Опалення та водопостачання Современные представления о перспективах отопления как процесса с нулевыми выбросами углерода или с минимальным «углеродным отпечатком» сейчас очень тесно связываются с водородными технологиями. Какие успехи были достигнуты в использовании водородных технологий для отопления с нулевыми выбросами?
Пока для общественности бытовых потребителей водородные технологии кажутся слишком футуристическими. До сих пор не изобретены эффективные технологии разделения воды на водород и кислород. Но перспективность и практическая неограниченность на Земле такого єнергоресурса как водород – очевидна. Не будем забывать о термоядерном синтезе, в котором также принимает участие водород, но сегодня обратимся к технологиям использования водорода в виде газа для отопления многоэтажного жилья и частных домов. Также о перспективах развития водородных технологий хочется напомнить … о солнечных панелях.
Зміст:
«Углеродная нейтральность»
Около пятидесяти лет назад лучшие солнечные панели смогли достигать уровня эффективности лишь примерно 9% – это достигалось исключительно в контролируемых лабораторных условиях. После многих лет инноваций и исследований «регулярные», то есть обычные солнечные панели для использования в домохозяйствах повсеместно достигают 20-процентной эффективности или даже выше. А за счет серийного производства окончательный «углеродный след» от солнечных панелей вскоре составит всего 4 г СО2 на каждую произведенную на них кВт*ч энергии.
Источник: carbonbrief.org
Уровень углеродных выбросов около 15% (красная черта) уже сейчас считается? что полностью удовлетворяет климатическим целям. Выбросы СО2 с энергостанций на угле и на газе в будущем ожидаются меньше, чем сейчас, благодаря широкому внедрению CCS (Carbon Capture and Sequestration) – технологий улавливания и поглощения (долгосрочного хранения) углерода. Другие сокращения на рис. 1: LULUC (Land Use and Land Use Change) – (текущее) землепользования и изменение (направления) землепользования; BECCS (BioEnergy with Carbon Capture and Storage) – биоэнергетика с восторгом и хранением углерода, то есть процесс изъятия биоэнергии из биомассы и одновременного удаления, поглощение соединений углерода, которым они удаляются из атмосферы.
Продолжение исследований технологии добычи водорода или совершенствования водородных топливных элементов может дать новые возможности для уменьшения выбросов от процесса производства водорода, а также для того, чтобы сделать это альтернативное топливо более конкурентоспособным как для получения тепла, так и для генерации электроэнергии бытовых нужд.
Проблема «углеродной нейтральности» водорода прежде связана с тем, какой именно энергией пользуются при гидролизе – раскладе воды на водород и кислород – «чистой» (например, восстанавливаемой) или «грязной» (от сжигания ископаемого топлива и т.д.), и которой собственно технологии разложения воды пользуются учитывая ее эффективность и экономичность. Кстати, ядерные станции считаются углеродно-нейтральными, следовательно излишки ядерной генерации можно направлять на гидролизные установки, то есть блоки ЯЭС таким образом могут работать на оптимальной мощности в установившемся режиме, а регулирование пиковых потребностей в сети (или наоборот – провал потребления) можно осуществлять путем регулирования интенсивности электролизных установок.
Но надо учитывать, что по данным технического отчета 2008 EPA (United States Environmental Protection Agency – Агентство по охране окружающей среды США) сообщалось, что в США производили тогда ежегодно около 9000000 метрических тонн водорода. Этот объем производства водорода по действующим тогда технологиям и с использованием традиционных источников энергии (в основном – из ископаемого топлива) привел к выбросам 60000000 метрических тонн СО2 в год. Выбросы из почти семикратным превышением количества углекислого газа на единицу водорода является потрясающе недопустимым результатом, если речь идет об экологически ответственной экономике.
На газовой игле
По данным британского издания Гардиан, сейчас около 85% домов в Великобритании используют газовое центральное отопление и большая часть природного газа все еще потребляется именно на это. Около трети выбросов парниковых газов в Великобритании происходят от работы централизованного отопления. Это более чем в 10 раз превышает количество СО 2 , созданного британской авиационной промышленностью. Но переход от природного газа к водороду, что сейчас становится одним из трех «столпов» экологической энергетики (в дополнение к энергии из ветра и солнца), по оценкам экспертов имеет смысл и серьезные перспективы именно для отопления.
27 июня 2019 министр «энергетики и чистого роста» Крис Скидмор подписал документы, обязывающие Великобританию к 2050 г. уменьшить выбросы углерода фактически к нулю.
«Если у нас есть шанс достичь этой цели, известной как« чистый ноль », есть одна огромная проблема, которую нам придется решить: отопление дома», – сказал он в тот день.
Эксперты отмечают о перспективности использования газообразного водорода в качестве непосредственно сжигаемого топлива (direct fuel) среди других альтернатив, так как для этого можно использовать всю имеющуюся газовую инфраструктуру – от магистральных трубопроводов, к распределительным сетям и даже бытовой техники – без значительных изменений или новых расходов .
«Привлекательность водорода состоит в том, что для многих потребителей не будет заметно никакой разницы. Клиенты будут продолжать использовать котел для обогрева своих домов, подобно природного газа », – уверяет Роберт Сансом из отдела энергетической политики Института техники и технологий (Institution of Engineering and Technology, IET), ведущий автор исследования« Переход к водорода », проведенного этим авторитетным институтом.
Хотя технологические и практические препятствия существуют.
Интерес к водороду, как энергоресурсу для обогрева домов, началась в Великобритании в 2016 году из доклада под названием H21. Он содержал результаты исследований, проведенных компанией Northern Gas Networks, газораспределитель на севере Англии, где было рассмотрена проблема – технически возможно и экономически выгодно перевести г. Лидс на 100%-й водород вместо природного газа. Детальное исследование охватывало все аспекты, начиная от заводов по производству водорода, до зданий и безопасности людей. «Водородной транзиции» также способствует и то, что за последние десятилетия на «малых» сетях – локальных газораспределительных трубопроводах и в домовых сетях – везде происходила замена старых стальных труб на пластик (водород может вызвать хрупкость старых, поврежденных коррозией труб, в то время как «желтый» полиэтилен намного безопаснее).
Но всеобщее восхищение водородом разделяют далеко не все специалисты. Существует мнение, что для достижения цели полной декарбонизации лучше будет определенным образом электрифицировать все отопление. Переход отопления с газового на электрическое означало бы, что электричество нужно использовать только на тепловые насосы для нагрева воды, которая подводится к радиаторам центрального отопления, и для той, которая сохраняется при ГВС в резервуарах для горячей воды. Однако поскольку технология на тепловых насосах работает при более низкой температуре, чем отопительные приборы, для многих домов встает проблема расходов на значительно лучше утепления или на то, чтобы установить дополнительные радиаторы, способные компенсировать снижение действующей температуры теплоносителя для отопления. Для тех, кто перешел на комбинированные котлы «на всякий случай»,
Еще одна альтернатива отопительном водорода – повсеместное центральное отопление на уровне кварталов и микрорайонов. Это предполагает нагрев воды на центральном объекте с использованием отработанного тепла от промышленности или от «зеленых» источников, таких как солнечная или ветровая энергия. Затем горячая вода подается ко многим домов одновременно через сеть хорошо изолированных подземных труб. Оба метода могут значительно уменьшить углеродный след отопления домов, но недостатком является то, что они требуют большой работы по их внедрению в национальном масштабе и нуждаются в тщательной теплоизоляции труб дворовых теплосети. А это время и деньги.
Но почему все же существует большой интерес по использованию водорода и почему собственно газовики так настойчиво лоббируют водород вместо природного газа? Почему газовая промышленность финансирует так много исследований в этом направлении и так настаивает на этом? По словам Криса Гудолл, экономиста по вопросам энергетики и автора книги «Что нам нужно делать сейчас для будущего с нулевыми выбросами углеродом» это вопрос выживания отрасли. Газовые компании всех уровней осознают неотвратимость энергетической транзиции, когда с ростом использования ВИЭ с солнца, ветра и развития технологий EESS (накопителей электрической энергии) также будет все больше электрифицироваться отопление, что вполне логично.
«Они не хотят, чтобы их основные фонды и отраслевая инфраструктура была« съеденной» переходом на электрическое отопление. Поэтому они пока движутся как можно скорее, чтобы убедить нас по водороду и уцелеть как отрасль », – говорит Крис Гудолл. Но это лишь часть мотивации.
Одна из технологий добычи водорода состоит не в гидролизе, а в использовании для этого метана. То есть, поставщики природного газа смогли хотя бы частично сохранить свой бизнес. Однако с такой технологией побочным продуктом является … углекислый газ. Итак, двигаясь к безуглеродной энергетике таким образом, большую важность приобретают технологии CCS – поглощение и последующей утилизации или захоронения собственно углерода. О разнообразные примеры реализации таких технологий пока слышно отовсюду. Но этот этап прибавит к цене водорода из ископаемого метана определенной стоимости.
Итак, единственным рациональным решением, учитывая экологичность является только водород, полученный «зелеными» методами, то есть с использованием ВИЭ. Вот почему перспективным видится также и «метановый» водород, но полученный по возобновляемой биомассы – BECCS – с использованием технологий поглощения углерода.
Привлекательность водорода, кроме практически действующей разветвленной инфраструктуры его транспортировки, распределения и потребления заключается в том, что это реальная возможность использовать газовые технологии для накопления энергии от ВИЭ с изменяемым характером генерации электроэнергии (VRE, variable renewable energy), что сейчас видятся даже дешевле чисто электрических систем.
Но по водороду есть одна правда, с которой соглашаются все диспутанты. «Все это нелегко. Если кто-то говорит вам, что это легко, он вводит вас в заблуждение », – резюмирует Ричард Лоуз из Эксетерского университета, графство Девон, юго-западной Англия. Однако надо действовать.
Планирование-выполнение-проверка-действие
Как воплощать проекты известно из знаменитой формулы Деминга «PDCA» – планируй-действий-проверяй-корректируй. В ноябре 2020 премьер-министр Великобритании Борис Джонсон обнародовал детали британского плана из 10 пунктов для так называемой «зеленой промышленной революции».
Этот план включает цель развития городов до конца этого десятилетия, «полностью отапливаемых водородом». Этот план кроме «политической поддержки» получил конкретное финансирование. Речь идет о миллионах и миллионах фунтов стерлингов, которые будут инвестированы в отопление малоэтажного жилья и приготовления пищи. Это движение было также поддержано частным бизнесом.
Например, фирма SGN, оператор газовой сети в Шотландии и на юге Англии, объявила что в дополнение к 6,9 миллиона фунтов стерлингов инвестиций в проект от правительства, известный как H100 Fife, фирма придаст 18000000 фунтов стерлингов (24,12 миллиона долларов) для финансирования «демонстрационной сети на 100% водные …, которая обеспечит безуглеродной отопления и приготовления пищи примерно для 300 домов к концу 2022».
Проект, который SGN назвала «первым в мире», будет базироваться в Левенмути, графство Файф, Шотландия, и использовать только «зеленый водород», то есть только то, что будет произведен исключительно с использованием ВИЭ – собственно для питания электролизной установки будут использованы ветровые генераторы морского базирования.
С целью декарбонизации стран Европейского Союза, в ЕС разработали планы установить 40 ГВт водородных электролизеров на ВИЭ и к 2030 году производить не менее 10000000 метрических тонн возобновляемого водорода. На данный момент роль «зеленого» водорода в общей энергетической смеси не является слишком существенным. По данным аналитического агентства Wood Mackenzie, «зеленый» водород пока составляет лишь 0,1% от мирового производства водорода в 2020 году. Развитие технологий «зеленого» водорода непременно приведет к его удешевлению. Агентство Wood Mackenzie в августе 2020 опубликовало расчеты, по которым к 2040 году средняя себестоимость производства водорода может уменьшиться на 64%, а собственно «зеленого» водорода – еще больше.
Однако аналитика по использованию водорода именно в секторе отопления жилья и коммерческой недвижимости очень контраверсионна. Так, по данным отчета Европейской комиссии (2020) «Технический отчет JRC: На пути к нулевым выбросов в энергетической системе ЕС к 2050 г.», Для сценария, по которому будет достигнуто не менее 90% снижение эмиссии парниковых газов к 2050, разные экспертно-аналитические группы называют среднюю долю водорода в конечном энергопотреблении для отопления, ГВС и приготовления пищи максимально на уровне от 15-ти до 20-ти процентов, но есть и такие, которые называют цифру от 1-го до 3-х процентов, или и меньше, предпочитая электрическим методам, особенно тепловым насосам.
Тепловые насосы имеют еще одно существенное преимущество перед технологией сжигания водорода (собственно, как и перед другими технологиями непосредственного сжигания) – они могут работать реверсивно, то есть, при необходимости, а также на отопление, и на охлаждение. Но тот факт, что системы с реверсивными тепловыми насосами значительной мощности имеют еще и значительную стоимость и существенно уступают (и будут уступать) стоимости капитальных затрат отопительной техники на водороде, что собственно и вносит в прогнозы фактор неопределенности – при сравнительной стоимости владения отопительных систем на электричестве и на газообразном водороде за жизненный цикл, первоначальные затраты на газовую систему будут существенно ниже, чем на реверсивные тепловые насосы, особенно в районах, где уже существует разветвленная газовая сеть.
Преимущества синерги
В исследовании от февраля 2021 «Hydrogen for heating? Decarbonization options for households in the European Union in 2050 “от ICCT (Международного совета по чистых перевозок – независимой некоммерческой организации) были проанализированы некоторые данные о себестоимости технологий отопления, которые соответствуют предложения Европейской Комиссии. Было решено до 2030 г. уменьшить выбросы парниковых газов по меньшей мере до 55% по сравнению с уровнем 1990 г. И выбрать лучшие варианты декарбонизации энергетической системы Европы. Это потребует резкого отказа от ископаемых источников энергии в Европе (см. Резолюции Европейской комиссии, в 2020 г.).
Большинство потребностей в энергии в частных резиденциях касается именно расходов на отопление (сейчас – 64%), что подчеркивает важность декарбонизации этого сектора. В исследовании ICCT сравнивалась стоимость нескольких технологий отопления жилья с низким уровнем выбросов или нейтральных к парниковых газов (ПГ) в 2050 году:
- Водородных котлов;
- Водородных топливных элементов с вспомогательным водородным котлом для преодоления пиковых холодов;
- Воздушных тепловых насосов, использующих возобновляемую электроэнергию;
- Тепловые насосы с вспомогательным водородным котлом для пиковых холодов.
В данную оценку был также включен низкоуглеродистая водород SMR + CCS (технология парометанового риформинга – SMR) с использованием природного газа в сочетании с поглощением и хранением углерода (CCS), и «зеленый» водород с нулевыми выбросами углерода,
Именно сейчас ископаемое топливо, главным образом это природный газ, помогает удовлетворить значительную часть спроса на тепловую энергию (Европейская комиссия, 2019). В то же время около 34 миллионов европейцев не могут должным образом обогреть свои дома, поэтому ЕС взял на себя обязательства преодолеть энергетическую бедность в рамках своей инициативы «Волна восстановления 2020» (Европейская комиссия, 2021).
Как показано на рисунке, оказалось, что воздушные тепловые насосы (нереверсивные) будут наиболее экономически эффективной технологии отопления жилья в 2050 году также, которая минимум на 50% подешевле, чем технологии, содержат только водород. Даже при условии, если при сравнении затраты на природный газ были бы на 50% ниже прогнозируемых, или цены на возобновляемую электроэнергию были бы на 50% выше по сравнению с прогнозируемыми ожиданиями для 2050, воздушные тепловые насосы (нереверсивные) все равно были бы экономически выгоднее, чем отдельные водородные котлы или топливные элементы.
Сравнение годовых расходов и потенциал уменьшения интенсивности выбросов парниковых газов для различных технологических вариантов отопления домохозяйства в ЕС в 2050 году.
Источник: ICCT, февраль 2021 г.
Также оказалось, что восстанавливаемый электролизный водород может быть конкурентоспособным в 2050 году с водородом, добытым из природного газа (только с сочетанием технологий SMR + CCS), хотя электролизный водород сегодня еще не производится в нужных масштабах. В то же время оказалось, что меры по энергоэффективности для уменьшения потребностей в тепле были бы наиболее экономически эффективной стратегией для достижения сокращений выбросов ПГ, чем любой из путей отопления с низким уровнем выбросов, оценивались в данном исследовании.
Анализ также показал, что все методы, использующие возобновляемую электроэнергию, имеют почти нулевую интенсивность выбросов парниковых газов, тогда как водород SMR + CCS может уменьшить выбросы парниковых газов на 69-93% (от 5 г CO2e / МДж до 22 г CO2e / МДж или в среднем 81%) по сравнению с прямым сжиганием природного газа.
На рис. ниже показано распределение общих расходов на (воздушные нереверсивные) тепловые насосы и сценарии для технологий SMR + CCS, включая стоимость приобретенной наружу энергии (водород или сетевая электроэнергия), капитальные затраты (CAPEX) и эксплуатационные расходы (OPEX) для домохозяйств, не имеющих собственной генерации.
Расходы на приобретенную энергию для топливных элементов высчитывались по цене, как от продажи избыточного электроэнергии в электросеть. Входная энергия (водород по технологии SMR + CCS для гибридных и чисто водородных установок или электроэнергия для теплового насоса) составляет большинство общих затрат для каждого способа. Что касается отопления с использованием только водородного котла, то OPEX больше, чем CAPEX, поскольку водородные котлы относительно недорогие, но требуют ежегодного обслуживания и замены некоторых компонентов (например, катализаторов). Для других способов CAPEX является второй по величине составляющей расходов. Бытовые топливные элементы не являются экономически эффективным путем производства электроэнергии, поэтому, хотя топливные элементы несколько уменьшают эксплуатационные расходы путем продажи в сеть некоторого избытка электроэнергии, которую они производят, такое уменьшение недостаточно большим, чтобы сделать себестоимость отопления топливными элементами конкурентоспособным с другими технологиями.
Составляющие стоимости различных способов отопления домохозяйств в ЕС в 2050 – технологии невосстанавливаемому водорода или воздушный нереверсивный тепловой насос, или комбинированные методы.
Источник: ICCT, февраль 2021
На самом деле достаточно трудно предсказать стоимость приобретенной энергии в 2050 г. Для всех сценариев, кроме топливных элементов, использующих водород с опцией SMR + CCS, нижняя и верхняя границы погрешности представляют 50% уменьшение и увеличение, соответственно, всех энергетических затрат. Это меняет общую стоимость этих сценариев на 20-30%.
То есть – синергия комбинированного использования отопительных систем работает! Более того – именно технологии с использованием возобновляемой энергии или водорода является наиболее экономически выгодным. Стоит обратить внимание, что на рис. 2 и 3 показаны данные по нереверсивных воздушных тепловых насосов, работающих исключительно на отопление.
Рисунок ниже иллюстрирует, почему собственно водородные топливные элементы не достигают эффективности и себестоимости работы чисто тепловых насосов, но стоит заметить, что тепловые насосы для отопления, особенно воздушные тепловые насосы, могут в определенные очень холодные периоды в году потерять работоспособность, поэтому надежнее опираться на гибридные ( комбинированные) системы.
Сравнение эффективности системы на воздушном Нереверсивные тепловом насосе с отоплением водородным бойлером (энергия из ВИЭ). Источник: ICCT, февраль 2021
Другой важный вывод – для повышения экономической эффективности использования водородных технологий стоит опираться на:
- возобновляемые источники энергии;
- собственную генерацию возобновляемой энергии.
Далее приведем несколько примеров практической реализации водородного отопления.
Водородный котел
Компания из Нидерландов BDR Thermea Group первой в мире начала производить бытовые котлы для отопления дома, работают исключительно на водороде. По сравнению с обычными газовыми котлами они имеют определенные отличия в системе управления и настройки давления, а также некоторые конструктивные особенности горелки, но в итоге мало отличаются от обычных газовых котлов (см. Рис. 5). Котел сжигает чистый водород, который на 100% был получен от энергии солнца или ветра. Для распределения и транспортировки водородного топлива можно пользоваться существующими газопроводами или домовой газовой сетью. Более 400 котлов от BDR Thermea были назначены в Великобритании для испытательного проекту водородного отопления небольшого городка. Этот пилотный проект доказал, что действующую инфраструктуру для ископаемого топлива (например, газопроводы) можно перепрофилировать для будущего водородного отопления. Он также показал, что нейтральные к выбросам углерода ВИЭ, такие как ветер и солнечная энергия, могут эффективно и гибко использоваться для извлечения молекул водорода из воды, которые и будут использоваться в качестве топлива.
Сейчас за изготовление водородных котлов взялись и другие фирмы, включая известными европейскими производителями отопительной техники. Ожидается, что уже в ближайшие годы водородные котлы с водородом, который был получен из ВИЭ, станут в Европе конкурентоспособным источником безуглеродного отопления домов по сравнению с системами на природном или сжиженном (баллонном) газе.
Подкаст. Водород в системе отопления
«Водородный дом»
В штате Нью-Джерси, США, инженер Майкл Стризки переоборудовал свой дом, работающий на солнечно-водородной энергии вместе с водородной автозаправочной станцией. Майкл Стризки решил создать свой «водородный дом» (рис. 6), несмотря на то, что газообразный водород достаточно легко хранить в обычных кислородных баллонах по достаточно приемлемого и достижимого уровня давления. Итак, это действенный способ для хранения излишков «зеленой» энергии, подобный аккумуляторной батареи, но которым можно хранить энергию неограниченно долго. При сжигании водорода для отопления или нагрева воды для ГВС единственным побочным продуктом является химически чистая вода.
С крыши гаража и дома собирается возобновляемая энергия, произведенная фотоэлектрическими панелями, ее определенная часть используется для добычи водорода из водопроводной воды. «Водородная» доля растет летом и в те солнечные дни, когда мощности солнечных панелей хватает с избытком. Определенная доля солнечной электроэнергии накапливается в электрических аккумуляторных батареях, которые служат для электроснабжения в непогоду или в темное время суток.
Эта уникальная система по сути означает, что дом полностью електрозабезпечуеться и к тому же обогревается водородом, которого хватает на дом и на топливо для машины. Единственным побочным продуктом от этого чистая вода, а счет за электроэнергию и отопление составляет 0 долларов. «Водородный дом» Стризки имеет небольшой электролизер (размером примерно с стиральную машину), накопитель электричества с вместимостью, которую можно сравнить с 100 автомобильными аккумуляторами для пользования электроэнергией ночью или в непогоду, и десять применяемых баллонов из-под пропана, в которых можно хранить 540 кубических метров сжатого водорода. Стризки подсчитал, что система стоила ему потрясающую сумму 500000 долларов для самостоятельной сборки и монтажа, из которых около 400 000 долларов он получил в виде грантов от коммунальных и технологических фирмы. Он теперь утверждает, что благодаря своим знаниям и уменьшению текущих затрат на солнечные панели (что существенно подешевели за последнее десятилетие) теперь он смог бы построить новую водневосонячну систему примерно за 90000 долларов. Для США это вполне в сознании сумма.
Так, собственная система солнце-водород – это пока довольно дорого, но несмотря на недостаточную ценовую конкурентоспособность пока «водородный дом» Стризкы показывает, что сочетание солнечных панелей и водородных отопителей вполне может стать в будущем жизнеспособным и выгодным способом водородонулевого отопления, опирающаяся исключительно на ВИЭ.