В будущей ветряной электростанции, расположенной далеко в море, каждая отдельная ветряная турбина может иметь все необходимые системы для производства водорода на платформе, прикрепленной к башне турбины. Водород из нескольких турбин будет подаваться по трубопроводу на платформу Power-to-X, где газ будет использоваться для производства топлива, такого как метан или метанол.
Многие страны достигли своих климатических целей и находятся на пути к полной углеродной нейтральности. Ветровые и солнечные парки производят большую часть своей энергии. Тогда, как и сейчас, ветряные электростанции работали у побережий мира, но не все эти морские объекты соединены с материком подводными силовыми кабелями.
Вместо этого некоторые из ветряных электростанций расположены группами на расстоянии более 100 километров от моря. Это высокоавтоматизированные производственные острова, которые напрямую преобразуют энергию ветра в водород, а некоторые из них перерабатывают газ в топливо и другие товары. В этих кластерах ветряные турбины интегрированы с электролизерами, которые производят водород из опреснённой морской воды. Химические заводы на специальных платформах затем перерабатывают часть водорода, объединяя его с азотом для производства аммиака или с углекислым газом для производства заменителей ископаемого топлива.
Корабли регулярно причаливают к этим морским платформам для доставки сырья и вывоза произведенного топлива и товаров, но все процессы полностью автоматизированы и в значительной степени самодостаточны. Когда-нибудь даже сами корабли смогут стать автономными. Вернувшись на берег, специалисты по техническому обслуживанию поддерживают операции удаленно, и им достаточно всего несколько раз в год выходить в море, чтобы проверить оборудование и внести коррективы.
Сейчас это кажется научной фантастикой, но уже предпринимаются серьезные усилия по демонстрации технологий, необходимых для реализации этого видения. Большая часть деятельности сосредоточена в Европе , где реализуется как минимум 10 крупных морских ветровых и водородных проектов , включая демонстрационные системы, которые строятся или планируются в Северном море, Атлантике и у берегов Ирландии. Например, во Франции производитель водорода Lhyfe реализует пилотный проект под названием SEM-REV у побережья Сен-Назера, который с сентября 2022 года производит небольшое количество водорода.
Британская компания ERM планирует запустить демонстрационный проект Dolphin мощностью 10 мегаватт у берегов Абердина, Шотландия, в 2026 году. область. Дания планирует построить водородный остров, предназначенный для производства около 1 миллиона тонн водорода на море, начиная с 2030 года. А норвежская компания H2Carrier недавно получила принципиальное одобрение своей концепции плавучей производственной установки промышленного масштаба для производства зеленого аммиака в море.
В долгосрочной перспективе Калифорния, канадская провинция Новая Шотландия, Япония и Западная Австралия рассчитывают на то, что море поможет удовлетворить свои потребности в водороде.
В Siemens Energy мы работаем с консорциумом из 32 партнеров из промышленности и научных кругов над ветро-водородным проектом под названием H2Mare . Siemens Energy и Siemens Gamesa совместно инвестируют в эту технологию 120 миллионов евро. H2Mare стартовал в 2021 году и будет работать до 2025 года. К тому времени мы ожидаем протестировать морскую электролизную систему мощностью 5 МВт и полную технологическую цепочку производства топлива в объеме около 50 литров в день. Мы также ожидаем продемонстрировать жизнеспособность других ключевых концепций и систем, а также способность этих систем надежно взаимодействовать друг с другом в суровых условиях на море.
Европа серьезно относится к развитию водородной экономики
H2Mare — один из трех флагманских водородных проектов, получивших в общей сложности 700 миллионов евро от Федерального министерства образования и исследований Германии. И Германия — не единственная страна, инвестирующая в водородные технологии. Даже случайное чтение деловой прессы может убедить вас, что мир влюбился в эту молекулу. Европейский Союз одобрил финансирование промышленных проектов, связанных с водородом, на сумму более 10 миллиардов евро. Министерство энергетики США потратило более 9 миллиардов долларов США на развитие водородной экономики, причем многие из его инициатив указаны в Законе о снижении инфляции от 2022 года. В середине 2022 года Международное агентство по возобновляемым источникам энергии насчитало 32 страны, которые приняли водородные стратегии и Еще 11 готовили такие планы.
Откуда вся эта шумиха вокруг водорода? В борьбе с изменением климата многие страны обязались сократить выбросы CO 2 до чистого нуля. В отличие от сегодняшнего дня, будущее будет видеть климатически нейтральный мир, где энергия будет в основном производиться из фотоэлектрических станций, ветряных турбин и гидроэлектростанций. Но не все транспортные средства, здания и промышленные процессы, в которых сейчас используется ископаемое топливо, могут работать только на электричестве. Например, самолеты не смогут летать на большие расстояния на аккумуляторе. Кроме того, во многих случаях энергия не может быть использована в тот момент, когда она произведена, а должна храниться в течение нескольких часов или дней и передаваться через континенты или даже океаны, что в настоящее время ни экономически, ни технологически нецелесообразно.
В результате часть «зеленой» электроэнергии придется конвертировать в другие виды энергии, подходящие для конкретных применений. Эксперты называют это Power-to-X (PtX). Эти приложения, как правило, сосредоточены в трех широких секторах: транспорте, отоплении и промышленности, а также в таких сегментах, как производство и переработка. Все они достаточно энергоемки. Для обеспечения питания этих приложений потребуется электрификация этих секторов или преобразование электроэнергии в более подходящую форму с помощью PtX.
Вот тут-то и вступает в игру водород. Технология получения водорода путем электролиза воды существует уже более 200 лет. Газ может приводить в действие автомобили на топливных элементах или газовые турбины; его можно использовать непосредственно в химических процессах или конвертировать с CO 2 для производства метана, метанола и других заменителей ископаемого топлива. Если электроэнергия, используемая для производства водорода и получаемого из него топлива, поступает из возобновляемых источников, эти продукты считаются «зелеными».
Таким образом, водород смазывает колеса глобального перехода к более чистой энергии. И миру понадобится гораздо больше этого. В 2021 году мировая потребность в водороде составила 94 миллиона тонн, большая часть которого использовалась в нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Почти весь водород, производимый сегодня, имеет коричневый, черный или серый цвет, что означает, что он был получен при сжигании природного газа или угля. В результате этого процесса выделяется около 10 тонн CO 2 на тонну водорода. В будущем нам придется заменить этот грязный водород зеленым водородом, получаемым путем электролиза с использованием возобновляемой электроэнергии.
Международное энергетическое агентство прогнозирует, что в зависимости от того, насколько быстро страны будут декарбонизироваться, глобальный спрос на водород достигнет 115–130 миллионов тонн в год в 2030 году, около 30 миллионов из которых будут приходиться на производство с низким уровнем выбросов. Однако для достижения нулевых выбросов к 2050 году миру потребуется гораздо больше. По оценкам МЭА, в 2030 году это количество составит около 200 миллионов тонн водорода, половина из которых будет получена за счет производства с низким уровнем выбросов. Предстоит пройти еще долгий путь: по данным МЭА, даже 1 процент водорода, произведенного в 2021 году, а это 0,6 миллиона тонн , не имел низкого уровня выбросов.
В одной из предлагаемых конфигураций, где плавучие ветряные турбины расположены на расстоянии более 60 километров от моря, электроэнергия будет передаваться по кабелям высокого напряжения постоянного тока на электролизер на берегу.
В исследовательском консорциуме H2Mare Siemens Energy анализирует децентрализованную конфигурацию, в которой водород производится на каждой ветряной турбине. Затем газ можно будет транспортировать по трубопроводу или судном.
В централизованной конфигурации несколько морских ветряных турбин будут питать плавучую подстанцию, которая будет преобразовывать переменный ток в постоянный. Затем постоянный ток будет использоваться для производства водорода.
Почему имеет смысл добывать водород на море
Как производство водорода на море впишется в существующие планы декарбонизации? Сценарий Европейского Союза с нулевым уровнем выбросов на 2050 год уже предусматривает установленную морскую ветроэнергетическую мощность около 450 гигаватт для производства электроэнергии. (Сегодня типичная морская ветряная электростанция имеет установленную мощность около 1 ГВт; будущие фермы будут предлагать около 2 ГВт каждая.) Однако недавний анализ показал, что ЕС мог бы установить для производства водорода гораздо больше морских ветровых электростанций. сверх 450 ГВт, указанных в прогнозах чистого нуля, — возможно, на сотни гигаватт больше.
Для достижения таких целей необходимо будет строить, и строить быстро. Для производства экологически чистого водорода требуются электролизеры, солнечные и ветряные электростанции, а также чистая вода — около 10 литров на килограмм произведенного водорода. Добавьте к этому системы PtX для производства метана, метанола, синтетического электронного топлива и аммиака. Чтобы эти экологически чистые продукты были конкурентоспособными, предприятиям придется предлагать низкие затраты на производство электроэнергии и большую часть времени производить электроэнергию практически на полную мощность.
Морские ветропарки могут соответствовать обоим этим критериям. Оффшорные объекты могут позволить густонаселенным регионам, таким как Европа и Япония, генерировать хотя бы часть своего водорода рядом с прибрежными центрами спроса, тем самым сокращая транспортные расходы. Кроме того, скорость ветра в море обычно выше и устойчивее, что позволяет постоянно увеличивать производительность.
Экономия будет зависеть от нескольких факторов. В типичном сценарии энергия ветра на море будет только один раз преобразована в постоянный ток, а затем использована для электролиза воды. Водоснабжение будет буквально окружать морскую платформу — все, что нужно будет — это опреснять и очищать ее. Напротив, электроэнергия, производимая с помощью морской ветровой энергии, обычно требует многократного преобразования и передачи на большие расстояния, прежде чем она поступит в сеть или электролизер на берегу. Это процессы, которые откачивают энергию и снижают эффективность. С другой стороны, доставка водорода с моря будет проще по трубопроводу. Продукты PtX, такие как метанол и аммиак, будет даже легче транспортировать, чем водород, будь то по трубопроводу или по морю.
Ключевые вопросы, на которые ответит H2Mare
Наш проект H2Mare преследует несколько основных целей. Мы проводим детальный анализ, необходимый для окончательного определения того, будет ли экономически целесообразно и технически осуществимо производство водорода и других видов топлива на море. И если да, то как именно? Какие конфигурации, расстояния, объемы производства и т. д. будут оптимальными? Хотя мы не собираемся строить полномасштабную морскую платформу для производства PtX , мы планируем построить испытательную платформу на барже в открытом море, а также береговую испытательную установку системы электролиза.
Один из наиболее важных вопросов, на которые мы ответим: как лучше всего снабжать производственные мощности PtX в море? Для производства топлива или таких товаров, как аммиак, эти предприятия могут снабжаться либо водородом, либо электричеством; в последнем случае платформа PtX будет производить собственный водород путем электролиза опресненной морской воды. Но если установка PtX снабжается водородом с других платформ, возникает вопрос: как лучше всего производить этот газ? Вы можете производить водород на каждой ветряной турбине, а затем объединять его на объекте PtX, или вы можете объединить электроэнергию от нескольких ветряных турбин для производства водорода на отдельной платформе, а затем поставлять ее на платформу PtX. Оказывается, первый вариант лучше.
Другой большой вопрос – как добиться стабильного производства на этих многомегаваттных ветро-водородных островах, а также автономной работы островов PtX. Независимо от того, производятся ли продукты водорода или PtX, производственные острова не будут напрямую подключены к береговой энергосистеме, и поэтому им придется надежно работать самостоятельно.
Это будет непросто, учитывая чрезвычайно динамичную среду, в которой придется функционировать этим платформам. На море погода чередуется с резкими ветрами, штормами и периодическими затишьями, иногда переходящими от одного к другому за считанные минуты. Это будет означать большую изменчивость уровней мощности, вырабатываемой ветряными турбинами. В результате поставки электроэнергии и водорода на различные объекты будут сильно различаться.
Эта изменчивость также создаст нагрузку на электрические системы. Поскольку подключение к сети отсутствует, платформы будут в основном работать как небольшие изолированные энергосистемы и, следовательно, должны справляться с любыми внезапными скачками напряжения.
И наоборот, после длительного затишья химическим заводам и другим морским объектам придется перезапуститься без получения внешней энергии. Это называется возможностью черного старта. Не существует стандартных процедур для выполнения этого в крошечной, автоматизированной и изолированной сети, поэтому мы пытаемся их разработать. Мы рассматриваем, например, какие типы батарей использовать и как спроектировать химические процессы, чтобы объекты могли надежно перезапускаться.
Электролизеры также должны выбираться так, чтобы обеспечить максимальную производительность в динамичной морской среде. Существует три основных типа промышленного электролиза, и из трех протонообменная мембрана (ПЭМ) идеально подходит для этого сценария. Электролизер PEM запускается в течение нескольких минут и может выдерживать быстрые изменения нагрузки. В рамках H2Mare мы проектируем и создаем элементы PEM специально для использования на море, и мы планируем вскоре протестировать их, чтобы увидеть, насколько хорошо они работают при сильно меняющейся мощности.
Мы обнаружили, что контроль процесса будет играть важную роль. Отдельные электролизеры, подключенные к турбине, необходимо будет контролировать таким образом, чтобы они старели равномерно, а общее время их простоя было сведено к минимуму. Наши эксперименты сейчас направлены на поиск наиболее эффективного режима работы. Например, исследуется, можно ли использовать отходящее тепло электролизера для опреснения и достаточно ли этого количества тепла во всем рабочем диапазоне установки.
H2Mare также рассмотрит первоначальные стратегии управления небольшой островной сетью. Что происходит, когда электролизер неожиданно отключается? Куда можно направить избыточную электрическую энергию с достаточной скоростью, чтобы предотвратить разрушение сети? И наоборот, как можно спроектировать электролизер так, чтобы он справлялся с ситуацией, когда ветер стихает и внезапно пропадает электропитание?
Чтобы ответить на эти вопросы, мы намерены в ближайшие два года построить и ввести в эксплуатацию электролизер мощностью 5 МВт с системой опреснения морской воды для проведения наземных испытаний. Для испытаний мы воссоздадим морскую среду, включая профили прибрежного ветра.
Отсюда к водороду
Для систем электрогенерации и электролиза, а также объектов PtX важнейшей задачей исследований является выяснение того, как стабильно работать, несмотря на динамическую среду, изоляцию и автоматизацию. Химические процессы, как правило, наиболее эффективны при постоянном наличии энергии и реагентов. Но в море они неизбежно будут колебаться, поэтому мы разрабатываем концепции, в которых используются батареи или системы хранения водорода для сглаживания колебаний. Хитрость заключается в том, чтобы свести к минимуму стоимость этих буферов. Другой возможностью является модульная конструкция, в которой параллельные модули запускаются и выключаются согласованно друг с другом.
Базой для большей части наших исследований, посвященных PtX, является Energy Lab 2.0 Технологического института Карлсруэ. В лаборатории имеется множество научно-исследовательских центров, связанных с энергетикой, в том числе для производства возобновляемой энергии, хранения энергии и PtX, а также инфраструктуры «умного дома» и электромобилей. Для H2Mare он служит своего рода сухим доком: там мы эксплуатируем прототипы установок PtX с профилями мощности, типичными для морских ветряных электростанций, и моделируем их оптимальную работу в переходных условиях и в островном режиме.
Тем временем Siemens Energy реализует планы по разработке коммерческой системы электролиза для морских ветряных турбин. По текущим оценкам, первый прототип ветряной турбины компании со встроенным производством водорода может быть спущен на воду в 2026 году, а коммерческие проекты мощностью от нескольких сотен мегаватт до гигаватт могут последовать к концу 2020-х годов.
Если все пойдет хорошо, морской водород может помочь обеспечить быстрый и массовый переход к климатически нейтральной энергетике, который нам понадобится для достижения целей на период до 2040 года. Мы ожидаем, что самодостаточные острова для производства PtX в коммерческом масштабе станут реальной возможностью, но не раньше 2040 года. Будут ли они выглядеть и функционировать точно так же, как те, которые мы описали в этой статье, будет во многом зависеть от знаний, полученных от H2Mare и аналогичных проектов в Европе и других странах.
Теги: океан, энергия
