Зелёный элемент. как мир переходит на водород и чем это грозит россии

Виды водорода 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.

Зелёный водород

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.

Оранжевый (или желтый) водород

Этот водород тоже получается методом электролиза воды, однако, в качестве источника электроэнергии для обеспечения процесса выступает атомная электростанция. Общепринято, что атомная энергетика не оставляет углеродного следа, но, при этом, создаёт тепловое загрязнение окружающей среди и требует утилизации радиоактивных отходов. Плюс ко всему, существует риск техногенной аварии, которая может привести к серьёзным последствиям для экологии.

Бирюзовый водород

Водород, получаемый разложением метана на водород и твердый углерод методом пиролиза. Производство бирюзового водорода дает относительно низкий уровень выброса углерода. Сам углерод получается не в виде СО₂, а в практически чистом виде, и может быть либо захоронен, либо использован как сырьё для промышленности. Выбросов в атмосферу нет.

Серый водород

Этот водород производят при помощи паровой конверсии метана, где исходным сырьем  является природный газ. Этот процесс можно легко организовать на практике, но в ходе химической реакции выделяется углекислый газ в тех же объемах, что и при сгорании природного газа, плюс расходы энергии на конверсию.

Голубой водород

При получении голубого водорода применяется метод паровой конверсии метана, однако, при условии что углерод улавливается. Данный метод дает примерно двукратное сокращение выбросов углерода.

Коричневый водород

При получении коричневого водорода в качестве исходного сырья используется бурый уголь. При нагревании бурого угля образуется синтез-газ — смесь углекислого газа, окиси углерода, водорода, метана и этилена, а также небольшое количество других попутных газов. Данный метод получения водорода является самым не экологичным.

Виды возобновляемой энергии в России

Солнечная энергия

Используется и в промышленных масштабах, и у местного населения как резервный или основной источник тепла и электричества. Мощность всех солнечных установок – 400 МВт, из них самые крупные в Самарской, Астраханской, Оренбургской областях и Крыму. Самая мощная СЭС – «Владиславовка» (Крым). Ещё разрабатываются проекты для Сибири и Дальнего Востока.

Ветровая энергетика

Ветровая возобновляемая энергия в России представлена чуть хуже, чем солнечная, хотя и здесь есть промышленные установки. Общая мощность ветровых генераторов в нашей стране – 183,9 МВт (0,08 % от всей энергосистемы). Больше всего установок – в Крыму, а мощнейшая находится в Адыгее – «Адыгейская ВЭС».

Гидроэнергетика

Это самый популярный вариант альтернативного источника энергии в России. Около 200 речных ГЭС вырабатывают до 20% от всей энергии в стране. В заливе Кислая губа в Мурманской области с 1968 года есть приливная электростанция – «Кислогубская ПЭС». Самая крупная ГЭС стоит на реке Енисей – «Саяно-Шушенская».

Геотермальная энергетика

За счёт обилия вулканов этот вид энергетики распространён на Камчатке. Там 40% потребляемой энергии генерируется на геотермальных источниках. По данным учёных, потенциал Камчатки оценивается в 5000 МВт, а вырабатывается только 80 МВт энергии в год. Ещё геотермальные станции есть на Курилах, Ставропольском и Краснодарском крае.

Биотопливо

Наша страна входит в тройку экспортёров пеллет на европейском рынке. В России есть заводы, создающие из остатков древесины пеллеты и брикеты, которыми топят котлы и печки.

Сельскохозяйственные отходы преобразуют в жидкое топливо и биогаз для дизельных двигателей. А вот свалочный газ не используется вообще, его просто выбрасывают в атмосферу, нанося ущерб окружающей среде.

«Зеленый» водород с помощью электролиза.

Применение электрического заряда к воде является общеизвестным способом расщепления молекул воды на водород и кислород.

Раньше использовали слабощелочную воду в этом процессе. Но лучшие результаты отмечались при более высокой кислотности водных растворов.

Традиционные электролитические катализаторы содержат платину и иридий, причем последний обладает хрупкими характеристиками, из-за которых он относительно быстро растворяется в кислой воде.

Поскольку ни один металл не является дешевым, а иридий нуждается в частой замене, то производство водорода при электролизе было в значительной степени неконкурентоспособным коммерческим процессом по сравнению с производством серого водорода на природном газе.

В новых исследованиях в Институте химических исследований Каталонии проводятся эксперименты с катализаторами, сделанными из кобальта и вольфрама, чтобы сформировать полиоксометаллат, материал, который долговечен и хорошо работает в кислой воде.

Поскольку эти два металла гораздо более распространены, чем иридий, это делает водород в результате электролиза более конкурентоспособным по стоимости.

Команда из Каталонии также обнаружила частично гидрофобный материал, то есть водоотталкивающий материал, в который они заключили катализатор, еще более увеличивая его долговечность.

В университете Монаш в Австралии исследователи также заменяют иридий «элементами, которых много, дешевы и работают более стабильно», — говорит Александр Симонов, преподаватель школы.

Описанная как система самовосстановления, она продемонстрировала стабильность в сильнокислых условиях при температурах до 80 градусов Цельсия   без каталитической деградации.

Цель заключается в создании портативного электролизатора, который можно было бы перевозить на грузовиках везде, где есть дешевые возобновляемые источники энергии, для организации промышленного мелкомасштабного производства водорода.

Газ из газа

— Насколько Россия готова к серьезному производству водорода в том числе на экспорт? И насколько она готова реализовывать свои научно-технологические заделы, которые, как вы говорите, у нас есть?

— Если вы посмотрите водородные стратегии Европы до 2050 года, то увидите, что в них на этот период заложены только пятьдесят процентов «зеленого» водорода, а пятьдесят процентов — «голубого». То есть половина всего потребляемого водорода будет получаться из углеводородов. Нам это выгодно, все-таки мы углеводородная держава. Но нужна логистика. К сожалению, основная стоимость водорода лежит не столько в его производстве, сколько в транспортировке. Потребуется огромная система газопроводов, хотя некоторые из существующих у нас трубопроводов уже сейчас пригодны для транспортировки водорода. Например, «Северный поток — 2»: можно просто подключать на входе водород и качать его прямо в Германию. И это самый дешевый способ передачи водорода. То есть у нас уже есть трубопроводы в Азию и Европу — туда, где водородные программы развиваются, и, на мой взгляд, преимущества наши очевидны: дешевые углеводороды и самый дешевый трубопроводный способ поставки водорода в эти страны.

— То есть на данном этапе, на ваш взгляд, самое перспективное производство водорода — из природного газа?

— Да. До 2050 года мы обеспечены потребителями такого водорода, если успеем встроиться в цепочку поставок. Но понятно, что после 2050-го доля такого водорода будет падать и падать, пока «зеленый» водород не займет все сто процентов потребления, это для меня очевидно. Эта программа точно будет выполнена, и нам нужно уже сегодня искать способы производства «зеленого» водорода. Источником электричества для такого производства у нас может стать малая гидроэнергетика, которая, в отличие от большой, считается «зеленой», потому что не нарушает биобаланс. Во-вторых, у нас в России много мест, где может активно использоваться солнечная и ветровая электроэнергия. При правильном планировании мы можем у себя потихоньку замещать наш «голубой» водород на «зеленый». У нас на это есть тридцать лет.

— А у нас есть серьезные компании, которые занимаются этой технологией?

— Сейчас пытается эти компетенции у себя собрать «Росатом». У них есть на это специальная программа. Там нет уже большой науки — научные основы получения водорода более или менее разработаны. там нужно отработать технологии.

Я не могу не сказать и о последнем нашем собственном проекте: мы собственными силами с одной небольшой компанией «Поликом», расположенной у нас же в Черноголовке, делаем первую российскую заправку с электролизером внутри. Сейчас идут испытания электролизера. А одна немецкая фирма по нашему техзаданию сделала заправочный блок, чтобы, взяв от этого электролизера водород, можно было сразу заправить, например, автомобиль или другую технику.

Я участвую в заседаниях Немецкого энергетического общества, и на них говорят, что примерно к 2030 году в Германии сумеют произвести всего четырнадцать тераватт-часов энергии в водороде, а им нужно по плану девяносто. Чувствуете разницу? Германия честно говорит, что сама не может стать производителем водорода, поэтому выделяет огромные деньги на развитие водородных технологий в странах, которые могут экспортировать водород, — на воспитание будущих экспортеров водорода.

Электрический самолет создан на платформе «Сигма-4» с энергетической установкой на водородных топливных элементах

Авиару.рф

Возобновляемая энергия в мире

Главный потребитель возобновляемых источников энергии – Евросоюз. В некоторых странах альтернативная энергетика вырабатывает почти 40% от всей электроэнергии. Там уже прижились разные меры поддержки: скидочные тарифы на подключение и возврат денег за покупку оборудования. Не отстают страны Востока и США.

Германия

40% электроэнергии в Германии дают возобновляемые источники. Она лидер по числу ветровых установок, которые генерируют 20,4 % электричества. Оставшаяся доля приходится на гидроэнергетику, биоэнергетику и солнечную энергетику. Немецкое правительство поставило план: вырабатывать 80% энергии за счёт альтернативных источников к 2050 году, но закрывать атомные электростанции пока не хочет.

Исландия

У Исландии очень много горячей воды, потому что она расположилась в зоне вулканической активности. Страна обеспечивает 85% домов отоплением из геотермальных источников и покрывает ими 65% потребностей населения в электроэнергии. Мощность источников настолько велика, что они хотят наладить экспорт энергии в Великобританию.

Швеция

После нефтяного кризиса 1973 года страна стала искать другие источники энергии. Началось всё с ГЭС и АЭС. Из-за атомных станций шведов часто критиковали Greenpeace, но с конца 80-х доля энергии от АЭС не растёт.

Начиная с 90-х Швеция строит оффшорные ветропарки в море. На выбросы предприятиями углерода в атмосферу введён дополнительный налог, а для производителей ветровой, солнечной и биоэнергии есть льготы.

Ещё Швеция активно использует энергию от переработки мусора и даже планирует его закупать у соседних стран, чтобы отказаться от нефти. Некоторые города получают тепло от мусоросжигательных заводов.

Китай

В Китае самая мощная ГЭС в мире – «Три ущелья». По состоянию на 2018 год – это крупнейшее по массе сооружение. Её сплошная бетонная плотина весит 65,5 млн тонн. За 2014 станция произвела рекордные для мира 98,8 млрд кВт⋅ч.

Крупнейшие ветровые ресурсы тоже здесь (три четверти из них поставлены в море). К 2020 году страна планирует выработать при их помощи 210 ГВт.

Ещё тут 2 700 геотермальных источников и делают 63% устройств для преобразования солнечной энергии. Китай занимает третье место в производстве биотоплива на основе этанола.

Как доставлять водород

Как и углеводороды сейчас, водород перемещать по миру в основном будут трубы, суда и автоцистерны. Отправлять H2 поездами в целом будет дороже, хотя удалённым потребителям в локациях без трубопровода это возможно. В мире сегодня существует много водородопроводов, но в основном они не выходят за пределы технологических площадок химических и нефтеперерабатывающих заводов. Поэтому более оптимальный вариант — трубы для передачи природного газа.

Однако далеко не все они подходят для прокачки водорода из-за типа стали: трубы из низкопрочной стали будут портиться из-за контакта с водородом (водородное охрупчивание) и давления прокачки. При этом их пропускная способность должна быть в три раза выше из-за низкой плотности водорода. Последнее решается, как мы уже выяснили, смешиванием водорода с жидкостями, и для таких соединений также есть трубопроводы. В частности, трубы используют для прокачки аммиачно-водородной смеси. Один из аммиакопроводов, к примеру, идёт из Тольятти (Россия) до Одессы (Украина) (2,4 тыс. км).

В целом трубы — перспективно самый дешёвый вариант доставки. Себестоимость транспортировки 1 кг водорода в виде газа на расстояние около 1,5 тыс. км составит $1,0. Если пустить по трубам жидкую смесь, то с учётом конверсии и реконверсии она вырастет до $1,5 за кг. Если расстояние увеличивается, то повышается и цена (нужно больше компрессорных станций), поэтому на расстоянии 2,5 тыс. км водород из трубы обойдётся уже в $2,0 за кг.

Однако трубопровод подойдёт не для всех потребителей. В некоторые страны H2 доставят морем. Пока танкеры для перевозки водорода массово не производят. Первое такое судно, получившее название Suiso Frontier, построила компания Kawasaki Heavy Industries, а спустили его на воду в декабре 2019 года в Кобе (Япония). В марте 2020 года на танкер установили резервуар объёмом 1 250 куб. м, в котором водород будут перевозить в сжиженном состоянии.

Водородовоз Suiso Frontier построен в рамках проекта создания безуглеродной цепи поставок водорода из Австралии в Японию. Правда, сам танкер работает на дизельном двигателе , так что безуглеродной цепь не получается. Kawasaki Group Channel / YouTube

В других проектах предполагаются танкеры, схожие по размеру с судами для СПГ, которые в качестве топлива будут сжигать в день примерно 0,2% от перевозимого водорода. Более перспективны в этом отношении танкеры, которые сейчас перевозят сжиженный нефтяной газ (СНГ). В их резервуары можно залить аммиачную и другие подобные смеси водорода. Газовозами доставлять водород дороже, чем по трубопроводам.

Самый затратный способ — везти сжиженный водород на расстояние около 1,5 тыс. км: с учетом расходов на сжижение перевозка встанет в порядка $2,0 за кг, в аммиачной смеси — $1,2, с жидкими органическими носителями — $0,6 за кг. Правда, в отличие от расходов прокачки по трубам, себестоимость морской транспортировки слабо растёт при увеличении расстояния. Альтернатива — автомобильные перевозки. Уже сегодня водород возят в основном тягачи с прицепом или автоцистерны. В первом случае прицеп загружают резервуаром со сжатым водородом.

Правда, обычно перевозят таким способом в пределах 300 км: дальше становится невыгодно. Развитие автоперевозок водорода будет зависеть от вместимости баков. Теоретически один прицеп со сжатым газообразным водородом может вместить до 1 100 кг в лёгких композитных цилиндрах (под давлением 500 бар). Однако этот показатель редко достигается на практике, поскольку правила во всем мире ограничивают допустимое давление, высоту, ширину и вес цистерн.

Второй вариант — автоцистерны со сжиженным водородом, если есть постоянные потребители и объёмы поставки компенсируют расходы на сжижение.

Изолированные криогенные автоцистерны могут перевозить до 4 000 кг сжиженного водорода. Их применяют на расстояниях до 4 000 км. Дальше — нельзя: водород нагревается, из-за чего растёт давление. На расстояние до 500 км поставка водорода с жидким органическим носителем (с учётом конверсии) обойдётся в $2,9 за кг. Аммиачная смесь водорода при таких же условиях доедет до потребителя в среднем за $1,5 за кг.

Как видно, экономика автоперевозок зависит от объёма поставок: чем больше требуется водорода, тем более выгодно построить трубопровод. Чем меньше и чем ближе потребитель, тем выгоднее возить водород грузовиками

Новый солнечный элемент, который превращает энергию в водород.

В Университете штата Огайо исследователи разработали солнечный элемент, который собирает энергию из солнечного света, используя однокомпонентный катализатор, который поглощает фотоны, образуя водород в качестве побочного продукта.

Ключом этого процесса является одномолекулярный родиевый катализатор, способный поглощать энергию от инфракрасного до ультрафиолетового спектра, а также весь видимый спектр.

Исследователи светили различными цветовыми лучами на кислотные растворы, содержащие молекулу, и обнаружили, что она выводит водород.
Клаудия Турро , профессор химии и директор Государственного центра химической и биофизической динамики штата Огайо: «Я думаю, что причина этого в том, что молекула трудно окисляется … Представьте себе, если бы мы могли использовать солнечный свет для нашей энергии вместо угля, газа или нефти, что мы могли бы сделать для решения проблемы изменения климата».

В этой технологии при нулевых выбросах очень гармонично сочетаются солнечная энергия и водород.

Декарбонизированный водород от пиролиза.

В исследовании, проведенном в июне прошлого года немецкой консалтинговой фирмой Pöyry, пиролиз рассматривался как более дешевое и масштабируемое средство производства водорода, чем электролиз.

Пиролиз — это процесс, который включает разложение метана (CH4) на водород и чистый углерод в твердом виде, а не в виде газа.

Твердый углерод не вносит в атмосферу парниковых газов.

Он не требует улавливания и подземного хранения и может использоваться в качестве промышленного материала для производства углеродного волокна, шин, бетона и графена.

Рассматривается как способ использования природного газа для производства водорода в масштабе для энергетического сектора без выбросов ПГ, образующихся в процессе паровой конверсии метана, и, следовательно, без необходимости какой-либо формы улавливания и улавливания углерода (УХУ).

В любом случае, это было предложение, а не окончательное решение, поэтому пилотный процесс производства пиролизного водорода еще предстоит увидеть.

Водородные авто

Для применения в автотранспорте подходит не жидкий, а сжатый водород, но и его хранить непросто. Поскольку водород почти в 30 раз легче воздуха, его надо закачивать в баллоны под очень высоким давлением. Первое время использовался стандарт 350 атмосфер, но тогда в 60-литровый баллон помещается всего 1,5 килограмма водорода, что позволяет проехать лишь 100–150 км. Сейчас водородомобили заправляют под давлением 700 атмосфер, что удваивает пробег. В Toyota Mirai ставится два таких баллона, вмещающих 5,5 кг газа. Рекорд автомобиля — 1003 км на одной заправке.

Если что-то и сдерживает развитие водородного транспорта, так это заправка. Пока стоимость водорода остается примерно такой же, как у бензина. Но с ростом масштабов производства водород будет дешеветь. Министерство энергетики США поставило амбициозную цель «1 1 1»: добиться, чтобы через 1 десятилетие (к 2030 году) 1 килограмм «зеленого» водорода стоил 1 доллар. Если цель будет достигнута, водородомобили обойдут по экономичности электрокары.

Какой водород — чистый?

В зависимости от метода получения водород формально «подразделяется» на несколько цветов. Такая классификация взята за основу и в водородной стратегии ФРГ.

Согласно ей,

• серый (grauer Wasserstoff) — это водород, получаемый из ископаемых углеводородов. Процесс сопровождается выбросами CO₂ в атмосферу;
• голубой (blauer Wasserstoff) — это водород, также получаемый из ископаемых энергоносителей. Однако при его производстве используется технология улавливания и хранения сопровождающих его CO₂-выбросов. Отмечается, что этот вид может считаться CO₂-нейтральным;
• бирюзовый (türkiser Wasserstoff) — это водород, изготавливаемый методом пиролиза метана, входящего в состав природного газа. Побочный продукт процесса — твердый углерод (сажа). Подчеркивается, что этот вид CO₂-нейтрален только в том случае, если необходимая для его получения электроэнергия была возобновляемой или CO₂-нейтральной;Александр Петров: Осуществим ли «энергетический поворот» Германии?
• зеленый (grüner Wasserstoff) — это водород, произведенный методом электролиза воды при использовании электричества, полученного исключительно из возобновляемых источников. Поскольку используемая для метода электроэнергия свободна от двуокиси углерода, зеленый водород также называется CO₂-свободным;
• желтый водород, получаемый методом электролиза при использовании атомной энергии, в глоссарий стратегии не включен. И не случайно, поскольку в 2022 г. Германия закроет последнюю АЭС.

России более близка классификация, используемая в водородной стратегии ЕС. Она подразделяет H₂ на следующие виды:

• на основе электроэнергии (electricity-based hydrogen) — это водород, полученный электролизом воды вне зависимости от источника используемой для этого электроэнергии;
• возобновляемый (renewable hydrogen) — синоним «зеленого» водорода. Но возобновляемым может также называться H₂, полученный из биогаза или посредством биохимической конверсии биомассы;
• чистый (clean hydrogen) приравнен к возобновляемому, а, значит, и к зеленому водороду;
• на основе ископаемого топлива (fossil-based hydrogen) — синоним серого H₂;
• на основе ископаемого топлива c улавливанием углерода (fossil-based hydrogen with carbon capture) — альтернативное название «голубого» водорода;
• низкоуглеродный (low-carbon hydrogen) — ископаемый водород с улавливанием углерода и H₂ на основе электроэнергии со «значительным снижением выбросов по сравнению с существующим производством водорода».

«Бирюзовому» водороду в документе места не нашлось. Изучив глоссарий двух стратегий, мы видим, что Европа и Германия считают тот водород чистым, вход и выход в процесс производства которого не сопровождается выбросами CO₂. Для России, как для потенциального поставщика, это создает некоторые сложности. Страна выступает за то, чтобы называть водород чистым, если выход из процесса его производства не сопровождается выбросами CO₂. В частности, за такой подход выступает российская сторона Консультативного совета по газу Россия-ЕС и ПАО «Газпром».

Использование зеленого водорода

Теоретически один из наиболее эффективных способов обезуглероживания экономики — попытаться электрифицировать всю энергетическую систему. Однако в настоящее время использование аккумуляторных и электрических технологий невозможно, в зависимости от области применения. Во многих из них зеленый водород может заменить ископаемое топливо, хотя не все так зрелы и просты:

Вместо этого используйте коричневый и серый водород. Первым шагом должна стать замена всего ископаемого водорода, используемого в настоящее время в промышленности, использование разработанных технологий и снижение затрат. Задача немалая: глобальный спрос на водород для производства электроэнергии будет потреблять 3.600 ТВтч, что больше, чем общее годовое производство электроэнергии в ЕС. Вот основные области применения зеленого водорода:

• Тяжелая индустрия. Крупные потребители стали, цемента, химических компаний и других ископаемых видов топлива не являются легкодоступными или неосуществимыми.
• Энергетический магазин. Это, несомненно, одно из самых многообещающих приложений для водорода: в качестве сезонной системы хранения энергии. С ростом популярности возобновляемых источников энергии мы обнаружим, что стоимость электроэнергии действительно дешевая, и даже будет излишек, потому что негде ее потреблять. Именно здесь в игру вступает водород, который можно дешево производить, а затем использовать по требованию для любого применения, будь то производство электроэнергии или любое другое применение.
• Транспорт. Несомненно, транспорт — еще одно из наиболее многообещающих применений водорода. В современном легком транспорте батареи побеждают в соревновании, но некоторые производители (особенно Япония) продолжают разрабатывать свои модели топливных элементов, и результаты становятся все более многообещающими.
• Обогрев. Бытовое и промышленное отопление — это сектор, который не всегда можно электрифицировать (тепловые насосы не всегда подходят), и водород может быть частичным решением. Кроме того, существующая инфраструктура (например, сети природного газа) может использоваться для увеличения спроса. Фактически, смешивание до 20% по объему водорода в существующей газовой сети требует минимальных модификаций сети или оборудования конечного пользователя.

Я надеюсь, что с этой информацией вы сможете больше узнать о зеленом водороде и его применениях.

Цветное топливо

Производство водорода, использующего природный газ в качестве исходного сырья, с помощью процесса, известного как риформинг метана, в настоящее время ориен­тировано на химическую отрасль и переработку нефти, которые сегодня формируют основную часть мирового спроса на Н₂.

Имеется значительный потенциал для использования водорода на транспорте, в отоплении, а также в разных отраслях промышленности и производстве электроэнергии. «Зеленый» водород, а также так называемый «синий», скорее всего, будут играть значительную роль в энергетическом будущем по мере расширения спроса на него, полагают эксперты аналитического агентства.

«Синий» и «зеленый» водород хорошо дополняют друг друга. Если они будут развиваться параллельно, то водород станет очень востребован в будущем.

Общая доля водорода в энергетическом балансе будет зависеть от желаемой степени декарбонизации. В Европе, которая в настоящее время является основным рынком для водородных проектов, на его долю может приходиться до трети всего энергетического баланса, в случае если цель декарбонизация составит 95% или выше, полагают эксперты IHS Markit.

В Европе сейчас широко распространено мнение, что электрификация сама по себе не может обеспечить тот уровень сокращения выбросов, к которому стремятся многие страны. Н₂ является универсальным топливом как с точки зрения способа его транспортировки, так и с точки зрения разнообразия его потенциальных применений в конечном использовании. Чем больше степень обезуглероживания, тем больше возрастает роль водорода в энергетическом будущем.

Области применения водорода

Маргарита Афанасьева: История и перспективы энергетических сделок между Россией и Германией на фоне санкций США и «зеленой» энергополитики

В водородной стратегии ФРГ обозначила транспорт, промышленность и отопление как сферы, в которых планируется тестирование и, в случае успеха, использование H₂. В области транспорта уже есть конкретные результаты — например, появление поездов, работающих на водороде. Но для декарбонизации авиации или морского транспорта, традиционно использующих жидкое топливо, необходимы его синтетические виды, полученные из водорода. Что касается отопления, то сегодня, по данным Федерального министерства экономики и энергетики ФРГ (BMWi), 44% его обеспечения приходится на природный газ. В рамках эксперимента некоторые энергоснабжающие компании подмешивают к голубому топливу до 20% водорода, что позволяет значительно снизить CO₂-выбросы. Однако перевод системы отопления в кратко- и среднесрочной перспективе на H₂, как отмечает Минприроды ФРГ, нецелесообразно. По оценкам Министерства, центральной в отоплении на этот период будет технология power-to-heat. При ней излишняя электроэнергия используется для выработки тепла, к примеру, с помощью электрических бойлеров или тепловых насосов.

Первая в очереди на декарбонизацию промышленности — сталелитейная индустрия. На нее ежегодно приходится около 60 млн т CO₂-выбросов, что делает ее одним из крупнейших эмитентов. Неслучайно, что в последние дни апреля, богатые на климатические заявления, глава BMWi сделал еще одно. П. Альтмайер сообщил, что для декарбонизации сталелитейной промышленности государство предоставит дополнительные 5 млрд евро на период 2022-2024 гг. Часть этих средств пойдет и на развитие водородных проектов. До 2030 г. правительство и промышленность обозначили цель производить треть первичной стали более низкоуглеродным способом. Так, порядка 10 млн т стали должны изготавливаться методом прямого восстановления железа. При этом процессе вместо угля и кокса используется природный газ или водород. Продуктом является железно в твердом виде, которое в дальнейшем переплавляется в электрических печах. Используя H₂, такой метод позволяет предотвратить выброс 17 млн т диоксида углерода (что составляет треть выбросов, которые должна сократить промышленность согласно KSG), используя природный газ — 10 млн т. В целом, по оценкам П. Альтмайера, сталелитейная промышленность требует 35 млрд евро инвестиций в период 2020-2050 гг. для проведения декарбонизации. Наряду с NWS его министерство представило летом 2020 г. концепцию декарбонизации отрасли, ключевым инструментом которой является водород.

Гибкое решение для хранения энергии

Европейская комиссия поддерживает самые инновационные исследовательские проекты, стимулируя рост в Европе. В этих целях комиссия выдает гранты по результатам конкурсной процедуры, в рамках которой HYFLEXPOWER смог заявить о себе, несмотря на серьез­ную конкуренцию. В рамках проекта будет доказано, что возобновляемый водород — гибкое решение для хранения энергии, которую можно будет в дальнейшем использовать в качестве топлива для турбины большой мощнос­ти промышленного класса.

Хранение возобновляемой энергии является одной из основных проблем перехода на новые способы генерации. В этой связи участники проекта HYFLEXPOWER разрабатывают новые технологии, которые можно будет применять на протяжении всего цикла power-to-X-to-power.

Установленная демонстрационная модель будет использоваться для хранения избыточной электроэнергии из возобновляемых источников в виде «зеленого» водорода. В периоды пикового спроса накопленный водород будет применяться для производства электроэнергии и её дальнейшей подачи в энергосети. Производство электроэнергии на объекте Smurfit Kappa в городе Saillat-sur-Vienne доверено Engie Solutions.

На площадке Engie Solutions эксплуатируется ТЭС мощностью 12 МВ, которая производит пар для нужд компании-производителя. Переоборудование имеющейся инфра­структуры существенно дешевле и быстрее строительства нового объекта. В рамках проекта будет разработана и продемонстрирована концепция современной электро­станции, которая позволит модернизировать и усовершенствовать существующую электростанцию завода.

В ходе демонстрационных сессий в установку будет подаваться смесь природного газа и водорода. В итоге планируется перейти на стопроцентное использование водорода. Как следствие, общая цель проекта HYFLEXPOWER — тес­тирование максимально экологичного источника питания на водородной основе для безуглеродного получения электро­энергии. Это позволит сократить выбросы CO2 до 65 тыс. т в год при использовании турбины SGT-400 в режиме базовой нагрузки.

Использование ржавчины и водного метанола для производства водорода.

В результате исследований, проведенных в Токийском университете науки, был создан фотокаталитический водородный процесс с использованием недорогого катализатора из оксида железа (ржавчины), подвергающегося воздействию света.

 Катализатор ржавчины, помещенный в водно-метаноловый раствор при воздействии света от ртутно-ксеноновой лампы, производит большое количество газа.

Распространенная ржавчина, называемая гетитом, обнаруженная в отложениях и в основе коричневого охристого пигмента, дает зарождающейся промышленности по производству водорода материал, который может дать толчок коммерческому производству водорода.

Гетитовый катализатор в присутствии света вырабатывается с 25-кратной скоростью, катализаторы изготавливаются из таких материалов, как диоксид титана.
Роль кислорода в процессе до сих пор не понятна.

Было отмечено, что при удалении кислорода из экспериментальной камеры производство водорода прекратилось.

Также было отмечено, что постоянное присутствие ржавчины останавливает процесс рекомбинации водорода с кислородом. В ходе первоначального процесса водород непрерывно вырабатывался в течение более 400 часов.