Зеленый водород – что это такое простыми словами

22 октября 2021

Последнее время в энергетической повестке всё чаще мы слышим такой термин как “Зелёный водород”. Попробуем разобраться, что это такое, и чем он отличается от водорода классического. И какие вообще бывают классификации водорода – как топлива будущего.

Почему водород?

Несмотря на ряд преимуществ альтернативной возобновляемой энергетики, главным её минусом является зависимость от конкретных погодных условий. В результате, делать точные прогнозы по выработке электроэнергии для коррекции графика нагрузок энергосистемы и менять режим работы электростанций, работающих в базовой части графика нагрузок, достаточно проблематично. Электроэнергию, полученную в результате преобразования энергии ветра или солнца, эффективнее было бы где-то накапливать.

Современные энергосистемы работают по принципу постоянного баланса генерации и потребления. Для снижения влияния неравномерности графика нагрузок энергосистемы ряд станций переводится в режим работы по “пиковой” части графика нагрузок. Там где мощности “пиковых” электростанций не хватает, строятся электростанции, способные накапливать излишки этой самой мощности. Широкое распространение из станций этого типа получили гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Однако, предпринимаются попытки строительство аккумулирующих станций, действие которых основано на совершенно различных принципах работы.

Достаточно мощным ВИЭ трудно встроиться в этот баланс.

Для накопления энергии от ВИЭ понадобилось бы сильно увеличивать количество электростанций, типа ГАЭС. Поэтому был выбран другой путь – преобразовывать электроэнергию ВИЭ в энергоноситель, который можно было бы легко производить, транспортировать и хранить. Для этих целей очень хорошо подходит водород.

Использование аккумуляторов для целей накопления электроэнергии ВИЭ не идёт ни в какое сравнение с водородом.

Зелёный водород – что это?

Как известно, водород – это всего лишь химический элемент, соответственно, может быть выделен в чистом виде совершенно разными способами.

При переходе на зелёную энергетику и на водород, как на топливо будущего, важно, каким образом этот водород получен. Согласитесь, какая польза для экологии будет, если для производства водорода использовать мощности угольных электростанций?

Сам термин “зелёный водород” – это скорее статус топлива, подтверждающий, что оно было получено при помощи преобразования энергии из возобновляемых источников энергии, и в процессе его производства в окружающую среду не было выбросов парниковых газов.

Применение зелёного водорода

Изначально, применение водорода предполагалось в первую очередь на транспорте, как замена классического топлива для двигателей внутреннего сгорания, получаемого из нефти.

Однако, переход на безуглеродную экономику предполагает его более широкого применение, начиная от транспортной инфраструктуры, заканчивая тяжёлой промышленностью и энергетикой.

Современные разработки в области безопасного использования водорода в топливных элементах на транспорте позволяют, при должном подходе и дальнейшем развитии технической базы, полностью отказаться от классического ископаемого топлива без потери удобства от использования, в отличии от тех же электромобилей, где помимо существующих проблем с временем заправки и стоимостью батарей, есть ещё ряд проблем экологического характера, связанных как раз с аккумуляторами.

Водород может применяться в качестве основного топлива в тяжёлой промышленности, например, металлургии и машиностроении.

Применение водорода возможно на тепловых электростанциях как в качестве самостоятельного топлива, так и в качестве “добавки” к топливу ископаемому, для уменьшения углеродного следа.

Существует ряд технологий, которые позволяют смешивать природный газ с водородом, благодаря чему использовать ископаемое топливо можно более экономично, при этом, нет необходимости в замене основной газораспределительной инфраструктуры или даже частичной модернизации  газового оборудования на стороне потребителей.

Зеленый водород по общепринятой классификации

Так как потребности в водородном топливе будут расти с некоторым опережением его производства при помощи возобновляемых источников энергии, на ранних этапах водородного перехода, существует необходимость в восполнении дефицита водорода с применением классических технологий.

Не вся классическая энергетика одинаково вредна для экологии. Так, например, гидроэлектростанции так же относятся к возобновляемым источникам электроэнергии, поэтому произведённый с применением их энергии водород будет считаться зелёным. Водород, произведённый с применением энергии угольных электростанций самый вредный, у электростанций на природном газе влияние на экологию меньше, ещё меньше на экологию (доказано!) влияет атомная энергетика.

Однако, водород классифицируют не по типам электростанций, чьей энергией был произведен электролиз.

Многими экспертами в области водородной энергетики была принята так называемая цветовая классификация водорода по типам производства.

Собственно, это тот самый водород, который произведён при помощи электролиза воды, с использованием электроэнергии от любых возобновляемых источников энергии. Характеризуется в первую очередь тем, что при его производстве отсутствует так называемый углеродный след, а остальные экологические издержки сведены до минимума.

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 хранит и использовать зеленый водород?

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.

Следует признать, что водород далеко не идеален в качестве топлива. Его низкая плотность затрудняет хранение и перемещение. А его воспламеняемость может быть проблемой, что показал взрыв норвежской водородной заправочной станции в июне 2019 года.

Но у других низкоуглеродистых видов топлива тоже есть свои проблемы, и не в последнюю очередь, это – стоимость. А поскольку большинство из них требуют производства зеленого водорода в качестве исходного продукта, почему бы просто не придерживаться первого?

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?

Зеленый водород стоит 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

Зелёный водород – как конечная цель

В существовании различных терминологий и пересекающихся между собой читается одно – вариантов производства водорода может быть сколько угодно много, градаций цвета тоже. Главное – это то, что конечная цель всех этих преобразований – водород, при производстве которого нет углеродного следа и технологический процесс его производства никак, либо по минимуму, не влияет на окружающую среду.

Соответственно, терминология и сам классификатор может со временем изменяться. Неизменным останется одно – нацеленность на зелёный, чистый и возобновляемый водород.

В публикации могут быть некоторые неточности в части  описания процесса производства для конкретного типа водорода. Однако, надо учитывать тот факт, что сам текст энергетической стратегии Европейского Союза содержит подобные неточности, и с точки зрения научного подхода требует уточнений. В процессе поступления новых материалов по данной теме публикация будет дополнена или изменена должным образом. Надо понимать, что многие описываемые в публикации данные имеют отношение к устоявшейся терминологии в европейском энергетическом сообществе и, в некотором смысле, носят скорее оценочный характер.

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

Многие страны и крупные компании рассматривают «зеленый» водород как новый главный тренд. Аналитики Goldman Sachs оценивают рынок в $ 12 трлн к 2050 году (разделенный между Азией, Европой и США).

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.

 

Источники:

  • https://www.el-info.ru/chto-takoe-zelyonyj-vodorod-i-kakoj-vodorod-byvaet-voobshhe
  • https://cryptor.net/obshchestvo/zelenyy-vodorod-energiya-budushchego
  • https://www.renovablesverdes.com/ru/%D0%B7%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D1%8B%D0%B9-%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4/
Оцените статью:
[Всего голосов: 0    Средний: 0/5]