№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 620.9
СРАВНЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА И АККУМУЛИРОВАНИЯ ВОДОРОДА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
© 2014 г. МАРЧЕНКО О.В., СОЛОМИН С.В.
Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, г. Иркутск e-mail: marchenko@isem.sei.irk.ru
Одним из возможных вариантов развития энергетики будущего может стать использование водорода — "водородная экономика". Альтернативой является "электрический мир", в котором практически все потребности в энергии удовлетворяются за счет электроэнергии.
Рассмотрены процессы производства, преобразования и аккумулирования водорода и электроэнергии. Выполнено сравнение вариантов по величине энергетических и экономических затрат на каждую стадию технологий. Энергия производится на основе чистых (безуглеродных) технологий, свободных от выбросов парниковых газов (возобновляемые источники энергии и ядерная энергия).
Результаты расчетов показывают, что при краткосрочном аккумулировании энергии более эффективна электрическая система — ее КПД больше, а стоимость конечной энергии меньше, чем для системы производства, преобразования и аккумулирования водорода. При увеличении времени аккумулирования энергии, что требуется в случае, когда процессы производства и потребления энергии разнесены во времени, предпочтительнее оказывается водородная технология. Это свидетельствует о том, что "водородная экономика" и "электрический мир" смогут сосуществовать, причем каждый энергоноситель найдет свою нишу для применения.
Ключевые слова: водород, электрическая энергия, аккумулирование, экономическая эффективность.
ECONOMIC EFFICIENCY COMPARISON OF HYDROGEN AND ELECTRICITY PRODUCTION AND ACCUMULATION
Marchenko O.V., Solomin S.V.
Melentiev Energy Systems Institute of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Irkutsk
e-mail: marchenko@isem.sei.irk.ru
The possible options for the development of energy may become a widespread use of hydrogen — the "hydrogen economy". An alternative to this option is the "electrical world" in which practically all energy needs are met by electricity.
The paper focuses on the processes of hydrogen and electricity production, conversion and accumulation. The options are compared with respect to the value of energy and economic expenditures at each stage of the technologies. Energy is generated on the basis of
environmentally friendly (carbon-free) technologies, free from greenhouse gas emissions (renewable energy sources and nuclear energy).
The calculations show that short-term energy accumulation makes the electric power system more effective, which implies that its efficiency is higher and the cost of final energy is lower than for the system of hydrogen production, conversion and accumulation. However, as the time of energy accumulation increases, which is necessary in the case where the processes of energy production and consumption do not coincide in time, the hydrogen technology proves more preferable. This is indicative of the fact that the hydrogen economy and electrical world will be able to coexist and each energy carrier will find its area of application.
Key words: hydrogen, electrical energy, accumulation, economic efficiency.
Введение. Устойчивое развитие человеческой цивилизации неизбежно потребует изменения структуры энергетики, разработки и внедрения новых, в т.ч. безуглеродных, энергетических технологий для уменьшения выбросов парниковых газов и стабилизации глобального изменения климата, вызванного антропогенными воздействиями на окружающую среду [1—3].
Одним из возможных вариантов развития энергетики будущего может стать использование универсального, имеющего практически неограниченные ресурсы сырья, для его производства и экологически чистого энергоносителя — водорода [1, 4—16]. Долгосрочные прогнозы развития мировой энергетики [1, 2] показывают, что в зависимости от ожидаемого уровня энергопотребления и других условий, особенно ограничений на выбросы парниковых газов, производство и энергетическое потребление водорода может к 2050—2100 гг. превысить современный уровень в десятки и даже в сотни раз. Согласно концепции "водородной экономики" ("водородной цивилизации") водород, производимый из воды, будет постепенно вытеснять ископаемые топлива и будет основным энергоносителем во второй половине XXI века [4]. Однако для этого предстоит решить много технических задач, направленных на обеспечение безопасности водородных технологий, совершенствование методов производства, аккумулирования и транспорта водорода.
Альтернативой водородной энергетике выступает концепция "электрического мира" ("электронной экономики") [17]. Согласно этой концепции, практически все потребности в энергии будут удовлетворяться за счет единственного энергоносителя, экологически безопасного и удобного в применении, электроэнергии. Концепция "электрического мира" предполагает развитие систем аккумулирования электроэнергии и ее транспорта — аккумуляторных батарей, суперконденсаторов и сверхпроводников.
В "электрическом мире" обеспечиваются гибкость энергоснабжения, высокий уровень безопасности, надежности и живучести энергетических систем, появляется возможность унификации технологий и оборудования в секторе конечного потребления энергии. Концепция экологически чистого "электрического мира" хорошо сочетается с крупномасштабным развитием ядерной энергетики и энергетики на основе нетрадиционных возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Использование ВИЭ может оказаться достаточно дорогим, но применение электроэнергии в теплоснабжении и на транспорте не вызовет таких технических и организационных проблем, как применение водорода.
Какая из этих двух концепций будет реализована? Или водород и электрическая энергия займут свои специфические ниши?
В настоящее время наряду с аргументами в пользу перехода в перспективе к "водородной экономике" [4] существует мнение о ее неэффективности в принципе [18, 19]. Главный аргумент — это утверждение о ее низком суммарном КПД. В частности, показано, что общий КПД всех стадий водородной технологии (водород производится электролизом на базе ВИЭ и применяется как топливо для автомобиля) составляет
Рис. 1. Сравниваемые варианты
19—23%, КПД аналогичной электрической системы (такое же производство электроэнергии с помощью ВИЭ и зарядка аккумулятора электромобиля) — 69%.
Сравнение энергетической эффективности технологий производства и аккумулирования энергоносителей (водород и электроэнергия) в [18, 19] не подкреплено экономическими оценками. Кроме того не рассматривается основной для сравниваемых энергоносителей параметр — время, в течение которого их необходимо аккумулировать. Электроэнергия может быть использована непосредственно для производства конечной энергии и энергетических услуг с очень высоким КПД, в этом она превосходит водород. Однако только в том случае, если мы нуждаемся в конечной энергии в данный конкретный момент времени. Между тем, для обеспечения автономности автомобиля производство и потребление энергии не совпадают во времени. Разница должна составлять минимально десятки часов. Возникает вопрос: что выгоднее аккумулировать, водород или электрическую энергию? Еще большее время аккумулирования энергии может потребоваться в энергосистемах, включающих ВИЭ со стохастическим режимом работы (ветровые и солнечные энергоустановки). Предполагается, что обеспечить автономность такой системы могут аккумуляторы, емкость которых позволяет снабжать энергией нагрузку в течение нескольких суток [10—12].
В данной работе выполнены оценки экономической эффективности производства и аккумулирования энергии в виде водорода и электроэнергии, рассматриваются чистые (безуглеродные) технологии производства энергии, свободные от выбросов парниковых газов (ВИЭ и ядерная энергия).
Расчетная схема. Рассматриваются два варианта водородной технологии — производство (электролизом с потреблением энергии ВИЭ или на основе тепловой энергии ядерного реактора) и аккумулирование водорода, которые сравниваются с аккумулированием электрической энергии (рис. 1). Энергоноситель (электроэнергия и водород) последовательно проходит через I элементов; мощность ;-го элемента — Щ КПД — ц, (рис. 2).
Из закона сохранения энергии следует связь между мощностями элементов
Д/п - N
_г _».
Р I Р, + 1
Рис. 2. г-й элемент схемы преобразования энергии (г = 1, 2, ..., Т)
М +1 =п + М, I = 1,2,..., I - 1, (1)
и суммарный КПД
I
Пе = П П<. (2)
г = 1
Связь между ценами энергоносителя на входе в элемент рг и выходе из него рг +1 определим следующим образом. Предположим, что система создается (строится) в течение относительно короткого промежутка времени, а затем эксплуатируется с постоянным коэффициентом использования мощности. Тогда плотность денежного потока (разница результатов и затрат для г-го элемента в единицу времени) и чистый дисконтированный доход (ЧДД) соответственно будут равны [12]:
Е =(р+1 -N ¡к -ММ; (3)
МРУ1 = -кМ I + |Е ехр(-<гт)йт, I = 1, 2,..., I, (4)
о
где к — годовое число часов использования мощности; кг — удельные капиталовложения; — годовые эксплуатационные затраты (в долях от капиталовложений); Т! — срок службы элемента; а = 1п(1 + й); й — годовая норма дисконта.
Условие эффективности проекта — неотрицательность величины ЧДД. При наличии конкурентного рынка производители будут вынуждены снижать цену своего продукта до минимальной величины, обеспечивающей эффективность проекта, т.е. цены, при которой ЧДД равен нулю. Приравнивая ЫРУ1 нулю, находим цену энергоносителя на выходе из г-го элемента
р+1 = - + кда + ц,), г = 1,2,...,I, (5)
П к
где
CR.Fi =-^--(6)
1 - ехр(-с7])
— коэффициент возврата капитала. Формула (5) позволяет последовательно оценить удорожание энергоносителя по мере прохождения элементов системы и сравнить итоговую стоимость энергии для разных вариантов.
Расчет некоторых элементов имеет специфические особенности. Удельные капиталовложения в электролизер к в литературе обычно приводятся на единицу потребляемой (электрической) мощности. Для приведения их к единице вых
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.