Enerģētikas nākotne - ūdeņraža tehnoloģijas

Poļina Grebeša, Attīstības daļas plānošanas inženiere, AS "Latvenergo".

Lai sasniegtu enerģētikas sektora klimatneitralitāti, būtiski tajā ir ieviest jaunas tehnoloģijas. Šobrīd viena no tādām ir ūdeņraža izmantošana, kurai nozarē ir vairākas priekšrocības un attīstības perspektīvas.

Ūdeņraža izmantošanai enerģētikā ir vairākas priekšrocības. Pirmkārt, tā ir enerģētikas sektora dekarbonizācija. Pasaulē apmēram 4/5 no piegādātās enerģijas tiek ražota no fosilajiem kurināmajiem¹. Atšķirībā no fosilajiem kurināmajiem, sadedzinot ūdeņradi, neveidojas CO₂, veidojas ūdens un izdalās enerģija. Veicot enerģētikas sektora dekarbonizāciju, tiek panākts CO₂ emisiju samazinājums, kas labvēlīgi ietekmē klimatu.

Otrkārt, zaļais ūdeņradis, kas ražots elektrolīzes procesā, pielietojot saules un vēja enerģiju (mainīgu ģenerāciju), nodrošina drošu mainīgas ģenerācijas integrāciju enerģijas ražošanas procesā (balansēšanu). Kad novērojami mainīgas ģenerācijas pārpalikumi, tad saražotos elektroenerģijas pārpalikumus vēja un saules elektrostacijās var izmantot zaļā ūdeņraža ražošanai un tā uzglabāšanai. Savukārt, kad mainīga ģenerācija nav pieejama pietiekamā daudzumā, var izmantot zaļo ūdeņradi kurināmā šūnās vai elastīgās kombinēta cikla elektrostacijās, lai saražotu nepieciešamo pieprasījumu pēc enerģijas.

Treškārt, ūdeņradim ir liels enerģijas blīvums, tādējādi to var viegli uzglabāt un transportēt. Zaļo ūdeņradi izmanto par buferi starp elektroenerģijas pieprasījumu un piegādi sistēmas elastīguma nodrošināšanai. Arī zaļo ūdeņradi izmanto enerģijas rezerves  veidošanai starp elektroenerģijas sektoru un siltuma un transporta sektoriem. Ūdeņradi var uzglabāt saspiestā gāzes vai sašķidrināta veidā gāzes balonos vai tvertnēs. Tāpat ūdeņradi var sajaukt ar metānu, ievadīt gāzes tīklā un uzglabāt pazemes gāzes krātuvēs (PGK), piemēram, Latvijā Inčukalna PGK. 

Ceturtkārt, zaļo ūdeņradi kopā ar CO₂ var izmantot ogļūdeņražu sintēzei. Iegūto sintētisku degvielu var izmantot aviācijas nozarē un kuģu transportā, kā arī kā izejvielu rūpniecības nozarē. 

Latvenergo pilotprojekta vīzija 

Lai nonāktu līdz rezultātam, jāiegulda liels darbs un jārisina vairākas nenoteiktības: tā ir izvēlētā tehnoloģija un shēma kā viss funkcionēs,  aprēķini un nākamie soļi, kas dod skaidrību par tā pielietošanu lielākā apmērā. Pašlaik strādājam pie pilotprojekta vīzijas. Tas paredz, ka tiks ražots zaļais ūdeņradis, izmantojot polimēru elektrolīta membrānas elektrolīzes iekārtu un elektroenerģiju no TEC-2 saules baterijām vai no plānotās AS “Latvenergo” vēja elektrostacijas Priekules novadā, vai no Daugavas hidroelektrostacijām. Saražotais ūdeņradis tiks uzglabāts vai izmantots uzreiz sadedzināšanai gāzes turbīnās TEC-2. Pirms sadedzināšanas iegūtais ūdeņradis tiks sajaukts ar dabasgāzi sajaukšanas blokā. Tās īpatsvars gāzes maisījumā nedrīkst pārsniegt 5 %, lai neietekmētu TEC-2 iekārtu darbību. Ūdeņraža uzglabāšana ir paredzēta tā vēlākai izmantošanai TEC-2 elektrisko ģeneratoru dzesēšanai un/vai pārdošanai ārējiem lietotājiem, piemēram, transporta kompānijām. Pilnvērtīgai pilotprojekta izstrādei nākas daudz analizēt zinātnisko literatūru, apmeklēt kursus, kā arī sadarboties ar akadēmiskajiem spēkiem - Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtu un VGB asociāciju. Elektrolīzes tehnoloģija attīstās un nākotnē sagaidāms to izmaksu samazinājums, līdzīgi kā tas ir noticis ar vēja elektrostaciju iekārtu ražošanu. 

Saskaņā ar AS Latvenergo stratēģiju ūdeņraža pilotprojektu ir paredzēts realizēt līdz 2025. gadam, bet līdz 2030.-2035.g. – būvēt lielākas jaudas elektrolīzes iekārtas, lai nodrošinātu 5 % ūdeņraža īpatsvaru TEC-2 kurināmā bilancē. Zaļā ūdeņraža ražošanai AS Latvenergo plāno būtiski palielināt vēja un saules elektrostaciju jaudu, kas kopā var pārsniegt 2000 MW. Kopā ar esošajām hidroelektrostaciju jaudām tas var nodrošināt elektrolīzes iekārtas ar zaļo elektroenerģiju par konkurētspējīgām cenām.

Meklējam piemērus Eiropā

Par piemēru pilotprojekta vīzijas izstrādei tika pielietots "Wind-to-hydrogen" izpētes projekts (2014.g. – 2018.g.). EVN projekta ietvaros OMV Auersthal gāzes kompresoru stacijā (Lejasaustrijā) darbināja eksperimentālo ražotni, kura sastāvēja no trim blokiem: gāzes sajaukšanas bloks, 100 kW polimēru elektrolīta membrānas elektrolīzes iekārta, vadības bloks. Sagatavotais gāzu maisījums (dabas gāze un ūdeņradis), kurā H2 daudzums ir 1 %-10 %, no eksperimentālās ražotnes tika ievadīts dabas gāzes tīklā. Daļa no saražotā ūdeņraža tika novirzīta uzglabāšanai tālākai nodošanai lietotājiem.  Pilotprojekta kopējais budžets bija ap 3 milj. EUR .  

Att. Zaļā ūdeņraža ražošanas eksperimentā ražotnē OMV Auersthal gāzes kompresoru stacijā²

Pēc maniem novērojumiem pagaidām ir samērā maz projektu, kur ūdeņradis izmantots sadedzināšanai gāzes turbīnā, bet tas ir tikai laika jautājums Piemēram, tuvākajā un tālākajā nākotnē ir sagaidāmi grandiozi projekti ar ūdeņraža sadedzināšanu gāzes turbīnās. Piemēram, MHPS iesaistīts projektā, kura ietvaros Magnum TEC (Nīderlandē) viens kombinēta cikla gāzes turbīnas (CCGT) energobloks tiks pārveidots, izmantojot  100 % ūdeņraža sadedzināšanu līdz 2025. gadam. Energoblokā uzstādīta MHPS M701F gāzes turbīna (440 MW)³. 

Pašreiz vairāk tiek realizēti projekti, kur saražotais ūdeņradis izmantots transportā un rūpniecībā vai iesmidzināšanai gāzes tīklā. 

¹ https://www.carbonbrief.org/in-depth-qa-does-the-world-need-hydrogen-to-solve-climate-change

² VGB kongresa (2019.g.) materiāli 

³ https://www.powermag.com/mhps-will-convert-dutch-ccgt-to-run-on-hydrogen/