Как выгоднее передавать зеленую энергию от полей ветрогенераторов до потребителей − через водородные трубопроводы или линии электропередачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC)? Оксфордский институт энергетических исследований попытался сравнить эти технологии.
При всей неопределенности информации о водородных трубопроводах рассуждения оксфордцев любопытны как предварительная основа для возможных проектов в нашей стране, в том числе в рамках «Программы развития производства низкоуглеродного водорода в Российской Федерации», согласно которой потенциальный экспорт зеленого водорода из РФ к 2050 году может составить до 50 млн тонн.
ОИЭИ сразу предупреждает, что рассмотрение этих технологий только как самостоятельных конкурентов противоречит их взаимодополняющему характеру. Решения о том, какой технологии отдать предпочтение, зависят от таких факторов, как существующая инфраструктура, адаптивность, оценка рисков и общественное признание.
Решающую роль в выборе проектов также будут играть такие факторы, как рыночная зрелость соответствующего направления энергетики, государственная политика и нормативно-правовая база.
Концепция преобразования возобновляемой энергии в получение углеродно-нейтрального водорода получила значительное распространение, так как зеленый водород не только обладает потенциалом для интеграции возобновляемых источников энергии и энергосистемы, но и может служить универсальным продуктом и сырьем для декарбонизации труднодоступных секторов, которые вряд ли полностью перейдут к электрификации, таких, например, как химическая или сталелитейная промышленность.
Препятствия для транспортировки водорода состоят в его уникальных физических свойствах по сравнению с природным газом, делающих передачу водорода дорогостоящей и технически проблемной. В это же время передача тока по проводам является стандартной процедурой.
Сегодня для передачи энергии на дальние расстояния наиболее распространены системы передачи высоковольтного переменного тока (high-voltage alternating current, HVAC). Их протяженность примерно 4,7 млн км по всему миру. Но недостатки HVAC привели к развитию высоковольтных линий электропередачи постоянного тока (high-voltage direct current, HVDC). Совокупная протяженность линий HVDC во всем мире на 2020 год составляла чуть более 100 тыс. км, а совокупная передаваемая мощность превышает 30 ГВт.
Одно из важнейших преимуществ постоянного тока − генераторы в линиях электропередачи могут работать несинхронно или даже с различными частотами (устраняется кошмар энергетиков по рассинхронизации вращения всех турбин в сети).
Экономическая граница между протяженностью линий переменного и постоянного тока лежит в пределах 800–1000 км для передач без промежуточного отбора мощности и 1000–1400 км с промежуточным отбором 25–50 % передаваемой мощности. Допустимая напряженность электрического поля для кабелей постоянного тока в 5–6 раз выше, чем для кабелей переменного тока. Для сравнения приводим фото линий.
Воздушная линия переменного тока напряжением 750 кВ
Воздушная линия постоянного тока напряжением 800 кВ
Источник: https://elektro-montagnik.ru/?address=lectures/part2/&page=page1
Общая протяженность действующих водородных трубопроводов по всему миру в настоящее время составляет приблизительно 4,5 тыс. км (по сравнению с 100 тыс. км линий HVDC), они в основном расположены в Европе и Северной Америке. В Европе к 2040 году планируется построить 30,3 тыс. км трубопроводов.
Хотя амбициозные водородные инициативы получили существенную политическую поддержку в ведущих экономиках мира, перспективы их реализации остаются неопределенными. В докладе приведена таблица для 10 крупнейших предполагаемых водородных проектов: все они находятся на стадиях «начало» (ealy) и «самое начало» (very ealy).
Высокая стоимость строительства трубопроводов H2, которая, по оценкам, на 10–68 % выше, чем у трубопроводов природного газа, по-видимому, является одной из существенных причин того, что в ситуации, когда спрос на водород все еще не определен, инвестиции в инфраструктуру доставки водорода не столь активны, как могли бы быть.
Перепрофилирование существующих трубопроводов природного газа для транспортировки водорода могло бы ускорить этот процесс. По оценкам, использование существующих сетей природного газа для транспортировки водорода может быть в четыре раза более рентабельным, чем строительство полностью новых трубопроводов.
Однако важно признать, что, хотя этот подход технически осуществим и экономически жизнеспособен, ключевые характеристики трубопроводов, используемых для доставки водорода, существенно отличаются от трубопроводов, предназначенных для природного газа.
Плотность потока энергии при атмосферном давлении у газа в 8 раз выше, чем у водорода. Толщина стенок трубопроводов для водорода в 1,5–2 раза больше, чем для газа, а энергия для сжатия при транспортировке до 500 бар − в 10 раз больше.
Принципиальный вопрос доклада − что выгоднее, водород или линии постоянного тока. В докладе утверждается, что обычно ожидаемые потери от линий HVDC составляют до 3 % на 1000 км, а у водородопроводов − около 0,5–1 % на 1000 км. Но если возобновляемая энергия используется для выработки зеленого водорода, который затем будет перекачиваться по трубопроводу, значительное количество энергии будет потеряно из-за неэффективности компонентов, участвующих в преобразовании электроэнергии в H2. В электролизерах будет теряться 10–32 %, еще 5–15 % потерь придется на выпрямители переменного/постоянного тока и опреснительные установки, плюс дополнительные потери до 20–25 % энергии в резервных батареях и компрессорах. Эти потери составляют около 40,5 % или выше (по сравнению с 8–18 % в случае линий HVDC). В докладе приведен пример потерь для трех вариантов (9,6 МВтч − суточная выработка ветряной турбины 10 МВт при КИУМ 40 %).
В самом худшем случае для водородного трубопровода до потребителя из 9,6 МВтч доходит 1,152 МВтч (12 %), для HVDC − 7,872 (82 %). Но если потребителю нужен именно водород для обезуглероживания, например выплавки стали, особой разницы в потерях не будет.
В одном из комментариев к докладу было высказано предположение, что публикация − заказ электроэнергетиков против развития водородных сетей в Великобритании как прямого конкурента за бюджетные деньги.
Предположение не лишено оснований. Авторы приводят оценку замены «Северного потока – 2» ветряными турбинами мощностью 10 МВт − требуется 15 625 турбин. А для снабжения экологически чистым водородом 12 из 20 крупнейших сталелитейных заводов ЕС ветряные турбины должны занять площадь 25,872 тыс. кв. км (площадь половины Хорватии).
Все еще неясно, считают авторы, будут ли построены все объявленные водородопроводы и будут ли произведены огромные объемы экологически чистого водорода, который затем будет перекачиваться по этим трубопроводам. И имеет ли смысл эксплуатировать такие водородные трубопроводы только для экологически чистого водорода? Например, начатый в 2000 году 30-мегаваттный проект производства зеленого водорода за счет ВИЭ-энергии Westküste 100 в Хайде (Германия) был в середине ноября остановлен инвесторами из-за высоких затрат, несмотря на обещанные государством субсидии в 36 млн евро.
Пока же сторонники водородопроводов упирают на то, что удельные затраты на транспортировку водорода по трубам по суше меньше, чем по линиям HVDC.
***
Комментарий ИРТТЭК. Можно согласиться с авторами, что, помимо выбора наиболее подходящего варианта для конкретных применений и проектов энергоснабжения, полезно рассматривать все альтернативы передачи энергии не изолированно, а как неотъемлемые компоненты более крупной, взаимосвязанной энергетической системы страны и региона. Целостная энергетическая система редко ведет себя так же просто, как сумма ее составных частей, поэтому, наряду с оценкой чисто технико-экономических характеристик, лица, принимающие решения, должны уделять приоритетное внимание изучению динамики, взаимодействий и взаимосвязей между различными компонентами в рамках более широкой энергетической экосистемы. Такой подход позволяет глубже понять, как изменения в одной части могут отражаться на других и в конечном счете влиять на всю систему. Данные заключения справедливы не только для энергетических систем, но и для всех систем, составляющих экономическую основу государства.
Материал подготовлен Институтом развития технологий ТЭК
Все материалы рубрики «Нефть и Газ»
04.12.2023
