Использование теплоты водородных электролизёров в холодильной и теплонасосной технике

Водородная энергетика рассматривается в качестве одного из магистральных путей декарбонизации промышленности и транспорта, а области применения водорода чрезвычайно обширны. Помимо получения собственно водорода электролизер имеет большой запас тепловой энергии.

Энергоэффективность электролизного производства водорода является критическим фактором его экономической конкурентоспособности. В зависимости от типа электролизёра 20—40 % подводимой электрической энергии выделяется в виде низко- или высокопотенциальной теплоты. Целенаправленная утилизация этой теплоты в том числе в холодильной и теплонасосной технике позволяет поднять общий коэффициент полезного использования первичной энергии до 90 % и выше.

Технологии утилизации тепла первоначально разрабатывались для утилизации тепла конденсации хладагента или вторичных энергоресурсов, но их можно использовать и для других источников тепла.

При хранении водорода в баллонах дополнительно выделяется тепло сжатия, которое тоже может быть использовано, процесс требует медленной зарядки или внешнего охлаждения.

Характеристики сбросной теплоты

Тепловыделение и температурный уровень отходящих потоков принципиально различаются для трёх основных технологий электролиза.

Низкотемпературные протон-обменные мембранные (PEM) и щелочные (AEL) электролизёры отводят тепло охлаждающей жидкостью при температурах 50—90 °C. Данный диапазон делает сбросное тепло непригодным напрямую для большинства силовых термодинамических циклов, однако представляет собой качественный источник для теплопотребляющих холодильных машин и тепловых насосов.

Твердооксидные электролизёры (SOEC), функционирующие при 700—850 °C, производят эксергетически ценный тепловой поток, позволяющий вырабатывать дополнительную электроэнергию в паро- или газотурбинном контуре.

Возможные пути интеграции

Наибольшее число публикаций посвящено сопряжению PEM- и щелочных электролизёров с абсорбционными бромисто-литиевыми холодильными машинами (АБХМ), требующими температуры в генераторе на уровне 75—95 °C. Например, водородная заправочная станция мощностью 1 МВт производит и утилизирует сбросное тепло в одноступенчатой АБХМ холодопроизводительностью 100 кВт и обеспечивает охлаждение компримированного водорода перед заправкой и кондиционирование сопутствующих помещений, увеличивая общий КПД комплекса на 7—12 %.

Аналогичный подход возможен и, например, для морских судов — применение АБХМ позволяет сократить расход топлива вспомогательными дизель-генераторами на 8 % за счет замещения электрического охлаждения трюмов. Отечественными учеными выполнено схемное решение [1] по адаптации АБХМ к температурному графику PEM-стеков, подтвердившее реализуемость технологии на стандартном оборудовании.

Абсорбционные чиллеры на рабочей паре «силикагель—вода» могут работать при ещё более низких температурах (55—75 °C), что делает их привлекательными для щелочных электролизёров с водяным контуром.

Проблемы утилизации тепла

Сбросная теплота электролизёров может быть напрямую передана низкотемпературным тепловым сетям либо трансформирована в более высокопотенциальное тепло для технологических нужд.

Парокомпрессионные тепловые насосы позволяют поднять температуру теплоносителя с 50 до 90 °C, которой достаточно для систем отопления и горячего водоснабжения. Опыт проекта HySynergy демонстрирует покрытие 30 % нагрузки централизованного теплоснабжения датского города за счет утилизации тепла гигаваттного PEM-электролизёра.

Абсорбционные тепловые насосы первого типа способны генерировать пар среднего давления, используемый, например, на стадии десорбции в процессе очистки водорода, такое техническое решение защищено патентом [2]. Тепловые насосы второго типа (трансформаторы тепла) представляют интерес для каскадных схем с высокотемпературным электролизом, где позволяют рекуперировать низкопотенциальную теплоту в полезный среднетемпературный поток.

Наиболее высокая эксергетическая эффективность достигается в системах тригенерации на базе SOEC. Высокотемпературные продукты реакции (до 850 °C) последовательно направляются в газотурбинную или паросиловую установку для производства механической работы, а оставшийся тепловой поток с температурой 150—200 °C питает двухступенчатую АБХМ, производящую холод на уровне от –20 до +5 °С. Полученный холод может быть использован для охлаждения водородных компрессоров, промежуточного захолаживания в цикле ожижения водорода или технологических нужд.

Несмотря на явный термодинамический потенциал, промышленное внедрение утилизационных схем сдерживается рядом факторов.

Во-первых, электролизёры, питаемые от возобновляемых источников, работают в резко переменном режиме, что требует установки дорогостоящих тепловых аккумуляторов и разработки адаптивных алгоритмов управления потоками холода и тепла.

Во-вторых, прямое использование теплоносителя щелочного контура в холодильной машине недопустимо из-за риска коррозии; необходимы разделительные теплообменники, что увеличивает капитальные затраты.

В-третьих, на рынке отсутствуют стандартизированные пакетные решения «электролизёр—утилизатор тепла»; большинство таких схем реализуются по индивидуальным проектам. Экономические оценки, проведённые Hydrogen Europe, показывают, что граница окупаемости дополнительных инвестиций лежит в районе производства водорода более 500 кг в сутки [3]. При меньших масштабах каскадные системы утилизации тепла пока уступают прямому электрическому нагреву или охлаждению.

Вместо заключения

Утилизация сбросной теплоты электролизёров с помощью холодильной и теплонасосной техники представляет собой эффективный и технически реализуемый инструмент повышения общей энергоэффективности водородного производства. Наибольшую готовность к внедрению демонстрируют схемы с АБХМ-чиллерами, активируемыми низкотемпературным теплом PEM- и щелочных электролизёров. 

Высокотемпературные SOEC-технологии, сопряжённые с тригенерационными циклами, открывают путь к радикальному снижению энергетических потерь, однако требуют решения материаловедческих и системно-интеграционных задач. Ключевым условием масштабирования является переход от единичных демонстрационных проектов к созданию типовых модульных решений, адаптированных к динамическим режимам работы водородных установок.

Ссылки

1. Кузнецов А. В., Лебедев Д. Е. Использование сбросного тепла электролизных установок в системах холодоснабжения // Вестник Международной академии холода. 2021. № 3. С. 45–52.

2. Siemens Energy. Integrated electrolysis and absorption heat pump module. WO 2021/050823 A1, 2021.

3. Hydrogen Europe. Clean Hydrogen Partnership: Strategic Research and Innovation Agenda, 2023.