В последнее время зеленый водород часто упоминается в новостях. Избранный президент США, Джо Байден пообещал использовать возобновляемые источники энергии для производства зеленого водорода, который стоит дешевле природного газа. Министерство энергетики США инвестирует до 100 миллионов долларов в исследования и разработки водородных и топливных элементов. Европейский союз инвестирует $430 млрд в зеленый водород к 2030 году в целях содействия достижению целей программы Green Deal. И Чили, Япония, Германия, Саудовская Аравия и Австралия делают крупные инвестиции в экологически чистый водород.
Итак, что такое зеленый водород? Проще говоря, это водородное топливо, которое создается с использованием возобновляемых источников энергии вместо ископаемого топлива. Он может обеспечить экологически чистую энергию для производства, транспорта и т.д., а его единственным побочным продуктом является вода.
Откуда берется зеленый водород?
Водородная энергия очень универсальна, поскольку ее можно использовать в газовой или жидкой форме, преобразовывать в электричество или топливо, и есть множество способов ее производства. Приблизительно 70 миллионов тонн водорода в год уже производится по всему миру и используется в нефтепереработке, производстве аммиака, сталелитейном производстве, производстве химикатов и удобрений, пищевой промышленности, металлургии и т. Д.
Во вселенной больше водорода, чем любого другого элемента - по оценкам, примерно 90 процентов всех атомов составляют водород. Но атомы водорода сами по себе в природе не существуют. Чтобы произвести водород, его атомы должны быть отделены от других элементов, с которыми они встречаются - в воде, растениях или ископаемом топливе. От того, как выполняется это разделение, зависит устойчивость водородной энергетики.
Большая часть используемого в настоящее время водорода производится в процессе парового риформинга метана, в котором используется катализатор для реакции метана и высокотемпературного пара, что приводит к образованию водорода, монооксида углерода и небольшого количества диоксида углерода. В последующем процессе монооксид углерода, пар и катализатор реагируют с образованием большего количества водорода и диоксида углерода. Наконец, углекислый газ и примеси удаляются, остается чистый водород. Другие ископаемые виды топлива, такие как пропан, бензин и уголь, также могут использоваться в паровой конверсии для производства водорода. Этот метод производства, основанный на ископаемом топливе, приводит к образованию серого водорода, а также к 830 миллионам метрических тонн выбросов CO2 каждый год, что равно выбросам Соединенного Королевства и Индонезии вместе взятых.
Когда CO2, образующийся в процессе парового риформинга метана, улавливается и хранится в другом месте, полученный водород называется голубым водородом.
Водород также можно получить путем электролиза воды, не оставляя в качестве побочного продукта ничего, кроме кислорода. Электролиз использует электрический ток для разделения воды на водород и кислород в электролизере. Если электричество производится с помощью возобновляемых источников энергии, таких как солнечная или ветровая, полученный водород, не содержащий загрязняющих веществ, называется зеленым водородом. Быстро снижающаяся стоимость возобновляемых источников энергии - одна из причин растущего интереса к экологически чистому водороду.
Зачем нужен зеленый водород
Большинство экспертов согласны с тем, что экологически чистый водород будет иметь важное значение для достижения целей Парижского соглашения, поскольку есть определенные части экономики, выбросы которых трудно устранить. В США три основных источника выбросов, способствующих потеплению климата, - это транспорт, производство электроэнергии и промышленность.
Энергоэффективность, возобновляемые источники энергии и прямая электрификация могут снизить выбросы от производства электроэнергии и части транспорта; но последние 15 процентов или около того экономики, включая авиацию, морские перевозки, грузовые перевозки на дальние расстояния и производство бетона и стали, трудно обезуглерожить, потому что для этих секторов требуется топливо с высокой плотностью энергии или интенсивное тепло. Зеленый водород может удовлетворить эти потребности.
Преимущества зеленого водорода
Водород в изобилии, и его запасы практически безграничны. Его можно использовать там, где он производится, или куда-либо транспортировать. В отличие от батарей, которые не могут хранить большое количество электроэнергии в течение продолжительных периодов времени, водород можно производить из избыточной возобновляемой энергии и хранить в больших количествах в течение длительного времени. Фунт за фунт, водород содержит почти в три раза больше энергии, чем ископаемое топливо, поэтому для выполнения какой-либо работы требуется меньше его. И особое преимущество зеленого водорода заключается в том, что его можно производить везде, где есть вода и электричество, для выработки большего количества электричества или тепла.
Водород имеет множество применений. Зеленый водород можно использовать в промышленности и хранить в существующих газопроводах для питания бытовых приборов. Он может транспортировать возобновляемую энергию, если преобразовать ее в носитель, такой как аммиак, топливо с нулевым выбросом углерода для судоходства, например.
Водород также можно использовать с топливными элементами для питания всего, что использует электричество, например электромобилей и электронных устройств. И, в отличие от батарей, водородные топливные элементы не нуждаются в перезарядке и не разрядятся, если в них есть водородное топливо.
Топливные элементы работают как батареи: водород подается на анод, кислород - на катод; они разделены катализатором и электролитной мембраной, которая пропускает на катод только положительно заряженные протоны. Катализатор отщепляет отрицательно заряженные электроны водорода, позволяя положительно заряженным протонам проходить через электролит к катоду. Между тем электроны перемещаются по внешней цепи, создавая электричество, которое можно задействовать, чтобы встретить протоны на катоде, где они вступают в реакцию с кислородом с образованием воды.
Водород используется в транспортных средствах на водородных топливных элементах. Благодаря своей энергоэффективности водородный топливный элемент в два-три раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания, работающего на газе. А время заправки электромобиля на топливных элементах в среднем составляет менее четырех минут.
Поскольку они могут работать независимо от сети, топливные элементы могут использоваться в военной области или в зонах бедствий и работать как независимые генераторы электричества или тепла. Когда они закреплены на месте, они могут быть подключены к сети для получения стабильной и надежной энергии.
Проблемы зеленого водорода
Его горючесть и легкость означают, что с водородом, как и с другими видами топлива, необходимо обращаться должным образом. Многие виды топлива легко воспламеняются. По сравнению с бензином, природным газом и пропаном водород более огнеопасен в воздухе. Однако низкие концентрации водорода имеют такой же потенциал воспламеняемости, как и другие виды топлива. Поскольку водород очень легкий - примерно в 57 раз легче, чем пары бензина, - он может быстро рассеиваться в атмосфере, что является положительным фактором безопасности.
Поскольку водород намного менее плотен, чем бензин, его трудно транспортировать. Его необходимо либо охладить до -253 °C, либо его нужно сжать до давления, в 700 раз превышающего атмосферное, чтобы его можно было доставить в виде сжатого газа. В настоящее время водород транспортируется по специальным трубопроводам, в автоцистернах с низкотемпературными жидкостями, в трубных трейлерах, перевозящих газообразный водород, по железной дороге или баржами.
Сегодня 1600 миль водородных трубопроводов доставляют газообразный водород по США, в основном в районы, где водород используется на химических заводах и нефтеперерабатывающих заводах, но этой инфраструктуры недостаточно для повсеместного использования водорода.
Трубопроводы природного газа иногда используются для транспортировки лишь ограниченного количества водорода, поскольку водород может сделать стальные трубы и сварные швы хрупкими, вызывая трещины. Когда менее 5-10 процентов его смешивается с природным газом, водород можно безопасно распределять через инфраструктуру природного газа. Чтобы распределить чистый водород, трубопроводы природного газа потребовали бы серьезных изменений, чтобы избежать потенциального охрупчивания металлических труб, или необходимо было бы построить полностью отдельные трубопроводы для водорода.
Технология топливных элементов ограничена высокой стоимостью их производства, поскольку в качестве катализатора для разделения водорода на аноде и катоде используется платина. Исследования продолжаются, чтобы улучшить характеристики топливных элементов и найти более эффективные и менее дорогие материалы.
Проблема для электромобилей на топливных элементах заключалась в том, как сохранить достаточно водорода - от 5 до 13 килограммов сжатого газообразного водорода - в транспортном средстве для достижения обычного пробега в 300 миль.
Рынку электромобилей на топливных элементах также мешает нехватка заправочных станций. По состоянию на август в США было всего 46 водородных заправочных станций, а водород стоит около 8 долларов за фунт, по сравнению с 3,18 доллара за галлон газа.
Все сводится к стоимости
Различные препятствия, с которыми сталкивается зеленый водород, можно свести только к одному: стоимости. Хулио Фридманн, старший научный сотрудник Центра глобальной энергетической политики Колумбийского университета , считает, что единственной реальной проблемой зеленого водорода является его цена. Тот факт, что ежегодно производится 70 миллионов тонн водорода и что он транспортируется по трубопроводам в США, показывает, что технические вопросы распределения и использования водорода «просты и достаточно хорошо изучены», - сказал он.
Проблема в том, что зеленый водород в настоящее время стоит в три раза дороже, чем природный газ, а производство зеленого водорода намного дороже, чем производство серого или синего водорода, потому что электролиз стоит дорого, хотя цены на электролизеры снижаются по мере роста производства. Согласно недавнему исследованию, серый водород стоит около 1,50 евро (1,84 доллара США) за килограмм, синий - от 2 до 3 евро за килограмм, а зеленый - от 3,50 до 6 евро за килограмм .
Недавно принятый Конгрессом США законопроект о стимулировании экономики, предусматривающий поддержку инноваций в области производства и использования нового водорода, поможет снизить стоимость топливных элементов и производства экологически чистого водорода в стране.
Будущее зеленого водорода
По оценке McKinsey, к 2030 году водородная экономика США может принести 140 миллиардов долларов и поддержать 700 000 рабочих мест.
Прогнозируется, что в ближайшие пять-десять лет экологичный водород будет широко использоваться, особенно в Европе и Японии. Однако, пределы возможностей существующей инфраструктуры для производства будут достигнуты очень быстро - как трубопроводной инфраструктуры, так и линий электропередач, потому что для производства зеленого водорода потребуется примерно на 300 процентов больше электроэнергии. Многие эксперты предсказывают, что пройдет 10 лет, прежде чем мы увидим широкое распространение зеленого водорода