Исследователи из Швейцарского федерального технологического института ETH Zurich исследовали потенциальные возможности и преимущества интеграции технологии преобразования электроэнергии в водород (Power to Hydrogen, PtH2) в низкоуглеродные «мультиэнергетические системы» (МЭС) — системы энергоснабжения, в которых обеспечено скоординированное взаимодействие электроэнергетики, тепло- и хладоснабжения, а также транспорта. Результаты опубликованы в журнале Applied Energy в статье «Power-to-hydrogen as seasonal energy storage: an uncertainty analysis for optimal design of low-carbon multi-energy systems».
Для анализа исследователи взяли четыре европейских района с сопоставимым потреблением энергии в разных климатических зонах (юг Испании, север Франции, Чехия, Норвегия) и использовали линейную модель оптимизации со смешанными целыми числами, которая используется для оценки масштабных и многосторонних проблем. С её помощью осуществлялся подбор технологий для МЭС, их размера, комбинаций, операционных режимов для удовлетворения потребности в электрической и тепловой энергии с установкой на минимизацию годовых затрат и выбросов СО2.
Для ответа на вопрос, какие факторы обусловливают включение PtH2 в оптимальную конфигурацию районной МЭС, был проведён всесторонний анализ неопределенности, который охватывал полный набор технологических (например, стоимость, эффективность, срок службы) и рамочных (экономика, политика, углеродный след энергосистемы) входных параметров.
«Новизна нашей работы состоит в разработке инструмента точной и динамической оптимизации для краткосрочных и долгосрочных стратегий накопления энергии в различных детерминированных и неопределенных условиях для демонстрации возможности использования PtH2. Влияние как районных условий, так и неопределенности на оптимальный дизайн системы выявляет топологии МЭС, критические входные параметры и компромиссы между затратами и CO2, которые следует учитывать при внедрении PtH2 в районном масштабе», — отмечают авторы.
Смоделированная мультиэнергетическая система представляет собой энергетический район, в котором энергия преобразуется и хранится централизованно в одной точке, а затем распределяется по конечным пользователям. Для моделирования были взяты следующие технологии: солнечная и ветровая энергетика, «энергия-водород» (PtH2), включая электролизёр и топливный элемент, системы накопления энергии (СНЭ) на основе литий-ионных аккумуляторов, воздушные тепловые насосы, котлы на природном газе и накопитель тепловой энергии (горячей воды).
МЭС не рассматривается как энергетически автономная единица. Присутствует подключение к магистральным газовым и электрическим сетям. Последние могут быть использованы не только для импорта, но и экспорта электроэнергии.
Отмечается, что во избежание перепроизводства энергии по сравнению с потребностями района, максимальное количество доступной генерации ВИЭ (как для солнечных фотоэлектрических систем, так и для ветроэнергетики) было ограничено, чтобы не превышать «реалистичное значение». Максимальные мощности установлены на уровнях в 2–10 раз превышающих пиковые электрические и тепловые нагрузки в зависимости от района.
Авторы показывают, что «традиционные» МЭС, состоящие из возобновляемых источников энергии, тепловых насосов и краткосрочного хранения энергии, способны снизить выбросы на 90% с помощью обычных, представленных на рынке технологий и без сколько-нибудь существенного роста затрат.
Водород, то есть технология PtH2, рассматривается в качестве средства «последней мили», позволяющего снизить выбросы на оставшиеся 5-10%. Разумеется, технология наиболее важна в районах с выраженной сезонностью, где она позволяет компенсировать долгосрочные несоответствия между производством возобновляемой энергии и спросом (в зимний период).
Если поставить цель нулевых выбросов, она достигается за счет (1) прекращения импорта электроэнергии и увеличения собственного потребления возобновляемых источников и (2) прекращения использования газовых котлов путем электрификации теплоснабжения с помощью тепловых насосов и топливных элементов. Оба эти фактора сокращения выбросов означают повышенные требования к ВИЭ и хранению энергии, что обычно приводит к увеличению количества используемых в МЭС технологий, и, таким образом, стоимости системы. В то же время ненулевой, но крайне низкий уровень выбросов (10 г/ кВт*ч) достигается с приемлемыми затратами.
Анализ показал, что наиболее важным параметром для выбора PtH2 является (1) коэффициент эффективности теплового насоса, поскольку последний является основным конкурентом водорода в обеспечении (возобновляемого) тепла зимой. Кроме того, капитальные затраты на аккумуляторную систему накопления энергии (2) и её срок службы (3) являются важными параметрами, поскольку СНЭ конкурируют с водородом в сфере хранения электроэнергии.
Таким образом, использование зеленого водорода для энергообеспечения районов возможно, но целесообразно только в качестве средства сглаживания пиков электрических и тепловых нагрузок. Выполняя роль сезонного хранилища энергии, он способен обеспечить круглогодичное энергоснабжение на основе ВИЭ, однако достижение нулевого уровня выбросов возможно лишь с «повышенными» затратами, либо при условии применения цены на выбросы CO2.
Несколько лет назад в Швейцарии был построен автономный «Дом будущего», работающий на 100% возобновляемой энергии. В нем использован тот же набор технологий, который рассматривается в статье, а производимый с помощью солнечной энергии водород обеспечивает тепло и электроэнергию в периоды пиковых зимних нагрузок.