Одним из способов обезуглероживания электрической сети является использование возобновляемого водорода, то есть водорода, получаемого из возобновляемых источников энергии.
Процесс представляет собой использование энергии ветра и солнца в периоде для создания водорода путем электролиза, а затем сжигание возобновляемого водорода в газовых турбинах, когда требуется энергия в сети. Есть проблемы в достижение этой цели, но, по крайней мере, одна компания считает, что у нее есть план преодоления препятствий.
Одна из основ современного человеческого общества - надежное производство огромного количества электроэнергии. Это открывает возможности и способствует экономическому росту во всем мире.
Мир должен все больше соблюдать баланс необходимости выработки достаточного количества электроэнергии для удовлетворения растущего мирового спроса с глобальным приоритетом сокращения выбросов углекислого газа. Отчет ООН об изменении климата за 2018 год призывает страны предпринять значительные шаги по обезуглероживанию своих энергетических сетей. Государственные чиновники уже принимают нормы и законы, которые поддерживают безуглеродное будущее.
Реализация энергетического будущего потребует разработки новых технологий и видов топлива для устранения избытка углекислого газа, а также изменения существующих технологий производства электроэнергии для снижения интенсивности их воздействия на окружающую среду.
Компания Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS) сосредоточила внимание на этих усилиях благодаря поддержке Углеродного индекса в энергетическом секторе, проекте Университета Карнеги-Меллона, который изучает и отслеживает интенсивность выбросов углекислого газа в энергетическом секторе США.
Согласно этому индексу, выбросы в США с 2005 года снизились на 29%. Основным фактором снижения является переход с угля на газ, на долю которого приходится 54% сокращения; а так же использование возобновляемых источников энергии - 40%. Оставшиеся 6% обусловлены ростом эффективности существующих технологий.
США находятся на правильном пути. Но по мере того, как страна продолжает декарбонизировать энергосистему, возникают новые задачи, такие как использование безуглеродного источника энергии во время «окон» в генерации ветра и солнца. MHPS считает, что «возобновляемый водород» (водород, получаемый из возобновляемых источников) будет важным топливом будущего, поскольку мир продолжает двигаться по пути декарбонизации.
Переход на возобновляемые источники и природный газ
Одним из решений обезуглероживания сети является увеличение процента энергии, получаемой от возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия. В 2017 году чистые источники энергии обеспечивали 12% мировых потребностей в энергии. Солнечный сектор вырос до 160 миллиардов долларов инвестиций. За последние несколько лет стоимость солнечной энергии снизилась на 65%, а ветра на суше - на 15%, наряду со стоимостью газовых турбин, которая снижается на 12% в год благодаря повышению эффективности технологий.
Природный газ также будет играть невероятно важную роль в обезуглероживании мировых энергосистем. Так как сочетание газовых турбин и возобновляемых источников энергии обеспечивает выбросы углерода на 85% ниже, чем на угольных электростанциях, которые они заменяют. Сегодня газовые турбины MHPS, такие как комбинированный цикл M501JAC с КПД, достигающим 65%, и надежностью 99,5%; играют ключевую роль, поскольку они работают с возобновляемыми источниками энергии для сокращения выбросов углерода.
Рост использования возобновляемых источников энергии указывает, что 40% мировой электроэнергии к 2040 году будет поступать из чистых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия. Следовательно, чтобы обеспечить надежную выработку электроэнергии, генераторы должны иметь легкодоступные диспетчерские ресурсы для компенсации кратковременной нестабильности в возобновляемой генерации.
Для достижения глубокой декарбонизации должны существовать надежные решения для хранения энергии, создаваемой возобновляемыми источниками энергии, в течение длительных периодов времени, чтобы была возможность гибко использовать энергию в любое необходимое время.
Водородное будущее для чистой энергии с нулевым содержанием углерода
В конечном счете, для размещения большего количества возобновляемых источников энергии в сети в определенных регионах системе потребуются решения для массового хранения энергии.
MHPS рассматривает водород в качестве основного решения для хранения энергии для устойчивого, рентабельного и надежного использования возобновляемых источников энергии в будущем. По мере накопления ветра и солнечной энергии избыточная возобновляемая энергия будет увеличиваться и может использоваться для создания возобновляемого водорода посредством электролиза, который использует электричество для расщепления воды на водород и кислород. Получающийся водород, чистое топливо, которое может использоваться в газовых турбинах, может храниться для твердооксидных топливных элементов, транспорта и химической промышленности.
Возобновляемый водород представляет собой многогранный прорыв. Он может быть получен из недорогих или бесплатных избыточных возобновляемых источников энергии. Он может храниться в течение длительного времени, даже на сезонном уровне. И это может быть легко сожжено в газовых турбинах с надлежащими модификациями в конструкции системы. Создается идеальная поддержка возобновляемых источников энергии и сокращение выбросов углерода.
Чтобы водород занимал центральное место в качестве источника топлива, инфраструктура производства, перемещения, хранения и использования большого количества водорода требует значительных инвестиций. Новая инфраструктура будет включать в себя строительство обширных сетей электролизеров, трубопроводов для безопасной транспортировки водорода и развитие емкостей для хранения водорода, что позволит перейти от производства электроэнергии к более высокой потребности в энергии. MHPS глубоко привержена к созданию новой инфраструктуры, которая заложит основу для энергетического будущего, работающего на водороде.
50 лет опыта H2, но впереди новые вызовы
MHPS является лидером в области водородных турбин в течение почти 50 лет. В настоящее время MHPS имеет 29 турбин, которые используют топливо с содержанием водорода до 90% объема, и эти турбины работают более 3,5 миллионов часов.
1. Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS) поддерживает проект «Безуглеродная газовая энергетика» на электростанции Vattenfall в Голландии. Цель проекта - переоборудование одной из трех газовых турбин с комбинированным циклом мощностью 440 МВт для работы на 100% водороде, что значительно сократит выбросы CO2.
Современные системы сгорания турбин ограничены в количестве водорода, который они могут сжечь. MHPS имеет методы для решения этих проблем и планирует проверить новую современную систему сгорания, работающую на 100% водороде. На электростанции Magnum Vattenfall в Гронингене, Нидерланды (рис. 1), MHPS работает над преобразованием энергоблока с комбинированным циклом мощностью 440 МВт для работы на 100% водороде. В 2025 году, когда преобразование будет завершено, установка будет генерировать нулевые выбросы CO2.
Технология сжигания водорода в камере сгорания может быть преобразована на всех турбинах MHPS, работающих в настоящее время, в сочетании с модификациями подачи водородного топлива. Это позволит операторам использовать водородную энергию с минимальными изменениями в своем газотурбинном парке. Минимальные модификации существующих турбин MHPS, работающих сегодня, делают их перспективными для инвесторов.
Усовершенствованное хранилище чистой энергии (ACES)
Один из проектов, который MHPS больше всего интересует, - совместная разработка компании и Magnum Development, лидера отрасли по хранению и транспортировке природного газа, крупнейшего в мире хранилища возобновляемой энергии, проекта Advanced Storage Energy Storage (ACES).
ACES будет использовать четыре технологии: производство и хранение возобновляемого электролитического водорода, хранение энергии в сжатом воздухе (CAES), хранение аккумуляторов и твердооксидные топливные элементы. Батареи и топливные элементы будут доступны для мгновенной генерации в течение короткого времени. Сохраненный водород будет использоваться в качестве топлива для турбин на месте, а CAES обеспечит многодневное или более длительное хранение и выработку. К 2025 году проект ACES направлен на получение достаточного количества возобновляемого водорода для обеспечения 250 МВт электроэнергии.
Чтобы обеспечить такой огромный уровень накопления энергии, система ACES будет разработана на вершине единственного большого соляного купола на западе США. Соляные купола представляют собой уникальные геологические образования, практически непроницаемые для газов. Пещеры могут быть сформированы в них так, чтобы обеспечить экономную форму массового хранения. Размеры пещер варьируются от 300 до 450 м в длину и от 45 до 90 м в диаметре.
Магнум определил и обеспечил защиту более 45 км.кв поверхности над куполом, подходящих для развития пещер, что достаточно для создания до 100 пещер (в зависимости от размера пещеры и требуемого расстояния). На данный момент на площадке успешно создано пять пещер. Каждая может вмещать 5 миллионов килограммов газообразного водорода, обеспечивая больше накопления энергии, чем совокупная емкость всех батарей масштабного типа, установленных в настоящее время в мире.
2. Все газовые турбины MHPS, работающие в настоящее время, могут быть оснащены технологией сгорания на водороде, которая гарантирует инвестиции будущих владельцев.
Газовые турбины MHPS (рис. 2) являются основой превращения этого огромного количества хранимого возобновляемого водорода в источник энергии. Проект ACES дает принципиально иную модель хранения и разгрузки. Вместо того, чтобы думать о хранении в пределах секунд, минут или часов; система ACES позволяет сохранять в течение месяцев за счет накопления огромного количества энергии.
Например, весной пещера может быть заполнена водородом с использованием избыточного возобновляемого электричества, а затем возобновляемый водород может потребляться по мере необходимости в течение всего года для топлива газовых турбин. Эта чистая энергия будет обслуживать энергетические потребности западных штатов США, интегрируясь в существующую сетевую инфраструктуру.
Будущее чистой энергии, наполненное возможностями
Возобновляемая водородная технология - это решение для будущего без углекислого газа, и за последние годы были достигнуты невероятные успехи. Есть еще проблемы, которые варьируются от стоимости производства до необходимости эффективного хранения, но из проблем следуют и возможности.
MHPS с радостью решает эти проблемы и использует огромный потенциал, который можно использовать для создания чистого и более эффективного будущего. От перспективных текущих предложений новых технологий до инвестиций в новые продукты для клиентов; так MHPS видит водородное общество, которое готово к будущему. Все вместе, эти шаги приводят к будущему без углекислого газа, полностью работающему на возобновляемых источниках энергии. Это «Смена энергии», в которой жизненно нуждается планета.