Исследователи ETH Самуэль Хайнигер (слева, с банкой железной руды) и профессор Венделин Старк перед тремя железными реакторами в кампусе Хёнггерберга ETH Zurich. (Фото: ETH Zurich)
Хранение водорода — дорогое и неэффективное занятие. На пилотной установке в кампусе ETH Zurich в Хёнггерберге исследователи ETH показывают, как это может вскоре измениться.
Исследователи реагируют водородом с оксидом железа в трех реакторах. Полученное железо легко хранить и преобразовывать обратно в водород и оксид железа.
Пилотную установку планируется расширить таким образом, чтобы к 2026 году пятая часть потребностей кампуса Хёнггерберг в зимней электроэнергии могла быть покрыта за счет солнечной энергии.
Фотоэлектричество должно покрыть более 40 процентов потребностей Швейцарии в электроэнергии к 2050 году. Но солнечная энергия не всегда доступна, когда она нужна: ее слишком много летом и слишком мало зимой, когда солнце светит реже, а тепловые насосы работают на полную мощность. Согласно Энергетической стратегии швейцарского федерального правительства, Швейцария хочет закрыть зимний дефицит электроэнергии за счет сочетания импорта, ветро- и гидроэнергетики, а также альпийских солнечных электростанций и газовых электростанций.
Один из способов минимизировать потребность в импорте и газовых электростанциях зимой — производить водород из дешевой солнечной энергии летом, которую затем можно было бы преобразовать в электричество зимой. Однако водород легко воспламеняется, чрезвычайно летуч и делает многие материалы хрупкими. Хранение газа с лета до зимы требует специальных герметичных контейнеров и технологий охлаждения. Это требует большого количества энергии, а многочисленные меры предосторожности, которые необходимо соблюдать, делают строительство таких хранилищ очень дорогим. Более того, водородные баки никогда не бывают полностью герметичными, что наносит вред окружающей среде и увеличивает расходы.
Теперь исследователи из ETH Zurich под руководством Венделина Старка, профессора функциональных материалов на кафедре химии и прикладных биологических наук, разработали новую технологию сезонного хранения водорода, которая намного безопаснее и дешевле существующих решений. Исследователи используют хорошо известную технологию и четвертый по распространенности элемент на Земле: железо.
Хранение химикатов
Чтобы лучше хранить водород, Старк и его команда полагаются на процесс парового железа, который был понятен с 19 века. Если в летние месяцы есть избыток солнечной энергии, ее можно использовать для расщепления воды для получения водорода. Затем этот водород подается в реактор из нержавеющей стали, заполненный природной железной рудой при температуре 400 градусов по Цельсию. Там водород извлекает кислород из железной руды, которая в химическом смысле является просто оксидом железа, в результате чего получается элементарное железо и вода.
«Этот химический процесс похож на зарядку аккумулятора. Это означает, что энергия в водороде может храниться в виде железа и воды в течение длительного времени практически без потерь», — говорит Старк. Когда энергия снова нужна зимой, исследователи меняют процесс: они подают горячий пар в реактор, чтобы превратить железо и воду обратно в оксид железа и водород. Затем водород можно преобразовать в электричество или тепло в газовой турбине или топливном элементе. Чтобы свести энергию, необходимую для процесса разрядки, к минимуму, пар генерируется с использованием отработанного тепла от реакции разрядки.
Процесс зарядки и разрядки для технологии хранения. (Визуализации: ETH Zurich)
Дешевая железная руда встречается с дорогим водородом
«Большим преимуществом этой технологии является то, что сырье, железную руду, легко добывать в больших количествах. Плюс, ее даже не нужно обрабатывать перед тем, как мы поместим ее в реактор», — говорит Старк. Более того, исследователи предполагают, что крупные хранилища железной руды могут быть построены по всему миру без существенного влияния на мировую рыночную цену железа.
Реактор, в котором происходит реакция, также не должен соответствовать каким-либо особым требованиям безопасности. Он состоит из стенок из нержавеющей стали толщиной всего 6 миллиметров. Реакция происходит при нормальном давлении, а емкость хранилища увеличивается с каждым циклом. После заполнения оксидом железа реактор можно повторно использовать для любого количества циклов хранения без необходимости замены его содержимого. Еще одним преимуществом технологии является то, что исследователи могут легко расширить емкость хранилища. Это просто случай строительства более крупных реакторов и заполнения их большим количеством железной руды. Все эти преимущества делают эту технологию хранения примерно в десять раз дешевле существующих методов.
Однако есть и обратная сторона использования водорода: его производство и преобразование неэффективны по сравнению с другими источниками энергии, поскольку до 60 процентов его энергии теряется в процессе. Это означает, что в качестве среды хранения водород наиболее привлекателен, когда доступно достаточное количество энергии ветра или солнца, а другие варианты исключены. Это особенно касается промышленных процессов, которые нельзя электрифицировать.
Пилотная установка на территории кампуса Хёнгерберг
Исследователи продемонстрировали техническую осуществимость своей технологии хранения с помощью пилотной установки в кампусе Хёнгерберг. Она состоит из трех реакторов из нержавеющей стали емкостью 1,4 кубических метра, каждый из которых исследователи заполнили 2–3 тоннами необработанной железной руды, доступной на рынке.
Котел из нержавеющей стали в сарае.
Этот реактор из нержавеющей стали объемом 1,4 кубометра в кампусе Хёнгерберг вмещает 2–3 тонны необработанной железной руды. (Фото: ETH Zurich)
«Пилотная установка может хранить около 10 мегаватт-часов водорода в течение длительного времени. В зависимости от того, как вы преобразуете водород в электричество, это даст вам где-то от 4 до 6 мегаватт-часов энергии», — объясняет Самуэль Хайнигер, докторант исследовательской группы Старка. Это соответствует потребности в электроэнергии от трех до пяти швейцарских односемейных домов в зимние месяцы. В настоящее время система по-прежнему работает на электричестве из сети, а не на солнечной энергии, вырабатываемой в кампусе Хенггерберг.
Скоро это изменится: исследователи хотят расширить систему таким образом, чтобы к 2026 году кампус ETH Hönggerberg мог покрывать одну пятую своих зимних потребностей в электричестве, используя собственную солнечную энергию, вырабатываемую летом. Для этого потребуются реакторы объемом 2000 кубических метров, которые могли бы хранить около 4 гигаватт-часов (ГВт·ч) зеленого водорода. После преобразования в электричество сохраненный водород будет вырабатывать около 2 ГВт·ч энергии. «Эта установка могла бы заменить небольшое водохранилище в Альпах в качестве сезонного хранилища энергии. Для сравнения, это составляет примерно одну десятую мощности гидроаккумулирующей электростанции Нант-де-Дранс», — говорит Старк. Кроме того, процесс разрядки будет генерировать 2 ГВт·ч тепла, которое исследователи хотят интегрировать в систему отопления кампуса.
Хорошая масштабируемость
Но можно ли использовать эту технологию для сезонного хранения энергии для всей Швейцарии? Исследователи провели некоторые предварительные расчеты: обеспечение Швейцарии примерно 10 тераватт-часами (ТВт·ч) электроэнергии из сезонных систем хранения водорода каждый год в будущем — что, по общему признанию, было бы очень много — потребовало бы около 15–20 ТВт·ч зеленого водорода и примерно 10 000 000 кубометров железной руды. «Это около 2 процентов от того, что Австралия, крупнейший производитель железной руды, добывает каждый год», — говорит Старк. Для сравнения, в своих энергетических перспективах 2050+ Швейцарское федеральное управление энергетики прогнозирует общее потребление электроэнергии около 84 ТВт·ч в 2050 году.
Если бы были построены реакторы, которые могли бы хранить около 1 ГВт·ч электроэнергии каждый, их объем составил бы около 1000 кубических метров. Для этого требуется около 100 квадратных метров земли под застройку. Швейцарии пришлось бы построить около 10 000 таких систем хранения, чтобы получать 10 ТВт·ч электроэнергии зимой, что соответствует площади около 1 квадратного метра на одного жителя.
Коалиция за зеленую энергетику и хранение (CGES)
Этот проект является частью Коалиции за зеленую энергию и хранение , которую ETH Zurich запустил в 2023 году совместно с EPFL, PSI и Empa, и продвигает ее вперед вместе с промышленными партнерами, включая крупных швейцарских поставщиков энергии и органы власти. Коалиция поставила перед собой цель быстро вывести инновационные технологии для производства и хранения углеродно-нейтральных газов и топлива, а также для улавливания CO2 на рынок. В рамках CGES будут построены более крупные пилотные установки («катапульты») для тестирования этих технологий и внесения важного вклада в климатически нейтральную трансформацию энергетической системы и безопасность поставок. Следующим шагом станет создание ассоциации, которая объединит заинтересованные стороны, предоставит им научную поддержку и руководство и будет способствовать реализации проектов.
Кристоф Элхардт
Ссылка
Литература: Heiniger, SP; Fan Z; Lustenberger UB, Stark WJ: Безопасное сезонное хранение энергии и водорода в пилотном реакторе размером 1:10 для одного домохозяйства на основе процесса парового железа. Sustainable Energy & Fuels 2024, 8 (1), 125-132. внешняя страница