Водородный остров Сахалин
Пилотные проекты применения водорода и энергетической гибкости на Сахалине
Солнце только начинает подниматься над Южно-Сахалинском из-за сопок, но в Точке кипения Сахалинского университета уже активно идет работа на Архипелаге-2022. С 5 по 8 июля эксперты обсуждают новые инициативы в контексте создания Восточного водородного кластера. Сахалинская область — наиболее заметный в деле построения водородного будущего регион России, в котором анонсировано множество громких пилотных проектов: предприятие по паровой конверсии метана и сжижению водорода, пригородные поезда на водородных топливных элементах, водородные заправочные станции и автобусы на водородном топливе. Ставка на водород — один из оригинальных аспектов сахалинского эксперимента по достижению региональной углеродной нейтральности к 2025 году, стартующего с 1 сентября этого года. Актуальное изменение внешнеполитических и макроэкономических условий внесло существенные коррективы в конфигурацию и сроки реализации этих проектов, но, если судить по заявлениям спикеров Дальневосточного форума электрического транспорта, прошедшего в Южно-Сахалинске 8 июля, ни один из проектов не снят с повестки дня. Более того, анонсированы новые проектные инициативы, ориентированные на формирование внутреннего рынка низко-углеродного водорода на Сахалине: плазменный пиролиз природного газа для получения водорода и метан-водородной смеси, применение метан-водородной смеси в теплоснабжении за счет модернизации угольных котельных с их переводом на привозные газовые смеси. Эта активность тем более важна с учетом того, что экспортные перспективы российского водорода оказались поставлены под сомнение. При таких обстоятельствах на первый план выходит задача складывания и сохранения технологических компетенций, необходимых для построения нового типа энергетики, но эту задачу не решить, не имея внутреннего рынка в формате по крайней мере площадок для апробации и пилотного внедрения водородных технологий.
Поэтому чрезвычайно важной инициативой, реализация которой начнется в регионе уже в этом году, является создание водородного инжинирингового центра с опытным полигоном, проект которого в настоящее время детально прорабатывается командой Института арктических технологий МФТИ, Инфраструктурного центра «Энерджинет», Правительства Сахалинской области и Сахалинского университета в рамках Архипелага-2022 параллельно на Сахалине и в Севастополе. Замысел этого центра состоит в том, чтобы создать на Сахалине полигонную инфраструктуру, производственную и испытательную базу для доводки и апробации целого потока пилотных проектов по производству, хранению, транспортировке и применению водорода на острове. Такой центр должен стать местом притяжения технологических компаний и инженерных команд, создающих решения для водородной энергетики, местом формирования и накопления профессиональных водородных компетенций в регионе, вовлечения молодых инженеров и исследователей в работу над пилотными проектами. Среди пилотных проектов, которые должны быть запущены до конца этого года, электролизное производство водорода на базе солнечной энергии, хранение и перевозка водорода в композитных емкостях под давлением до 900 атм и в виде жидких органических носителей, мобильные энергокомплексы для МЧС, специальный муниципальный транспорт на водороде, водородное накопление энергии ветра для автономных гибридных энергетических систем, автономные энергокомплексы для электроснабжения вышек сотовой связи. О двух последних проектах нам хотелось бы рассказать в нашем репортаже.
Водородный поселок у моря
Дорога, идущая от портового Корсакова на юг острова, спускается от сопок к морю и тонет в настолько густом утреннем тумане, что огромные белоснежные ветрогенераторы неразличимы в нем, пока не подходишь к ним практически вплотную. Слышно, как на черный вулканический песок мерно накатывает прибой, но моря не видно, оно тоже исчезает в тумане, накатывающем на берег. Невдалеке гудят дизеля электростанции изолированного поселка Новиково.
В составе используемого оборудования этой электростанции два дизельных генератора Caterpillar по ½ МВт каждый и две ветроэнергетические установки Vestas по 225 кВт каждый, а также четыре советских дизель-генератора ДГ-72 по 800 кВт каждый, установленных в 1980-е и стоящих сейчас в резерве или на консервации.
Когда-то поселок, названный в честь знаменитого крейсера «Новик», был одним из двух советских центров добычи германия, затем активно занимался рыбным хозяйством, но сегодня экономическая активность ушла из этих мест, и в поселке проживают чуть более 250 человек, а электропотребление не превышает 350–400 кВт зимой и 250–300 кВт летом. Возрождение экономической активности и обеспечение привлекательности жизни в Новиково — отдельный неординарный вопрос, особенно с учетом туристического потенциала южного Сахалина, в рамках реализации которого Новиково вполне может стать транзитным хабом на различных маршрутах морского и горного активного и обзорного туризма.
Дисбаланс между установленной и потребляемой мощностью, сложившийся в изолированной энергосистеме Новиково, при отсутствии других источников гибкости, кроме дизельных генераторов, приводит к тому, что эти генераторы слишком часто используются в неэффективном режиме низкой мощности (менее 30% от номинальной), а КИУМ ветрогенерации не превышает 4%, хотя согласно долгосрочным измерениям скорости ветра этот показатель может превышать 30%. Более того, в летние месяцы возможна реализация полностью «зеленого» режима, при котором все электрические нагрузки потребителей будут обеспечиваться только ветровой энергией. Повышение КИУМ ветрогенерации имеет одновременно экологический и экономический смысл, поскольку позволяет снизить расход сравнительно дорогого на Сахалине топлива.
Поэтому первоочередной задачей в Новиково является модернизация ветродизельной электростанции с установкой на ней источника энергетической гибкости — опорно-балансирующего накопителя электроэнергии — и обновлением парка дизель-генераторов: должны быть выведены в резерв слишком мощные действующие генераторы и установлены новые генераторы меньшей мощности (например, с номиналом 200 кВт). В таком случае при сохранении существующих нагрузок приоритетно будут использоваться ветрогенераторы, нехватку мощности будут закрывать один или оба дизельных генератора, а уже имеющиеся на площадке более мощные генераторы Caterpillar будет выполнять роль резерва.
Эти решения позволят избавиться от «конкуренции» между ветроустановками и дизель-генераторами за электрическую нагрузку и за счет этого снизить удельный расход топлива дизель-генераторами и повысить КИУМ ветрогенерации, а значит обеспечить существенную экономию топлива. Модернизация позволит создать на базе Новиковской ВДЭС полноценную автономную гибридную энергетическую систему (АГЭС), реализующую элементы архитектурного подхода IDEA с управлением энергетической гибкостью, сперва — за счет накопителя электроэнергии.
На втором этапе проекта на площадке электростанции предлагается установить два дополнительных источника гибкости для их сравнительной опытной эксплуатации. Это водородный комплекс накопления энергии в составе электролизера, ресиверов высокого давления и топливного элемента, а также проточная редокс-ванадиевая батарея. Предложения по их установке входят в число пилотных проектов, которые предполагается апробировать силами водородного инжинирингового центра. Оба типа накопителей энергии позволяет сгладить профиль потребления электроэнергии и сделать его более подходящим для максимального использования ветровой энергии.
На следующих этапах проекта в рамках развития изолированной энергосистемы Новиково могут быть рассмотрены варианты повышения электропотребления за счет создания новых источников энергетической гибкости. В этом случае будет также обеспечено выравнивание профиля потребления электроэнергии, а один из дизельных генераторов может быть переведен из резерва в режим оперативной работы.
Первый вариант состоит в превращении существующей угольной котельной мощностью 3,4 Гкал в электрокотельную с накоплением тепла. Еще более передовой вариант — перевод Новиково на полностью водородное отопление с установкой на базе действующей котельной водородных котлов, которые будут использовать в отопительный период «зеленый» водород, производимый из энергии ветра и накапливаемый на площадке ВДЭС в течение всего года. Генераторы водорода на базе электролизеров будут играть роль накопителя энергии, позволяющего по максимуму использовать энергию ветра, только в этом случае эта энергия не будет обратно превращена в электричество, но будет использована для нагрева воды и получения пара. В настоящее время Инфраструктурный центр «Энерджинет» ведет предварительную технико-экономическую оценку и сравнение перечисленных вариантов решений по управлению гибкостью в изолированной энергосистеме поселка Новиково.
Несмотря на свой изолированный характер и отток населения, становясь частью водородного полигона и осваивая пилотные проекты, Новиково имеет все шансы стать местом притяжения специалистов водородной энергетики и источником практических знаний о применении водорода в АГЭС для тиражирования этой практики на множестве изолированных и труднодоступных территорий на Курильских островах, Камчатке и Якутии.
Водородная сотовая вышка
Трасса, связывающая Южно-Сахалинск с портом Невельск, идет среди изрядно поросших горцом и гигантским лопухом низких сопок, и сразу после поселка с изящным названием Огоньки внимание привлекает необычная вышка сотовой связи, вокруг которой расставлены солнечные панели и крутятся небольшие ветряки. Это одна из семи сотовых вышек с полностью автономным электроснабжением на острове, но в скором времени — особенно на Курильских островах — таких объектов критической инфраструктуры связи станет намного больше. В составе системы электроснабжения этой вышки установлены солнечные панели мощностью 15 кВт, дизель-генератор на 15 кВт, два ветрогенератора по 2 кВт и свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Чуть более 5 месяцев — с начала ноября до середины апреля — подзарядка батарей и питание базовых станций осуществляется от дизельной генерации, завоз топлива, часто затрудненный снежной целиной, осуществляется дважды в год.
В рамках пилотного проекта на этом объекте в качестве альтернативы дизель-генератору будет установлен топливный элемент с контейнерной системой хранения водорода под высоким давлением. На опытном полигоне в Южно-Сахалинске оборотные емкости в контейнере системы хранения будут заправляться «зеленым» водородом, производимым из солнечной энергии, и раз в год поставляться в количестве примерно ¼ тонны водорода на вышку сотовой связи для питания топливного элемента. Целью пилотного проекта является проверка возможности обеспечить более длительную автономность объектов критической инфраструктуры и выявление реальных экономических параметров применения водородных решений. При успешной реализации проекта такие водородные комплексы автономного электроснабжения могут быть тиражированы на других сотовых вышках Сахалина и Курильских островов.
Развитие водородной энергетики в России движется тернистым путем, который приходится прокладывать в условиях сокращающегося доступа к технологиям и ограниченности собственной технологической базы, несмотря на то что сегодня водородные решения еще не готовы показать полезные экономические эффекты, среди скепсиса и недоверия практиков. Тем важнее не стоять на месте и запускать пилотные проекты, позволяющие проверять гипотезы о потенциальных экономических эффектах применения водорода, и выявляющие подводные камни эксплуатации водородных систем. Без таких проектов водородная отрасль рискует навсегда остаться теоретической конструкцией из книг, не обрести твердой практической почвы. Сахалин, делающий ставку на водород и активно включающийся в апробацию водородных технологий, повышает свои шансы на то, чтобы стать одним из первых «водородных островов» мира, опередив шотландские Оркнеи и шведский Готланд.
Подготовлено FESC Energynet / Автор: Игорь Чаусов
