Сегодня водород используется в самых разных отраслях промышленности. Он имеет значительный потенциал для производства и хранения энергии, создания тепла и питания транспортных средств, поскольку является более чистой альтернативой в противовес традиционным источникам энергии.
По оптимистическим прогнозам специалистов через несколько десятилетий водород может стать основным компонентом национальных энергетических сетей, заменив природный газ, а также повсеместно распространенное автомобильное топливо.
Специфика производства водорода, вызовы и перспективы его использования обсуждались в Энергетическом подкасте Shell.
Является ли водород универсальным решением?
Чтобы найти ответ на этот и некоторые другие схожие вопросы, Даниэль Стюарт из National Grid, Паоло Бруненго из KBR, Фрэнк Кисслих и Нан Луи из Shell Catalysts & Technologies присоединились к дискуссии.
“Водород может сыграть жизненно важную роль для нефтеперерабатывающих заводов, традиционных производств горючего, а также в таких труднодоступных секторах, как производство стали или цемента, значительно уменьшив их углеродный след”, – отметил Фрэнк Кисслих из Shell. Он руководитель водородного бизнеса в Shell и отвечает за проект Refhyne 1, направленный на декарбонизацию нефтеперерабатывающего сектора путем использования водорода.
“Если мы хотим решить проблемы изменения климата благодаря достижению нулевого уровня выбросов парниковых газов, то водород должен стать частью энергетического баланса, – отметила Даниэль Стюарт, глава водородной программы из National Grid. – В частности он может поддерживать переменные возобновляемые источники энергии в электроэнергетической системе. Когда нет достаточно ветра, а солнце не светит, водород может помочь производить электроэнергию и таким образом бесперебойно обеспечивать стабильную работу энергетической системы. А в дни, когда есть избыток возобновляемых источников энергии, водород может быть использован для хранения этой энергии в течение дней, недель, а то и месяцев”.
Однако не весь водород одинаков. Используя разные источники производства, он может выделять и разное количество выбросов СО 2. Именно поэтому для фиксации его большей или меньшей стабильности водород обозначается разными цветами. Так какие же цвета водорода могут приблизить мир к нулевому уровню выбросов, да и вообще, из чего он сделан?
Среди широкого спектра цветов 99% всего производимого водорода в настоящее время получается из ископаемого топлива. Серый водород составляет около 70% всего его объема. Он образуется из природного газа посредством парового риформинга. Остальные 30% – это коричневый водород, созданный путем превращения углеродных материалов в водород с помощью газификации. Оба метода довольно недорогие, однако вызывают выделение значительного количества CO 2 в воздух при производстве, а это, в свою очередь, приводит к загрязнению и истощению невозобновляемых ресурсов.
Однако даже серый и коричневый вид водорода имеют два больших преимущества перед прямым использованием ископаемого горючего. Во-первых, килограмм водорода содержит примерно в 2,4 раза больше энергии, чем природный газ аналогичного объема. Во-вторых, единственным выходом после срабатывания водорода является вода, что делает использование этого источника энергии полностью свободным от выбросов парниковых газов.
На пути к более чистому водороду
К счастью, существуют способы улучшить производство водорода, одновременно сохраняя его наилучшие свойства. Вот почему у нас есть синий, зеленый, желтый, розовый и даже бирюзовый водород, производства которых развиваются по всему миру.
Голубой водород самый близкий к серому, так как он тоже производится из природного газа. Разница между ними состоит в том, что углекислый газ, образующийся при паровом риформинге, улавливается и сохраняется, поэтому остаются выбрасываемые в атмосферу нулевые выбросы. Этот метод помогает продлить жизнь заводов-производителей водорода, основанных на использовании природного газа, и делает их менее вредными для окружающей среды.
Например, в Shell Pernis, крупнейшем в Европе нефтеперерабатывающем заводе, расположенном в Роттердаме (Нидерланды), около 40% CO 2 уже улавливается и используется в качестве удобрения для ускорения роста овощей в местных теплицах. Характеризуясь высоким уровнем чистоты, производимый СО 2 также прекрасно подойдет для улавливания и хранения углерода (CCS). В ближайшее время его планируют направить в Северное море и хранить в обедненных газовых резервуарах глубоко на морском дне.
Зеленый водород считается наиболее перспективным видом этого топлива и настоящим источником чистой энергии при использовании возобновляемых источников энергии в производственном процессе. Чтобы произвести зеленый водород, осуществляют электролиз воды, используя чистую электроэнергию ветровых и солнечных станций. Во время этого процесса вода расщепляется на водород и кислород, не оставляя выбросов углерода. Однако существует существенная проблема производства такого зеленого водорода – это дороговизна процесса, создающая препятствия в использовании технологии в больших масштабах.
В Европе Shell стимулирует разработку зеленого водорода в пределах своего проекта Refhyne 1. При поддержке европейского консорциума, проект направлен на ускоренное производство водорода путем установки крупнейшего в Европе электролизера полимерных электролитных мембран (PEM) в парке энергии и химикатов Shell Rhineland в Весселинге (Германия). Имея мощность 10 МВт, электролизер может производить примерно 1 300 т водорода в год, полностью интегрированный в процессы нефтепереработки для декарбонизации этих продуктов. Refhyne 1 уже показал отличные результаты, поэтому нашел свое продолжение в масштабируемом проекте Refhyne 2 , который может увеличить мощность крупнейшего в Европе электролизера PEM с 10 МВт до 100 МВт.
“Эти два проекта демонстрируют правильную расстановку производственных акцентов и значительное увеличение мощностей в отрасли, которые достигнут гигаваттного масштаба в ближайшем будущем, – комментирует Фрэнк Кисслич. Согласно Национальной водородной стратегии Германии, страна планирует ускорить внедрение водородных технологий и к 2030 г. установить до 5 ГВт генерирующих мощностей. – Следовательно, нам нужно 500 проектов Refhyne 1 или 50 проектов Refhyne 2, чтобы добиться этой амбиции только для Германии”.
Однако увеличение количества электролизеров – не единственная проблема производства зеленого водорода. Важным аспектом этого вопроса является доступ к достаточному количеству более дешевой и возобновляемой “зеленой” энергии, что может помочь сделать зеленый водород более конкурентоспособным. Также есть проблема с инфраструктурой: Даже если мощностей достаточно, то надо будет транспортировать эту мощность к потребителю, а именно электролизера, для производства водорода. Это делает дальнейшее развитие нашей энергосистемы и мощностей энергосистемы одним из жизненно важных вызовов на ближайшее будущее”, – заключает Франк Кисслих.
Два других цвета водорода – розовый и бирюзовый – все еще достаточно новые разработки и используются пока экспериментально.
Так же, как зеленый водород, розовый добывается с помощью электролиза и выделяет несколько выбросов углерода при производстве. Однако питается процесс ядерной энергией и розовый водород может спровоцировать другие негативные влияния на окружающую среду – например, образовывать радиоактивные ядерные отходы.
Бирюзовый водород производится методом пиролиза метана, предусматривающего расщепление метана на водород и твердый углерод. Таким образом, в воздухе не выделяется углерод, а его твердая форма может легко храниться или использоваться в качестве сырья для изготовления автомобильных шин и аккумуляторов. Однако процесс его изготовления все еще влечет за собой образование выбросов-беглецов метана во время добычи природного газа.
Дела налаживаются
Несмотря на все эти вызовы, технология голубого и зеленого водорода невероятно развилась с точки зрения эффективности производства и потребления. “Во-первых, сейчас она использует меньше энергии для производства водорода. Во-вторых, для производства энергии нужно меньше водорода, – объясняет Паоло Бруненго, директор компании SynGas Technology в KBR. По его словам, еще одним серьезным улучшением является увеличение объема возобновляемой энергии из солнечной и ветровой энергии, которая сейчас становится конкурентоспособнее по сравнению с генерацией электроэнергии из природного газа или угля.
В дискурсе вокруг голубого водорода менеджер по развитию бизнеса по импорту/экспорту водорода в Shell Нан Луи выделяет два значительных события: масштабы производства, которые, как ожидается, возрастут к 2030 г. более чем в десять раз, и смещение производственного фокуса на скорость улавливания углерода голубых водородных установок. “Сегодня мы видим больше проектов с высоким уровнем улавливания углерода, выше 95%” , – отмечает специалист.
Это подводит нас к еще одному важному пониманию дискуссии: отход от разговора об определении цвета водорода к определению его углеродного следа. Как правило, люди используют цвет, чтобы различать способ производства водорода. Однако что имеет значение, то это, в конце концов, то, какова углеродоемкость молекулы водорода, которую вы производите”, – заключает Нан Луи.
Даже если водород не является универсальным решением по борьбе с изменением климата, его огромный потенциал стать повсеместно распространенным “зеленым” источником энергии не оставляет сомнений в том, что рано или поздно он станет частью нашей повседневной жизни. От водородных котлов в жилых домах и до автобусов и грузовиков, питаемых водородом, этот вид горючего может приблизить нашу промышленность, энергетику и транспорт к нулевым выбросам при надлежащем развитии технологий. (Enkorr/Энергетика Украины и мира)