Жилье на водороде

С. Шовкопляс

Замечательная идея – использовать возобновляемую энергию для энергетического водородного цикла, когда водород, полученный из обычной воды, можно использовать и для получения тепла, и для генерации электроэнергии – после упорных научных изысканий и инженерных инноваций получила новый импульс, который вскоре позволит перейти к ее массовому воплощению на совершенно новом уровне

«Мы буквально купаемся в энергии»

Примерно такие слова произнес более семи лет назад американский энтузиаст идеи «водородной» возобновляемой энергетики Майкл Стризки, которому удалось практически воплотить ее для обогрева и электрификации своего жилья. Свой хорошо утепленный дом Майкл оснастил оборудованием, которое работает по «классическому» циклу использования электролиза воды на водород и кислород, применяя в качестве источника электричества возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – солнечные панели и ветрогенератор.

Схема, по которой Майкл и обогревает, и обеспечивает свое жилье электричеством, теплом и даже чистой водой, показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема «водородного» цикла получения электроэнергии и тепла из ВИЭ для жилья

Электричество, полученное от солнечных панелей и/или ветрогенераторов, трудно и дорого хранить в количествах, которые бы перекрывали потребность в энергии, например, на 3-6 месяцев (на весь отопительный сезон). Есть регионы, где производительность ВИЭ в это время падает в разы по сравнению с пиковой генерацией в летнее время. Намного легче избыток энергии преобразовывать в такую форму, которую легко хранить. Например, в сжатый газ в баллонах. Например – в водород. А он получается электрическим разложением обычной воды (электролиз) на составляющие - О₂ и Н₂.

Водород накапливается в баллонах под давлением (в целях безопасности, хотя это и не очень компактный способ, водород хранится под давлением до 14 бар). В специальных ячейках (т. н. «топливных элементах», см. рис. 2) водород в присутствии кислорода из воздуха можно снова превращать в воду. При этом выделяется электроэнергия и тепло.

Рис. 2. Схема работы топливных элементов

Электроэнергия используется как от солнечных панелей и ветрогенераторов, так и из топливных элементов, когда это необходимо. Выделяемое на топливных элементах помимо электричества тепло можно использовать для подогрева воды в ГВС и/или для отопления (в зимний период). При этом снова образуется вода, которую можно вернуть для процесса электролиза или в качестве высокоочищенной питьевой воды.

Кроме того, при необходимости водород можно использовать для получения тепла методом прямого сжигания, подобно природному газу, или каталитического сжигания в «беспламенных» каталитических горелках. Продукт сгорания – вода, а именно, водяной пар.

Отличная идея! Перед нами абсолютно экологически чистый устойчивый источник энергии, который избавлен от главных недостатков ВИЭ – неравномерной генерации в течение суток и времени года.

Эту идею и реализовал практически Майкл Стризки для своего дома еще в 2012 г. Его хорошо утепленный дом с оптимизированными энергосберегающими приборами потреблял максимум 10 кВт·ч электроэнергии в сутки, в то время как фотоэлектрические панели и ветряк в удачный день вырабатывали 90 кВт·ч или даже более. Весь избыток энергии от временной перегенерации Майкл направлял на электролизер, и полученный в нем водород хранил в баллонах под низким давлением и использовал при необходимости (например, для электроснабжения ночью). Однако накопленного к зиме избытка водорода, полученного в жаркое время и хранящегося в 10 баллонах для пропана (общим объемом 538 м³), хватает Майклу для того, чтобы полностью автономно обеспечивать весь свой дом и всю бытовую технику электричеством и теплом в течение 3,5 месяцев. Майкл утверждает, что мы полностью окружены энергией и теплом, что все вокруг нас – энергия. Идет дождь – это вода, а значит энергия. Светит солнце и дует ветер – это снова энергия. Нет воды – ее можно получить из накопленной в виде водорода энергии солнца и ветра.

Почему же до сих пор эта идея, уже реализованная практически, не получила массового распространения?

Все дело в цене. После многократных преобразований энергии из одной формы в другую потери на это могут превышать 50% или даже больше. С учетом эффективности преобразования энергии на солнечных панелях и ветряках общий КПД энергосистемы Майка составляет всего 3%, максимум – 5%. То есть, все компоненты системы нужно спроектировать с огромным запасом по установленной мощности. А это, по меньшей мере, недешево.

Долгожданный технологический прорыв

Чтобы резко повысить эффективность схемы типичного «водородного» энергетического цикла, показанного на рис. 1, нужно удалить из него самое энергоемкое звено – электролизер.

И вот, в начале этого года ученые и инженеры из старинного Левенского католического университета во Фландрии (Бельгия) объявили, что создали солнечную панель, которая вырабатывает водород напрямую, без дополнительных устройств.

Команда профессора Йохана Мартенса разработала устройство, которое устойчиво превращает солнечный свет и водяной пар из окружающего воздуха в газообразный водород.

По словам исследователей, после десяти лет упорных усилий одна панель стандартного размера теперь может производить 250 литров H₂ в день. Это мировой рекорд. Двадцать таких солнечных панелей могут обеспечивать электричеством и теплом дом для одной семьи в течение всего года. Еще двадцать панелей смогут обеспечить семейное авто на водороде для пробега на целый год. Или превратить этот водород в электричество для семейного электромобиля. И тоже на год.

Газообразный водород – это энергетический ресурс, который можно хранить и транспортировать, и он может быть легко преобразован по желанию в электричество и/или тепло. Газ не выделяет парниковых газов или токсичных веществ, при условии, что для его получения тоже используется «чистая» энергия.

Лишь стоит лучам солнца попасть на эту «водородную» солнечную панель, как тут же через стеклянный расходомер, заполненный водой, видно, как образуются пузырьки водорода. «Это уникальное сочетание физики и химии. Вначале эффективность составляла всего 0,1%, и почти не было молекул водорода. Теперь водород идет пузырями», – говорит Мартенс.

Обычная солнечная панель преобразует от 18% до 20% солнечной энергии в электричество. Если затем использовать эту электроэнергию для разложения воды на газообразный водород и кислород в электролизере, потеряется много энергии. «Водородная» солнечная панель Мартенса на сегодня преобразует 15% солнечного света прямо в газообразный водород.

Водород на самом деле легче хранить, чем электричество. Для хранения электричества требуются дорогие аккумуляторы, которые к тому же медленно теряют напряжение из-за саморазряда. Хранить электроэнергию в недешевых аккумуляторных батареях с лета до зимы – крайне неэффективно. С водородом – совсем другая история. Газообразный водород, полученный летом, может храниться под давлением в подземном резервуаре до зимы с минимальными утечками. Одной семье потребуется резервуар для водорода размерами около 4 м³. Это габариты обычного подземного бака для отопительного мазута, широко применяемого для отопления в Европе.

К тому же, безопасная система хранения водорода под низким давлением обойдется намного дешевле мощной установки хранения электроэнергии в аккумуляторных батареях в течение нескольких месяцев. «Мы хотели создать что-то устойчивое, доступное по цене и которое можно использовать практически везде. Мы используем дешевое сырье и не нуждаемся в драгоценных металлах или других дорогих компонентах», – говорит Йохан Мартенс о своей мотивации.

Дополнительное преимущество газообразного водорода в том то, что он может заменить ископаемое топливо. Около 80% нашей энергии поступает из нефти, газа или угля. Однако с развитием технологий безопасного и длительного хранения газообразного водорода вполне можно полностью заменить им ископаемые углеводороды всех видов – нефть, уголь, природный газ.

Возможности и риски

По словам проф. Мартенса, вскоре в городке Оуд-Хеверли во Фламандском Брабанте на одном из домов будут установлены 20 водородных газовых панелей для натурных испытаний системы солнечно-водородного энергоснабжения жилья. Если испытания пройдут удачно, вскоре системой энергоснабжения на водородных панелях будут обустроены еще 39 семейных домов. По результатам работы этих 40 систем можно будет накопить необходимую статистику для ТЭО для массового производства.

Тем не менее, водородный газ имеет свои недостатки и на данном уровне развития технологий несет собственные риски. Как и большинство видов топлива, газообразный водород (хотя на самом деле водород – это металл!) легко воспламеняется. Это создает опасность, особенно в закрытых помещениях. Однако, в отличие от тоже взрывоопасного природного газа, при утечке «расползающегося» по полу и охотно затекающего в подвальные помещения, водород очень легкий и при утечке немедленно поднимается вверх, а не распространяется понизу.

Рис. 3. Солнечная «водородная» панель, разработанная в университете KU Leuven, Бельгия

На сегодня реальная стоимость водородных солнечных панелей пока достоверно неизвестна, так как массовое производство еще не началось. На рис. 4, где показан лабораторный узел учета выделения водорода на панели, изображенной на рис. 3, даже видна дата публичной демонстрации этой новой технологии – 21 февраля 2019 г. Однако технико-экономические расчеты подтверждают, что при серийном производстве эта экологичная технология будет доступной.

Рис. 4. Лабораторный узел учета водорода, 21 февраля 2019 г.

Это изобретение может полностью изменить будущее зеленой энергетики. Основной упор будет сделан не столько на большие промышленные установки, сколько на сочетание небольших локальных систем. Возможность накапливать и длительно хранить возобновляемый энергоресурс для использования в нужное время и этим устранить минусы от присущей ВИЭ неравномерности генерации – главнейший фактор, сдерживающий сегодня глобальную «энергетическую транзицию» (переход от энергетики сжигания углеводородов на тотальное использование ВИЭ). Кроме того, водород в виде газа под давлением можно будет доставлять в другие места, подобно нынешним энергоресурсам. Это позволит устранить еще одно препятствие на пути повсеместного внедрения ВИЭ, когда генерация в большей мере привязана к месту ее потребления, а эффективность во многом зависит от географического местоположения. Еще большие перспективы для транспортирования водорода открывает технология его сжатия до металлического состояния. Исследователи в любом случае настроены оптимистично.

По материалам публикаций университета KU Leuven, Бельгия.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 10 168