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.