Биометан и зелёный водород. Экономика против изменений климата. Часть1 | AccordБиометан и зелёный водород. Экономика против изменений климата
Биометан и зелёный водород. Экономика против изменений климата
Часть 1
1. Роль биометана и зелёного водорода в энергетике будущего
Возобновляемые газообразные энергоносители - биометан и зелёный водород - рассматриваются сегодня в качестве непременного атрибута безуглеродной экономики будущего. Объяснением этому служит их способность к замещению ископаемых топлив в ряде базовых отраслей промышленности (металлургия, цементная и химическая промышленность, большегрузный транспорт и авиация ...), а также к транспортировке, накоплению и своевременному использованию больших объёмов электрической энергии, вырабатываемой при помощи возобновляемых источников (СЭС, ВЭС, ГЭС).
Стремительное развитие ветровой и солнечной генерации объясняется, в первую очередь, значительным удешевлением сопутствующих технологий и оборудования и возможностью практически беспрепятственно использовать существующие электросети. Высокий коэффициент преобразования в другие виды энергии. Возможность распределённого и централизованного производства всё больших объёмов. Себестоимость производства, зачастую сопоставимая и даже более низкая, чем у угольных и атомных электростанций. И, с другой стороны, полная зависимость от внешних климатических факторов. Непостоянство, неравномерность, плохая предсказуемость. Необходимость наличия больших объёмов резервных и маневренных мощностей.
Газообразные энергоносители -биометан и зелёный водород - эффектно дополняют недостающие фрагменты картины блистательного безуглеродного будущего. Особенно последний, для производства которого требуется только наличие необходимых объёмов воды и электроэнергии возобновляемых источников. Которую можно получать из локальных электросетей или от расположенных поблизости солнечных, ветровых или гидроэлектростанций.
Промежуточное место между двумя упомянутыми выше группами источников энергии по праву принадлежит возобновляемой биомассе. Которая бывает очень разной и сжиганием которой сегодня во многих странах производятся значительные объёмы тепловой энергии. Именно из биомассы производят и будут производить полный аналог природного газа - биометан. И даже разновидность зелёного водорода - биоводород.
2. Биометан
Поговорим для начала о более привычном биометане. Здесь понятно практически всё, поскольку биометан является полным аналогом природного газа и, как следствие, не требует для транспортировки, хранения и использования внесения каких-либо изменений и новаций в существующую сопутствующую инфраструктуру. Биометан производят из биогаза. Для производства биометана используется стандартизованное оборудование, которое производят многие европейские компании и стоимость которого зависит от требуемой производительности и возможных дополнительных опций. Себестоимость производства биометана определяется капитальными и операционными затратами биометанового комплекса, а также этапом его эксплуатации (в период срока окупаемости или после его окончания) и в Украине может лежать в диапазоне $150 - $1000 за 1000 куб. м. При этом минимальное значение соответствует биометану, произведенному из свалочного газа полигонов бытовых отходов по истечении срока окупаемости понесенных капитальных затрат (1,5-2 года). Верхнее значение соответствует биометану, произведенному из биомассы с высоким содержанием специально выращенной силосной кукурузы. Производство биометана, как правило, является распределённым и ведётся по месту нахождения используемых источников сырья. Производительность предприятий по производству биометана лежит в диапазоне 200 - 4000 куб. м биометана в час (1,6 - 32 млн. куб. м в год). Годовой потенциал производства биометана в Украине оценивается (БАУ, Госэнергоэффективность) в размере 7, 8 млрд. куб. м и, преимущественно, определяется доступным объёмом пожнивных остатков зерновых культур. Производство биометана из которых требует внедрения специальных технологий, опыт использования которых в Украине в настоящее время полностью отсутствует. Привлекательность использования подобного сырья в Украине определяется большими объёмами невостребованной соломы, остающейся на полях после сбора урожая зерновых культур, и высоким потенциалом выхода из неё биогаза в процессах анаэробной ферментации. Основной сложностью при использовании соломы является необходимость дорогостоящей предварительной обработки, требующей высоких дополнительных капитальных и операционных затрат.
3. Зелёный водород
3.1 Электролиз воды
Зелёный водород можно производить из воды и биомассы, которые содержат в своей структуре молекулы водорода. Для получения зелёного водорода из воды используется её электролиз, требующий высоких затрат возобновляемой электрической энергии. Для получении водорода из биомассы предлагаются разные технологии, наиболее недорогой и отработанной из которых является паровой риформинг биометана. Электролиз воды проводится в электролизёрах, в которых под воздействием направленного потока электронов происходит расщепление молекул воды на водород и кислород. Используются различные типы электролизёров, отличающиеся конструкцией, видом используемого электролита, температурным режимом протекания химических реакций. Общим для всех является высокое потребление электроэнергии (в среднем, не менее 40 киловатт-часов на килограмм получаемого водорода). Не являются препятствием высокие объёмы потребления воды (около 10 тонн воды на 1 тонну водорода) и требуемая предварительная её очистка. Себестоимость 1 килограмма зелёного водорода, произведенного в Украине электролизом воды, с учётом имеющегося зелёного тарифа на электроэнергию ВИЭ, стоимости и КИУМ ветровых и солнечных электростанций и электролизёров, составит сегодня не менее 6-7 евро за килограмм, независимо от источника происхождения возобновляемой электроэнергии (самостоятельное производства или закупка у производителей).
3.2 Паровой риформинг биометана
Зелёный водород можно производить из биомассы. Производственный процесс включает3 этапа: производство биогаза, получение из биогаза биометана и паровой риформинг биометана. Биогаз производится методом анаробной фенрментации, либо откачивается из тела полигона бытовых отходов в качестве свалочного газа. Для получения биометана биогаз, основными компонентами которого являются метан и двуокись углерода, подвергается требуемой степени очистки от двуокиси углерода и второстепенных газообразных примесей. Биометан, в свою очередь, подвергается паровому риформингу, в процессе которого образуется биоводород. Все три этапа обычно проводятся отдельно, хотя теоретически существует возможность производить биоводород, минуя вторую стадию. Несмотря на многостадийность, все используемые технологические процессы достаточно хорошо изучены и освоены, а необходимое для их проведения оборудование производится многими европейскими производителями. Относительно невысокие операционные затраты объясняются отсутствием необходимости во внешнем энергоснабжении, а все требуемые энергоресурсы обеспечиваются небольшой частью вырабатываемых из биомассы газообразных энергоносителей. Предварительные расчёты себестоимости биоводорода показывают возможность достижения планируемого в ЕС среднесрочного уровня в диапазоне $2-$4 за килограмм. В Украине это возможно при использовании существующих и новых биогазовых комплексов на полигонах бытовых отходов, а также работающих на свекольном жоме сахарных и барде спиртовых заводов. Значительный потенциал скрывают пищевые отходы населения и смешанные отходы полигонов бытовых отходов. Хотя для получения водорода из органики последних необходимо использование отдельной технологии - газификации. В процессе парового риформинга из 1 кубического метра биометана получают примерно 3 кубических метра биоводорода, из которых 0,7-0,8 кубических метров идёт на собственное энергопотребление.
4. Экономика газообразных энергоносителей
Продолжение следует ...