Вызов будущего — сбалансированное обеспечение «зелёной» энергией

Владимир Кириченко — коммерческий директор ООО «Альфа Балт Инжиниринг»

Компания «Альфа Балт Инжиниринг» активно использует все новейшие экологические разработки в процессе производства источников электроэнергии на базе дизельных электростанций, ветрогенераторов и газопоршневых установок.

На сегодняшний день из традиционных технологий производства электроэнергии при сжигании ископаемого топлива газопоршневые и газотурбинные электростанции комбинированного цикла являются самым экологичным вариантом. Использование ГПУ, работающих на природном газе, вместо угольных электростанций снижает удельные выбросы СО₂ на 25–50 %.^>1

Газовый двигатель mtu Series 4000 производства Rolls-Royce Power Systems AG 

Углеродная нейтральность становится ключевой целью на мировой арене, в частности Европейский союз планирует достичь углеродной нейтральности к 2050 году, но переход на производство электроэнергии на природном газе и повышение КПД электростанций — это только первые шаги.

На сегодняшний день доказано, что смешивание природного газа и водорода может существенно снизить выбросы углекислого газа. Для водородных топливных смесей зависимость между сокращением СО₂ и содержанием водорода является нелинейной. Уровень выбросов углекислого газа зависит от объёмного содержания водорода в топливе.

В долгосрочной перспективе замена природного газа водородом приведёт к нейтральному содержанию углерода в выхлопных газах, поскольку при сжигании водорода не образуется СО2.

Поэтапная замена природного газа водородом в перспективе означает, что инвестиции в газовые электростанции будут окупаться, так как смешивание водорода и природного газа для работы ГПУ, ГТУ обеспечит соблюдение жёстких экологических норм.

Но с повышением требований по защите климата, экологических норм, всё быстрее набирает обороты технология топливных элементов. Когда речь идет об оптимальном использовании возобновляемых источников энергии для производства экологически чистой электроэнергии, топливные ячейки являются лидерами по сравнению с другими типами систем, что ведет к расширению их применения в различных областях. Уже сегодня топливные элементы могут использоваться для эффективного энергоснабжения стационарных автономных объектов, а также для питания наземных транспортных средств и судов.

Важнейшее преимущество водородных топливных элементов заключается в том, что при использовании «зеленого водорода» выбросы СО₂, будь то от судов или стационарных электростанций, снижаются до нуля.

Газопоршневая установка БКЭМ «НОРД» в контейнере произодства ООО «Альфа Балт Инжиниринг». Газовый двигатель mtu Series 4000 производства Rolls-Royce Power Systems AG

Альфа Балт Инжиниринг является партнёром одной из ведущих компаний разработчиков системы топливных элементов Rolls-Royce Power Systems AG.

Силами недавно созданного подразделения «Power Lab» в Rolls-Royce Power Systems создаются и развиваются будущие технологии для морского и инфраструктурного секторов. В центре внимания находятся системы топливных элементов, а также производство и использование синтетического топлива. Цель подразделения состоит в том, чтобы активно развивать востребованные рынком технологические тренды, добавляя в портфель компании новые климатически нейтральные энергетические и двигательные решения.

Потенциал технологии топливных ячеек и применения водорода для хранения энергии очень высок. Вескими аргументами в пользу использования и продвижения этой технологии являются надежность, масштабируемость и возможность интеграции возобновляемыми источниками энергии. Благодаря модульной конструкции энергетические системы на базе топливных ячеек легко адаптируются под запросы потребителей, а низкие эксплуатационные расходы делают решения на их базе экономически привлекательными. Технология топливных элементов готова к выходу на рынок и пригодна для коммерческого использования.

Рассматривается применение стационарных водородных энергоустановок для получения электроэнергии на отдельных предприятиях, в отелях, жилых домах, больницах и других объектах. Это будет способствовать децентрализации большой энергетики, замене ими городских ТЭС, АЭС. Для выработки электроэнергии могут использоваться как паротурбинные установки, так и ЭХГ на топливных элементах. Децентрализация позволит не только более сбалансировано обеспечивать энергией потребителей, но и избавиться от многих бед, связанных с протяженными энергосетями.

Одной из проблем большой энергетики является суточная неравномерность потребления электроэнергии. Водород — единственный универсальный энергоноситель, который может аккумулировать и конвертировать электроэнергию в больших объемах. Поэтому сглаживание графика пиковых нагрузок может быть достигнуто с помощью водородных блоков, устанавливаемых на крупных ТЭС, АЭС. Затраты в сотни миллионов долларов на строительство специальных гидроаккумулирующих электростанций могут быть направлены на модернизацию и повышение эффективности работы действующих энергообъектов.

Применение водородных блоков на установках ВИЭ позволяет накапливать электроэнергию в периоды отсутствия ветра, солнца или других возобновляемых источников электроэнергии. В отличие от кислорода водород практически не встречается на земле в чистом виде и поэтому извлекается из других соединений с помощью различных химических методов.

Схематичный принцип работы топливных элементов PEM

По этим методам полученный водород разделяют на цветовые градации.
Зеленый — производится из возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого: вода, электролизер и электроэнергия из возобновляемых источников.
Голубой — производится из природного газа, а вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее идеально чистым этот метод не назовешь.
Розовый или красный — произведенный при помощи атомной энергии.
Серый — водород получают путем  конверсии метана. При его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.
Коричневый — водород получают в результате газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы.

Еще существуют технологии получения биоводорода из мусора и этанола, но её доля чрезвычайно мала.

Топливные ячейки — ключевой компонент энергетической революции

Топливные ячейки работают иначе, чем двигатели внутреннего сгорания и энергетические системы на их базе. Они преобразуют химическую энергию топлива непосредственно в электричество. Такое преобразование более эффективно, чем у двигателей внутреннего сгорания, так как устраняются промежуточные термомеханические ступени, необходимые для классического преобразования энергии. Максимальная полезность проявляется, когда в качестве топлива используется регенерированный водород, поскольку он позволяет свести к нулю выбросы загрязняющих веществ. Благодаря этому, топливные ячейки обладают огромным потенциалом, чтобы стать важным технологическим компонентом для декарбонизации энергетических и приводных систем.

PEM — топливная ячейка

PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) — топливный элемент с полимерной мембраной. В качестве электролита в таких топливных элементах используется полимерная мембрана. Восстанови телем выступает чистый водород, причем максимально допустимая доля примесей окиси углерода — 10–100 мг/кг. Топливные элементы PEM обладают высоким выходом мощности — 0,7 В на ячейку мембраны.

В настоящее время РЕМ представляет собой наиболее перспективную технологию топливных ячеек. Этот тип ячеек обладает высокой плотностью мощности, позволяющей даже небольшим агрегатам достигать значительной производительности. Рабочая температура PEM ячеек составляет около 100 °С, что представляет минимальную опасность для людей и оборудования, в то время как высокотемпературные топливные ячейки работают при 250–1000 °C. В отличие от других типов, PEM-элементы имеют хорошие нагрузочные характеристики, позволяющие быстро реагировать на изменения потребления мощности. Одним из важнейших преимуществ топливных элементов PEM является их высокая электрическая эффективность, особенно при частичной нагрузке. PEM обычно работают на водородном топливе, однако могут работать на широком спектре углеводородных топливных элементах, например метаноле, дизельном топливе или природном газе. Это достигается путем использования хорошо известных методов риформинга для превращения их в водород. Все вышеперечисленное дает топливным элементам PEM очень широкую область применения.

Газовый двигатель mtu Series 500 производства Rolls-Royce Power Systems AG

Как работает топливная ячейка (топливный элемент) PEM

Топливная ячейка — это гальванический элемент, внутри которого протекает электрохимическая реакция между топливом и окислителем (обычно воздух) с выработкой электричества и выделением отработанных газов. Ячейка работает без шума и практически без вибраций. Подобно аккумуляторным батареям, топливные элементы генерируют постоянный ток. Однако, в отличие от аккумуляторов, топливные элементы требуют постоянного притока топлива и окислителя.

В топливных элементах PEM между электродами (анодом и катодом) происходит химический процесс, в котором положительные ионы (протоны) мигрируют от анода к катоду, а электроны проходят снаружи, через электрический проводник, так же от анода к катоду. Продуктом химического процесса является электрическая энергия. Электроды покрыты платиновым или палладиевым катализатором и отделены друг от друга электролитом. Электролит состоит из ионопроводящей мембраны, и важно, чтобы эта мембрана была проницаемой для протонов и непроницаемой для электронов.

Название «Полимерно-электролитный мембранный топливный элемент» указывает на то, что мембрана является ключевой составляющей данного топливного элемента. Корпус ячейки обычно делается из пластика. Водонасыщенная полимерная мембрана, которая служит электролитом, позволяет только протонам проходить от анода к катоду. Вода в составе мембраны необходима для обеспечения ионной проводимости и ограничения рабочей температуры не более 100 °C. Количество драгоценных металлов, например платины, необходимое для обеспечения химической реакции, в последние годы неуклонно сокращается, что ведет к снижению цены топливных элементов.

Благодаря высокой плотности мощности, масштабируемости и модульной конструкции топливные элементы PEM идеально подходят для применения в энергетических системах Rolls-Royce. Топливные элементы могут быть внедрены в системы, работающие от аккумуляторов или от классических источников электроэнергии: дизельных и газовых электрогенераторов, внешней сети. Ячейки обладают высокой электрической эффективностью (около 50 %) и высокой энергетической плотностью (соотношение размера и производительности), а также совершенно безопасны в использовании. Это делает их пригодными для использования не только в качестве стационарного источника питания — скажем, в виде аварийного генератора или источника бесперебойного питания, — но и для мобильного применения, например, на борту кораблей, станциях.

Насколько безопасен водород?

Водород невидим, не имеет запаха, не токсичен, не вызывает коррозии и не опасен для воды. Он не воспламеняется сам по себе, но при смешивании с воздухом является воспламеняемым газом в широком диапазоне концентраций от 4 до 75 %. С учетом этого предъявляются повышенные требования к его производству, хранению, транспортированию и использованию. Одним из специфических свойств водорода является высокая летучесть, которая является преимуществом, так как риск воспламенения быстро уменьшается за счет быстрого снижения концентрации. Потенциальная опасность водорода сравнима с опасностью природного газа. Меры предосторожности разработаны соответствующим образом, и обращение с водородом регулируется набором стандартов.

Без кислорода водород не взрывоопасен. Поэтому, хранение в резервуарах само по себе не опасно. Предохранительные клапаны хранилищ настраиваются таким образом, чтобы стравливаемый водород улетучивался, не образуя опасной концентрации. При необходимости, стравливаемый водород может быть воспламенен, не вызывая взрыва.

Чтобы еще больше увеличить плотность мощности, современные системы на базе топливных элементов оборудуются воздушными компрессорами или электрическими турбокомпрессорами. Как и в случае с двигателями внутреннего сгорания, компрессоры нагнетают воздух в воздушную систему под давлением от 2 до 3 бар. Несколько отдельных топливных элементов могут быть соединены последовательно, образуя стек, тем самым увеличивая напряжение на выходе. Для достижения большей силы тока ячейки могут быть соединены параллельно.

При развитии и внедрении технологии топливных элементов компания RollsRoyce Power Systems опирается на глубокие знания и многолетний опыт. В период с 1999 по 2011 год силами компании были установлены и успешно эксплуатировалось в различных областях применения 26 высокотемпературных топливных элементов (MCFCs). Средняя наработка систем составила около 22 тыс. часов. Все рабочие параметры элементов были записаны и проанализированы.

Модель генерации энергии на основе водорода

Рыночные условия и тренды того времени не позволили запустить массовое производство топливных элементов, теперь же все огни горят зеленым светом для внедрения топливных элементов PEM в массовый рынок в качестве альтернативного источника энергии.

Основные преимущества топливных элементов:

• высокая электрическая эффективность, составляющая около 50 %, что выше, чем у дизельных генераторных установок, эффективность которых составляет около 40 %;
• при работе на водороде ячейки не производят никаких выбросов, кроме водяного пара — ни углекислого газа, ни оксидов азота, ни сажи; отсутствие шума и вибрации;
• высокая надежность и минимальная потребность в обслуживании, обусловленная отсутствием движущихся частей;
• технология идеально подходит для питания удаленных и мобильных объектов с высокими требованиями к мощности и непрерывности работы;
• экологически чистая технология обеспечивающая возможность работы на регенерированном водороде.

Варианты использования

Одним из перспективных направлений использования топливных ячеек является обеспечение безотказной работы центров обработки данных, ЦОД. Центры обработки данных являются частью глобальной инфраструктуры, обеспечивающей работу больниц, аэропортов, телекоммуникационных систем. Безотказная работа критически важна для поддержания привычного нам качества жизни. В настоящее время аварийное энергообеспечение дата-центров обеспечивается дизельными электростанциями, которые автоматически запускаются и принимают нагрузку в случае сбоев в работе внешней сети. Аварийные ДЭС, изготовленные Альфа Балт Инжиниринг на базе дизельгенераторов mtu, отвечают самым высоким стандартам экологичности отработавших газов и обеспечивают эталонную надежность, тем не менее, сжигание ископаемого топлива (дизельного топлива) неизбежно приводит к выбросам выхлопных газов.

В случае использования в качестве резервных источников энергии топливных элементов, которые могут заменить ИБП и дизельные электростанции, выделяются только тепло и влажный воздух. Система топливных элементов не имеет движущихся частей, что сводит к минимуму возможность поломки и требования к обслуживанию. Топливные элементы также выигрывают по энергоэффективности. В то время как в двигателе внутреннего сгорания механическая энергия преобразуется в электричество с помощью отдельного генератора, топливный элемент вырабатывает электроэнергию без какого-либо дополнительного оборудования. Системы на базе топливных элементов можно легко масштабировать. Больше модулей означает больше мощности. Системы топливных элементов могут расти вместе с центром обработки данных.

Представленный далее сценарий демонстрирует использование топливных элементов в качестве неотъемлемой части центра обработки данных с нулевым выбросом углерода и загрязняющих веществ.

В будущем основные потребности центров обработки данных в электроэнергии могут покрываться возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечные батареи и ветровые электростанции. Резервное и пиковое энергообеспечение может осуществлять топливными элементами, работающими на водороде.

При наличии избыточного количества электричества от возобновляемых источников, водород можно будет получать из воды путем электролиза и хранить его на месте выработки. Также возможен вариант, когда потребность топливных элементов в водороде будет покрываться внешней распределительной сетью (водородная сеть), которая будет создана в будущем. В случае сбоя работы внешней сети топливные элементы немедленно включатся в работу и предотвратят сбой в работе центра обработки данных.

Экономичность топливных элементов может быть дополнительно повышена в будущем за счет хранения излишков произведенной электроэнергии и использования ее в пиковые периоды нагрузки.

Альтернативным вариантом является подача от 20 до 30 % вырабатываемой электроэнергии в сеть и, таким образом, получение выгоды от распределенного тарифа подачи. В дополнение к экономической выгоде это снизит давление на общую сеть.

В результате вышеизложенной информации предприятие принимает решение о планируемом варианте генерации энергии на объекте для производства и определяется с инвестиционным планом на 5–10 лет.

^{>1  Ориентировочные показатели уровня эмиссии СО2: угольные ТЭЦ — 750–1000 г/кВт·ч; ГТЭС простого цикла при работе на 100 %-м природном газе — 490–565 г/кВт·ч.}

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 3 (57)/сентябрь 2022 г.