Зеленая водородная экономика для возобновляемых источников энергии



В статье авторы рассматривают потенциальные возможности применения водорода в «зеленой» энергетике.

Ключевые слова: водородная экономика, зеленая энергетика, возобновляемые источники энергии.

Водородная экономика уже давно считается новаторским аспектом низкоуглеродного будущего. Однако нет единого мнения о том, что влечет за собой это будущее: одни чрезмерно озабочены отсутствием спроса, а другие игнорируют ограничения, связанные с водородом. В данной статье будет рассмотрено определение «водородной экономики» и проиллюстрирована концепция, согласно которой водород будет в первую очередь использоваться для декарбонизации там, где нет другой альтернативы. В статье предлагается трехэтапный план внедрения водорода в промышленный сектор в качестве химического сырья, в транспортный сектор для транспортных средств большой дальности и большой грузоподъемности, в сектор ЖКХ для отопления и в сектор электроэнергии для сезонного хранения. Предполагается, что водород не станет крупнейшим энергоносителем в будущей экономике, но при этом прогнозируется его потребность в 2,3 Гт водорода в год, тем самым он может декарбонизировать около 18 % от требуемой энергии в вышеупомянутых секторах. В долгосрочной перспективе водород может дополнить возобновляемую энергетику и быть одним из важных факторов для реализации 100 % возобновляемой энергетики в будущем.

Вступление

В 2019 году глобальные выбросы CO2 _, связанные с энергетикой, достигли 33,3 метрических гигатонн (Гт) в год и ожидается, что дальнейший рост выбросов СО2 приведет к повышению температуры Земли на несколько градусов [1]. Трудности в снижении выбросов в энергетических секторах связаны в основном с глобальной зависимостью от ископаемых видов топлива, который вносят основной вклад в выбросы СО2. Многие страны настаивают на внедрении технологий возобновляемых источников энергии, что может привести к электрификации многих процессов конечного использования за счет энергии, получаемой из чистых источников. Однако из-за разнообразия применения ископаемого топлива остается много секторов, декарбонизация которых с помощью одной только электроэнергии затруднена.

Одной из альтернатив ископаемому топливу является «зеленый» водород, который можно получить путем электролиза воды с использованием электрического тока для разделения воды на водород и кислород без выбросов парниковых газов, при условии, что электроэнергия, используемая для питания процесса, полностью из возобновляемых источников. Высокая плотность энергии, легкий вес и легкое электрохимическое преобразование водорода позволяют ему переносить энергию через регионы по трубопроводам или в виде жидкого топлива на грузовых судах [2]. Его можно использовать во всех секторах экономики в качестве химического сырья, сжигать для получения тепла, использовать в качестве реагента для производства синтетического топлива или преобразовывать обратно в электричество с помощью топливных элементов. Кроме того, способность водорода к долгосрочному хранению энергии в резервуарах или подземных формациях делает его одной из немногих экологически чистых технологий, которые могут хранить энергию в любое время года [3].

Данные факторы побудили многих выдающихся ученых и экономистов предположить будущее, в котором водород является одним из решений в борьбе с изменением климата [4, 5]. Некоторые считают, что водород будет использоваться в качестве основной технологии хранения энергии, будет служить топливом для центрального отопления, а также для автомобилей, грузовиков, самолетов. Самые стойкие противники этой концепции приводят аргумент, что водород не будет иметь практического места в качестве энергетической технологии будущего из-за высоких производственных затрат и неэффективности его преобразования в электричество и обратно [6–8]. Данные ученые утверждают, что инновационные усилия должны быть сосредоточены непосредственно на возобновляемых источниках энергии и технологиях хранение энергии, исключая водород в качестве посредника. В статье предполагается, что наиболее практичная концепция лежит между данными двумя крайностями. Неэффективность, присущая производству и преобразованию водорода, указывает на то, что все, что можно электрифицировать с использованием возобновляемых источников энергии, будет. Однако существует огромное количество областей, в которых возобновляемая энергетика не может быть достигнута без посредника. Водород может заполнить эти пробелы на пути к декарбонизации, поскольку он обладает присущей ему гибкостью. Прогнозируется, что мировой спрос на водород может достичь более 2,3 Гт в год по сравнению с 88 Мт в год, используемыми сегодня [9]. Это позволяет предложить новую «зеленую водородную экономику с возобновляемыми источниками энергии», рассматривая водород, как важного игрока будущей энергетики.

Концепция «водородной экономики» была первоначально создана Джоном Бокрисом в 1970-х годах. В ней описывается концепция, в которой водород производится путем электролиза воды и доставляется по трубопроводам к фабрикам, домам и заправочным станциям, где он будет преобразован обратно в электричество в топливных элементах [4]. Такие страны, как Япония, разработали концепцию «водородной экономики», в которой водород является основным компонентом вторичной энергетической системы страны, что отражено в их Стратегическом энергетическом плане [10]. Исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США предложили концепцию, определяемую как H2@Scale, в которой водород используется в таких секторах, как электроэнергетика, промышленность и транспорт [11].

Анализ публикаций на тему водорода показывает, что он не будет крупнейшим игроком в мировой энергетической инфраструктуре. Вместо этого водород скорее всего будет выполнять второстепенную роль в качестве краеугольного камня, необходимого для создания экономики со 100 % использованием возобновляемых источников энергии. Водород и электричество будет работать в тандеме, чтобы обслуживать все связанные с производством энергии сектора. Использование водорода будет расширяться, чтобы поддерживать будущий спрос. Ниже представлена концепция интеграции зеленого водорода в промышленность, транспорт, строительство и отопление, а также в электроэнергетику в трехэтапном процессе. Во- первых, зеленый водород должен быть реализован в таких секторах, как химическая промышленность, где в настоящее время существует значительный спрос на водород, 96 % из которого является «серым» — водород получают из нефти, каменного угля [12]. Водород может помочь в декарбонизации транспортной отрасли с сверхпрочным топливными ячейками в долгосрочной перспективе.

Этап 1: Водород в химической промышленности

Водородная экономика существует сегодня, но она еще не «зеленая». Из 6,3 Гт мировых выбросов углерода, связанных с энергетикой, которые ежегодно производятся промышленным сектором [12], около 17 % (1,1 Гт) приходится на производство «серого» водородного сырья для химического синтеза и других промышленных процессов [9]. «Синий» водород, который сочетает в себе серый водород с технологиями улавливания и хранения углерода (CCS), является низкоуглеродной альтернативой. Но электролиз — единственный полностью зеленый путь, позволяющий удовлетворить текущую потребность в водороде в 88 Мт в этом секторе для химического синтеза, включающего водородное сырье, поскольку электрификация не может напрямую влиять на эти процессы [9]. Серый и синий водород в настоящее время стоит от 1,20 до 2,40 доллара за кг в зависимости от стоимости CCS, по сравнению с зеленым водородом в 4,85 доллара за кг при стоимости электроэнергии 53 доллара за МВт-ч и КПД 65 % при номинальной мощности. Однако снижение цен на возобновляемую электроэнергию и повышение эффективности электролизера и оптимизация капитальных затрат, по прогнозам, приведет к снижению стоимости зеленого водорода до менее чем 2,00 доллара за кг к 2030 году, что сделает зеленый водород конкурентоспособным в сравнении с серым водородом для промышленности и всех других вышеупомянутых секторов [11].

Влияние на снижение выбросов CO2, которое зеленый водород может оказать для текущей промышленности химического сырья, часто упускается из виду, когда основное внимание уделяется автомобилям на топливных элементах и хранению энергии. Тем не менее, процессы, в которых используется водородное сырье, такие как переработка нефти, синтез аммиака и производство метанола, уже прочно внедрены и продолжают расширятся. Потребность в водороде для нефтепереработки будет продолжать расти в течение следующих 10 лет до примерно 41 млн т в год, при текущих тенденциях [9], а спрос на аммиак и метанол, как ожидается, значительно возрастет как для сельского хозяйства, так и для других нужд [4]. Водород также может использоваться в других процессах химического синтеза, в результате которых образуется CO2, в первую очередь при производстве стали, одного из крупнейших источников выбросов углерода в мире, составляющего почти 6 % всех выбросов [7]. Новый процесс может производить железо прямого восстановления (DRI) с зеленым водородом в качестве восстановителя и привести к сокращению выбросов двуокиси углерода в атмосфере на 740 Мт в год к 2050 году с учетом роста сталелитейной промышленности [9]. Другие применения водорода также включают в себя ракетное топливо и производство стекла. Все они могут использовать зеленый водород для уменьшения выбросов углекислого газа.

Замена водорода на основе ископаемого топлива зеленым водородом — единственное решение декарбонизации многих крупномасштабных процессов химического синтеза. Простой переход может сократить прогнозируемые выбросы углекислого газа на 1,6 Гт в год к 2050 году. Кроме того, химический синтез обеспечивает надежный плацдарм для внедрения зеленого водорода, поскольку он представляет возможность производить его на месте на химических заводах, пока развиваются дополнительные и доступные экологически чистые водородные технологии. Для использования зеленого водорода для химического синтеза первоочередное внимание следует уделять исследованиям и разработкам в области крупномасштабного электролиза воды.

Этап 2: Переходное топливо для транспорта, зданий и отопления

Благодаря инновациям в инфраструктуре и энергетических технологиях водород начнет находить новые рынки в среднесрочной перспективе. В частности, водород может способствовать декарбонизации перевозки тяжелых грузов и на большие расстояния, а также отоплению зданий. В 2015 году 22 % выбросов CO2, связанных с энергетикой, было произведено в транспортном секторе [12], и для уменьшения этого углеродного следа необходимо найти замену двигателю внутреннего сгорания (ДВС). Электромобили на топливных элементах (FCEV), которые потребляют водород выделяют только водяной пар, и уже коммерчески доступны для легковых автомобилей. По состоянию на 2019 год на дорогах находилось более 23 000 автомобилей FCEV, включая легковые автомобили, автобусы и грузовики [11]. Однако по мере того, как аккумуляторные электромобили (BEV) становятся конкурентоспособной коммерческой технологией для экологически чистых транспортных средств, водородные топливные элементы будут иметь наибольшее влияние в транспортных средствах дальнего следования и большой грузоподъемности, в то время как транспортные средства на аккумуляторных батареях, вероятно, будут предпочтительной технологией для небольших транспортных средств на короткие расстояния, особенно когда становится доступной быстрая зарядка. Отчасти это связано с тем, что увеличение дальности действия BEV за счет добавления аккумуляторных блоков дороже, чем расширить дальность следования FCEV, добавив накопитель водорода, что делает FCEV более конкурентоспособным по стоимости вариантом на расстоянии более 300 км [3]. При длительных поездках у FCEV время дозаправки короче, около 5 минут [8], по сравнению с зарядкой BEV, которая может потребовать 8 часов или больше для зарядки на большие расстояния от наиболее распространенных домашних и коммерческих зарядных устройств [9]. Быстрое время дозаправки важно для таких транспортных средств, как грузовые автомобили дальнего следования, на которые приходится около 25 % выбросов CO2, связанных с транспортом [10], для которых также требуется технология, которая не увеличивает время в пути или ограничивает запас хода. Текущие прогнозы показывают, что грузовики на топливных элементах могут заменить 25 % парка автомобилей к 2050 году [8]. Автобусы дальнего следования также могут питаться от топливных элементов. Городские автобусы и погрузочно-разгрузочные машины, часто работают продолжительное время в течении дня, оставляя мало времени для подзарядки. Транспортные средства на топливных элементах могут облегчить это бремя при условии развития сети заправки топливом. Поэтому для транспортных исследований выгодно сосредоточиться преимущественно на транспортных средствах большой дальности и большой грузоподъемности, а декарбонизацию легковых автомобилей оставить в основном на электрификацию.

В секторе ЖКХ выбросы CO2 образуются в результате нагрева помещений и воды, а также централизованного отопления и охлаждения. В 2015 году на эти факторы пришлось 12 % мировых выбросов CO2 [12]. В отличие от других секторов, обсуждаемых в данном статье, сектор ЖКХ имеет альтернативы декарбонизации водородом, такие как солнечное и электрическое отопление. Хотя электрическое отопление еще не конкурентоспособно по стоимости с мазутом, пропаном или природным газом, маловероятно, что водород будет более конкурентоспособнее по стоимости, чем электрификация для низкопотенциального тепла в долгосрочной перспективе. Однако, если водород будет добавлен в существующую сеть природного газа, то он может служить в качестве переходного топлива для начала сокращения выбросов CO2 в ЖКХ до тех пор, пока электрическое отопление не станет конкурентоспособным по стоимости. Смешивание до 20 % водородом может быть достигнуто без значительных модификаций существующей инфраструктуры [11], что может привести к сокращению выбросов CO2 на 145 Мт. Альтернативной технологией получения низкопотенциального тепла при температуре ниже 100 ° C является использование топливных элементов для комбинированного производства тепла и электроэнергии. Хотя эффективность использования электроэнергии из сети напрямую выше, чем у топливных элементов, объединение мощности топливных элементов и производства тепла увеличивает общую эффективность использования энергии до 80 % [6].

В промышленном секторе электрификация не всегда может удовлетворить потребность высоких температурах, особенно для процессов, требующих температуры выше 400 ° C. Например, на производство цемента приходится 7 % глобальных выбросов CO2, и 40 % из них приходится на сжигание топлива, необходимого для нагрева печей до температуры 1450 ° C [7]. В то время как некоторые процессы, такие как производство стали, описанное в Этапе 1, имеют возможные электрохимические альтернативы, термические процессы по-прежнему потребуют высокопотенциального тепла, которое может быть произведено за счет сжигания чистого водорода, если печи и котлы модернизируются для использования водорода. Важно отметить, что этап 2, наряду с другими предлагаемыми этапами, не следует строгим временным рамкам. Скорее, планы внедрения водорода в первом этапе могут совпадать с вторым и третьим.

Этап 3: Энергетическая стабильность за счет сезонного хранения энергии

В рассматриваемой концепции конечной целью является общество, потребности которого в энергии полностью удовлетворяются за счет возобновляемых источников энергии. Скорее всего, это произойдет в связи с тем, что электричество и водород будут работать как взаимодополняющие технологии, накапливая и преобразуя энергию между собой. Для реализации этой цели водород будет особенно важен в энергетическом секторе, где производство электроэнергии с помощью возобновляемых источников энергии носит прерывистый и неопределенный характер. Решения по хранению энергии будут иметь решающее значение для спроса в периоды непиковой нагрузки, и, хотя аккумуляторные технологии могут смягчить часовые колебания в течение дня, водород является одной из единственных экологически чистых технологий, которые могут удовлетворить сезонные потребности в хранении энергии. В настоящее время спрос на сезонное хранение невелик, и колебания в возобновляемой энергии могут быть удовлетворены за счет производства электроэнергии на основе ископаемого топлива. Однако, в связи с внедрением возобновляемых источников энергии, спрос на сезонную энергию увеличивается экспоненциально до 5–20 % от общего производства энергии [12]. Основываясь на прогнозах EIA по общей электрической нагрузке в 2050 году, для обеспечения потребности в стабильности поставки энергии потребуется примерно 60–67 триллионов кВтч сезонного хранения в год, что соответствует потребности в водороде в 1,2 Гт [6]. В исследовании, проведенном в Германии, интеграция около 80 % возобновляемых источников энергии с 15 % хранением энергии приравнивается к 17 дням длительного хранения [3]. Это в основном связано с непредсказуемостью возобновляемых источников энергии, также с сезонными колебаниями, поскольку низкопотенциальное отопление зданий все в большей степени обеспечивается за счет электрического отопления. Зеленый водород может производиться непосредственно из сети в периоды пиковой нагрузки и храниться в резервуарах или подземных формациях, где потери от утечки минимальны даже в течение сезонных периодов [3]. Водород становится конкурентоспособным по стоимости для удовлетворения потребности в хранении энергии более чем 12 часов по сравнению с ведущими аккумуляторными технологиями, включая литий-ионные и окислительно-восстановительные батареи, которые эффективны до 12 часов хранения, прежде чем они несут значительные потери [12]. Есть некоторые прогнозы, что будущее энергетической системы лежит не за объединенной сетью, а за множеством интеллектуальных микросетей. Водород и в этом случае будет играть важную роль в микросетях, поскольку современные микросети часто требуют использования генераторов на ископаемом топливе. В среднем один генератор среднего размера в микросети будет выделять 2,8–4,5 т CO2 в год [27]. Водородные топливные элементы могут легко заменить генераторы для подачи энергии и обеспечения отказоустойчивости.

В транспортной отрасли есть несколько случаев, когда электрификация просто невозможна, например, в авиации, где в настоящее время используется топливо на основе керосина. Эти виды топлива в настоящее время вносят 918 млн т выбросов CO2 в год, которые, вероятно, увеличатся до 2,6 Гт CO2 в год, так как объем грузовых авиаперевозок будет расти на 2,4 % в год до 2050 года, а объем пассажирской авиации, как ожидается, вырастет втрое [5]. Переход этого сектора на «зеленые» технологии затруднен, поскольку особенно важна плотность энергии и легкий вес. Технологии аккумуляторов и топливных элементов в настоящее время не могут удовлетворить потребности в энергии для дальних коммерческих и военных самолетов, так как включение большего количества аккумуляторов значительно увеличило бы вес, а водородные баки потребляли бы слишком много места для хранения [7]. Водород по-прежнему может удовлетворить потребности этого сектора в зеленой энергии. По одному из возможных путей водород и окись углерода могут подвергаться конверсии Фишера-Тропша с образованием синтетического реактивного и дизельного топлива в углеродно-нейтральном процессе, если захваченный СО2 превращается в СО [11]. Полученное в результате топливо будет совместимо с существующей инфраструктурой в авиационной отрасли. В морском секторе топливо также может использоваться для декарбонизации более крупных грузовых судов, в то время как более мелкие пассажирские суда, вероятно, будут использовать топливные элементы для замены существующих видов топлива и дизельных генераторов. С появлением новых рынков водорода в энергетическом и транспортном секторах ожидается увеличение годового спроса на водород до 2,3 Гт.

Заключение

В данной статье рассмотрена концепция, согласно которой водород может использоваться в каждом из четырех секторов — промышленность, транспорт, ЖКХ, а также электроэнергетика — для сокращения выбросов углерода в тех случаях, где без водорода декарбонизация будет сложна. Зеленый водород следует сначала внедрить для химического синтеза в промышленном секторе, что позволит сократить выбросы CO2 почти на 1,1 Гт в год. В среднесрочном перспективе физическое сходство водорода с ископаемым топливом поможет сократить выбросы CO2 в секторах транспорта и ЖКХ на 95 Мт и 3,1 Гт в год соответственно. Наконец, водород — одна из немногих «зеленых» технологий, которые могут удовлетворить 15 % сезонных потребностей в хранении энергии в энергетическом секторе, необходимых для создания экономики с 100 % возобновляемыми источниками энергии. В целом, общая потребность в водороде составляет 2,3 Гт в год, что дает место для крупной, масштабируемой и сложной будущей «зеленой» водородной экономики, которая может декарбонизировать около 18 % секторов, связанных с энергетикой. Водород не будет крупнейшей энергоносителем в будущей экономике. Из-за неизбежных потерь энергии при преобразовании электричества в водород наиболее продуктивным является прямое использование электричества, когда это возможно. Тем не менее, водород удобен для декарбонизации экономики, когда не могут быть использованы возобновляемые источники энергии.

Литература:

1. Аль-Брейки, М. Исследование технической осуществимости различных энергоносителей для альтернативных и устойчивых сценариев транспортировки энергии за границу. / М. Аль-Брейки, Ю. Байсер. — Текст: непосредственный // Energy Convers Manag. — 2020. — №. — С. 209.
2. Тарковский, Р. Подземное хранение водорода: характеристика и перспективы / Р. Тарковский. — Текст: непосредственный // Renew Sustain Energy. — 2019. — №. — С. 105.
3. Рифкин, Дж. В водородной экономике: создание всемирной энергетической сети и перераспределение энергии на Земле / Дж Рифкин. — Текст: непосредственный // Renew Sustain Energy. — 2018. — №. — С. 105.
4. Боссель, У. Имеет ли смысл водородная экономика? / У. Боссель. — Текст: непосредственный // Proc IEEE. — 2006. — №. — С. 94.
5. Крит, Ф. Заблуждения водородной экономики: критический анализ производства и использования водорода / Ф. Крит, Р. Вест. — Текст: непосредственный // J Energy Resour Technol. — 2004. — №. — С. 249–257.
6. Шиннар, Р. Водородная экономика, топливные элементы и электромобили / Р. Шиннар. — Текст: непосредственный // Technol Soc. — 2003. — №. — С. 455–476.
7. Пивовар, Б. Водород в масштабе (H2 @ Scale): ключ к чистой, экономической и устойчивой энергетической системе / Б. Пивовар, Н. Рустаги, С. Сатьяпал. — Текст: непосредственный // Electrochem Soc Interface. — 2018. — №. — С. 47–52.
8. Аккумуляторы и топливные элементы для развивающихся рынков электромобилей / З. П. Кано, Д. Банхам, С. Йе [и др.]. — Текст: непосредственный // Nat Energy. — 2018. — №. — С. 279–289.
9. Петков, П. Энергия в водород как сезонный накопитель энергии: анализ неопределенности для оптимального проектирования низкоуглеродных многоэнергетических систем / П. Петков, Габриэлли. — Текст: непосредственный // Appl Energy. — 2020. — №. — С. 274.
10. Характеристика технологий хранения электроэнергии / Х. Л. Феррейра, Р. Гарде, Г. Фулли [и др.]. — Текст: непосредственный // Energy. — 2013. — №. — С. 288–298.
11. Моделирование и оценка концепции процесса производства синтетического топлива из CO2 и H2 / Д. Х. Кониг, Н. Баукс, РУ Дитрих, А. Ворнер. — Текст: непосредственный // Energy. — 2015. — №. — С. 91.
12. Процесс улавливания СО2 из атмосферы / Д. В. Кейт, Дж Холмс, Д. С. Анджело, К. Хайдель. — Текст: непосредственный // Joule. — 2018. — №. — С. 7.