Зеленый водород что такое простыми словами
Итак, что же такое зеленый водород?
Компании и отраслевые группы часто объединяются для продвижения своей продукции. Но более чем необычным был шаг, предпринятый в прошлом месяце 10 крупными европейскими энергетическими компаниями и двумя континентальными ведущими промышленными организациями в области возобновляемой энергии, которые объединились, чтобы начать кампанию, рекламирующую продукт, который ни один из них на самом деле не продает.
Этот продукт является возобновляемым или «зеленым» водородом. И хотя сегодня он не является главным для компаний (Enel, EDP, BayWa и др.) или отраслевых групп (SolarPower Europe и WindEurope), все они видят, что зеленый водород играет жизненно важную роль в достижении глубокой декарбонизации энергосистемы.
Интерес к зеленому водороду стремительно растет среди крупных нефтегазовых компаний. Европа планирует сделать водород большой частью своего пакета «Зеленых сделок» на триллион долларов, а общенациональная стратегия «зеленого водорода» в ЕС должна быть опубликована в июле.
Что такое зеленый водород? Введение в цветовую палитру водорода
Для бесцветного газа водород упоминается в очень красочных терминах.
Согласно номенклатуре, используемой исследовательской фирмой Wood Mackenzie, большая часть газа, который уже широко используется в качестве промышленного химического вещества, либо коричневого цвета, если он производится путем газификации угля или лигнита; или серый, если он производится путем паровой конверсии метана, который обычно использует природный газ в качестве исходного сырья. Ни один из этих процессов не является абсолютно безопасным с точки зрения выбросов углерода.
Предположительно более чистый вариант известен как голубой водород, где газ получают путем паровой конверсии метана, а выбросы сокращаются за счет улавливания и хранения углерода. Этот процесс может примерно вдвое сократить количество выброса углерода, но он все еще далек от безуглеродного производства.
Более свежим оттенком в палитре производства водорода является бирюзовый. Этот получается путем разложения метана на водород и твердый углерод с помощью процесса, называемого пиролизом. Бирюзовый водород с точки зрения выбросов может показаться с относительно низким уровнем выброса углерода, потому что углерод может быть либо захоронен, либо использован для промышленных процессов, таких как производство стали или производство батарей, поэтому он не попадает в атмосферу.
Как получают зеленый водород?
При электролизе все, что вам нужно для производства большого количества водорода, это вода, большой электролизер и огромные запасы электричества.
Если электричество поступает от возобновляемых источников, таких как ветер, солнечная или гидроэнергия, тогда водород, по сути, зеленый; единственные выбросы углерода — это те, которые включены в инфраструктуру генерации.
В настоящее время проблема заключается в том, что крупных электролизеров не хватает, а большие запасы возобновляемой электроэнергии все еще получают по значительной цене.
По сравнению с более налаженными производственными процессами, электролиз очень дорог, поэтому рынок электролизеров небольшой.
И хотя производство возобновляемой энергии в настоящее время достаточно велико, чтобы вызвать проблемы в Калифорнии и с энергосистемой в Германии, перепроизводство является относительно недавним явлением. Большинство энергетических рынков по-прежнему нуждаются в большом количестве возобновляемых источников энергии для обслуживания энергосистемы.
Как его хранить и использовать?
Теоретически, есть много полезных вещей, которые вы можете сделать с зеленым водородом. Вы можете добавить его к природному газу и сжигать его на теплоэлектростанциях или в центральных теплоцентралях. Вы можете использовать его в качестве исходного продукта для других энергоносителей, от аммиака до синтетических углеводородов, или для непосредственного питания топливных элементов в автомобилях и на судах.
Начнем с того, что его можно использовать просто для замены промышленного водорода, который производится каждый год из природного газа и который составляет около 10 миллионов метрических тонн только в США.
Основная проблема удовлетворения всех этих потенциальных рынков заключается в получении зеленого водорода там, где он необходим. Хранить и транспортировать легковоспламеняющийся газ не просто; он занимает большой объем и имеет свойство портить стальные трубы и сварные швы, делая их хрупкими и непригодными.
Из-за этого для транспортировки большого количества водорода потребуются специальные дорогостоящие трубопроводы, которые будут создавать давление для газа, или охлаждать газ до жидкости. Эти два последних процесса являются энергоемкими и могут привести к еще большему снижению эффективности использования «зеленого» водорода (см. ниже).
Почему зеленый водород вдруг стал таким важным?
Одним из путей к почти полной декарбонизации является электрификация всей энергетической системы и использование чистой возобновляемой энергии. Но электрифицировать всю энергетическую систему было бы сложно или, по крайней мере, намного дороже, чем комбинировать генерацию энергии от возобновляемых источников с низкоуглеродистым топливом. Зеленый водород является одним из нескольких потенциальных низкоуглеродистых видов топлива, которые могут заменить современные углеводородные ископаемые.
Сторонники зеленого водорода указывают, что водород уже широко используется в промышленности, поэтому технические проблемы, связанные с хранением и транспортировкой, вряд ли будут непреодолимыми. Кроме того, газ потенциально очень разносторонний, и его можно применять в самых разных областях: от отопления и длительного хранения энергии до транспортировки.
Возможность применения зеленого водорода в широком диапазоне означает, что существует соответственно большое количество компаний, которые могли бы извлечь выгоду из растущей экономики водородного топлива. Из них, пожалуй, наиболее значительными являются нефтегазовые компании, которые все чаще сталкиваются с призывами сократить производство топлива из ископаемых ресурсов.
Несколько крупных нефтяных компаний входят в число игроков, борющихся за поул-позицию в разработке зеленого водорода. Например, Shell Nederland в мае подтвердила, что объединила свои усилия с энергетической компанией Eneco, чтобы подать заявку на мощности в последнем голландском тендере на оффшорные ветряные электростанции, чтобы создать рекордный водородный кластер в Нидерландах. Несколько дней спустя, разработчик в области солнечных установок Lightsource BP сообщил, что он рассматривает возможность разработки австралийской экологически чистой водородной установки, мощностью 1,5 гигаватт и работающей на ветровой и солнечной энергии.
Интерес крупных нефтяных компаний к зеленому водороду может иметь решающее значение в получении топлива до его коммерческой жизнеспособности. Сокращение затрат на производство экологически чистого водорода потребует огромных инвестиций и огромных масштабов, что дает уникальные возможности нефтяным компаниям.
Сколько стоит зеленый водород?
Зеленый водород сегодня все еще дорог в производстве. В отчете, опубликованном в прошлом году (с использованием данных за 2018 год), Международное энергетическое агентство оценило стоимость одного килограмма зеленого водорода в 3–7,50 долл. США по сравнению с 0,90–3,20 долл. США при производстве с использованием паровой конверсии метана.
Сокращение стоимости электролизеров будет иметь решающее значение для снижения цены на зеленый водород, но это потребует времени и масштабов. В прошлом году МЭА заявило, что стоимость электролизера к 2040 году может снизиться вдвое от приблизительно 840 долларов в текущий период.
Экономическое обоснование для зеленого водорода требует очень большого количества дешевой электроэнергии от возобновляемых источников, потому что при электролизе теряется изрядное его количество. По данным Shell, КПД электролизеров варьируется от 60 до 80 процентов. Проблема эффективности усугубляется тем фактом, что для ряда из его применений может потребоваться дополнительный зеленый водород для питания топливного элемента, что приводит к дальнейшим потерям.
Некоторые наблюдатели предполагают, что производство зеленого водорода может привести к поглощению избыточных мощностей крупных центров производства энергии из возобновляемых источников, таких как морские ветряные электростанции в Европе. Однако, учитывая все еще высокую стоимость электролизеров, сомнительно, что разработчики проектов по экологически чистому водороду захотят оставить свои электролизеры бездействующими до тех пор, пока цены на энергию из возобновляемых источников энергии не упадут ниже определенного уровня.
Скорее всего, как уже рассматривали Lightsource BP и Shell, разработчики построят заводы по производству экологически чистого водорода с выделенными активами по производству энергии из возобновляемых источников в местах с высокими ресурсами.
Сколько производится зеленого водорода?
Не так много, по большому счету. По данным Wood Mackenzie, в настоящее время на долю зеленого водорода приходится менее 1 процента общего годового производства водорода.
Но WoodMac прогнозирует рост производства в ближайшие годы. За пять месяцев, предшествовавших апрелю 2020 года, объем проектов, связанных с использованием зеленого водородного электролизера, увеличился почти втрое, до 8,2 гигаватт. Этот всплеск был вызван главным образом увеличением масштабных размещений электролизеров, из которых 17 проектов с мощностью 100 мегаватт или более.
И дело не только в том, что разрабатывается больше проектов по количеству. К 2027 году средний размер электролизных систем, вероятно, превысит 600 мегаватт, сообщает WoodMac.
Кто возглавляет разработку зеленого водорода?
Зеленый водород, похоже, сейчас у всех на уме, по крайней мере, 10 стран ищут газ для своей будущей энергетической безопасности и возможного экспорта. Последней из стран, присоединившихся к этому процессу, стала Португалия, которая в мае обнародовала национальную водородную стратегию до 2030 года, которая, как сообщается, будет стоить 7 миллиардов евро (7,7 миллиардов долларов).
Наряду с нефтегазовыми фирмами, разработчики возобновляемой энергии рассматривают зеленый водород как развивающийся рынок, а лидер по оффшорному ветру Ørsted в прошлом месяце объявил о начале первого крупного проекта, нацеленного исключительно на транспортный сектор.
Помимо громких имен, множество небольших компаний также надеются ухватить свой кусок от растущего «пирога» зеленого водорода. Для таких компаний, как ITM Power, не так хорошо известных сегодня, такой кусок однажды может стать огромным, если зеленый водород вырастет до ожидаемых размеров и оправдает их надежды.
А как насчет автомобилей на водородном топливе?
О да! Неотразимая Toyota Mirai усилила надежду, что автомобили с водородными топливными элементами могут соперничать с электромобилями, заменившими двигатель внутреннего сгорания. Но по мере роста рынка электромобилей перспектива того, что водород станет им серьезным конкурентом, исчезла из виду, по крайней мере, в сегменте пассажирских автомобилей.
На дорогах США сегодня насчитывается около 7600 автомобилей на водородных топливных элементах по сравнению с проданными в США только в прошлом году более чем 326400 электромобилями.
Тем не менее, эксперты все еще ожидают, что водород сыграет свою роль в освобождении от углерода определенных сегментов транспортных средств, среди которых выигрышными будут вилочные погрузчики и тяжелые грузовики.
Проблема зеленого водорода, о которой никто не говорит
Гигаватт за гигаваттом зеленой водородной мощности планируется построить в Европе, Азии и Австралии. По мнению сторонников этой технологии, зеленый водород — тот, который вырабатывается электролизом на солнечных батареях, ветре и других возобновляемых источниках энергии, — является лучшим способом обезуглероживания тяжелых загрязнителей окружающей среды. Сейчас много говорят о снижении стоимости солнечной и ветровой энергии и о том, как они очень скоро сделают зеленый водород жизнеспособным. Кажется, никто не хочет говорить о воде. Электролиз — это процесс расщепления воды на составляющие элементы — водород и кислород — с помощью электрического тока. Этот процесс осуществляется в установке, называемой электролизером. Когда сторонники водорода говорят о блестящем будущем технологии, они сосредотачиваются на затратах, связанных с электричеством, необходимым для электролиза. Но для электролиза, кроме электричества, нужна вода.
Тонны воды — буквально.
Для производства одной тонны водорода путем электролиза требуется в среднем девять тонн воды. Но чтобы получить эти девять тонн воды, недостаточно просто перенаправить течение ближайшей реки. Вода, которую электролизер расщепляет на составные элементы, требует очистки.
В свою очередь, процесс очистки воды довольно расточителен. Системам очистки воды обычно требуется около двух тонн загрязненной воды для производства одной тонны очищенной воды. Другими словами, на одну тонну водорода на самом деле нужно не девять, а 18 тонн воды. С учетом потерь соотношение приближается к 20 тоннам воды на 1 тонну водорода.
Говоря об очистке воды, химики-органики объясняют, что самый простой способ сделать это — дистиллировать. Этот метод дешев, потому что для него требуется только электричество, но он не быстрый. Что касается стоимости электроэнергии, то для дистилляции литра воды требуется 2,58 мегаджоулей энергии, что в среднем составляет 0,717 кВтч.
На первый взгляд это не так уж и много, но давайте посмотрим, как все выглядит в большем масштабе. Германия — страна с самыми амбициозными планами в отношении зеленого водорода. Стоимость электроэнергии для небытовых потребителей в Германии в прошлом году составляла в среднем 0,19 доллара (0,16 евро) за кВтч. Таким образом, при уровне потребления энергии 0,717 кВтч перегонка литра воды будет стоить 0,14 доллара (0,1147 евро). За тонну воды это будет 135,14 доллара (114,72 евро).
Однако для производства одной тонны водорода для электролиза требуется 18 тонн воды, не считая потерь во время процесса. Это означает, что стоимость очистки воды для производства тонны водорода составит 2432 доллара (2065 евро). Это основано на предположении, что вода будет очищаться самым дешевым из доступных методов. Существуют и другие, гораздо более быстрые, но более дорогие методы с использованием ионообменных смол или молекулярного сита. Другие альтернативы дистилляции, по мнению химиков, на данном этапе ненадежны.
Таким образом, обеспечение правильного типа воды для гидролиза стоит денег, и хотя 2400 долларов за тонну водорода могут показаться не такими уж большими, стоимость очистки воды — не единственные связанные с водой расходы в технологии, которая направлена на получение водорода из возобновляемых источников. Вода, подаваемая в электролизер, не только чистая, но и транспортируется к нему.
Транспортировка тонны за тонной воды к месту установки электролизера означает большие затраты на логистику. Чтобы их сократить, имеет смысл выбрать место, где много воды, например, у реки или моря, или, в качестве альтернативы, рядом с водоочистными сооружениями. Это ограничивает выбор мест, подходящих для крупных электролизеров. Но поскольку электролизер, чтобы быть экологически чистым, должен получать энергию от возобновляемых источников энергии, он также должен располагаться поблизости от солнечной или ветряной электростанции. Их, как мы знаем, невозможно построить где-либо; солнечные фермы наиболее рентабельны в местах с большим количеством солнечного света, а ветряные электростанции лучше всего работают в местах с сильным ветром.
Излишне говорить, что эти места, как правило, не расположены близко к водным путям, за исключением морского ветра, который кажется идеальным для производства зеленого водорода. К сожалению, морской ветер также является наиболее затратной формой из трех возобновляемых источников — солнечной энергии, берегового ветра и морского ветра — обычно упоминаемых в контексте производства зеленого водорода. По данным Rystad Energy, капитальные затраты на оффшорную ферму в два раза выше, чем у ее наземного аналога, и в четыре раза выше, чем затраты на сопоставимую солнечную установку.
Не все затраты, связанные с производством водорода из возобновляемых источников энергии, являются затратами на эти возобновляемые источники энергии. Вода — это товар, в котором нуждается этот процесс, и немного странно, что никто, кажется, не хочет обсуждать стоимость воды.
Возможно, стоимость водоснабжения, хранения и очистки незначительна по сравнению с другими затратами, которые необходимо решить в первую очередь. Тем не менее, это фактические затраты, которые следует добавить к общей сумме при оценке того, насколько далеко продвинулась технология производства водорода из возобновляемой электроэнергии и насколько она стала жизнеспособной.
На данный момент эксперты, похоже, единодушны в том, что это нежизнеспособно — не без значительной государственной поддержки.
Нашли ошибку? Выделите и нажмите Ctrl + Enter
«Зелёный» водород может спасти мир
Новый вид экологического топлива начал набирать популярность. Metro выяснило, как он работает
Двуокись углерода, как правило, считается загрязняющим веществом, которое связывают с автомобилями, самолётами, электростанциями и другими видами деятельности человека, требующими использования ископаемого топлива. Согласно отчёту Всемирной Метеорологической Организации, опубликованному в конце прошлого года, концентрация CO2 достигла новых максимумов в 2018 году: 147% от «доиндустриального» уровня, зафиксированного в 1750 году.
В наши дни существует несколько вариантов замены ископаемого топлива. Пока что одним из самых популярных является электроэнергия. Однако часть электричества, которое поступает в наши дома, вырабатывается тепловыми электростанциями, которые сжигают ископаемое топливо; также оно вырабатывается атомными электростанциями, которые оставляют радиоактивные отходы. Вот почему так называемый «зелёный» водород набирает популярность как источник чистой энергии. При сжигании он оставляет только водяной пар вместо парниковых газов.
Проведённое учёными из Академии наук Китая и Университета Цинхуа исследование подтверждает, что водородные топливные элементы, которые преобразуют химическую энергию в электрическую, можно использовать для питания»самолётов, транспортных средств и портативных устройств.
Автор Цзин Лю, профессор Китайской академии наук рассказал, что этот метод более эффективен, чем традиционные методы производства электроэнергии:
Пока что рынок «зелёного» водорода невелик. Но, по мнению экспертов, уже к 2025 году ожидается его рост. «К 2025 году в мире будет развёрнуто дополнительно 3205 МВт электролизеров (специальное устройство, которое предназначено для разделения компонентов соединения или раствора с помощью электрического тока, – прим. ред.), предназначенных для производства экологически чистого водорода, что на 1272% больше, чем было запущено с 2000 по 2019 годы (252 МВт)», – отмечается в отчёте глобальной исследовательской и консалтинговой группы Wood Mackenzie.
Применение «зеленого» водорода:
Нильс-Арне Баден,
генеральный директор Green Hydrogen Systems:
Как он производится?
– Он производится с помощью электролизера, который разделяет воду (H2O) на водород (H2) и кислород (O). Электричество, которое приводит в действие электролизеры, вырабатывается гидроэлектростанциями, ветряными, солнечными и другими
возобновляемыми источниками энергии.
Где его можно применять?
– «Зелёный» водород можно использовать в качестве топлива для автомобилей, автобусов, грузовиков, вилочных погрузчиков, кораблей и многого другого. Он также используется в различных отраслях промышленности, где требуется водород для ископаемых источников энергии или других целей. Наконец, он может накапливать энергию для последующего использования.
Есть ли какая-то опасность в его использовании?
– Как и любое топливо, с зеленым водородом нужно обращаться осторожно. Но это очень безопасно. На самом деле безопаснее, чем бензин и природный газ.
Расскажите больше о вашей компании Green HydroGen Systems.
– Green Hydrogen Systems – это датская компания, которая разрабатывает современные щелочные электролизеры с 2007 года. Наше оборудование способно производить «зелёный» водород. Это представляет собой крупный прорыв в отрасли.
«Зеленый» водород – энергия будущего
Что могут дать эти 450 000 тонн водорода? Расчет, проведенный McKinsey для Handelsblatt, говорит о том, что этого достаточно для:
Цель Германии по «зеленому» водороду на 2030 год, мягко говоря, скромна и она никак не позволит стране выйти в лидеры в этой технологии: Германия опоздала на эту вечеринку, тем более что выделенных инвестиций для этого недостаточно. Россия планирует к 2024 году построить целую водородную промышленность и экспортировать в ЕС газ по своей трубе «Северный поток-2». ЕС также опубликовал свою стратегию в июле 2020 года. По словам генерального директора Windeurope Джайлза Диксона:
«Мы не можем все электрифицировать: отдельные промышленные процессы и тяжелый транспорт должны будут перейти на газ. И лучшим решением является возобновляемый водород. Он абсолютно чист. И его цена будет вполне доступна, учитывая нынешнюю невысокую стоимость возобновляемых источников энергии».
Что из себя представляет «зеленый» водород?
Водород – это бесцветный газ, однако для его описания существует множество красочных терминов. Вокруг нас, в атмосфере и окружающей среде, водорода много, но его использование в промышленных целях – это совсем другая история. В зависимости от того, как используется водород, он помечается:
«Зеленый» водород – это водород без выбросов. Крайне важно для достижения целей по выбросам углекислого газа, сформулированных в Парижском соглашении, удерживать рост глобальных температур значительно ниже 2°C.
Все, что нужно для производства «зеленого» водорода, это вода, большой электролизер и обильное снабжение электроэнергией из возобновляемых источников, таких как ветер, солнце или водоемы. Единственным выбросом в результате этого процесса будет углекислый газ, выделяемый при производстве необходимой инфраструктуры (сталь, кабели, машины и т.д.).
На долю «зеленого» водорода в настоящее время приходится менее 1% мирового производства водорода. Тем не менее, с более крупными электролизерами и более высокими инвестициями объемы зеленых водородных проектов вырастут в ближайшие годы.
Почему так важен «зеленый» водород?
ВИЭ являются чистым источником электроэнергии. Однако не все завязано на электричестве. Сталелитейная и бетонная промышленность опираются на тепло, а сжигание «зеленого» водорода – отличный способ обезуглероживания необходимой энергии. Водород также используется в промышленности. В настоящее время основным источником водорода является природный газ — «зеленый» водород может стать промышленным водородом, который только в США составляет 10 миллионов метрических тонн.
У Германии есть проблема с энергосистемой. В солнечные ветреные дни солнечные парки и ветряные турбины на севере производят больше электроэнергии, чем может потребить северная часть страны. Из-за этого Германия вынуждена продавать излишки электроэнергии соседним странам себе в убыток. Это означает, что она платит соседним государствам за то, чтобы те забирали у нее излишки энергии.
Зеленый водород – отличная среда для хранения энергии. Избыток электроэнергии из возобновляемых источников можно хранить в виде водорода, а затем сжигать для выработки электроэнергии, когда это необходимо.
С какими проблемами сопряжена концепция перехода на «зеленый» водород?
Главная проблема, стоящая перед движением, продвигающим идею «зеленого» водорода, это стоимость.
Производство одного килограмма «зеленого» водорода обходится в сумму от 3,0 до 7,5 долларов США по сравнению с 0,9 – 3,2 доллара США за килограмм при производстве с использованием паровой метановой конверсии. Однако ожидается, что цена электролизеров может упасть вдвое к 2040 году, что является хорошей перспективой для данной технологии.
Водород имеет более низкую энергетическую плотность на единицу объема, чем природный газ. Это означает, что для удовлетворения того же спроса на энергию необходимо транспортировать более щедрое количество водорода по сравнению с природным газом. Однако перепрофилирование существующих газопроводов может быть использовано для удешевления транспортировки водорода. Водород, как и природный газ, горюч и легковоспламеняем: в прошлом году в Норвегии взорвалась водородная заправочная станция.
Вывод
На «зеленом» водороде могут работать транспортные средства и крупные отрасли промышленности. Им можно отапливать квартиры и дома, а также можно сжигать его для получения электроэнергии. «Зеленый» водород – это отличная среда для хранения энергии из возобновляемых источников (при отличных граничных условиях), которую можно сжигать всякий раз, когда это необходимо для производства требуемой энергии.
«Зеленый» водород это не единственная панацея от климатического кризиса. Правительства и организации должны работать сообща, чтобы поддержать цели, которые мы поставили перед собой; многие страны уже приняли Закон о нулевом уровне вредных выбросов, чтобы прийти к нулевым показателям к 2050 году.