Фотоэлектричество должно покрыть более 40% 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 — это 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.

Результаты исследования опубликованы в журнале Sustainable Energy & Fuels.

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 водорода 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 к минимуму энергию, необходимую для процесса разрядки, пар генерируется с использованием отходящего тепла от реакции разрядки.

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 может быть повторно использован 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% его энергии теряется в процессе. Это означает, что в качестве среды хранения водород наиболее привлекателен, когда доступно достаточно 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.

«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 Хенгерберг.

Скоро это изменится: исследователи хотят расширить систему так, чтобы к 2026 году кампус ETH Hönggerberg мог покрывать одну пятую своих зимних потребностей в электричестве, используя собственную солнечную энергию, получаемую 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, хранящийся водород будет вырабатывать около 2 ГВт-ч энергии. «Эта установка могла бы заменить небольшое водохранилище в Альпах в качестве сезонного хранилища энергии. Если представить это в перспективе, то это примерно одна десятая мощности гидроаккумулирующей электростанции Nate de Drance», — 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% 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 получить 10 ТВт·ч электроэнергии зимой, что соответствует площади около 1 квадратного метра на одного жителя.