Технологии Power-to-X: условие энергетического перехода

Интеграция секторов производства и потребления энергии на базе «зеленого» водорода, произведенного на базе возобновляемых источников энергии, является неотъемлемым фактором и фундаментом дальнейшего развития возобновляемой энергетики. При этом расширяются возможности хранения, транспортировки и использования водородного или синтетического топлива. Прогнозируемое влияние технологий Power-to-X на новую структуру энергетического ландшафта требует исследования, развития и использования данного потенциала в масштабах всей энергосистемы.

Ослабление парникового эффекта стало одним из актуальных пунктов мировой энергетической повестки, если не самым важным. Так, с целью удержать рост глобальной средней температуры намного ниже 2 °C по сравнению с доиндустриальным уровнем Парижское соглашение 2015 года в составе Рамочной конвенции ООН об изменении климата предписывает в период с 2045 по 2060 год снизить общий объем выбросов до нуля. Документ был ратифицирован в 174 странах. Однако уже сегодня индустриальные рынки все сильнее испытывают на себе политическое давление, призывающее к скорейшему достижению поставленных экологических задач.

В 2017 году в результате титанических усилий и колоссальных капиталовложений удалось увеличить долю возобновляемой электроэнергии в энергетике до 25 %, но этот успех практически не отразился на количестве выбросов углекислого газа в мире. Это объясняется тем, что энергетика ответственна лишь за 40 % мировых выбросов CO2, тогда как сокращение оставшихся 60 % выбросов – обязательство других секторов, преимущественно транспортной и строительной отраслей, промышленности и жилищно-коммунального хозяйства. В действительности загрязнение атмосферы парниковыми газами ежегодно увеличивается, при этом в 2018 году был зафиксирован рекордный прирост выбросов в 1,7 %.

В условиях сырьевой экономики, основанной на ископаемых углеводородах, декарбонизация секторов промышленности, энергетики, теплоэнергетики, добычи газа и транспорта, как правило, протекала в виде отдельных процессов. Для того чтобы к середине века достигнуть нулевых выбросов CO2, необходимо осуществить взаимную интеграцию этих отраслей, что позволит энергетическому сектору поставлять им экологически чистую энергию, без которой невозможен переход к безуглеродной модели деятельности. Взаимопроникновение отраслей приобретает еще большее значение в свете непрерывного увеличения установленной мощности «зеленых» электростанций. Важную роль в этом процессе сыграют цифровые решения.

Процессы Power-to-X являются технологическим решением для проблемы объединения секторов. Многие десятилетия комбинированное производство электроэнергии и тепла на базе ПГУ успешно применялось из‑за максимального КПД и коэффициента ископаемого топлива. Технология преобразования электроэнергии в тепло (Power-to-Heat) с использованием тепловых насосов или нагревательных стержней (более простое, но и менее эффективное решение) представляет собой инновационный экологически чистый способ обогрева зданий и даже обеспечения промышленных предприятий технологическим теплом. Сегодня электротранспорт, предусматривающий прямое потребление электрической энергии из аккумуляторных батарей, получает поддержку в разных странах. Но электрический привод вряд ли стоит рассматривать в качестве приемлемого решения для магистральных грузовых перевозок сухопутным, морским и воздушным транспортом. В этом случае вместо ископаемого топлива необходимо активно внедрять энергоемкое синтетическое топливо, называемое e-Fuel, произведенное на базе электроэнергии возобновляемых источников. Такое топливо схоже с традиционными видами горючего и может смешиваться с ними для постепенного уменьшения содержания углерода в топливной смеси без необходимости замены автомобиля или топливозаправочной инфраструктуры. Таким образом, переход к безуглеродной экономике можно осуществить без резких скачков и потрясений и одновременно с этим сократить выбросы.

В качестве среды длительного хранения энергии с целью ее дальнейшего преобразования может использоваться e-Hydrogen. Обратное преобразование в электроэнергию будет реализовано с помощью газовых турбин, двигателей или топливных элементов, способных работать на водороде, для надежного обеспечения электричеством в периоды слабой доступности возобновляемых источников энергии, например в безветренную погоду.

Технологии Power-to-X позволяют органично перейти от текущего уровня развития, на котором мы зависимы от ископаемого топлива, к безуглеродному будущему за счет постепенного снижения выбросов углерода, поскольку e-Fuel может добавляться в ископаемое топливо в возрастающей пропорции вплоть до полного замещения.

На основе технологий Power-to-X можно создать такие виды топлива, которые помогают напрямую сократить выбросы парниковых газов: e-Methane, e-Methanol, e-Diesel, e-Gasoline и авиатопливо e-Jet могут быть внедрены в имеющуюся топливозаправочную инфраструктуру. Некоторые из применяемых сегодня синтетических видов топлива получены из ископаемого сырья и поэтому не могут считаться углеродно-нейтральными или безуглеродными. В этом заключается их принципиальное отличие от синтетических видов топлива e-Fuel на базе технологий Power-to-X. Энергоемкое топливо e-Fuel может также вырабатываться из излишков солнечной и ветровой энергии, что позволяет не сокращать число или приостанавливать работу солнечных и ветроэлектростанций, если они генерируют объем энергии выше потребляемого уровня.

То же самое относится и к тепловым электростанциям: существующая инфраструктура – газопроводы, газозаправочные станции и хранилища – вполне пригодна для ввода инновационного топлива и прослужит еще долгое время для его транспортировки. Далее широкомасштабное производство электроэнергии: мы уже умеем преобразовывать водород обратно в электричество, так как современные газовые турбины могут работать на смеси водорода и природном газе вплоть до 100 %-ного использования чистого водорода. Водород может таким образом храниться в системе газоснабжения и конвертироваться в электроэнергию в газовых турбинах с применением специальных горелок, обеспечивающих сниженное образование оксидов азота (NOx).

Объединение секторов через технологии Power-to-X – это парадигма перехода к замкнутому циклу CO2 и инфраструктурам с нулевым уровнем выбросов.

Возобновляемые источники энергии позволят многим отраслям экономики уменьшить свой углеродный след. Наряду с энергоэффективными тепловыми насосами, электрическим автотранспортом и технологиями комбинированного производства электроэнергии и тепла решения Power-to-X имеют первостепенное значение для снижения выбросов CO2. Включение CO2 в синтез e-Hydrogen вплотную приближает к замкнутому циклу CO2: диоксид углерода улавливается при производстве e-Fuel и выделяется при его использовании, что делает e-Fuel практически углеродно-нейтральным топливом.

Большие объемы такой энергии (водород или e-Methane) можно в течение длительного времени хранить в имеющейся инфраструктуре, например в сетях газоснабжения. Благодаря этому энергия, выработанная весьма нестабильными ВИЭ в периоды пиковой производительности, не будет пропадать, а будет накапливаться для дальнейшего использования, что усилит энергобезопасность потребителей. Внедрение технологий Power-to-X также откроет дорогу возобновляемой энергии в отдаленные районы, где такая энергетика до сих пор была нерентабельной в силу отсутствия сетей или низкой потребности в электроэнергии.

Помимо себестоимости используемой электроэнергии, ключевой составляющей цены e-Hydrogen является коэффициент использования установленной мощности (число часов работы на полной мощности) электролиза, который отражает эффективность капитальных вложений в электролизер и установку для синтеза. В некоторых регионах e-Hydrogen, полученный в результате электролиза, уже может составить конкуренцию водороду, произведенному методом парового риформинга метана или автотермического риформинга природного газа.

Удельные инвестиционные затраты на электролиз будут снижены в результате масштабирования, усовершенствования производственного процесса (автоматизация), замены дорогостоящих материалов или использования других технологий.

Уже сегодня e-Fuel является конкурентоспособным топливом в регионах с наиболее благоприятными природными условиями для получения возобновляемой энергии. В таких регионах цены на e-Fuel, главным образом на e-Methanol, ниже цен, которые могут быть установлены сегодня в транспортной отрасли на другие виды «зеленого» топлива. Ориентиром служит биоэтанол.

Повышая эффективность преобразования энергии и выступая связующим звеном между мобильностью, химической промышленностью и жилищно-коммунальным сектором, технологии Power-to-X открывают новые горизонты в энергетике. Разрозненные элементы в этих сферах необходимо объединить в интегрированную экологически безопасную и в то же время надежную систему.

Еще одним фактором, влияющим на производство углеродного e-Fuel, является стоимость снабжения CO2. CO2 может быть получен на месте из неизбежно возникающих выбросов, например из отходящих газов цементных заводов, электростанций на биомассе или (в перспективе) системно значимых электростанций, работающих на природном газе. Альтернативным способом выделения углекислого газа из атмосферы в будущем может стать технология прямого захвата воздуха (DAC), в особенности в районах, богатых возобновляемыми источниками энергии, но расположенных далеко от промышленных объектов.

Электролиз может выступать в роли способа быстрого балансирования энергии в том случае, если в электросети наблюдается избыток возобновляемой энергии. ВИЭ уже сейчас иногда генерируют больше заявленной потребности. Хранение таких излишков в химической форме может стать выгоднее, чем ограничение производительности ВИЭ в периоды максимальной выработки.

Siemens предлагает несколько модулей установок Power-to-X и комплексные решения для различных вариантов конечного использования. Siemens придерживается модульного подхода, который позволяет удовлетворять индивидуальные потребности заказчиков. В портфеле компании представлены модули и комплексы Power-to-X для разных задач, а также услуги проектирования, снабжения и строительства установок Power-to-X под ключ (EPC).

Предлагаемые Siemens модели и комплексы соответствуют этапам технологического процесса.

Комплекс для производства возобновляемой энергии: выработка возобновляемой энергии, включая подключение к электросети или подачу энергии для собственных нужд установки Power-to-X. Прибрежные и шельфовые ветряные турбины, а также комплексные ветропарки и решения на основе использования возобновляемых источников энергии предлагаются совместно с Siemens-Gamesa.

Комплекс для производства H2: электролиз, компримирование водорода и промежуточное хранение.

Комплекс для обратного преобразования в электроэнергию: этот комплекс проектируется в соответствии с потребностями клиента и включает систему длительного хранения водорода, водородную газовую турбину, поршневой двигатель, топливный элемент или систему хранения электроэнергии на базе аккумуляторных батарей.

Комплекс для синтеза e-Fuel: этот комплекс разрабатывается и / или поставляется совместно с партнерами и включает решение для улавливания CO2 из отходящих газов на базе запатентованной технологии Siemens PostCap™, системы сжатия и синтеза. В рамках совместного научно-исследовательского проекта Siemens разработала гибкую высокоэффективную концепцию синтеза метанола.

Готовый комплекс Power-to-X: готовое полноценное решение для любого комплекса или оборудования в соответствии с рисунком.

Цифровизация является одной из важнейших задач энергетики в целом, а также важным компонентом реализации технологии Power-to-X по всей цепочке создания ценности. Компания Siemens является мировым лидером на рынке средств автоматизации электростанций и производства. Она предлагает портфель систем для оптимального управления процессами, который включает линейки SIMATIC, SPPA и SICAM. Ввиду того что электролиз и в целом процессы по преобразованию электроэнергии в газ и жидкости относятся к химическим процессам, компанией была внедрена хорошо зарекомендовавшая себя система управления такими процессами. Ценный опыт, полученный в процессе работы с небольшими экспериментальными и демонстрационными установками, может быть использован в проектировании крупных коммерческих установок. Так было в случае с линейкой Silyzer и установкой по преобразованию электроэнергии в метан мощностью 6 МВт в г. Верльте (Германия), которая используется для производства e-Methane для газомоторного автотранспорта. Помимо диагностики, система автоматизации с удаленным доступом также используется для общей оптимизации процессов. Перспективные концепции цифровизации создадут стимул для внедрения цифровых решений в управление имеющимися ВИЭ и производством различных категорий продукции.

В аналогичных областях компанией Siemens уже были развернуты средства профилактического контроля. В результате объединения функции метеопрогнозирования с данными оптического наблюдения за облачностью был получен подробный прогноз, применяемый в работе фотоэлектрических солнечных электростанций. Такое сочетание разных видов информации является главным фактором повышения эффективности всего процесса Power-to-X. Использование цифрового моделирования на этапах проектирования и конструирования (так называемый «цифровой двойник») обеспечивает возможность цифровой оптимизации до начала работ на объекте.

Декарбонизация всех энергетических систем на мировом уровне. Может быть реализована на основе разных сценариев применения технологий Power-to-X. Однако благодаря наличию инфраструктуры для перемещения, распространения и конечного использования e-Fuel шаг вперед может быть сделан уже сейчас.

Перспективная оценка внедрения Power-to-X вселяет оптимизм. Благодаря Power-to-X преимущественно углеродно-нейтральные транспортные средства или транспортные средства без выбросов углекислого газа, работающие на e-Fuel и / или e-Hydrogen, станут нормой, а не исключением.

Внедрению Power-to-X будут способствовать обязательства по расширению применения e-Fuel в транспортной отрасли, как, например, в случае с топливом, полученным из биомассы, вместе с другими мерами, такими, как повышение штрафов за выбросы углекислого газа. Следует отметить, что e-Fuel уже может составить конкуренцию другим экологичным энергоносителям, большая часть которых производится на основе биологического сырья.

Siemens поддерживает развитие комплексов Power-to-X, адаптированных для различных вариантов конечного использования. Так, для преобразования электроэнергии в тепло (Power-to-Heat) был разработан высокотемпературный тепловой насос. Компания Siemens всецело заинтересована в продвижении и разработке проектов и технологий по производству e-Hydrogen и производных продуктов. Линейка Silyzer позволяет осуществлять PEM-электролиз воды, который обеспечивает возможность работы с гибкой нагрузкой и идеально подходит для использования с нестабильными возобновляемыми источниками энергии. Ветрогенераторы, компрессорные решения, решения для улавливания углекислого газа после сжигания, газовые турбины для обратного преобразования e-Hydrogen в электроэнергию являются частью предложения компании и позволяют создавать как небольшие, так и промышленные установки Power-to-X.

-------------------------------------------------------------------

Хотите оперативно узнавать о выходе других полезных материалов на сайте "ГИС-Профи"?
Подписывайтесь на нашу страницу в Facebook.
Ставьте отметку "Нравится", и актуальная информация о важнейших событиях в энергетике России и мира появится в Вашей личной новостной ленте в социальной сети.