Водород — источник энергии и основа энергетики будущего
Потенциальные области применения водорода очень разнообразны. От промышленности до транспортного сектора водород может удовлетворить широкий спектр потребностей. Благодаря характеристикам производства водорода водородные системы могут обеспечить более экологичную и интеллектуальную энергетическую систему.
Водород и топливные элементы могут внести наиболее важный вклад в транспортный сектор, где внедрение альтернативных источников энергии, таких как возобновляемые источники энергии, было наиболее труднодостижимым.
В то время как водород, полученный из возобновляемых источников энергии, является единственным устойчивым решением в долгосрочной перспективе, использование водорода на основе природного газа может представлять собой удобное переходное решение.
Свойства водорода
Водород имеет атомный номер один в периодической таблице элементов, что означает, что он самый простой и легкий (что делает его полезным для воздушных шаров). Он также является самым распространенным элементом, составляющий 75% массы всей Вселенной.
Из-за своей реакционной способности он обычно образует двухатомную молекулу (H2) или соединения с другими элементами. При комнатной температуре и давлении он существует в виде бесцветной молекулы без запаха с плотностью в 14 раз меньше плотности воздуха.
Эта низкая плотность позволяет ему быстро рассеиваться при попадании в воздух. Чтобы водород существовал в виде жидкости, температура должна быть снижена до 20,3 К. Он имеет одну из самых высоких плотностей энергии на единицу массы (между 120 и 142 МДж кг -1 ) и, поскольку он имеет более высокую энергию сгорания на единицу массы чем другие виды топлива, он стал интересен сообществу возобновляемых источников энергии.
Одной из самых привлекательных черт водорода является его присутствие в воде (H2O), которая покрывает около 71% поверхности Земли. Если водород можно будет экономично выделять из воды, он станет источником энергии будущего и значительно сократит выбросы парниковых газов на Земле.
Одним из его главных сдерживающих факторов является его воспламеняемость (что, с другой стороны, означает, что это хорошее топливо).
В то время как пределы воспламеняемости для такого топлива, как природный газ, находятся в диапазоне 5,0–15% (объемное отношение газа к воздуху), водород имеет диапазон от 4,0% до 75,0%. Водород имеет относительно низкую энергию воспламенения (0,02 мДж).
Основным преимуществом использования водорода для производства, например, электроэнергии является то, что он преобразуется в воду топливными элементами, а это означает, что он не считается загрязнителем. Кроме того, он нетоксичен и быстро рассеивается при высвобождении.
Хотя водород имеет множество применений (например, в химических процессах и реакциях), эта статья будет сосредоточено на его использовании в качестве энергоносителя.
Водородные технологии
Водород можно сжигать в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) или преобразовывать в электричество в топливных элементах.
Топливный элемент — это устройство, которое использует химическую реакцию между водородом и кислородом для производства электроэнергии.
Работа топливного элемента связана с реакцией, называемой окислением-восстановлением.
Сердце батареи состоит из трех элементов: двух электродов (окислительного анода, который испускает электроны, и восстановительного катода, который собирает электроны) и электролита, который их разделяет.
Принцип работы топливного элемента
Центральный электролит обладает способностью переносить молекулы, заряженные ионами, от одного электрода к другому и блокировать их, чтобы затем они могли пройти через внешнюю цепь батареи.
Резервуар также снабжает два электрода топливом. Если это водородный топливный элемент, то анод будет получать водород, а катод — кислород. Анод окисляет топливо, затем высвобождает электроны, которые электролит заставит пройти через внешнюю цепь и создает постоянный электрический ток. Этот процесс называется «окисление».
Со своей стороны, кислород, присутствующий в катоде, будет реагировать при контакте с электронами, высвобождаемыми в результате реакции, описанной выше. Это «восстановление», производящее тепло и воду.
Водородный топливный элемент
Электрическая энергия полученная с помощью водородных топливных элементов может использоваться непосредственно для питания электромобиля или любыми другими пользователями, такие как дома или промышленные предприятия.
Существует несколько различных технологий топливных элементов, но топливный элемент с полимерно-электролитной мембраной (PEM), также называемый топливным элементом с протонообменной мембраной, представляет собой технологию, предлагаемую для использования в автомобилях.
Приложения для конечного использования
В мире производится около 50 миллионов тонн водорода в год. До недавнего времени (последние 100 лет) водород в основном использовался для производства удобрений и гидрокрекинга. Ситуация изменилась с появлением водородной экономики. Сейчас люди рассматривают водород как замену ископаемому топливу.
Применение водорода в целом можно разделить на категории:
- стационарные установки (от электростанций до топливных элементов),
- мобильные системы (наземный, воздушный, водный и космический транспорт),
- резервные системы (портативные системы),
- специальные устройства (иногда самые интересные), в зависимости от выбранной платформы.
Обратите внимание, что категории часто пересекаются, потому что, например, водородный топливный элемент может быть помещен в производственное помещение (стационарное), автомобиль (мобильное), резервный генератор (резервный) или портативный компьютер (специальный).
Следует различать непосредственное использование водорода и использование водорода в топливных элементах. Например, водород можно использовать непосредственно, например, при сгорании в автомобилях или электростанциях, но его также можно использовать вторично, например, в топливных элементах.
Обсуждаемые выше категории включают оба этих вариантов применения водорода, иногда в комбинации.
Что касается транспорта, то на рынке уже представлены автомобили малой грузоподъемности на топливных элементах (FCEV), включая личные автомобили, такси и автопарки. Они хорошо конкурируют с обычными автомобилями по пробегу (250–350 миль на бак) и опыту заправки.
Благодаря дополнительному преимуществу, заключающемуся в бесшумности и отсутствии выбросов в выхлопной трубе, они являются главным дополнением к водородной экономике.
По прогнозам, автомобили с прицепным парком будут «более конкурентоспособными в 2030 году, чем автомобили, работающие на дизельном топливе, сжатом природном газе и биометане, со значительным отрывом».
Более крупные транспортные средства, такие как автобусы, демонстрируются по всей Европе и в Соединенных Штатах Америки, что должно привести к их увеличению в следующем десятилетии.
Использование водорода в других транспортных средствах, таких как вилочные погрузчики и большегрузные автомобили, растет, и капитальные затраты на водородные вилочные погрузчики теперь конкурентоспособны по сравнению с вилочными погрузчиками с батарейным питанием (смотрите — Тенденции и перспективы водородных топливных элементов для экологически чистого транспорта).
Поезда и легкорельсовый транспорт становятся еще одним способом использования водорода. Лодки с водородным двигателем вызывали интерес, по крайней мере, пятьдесят десятилетий назад, и в настоящее время ВМС США вновь проявляют интерес к подводным лодкам, переправам и другим судам. Это направление отстает от других, но набирает обороты.
Хотя водород лишь в минимальной степени рассматривался в отношении полета, в настоящее время он проникает в нишу дронов и авиации.
Что касается использования водорода в качестве энергии и топлива, то он находит все больше применений в энергетическом секторе, в частности, в качестве среды хранения после электролиза воды с использованием возобновляемой электроэнергии.
Некоторые организации и страны также комбинируют водород с другими видами топлива для производства электроэнергии и тепла.
Водородная энергетика будущего
Основные проблемы, с которыми сталкивается водород, включают проблемы хранения, чистоту (для топливных элементов) и инфраструктуру, включая безопасность.
Кроме того, хотя водород сам по себе является «чистым» энергоносителем, для его производства необходимо использовать другие источники энергии. Эта проблема решается с помощью возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая.
Еще одна проблема, связанная с водородом, — отсутствие консенсуса в отношении его преимуществ — устраняется созданием Совета по водороду, о котором было объявлено на Всемирном экономическом форуме в 2017 году. По пронозам форума 18% конечной потребности в энергии в мире может быть удовлетворено с помощью водородных технологий.
Стоимость часто указывается как одна из проблем, но недавно было высказано предположение, что производство водорода электролизом стало рентабельным.
Фактически, производство водорода, который затем объединяется с молекулами на основе углерода для создания синтетического природного газа и заменителей автомобильного и авиационного топлива, может принести пользу как окружающей среде (за счет сокращение выбросов углерода) и замена существующих видов топлива.
А как только водород будет производиться электролизом с использованием чистых возобновляемых источников энергии, снизятся как стоимость, так и производство нежелательных побочных продуктов.
В 2010 году Министерство энергетики США подсчитало, что затраты на производство водорода с помощью ветряных электростанций и электролиза стали конкурентоспособными по сравнению с бензином.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Как производят водород: источник энергии будущего
Водород является одним из самых распространенных химических элементов во Вселенной, но его выделение не так просто. Существует несколько методов производства водорода, таких как риформинг, газификация и электролиз.
Водород имеет один из самых маленьких атомов. Атомы водорода такие маленькие, что если разместить в ряд 100 миллионов атомов, получится цепочка длиной в 1 см.
Водород широко используется в нефтеперерабатывающей промышленности, металлургии и в топливных элементах. Однако его доступность ограничена сложностями добычи.
В природе атомы водорода всегда встроены в молекулы, и для их выделения необходимо разрывать связи с другими атомами, такими как углерод (С) или кислород (О).
В течение длительного времени это было возможно только с помощью риформинга или газификации, которые требовали использования ископаемых топлив, таких как нефть или газ.
До сих пор 95% водорода производится таким образом. Однако благодаря электролизу, мы начинаем видеть будущее, где производство зеленого водорода станет нормой.
Риформинг: превращение метана в водород
Риформинг — это процесс, предпочитаемый крупными производителями в настоящее время. Он дешев, но оказывает значительное воздействие на окружающую среду.
Первым шагом является проведение гидродесульфурации для удаления серы, которая присутствует в природном газе помимо метана (СН4).
После этого очищенный метан подвергается воздействию перегретой воды. Высокая температура и присутствие атомов воды (H2O) приводят к разрушению связей, соединяющих атомы углерода, и образованию синтетического газа, состоящего из окиси углерода (CO) и диводорода (H2).
Дальнейшая реакция с водяным паром приводит к образованию двуокиси углерода (CO2) и диводорода. В конечном итоге мы получаем смесь CO2 и Н2, из которой можно получить чистый водород.
Газификация: получение водорода из древесного угля
Газификация является одним из методов производства водорода, но он считается самым неблагоприятным для окружающей среды. Однако с появлением более экологичных подходов его использование постепенно сокращается.
В этом процессе древесный уголь сжигается в реакторе с очень высокой температурой. Целью является разрыв связей в атомах метана (CH4), присутствующих в соединении. В результате атомы углерода и водорода могут соединяться с другими газовыми атомами. Из метана (СН4) получается диводород (H2) и монооксид углерода (СО).
Для достижения ожидаемых результатов необходимо поддерживать температуру нагрева в диапазоне от 1200 до 1500°C.
Кроме древесного угля, газификация может использовать биомассу в качестве источника энергии. Однако, даже при использовании биомассы, этот процесс все равно остается недостаточно экологичным по сравнению с другими методами.
Электролиз: превращение воды в водород
Вода является самой распространенным веществом в окружающей среде, покрывая 70,1% поверхности Земли.
Молекула воды состоит из двух атомов водорода (H), связанных с атомом кислорода (O), и ее формула записывается как H2O.
Связи между атомами водорода и кислорода могут быть легко разорваны с помощью электричества.
Под воздействием электрического тока молекула воды распадается. H2O превращается в гидроксид-ион (OH)- и протон (H+). Протоны, находясь рядом, реагируют друг с другом и образуют диводород (H2).
Чтобы сэкономить энергию, можно заменить жидкую воду на ее газообразную форму. Водяной пар, который можно разложить при температуре от 700 до 1000°C, представляет собой интересную альтернативу для ускорения реакции.
Один из главных преимуществ электролиза заключается в его невероятной простоте. Электролиз позволяет легко получать чистый водород. С экологической точки зрения этот метод является высококачественным, поскольку во время всех его этапов не выделяется ни одного вредного газа. Именно поэтому электролиз сегодня считается одним из основных способов получения зеленого водорода.
Фотосинтез: производство водорода с помощью микроорганизмов
Одним из потенциальных методов производства водорода является фотосинтез, осуществляемый с помощью микроорганизмов.
Фотосинтез — это процесс, при котором растения и некоторые микроорганизмы используют энергию света для превращения воды и углекислого газа в органические вещества и кислород. Однако некоторые микроорганизмы могут также выпускать водород в процессе фотосинтеза.
В процессе биологического фотосинтеза микроорганизмы, известные как фототрофы, используют энергию света для превращения воды и углекислого газа в водород и кислород. Эти микроорганизмы обладают ферментами, способными разлагать воду на водород и кислород.
Полученный водород можно использовать в качестве источника чистой энергии. Однако, несмотря на потенциал этого метода, биологический фотосинтез все еще находится в стадии исследований и разработок.
Ученые работают над повышением эффективности и стабильности процесса, чтобы он мог стать практически применимым и экономически целесообразным источником водорода.
Водород является обещающим источником энергии будущего, и различные методы его производства предлагают разные подходы к его получению. Риформинг, газификация и электролиз — это три основных метода производства водорода.
Риформинг основан на превращении метана в синтез-газ, который содержит водород. Этот процесс широко используется в промышленности, но имеет негативное воздействие на окружающую среду из-за использования ископаемых топлив.
Газификация, с другой стороны, предполагает производство водорода из древесного угля или биомассы, но также сопряжена с экологическими проблемами.
Однако электролиз является одним из наиболее перспективных и экологически чистых методов получения водорода. В процессе электролиза вода разлагается на водород и кислород под воздействием электрического тока.
Этот метод не требует использования ископаемых ресурсов и не выделяет вредных газов, что делает его идеальным для производства зеленого водорода. С помощью электролиза можно получать чистый водород с высокой эффективностью и простотой.
Кроме того, исследования в области фотосинтеза с использованием микроорганизмов предлагают потенциально новый путь для производства водорода.
Микроорганизмы, способные выпускать водород в процессе фотосинтеза, представляют собой интересную альтернативу, которая может обеспечить стабильное производство водорода с использованием энергии солнечного света. Однако данная технология все еще находится в стадии исследований и требует дальнейших разработок.
Водород является перспективным источником чистой энергии, и его производство играет важную роль в переходе к устойчивой и экологически чистой энергетике.
Развитие методов производства водорода, таких как электролиз и фотосинтез, будет способствовать ускорению этого перехода и обеспечит более чистое и устойчивое энергетическое будущее.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Водород — основа энергетики будущего?
Водороду, получаемому с помощью возобновляемых источников энергии, прочат большое будущее в качестве топлива, альтернативного ископаемым видам. «Зеленая мечта» о водороде, заменяющем дизельное горючее на транспорте, уголь — в металлургии и природный газ — в отоплении, породила настоящий бум исследований. Он длится несколько лет и затронул практически все развитые страны. Не пора ли взглянуть на его результаты?
Мировое производство водорода добавляет к выбросам двуокиси углерода всего 830 тонн в год. Эта цифра так мала, что, когда в марте этого года Квинслендский технологический университет отправил на экспорт в Японию небольшую партию водорода, произведенного на энергии Солнца, это событие прошло почти незамеченным.
И напрасно: водород сегодня рассматривают как топливо, альтернативное ископаемым источникам, то есть способ построить безуглеродную экономику. Особенно актуален этот выбор для промышленных стран, небогатых источниками энергии, импортирующих топливо и планирующих «позеленеть». Вы подумали о Японии и Южной Корее? Правильно подумали. В частности, потому, что в Японии имеется долгосрочный план разработки и развертывания водородной энергетики.
Правительство Японии предъявило публике этот план еще в 2017 году. Одно из его направлений предусматривало производство водорода из бурого угля в питаемых солнечной энергией термохимических реакторах, которые можно построить в самом солнечном регионе мира — в Австралии.
Это было два года назад, а в марте 2019 года группа исследователей из японского нефтяного конгломерата JXTG произвела «зеленый» водород в государственном исследовательском центре Redlands, к югу от Брисбена, на заводе солнечных батарей QUT, оснащенном массивами фотовольтаических батарей и концентраторов. Водород получали, добавляя воду и кислоту к толуолу. В качестве источника энергии для процесса электрохимического преобразования использовалась, разумеется, энергия Солнца, полученная из солнечных концентраторов. Толуол превратили в метилциклогексан (MCH), который можно перевозить обычными автоцистернами, танкерами или перегонять по трубопроводам.
В пункте назначения из MCH извлекут водород, а оставшийся толуол можно использовать в транспортном цикле повторно. Таким образом, на лабораторном уровне была решена проблема не только производства водорода, но и его транспортировки.
Солнце и ветер Австралии — на экспорт
В начале октября пришла новость: консорциум японских компаний, возглавляемый Kawasaki Heavy Industries, при содействии японского правительства (и в сотрудничестве с австралийскими AGL Energy и Shell) создает Hydrogen Energy Supply Chain (HESC) — цепочку поставок водородной энергии. В консорциум вошли такие компании, как Marubeni, Iwatani и J-Power. Вместе они вложили в эксперимент, который правильнее назвать опытным производством водорода, $ 350 млн. Правительства Австралии и южного австралийского штата Виктория подписали с японцами соглашение о запуске процесса, который начнется с производства водорода на старой электростанции в богатой углем долине Латроб. Полученный газ охладят до -253 °C и отправят в Японию до конца 2019 года. Для транспортировки сжиженного водорода построят специальное судно.
В рамках HESC водород будут производить из синтетического газа, получаемого в процессе газификации бурого угля (как предполагается, с полным окислением углерода). Для обеспечения экологических стандартов будут применяться технологии улавливания и хранения углерода (проще говоря, углерод, то есть графит, будут закапывать). Предусматривается и создание танкера для транспортировки жидкого водорода. Проект нацелен на коммерческий запуск к 2030 году. Планируемый объем опытного производства водорода пока невелик — всего 0,25 тонны в сутки.
Союз Австралии и Японии в этом смысле логичен, так как Австралия экспортирует в Японию много угля и СПГ. Логистика экспорта четко отработана, как и все, связанное с транспортировкой энергетических грузов.
Однако HESC — не единственный план производства «зеленого» водорода в Австралии. Французская Neoen SA собирается создать в штате Виктория производство водорода методом электролиза. Энергию для него обеспечат солнечные и ветровые установки общей мощностью 300 МВт плюс накопитель емкостью 400 МВт/ч. Электролизер — пока малой мощности — уже строится при сотрудничестве с Siemens и Hyundai. А в перспективе мощность установки достигнет 20−25 тонн водорода в сутки.
Сегодня 30 компаний работают над водородными проектами в Австралии, точно зная, что у них есть будущее. Финансирует эти проекты по разработке «чистых» водородных технологий Clean Energy Finance Corporation, для создания которой австралийские лейбористы выделили $ 1 млрд. В частности, австралийские исследователи активно разрабатывают новые способы газификации углей и даже новые методы расщепления воды. Ученые австралийского государственного Объединения научных и прикладных исследований (CSIRO), например, показали двухэтапный процесс разложения воды на кислород и водород в присутствии катализатора — двуокиси церия, нагретой до 1400 °C с помощью солнечных концентраторов. При этом двуокись CeO2 превращается в оксид CeO, в присутствии которого расщепление воды проходит при 800 °C. Этот процесс существенно дешевле аналогов, в которых не принимает участия солнечная энергия.
Как возить водород?
Тридцать лет попыток построить водородную экономику не принесли результатов, так как этот газ требует новой инфраструктуры для транспортировки и хранения. Смеси водорода с кислородом и воздухом взрывоопасны. Люди, пользующиеся работающим на водороде общественным транспортом и водородными автомобилями, должны обладать крепкими нервами и определенной долей фатализма.
Идеологам «водородного будущего» известно, что транспортировка водорода связана со множеством проблем с точки зрения стоимости, энергоэффективности, чистоты и минимизации утечек. Их предлагают решать отказом от транспортировки чистого водорода.
Вернемся к упомянутой в начале статьи пробной партии водорода, отправленного из Австралии на экспорт. Идею транспортировки и хранения водорода в составе менее опасного «накопителя» развили исследователи из австралийского CSIRO. В качестве носителя они предложили нитрит водорода, то есть аммиак — NH3.
При чем тут аммиак? При том, что он состоит из одного атома азота и трех атомов водорода, а его энергетическая плотность почти вдвое выше, чем у жидкого водорода — его основного конкурента в качестве альтернативного «зеленого» топлива. Жидкий аммиак содержит 17~18% водорода по массе. К тому же аммиак легче перевозить и распределять. Его можно хранить, отправлять, сжижать и преобразовывать обратно в водород и азот. Главное же преимущество аммиака как носителя водорода на экспорт заключается в том, что это вещество уже широко используется во всем мире, и бóльшая часть инфраструктуры существует.
Чтобы выделить водород из аммиака, достаточно прибегнуть к процессу электролиза, энергию для которого обеспечит любой возобновляемый источник энергии. К примеру, можно обратиться в компанию группы Siemens, купить мультимегаваттный электролизер и разместить его на солнечной ферме.
Это не единственный способ получить водород из аммиака. Несколько лет назад за идею взялся Дуглас Макфарлейн из мельбурнского университета Монаш. Он разработал устройство, которое превращает возобновляемую электроэнергию в аммиак. Топливные элементы обычно используют энергию, запасенную в химических связях, для производства электроэнергии. Но устройство Макфарлейна работает в обратном режиме, то есть потребляет азот, воду и электричество, а производит газообразный аммиак. Утверждается, что по сравнению с процессами, используемыми по всему миру для производства аммиака, процесс Макфарлейна более эффективен и экологически чист.
Исследования водорода как будущего энергетики множатся. Ученые CSIRO нашли способ извлечения водорода из аммиака с помощью фильтра — металлической мембраны. В перспективе это может привести к тому, что новая водородная индустрия будет успешно конкурировать с рынком сжиженного природного газа. Аммиак позволяет экспортировать водород по всему миру — разумеется, морем, где последствия возможных аварий минимальны. Токсичное вещество, которое прежде шло лишь на производство удобрений и на нефтеперегонные заводы, стало ключевым фактором экспорта возобновляемых источников энергии!
В австралийском Квинсленде официальные лица обсуждают вопрос создания терминала экспорта аммиака в портовом городе Гладстон, который уже стал центром доставки сжиженного природного газа в Азию. Этому примеру последовал штат Южная Австралия, объявивший в феврале о планах строительства аммиачного завода стоимостью 180 млн австралийских долларов — опять-таки на основе электролизеров, работающих на ВИЭ. Планируемый к открытию в 2020 году завод станет региональным источником удобрений и жидкого аммиака.
Совсем недавно пришла новость: Австралийское агентство по ВИЭ (ARENA) финансово поддержало исследование по строительству совместным предприятием Incitec и Wesfarmers Ltd — Queensland Nitrates — «зеленого» завода для производства аммиака и водорода с использованием энергии ветра, Солнца и накопленной энергии от объектов Neoen SA. Поддержку получил и завод по производству «зеленого» аммиака Incitec Pivot в Моранбе штата Квинсленд. На обоих участках природный газ служит сырьем для производства водорода, и тот в свою очередь применяется для производства аммиака. Далее из аммиака производят нитрат аммония для горнодобывающей промышленности.
Еще один сигнал в пользу союза водорода с аммиаком: в прошлом году международный консорциум объявил о планах строительства в штате Западная Австралия комбинированной ветро-солнечной электростанции стоимостью $ 10 млрд, известной как Азиатский центр возобновляемой энергии. Хотя большая часть производимой на станции электроэнергии будет уходить по подводному кабелю в Индонезию, часть этой энергии может быть использована при производстве аммиака для экспорта водорода на большие расстояния.
Все это означает, что возобновляемую энергию Солнца и ветра можно экспортировать точно так же, как ископаемое топливо. Да и в любом регионе мира, где затраты на возобновляемую электроэнергию составляют $ 30/МВт∙ч или меньше, солнечный и ветровой электролиз будет конкурентоспособен в сравнении с производством аммиака на основе природного газа, который выделяет 1,7 тонны CO2 на тонну и стоит от $ 200 до $ 600 за тонну, считает Международное энергетическое агентство.
Ценовой паритет водородного топлива с ископаемым, по-видимому, будет достигнут уже в ближайшие годы. Инфраструктура для перевозки и хранения практически есть, она требует минимальной достройки и приспособления.
Вскочить в уходящий поезд
Каждый год мир потребляет 55 млн тонн водорода. Вследствие выраженного намерения мощных экономик Японии и Южной Кореи — а может быть, и других стран — отказаться от углеродного топлива эта цифра, по-видимому, вскоре резко вырастет. Рост потребления водорода, по прогнозам Международного энергетического агентства, к 2030 году составит 8 млн тонн, а к 2040 году потребление этого газа достигнет 90 млн тонн. Исследования по водороду ведутся практически в каждой развитой стране. Всем хочется быть первыми пассажирами поезда в будущее, в следующий технологический уклад.
На австралийской «даровой» солнечной энергии свет клином не сошелся, считают в Европе. Ожидается, что европейский спрос на энергию в 2050 году составит около 10 000 ТВт∙ч. Это сопоставимо с цифрами доклада семи ведущих европейских газотранспортных компаний (Enagás, Fluxys, Gasunie, GRTgaz, Open Grid Europe, Snam и Teréga)»Газ для климата 2019″, в котором утверждается: потребуется около 2 900 ТВт∙ч «зеленого» водорода в дополнение к сочетанию «голубого» водорода (с использованием процесса улавливания и хранения углерода, CCS) и импорта «зеленого» водорода. К такому же мнению пришли видные ученые Фрэнк Воутерс и Ад ван Вийк, недавно опубликовавшие статью в Energy Post.
Германия ожидаемо рвется в мировые лидеры водородных технологий и намерена ежегодно инвестировать € 100 млн в исследования водородных технологий. «Сейчас мы начинаем следующий этап энергетического перехода», — заявил федеральный министр экономики Питер Альтмайер (ХДС) и сообщил, что федеральное правительство планирует принять решение о «водородной стратегии» к концу года.
Однако рациональные немцы прекрасно видят, что до эффективного использования водорода еще далеко, при электролизе теряется почти треть энергии, а при дополнительном преобразовании в метан или другое топливо — половина. В немецком Институте Фраунхофера по ветроэнергетическим системам считают, что ВИЭ никоим образом не могут удовлетворить высокий спрос страны на электроэнергию и что водород придется импортировать, как ныне — природный газ.
В Нидерландах уже несколько лет газифицируют биомассу, получая на выходе синтетический газ (смесь водорода, СО2 и СО). Газ этот идет на производство азотной кислоты, метанола, этилена, пропилена и других веществ, нужных «большой химии» и способных потеснить нефть и природный газ как сырье для химической промышленности (осталось лишь приблизить стоимость синтетического газа к стоимости природного).
Скромный (зато реалистичный) национальный план по производству «зеленого» водорода есть и у Франции. Здесь планируют производить из ВИЭ к 2023 году 10% «зеленого» водорода. Этот метод якобы позволит снизить стоимость продукта на две трети от текущей средней цены.
Даже в Норвегии пытаются преобразовать энергию ветра региона Финнмарк в водород, чтобы поставлять его на Шпицберген в качестве топлива для местной теплоэлектростанции (старая, угольная, уже закрыта).
В водородную гонку включилась и Британия: консорциум компаний под руководством EDF Energy планирует построить близ АЭС «Хейшем» завод по производству водорода. Цель проекта Hydrogen to Heysham (H2H) — проверить потенциал использования электролизеров, подключенных к АЭС «Хейшем». Как и у каждой британской атомной станции, у АЭС «Хейшем» есть вода, водоподготовка и железная дорога. Проект H2H предусматривает добавление к этим компонентам электролизера и устройства сжижения газа (или газов, поскольку на «побочный продукт» — кислород — тоже имеется спрос). Авторы проекта полагают, что энергия атомной станции сделает производство более рентабельным, чем возобновляемая энергия. Технико-экономическое обоснование вскоре будет готово, а затем, в 2020 году, наступит второй этап проекта — двухлетнее строительство демонстрационной установки. Если опытное производство покажет экономическую жизнеспособность, промышленное производство водорода развернут не позднее 2030 года. Преимуществом проекта H2H считается то, что электролиз воды с помощью энергии атома не будет оставлять «углеродного следа».
В принципе, производство водорода можно наладить при всех восьми атомных электростанциях Великобритании, но графство Ланкастер, население и бизнес-сообщество которого желает отказаться от ископаемого топлива, первым вскочило в отправляющийся поезд вместе с Университетом Ланкастер, энергокомпанией Heysham Power Stations, исследовательской командой EDF Energy R&D, компанией Atkins, Европейским институтом энергетических исследований и Hynamics, подразделением EDF Group по водороду. Британская Комиссия по климатическим изменениям считает, что к 2050 году производство водорода должно обеспечить топливом газовые электростанции страны.
Тем временем в британском Лидсе энергетическая компания Northern Gas Networks готовит пилотный проект H21. Он похож на эксперимент в германском городке Гентхин, где к природному газу в некоторых районах примешивают более 10% водорода. Однако британский проект масштабнее — он предусматривает полный перевод отопления крупного города с природного газа на водород, который получат электролизом воды на энергии морских ветропарков.
«Русгидро» и Kawasaki Heavy Industries вернулись было к обсуждаемому с 2013 года промышленному производству сжиженного водорода в Магаданской области, на дешевой электроэнергии гидроэлектростанций. Однако с мая 2018 года вестей об этом проекте нет. Прорывов пока не видно, и все же публикации о новых, «зеленых» методах производства водорода появляются чуть ли не ежемесячно. Правда, они по большей части носят характер рекламы, как, например, июльское сообщение японской Eneco Holdings Inc. о способе производить огромные объемы газа с использованием очень малых количеств электроэнергии — разумеется, без выделения углекислого газа. Для этого воду, обогащенную ионами водорода, подвергают электролизу в присутствии некоего неназванного катализатора, который, по словам исследователей Eneco Holdings, производится из отходов. Скептики, правда, скажут, что проекты превращения чистой энергии воды, Солнца и атома в «еще более чистый» водород — взрывоопасный, дорогой и требующий сложных устройств хранения ввиду его чрезвычайной текучести — это «масло масленое». Но сейчас в ходу аргумент «выгод экспорта чистой энергии», и, пока у водородных проектов есть финансирование, никто не станет отказываться от водородного журавля в небе.
Сказанное выше можно резюмировать: на наших глазах зарождается отрасль производства водорода, объем которой, по мнению оптимистичных экспертов Forbes, в 2050 году составит $ 2 трлн. Пессимисты, правда, считают, что этот водородный проект развивают в порядке контрцикличной экономической политики, то есть для противодействия рецессии. А осторожные консалтинговые компании предостерегают от завышенных ожиданий и ошибочных инвестиций. Но в атмосфере развивающейся на международном уровне «зеленой» истерии их голоса почти не слышны.
В любом случае, для создания компонентов новой отрасли нужны новые инженерные решения. Их уже сейчас изобретают по всему миру — не только в Японии, но и в Германии, и в Австралии, и в Швейцарии, и в Китае… во всех странах, чьи ученые и корпорации спешат запрыгнуть в отправляющийся поезд новой индустрии.
Водородная энергетика России и Европы: перспективы рынка на $700 млрд
Германия первой из стран ЕС опубликовала стратегию развития водородной энергетики. Потенциал этого рынка огромен. Но найдется ли на нем место российским поставщикам нефти и газа?
- Перспективы водородной энергетики
- Водородная энергетика в Германии
- Роль российских компаний
- Драйвер водородной энергетики
- Водород для нефтяников
Об эксперте: Флориан Виллерсхаузен, директор Creon Capital, управляющей компании люксембургского фонда Creon Energy Fund, инвестирующего в проекты «зеленых» технологий, возобновляемой энергетики и логистики. Фонд входит в структуру CREON Group, стратегического консультанта по переводу бизнесов на рельсы устойчивого развития с учетом факторов ESG.
Перспективы развития водородной энергетики
Перевод европейской промышленности и транспорта на водородное топливо сократит вредные выбросы, создаст новые рынки и сделает водородные технологии экспортным «шлягером».
Каждому, кто хоть раз задумывался о будущем энергопоставок в Европу, стоит пройтись по вокзалу Куксхафена в Нижней Саксонии. Отсюда в Букстехуде ежечасно отходит синяя электричка Coradia iLint. Бесшумный поезд французского производителя Alstom работает на водороде, климатически он совершенно нейтрален: вместо углекислого газа водородный привод выделяет всего несколько капель воды на метр движения. Пока этот поезд почти в три раза дороже дизельного, но Нижняя Саксония и другие федеральные земли активно субсидируют новую технологию. И не за горами тот час, когда водородные поезда отправят своих чадящих дизельных праотцов на запасной путь.
Водородная энергетика в Германии
Курс на водородную энергетику окончательно зафиксировала Национальная стратегия развития водородной энергетики ФРГ, опубликованная 10 июня 2020 года. Долгосрочная цель страны — создать нейтральную для климата экономику с сокращением выбросов СО2 на 95% от уровня 1990 года. И водороду, на который будет переведен не только транспорт, но и металлургия с нефтехимической промышленностью, в этом процессе отводится центральная роль.
На развитие водородной энергетики Германия выделит более €10 млрд до 2023 года: €7 млрд на «запуск рынка» (то есть на создание рамочных условий и стимулирование внутреннего спроса), €2 млрд на международное сотрудничество и еще €1 млрд — на нужды промышленности, которая должна внедрить водородные технологии, чтобы в перспективе стать их экспортером номер один в мире.
При этом правительство ФРГ признает экологичным только «зеленый водород», производимый при помощи электроэнергии, полученной из возобновляемых источников — солнца и ветра. Для наращивания его объемов Германии потребуются дополнительные ветрогенерирующие мощности на Северном и Балтийском побережьях. Со временем, «зеленый водород» должен заменить «серый», «голубой» и «бирюзовый», то есть получаемые с выделением CO2 в атмосферу из ископаемых источников как природный газ или метан.
Правда, стратегия признает, что Германия не сможет обеспечить свои потребности в водороде самостоятельно, и ей придется импортировать либо электроэнергию для производства «зеленого водорода», либо исходные продукты. И €2 млрд, выделенные на развитие международного сотрудничества, пойдут в первую очередь на пилотные проекты солнечной энергетики для производства «зеленого водорода» в Северной Африке и Марокко, где солнце светит круглый год.
Роль компаний из России в водородной энергетике
Однако для пилотных проектов подходит не только Северная Африка. Как показывает проект водородного трамвая, запущенного в Санкт-Петербурге в ноябре 2019 года, современные российские города прекрасно подходят в качестве «шоурумов» для водородных технологий. Такие яркие примеры внедрения инноваций будут иметь положительный имиджевый эффект не только для экономики России, но и для долгосрочного сотрудничества с Евросоюзом.
Потенциал этого сотрудничества частично отражен в энергетической стратегии Российской Федерации, опубликованной день в день с немецкой водородной стратегией. В документе водород обозначен как топливо с высоким экспортным потенциалом. К 2024 году российский экспорт водорода должен составить 0,2 млн т, а к 2035 вырасти до 2 млн т. По планам Минэнерго, Россия должна занять до 16% мирового рынка водорода.
В парадигме, когда уровень развития и благосостояния страны напрямую зависят от экспорта энергоресурсов, ставка на водород совершенно оправдана. Эта технология может стать дополнительным драйвером развития в общем балансе экспорта. Но чтобы реализовать эти амбициозные планы, российским корпорациям нужно уже сейчас развивать водородную энергетику и оперативно пересматривать свои бизнес-модели, ведь «энергетический переход», на который нацелились немцы, неминуемо приведет к снижению спроса на нефтепродукты и природный газ в ближайшем будущем.
Подкаст о водородной энергетике
В водородной экономике самая дорогая часть — это транспортировка и хранение водорода. В рыночной стоимости водорода эта часть может достигать 70%, рассказал доктор химических наук, профессор, руководитель Центра Компетенций НТИ при Институте проблем химической физики РАН «Технологии новых и мобильных источников энергии» Юрий Добровольский в подкасте «Что изменилось?».
Водород — очень легкий газ, который сжижается при очень низких температурах, из-за чего его нужно хранить или перевозить в жидком состоянии, либо транспортировать под давлением. Самый простой способ транспортировать водород — трубопровод, когда для транспортировки не используется высокое давление и не нужно тратить энергию на сжатие газа.
Достоинство России как страны экспортера нефти в наличии системы трубопровода в Европу. Задача — проверить газовую инфраструктуру на возможность перекачки по ней водорода. Для России это шанс остаться экспортерами энергоресурсов. Кроме того, сейчас, когда рынок водородной экономики еще только формируется, у России также есть шанс стать экспортером водородных технологий.
Драйвер водородной энергетики — внутренний рынок
Развитие водородной энергетики начинается с внутреннего рынка и его потребностей. В интересах общей энергетической безопасности нужно сначала определить собственные потребности в водороде, чтобы в перспективе обеспечить надежность поставок на внешние рынки.
Российским нефтегазовым компаниям необходимо подготовиться к производству водорода из возобновляемых источников в непосредственной близи от рынков сбыта — в первую очередь, в странах ЕС. Гигантские потребности Евросоюза в электроэнергии, которые многократно вырастут на фоне производства водорода и перевода общественного транспорта на электричество, невозможно будет покрыть только за счет энергии ветра и солнца.
Одновременно, российский бизнес должен развивать собственные международные инвестиционные проекты водородной инфраструктуры — строить пиролизные установки и сети водородных заправочных станций, разрабатывать концепции сбыта углерода, полученного в процессе переработки и принципы конкурентного ценообразования. В этом ему помогут европейские фонды и институциональные инвесторы, которые охотно инвестируют в водород и проекты «зеленой экономики», отвечающие принципам ESG — экологическим, социальным и управленческим факторам устойчивого развития и ведения бизнеса.
Нефтяники на службе «зеленой экономики»
В первую очередь о водороде стоит задуматься нефтяным компаниям, поскольку эта технология напрямую ударит по их бизнес-моделям. Первыми это осознали в Shell. Британско-нидерландский концерн осознанно выбрал путь перелома собственной бизнес-модели и начал инвестировать в возобновляемые источники энергии, синтетическое топливо и электромобили. На данном этапе эти направления полностью противоречат существующей бизнес-модели компании, основанной на добыче, переработке и торговле нефтяными продуктами. Однако в долгосрочной перспективе, с наступлением «зеленой экономики», эти технологии станут для корпорации точками колоссального роста.
О смене парадигмы пора задуматься и «Газпрому», тем более что водород не противоречит существующей бизнес-стратегии концерна, а наоборот дополняет ее. Компания обладает обширной сетью трубопроводов, которые могут транспортировать не только природный газ, но и водород. Впрочем, концерн уже изучает возможности водорода и заказал технико-экономическое обоснование его промышленного производства Немецкому технологическому институту Карлсруэ (KIT).