Потенциал водородных топливных элементов для аварийного резервного питания

Как водородные топливные элементы обеспечивают чистую и надежную аварийную резервную мощность

Поскольку экстремальные погодные явления, кибератаки на сеть и стареющая инфраструктура все чаще нарушают электроснабжение, потребность в надежном аварийном резервном питании никогда не была больше. Традиционные дизель-генераторы, хотя и широко используются, имеют значительные недостатки: шум, загрязнение воздуха, риски хранения топлива и выбросы углерода. Системы хранения аккумуляторов предлагают чистое резервное копирование, но ограничены продолжительностью и мощностью. Водородные топливные элементы становятся убедительной альтернативой, которая сочетает в себе надежность генератора с экологическими преимуществами батареи. Преобразуя водородный газ в электричество посредством электрохимической реакции, топливные элементы могут обеспечивать непрерывную, бесшумную и безэмиссионную резервную мощность в течение нескольких часов или даже дней, пока длится поставка топлива. В этой статье исследуются технологии, ее преимущества, текущие приложения, проблемы и путь вперед для водородных топливных элементов в аварийном резервном питании.

Что такое водородные топливные элементы и как они работают?

В своей простейшей форме водородный топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, которое объединяет водородное топливо с кислородом из воздуха для производства электричества, тепла и воды. В отличие от батареи, которая хранит энергию, топливный элемент генерирует электричество непрерывно, пока подается топливо. Наиболее распространенным типом резервной мощности является протонно-обменный мембранный топливный элемент (PEMFC), который работает при относительно низких температурах (60-80 ° C) и предлагает быстрое время запуска. Топливные элементы PEM используют твердую полимерную мембрану в качестве электролита, с водородом, поступающим в анод и кислородом в катод. Молекулы водорода расщепляются на протоны и электроны; протоны перемещаются через мембрану, в то время как электроны создают электрический ток. Протоны и электроны рекомбинируют с кислородом на катоде для образования водяного пара.

Другие типы топливных элементов, такие как твердооксидные топливные элементы (SOFC), работают при более высоких температурах (800-1000°C) и могут работать на природном газе или биогазе, внутренне преобразованном в водород. В то время как SOFC обеспечивают более высокую эффективность и гибкость топлива, их время разогрева и стоимость делают их менее подходящими для быстрого реагирования на чрезвычайные ситуации по сравнению с PEMFC. Для приложений резервного питания системы PEMFC обычно упакованы с хранением водорода (в виде сжатого газа или жидкости), системой кондиционирования энергии и органами управления, которые автоматически запускают блок, когда электроэнергия сети выходит из строя. Ведущие производители, такие как Plug Power и ]FuelCell Energy предлагают интегрированные генераторы топливных элементов в диапазоне от нескольких киловатт для жилого использования до установок мегаваттного масштаба для центров обработки данных и больниц.

Основные преимущества аварийного резервного питания

Непревзойденная надежность и автономность

Водородные топливные элементы работают независимо от электрической сети и не зависят от накопленного заряда батареи. Пока имеется запас водорода, система может работать непрерывно в течение нескольких дней или недель без дозаправки. Это особенно важно для объектов, которые должны оставаться в рабочем состоянии во время длительных отключений, таких как больницы, центры реагирования на чрезвычайные ситуации и водоочистные сооружения. Топливные элементы имеют меньше движущихся частей, чем дизель-генераторы, снижая риски механических отказов, и они могут быть спроектированы с избыточными стеками для критически важных приложений.

Экологическая устойчивость

Когда водород производится из возобновляемых источников, таких как ветер или солнечный электролиз, часто называемый «зеленым водородом» и т. Д. Весь процесс производства электроэнергии производит нулевые выбросы углерода. Даже при использовании водорода из преобразования природного газа (серый водород), топливные элементы выделяют значительно меньше CO2 на кВтч, чем дизельные генераторы, и не производят твердых частиц, оксидов азота (NOx) или оксидов серы (SOx) [[FLT: 1]]. Это делает водородные топливные элементы отличным выбором для городских районов со строгими правилами качества воздуха и для организаций с обязательствами по устойчивости.

Высокая эффективность и более низкие эксплуатационные расходы

Топливные элементы преобразуют химическую энергию непосредственно в электричество с эффективностью 40-60% для систем PEMFC по сравнению с 30-40% для дизель-генераторов. Когда отработанное тепло захватывается для когенерации (совместное тепло и мощность), общая эффективность может превышать 85%. В то время как стоимость водородного топлива в настоящее время выше на единицу, чем дизельное топливо, топливные элементы требуют меньше обслуживания (без изменений масла, меньше движущихся частей) и имеют более длительный срок службы; часто 10 000-20 000 часов для стека перед реконструкцией. Как зеленые цены на водород, как ожидается, общая стоимость владения станет конкурентоспособной.

Масштабируемость для любого приложения

Системы водородных топливных элементов являются модульными, что означает, что несколько блоков могут быть объединены для удовлетворения потребностей в мощности от 1 кВт для удаленной телекоммуникационной башни до 10 МВт для крупного центра обработки данных или промышленного объекта. Эта масштабируемость позволяет организациям начинать с малого и расширяться по мере роста потребностей. Жилые системы, такие как одноядерный электролизер в паре с топливным элементом, могут обеспечивать резервное копирование всего дома в течение нескольких дней, в то время как более крупные установки могут дополнять мощность сети во время пикового спроса.

Тихая, чистая операция

Топливные элементы производят минимальный шум, обычно менее 60 децибел на 1 метр, что делает их пригодными для использования в больницах, школах и жилых кварталах, не беспокоя пассажиров или соседей. Напротив, дизельные генераторы могут превышать 100 дБ, требуя звуконепроницаемых корпусов и потенциально нарушая местные шумовые предписания. Кроме того, топливные элементы не производят выхлопные газы или запахи топлива, что позволяет установку в помещении в вентилируемых районах без необходимости в обширных выхлопных газах.

Проблемы, препятствующие широкому распространению усыновления

Хранение и транспортировка водорода

Водород имеет очень низкую объемную плотность энергии, то есть его необходимо сжать до 350-700 бар или сжижать при -253 ° C для достижения практической плотности хранения. Танки высокого давления тяжелые и громоздкие, в то время как жидкий водород требует специализированного криогенного оборудования и страдает от потерь от кипения. Транспортировка водорода через грузовик или трубопровод дороже на единицу энергии, чем перемещение дизельного топлива или природного газа, а существующая инфраструктура водородных трубопроводов ограничена несколькими регионами, такими как побережье Мексиканского залива США и части Европы. Для приложений резервной мощности это часто означает, что необходимо хранение на месте, что увеличивает площадь и стоимость системы.

Стоимость топливных элементов и водорода

Несмотря на снижение затрат, системы топливных элементов PEM для резервной мощности по-прежнему несут более высокие первоначальные капитальные затраты, чем дизельные генераторы аналогичной мощности. Министерство энергетики США стремится снизить системные затраты до 30 долларов США / кВт для транспортных приложений и 500 долларов США / кВт для стационарной энергии к 2030 году, но текущие цены выше. Само водородное топливо остается дорогим: зеленый водород стоит 4-6 долларов США за килограмм (примерно эквивалентно 1,20-1,80 долларов США за эквивалент дизельного галлона), в то время как серый водород из природного газа стоит 1-2 доллара США / кг, но с соответствующими выбросами углерода. Государственные стимулы, такие как закон о сокращении инфляции чистый водородный налоговый кредит (45 В) в США, начинают сокращать разрыв.

Ограниченная инфраструктура дозаправки

Для того, чтобы система резервного копирования водорода была действительно надежной при длительных отключениях, должна быть доступна готовая поставка водородного топлива. В настоящее время сеть водородных заправочных станций является редкой, в первую очередь обслуживая парк электромобилей на топливных элементах в Калифорнии. Доставка водорода в отдаленные или пострадавшие от стихийных бедствий районы может быть логистически сложной. Некоторые установки смягчают это, сохраняя большие стационарные резервуары на месте, но это требует места и разрешений. Такие компании, как FLT: 1 и FLT: 2 Linde расширяют свои распределительные сети водорода, но широко распространенное покрытие все еще находится на расстоянии нескольких лет.

Методы производства и углеродный след

В настоящее время около 95% мирового водорода производится из ископаемых видов топлива (реформирование природного газа или газификация угля), что приводит к значительным выбросам CO2; так называемый «серый» водород. Для того, чтобы топливные элементы действительно были устойчивыми для резервной мощности, водород должен быть «зеленым» (от электролиза с использованием возобновляемых источников энергии) или «синим» (серый водород с улавливанием и хранением углерода). Стоимость и масштабируемость зеленого водорода быстро растут, что обусловлено падением цен на возобновляемые источники энергии и увеличением производства электролизеров, но может не стать доминирующим до конца 2020-х или 2030-х годов.

Текущие приложения реального мира в резервном копировании

Центры обработки данных

Центры обработки данных требуют бесперебойной мощности для предотвращения потери и простоя данных. Крупные операторы, такие как Microsoft, Google и Equinix, протестировали водородные топливные элементы в качестве резервного или дополнительного питания. В 2020 году компания FuelCell Energy установила систему топливных элементов мощностью 1,4 МВт в центре обработки данных Apple в Северной Каролине, демонстрируя непрерывную, независимую от сети работу. Топливные элементы могут работать дольше, чем батареи, и избежать проблем с выбросами, шумом и хранением топлива дизель-генераторов.

Больницы и учреждения здравоохранения

Больницы по закону обязаны иметь аварийную резервную мощность, которая может начаться в течение 10 секунд. Топливные элементы могут удовлетворить это требование, обеспечивая чистую, тихую мощность для критических систем, таких как вентиляторы, хирургические огни и холодильное хранение. В 2021 году больница в Коннектикуте установила систему топливных элементов PEM мощностью 200 кВт для резервного копирования своей аварийной палаты, достигнув 30% сокращения выбросов углерода по сравнению с предыдущей дизельной резервной копией.

Телекоммуникационные башни

Телекоммуникационные башни в отдаленных или нестабильных районах часто полагаются на дизельные генераторы, которые нуждаются в частой заправке и обслуживании. Водородные топливные элементы могут заменить их более надежным решением, особенно в сочетании с возобновляемым водородом, производимым на месте с помощью электролиза на солнечной энергии. Такие компании, как Intelligent Energy, предлагают легкие системы топливных элементов для телекоммуникационного резервного копирования, которые могут работать более 72 часов на одном водородном цилиндре.

Жилая и общественная устойчивость

Для домовладельцев и общинных микросетей системы водородных топливных элементов внедряются в качестве генераторов резервного копирования всего дома. Система G5 обеспечивает непрерывную мощность 5 кВт от запасенного водорода или может быть подключена к крекеру аммиака для подачи топлива. Несколько пилотных проектов в Японии, Германии и США используют водородные топливные элементы для питания критически важных общественных объектов во время стихийных бедствий, таких как полицейские участки и приюты.

Сравнение с традиционными решениями для резервного копирования

Дизельные генераторы

Дизельные генераторы являются действующим отраслевым стандартом резервной мощности из-за их низкой капитальной стоимости (< 300 долларов США / кВт) и широкой доступности топлива. Тем не менее, у них есть многочисленные недостатки: высокие выбросы (включая канцерогенные дизельные твердые частицы), шум, вибрация и необходимость регулярного обслуживания (изменения масла, замена фильтра, обработка топлива для предотвращения роста водорослей). Дизельное топливо также ухудшается с течением времени и может быть дефицитным во время длительных чрезвычайных ситуаций. Водородные топливные элементы имеют более высокую начальную стоимость, но более низкое техническое обслуживание и нулевые выбросы выхлопных газов, что делает их предпочтительными для участков со строгими экологическими нормами или там, где шум вызывает беспокойство.

Системы хранения энергии аккумулятора

Литий-ионные аккумуляторные системы все чаще используются для кратковременного резервного копирования (от 15 минут до 4 часов), поскольку они бесшумны, не выделяют выбросов и имеют быстрое время отклика. Однако батареи дороги для долгосрочного резервного копирования (более 6 часов), поскольку они требуют большой емкости и частой езды на велосипеде ухудшает производительность. Водородные топливные элементы в сочетании с небольшим буфером батареи для немедленного реагирования предлагают экономически эффективное решение для многодневных отключений. Сочетание топливных элементов и батарей обеспечивает лучшее из обоих миров: мгновенную мощность от батарей и устойчивую работу от водорода.

Генераторы природного газа

Генераторы природного газа чище дизельного, но все же вырабатывают CO2 и NOx. Они требуют подключения к газопроводу, который может быть скомпрометирован во время землетрясений или других стихийных бедствий. Топливные элементы, работающие на водороде, производят только водяной пар, а при использовании запасенного водорода они полностью независимы от трубопроводной инфраструктуры. Однако генераторы природного газа дешевле заранее и имеют более зрелую экосистему поддержки.

Впереди дорога: технологические достижения и поддержка политики

Несколько тенденций сходятся, чтобы сделать водородные топливные элементы более жизнеспособным вариантом для аварийного резервного питания:

Пилотные проекты по всему миру демонстрируют целесообразность водородных топливных элементов для готовности к стихийным бедствиям. Например, проект «H2Resilience» в Калифорнии развернул генераторы топливных элементов на пожарных станциях и эвакуационных центрах, обеспечивающих резервную мощность во время сезонов лесных пожаров. В Японии правительство субсидирует водородные топливные элементы для резервного использования в жилых помещениях после катастрофы на Фукусиме. По мере развития технологии водородные топливные элементы, вероятно, станут стандартным компонентом аварийного планирования критической инфраструктуры.

Заключение

Водородные топливные элементы предлагают убедительное сочетание надежности, устойчивости и масштабируемости для аварийного резервного питания. В то время как проблемы остаются, особенно в отношении хранения водорода, стоимости и инфраструктуры; быстрое продвижение в области производства зеленого водорода и технологии топливных элементов сокращает разрыв с традиционными решениями. Для больниц, центров обработки данных, телекоммуникационных сетей и сообществ, ищущих устойчивую, низкоуглеродную резервную мощность, водородные топливные элементы представляют собой перспективные инвестиции, которые соответствуют как оперативным потребностям, так и экологическим целям. По мере того, как масштабы развертывания и затраты продолжают падать, потенциал водородных топливных элементов для преобразования готовности к чрезвычайным ситуациям становится все более реальным.