Некоторые эксперты считают, что возможность хранения в течение нескольких недель или даже месяцев может предоставить технологиям производства электроэнергии с использованием газа преимущество по мере роста возобновляемых источников энергии в сети.
Джек Брауэр рассматривал возможность использования водорода для хранения энергии еще12 лет назад.
Идея заключалась в следующем: недорогую или избыточную возобновляемую энергию пропустить через электролизер для получения водорода, хранить этот водород сколько необходимо, а затем использовать топливные элементы для преобразования его обратно в электричество. Брауэр, профессор механической и аэрокосмической инженерии в Калифорнийском университете в Ирвине, попытался убедить Министерство энергетики США в том, что эта технология может быть реализована для достижения целей углеродной политики и поддержки энергосистемы с большим количеством возобновляемых источников энергии.
Но Министерство энергетики не заинтересовалось этой идеей, поэтому Брауэр и группа его студентов продолжили исследование самостоятельно.
В 2013 году они опубликовали документ, в котором рассматривался потенциал использования сжатого газа в больших масштабах для хранения энергии и сглаживания прерывистых ветряных ресурсов. Эта статья привлекла внимание Южной Калифорнийской газовой компании (SoCalGas) - крупнейшей газовой компании в стране - которые тоже рассматривали потенциал водорода.
В результате совместной работы в 2016 году в Калифорнийском университете появился демонстрационный проект. Через четыре года выкристаллизовалась суть этой технологии: преобразовать систему доставки природного газа в возобновляемую систему доставки водорода и использовать ее как рентабельный способ создания огромных объемов хранения.
«Если нужно хранить тераватт-часы энергии для поддержки 100% возобновляемой энергетической сети, то намного дешевле хранить энергию в виде водорода», - сказал Брауэр.
Заинтересованность отрасли в использовании энергии из газа в качестве средства хранения возникла на фоне энергетического перехода. Согласно отчету Центра инноваций UCLA Luskin, опубликованному в конце 2019 года, примерно каждый третий американец живет в штате или сообществе, которое взяло на себя обязательства по обеспечению 100% чистой электроэнергии. Кроме того, по крайней мере, 32 коммунальных предприятия стремятся достичь нулевого уровня выбросов углерода к 2050 году. А для создания сети, работающей преимущественно на прерывистых возобновляемых источниках энергии, потребуются большое количество накопителей, чтобы обеспечить бесперебойное энергоснабжение в условиях, когда «нет солнца и ветра».
«Это десятилетие является переломным моментом для отрасли хранения данных», - сказал Дэн Финн-Фоли, руководитель отдела хранения энергии в Wood Mackenzie. В течение последних пяти лет сектор работал над установлением и обеспечением признания ценности, но это быстро уступит место тому, что Финн-Фоули называет «эрой возможностей».
На гидроаккумуляторы приходится подавляющее большинство крупных хранилищ в стране. Однако в последние годы в новых крупномасштабных объектах хранения преобладают аккумуляторные батареи - преимущественно литий-ионные. Финн-Фоули ожидает, что литий-ионные аккумуляторы по-прежнему будут доминирующей технологией в 2030 году. Но через десять лет отрасль может оказаться в другой точке перелома.
На данный момент некоторые коммунальные предприятия с агрессивными целями в области возобновляемых источников энергии сосредотачиваются на диверсификации парков хранения - например, Департамент водоснабжения и энергетики Лос-Анджелеса (LADWP), который в прошлом году объявил о планах перехода от угольной генерации к природному газу и 100% водороду в 2045 году.
«Мы изучаем все эти различные технологии», в том числе аккумуляторы сжатого воздуха и гидроаккумуляторы, технологии, с которыми коммунальное предприятие имеет большой опыт, - сказал Джеймс Барнер, помощник директора Clean Grid LA Strategy Division компании LADWP.
Недели или даже месяцы хранения.
Эксперты предупреждают, что на пути к достижению этой цели технологии преобразования энергии в газ возникают проблемы, включая модернизацию существующей инфраструктуры для транспортировки водорода.
«[Первым] фактором, способствующим превращению электроэнергии в газ, станет дешевая электроэнергия, - сказал Кевин Харрисон, старший инженер Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии. «Если у вас нет дешевой электроэнергии - менее 5 центов за кВтч, - переход на газ не имеет смысла».
Второй фактор - это недорогие электролизерные системы, которые, составляют значительную часть эксплуатационных расходов на технологию.
В марте технологическая группа Wärtsilä опубликовала технический документ, в котором изложены два подхода к преобразованию энергии в газ. Первый включает улавливание углекислого газа из атмосферы, электролиз воды для получения водорода, а затем объединение водорода и углерода для создания метана, который можно использовать в существующей газовой инфраструктуре. Второй - это прямое преобразование энергии в водород - работа электролизеров на избыточных возобновляемых источниках энергии для производства водорода.
«Идея имеет смысл, особенно в таких штатах, как Калифорния, где избыточная солнечная энергия может поставляться бесплатно или по отрицательной цене в соседние штаты, потому что превышает спрос», - сказал Жан-Луи Киндлер, генеральный директор компании Ways2H, занимающейся возобновляемым водородом. Избыток энергии можно использовать для запуска электролизатора, создания водорода из воды, а затем хранения его под землей почти бесконечно».
Другие игроки отрасли также внимательно изучают возможности, которые водород может предложить сектору хранения, и, согласно исследованию Wood Mackenzie, к 2040 году стоимость зеленого водорода может упасть на 64% .
«Все Западное побережье имеет большой потенциал для водорода», - сказал Джейсон Роуэлл, заместитель вице-президента и менеджер глобального технологического портфеля Black & Veatch. Роуэлл считает, что к 2025 году водород будет широко использоваться в транспортном секторе. К 2030 году водород будет наращивать свое присутствие в энергетическом секторе.
Масштабные проекты существенно снизят капитальные затраты на строительство водородных установок.
По словам Джо Феррари, бывшего генерального менеджера по развитию рынка коммунальных услуг в Wärtsilä в Северной Америке и нынешнего регионального менеджера по продажам MAN Energy Solutions, наибольшая добавленная стоимость от электроэнергии к газу - причина, по которой это «совершенно другая игра» - это продолжительность хранения.
Литий-ионные батареи, как правило, могут работать в пределах четырехчасового диапазона, а некоторые 8- 12 часов, в то время как гидроаккумулятор обеспечивает 12 часов хранения, поэтому эта технология является хорошим способом переноса энергии на вечернее время.
Феррари добавил, что для мощной сети возобновляемых источников энергии потребуется сезонное хранение, чтобы противостоять сезонным колебаниям в выработке солнечной, ветряной и гидроэлектрической энергии.
В техническом документе Wärtsilä был исследован сценарий, характерный для Калифорнии, который включал быстрое наращивание возобновляемых источников энергии и аккумуляторов, с переходом от электроэнергии к газу, и было обнаружено, что штат может достичь целей в области возобновляемых источников энергии на пять лет раньше запланированного срока.
Коммунальные предприятия интересуются водородом.
Коммунальные предприятия также начинают пристально присматриваться к водороду.
Калифорния, например, хочет добиться нулевых выбросов углерода», - сказал Феррари. «Итак, если вы являетесь поставщиком природного газа, вы либо сталкиваетесь с перспективой того, что ваш бизнес станет незаконным, потому что вы больше не можете продавать ископаемый газ ... или вы можете перейти на какой-либо тип возобновляемого газа», например, водород или синтетический метан».
В августе, Джеффри Мартин, председатель и главный исполнительный директор Sempra Energy - материнская компания SoCalGas - сказал, что компания пытается позиционировать себя в качестве лидера. А в июле, отвечая на вопрос о прибылях и убытках, исполнительный вице-президент и главный финансовый директор NextEra Energy Ребекка Куджава заявила, что компания «особенно воодушевлена долгосрочным потенциалом водорода» и планирует предложить пилотный проект для Florida Power and Light. который ориентировочно будет запущен в 2023 году.
Тем временем LADWP применяет поэтапный подход к своему будущему водородному производству. По словам Ашкана Нассири, менеджера по стратегическим инициативам LADWP, коммунальное предприятие планирует к 2045 году поставлять 100% возобновляемые источники энергии. Планируется поэтапно вывести из эксплуатации угольную электростанцию мощностью 1800 МВт на проекте «Межгорная электростанция» и подключить ее к установке комбинированного цикла. Этот переход снизит выбросы парниковых газов на предприятии в два или три раза. Чтобы еще больше снизить их , LADWP планирует запустить установку с 30% водородной топливной смесью, в конечном итоге увеличив ее мощность до 100%.
Рядом с площадкой Межгорья находится еще один запланированный объект - проект Advanced Clean Energy Storage (ACES), совместный проект Mitsubishi Power и Magnum Development. Когда в 2019 году было объявлено о проекте, он был сосредоточен на четырех технологиях хранения: водород, накопитель энергии сжатого воздуха, аккумуляторы энергии, проточные батареи и твердооксидные топливные элементы. Но затем разработчики сосредоточили внимание на водороде, учитывая «беспрецедентный интерес и поддержку».
По словам Дакера, одна из пещер на площадке ACES может хранить до 150 000 МВтч возобновляемой энергии.
По словам Майкла Дакера (Mike Ducker), вице-президента по возобновляемым источникам энергии Mitsubishi Power, разработчики стремятся подготовить проект к 2024 году, хотя многое зависит от работы с организациями в регионе. И хотя объект полностью отделен от проекта Intermountain, «мы работаем с [Intermountain Power Agency] в ожидании и желании предоставить водород - как для производства, так и для хранения - в поддержку их проекта».
Что дальше?
В то же время технологии получения энергии из водорода сталкиваются с определенными ограничениями. Резервуар для хранения можно установить где угодно, но дешевле хранить водород под землей, поэтому многие обращают внимание именно на подземные хранилища, особенно в соляных пещерах.
И еще более важный вопрос представляет собой инфраструктура. Большинство объектов в США, предназначенных для хранения и транспортировки газа, были построены для метана. Но водород - это совершенно другой газ, и существующие емкости для хранения могут не подойти.
«Таким образом, чтобы воспользоваться преимуществами существующих систем хранения, а также систем передачи и распределения, потребуются серьезные обновления или замена большей части инфраструктуры», - пояснил Феррари .
«Следующее большое требование - это политический толчок, сигнал от регуляторов, чтобы электроэнергетические компании знали, что водород - это вариант», - сказал Феррари .
По словам Георгиоса Пападимитриу, главы Северной Америки в Enel Green Power, существует несколько этапов эволюции, которые необходимо пройти технологии, чтобы достичь точки, в которой она сможет сыграть роль в 100% декарбонизации. Первым шагом является тестирование электролизеров и обеспечение их способности работать с большими объемами энергии. Второй шаг ориентирован на отрасли, которые могли бы извлечь выгоду из зеленого водорода по конкурентоспособной цене, которые в свою очередь создают положительный цикл для стимулирования электролизера промышленности. Также существует потенциал для создания нового спроса в трудноэлектрифицированных секторах, таких как судоходство, авиация и тяжелый транспорт.
«Это может сработать в следующем десятилетии, когда появится спрос», - сказал Пападимитриу. «А пока мы создаем водородную цепочку производства и потребления и делаем ее более масштабируемой и распространенной - на этом этапе мы можем рассматривать возможность использования энергии в качестве газа».