Гидрогенерация водорода

Высокая цена водорода, полученного электролизом, сегодня не позволяет ему конкурировать с водородом из ископаемого сырья, но ситуация постепенно меняется. Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (International Renewable Energy Agency, IRENA) в прошлом году выпустило данные по исследованию перспектив водородного рынка, согласно которым себестоимость «зелёного» водорода «в большинстве стран, где используются лучшие возобновляемые ресурсы», уже к 2030 году может опуститься до двух с половиной, а к 2050-му - до полутора долларов за килограмм.

Иначе говоря, расцвет водородной энергетики в оптимистичном сценарии наступит пусть не завтра, но во вполне обозримом будущем. К сожалению, отчёт IRENA ничего не говорит о той роли, которую могут сыграть в предстоящей технологической революции ГЭС (авторы сосредоточились на анализе потенциала солнечных и ветровых установок), хотя интерес к соединению гидро- и водородной энергетики определённо есть.

В действительности электролиз воды на ГЭС известен в мире уже почти сто лет. В 1929 году в норвежском Рьюкане были установлены электролизёры, производившие водород для фабрики азотных удобрений, а энергию им поставляла гидроэлектростанция мощностью 108 МВт - на тот момент крупнейшая в мире, - сооружённая в 1908 году. Компания ANDRITZ, осуществившая проект, позднее устанавливала оборудование для электролиза на Асуанской ГЭС в Египте, на гидроэлектростанциях в Зимбабве, Перу и в других местах; для компании это направление деятельности остаётся приоритетным по сей день, и она далеко не одна на рынке.

Расскажем о нескольких новых проектах.

Вода = водород + кислород

В мае этого года Национальная лаборатория Айдахо (Idaho National Laboratory) и Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория (Pacific Northwest National Laboratory) при Министерстве энергетики США заключили с генерирующей компанией Idaho Power соглашение о выполнении исследовательского проекта. Проект, по словам директора Idaho Power по защите окружающей среды Бретта Дюма, должен «оценить сочетание технологий производства электролитического водорода и гидрогенерации, чтобы определить сценарии, которые могут помочь компании достичь своей цели по обеспечению на 100% чистой энергии к 2045 году».

Семнадцать небольших ГЭС, которыми управляет Idaho Power, снабжают электроэнергией территорию площадью в 24 000 квадратных миль в штатах Айдахо и Орегон. Идея в том, что электролиз поможет стабилизировать сеть: в часы низкой нагрузки водород будет производиться и накапливаться, а при пиковом спросе - сжигаться для получения недостающей электроэнергии; благодаря этому можно будет полностью отказаться от резервной генерации с использованием ископаемого топлива. Важен и второй продукт электролиза - кислород: он послужит решению экологических задач. В маловодный период, в конце лета - начале осени, особенно в засушливые годы, рыба и другие обитатели вод страдают от нехватки кислорода. На одном из своих водохранилищ, где проблема ощущается особенно остро, Idaho Power наряду с другими методами искусственной аэрации воды применяет её обогащение чистым кислородом. Электролизёры позволят компании распространить эту хорошо зарекомендовавшую себя практику на другие водоёмы и перейти с покупного кислорода на собственный.

Хотя выработка энергии на ГЭС значительно более предсказуема, чем на солнечных и ветровых станциях, планирование производства водорода и кислорода для Idaho Power остаётся сложной оптимизационной задачей. Чтобы правильно учесть сразу несколько групп факторов, исследователи применяют передовые методы компьютерного моделирования.

Узел будущей сети

В апреле немецкая энергетическая компания RWE и трубопроводный оператор Badenova объявили о начале строительства электролизной установки мощностью 50 МВт на принадлежащей RWE русловой гидроэлектростанции RADAG в Альбруке. Водород, который установка начнёт вырабатывать с конца 2026 года, предполагается продавать промышленным и транспортным предприятиям, расположенным на Верхнем Рейне. Кроме того, Badenova планирует построить восьмикилометровый трубопровод между Альбруком и Вальдхутом на границе со Швейцарией; впоследствии он должен войти в разветвлённую сеть водородопроводов, которая создаётся в рамках совместной германо-франко-швейцарской инициативы 3H2 по замещению газовых сетей водородными. Эта инициатива охватывает небольшой треугольник земли на стыке трёх стран; в более отдалённой перспективе (около 2040 года) планируется подключение к Европейской водородной магистрали, которая к тому времени должна быть построена.

ГЭС RADAG в Альбруке будет питать 50-мегаваттный электролизёр

Кислород и технологическое тепло как побочные продукты электролиза будут использоваться в планируемом оздоровительном парке Альбрука, в новом жилом квартале на месте бывшей бумажной фабрики и на очистной станции неподалёку от ГЭС.

Нужно больше водорода

Восьмого августа Китайская национальная нефтегазовая корпорация (CNPC) начала в Юймэне, на реке Шиюхэ, строительство гидроэлектростанции. Река протекает по территории нефтяного месторождения, эксплуатируемого CNPC. Энергия, вырабатываемая ГЭС, будет направлена на производство экологически чистого водорода.

В Юймэне уже работает электролизёр, питаемый от фотоэлектрической станции мощностью 30 МВт, смонтированной на западном берегу Шиюхэ, но производимого там водорода местным нефтяным промыслам не хватает. Новый модуль, который будет подключён к ГЭС, рассчитан на производство 2100 тонн водорода в год. Сооружаются также компрессорный цех и надземный трубопровод длиной 6,7км, по которому сжатый водород будет перемещаться к нефтеперерабатывающему заводу и к нефтехимическому комплексу.

Размер имеет значение

В декабре 2020 года немецкий промышленный концерн Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers выиграл тендер канадской генерирующей компании Hydro-Québec на сооружение в Варенне (Квебек) установки для электролиза воды с рекордной мощностью 88 МВт (ожидается, что выпуск водорода там превысит 11 000 тонн в год). Этот рекорд вскоре был побит самим же концерном, который в январе 2022-го заключил соглашение с Shell о постройке в порту Роттердама электролизёра мощностью 200 МВт (энергией его, впрочем, будет снабжать не ГЭС, а морской ветропарк). Чтобы облегчить строительство гигантских электролизёров, Thyssenkrupp использует крупнейшие в мире стандартные блоки. Концерн поставил перед собой задачу вскоре выйти на показатели во многие сотни мегаватт и гигаватты. При этом масштабирование производства должно обеспечить снижение цены водорода.

Модульные электролизёры компании Thyssenkrupp

Канадский проект движется не без проблем: в 2022 году Hydro-Québec вышла из числа его финансистов, объясняя своё решение как стратегическими, так и тактическими бизнес-соображениями. В частности, тем, что оператором электролизного производства и оператором завода по получению с его помощью биотоплива (такой завод запланировала компания Enerkem) должно быть одно и то же лицо. Правительство Квебека приняло решение выделить на продолжение проекта средства, равные вкладу Hydro-Québec. Эти средства, частью в виде кредита, частью - в виде привилегированных акций выданы компании RCV (Recyclage Carbone Varennes), которая занимается производством как чистого водорода, так и биотоплива. Несмотря на финансовые пертурбации, проект продолжается.