Девять тезисов и постскриптум про водород

Об истории водородной энергетики, ее перспективах и целесообразности для России – коллеги из МЭИ продолжают начатую дискуссию.

 

Сергей БЕЛОБОРОДОВ, к.т.н., НП «Энергоэффективный город», Москва
Евгений ГАШО, д.т.н., НИУ «МЭИ», Москва

 

1.Применение водорода в энергетике насчитывает более 100 лет, а первые промышленные образцы топливных элементов были созданы более 70 лет назад. Однако, водородная энергетика до настоящего времени не получила широкого развития. Основным тормозом к применению водорода в энергетике является то, что для получения водорода расходуется больше энергии, чем выделяется при его использовании. Ожидается, что эффективность цикла на базе электролиза воды достигнет 68% к 2025 году. С энергетической точки зрения данный процесс не имеет смысла, а стоимость электроэнергии (тепла), получаемых в результате использования водорода, не может быть меньше или равна стоимости электроэнергии на входе в процесс электролиза. Поэтому, водород необходимо рассматривать как продукт, для получения которого необходимо затратить энергию. Использование процесса получения водорода в результате электролиза может быть интересно с точки зрения обеспечения надёжности и эффективности функционирования электроэнергетической системы. Потребление электроэнергии электролизёрами может реагировать на изменение баланса производства и потребления электроэнергии в энергосистеме в результате малой предсказуемости выработки ВЭС и СЭС. В данном случае водород становится источником хранения возобновляемой электроэнергии. И как накопитель энергии водород в принципе может конкурировать с другими типами накопителей.

2.В соответствии со стратегией Европейского союза в период с 2020 года по 2024 год планируется ввести в эксплуатацию не менее 6ГВт электролизёров и произвести до 1 млн тонн «возобновляемого» водорода (“Возобновляемый водород” – это водород, получаемый в результате электролиза воды (в электролизере, работающем на электричестве) и при помощи электричества, получаемого из возобновляемых источников. Возобновляемый водород также может быть получен путем риформинга биогаза (вместо природного газа) или биохимической конверсии биомассы). К 2030 году установленная мощность электролизёров должна превышать 40 ГВт, а производство возобновляемого водорода за период с 2025 по 2029 год составить 10 млн тонн. Среднегодовое значение коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) электролизёров за период с 2020 по 2024 год составит не менее 37,2% или 3266 часов, а для периода с 2025 года по 2029 год – не менее 56% или 4900 часов. Среднегодовые значения КИУМ ВЭС и СЭС в энергосистеме Европейского союза (28 стран) за период с 2010 по 2017 год не превышали 21%. Таким образом, заложенный в стратегию КИУМ электролизёров превышает КИУМ ВЭС и СЭС.

3.Даже с учётом развития технологий ВИЭ (Prof. P. Capros, E. Dimopoulou, S. Evangelopoulou, T. Fotiou, M. Kannavou, P. Siskos, G. Zazias (E3Modelling), Louise De Vos, Ali Dadkhah, Guillaume Dekelver (Tractebel) «Technology pathways in decarbonisation scenarios» // Study, Directorate-General for Energy Internal Energy Market, European Commission, Brussels – July 2018) прогнозные значения КИУМ ВЭС и СЭС к 2030 году не обеспечат загрузку электролизёров с КИУМ больше 37% ни в каких вариантах непосредственного подключения электролизёров к ветровым и солнечным электростанциям, ни при работе в энергосистеме для покрытия неравномерности выработки ВИЭ. Это значит, что для получения возобновляемого водорода на период до 2030 года процесс электролиза воды не будет являться основным, либо участие электролизёров в введении электрических режимов в энергосистеме Европейского союза в рассматриваемый период будет очень ограничено.

4.Посмотрим на электроэнергетику Германии под этим углом зрения амбициозных планов по внедрению ВИЭ. В соответствии с энергетической стратегией предполагается рост доли ВИЭ в балансе электрической энергии до 35% к 2020 году, 50% к 2030, 65% к 2040 и 80% к 2050 году.

Рисунок 1. Прогноз выработки ВИЭ для достижения 65% доли в потреблении электроэнергии в энергосистеме Германии

  1. – потребление в энергосистеме;
  2. – среднемесячная выработка ВИЭ;
  3. – максимальная выработка ВИЭ;
  4. – минимальная выработка ВИЭ.

На рисунке 1 представлен прогноз суточных графиков производства электроэнергии ВИЭ при достижении доли ВИЭ 65% в потреблении электроэнергии в энергосистеме Германии. Электрические режимы электростанций сильно отличаются для декабря и июня, месяцев с разной солнечной активностью, разной долей СЭС в балансе электрической энергии. В дни с максимальной выработкой электрической энергии производство электроэнергии будет значительно превышать потребление, значительный объём электроэнергии не будет востребован в энергосистеме Германии. В настоящее время в дни с максимальной выработкой электроэнергии ВИЭ вопросы обеспечения баланса спроса и предложения в энергосистеме Германии решаются за счёт экспорта электроэнергии в энергосистемы сопредельных государств.

5.Развитие ВИЭ создаёт проблемы ведения электрических режимов в энергосистеме Европейского союза. С целью обеспечения необходимого баланса производства и потребления электроэнергии в Европейском союзе реализуются программы развития систем накопителей. В таблице 1 представлена структура накопителей энергии в энергосистеме Европейского союза для прогнозов на 2030 и 2050 годы. К 2030 году основной вклад в обеспечение электрических режимов будут вносить парогазовые и газотурбинные технологии. Доля ПГУ и ГТУ составит 76,3%, а доля накопителей 23,7% (батареи -14,7% и ГАЭС – 9%). В соответствии с прогнозом к 2030 году вклад электролизёров будет равняться нулю, так как к этому времени только ожидается появление электролизёров, способных работать в режимах с изменением потребления электрической энергии в реальном времени в соответствии с энергетическим балансом. К 2050 году вклад электролизёров в обеспечение электрических режимов будет доминирующим. Прогнозируемая установленная мощность электролизёров составит 537-560 ГВт, а их доля превысит 68%. Необходимо отметить, что доля ПГУ снижается с 62,5% в 2030 году до 2,8-4,0% в 2050 году. Ожидается снижение КИУМ газовой генерации c 25% в 2030 году до менее 5% в 2050 году.

Таблица 1. Прогноз объёма пиковой генерации и накопителей энергии в ЕС

METIS-Baseline – текущая согласованная политика; METIS-1.5C – ограничение роста глобальной среднегодовой температуры на планете к 2100 году не более чем на 1,5°С от доиндустриального уровня; METIS-2C-Р2X – ограничение роста глобальной среднегодовой температуры на планете к 2100 году не более чем на 2°С.

Источник: “Study on energy storage – Contribution to the security of the electricity supply in Europe” // Christopher Andrey, Paul Barberi and etc., Final report, Directorate-General for Energy Internal Energy Market, European Commission, Brussels – March 2020

 

6.Стоимость производства водорода определяется величиной капитальных и эксплуатационных расходов и стоимостью электроэнергии. Загрузка электролизёров сильно влияет на стоимость производства водорода. Снижение стоимости водорода, получаемого в процессе электролиза воды, может быть достигнуто снижением цены электрической энергии, ростом КИУМ электролизёра, снижением стоимости электролизёров. Снижение стоимости производства электролизёров может обеспечено за счёт роста серийности производства. Инициатива “2х40 ГВт” имеет целью содействие массовому увеличению производства электролизеров. В соответствии с инициативой предполагается половину электролизёров (40ГВт) установить в ЕС, а другую половину (40ГВт) в Украине и странах северной Африки. Таким образом, рост серийности производства планируется обеспечить за счёт экспорта оборудования. В 2040 году среднее значение доли ВИЭ в потреблении электроэнергии составит 65%. В рамках существующей модели рынка стоимость электрической энергии также будет регулярно принимать отрицательные значения. В настоящее время, учитывая наличие специальных обязательных платежей потребителей по поддержке развития ВИЭ, основной экономический ущерб от формирования на рынке отрицательных цен несут тепловые и атомные электростанции.

7.Низкие и отрицательные цены электрической энергии не позволяют обеспечить окупаемость инвестиций в строительство солнечных и ветровых электростанций при отказе от специальных обязательных платежей потребителей по поддержке развития ВИЭ. Необходимо отметить, что отрицательные цены оказывают позитивное влияние на окупаемость накопителей энергии. Чем ниже цена, тем лучше экономика накопителей. Рост цены электрической энергии ухудшает экономику накопителей, снижает их инвестиционную привлекательность. Стоимость водорода для периодов с отрицательной ценой электроэнергии будет значительно ниже, и может сравняться со стоимостью производства водорода на базе природного газа и угля.

Электролизёры, потребляя электроэнергию в часы максимума производства ВИЭ, с одной стороны оказывают услугу энергосистеме, потребляя избыточную невостребованную энергию, с другой повышают рыночную цену электроэнергии, что может поставить вопрос о гарантиях окупаемости внедрения электролизёров. Следовательно, услуги электролизёров по ведению режимов в энергосистеме должны иметь гарантированную оплату рынком, что будет означать рост стоимости электроэнергии для конечных потребителей.

Водородная стратегия как раз и является попыткой ЕС совместить решения весьма непростых задач и еще при сохранении конкурентоспособности экономики ЕС:

  • одновременное активное строительства ВИЭ и накопителей энергии;
  • решение проблем дефицита ископаемых энергоресурсов на территории ЕС;
  • решение проблемы с надёжностью функционирования электроэнергетической системы.

 

8.В последние месяцы активно обсуждается необходимость для Российской Федерации следовать в новом зарубежном тренде водородной экономики. К сожалению, имеют место исключительно декларативные заявления без анализа последствий и влияния на конкурентоспособность отечественных товаров и услуг как на внешних, так и внутреннем рынках. Как и в случае с Европейским союзом, Российская Федерация имеет право рассчитывать, что при реализации программы водородной энергетики будет обеспечена конкурентоспособность российской экономики, будут создаваться новые рабочие места. Естественно, производство зелёного водорода в процессе электролиза с использованием электроэнергии, вырабатываемой ветровыми и солнечными электростанциями делает экономику РФ неконкурентоспособной. Как можно всерьез ожидать роста энергетической или экологической эффективности в интеграции не самых эффективных (в том числе по EROEI) технологий? (EROEI – energy returned on energy invested – энергетическая рентабельность технологий добычи энергии (отношение добытой энергии к энергии, потраченной на ее разведку и добычу). Важно отметить, что Российская Федерация обладает огромным опытом разработки и реализации комплексных программ развития. Ровно сто лет назад был разработан и принят план ГОЭЛРО, включающий комплексную программу развития генерирующих мощностей, промышленных предприятий, подготовку кадров, научно-исследовательские работы, вопросы повышения топливной эффективности, вопросы финансирования. Научные основы проектирования энергетических систем были заложены советскими (российскими) учёными ещё в прошлом веке. Вопросы горизонтальной интеграции энергетических систем разрабатывались в конце 70-х годов прошлого века международной научной группой, в том числе с участием советских учёных. К сожалению, после запуска рынка электрической энергии в 2003 году, при проектировании развития электроэнергетической системы РФ отечественный опыт практически не используется, а в основном идёт простое копирование модных зарубежных тенденций без учёта их применимости для отечественной экономики.

9.Самые эффективные в этом ракурсе атомно-водородные технологии (получение водорода с помощью ВТГР, термохимия и опреснение воды, промышленные энерготехнологические комплексы) довольно активно развивались в СССР под руководством академиков В.А.Легасова, Н.Пономарева-Степного, в самом конце 80-х годов, но после Чернобыля и распада страны конечно, что-то забыто, что-то отправлено в архивы и ждет лучших времен. Отметим, что далеко не все из этих публикаций «оцифрованы» и есть в сети. Вполне возможно, наступает время активного возвращения разноплановых советских разработок в реальную практику. А реальных практических задач немало.

Мы попытались в простой табличке сопоставить ожидаемые «плюсы» и «минусы» надежд активного использования водорода в энергопромышленном комплексе в самом общем виде – для широкого читателя – смотрите сами.

Таблица 2. Сопоставление «надежд» и реалий перехода к массовому использования водорода в энергетике и промышленности

 

PS. «Внезапное возникновение» в МЭИ факультета водородных технологий не вполне внезапно и спонтанно. На нашем факультете «промышленной теплоэнергетики» издавна существовала кафедра электрохимической энергетики, с 1974 года она выпускает соответствующих энергетиков. Электрохимия – это в том числе топливные элементы. Хорошо помним, как в середине 80-х аспиранты и преподаватели этой кафедры увлеченно говорили, что через 5-10 лет топливные элементы будут работать не только в космосе и на «Буране», но и в наших квартирах и везде. Они говорили абсолютно уверенно и искренне, написаны неплохие книги и учебники. Только прошло треть века с тех пор – см. тезис №1.

В 2000-м году факультет промтеплоэнергетики МЭИ обрел новое модное название – Институт проблем энергетической эффективности. Проблемы за 20 лет практически решены))) Пора переходить на следующую ступень развития. Только это значит – не противопоставление С и Н2, а гибридные установки разной мощности в труднодоступных и удаленных поселениях, новые энергетические инфраструктуры в Сибири, на северах и СМП, тригенерация и централизованное хладоснабжение в южных мегаполисах, встраивание ВИЭ-источников, топливных элементов в комбинированные системы. Рутинная инженерная и научная работа, а не очередная религия или фэнтэзи. Но рутина скучна, а так хочется светлых и добрых сказок, особенно в Новогодние дни.

 

ЕВита советует прочитать:

Евгений Гашо. Энергия и Вера

 

Дискуссия в канале Hydrogen по-русски

1 thought on “Девять тезисов и постскриптум про водород

  1. Вопрос старый, классический – за чей счет банкет и для кого? Что за счет населения, понятно. Для кого? Три цитаты.
    1. Данная статья: «…услуги электролизёров по ведению режимов в энергосистеме должны иметь гарантированную оплату рынком, что будет означать рост стоимости электроэнергии для конечных потребителей..»
    2. Ведомости и пр.: «… Ключевой пункт нового плана Чубайса – создание системы торгов зеленой энергией, которая сделает выгодной строительство электростанций на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ)… Подтверждение зеленого электропотребления при экспорте возможно в рамках зеленых сертификатов…».
    3. Классики: «…Что может быть проще! Мы будем продавать открытки с видами строительства, и это принесет те средства, в которых так нуждается постройка. Запомните: вы ничего не будете давать, вы будете только получать…»

    Если в результате новые технологии и чистый воздух – я двумя руками «за». Если только «зеленые ваучеры» – против.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.