Водородная интеграция

Интерес мировой науки к производству водорода с использованием возобновляемых источников энергии возник сравнительно недавно, хотя попытки задействовать его в энергетике предпринимаются с 1970-х годов. В Японии исследования начались в 1974-м, когда был запущен исследовательский проект Sunshine («солнечный свет»), и продолжились после 1978-го в проекте Moonlight («лунный свет») по созданию водородных топливных элементов.

Стратегия развития водородной энергетики в стране была формализована в 2014-м с принятием Четвёртого основного энергетического плана, в котором было заявлено, что «наступило время всесторонне обсудить возможность выстроить "водородное сообщество", использующее водород как источник энергии». Этот план был принят через три года после фукусимской катастрофы, когда всю энергетику страны трясло и компании терпели большие убытки из-за необходимости импортировать углеводороды в рекордных объёмах на фоне неопределённости с перезапуском атомных реакторов. Документ определил водороду центральную роль в будущем электрической и тепловой генерации. Однако легко сказать, да трудно сделать. Прежде чем причислить водород к энергоносителям и начать широко применять его на практике, нужно провести ряд исследовательских и демонстрационных проектов.

Проба технологий

Министерство экономики, торговли и промышленности Японии организовало совет из представителей производственных компаний, научных учреждений и государства для того, чтобы обсудить подходы к развитию водородной энергетики. Вскоре ведомство выпустило «дорожную карту» по развёртыванию стационарных установок на топливных элементах и строительству водородных электростанций. Большие задачи в этом документе поставлены для NEDO - японского исследовательского агентства по развитию новой энергетики и промышленности. Оно должно заняться водородной электрогенерацией и различными технологиями получения водорода с помощью возобновляемой энергии, включая электролиз.

NEDO быстро взялось за дело, уже в 2014-м организовав участки опытного производства водорода мощностью от 5 до 30 м³/ч. По мере получения обнадёживающих результатов водородные НИОКР начали привлекать внимание энергетических компаний. В 2016 году корпорация Toshiba Energy Systems & Solutions объявила об организации Фукусимского полигона водородной энергетики (Fukushima Hydrogen Energy Research Field - FH2R) совместно с компаниями Tohoku Electric Power и Iwatani.

Проект, отражённый в Пятом основном энергетическом плане Японии и тем самым получивший статус национального, был сфокусирован на развитии промышленных технологий получения, хранения и использования водорода. Строительство полигона началось в июле 2018 года и в целом было завершено к марту 2020-го.

На сегодня FH2R - крупнейший проект своего рода. На площади 180 тыс. м² размещены солнечная фотоэлектрическая станция мощностью 20 МВт, подстанция для подключения к внешней электрической сети, 10-мегаваттный электролизёр и другое оборудование. Согласно разработчикам проекта, система (см. рисунок) рассчитана на производство до 1200 кубометров газа в час.

Система, развёрнутая на Фукусимском полигоне водородной энергетики

Главные цели проекта - проверить систему управления водородным кластером, чтобы достичь оптимального соотношения мощностей производства и хранения газа, а также обеспечить балансировку электрической микросети без использования аккумуляторных батарей.

Хлорно-щелочной электролизёр Aqualyzer разработан и построен подразделением химической компании Asahi Kasei. Заказ на него поступил от компании Toshiba в 2017-м. После инсталляции электролизёра в 2019 году было проведено несколько его пробных запусков, чтобы убедиться, что водород имеет требуемое качество и допускаются вариации потребляемой мощности. Установка, находящаяся в эксплуатации с марта 2020 года, вместе с водородом производит хлор и едкий натр.

Электролизная установка Aqualyzer

Корпорация Toshiba Energy Systems & Solutions, выполнившая разработку проекта, поставку оборудования и инжиниринг, сегодня отвечает за всю водородно-энергетическую систему и администрирование полигона. Компания Tohoku Electric управляет его электрической сетью, а Iwatani - системами производства и хранения водорода таким образом, чтобы выдерживался баланс мощности в электрической микросети. Как сообщает Toshiba, система в целом работает, как ожидалось: «Производство, хранение и потребление водорода балансируется в соответствии с прогнозами спроса на этот вид топлива, одновременно поддерживается баланс электрических нагрузок в сети полигона». С учётом нововведений в нормативной базе японской энергетики в прошлом году была добавлена возможность выдавать энергию солнечной станции во внешнюю сеть.

Потребители

Малая водородная электростанция (3,5 кВт) на основе топливных элементов, используемая для собственных нужд полигона, появилась на площадке в 2020-м. Тем временем находящийся неподалёку посёлок Намиэ расширяет свою промышленную зону, которая будет потреблять возобновляемую энергию солнца и водород, поступающий по трубопроводу с полигона FH2R.

Здесь сверхзадача - оценить возможность выхода на углеродную нейтральность (то есть полного отказа от углеводородного топлива) с помощью возобновляемых источников энергии через получение «зелёного» водорода и его применение на производстве, на транспорте и в быту.

Рассматриваются перевод жителей посёлка на водородные автомобили, оснащение индивидуальных домов и малых предприятий топливными элементами, организация тепло- и электроснабжения общественных зданий от водородных микроТЭС, а также развитие «водородного туризма».

Сегодня, когда уже стало очевидно, что проект FH2R успешен, агентство NEDO планирует масштабировать электролизную установку, а заодно и полуторамегаваттную электрогенерирующую систему на основе топливных элементов с протонообменной мембраной, построенную в префектуре Яманаси. На подобные цели правительство страны собирается в течение ближайших десяти лет потратить свыше трёх миллиардов долларов.

К новым масштабам

В августе 2021 года агентство NEDO приняло предложение компаний Asahi Kasei и JGC Holdings совместно продемонстрировать возможность построить электролизную систему мощностью до 100 МВт и при ней - «зелёный» химзавод, использующий возобновляемую энергию. «Для демонстрации и коммерциализации системы щелочного электролиза на мощности, исчисляемые двузначными числами в мегаваттах, потребуется весь опыт, накопленный в проекте FH2R, а также модульная технология для параллельной инсталляции электролизёров, чтобы удовлетворить потребности рынка с учётом факторов безопасности, производительности и стоимости», - сообщила компания Asahi Kasei. Участники этого проекта будут разрабатывать систему управления «зелёным» химзаводом и оптимизировать его работу под вариации объёмов водородного сырья, неизбежные ввиду переменчивого характера возобновляемой генерации.

* * *

Как говорится, не было бы счастья, да фукусимское несчастье помогло. В Японии строительство водородно-энергетических систем началась задолго до того, как по всему миру водород стали считать перспективным энергоносителем.