Оценка экономической эффективности производства водорода c использованием энергии ветра и солнца

Abstract

Актуальность. В настоящее время широко обсуждается вопрос использования водорода в качестве топлива, замещающего углеводородное сырье. Планы развития водородной энергетики, заявленные в ряде стран, включая Россию, предполагают многократное увеличение производства и потребления водорода в энергетических целях. Делать однозначные выводы о возможностях добычи в промышленных масштабах свободного водорода, исходящего из глубин Земли, пока преждевременно. Пока водород получают в основном конверсией угля и газа. Вместе с тем единственным экологически чистым способом получения водорода является извлечение его из воды, которой на Земле намного больше, чем углеводородного сырья, и которая более доступна. Самый распространённый способ получения водорода из воды - это ее разложение под действием электрического тока в электролизёре. При использовании возобновляемых источников энергии процесс производства водорода будет экологически чистым. Цель: исследование экономической эффективности производства водорода методом электролиза на основе электроэнергии, вырабатываемой ветроэлектричекими установками и фотоэлектрическими преобразователями в зависимости от конфигурации энергосистемы и внешних условий. Методы: определялась стоимость производимого водорода в зависимости от технико-экономических показателей энергоисточников, скорости ветра и прихода солнечной радиации на земную поверхность. Расчёты проводились с помощью оптимизационной математической модели REM-2 (Renewable Energy Model). Результаты. Построены графики зависимости стоимости электроэнергии и водорода от климатических условий (средней многолетней скорости ветра и годового прихода солнечной радиации). Проведён анализ полученных результатов. Показано, что при хороших климатических условиях (V≥6 м/с, Q≥1400 кВтч/м2/год) и оптимистических значениях технико-экономических показателей стоимость водорода составляет 2,8-3,4 $/кг. В системе автономного электроснабжения за счёт использования «избыточной» электроэнергии возобновляемых источников энергии, работающих в стохастическом режиме, затраты на производство водорода минимальны

Relevance. Currently, the issue of using hydrogen as a fuel replacing hydrocarbon raw materials is widely discussed. Plans for hydrogen energy development, announced in a number of countries, including Russia, imply a manifold increase in hydrogen production and consumption for energy purposes. It is still premature to draw clear conclusions about the possibilities of industrial-scale production of free hydrogen emanating from the depths of the Earth. Therefore, hydrogen is produced mainly by coal and gas conversion. However, the only environmentally friendly way to produce hydrogen is to extract it from water, which is much more abundant on Earth than hydrocarbons and which is more accessible. The most common way to obtain hydrogen from water is the decomposition of water under the influence of electric current in an electrolyzer. By using renewable energy sources, the hydrogen production will be environmentally friendly. Aim. To study the economic efficiency of hydrogen production by electrolysis based on electricity generated by wind power plants and photovoltaic converters, depending on the configuration of the power system and external conditions. Methods. The cost of produced hydrogen was determined depending on the technical and economic indicators of energy sources, wind speed and the arrival of solar radiation on the earth's surface. Calculations were carried out using the optimization mathematical model REM-2 (Renewable Energy Model). Results. The authors have constructed the graphs of electricity and hydrogen cost dependence on climatic conditions (average long-term wind speed and annual solar radiation). The authors carried out the analysis of the obtained results. It is shown that under good climatic conditions (V≥6 m/s, Q≥1400 kWh/m2/year) and optimistic values of technical and economic indicators, the cost of hydrogen is 2.8-3.4 $/kg. In an autonomous power supply system, due to the use of "excess" electricity from renewable energy sources operating in stochastic mode, the costs of hydrogen production are minimal