Перспективы развития солнечно-водородной энергетики

Традиционный процесс сжигания органического топлива, который является основой получения тепловой и электрической мощностей, является одной из основных причин загрязнения воздуха вредными для человека и окружающей среды веществами. Кроме того, это обусловливает причину увеличения содержания парниковых газов в атмосфере, приводящих к росту глобальной температуры планеты. Таким образом, идет неизбежное изменение климата, среды обитания различных видов животных, границ лесов, зон вечной мерзлоты и т. д. [1]. В 2018 г. изменение климата вызвало более 300 стихийных бедствий (93% приходятся на штормы, лесные пожары, нехватку продовольствия и засухи), которые затронули судьбы более 68 млн чел. и нанесли огромный экономический ущерб на сумму около 131,7 млрд долл. [2].Другой не менее важной проблемой является ограниченность запасов традиционных видов топлива и постоянный рост их потребления. Дальнейшее истощение ископаемых ресурсов будет постепенно приводить к увеличению их стоимости, что в конечном итоге будет вызывать новые проблемы развития промышленности и общества.Подобные вызовы стали причиной большого интереса к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ), которые могут стать решением возникших проблем. При этом для достижения углеродной нейтральности глобальная доля ВИЭ, по прогнозам исследователей, должна увеличиваться с 14 до 74% с 2018 по 2050 гг.

Рассматривая возобновляемую энергетику в целом, можно выделить 5 основных групп: солнечная энергетика, гидроэнергетика, ветроэнергетика, геотермальная энергетика и использование биотоплива. При этом установки, используемые на основе подобной первичной энергии, имеют свои особенности эксплуатации, которые определяются в том числе их местоположением [3]. С практической точки зрения применение только солнечной энергии способно полностью удовлетворить потребность человечества в электрической и тепловой энергии, что делает данную область ВИЭ наиболее перспективной для исследований [4].

В контексте человечества Солнце представляет собой бесплатный и неисчерпаемый источник энергии. В настоящее время данная отрасль возобновляемой энергетики обладает стремительными темпами развития (рис. 1) [2].

Принимая во внимание только солнечную электроэнергетику, основанную на использовании фотоэлектрических преобразователей, отметим 2 главные тенденции развития данной технологии: снижение стоимости ФЭП (для достижения большей конкурентоспособности) и повышение эффективности работы (для снижения габаритных размеров установок и стоимости солнечной энергосистемы) [5].В настоящее время наиболее распространенным типом солнечных панелей являются кремниевые – они наиболее широко представлены на современном рынке. Однако развитие солнечной энергетики привело к появлению большого количества других типов ФЭП, которые принято классифицировать тремя поколениями в зависимости от материалов, используемых при их изготовлении. Для дальнейшего описания существующей классификации следует обратиться к работам [6–9].Первое поколение включает в себя монокристаллические кремниевые солнечные элементы, которые можно легко отличить по равномерной окраске и их форме (прямоугольные ячейки со скошенными углами). Другим типом являются поликристаллические панели, которые состоят из множества отдельных кристаллов, имеют прямоугольный вид с неокругленными краями. К данному поколению также следует отнести панели на основе арсенид-­галлия, они обладают большей эффективностью, однако из-за наличия дорогостоящих, редких и токсичных веществ не получили широкого распространения. Тем не менее, создание кремниевых ФЭП является относительно дорогостоящей технологией, поэтому начались поиски более дешевых методов производства преобразователей солнечной энергии.

Решением данной проблемы стали преобразователи второго поколения, к которым относятся различные типы тонкопленочных солнечных элементов. В свою очередь, они классифицируются в зависимости от фотоэлектрического материала, которым покрыта подложка: теллурид кадмия (CdTe), аморфный кремний (a-Si), диселенид меди и индия (CIS), фотоэлементы из меди, индия, галлия и селена (CIGS). Данные солнечные панели дешевле в производстве, имеют гибкую структуру, а затенение и повышенные температуры оказывают меньшее влияние на их работу. Однако главный их недостаток – относительно невысокий КПД, что сподвигло к различным разработкам третьего поколения ФЭП.

К третьему поколению относятся тандемные солнечные панели, а также новейшие виды преобразователей, такие как солнечные элементы, сенсибилизированные красителем; солнечные элементы на основе квантовых точек; перовскитные солнечные панели; органические солнечные панели; солнечные элементы из сульфида меди, цинка и олова (CZTS). Перспективы развития этого поколения связаны с разработкой долгосрочной технологии, которая будет являться экономически выгодной при крупномасштабном производстве электроэнергии на основе экологически чистых материалов с неограниченным доступом. Их многочисленные преимущества могут быть оправданы международными инвестициями и научными исследованиями, направленными на повышение эффективности, снижение затрат и расширение производства в больших масштабах.Обновленные исследования Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии США позволяют проследить развитие всех выше описанных поколений ФЭП с 1975 по 2024 гг. (рис. 2) [8].

Из рис. 2 следует, что эффективность фотоэлектрических преобразователей увеличивается с каждым годом, а площадь самих модулей при этом уменьшается. Наибольшим КПД (более 48%) в настоящее время обладают многопереходные солнечные элементы. Можно также отметить быстрое развитие новых типов фотоэлектрических преобразователей третьего поколения (emerging PV).Интеграция возобновляемых источников энергии на основе подобных устройств в действующую энергосистему сопряжена с рядом проблем, которые необходимо решить для обеспечения стабильности, надежности и эффективности ее работы. Главной проблемой является то, что приход солнечной энергии непостоянен, в связи с чем мощность СЭС может сильно колебаться от погодных условий и других факторов. Причем чем больше источников возобновляемой энергетики будет интегрировано в сеть, тем сложнее обеспечивать стабильность энергосистемы.

Возможным решением обозначенной проблемы может стать применение систем аккумулирования энергии и реализации алгоритмов резервирования мощностей на их основе. В данном направлении особенно стоит отметить водородную энергетику, которая обладает большими возможностями для решения поставленного вопроса.

В настоящее время водород рассматривается как решение декарбонизации отраслей различных видов промышленности, ввиду его достоинства как экологически чистого топлива. При его сжигании отсутствуют выбросы углекислого газа, что делает его важным инструментом для развития низкоуглеродной экономики. Кроме того, он обладает высокой массовой теплотой сгорания, которая почти в 3 раза превосходит бензин и легко воспламеняется [10].Водород, который был произведен с помощью возобновляемых источников энергии на основе электролиза воды, принято классифицировать как «зеленый» водород. Данная технология помогает объединять различные сектора экономики c ВИЭ, а общее развитие альтернативной энергетики и технологий ее производства постепенно снижают себестоимость такого «зеленого» водорода (рис. 3) [11].

Несмотря на дороговизну производства водорода как топлива [12], концепция комбинированной солнечно-­водородной энергетики приобретает все большую популярность. В такой системе предлагается преобразование части поступающей солнечной энергии в производство водорода, при этом возможно использование энергии, полученной как от солнечной энергии, так и от накопленного водорода в качестве топлива. Преимуществом такого метода является возможность промежуточного аккумулирования солнечной энергии для покрытия нагрузки в несолнечные часы по технологии «Power-to-gas» (P2G) [13].Технология P2G использует преобразование электрической энергии в химически связанную в виде газообразного вещества (как правило, водорода или метана), которая в отличие от электрической энергии обладает удобством для хранения и дальнейшего использования. Одновременно с этим данная технология позволяет снизить потребность в природном газе для различных объектов его потребления. Стоит отметить, что из накопленного водорода можно также получать метан в соответствии с реакцией Сабатье (формула 1) [14].

4Н2 + СО2 = СН4 + 2Н2О

В условиях развития обозначенной концепции солнечно-­водородной энергетики можно выделить некоторые успешные проекты, реализованные в последнее время. К ним относятся: FH2R (рис. 4, а) – самый крупный завод по производству водорода в Японии (имеет установку по производству водорода мощностью 10 МВт, для генерации используются солнечные панели) и завод компании Sinopec в Китае (рис. 4, б), который способен вырабатывать 600 млн кВт·ч в год (использует гелиостанции) [15].

В России в настоящее время также активно ведутся исследования в данной области, но с небольшим смещением фокуса использования первичной энергии для производства водорода. Согласно информации, опубликованной 17 апреля 2024 г. на сайте Центрального диспетчерского управления топливно-­энергетического комплекса, РФ намерена занять 20% мирового рынка водорода к 2030 г. При этом сообщается, что основными предпосылками для развития водородной энергетики станут декарбонизация и переход на безуглеродные источники. В указанном контексте Минэнерго России говорится о необходимости развития отечественных технологий в области водородной энергетики, а также обеспечении конкурентоспособности экономики страны в условиях глобального энергетического перехода.Отмечается, что производство «зеленого» водорода с использованием энергии возобновляемых источников планируется в Калининградской области на основе преобразования ветровой энергии. Следует обратить внимание на заявление «ЛУКОЙЛа», который планирует производить «зеленый» водород в Краснодарском крае в объеме до 13 т в год. При этом не сообщается какой вид энергии будет использоваться для этой цели [16].С учетом того, что солнечная энергетика в структуре энергобаланса возобновляемых источников энергии для нашей страны развита не так сильно, как, например, гидро- или ветроэнергетика, то действующие крупные производства «зеленого» водорода на основе солнечной энергии назвать пока сложно, хотя к этому имеется значительный технический потенциал, подобно ранее рассмотренным зарубежным проектам. Данный факт актуализирует тематику рассматриваемого вопроса о целесообразности резервирования мощностей фотоэлектрических станций в условиях производства «зеленого» водорода.

Типовая комбинированная солнечно-­водородная система, соединенная с сетью (рис. 5), состоит из солнечной фотоэлектрической системы, электролизера воды, резервуара для хранения газообразного водорода и топливного элемента. Выходы фотоэлектрической системы и топливных элементов подключены к преобразователям для преобразования электрического тока в необходимый для нагрузки вид. Избыток фотоэлектрической энергии поступает к электролизеру для генерации «зеленого» водорода, который затем хранится в специальном резервуаре под давлением для резервного использования. Накопленный газообразный водород затем преобразуется топливным элементом в электрическую энергию для удовлетворения потребностей в нагрузке в часы отсутствия фотоэлектрической генерации. Для поддержания энергетического баланса между выработкой и потреблением коммунальной сети разрешается подключаться только для покрытия любых оставшихся нагрузок, не удовлетворяемых производством возобновляемой энергии на фотоэлектрических установках и топливных элементах. Таким образом, предлагаемая комбинированная конфигурация может обеспечить безопасность энергопотребления и надежность работы энергосистемы, одновременно увеличивая объемы поставок экологически чистой энергии и снижая требования к закупкам электроэнергии в сети [17].

Пример автономной комбинированной солнечно-­водородной системы представлен на рис. 6. В дневное время доступными источниками питания для дома являются солнечная энергия, поступающая от массива солнечных панелей (Photovoltaic solar panels), и энергия, поступающая от батареи топливных элементов (Fuel cell stack), которая потребляет водород из накопительного бака (Hydrogen tank) во время работы. Водород производится с помощью электролизера (Elecrolyser) в момент наличия поступающей солнечной энергии. После захода солнца в данном случае блок топливных элементов остается единственным доступным источником питания в такой гибридной системе [18].

Успешный проект, реализованный в данном направлении уже обеспечивает 100% автономного энергообеспечения жилого дома [19]. Вся крыша здания покрыта фотоэлектрическими панелями с установленной электрической мощностью 20 кВт и годовой выработкой около 20 кВт·ч. Запасенная летом электрическая энергия в виде водорода расходуется зимой топливными элементами. Водород хранится в специальных емкостях под давлением 32 бар. В итоге подобная система позволила обеспечить полную автономность жилого дома.

В настоящее время наблюдается повышенный интерес к возобновляемым источникам энергии, что объясняется стремлением к декарбонизации производства энергетических мощностей и уменьшению доли потребления углеводородных ресурсов.Анализ многочисленных информационных источников показал, что среди многообразия возобновляемых источников солнечная энергетика обладает большими темпами развития, а стоимость производства электрической энергии с помощью фотоэлектрических преобразователей ежегодно снижается и постепенно приближается к гидроэнергетике. Подобные успехи во многом объясняются технической оптимизацией фотоэлектрических технологий, которые позволили существенно увеличить коэффициент полезного действия фотоэлектрических преобразователей практически до 49%.

В условиях решения вопроса резервирования электрических мощностей фотоэлектрических станций и переориентирования на набирающую популярность водородную энергетику, стратегия развития которой утверждена многими странами в современном мире, использование водорода как способа накопления энергии приобретает большую практическую значимость. Анализ пилотных проектов подобного характера позволяет утверждать, что идея водородного резервирования имеет не только теоретическое обоснование, но и практическое применение. Основным сдерживающим фактором пока является стоимость реализации подобных решений.