Устойчивый водород как экологичный энергоноситель

Производство зелёного водорода за счёт интеграции возобновляемых источников энергии

Зелёный водород производится, когда избыточная электроэнергия из возобновляемых источников, в основном из ветряных электростанций и солнечных панелей, используется для питания процесса, называемого электролизом. Этот процесс разделяет молекулы воды на водород и кислород без прямых выбросов углерода в ходе самого процесса. По сравнению с традиционными методами, основанными на ископаемом топливе, такой подход значительно сокращает выбросы диоксида углерода — примерно на 9–12 килограммов на каждый килограмм водорода, полученного традиционным способом. То, что делает зелёный водород столь перспективным решением в области чистой энергетики, — это его эффективность в периоды, когда доступно много энергии от возобновляемых источников. Когда электролизеры работают на пике своей мощности в эти периоды, они более эффективно используют ресурсы и фактически помогают снизить нагрузку на электрическую сеть, а не увеличивают её.

Экологические преимущества и потенциал сокращения выбросов углерода

Переход на зеленый водород может сократить около 830 миллионов тонн выбросов CO2 в год из тяжелой промышленности к середине 2030-х годов, согласно отчету Международного энергетического агентства за прошлый год. Причина? При сгорании он выделяет только водяной пар, что делает его важным инструментом для снижения углеродного следа в таких отраслях, как производство стали, химическая промышленность и судоходство. Если нам удастся действительно внедрить эту технологию в крупном масштабе, в промышленных районах можно будет добиться сокращения вредных выбросов оксидов азота примерно на 45 процентов. Такое улучшение поможет достичь климатических целей, одновременно улучшая качество воздуха для людей, живущих рядом с этими объектами.

Выбросы на протяжении жизненного цикла и критерии устойчивости производства водорода

Экологический след водорода в значительной степени зависит от способа его получения. Исследования, оценивающие полный жизненный цикл, показывают, что серый водород, получаемый путем паровой конверсии природного газа, выбрасывает примерно в десять раз больше углекислого газа по сравнению с его зелёным аналогом. Европейский союз разработал стандарты сертификации под названием RFNBO для подтверждения подлинного производства зелёного водорода. Эти правила проверяют не только использование возобновляемых источников энергии, но и отслеживают, когда и где была произведена электроэнергия по сравнению со временем проведения электролиза. Компаниям необходимо тщательно соблюдать эти руководящие принципы. В противном случае мы можем получить инициативы по внедрению водорода, которые выглядят чистыми на бумаге, но фактически продолжают поддерживать нашу зависимость от ископаемого топлива. Такой вид «зелёного» имиджа может подорвать реальный прогресс в направлении устойчивых энергетических решений.

Роль зелёного водорода в поддержке циклических энергетических систем

Зелёный водород играет важную роль в повышении эффективности циркулярных энергетических систем. Когда возникает избыток электроэнергии от возобновляемых источников, таких как ветер или солнце, она преобразуется в топливо, которое можно хранить и использовать позже в различных отраслях промышленности или даже для повторного производства электроэнергии. Некоторые передовые установки теперь смешивают уловленный CO2 биологического происхождения с этим зелёным водородом для получения так называемого e-метанола, что фактически означает предотвращение выброса углерода в атмосферу. Возможность двустороннего преобразования очень полезна для балансировки электрических сетей, к которым подключено большое количество солнечных панелей и ветряных турбин. Кроме того, этот процесс позволяет получать чистые материалы, необходимые для производства, например, удобрений и стали, без характерных для этих процессов выбросов углерода.

Декарбонизация трудно поддающихся абатменту секторов с помощью зелёного водорода

Применение в сталелитейной, химической промышленности и тяжёлой промышленности

Зеленый водород предлагает способ сократить выбросы углерода в отраслях промышленности, где переход на электричество просто невозможен. Возьмем, к примеру, производство стали, на которое приходится около 7 процентов всех выбросов CO2 в мире. Заменив уголь на зеленый водород в процессе восстановления железной руды, предприятия могут сократить свои выбросы почти на 98%. Проект H2 Green Steel в Швеции демонстрирует работоспособность этой технологии с 2024 года. В производстве аммиака переход на водород, полученный путем электролиза, позволяет сократить выбросы примерно на 40%. Производители цемента также находят в этом ценность: добавление водорода в топливо снижает как необходимую температуру нагрева, так и количество образующейся пыли. Особенность водорода заключается в его способности выдерживать экстремальные температуры и участвовать в химических реакциях, необходимых в этих сложных отраслях, которые иначе трудно декарбонизировать.

Межсекторная интеграция в промышленности и транспорте

Водород объединяет различные части нашей энергетической системы довольно интересными способами. Он питает крупные машины, обеспечивает работу дальнобойных грузовиков на автомагистралях и помогает поддерживать стабильность электросетей при колебаниях спроса. Когда есть избыток «зелёной» энергии от солнечных или ветровых источников, мы можем преобразовать её в водород с помощью процесса, называемого электролизом. Затем этот водород используется, например, на химических заводах, где требуется интенсивный нагрев, или даже в специальных поездах, работающих на топливных элементах вместо дизельного топлива. Самое интересное? Один единственный водородный трубопровод полезен не только для одной цели. Согласно недавним исследованиям 2023 года, такие трубопроводы могут удовлетворять около трети потребностей региона в промышленном теплоснабжении, одновременно выполняя функцию хранилища в периоды, когда ветряные электростанции вырабатывают недостаточно энергии. Такое двойное назначение делает всю систему гораздо эффективнее, чем создание отдельной инфраструктуры для каждой задачи.

Кейс: Зеленый водород в сталелитейном и химическом производстве

В Германии промышленная зона смогла сократить выбросы по категории Scope 1 почти на две трети всего за 18 месяцев. Этого удалось достичь путем перехода с природного газа на зеленый водород для таких процессов, как отжиг стали и производство метанола. Что делает этот результат еще более впечатляющим, так это то, что вся операция работает на электроэнергии, вырабатываемой офшорными ветровыми электростанциями мощностью 140 мегаватт. В результате они могут производить около 9 500 тонн водорода каждый год. Этого объема достаточно для производства примерно полумиллиона тонн стали с существенно меньшим содержанием углерода. С учетом взаимодействия различных отраслей, эта инициатива является ярким примером совместного использования ресурсов. Почти весь оставшийся кислород и тепловые потери возвращаются обратно в систему, при этом около 92% вторично используются в рамках кластера.

Цикличность в цепочке создания стоимости технологий водорода

Переработка критически важных материалов: драгоценные металлы платиновой группы в топливных элементах и электролизёрах

Технология протонообменной мембраны в значительной степени зависит от платиновых металлов, таких как платина и иридий. Эти драгоценные металлы создают реальные проблемы для цепочек поставок, поскольку их запасы ограничены, а процессы добычи наносят серьёзный ущерб окружающей среде. С другой стороны, на этапе утилизации топливных элементов и установок для электролиза большую часть этих ценных металлов можно фактически восстановить с помощью переработки. Согласно последним данным Института круговых материалов (Circular Materials Institute) за 2023 год, показатели извлечения превышают 90 %, что снижает нашу зависимость от добычи первичного сырья в шахтах. Ещё более важным является то, что компании, сотрудничающие с переработчиками в рамках замкнутых циклов, смогли сократить выбросы на всём жизненном цикле продукции на 40–60 % по сравнению с традиционными методами, основанными исключительно на использовании нового сырья.

Проектирование с учетом повторного использования и утилизации в водородных системах

Современные водородные системы переходят к модульной архитектуре, которая фактически помогает продлить срок службы оборудования, позволяя ремонтировать компоненты или использовать их по-новому. Например, стеки электролизеров зачастую разбирают и применяют повторно в установках меньшего масштаба. В то же время биполярные пластины обычно можно восстановить с помощью электрохимической полировки. Также существует стандарт ISO 22734 от 2023 года, который оказывает значительное влияние на отрасль. Он обеспечивает совместимость различных компонентов между поколениями инфраструктуры, чтобы старые элементы не становились непригодными при появлении новых технологий. Это важно, поскольку производители стремятся к тому, чтобы их инвестиции окупались дольше, не требуя полной замены всего оборудования каждые несколько лет.

Баланс воздействия добычи ПГМ с показателями переработки и инновациями в рамках циклической экономики

Переработка помогает сократить потребность в первичных ПГМ, но нельзя игнорировать тот факт, что добыча по-прежнему составляет около 8–12 процентов углеродного следа в водородных технологиях. По прогнозам Международного энергетического агентства, производство топливных элементов может утроиться к 2030 году, поэтому расширение возможностей переработки становится крайне важным. Появляются и интересные альтернативы: например, катализаторы на основе рутения и системы электролиза, не требующие драгоценных металлов вообще. Эти разработки означают меньшую зависимость от редких ресурсов и приближают нас к целям циклической экономики, о которых все постоянно говорят.

Преобразование энергии в газ и интеграция секторов для комплексных энергетических систем

Технологии преобразования электроэнергии в газ (P2G) трансформируют системы устойчивой энергетики, обеспечивая интеграцию между секторами и гибкость энергосетей за счёт электролиза и хранения на основе водорода. Эти решения связывают избытки возобновляемой электроэнергии со спросом промышленного сектора, способствуя реализации принципов циклической экономики.

Электролиз и метанирование: технологии преобразования электроэнергии в газ, обеспечивающие гибкость

Процесс электролиза использует возобновляемую электроэнергию для расщепления молекул воды на водород и кислород. В то же время метанизация работает по-другому, соединяя водород с уловленным углекислым газом, чтобы создать синтетическое метановое топливо. Эти технологии становятся особенно интересными, когда они работают на солнечных панелях или ветряных турбинах, поскольку в этом случае мы получаем топливо, которое не выделяет дополнительный углерод в атмосферу. Они особенно эффективны для таких отраслей, как авиация, где полный переход на электрическую энергию пока нецелесообразен. Судя по текущим данным, современные системы электролизеров сейчас работают с КПД около 75–80 процентов. Это примерно на 15 процентных пунктов больше по сравнению с тем, что было возможно в 2020 году, что способствует приближению этих технологий к коммерческой жизнеспособности для предприятий, стремящихся сократить выбросы.

Накопление энергии на основе водорода и балансировка сети

Водород обладает энергетической плотностью около 33,3 кВт·ч на килограмм, что делает его довольно эффективным для хранения избыточной возобновляемой энергии, когда спрос падает. Когда ветровые электростанции подключаются к электролизерам мощностью около 5 гигаватт, они ежегодно сокращают потери энергии примерно на 34 процента в сетях, где доминируют возобновляемые источники энергии, как показало исследование прошлого года. Практически это означает, что энергетические компании могут лучше справляться с резкими колебаниями поставок, а также обеспечивать бесперебойное электроснабжение даже в течение нескольких дней плохой погоды.

Секторальная интеграция: объединение энергетических, промышленных и газовых сетей

P2G способствует симбиотическим отношениям между секторами: электросети поставляют водород на заводы по производству удобрений, а промышленное тепло утилизации используется для централизованного отопления. Комплексные модели показывают, что такие конфигурации позволяют сократить потери первичной энергии на 28–32% по сравнению с изолированными системами. Гибридные электроэнергетические и газовые сети также повышают устойчивость, снижая количество часов перебоев на 40% во время экстремальных погодных явлений.

Пути получения водорода из биомассы и отходов в рамках моделей замкнутого углеродного цикла

Преобразование биомассы и органических отходов в устойчивый водород

Сельскохозяйственные отходы, пищевые отходы и даже ил сточных вод получают вторую жизнь благодаря процессам газификации и анаэробного сбраживания, в результате которых они превращаются в водородное топливо. Только в Европе эти технологии могут перерабатывать около 60 миллионов тонн органических отходов ежегодно, превращая мусор во что-то ценное, вместо того чтобы оставлять его на свалках. Недавние усовершенствования методов гидротермальной обработки позволяют достигать лучших результатов при работе с влажными биоматериалами, поэтому ранее проблемные влажные потоки отходов теперь можно эффективно перерабатывать. Дополнительным преимуществом является и защита окружающей среды, поскольку этот метод предотвращает выделение метана при естественном разложении отходов, что имеет смысл для всех, кто обеспокоен последствиями изменения климата.

Интеграция водорода в рамки циклической экономики углерода

Водород, полученный из отходов, связывает естественные углеродные циклы с усилиями по сокращению промышленных выбросов. Сочетание этого подхода с технологией улавливания углерода фактически приводит к тому, что из атмосферы удаляется больше углерода, чем выделяется. Возьмём, к примеру, свалки. Преобразование выделяемого ими метана в пригодный для использования водород при одновременном изолировании CO₂ создаёт так называемую систему замкнутого углеродного цикла. Подобные установки особенно полезны для таких отраслей, как производство цемента, где они заменяют традиционные виды топлива в печах. Кроме того, захваченный CO₂ не просто хранится — он используется для выращивания водорослей, из которых производят биотопливо, вместо того чтобы простаивать без дела. Это позволяет углеродным молекулам оставаться активно задействованными в экономике, а не накапливаться в виде загрязнений.

Сравнительная устойчивость: водород из отходов и зелёный водород

Водород из отходов обеспечивает немедленную выгоду в виде снижения выбросов за счёт утилизации отходов, тогда как зелёный водород предлагает долгосрочное и масштабируемое решение, основанное на возобновляемой энергии.

Часто задаваемые вопросы о устойчивом водороде

Что такое зелёный водород и как он производится?

Зелёный водород производится путём электролиза, осуществляемого с использованием энергии возобновляемых источников, таких как ветер или солнце. Этот процесс разделяет молекулы воды на водород и кислород без прямых выбросов углерода.

Каким образом зелёный водород снижает выбросы углерода?

Зелёный водород позволяет промышленности значительно сократить выбросы CO2, заменяя ископаемое топливо водородом, при сгорании которого образуется только водяной пар.

Каковы трудности использования зелёного водорода?

К числу трудностей относятся необходимость создания новой инфраструктуры для возобновляемой энергетики, стандарты сертификации, гарантирующие действительно «зелёное» производство, а также управление цепочками поставок драгоценных металлов, используемых в водородных технологиях.

Может ли водород быть по-настоящему устойчивым в долгосрочной перспективе?

Да, особенно если сочетать его с переработкой и усилиями по развитию циклической экономики, чтобы минимизировать использование новых материалов и обеспечить устойчивость жизненного цикла компонентов водородных технологий.