Водород в фокусе

Но у него есть и недостатки: производство не простое, транспортировка может быть сложной и неэффективной, и из-за этого реальные преимущества устойчивого развития не всегда очевидны.

Здесь мы рассмотрим некоторые из наиболее перспективных водородных технологий, первых пользователей, растущие области применения, методы транспортировки и хранения, а также нормативно-правовую базу, а также государственные инвестиции в водород.

Технологии производства водорода

Водород — один из самых распространенных элементов на Земле. Но он часто встроен в соединения, например, в воду, требуя процессов для доступа к нему. Вот некоторые из ключевых процессов:

электролиз

Электролиз — это процесс расщепления воды на водород и кислород с использованием электричества. Этот метод, особенно при использовании возобновляемых источников энергии, таких как ветер или солнце, производит так называемый зеленый водород. Такие компании, как Siemens и ITM Power, совершенствуют технологию электролиза, повышая эффективность и снижая затраты.

На первый взгляд это звучит хорошо, но при реализации этого в больших масштабах возникают существенные проблемы.

Основные проблемы, связанные с производством зеленого водорода, включают в себя:

1. Энергоэффективность: Современные электролизеры имеют эффективность 60-70% при значительных потерях энергии. Улучшение технологии катализаторов и мембран имеет решающее значение. Зависимость от возобновляемой энергии, которая непостоянна, также создает проблемы.
2. Стоимость: Высокие первоначальные капитальные затраты и текущие эксплуатационные расходы препятствуют широкому внедрению. Для снижения этих затрат необходимы достижения в области технологий и экономия за счет масштаба.
3. Материалы и ресурсы: Электролизеры используют дефицитные материалы, такие как платина и иридий. Исследования альтернативных катализаторов продолжаются. Кроме того, потребность в воде, хотя и скромная, требует устойчивого управления.
4. Инфраструктура: Интеграция электролизеров с электросетью и разработка инфраструктуры распределения и хранения являются значительными препятствиями. Транспортировка и хранение водорода требуют существенных инвестиций в трубопроводы, резервуары и другие технологии.
5. Экологические проблемы: весь жизненный цикл производства водорода должен быть экологически устойчивым. Увеличение спроса на возобновляемую энергию для производства водорода не должно привести к возрождению ископаемого топлива.
6. Технологические достижения: щелочные, PEM и SOEC электролизеры имеют уникальные проблемы. Повышение эффективности, стоимости и долговечности имеет важное значение. Интеграция электролизеров с переменными возобновляемыми источниками энергии требует гибридных систем и передовых технологий.
7. Экономические и политические рамки: Разработка стабильного рынка водорода и поддерживающей государственной политики имеет жизненно важное значение. Субсидии, налоговые льготы и международное сотрудничество могут стимулировать исследования, разработки и внедрение.

Решение этих проблем имеет решающее значение для того, чтобы электролиз водорода стал жизнеспособным, широкомасштабным экологически чистым решением для получения водорода, поддерживающим переход к низкоуглеродной энергетике будущего.

Паровая конверсия метана (SMR) с улавливанием и хранением углерода (CCS)

Паровая конверсия метана включает реакцию между метаном (CH₄) и паром (H₂O) при высоких температурах с образованием водорода (H₂), оксида углерода (CO) и некоторого количества диоксида углерода (CO₂).

SMR очень эффективен, его общая эффективность обычно составляет от 65% до 75%. Это также зрелая и хорошо изученная технология, что делает ее наиболее распространенным методом промышленного производства водорода. Инфраструктура и опыт для SMR широко доступны. По сравнению с другими методами производства водорода, SMR также относительно экономически эффективен, особенно там, где природный газ в изобилии и дешев.

Таким образом, хотя малые модульные реакторы имеют несомненные преимущества, связанные с ними выбросы углекислого газа и зависимость от ископаемого топлива представляют собой серьезные проблемы.

Интеграция CCS может помочь снизить воздействие на окружающую среду, сделав SMR жизнеспособным переходным решением по мере того, как мир движется к более устойчивым методам производства водорода.

Однако этот метод добычи призван служить лишь переходной технологией, использующей существующую инфраструктуру природного газа.

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) преобразуют водород в электричество посредством электрохимического процесса, что делает их пригодными для стационарной генерации электроэнергии.

SOFC — это высокоэффективные устройства, которые генерируют электроэнергию путем реакции водорода или углеводородов с кислородом при высоких температурах (от 600°C до 1,000°C) с использованием твердого керамического электролита. Они предлагают такие преимущества, как высокая электрическая эффективность (50-60%), гибкость топлива (водород, природный газ, биогаз) и долговременная стабильность. Однако они сталкиваются с такими проблемами, как деградация материала, длительное время запуска, проблемы с тепловым управлением и высокие затраты из-за дорогих материалов и производственных процессов.

SOFC подходят для стационарной генерации электроэнергии, промышленного применения, а также для удаленной или морской энергетики, используя свою высокую эффективность и способность использовать отходящее тепло. Преодоление технических и экономических барьеров за счет достижений в области материалов и производственных технологий имеет важное значение для более широкого внедрения. Несмотря на текущие проблемы, SOFC имеют значительные перспективы для содействия устойчивому энергетическому будущему с сокращением выбросов парниковых газов.

Такие компании, как Bloom Energy, являются лидерами в разработке ТОТЭ, предлагая эффективные, масштабируемые энергетические решения для промышленного и коммерческого использования.

Ранние последователи и растущие приложения

Транспорт

Легковые автомобили / Автомобили на водородных топливных элементах (FCV)

Водородные FCV находятся на переднем крае раннего внедрения, и такие компании, как Toyota (Mirai) и Hyundai (Nexo), производят коммерчески доступные модели легковых автомобилей, работающих на водороде. Эти транспортные средства предлагают больший запас хода и более быструю заправку по сравнению с аккумуляторными электромобилями (BEV). Но хотя количество заправочных станций медленно растет, они пока не получили широкого распространения.  

В частности, компания Toyota придерживается своей концепции повсеместного использования автомобилей на водородном топливе: это отчасти объясняет, почему она отстает в развитии портфеля электромобилей.

Тяжелый транспорт

Высокая плотность энергии водорода и быстрая заправка делают его идеальным для большегрузных транспортных средств, таких как грузовики, автобусы и поезда. 

Ключевые достижения включают водородные грузовики Nikola Motors с запасом хода до 500 миль и грузовики Hyundai XCIENT Fuel Cell в Европе. Европейские города и Китай переходят на водородные автобусы, а водородный поезд Coradia iLint от Alstom работает в Германии. Морской сектор разрабатывает суда на водородном топливе, такие как паромы Norled в Норвегии, стремясь к транспорту с нулевым уровнем выбросов. 

Рост числа водородных заправочных станций для грузовиков ускоряется во всем мире. Северная Америка и Европа расширяют свои сети, реализуя значительные проекты таких компаний, как Nikola Motors, и правительственные инициативы в городах, внедряющих водородные автобусы, что обеспечивает удобную и широко распространенную инфраструктуру заправки.

 Промышленное применение

Водород теоретически может использоваться во многих промышленных и химических производственных процессах. Однако относительная сложность его производства, транспортировки и хранения означает, что он часто не является практичной или экономически эффективной альтернативой традиционным ископаемым видам топлива, таким как уголь.

Производство стали

Сталелитейная промышленность, значительный источник выбросов CO2, изучает процессы восстановления на основе водорода для производства зеленой стали. Такие компании, как SSAB в Швеции, являются пионерами этого подхода, стремясь заменить уголь водородом.

SSAB в сотрудничестве с LKAB и Vattenfall возглавляет инициативу HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology). Цель HYBRIT — заменить уголь в процессе производства стали водородом, который производит воду вместо CO₂. Пилотный завод SSAB в Лулео, Швеция, уже выпустил первое в мире губчатое железо с водородным восстановлением.

Другие компании, в основном в Европе, также экспериментируют с водородом вместо традиционного ископаемого топлива.  

Salzgitter AG разрабатывает проект SALCOS (Salzgitter Low CO₂ Steelmaking) по декарбонизации сталелитейного производства. Эта инициатива включает использование водорода для прямого восстановления железной руды. Salzgitter сотрудничает с Sunfire GmbH, чтобы использовать их технологию высокотемпературного электролиза для производства зеленого водорода.

ArcelorMittal изучает несколько проектов на основе водорода для сокращения выбросов CO₂. В Гамбурге, Германия, они испытывают установку прямого восстановления, которая использует водород для производства железа прямого восстановления (DRI). Этот пилотный проект направлен на демонстрацию возможности использования водорода в качестве восстановителя при производстве стали.

Tata Steel работает над проектом HIsarna на своем заводе в Эймейдене, цель которого — сократить выбросы CO₂ за счет интеграции водорода в процесс производства стали. Проект направлен на преобразование железной руды в железо с использованием водорода вместо материалов на основе углерода.

Thyssenkrupp разрабатывает свой проект Carbon2Chem, который включает использование водорода для производства стали. Целью проекта является улавливание и преобразование выбросов сталелитейного производства в химикаты с использованием водорода в качестве ключевого компонента. Thyssenkrupp также планирует построить завод прямого восстановления на основе водорода в Дуйсбурге.

Химическая индустрия

Зеленый водород, получаемый путем электролиза с использованием возобновляемой энергии, преобразует производство аммиака и метанола — важнейших химических веществ, имеющих важное промышленное применение.

Традиционно аммиак производится по процессу Хабера-Боша с использованием водорода, получаемого из природного газа, что приводит к значительным выбросам CO₂. Использование «зеленого» водорода позволяет объединить этот водород с азотом из воздуха для производства аммиака без выбросов CO₂. Этот «зеленый» аммиак имеет важное значение для удобрений и является потенциальным безуглеродным энергоносителем.

Метанол обычно производится из синтез-газа (смеси водорода, оксида углерода и CO₂), полученного из природного газа или угля, также выделяющего значительное количество CO₂. Зеленый водород в сочетании с уловленным CO₂ может производить метанол путем гидрогенизации, в результате чего получается метанол и вода. Зеленый метанол служит химическим сырьем и топливом с гораздо меньшим углеродным следом.

В частности, Yara International и Siemens-CF Industries продвигают проекты по производству зеленого аммиака. А Carbon Recycling International (CRI) в Исландии производит возобновляемый метанол с использованием зеленого водорода и CO₂.

Другие сектора

Помимо стали и химикатов, водород исследуется в различных промышленных процессах с целью сокращения выбросов и повышения устойчивости:

1. Производство цемента: водород может заменить уголь и природный газ в цементных печах, что позволит снизить выбросы CO₂.
2. Производство стекла: Водород служит чистым топливом для высокотемпературных печей.
3. Нефтеперерабатывающие заводы: Переход на экологически чистый водород для гидрокрекинга и десульфуризации может сократить выбросы.
4. Продукты питания и напитки: Водород используется в печах и котлах, сокращая использование ископаемого топлива.
5. Текстиль и бумага*: водород предлагает более чистую альтернативу для отопления и производства пара.
6. Горнодобывающая промышленность: водородные топливные элементы обеспечивают работу тяжелой техники, снижая воздействие на окружающую среду.
7. Производство электроники: зеленый водород используется в производстве полупроводников.
8. Транспорт и логистика: водородные топливные элементы используются в грузовиках, автобусах, погрузчиках и погрузочно-разгрузочном оборудовании.

Эти разработки демонстрируют потенциал водорода для декарбонизации различных отраслей с высоким уровнем выбросов, однако он остается более дорогостоящим и менее практичным вариантом, чем существующее положение дел.

Хранение энергии и генерация электроэнергии

Хранилища энергии для сетей

Водород может стабилизировать электросеть, накапливая избыточную возобновляемую энергию и высвобождая ее во время пикового спроса. 

В периоды избыточного производства возобновляемой энергии электролизеры используют это избыточное электричество для расщепления воды на водород и кислород. Затем водород хранится в виде сжатого газа, жидкого водорода или в химических соединениях. Когда спрос превышает предложение, сохраненный водород преобразуется обратно в электричество с помощью топливных элементов или турбин внутреннего сгорания. 

Топливные элементы генерируют электричество, соединяя водород и кислород, в то время как турбины внутреннего сгорания сжигают водород для производства энергии. Этот процесс помогает сбалансировать спрос и предложение, обеспечивает надежное резервное питание и помогает регулировать частоту. 

Системы хранения водорода масштабируемы и могут хранить энергию в течение длительного времени, что делает их идеальными для интеграции с возобновляемыми источниками энергии и повышения стабильности сети. Такой подход поддерживает более надежную и устойчивую энергетическую систему, гарантируя постоянную подачу энергии, несмотря на изменчивость возобновляемых источников энергии.

Такие проекты, как европейский HyDeploy, направлены на интеграцию водорода в сети природного газа с использованием существующей инфраструктуры.

Системы резервного питания

Водородные топливные элементы обеспечивают надежную, чистую резервную мощность для критически важной инфраструктуры, такой как центры обработки данных. Они обеспечивают непрерывную мощность, пока подается водород, и могут быстро запускаться, чтобы обеспечить немедленное резервное питание во время отключений. 

Вырабатывая электроэнергию посредством электрохимической реакции, топливные элементы выделяют только воду и тепло, что делает их экологически чистыми и снижает углеродный след, особенно при использовании зеленого водорода.

Топливные элементы являются высокоэффективными, модульными и масштабируемыми, что позволяет им удовлетворять конкретные потребности в энергии, предлагая при этом низкие эксплуатационные расходы и бесшумную работу. Производство и хранение водорода на месте повышают энергетическую безопасность, обеспечивая независимость от сети и гарантируя стабильную подачу топлива. 

Внедряя водородные топливные элементы, центры обработки данных могут обеспечить надежное, бесперебойное электроснабжение, сократить выбросы и внести вклад в достижение целей устойчивого развития, что делает их привлекательной альтернативой традиционным дизельным генераторам.

Такие компании, как Microsoft, экспериментируют с водородными топливными элементами для своих центров обработки данных.

Хранение и транспортировка водорода

Память

Хранение водорода необходимо для использования водорода в качестве энергоносителя, особенно для интеграции возобновляемых источников энергии, транспортировки и промышленных процессов. Эффективные решения по хранению должны решать проблемы плотности энергии, стоимости, безопасности и инфраструктуры. Некоторые из основных методов хранения водорода:

Хранение сжатого газа

Водород хранится в резервуарах высокого давления (от 350 до 700 бар). Эта зрелая технология широко используется, особенно в транспортных средствах на водородных топливных элементах (FCV). Хотя это относительно просто, плотность энергии ниже по сравнению с другими методами, что требует больших объемов хранения. Хранение под высоким давлением также требует прочных, долговечных материалов, что увеличивает затраты.

Хранение жидкого водорода

Водород охлаждается до -253°C и хранится в виде жидкости в изолированных контейнерах. Этот метод обеспечивает более высокую плотность энергии, что делает его пригодным для применения в ограниченном пространстве, например, в аэрокосмической отрасли. Однако поддержание криогенных температур требует значительных затрат энергии и специальной изоляции, что увеличивает сложность и стоимость. Со временем также возникают потери на испарение.

Хранение химикатов

Водород можно хранить в химических соединениях, таких как гидриды металлов, аммиак или жидкие органические водородные носители (LOHC). Металлические гидриды обеспечивают высокую объемную плотность энергии и безопасность, но имеют низкую скорость выделения водорода. Аммиак имеет высокую плотность энергии и устоявшуюся инфраструктуру, но токсичен и вызывает коррозию. LOHC обеспечивают безопасное обращение и используют существующую инфраструктуру, но требуют энергоемких процессов для выделения водорода.

Подземное хранилище

Водород можно хранить в подземных пещерах, соляных куполах или истощенных месторождениях природного газа. Этот метод экономически эффективен для больших объемов и подходит для хранения в масштабах сети, но требует подходящих геологических формаций и несет риски утечки и загрязнения.

Передовые материалы

Исследования в области передовых материалов, таких как металлоорганические каркасы (MOF) и материалы на основе углерода, продолжаются. Эти материалы могут обеспечить высокую емкость хранения при низком давлении и температуре окружающей среды, но они все еще находятся на стадии исследований, сталкиваясь с проблемами масштабируемости и стоимости.

Транспорт

Трубопроводы

Водород можно транспортировать по существующим газопроводам с модификациями или по новым выделенным водородным трубопроводам. Такие проекты, как European Hydrogen Backbone, предполагают создание трансъевропейской водородной сети к 2040 году.

Автоцистерны

На более короткие расстояния водород можно перевозить в сжатом или сжиженном виде с помощью автоцистерн. Этот метод в настоящее время используется для поставок промышленного водорода.

Доставка и оплата

Разрабатывается транспортировка жидкого водорода для международных перевозок. Kawasaki Heavy Industries запустила первый в мире перевозчик сжиженного водорода Suiso Frontier, что способствует крупномасштабной торговле водородом.

Новые методы

Появляются также новые варианты транспортировки, часто связанные с транспортировкой ключевых материалов в промышленных процессах.

Например, водород может быть внедрен в железную руду для транспортировки на сталелитейные заводы. Это подразумевает использование водорода для восстановления железной руды до железа прямого восстановления (DRI), что значительно сокращает выбросы углекислого газа при производстве стали. Этот метод заменяет углерод водородом в процессе восстановления, производя водяной пар вместо углекислого газа. DRI, содержащий внедренный водород, затем транспортируется на сталелитейные заводы для дальнейшей обработки с использованием электродуговых печей (EAF), которые могут работать на возобновляемой энергии. Такой подход декарбонизирует сталелитейную промышленность, использует существующую логистику для железной руды и способствует использованию зеленого водорода.

Нормативные вопросы

Стандарты безопасности

Воспламеняемость водорода требует строгих стандартов безопасности для производства, хранения и транспортировки. Регулирующие органы, такие как Международная организация по стандартизации (ISO) и Министерство энергетики США (DOE), разрабатывают правила безопасности для обеспечения безопасного обращения.

Развитие инфраструктуры

Нормативные рамки должны поддерживать развитие инфраструктуры, включая трубопроводы, заправочные станции и хранилища. Политика, способствующая государственно-частному партнерству и оптимизированным процессам выдачи разрешений, имеет важное значение.

Стимулы и субсидии

Правительства внедряют такие стимулы, как налоговые льготы, гранты и субсидии для содействия внедрению водорода. Например, «Зеленый курс» Европейского союза включает значительное финансирование водородных проектов.

Государственные инвестиции

Европа

Европейский союз является лидером по инвестициям в водород: водородная стратегия ЕС направлена ​​на установку 40 ГВт электролизеров к 2030 году. Такие страны, как Германия, Франция и Нидерланды, имеют существенные национальные водородные стратегии, инвестируя миллиарды в исследования, инфраструктуру и пилотные проекты.

Азии

Япония и Южная Корея являются пионерами водородной экономики. Базовая водородная стратегия Японии нацелена на водородное общество с инвестициями в автомобили на топливных элементах и ​​производство водорода. Дорожная карта водородной экономики Южной Кореи направлена ​​на развертывание 5.26 млн водородных автомобилей к 2040 году.

Северная Америка

США наращивают инвестиции в водород, а инициатива DOE «Hydrogen Energy Earthshot» нацелена на 1 доллар/кг водорода к 2030 году. Калифорния является лидером с обширной инфраструктурой заправки водородом и стимулами для водородных FCV. Водородная стратегия Канады фокусируется на производстве зеленого водорода и экспортном потенциале.

Демонстрирует потенциал, возможности для улучшения…

Водород — универсальная и многообещающая альтернатива ископаемому топливу, его применение охватывает транспорт, промышленные процессы и хранение энергии. Первые последователи в автомобильном и большегрузном транспорте демонстрируют потенциал водорода, в то время как промышленные приложения предлагают значительные возможности декарбонизации. Эффективные решения по транспортировке и хранению имеют решающее значение для успеха водорода, требуя прогресса в инфраструктуре и технологиях.

Нормативные рамки и государственные инвестиции играют решающую роль в принятии водорода. При наличии надежных стандартов безопасности, поддерживающей политики и существенного финансирования водород может сыграть решающую роль в достижении глобальных климатических целей. 

Однако — и это продолжается уже долгое время — водород не оправдал своих надежд. 

По мере развития технологий и реализации эффекта масштаба роль водорода в энергетическом переходе должна продолжать расти, предлагая более устойчивый путь вперед.