Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

ВОДОРОД – ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ БУДУЩЕГО

Петрова А.Н. 1 Бондаренко С.И. 1 Самаркина Е.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет»
1. Amerkhanov, R.A. Concerning the concept of constructing combined ups systems / R.A. Amerkhanov, O.V. Grigorash, K.A. Garkaviy, A.V. Bogdan, V.V. Tropin // Journal of Industrial Pollution Control. 2017. – V. 33. – №. 1. – p. 797-803.
2. MZ Jacobson, MA Delucchi, ZAF Bauer, SC Goodman, WE Chapman. 100% clean and renewable wind, water, and sunlight all-sector energy roadmaps for 139 countries of the world. 2018. – Joule 1 (1). – p. 108-121.
3. Макаршин Л. Л. Освоение новых источников энергии // Экологический вестник России. 2014. – N 1. - С. 24-26.
4. СНиП 23-01-99. Строительные нормы и правила российской федерации «Строительная климатология». Москва. – 2003.
5. Кулешов Н.В., Григорьев С.А., Фатеев В.Н. Электрохимические технологии в водородной энергетике. Москва: Издательский дом МЭИ, 2007. – 115 с.

В настоящее время, согласно Государственной программе РФ «Энергоэффективность и развитие энергетики», одной из приоритетных задач в области энергетики является энергосбережение и повышение энергетической эффективности промышленного производства. Быстрый рост мирового потребления энергоресурсов, уменьшение запасов традиционных источников энергии, ухудшение состояния окружающей среды и увеличение стоимости электроэнергии заставляют искать пути сокращения ее потребления и возможных технологий с использованием альтернативных (возобновляемых) источников. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) ? это источники, которые по человеческим масштабам считаются неисчерпаемыми. Главный принцип использования ВИЭ заключается в извлечении её из постоянно происходящих процессов и использования для потребностей человека. Одним из видов альтернативной и возобновляемой энергетики является водородная энергетика.

Водород является уникальным энергоносителем и за счет процессов прямого электрохимического преобразования энергии в электролизерах и топливных элементах. Он может применяться для аккумулирования электрической энергии. Вода является подходящим элементом системы водородного накопления энергии. При этом процесс аккумулирования энергии не сопровождается выделением вредных веществ и является экологически чистым [1].

В настоящее время водород производится, в основном, для технологических целей. Мировое производство водорода составляет около 520 млрд. м3/год и используется только как технологический продукт в промышленности, при производстве аммиачных удобрений, синтетических материалов, стекла, металлов, продуктов питания [2].

Цель проведенных исследований состоит в рассмотрении систем хранения водорода, расчёте систем электроснабжения от автономной электростанции с использованием водородной энергетики для предприятия, расположенного в г. Владивосток с нагрузкой 30 МВт, и сравнение полученных данных с питанием предприятия от единой энергосистемы.

Источники возобновляемой энергии генерируют излишки электрической энергии, которая может быть переведена в водород с помощью процесса электролиза воды, накоплена в системе хранения водорода, а затем отдана потребителю с помощью топливных элементов. Производимый водород необходимо хранить для дальнейшего его использования. Для обратимого хранения водорода существуют несколько возможностей:

a) Хранение жидкого водорода при низких температурах;

b) Хранение водорода в гидридах металлов;

c) Хранение газообразного водорода под давлением.

Эффективность систем хранения жидкого водорода характеризуется массовым коэффициентом (отношение массы водорода к массе водорода и системы хранения в процентах), равным 20%, а также удельной плотностью водорода 0,071 г/см3. Однако, сам процесс перевода водорода в жидкое состояние требует расхода около трети, заложенной в нем энергии, что требует существенных материальных затрат. Поэтому, криогенное хранение водорода становится эффективным лишь для специальных целей (космическая техника и глубоководная техника, специальный транспорт).

Водород растворяется в таких металлах как, палладий, никель, магний, железо, титан, ванадий. Эта особенность используется для создания систем его хранения в виде металлогидрида. Вместе с тем, следует учитывать, что водород самый легкий и текучий газ.

Для создания системы хранения водорода в сжатом виде с хорошими массогабаритными характеристиками необходимо использовать высокое давление, и, соответственно, требования к герметичности элементов таких систем предъявляются существенно более высокие.

На рис. 1 представлено сравнение стоимости современных систем хранения водорода. Для расчета принята наиболее экономную систему хранения с использованием жидкого раствора борогидрида натрия (SBH), цена $5/кВт×ч. Самым главным недостатком данной системы является е? большой удельный вес, что не является проблемой для неподвижной системы.

Огромный потенциал возобновляемых источников энергии, снижение стоимости технологий солнечной и ветровой энергетики, является хорошей предпосылкой для получения в будущем дешевого водорода, получаемого за счет электролиза воды. Таким образом, может появиться энергоноситель, использование которого не будет приводить к выбросам в атмосферу парникового газа, а также токсичных продуктов, как в случае сжигания органического топлива (монооксид углерода, оксид азота, углеводород) [3].

Рисунок 1- Сравнение стоимости систем хранения водорода

Для аккумулирования энергии в системах на основе водородного цикла в электролизере происходит разложение воды на водород и кислород, которые хранятся затем в баллонах высокого давления и преобразуются в электроэнергию в топливном элементе. Преимущество такой системы аккумулирования – возможность достижения высокой энергоемкости, а недостаток – относительно низкий к.п.д., не превышающий 40 %.

Электрическая энергия вырабатывается на солнечных фотоэлектрических станциях (СФЭС), совмещенных с ветровой электростанцией (ВЭС) и передается потребителям, где осуществляется её использование в светлое время суток, а также идёт накопление энергии в водороде за счет его производства в электролизной установке (ЭУ). Далее осуществляется централизованная генерация энергии в топливных элементах (ТЭ) для энергоснабжения в темное время суток и сезоны с дефицитом солнечной радиации (рис. 2).

В работе рассматривалась возможность замены на производственном предприятии дуговых сталеплавильных печей (ДСП) на плавильные газовые печи (ПГП), использующие водород в качестве топлива (рис. 3,4). Использование водорода, в качестве топлива для плавильных печей позволит в короткие сроки включать и выключать печи по необходимости. График нагрузки, в котором 8 часов в сутки работают на полную мощность 4 ПГП, аналог ДСП мощностью 2800 кВт, и 5 часов 2 ПГП, представлен на рисунке 4.

Допускается возможность разброса нагрузки на 10% - в сутки и на 20% - в час.

Рисунок 2 - Схема электроснабжения, смоделированная в программе Hоmer Рrо 3.8.7

Рисунок 3 - График водородной нагрузки для ПГП (в среднем 2940 кг/сут)

Рисунок 4 - График электрической нагрузки (в среднем – 346 МВт×ч/сут)

В результате многочисленных итераций, проведенных в программе Hоmer Рrо 3.8.7, удалось найти оптимальный вариант комплектации электростанции: СФЭС – 115 000 кВт, ВГ – 8 800 кВт, ТЭ – 22 000 кВт, электролизер – 90 000 кВт, система хранения водорода – 280 т., инвертор – 22 000 кВт - и произвести сравнение вариантов электроснабжения предприятия от автономной электростанции, работающей на ВИЭ (вариант 1), и от ЕЭС (вариант 2), с учётом средней цены за 1 кВт×ч за 25 лет – $0,126 и капитальных затрат – $312 млн.

Суммарные затраты на элементы системы электроснабжения по 1 варианту (Соnverter; Eleсtоlуzer; Fuel Сell; H2Tаnk; РV; WT) составили $298 млн., при этом около 45% затрат приходится на фотоэлектрические модули.

Сравнение потребления и выработки мощности на ФЭ модулях, ТЭ и ВГ, показало, что примерно половина мощности ТЭ задействована для обеспечения питания цехов в неосвещаемое время суток и бесперебойное питание потребителей 1-й и 2-й категории. В то время, как оставшаяся часть ТЭ включается при необходимости в вечернее время и периоды полного отсутствия солнца или ветра. Полная мощность ТЭ позволяет заводу работать без задержки производственного процесса. В периоды избытка энергии, получаемой от солнца и ветра, она запасается в водороде при помощи электролиза воды [5].

Таким образом, в результате расчетов автономной электростанции, работающей на ВИЭ, в программе Hоmer Рrо 3.8.7 для г. Владивосток, можно сделать вывод о том, что затраты на покупку электроэнергии от единой энергосистемы несколько меньше, чем питание предприятия от ВИЭ. Однако это сопоставимо с капитальными затратами производства автономной электростанции, работающей на ВИЭ. При этом очевидно, что в ближайшем будущем ожидается снижение цен на оборудование ВИЭ. Следовательно, актуальность проведённой работы, а также необходимость дальнейших исследований в этом направлении подчеркивается неуклонным снижением цены на технологии, качественными её улучшениями, экологическими факторами, а также увеличивающимися ценами на электроэнергию, получаемую от традиционных источников энергии. Анализ проведенных исследований показывает высокую эффективность использования водородного аккумулирования энергии.


Библиографическая ссылка

Петрова А.Н., Бондаренко С.И., Самаркина Е.В. ВОДОРОД – ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ БУДУЩЕГО // Международный студенческий научный вестник. – 2020. – № 3.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=20242 (дата обращения: 23.09.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074