Оценка потенциала сетей по производству водорода и углекислого газа для будущего европейских энергетических систем

В течение последних десятилетий многие страны по всему миру пытались постепенно преобразовать свои энергетические системы, чтобы сократить выбросы углекислого газа и смягчить негативные последствия изменения климата. Сети транспортировки водорода и углекислого газа (CO₂), инфраструктура, предназначенная для транспортировки газообразного водорода и улавливаемого CO₂, могут способствовать переходу к климатически нейтральным энергетическим системам.

Исследователи из Берлинского технического университета провели исследование, целью которого было лучше понять, в какой степени водородные и CO₂ транспортные сети могут способствовать декарбонизации европейской энергетической системы в будущем. В их статье, опубликованной в Nature Energy, говорится, что оба этих типа сетей могут сыграть ключевую роль в создании устойчивой и чистой европейской энергетической системы.

«На наш взгляд, мы представляем себе экономику, дружественную к климату, которая как можно меньше зависит от ископаемого топлива и учитывает социально-экономические факторы, — сказал Фабиан Хофманн, первый автор статьи, в интервью Tech Xplore. – Чтобы добиться этого, необходимо восполнить общий пробел в знаниях, когда речь заходит о том, как мы декарбонизируем «трудно поддающиеся сокращению» отрасли. Хотя очевидно, что электрификация и внедрение возобновляемых источников энергии (наряду с накопителями энергии и мощностями по передаче электроэнергии) являются основным направлением для большинства отраслей, есть определённые энергоёмкие сферы экономики, в которых нам нужно найти альтернативные решения».

Водородное топливо часто рассматривается как многообещающая альтернатива синтетическим видам топлива для производства экологически чистой энергии в некоторых отраслях. Два ключевых примера — авиационная отрасль, которая использует большое количество синтетических видов топлива, и цементная промышленность, которая, как известно, выбрасывает большое количество CO₂.

«Здесь управление выбросами углерода становится не менее важным: откуда берётся углерод для синтетического топлива; куда мы деваем выбросы, связанные с технологическими процессами? — сказал Хофманн. – Естественно, возникает вопрос, выгодно ли полностью интегрировать управление углеродом, включая транспортировку и хранение, в общую энергетическую систему. В нашей статье мы хотим количественно оценить эту потенциальную выгоду и изучить, как водородные и углеродные сети могут дополнять или конкурировать друг с другом».

Ключевой целью недавнего исследования Хофманна и его коллег было пролить свет на то, в какой степени сети, использующие водород и CO₂, могут в совокупности способствовать созданию в будущем климатически нейтральных европейских энергетических систем.

Чтобы изучить этот вопрос, исследователи создали подробную модель энергетического ландшафта Европы с помощью программной платформы с открытым исходным кодом под названием PyPSA-Eur.

Используя эту платформу, они сравнили четыре разных сценария. В первом сценарии не было специализированных сетей, во втором — только сеть CO₂, в третьем — только сеть водорода, а в последнем — оба типа сетей.

«Наша модель представляет Европу как сеть из 90 взаимосвязанных регионов, в которых энергия может передаваться между регионами по линиям электропередачи, трубопроводам и другим инфраструктурным объектам — каждый из которых имеет свои ограничения по мощности и потери, — объяснил Хофманн. — Для трубопроводов водорода и CO₂ мы учли реалистичные физические свойства, такие как требования к энергии сжатия и транспортные потери».

Исследователи провели моделирование на целый год с временным разрешением в три часа. Такое моделирование было осуществимо с точки зрения вычислений, но при этом позволило им учесть достаточно большую изменчивость, связанную с возобновляемыми источниками энергии, а также сложное взаимодействие между двумя типами сетей.

«Для каждого сценария мы рассчитали наиболее экономически эффективное сочетание технологий и инфраструктуры для удовлетворения энергетических потребностей Европы и достижения нулевого уровня выбросов к 2050 году, — сказал Хофманн. – Этот подход помог нам определить, что выгоднее с экономической точки зрения: транспортировать водород туда, где есть углерод, или транспортировать углерод туда, где можно дёшево производить водород, при этом учитывая реальные географические, погодные и инфраструктурные ограничения». 

Моделирование, проведённое Хофманном и его коллегами, дало несколько очень интересных результатов. Во-первых, они обнаружили, что, хотя сети, использующие водород и CO₂, по отдельности снижают затраты по сравнению со сценариями, в которых ни одна из них не используется, сочетание обеих сетей является наиболее экономически эффективным, позволяя экономить примерно 41 миллиард евро в год.

«Водородная сеть в первую очередь служит для транспортировки недорогого водорода из регионов с очень хорошими возобновляемыми ресурсами в промышленные центры и на предприятия, производящие синтетическое топливо, — добавил Хофманн. – В то же время углеродная сеть эффективно перемещает улавливаемый углекислый газ из промышленных объектов, расположенных внутри страны, в места хранения вблизи береговой линии. Для политиков и специалистов по планированию энергетики наши результаты подчёркивают важность скоординированного планирования в различных энергетических секторах и в пределах национальных границ».

Результаты этого недавнего исследования могут быть использованы для принятия решений в энергетической отрасли в будущем. В частности, они показывают, что вместо того, чтобы рассматривать водородную и углеродную инфраструктуру как отдельные или конкурирующие инвестиции, политикам и инженерам следует рассматривать их как взаимодополняющие системы, поскольку их положительное влияние значительно возрастает при совместном использовании.

«Важно отметить, что мы обнаружили, что эти конфигурации сетей остаются эффективными даже при ужесточении климатических целей для достижения нулевого уровня выбросов, обеспечивая надёжную основу для долгосрочных инфраструктурных решений, — сказал Хофманн. – Хотя я перешёл на новую должность вне академической среды, я продолжаю заниматься моделированием энергетических систем, уделяя больше внимания разработке программных инструментов PyPSA. Мои коллеги из Берлинского технического университета работают над последующим исследованием, которое напрямую основано на наших выводах». 

Новое исследование, которое проводят коллеги Хофманна, изучает практические последствия их недавних результатов, оценивая эффективность проектов PCI-PMI (проектов, представляющих общий интерес, и проектов, представляющих взаимный интерес), уделяя особое внимание инфраструктуре водорода и CO₂.

Результаты, полученные командой с помощью близорукого подхода к моделированию, позволят по-новому взглянуть на то, как запланированные инфраструктурные проекты могут помочь в достижении целей европейской политики в разные периоды времени (например, в 2030, 2040 и 2050 годах).

«Важным аспектом работы моих коллег является количественная оценка экономических «сожалений» или финансовых последствий, если внедрение трубопроводов откладывается на один период, если они вообще не разрабатываются или если от некоторых целей политики отказываются, — добавил Хофманн. – Это исследование предоставит политикам ценную информацию о практических последствиях решений по планированию инфраструктуры и их соответствии климатическим целям Европы».

Источник: Tech Xplore