HyDeploy - английский проект по смешиванию водорода

С тех пор, как изменение климата вошло в публичную лексику, декарбонизация электричества стала главной задачей политиков

Использование ископаемого топлива в течение всего двадцатого века стало движущей силой беспрецедентного изменения социальной структуры и улучшения качества жизни. Возможность использовать такой источник энергии с высокой плотностью, доступный и пригодный для хранения, преобразовала все аспекты жизни общества.

Личное передвижение больше не ограничивалось вопросами корма для животных, а механизация больше не упиралась в возможности человеческой силы. Глобальная экономика превратилась из мира с ограниченным предложением в практически неограниченный потенциал. Было бы трудно недооценить влияние, которое ископаемые виды топлива оказали на развитие цивилизации, и просто охарактеризовать их как «плохие» или «злые» было бы признаком ограниченности взглядов.

Но польза, которую общество получает от использования такого дешевого и удобного источника энергии, не остается без последствий. Окисление углеводородов высвобождает тепло, которое можно либо использовать напрямую, либо преобразовывать в работу, но в процессе окисления также образуются углекислый газ и водяной пар.

Производство углекислого газа считается основным негативным следствием использования ископаемого топлива. Производство диоксида углерода вне естественного экологического цикла позволяет удерживать инфракрасное излучение в атмосфере, что приводит к повышению глобальной температуры. Температура является самой большой детерминантой любого физического процесса - слишком много, и все распадается на субатомный суп, слишком мало, и ничто не сможет двигаться или взаимодействовать. Органическая жизнь может существовать только в относительно узком диапазоне температур.

Учитывая, что использование энергии является фундаментальным требованием для социального развития, а объемы производства диоксида углерода масштабируются при использовании энергии из ископаемого топлива, генерация диоксида углерода является неотъемлемой частью современных моделей экономического процветания. Именно эти отношения лежат в основе проблемы декарбонизации - как жить в процветающем мире, не стимулируя производство углекислого газа.

В большинстве современных экономик энергия поставляется тремя системами:

- электрическая сеть;

- газовая сеть;

- цепочки поставок - добычи, переработки и транспортировки нефти.

С тех пор, как изменение климата вошло в публичную лексику, декарбонизация электричества стала главной задачей политиков. В Великобритании это достигается путем закрытия угольных электростанций и замены их газом, ветром, солнечной энергией и биомассой.

Эта стратегия была очень успешной и привела к 50-процентному снижению углеродоемкости электроэнергии с 2013 по 2017 год. Результатом этих действий является демонстрация того, что существенные изменения могут быть достигнуты при правильной направленности и регулирующих механизмах.

Декарбонизация тепла остается одной из крупнейших нерешенных проблем изменения климата. Причина, по которой тепло так трудно обезуглерожить, заключается в том, что газовая сеть в ее нынешнем виде хорошо приспособлена для удовлетворения потребностей своих пользователей.

В отличие от электрической сети, потребности в газовой сети являются сезонными и суточными. Это создает пики и впадины спроса, которые могут быть легко компенсированы с помощью труб и давления газа, чего трудно достичь с помощью проводов и трансформаторов.

Неспособность электрической сети компенсировать пиковые нагрузки спроса и заменить газовую сеть является центральной причиной, по которой электрификация тепла вряд ли будет единственным средством, с помощью которого оно будет обезуглероживаться. Газовая сеть снабжает более чем в три раза большим количеством энергии, чем электрическая сеть, каждый год, и ее замена будет означать строительство трех таких же дополнительных электрических сетей.

Водород может сыграть ключевую роль в обезуглероживании тепла. Поскольку при атмосферных условиях это газ, его можно использовать в качестве прямой замены природного газа в газовой сети. Это продемонстрировано в Европе, где водородное смешивание является обычным делом, и в настоящее время проводятся испытания по повышению уровня смешивания до концентрации 20%.

Газовая сеть - это очень сложный национальный актив, относящейся ко всей территории страны, который соединяет все коммерческие и промышленные объекты, половину всех электростанций и почти все дома. Следовательно, наиболее дешевый путь обезуглероживания тепла, вероятно, будет зависеть от дальнейшего использования газовой сети.

Введение водорода в газовую сеть обеспечивает универсальный путь для обезуглероживания всех конечных потребителей - промышленных, коммерческих объектов и бытовых домов, производства электроэнергии. Внедрение водорода может принимать различные формы, от объединения в локальную систему передачи до преобразования промышленных пользователей и, возможно, полного сетевого преобразования.

Британская газовая сеть имеет водородную историю с Towns Gas. До открытия запасов в Северном море поставки газа в Великобританию обеспечивались газифицированным углем под названием Towns Gas. Этот газ содержит до 50% массовой доли водорода.

Обнаружение запасов Северного моря изменило энергетический ландшафт Великобритании, поскольку дешевый природный газ, который, естественно, не содержит водорода, заменил добычу угля и газификацию. Символически, как сказано, для целей измерения, содержание в нем водорода приняли равной 0,1% массовой доли и обозначили этот показатель, как верхний предел. Обоснование этого ограничения является нормативной целесообразностью, поскольку газ Северного моря, по существу, не содержит водорода.

Помимо тепла, водород обладает потенциалом, способствующим обезуглероживанию как электричества, так и транспорта. Декарбонизация электричества может быть достигнута либо с помощью газовых турбин, работающих на водороде, либо промышленных топливных элементов, обеспечивая как базовую нагрузку, так и гибкую подачу для компенсирования непостоянства возобновляемых источников энергии. Декарбонизация транспорта может быть достигнута либо путем подачи низкоуглеродного электричества во время зарядки, либо за счет топливных элементов.

Какие бы технологические пути ни преобладали в низкоуглеродной экономике, очевидно, что водород может сыграть центральную межсистемную роль.

Структура проекта

Цель HyDeploy состоит в том, чтобы продемонстрировать, что водород может безопасно смешиваться с газовой сетью Великобритании на уровне концентрации 20% без ущерба для безопасности конечных пользователей или модификации приборов. Структура проекта такова, что безопасность клиентов находится в центре внимания всех областей проекта и технических направлений исследований. Проект был разделен на три этапа:

Этап 1: Обеспечение регулирующих разрешений;

Этап 2: Строительство и подготовка;

Этап 3: Испытание.

Этап 1

Представляет собой 18-месячную научную программу, предназначенную для создания необходимой доказательной базы, чтобы продемонстрировать, что водород безопасно смешиваться с частной газовой сетью Килского университета для целей испытательного периода.

Программа состояла из трех основных элементов: лабораторные работы; тестирование сетевых устройств; и анализ рисков - все это привело к подаче заявления в Управление здравоохранения и безопасности (HSE) для санкционирования введения водорода до уровня концентрации 20%.

Обширные лабораторные работы проводились под руководством Лаборатории здоровья и безопасности (HSL) и были сосредоточены на понимании последствий использования смеси водорода с концентрацией 20% массовой доли.

По отношению к природному газу эта работа включала в себя испытания ряда бытовых приборов, в том числе газовых котлов, кухонных плит. Наряду с приборами была предпринята программа экспериментов с материалами, чтобы понять влияние механических свойств известных материалов при взаимодействии со смесью водорода и природного газа. Это дало уверенность в том, что сеть и все рабочие компоненты, такие как регулирующие клапаны, будут поддерживать эксплуатационную целостность на протяжении всего испытания.

Лабораторная работа также включала понимание отличия характеристик 20% водородной смеси относительно природного газа. Эта работа позволила сформировать рекомендации в контексте оперативных процедур для подготовки дополнительных руководящих указаний. Этот рабочий процесс обеспечил путь для фундаментальной науки в обосновании практических последствий, обеспечения надежности и целесообразности процедур.

Важный экспериментальный рабочий поток связан с обнаружением газа. Точное определение концентрации газа является технической основой безопасной эксплуатации сети. Все соответствующие детекторы прошли строгий режим испытаний, чтобы гарантировать, что любые последствия, связанные с присутствием водорода, могут быть учтены и обнаружены прибором.

Была проведена тщательная программа тестирования оборудования на площадке в Киле. Инженеры работали в сотрудничестве с экспертами по газовым испытаниям, чтобы провести серию тестов безопасности и рабочих характеристик устройств, питаемых от сети, в которые будет добавлен водород.

Домашнее тестирование состояло из проведения теста на газовую безопасность всех котлов арендодателей, чтобы понять базовый уровень эксплуатационных характеристик для устройств в сети. Любое устройство, признанное непригодным или небезопасным, было исправлено, а все работы были оплачены организаторами проекта.

Последним элементом первого этапа стало объединение всех экспериментальных результатов и эксплуатационных испытаний для проведения количественной оценки риска (QRA). Оценка риска включала построение дерева отказов газораспределительной сети с использованием ссылочных данных. Затем модель была масштабирована до сети в Кил для количественной оценки базового уровня риска. QRA продемонстрировал, что транспортировка смешанного газа с 20% концентрации водорода не ставит под угрозу безопасность конечных пользователей.

Этап 2

Второй этап HyDeploy относится к строительству и подготовке проекта, который по плану был закачен в сеть Кил летом 2019 года.

Установленное оборудование включает в себя:

- электролизер 0,5 МВт;

- блок ввода сетки, который смешивает водород с поступающим природным газом;

- выборочные точки вокруг сети, чтобы позволить мониторинг во время испытания.

Также было установлено оборудование для дальнейших экспериментов, которые будут состоять из испытаний материалов, чтобы понять, как в реальности смешанный газ влияет на механические свойства обычных материалов. Наряду с этим проводилось ускоренное тестирование специально установленных бытовых котлов.

Процесс проектирования и строительства осуществлялся в соответствии с национальными и международными стандартами, используя принципы минимально разумного практического применения (ALARP), которые применяются повсеместно. Этот акцент на строгости привел к разработке надежных инженерных решений.

Этап 3

Само испытание, которое должно продолжиться в течение 10 месяцев. Цель испытания - продемонстрировать, что водород можно безопасно смешивать в сети природного газа с концентрацией массовой доли водорода 20% без ущерба для безопасности конечных пользователей.

Причиной начала испытаний летом является недопущение зимнего пика спроса на газ, когда спрос на услуги находится на самом высоком уровне. При окончании испытания через 10 месяцев можно будет зафиксировать летний минимум спроса на газ вместе с зимним пиком.

На протяжении всего испытания будет применяться строгий режим мониторинга, включая технологическое оборудование, сеть и приборы. Такой уровень оперативного контроля обеспечит безопасное функционирование сети и конечных устройств.

Обследования сети наряду с другими методами мониторинга будут проводиться и сравниваться с предварительным исходным уровнем, чтобы учесть любой дополнительный эффект из-за присутствия водорода, который будет обнаружен.

После успешного испытания физическое оборудование будет выведено из эксплуатации. Затем сеть будет возвращена к работе полностью на природном газе.

Источник: Томми Айзек, HyDeploy: первый в Великобритании проект по внедрению водородного смешивания, Чистая энергия, том 3, выпуск 2, июнь 2019 года, страницы 114–125, https://doi.org/10.1093/ce/zkz006