиковых показателей спроса в 90% случаев.
Результаты проведенного моделирования отражены в графиках. Рисунок 1 показывает превышение общего производства энергии над потребностями сети в течение недели, рисунок 2 – количество водорода, которое можно произвести и сохранить из этой избыточной энергии.
2. «Сезонное хранение энергии и удаленная электрификация»
Данный сценарий исследует потенциал водорода для сезонного хранения энергии, что позволит обеспечить надежное энергоснабжение удаленных районов. Водород производится в периоды высокой выработки ВИЭ (например, в летние месяцы) и используется в периоды их более низкой выработки (например, зимой) для поддержания энергоснабжения. Генерация на основе источников ядерной энергии в течение года остается стабильной.
Рисунок 3 демонстрирует изменения в выработке энергии на базе ядерных и возобновляемых источников в течение года. На рисунке 4 можно видеть динамику использования хранимого водорода в периоды отсутствия генерации ВИЭ для обеспечения бесперебойного энергоснабжения изолированных регионов с ограниченным доступом к сети.
Выводы
Таким образом, по мнению авторов, интеграция производства и хранения водорода в N-RHES предлагает многообещающий подход к удовлетворению крупномасштабных потребностей в энергии путем объединения ядерных и возобновляемых источников, таких как ветер и солнце. Эта интеграция решает ключевые проблемы, включая прерывистость выработки возобновляемой энергии, периоды низкой возобновляемой выработки и растущий спрос на стабильную и чистую энергию. Улавливая и храня избыточную энергию, вырабатываемую в пиковые периоды возобновляемой энергии, водород помогает сбалансировать спрос и предложение, управлять сезонными колебаниями и обеспечивать надежный резервный источник питания.
Подробнее читайте исходную статью в журнале IEEE Electrification Magazine (т. 12, № 4 за 2024 год)
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России
