Стійкий водень як чистий енергоносій

Виробництво зеленого водню шляхом інтеграції відновлюваних джерел енергії

Зелений водень виробляється, коли зайва електроенергія з відновлюваних джерел, переважно з вітрових електростанцій та сонячних панелей, використовується для електролізу. Це, по суті, розщеплює молекули води на водень і кисень без утворення прямих викидів вуглекислого газу під час самого процесу. У порівнянні з традиційними методами, що ґрунтуються на викопному паливі, цей підхід значно скорочує викиди вуглекислого газу — приблизно на 9–12 кілограмів на кожен кілограм водню, виробленого традиційним шляхом. Те, що робить зелений водень таким перспективним як чисте джерело енергії, — це його найкраща робота в періоди, коли доступно багато енергії від відновлюваних джерел. Коли електролізери працюють на піку саме в ці періоди, вони ефективніше використовують ресурси й фактично допомагають зменшити навантаження на електромережу, а не збільшують його.

Екологічні переваги та потенціал зниження викидів вуглецю

Перехід на зелений водень може скоротити близько 830 мільйонів тонн викидів CO2 щороку в важких галузях промисловості до середини 2030-х років, згідно зі звітом Міжнародного енергетичного агентства минулого року. Чому? Під час згоряння він виділяє лише водяну пару, що робить його важливим інструментом для зменшення вуглецевого сліду в таких галузях, як виробництво сталі, хімічна промисловість та судноплавство. Якщо нам вдасться реально масштабувати цю технологію, промислові зони зможуть знизити шкідливі викиди оксидів азоту приблизно на 45 відсотків. Таке покращення допоможе досягти кліматичних цілей, а також поліпшити якість повітря для людей, які живуть поблизу цих об’єктів.

Викиди протягом життєвого циклу та критерії сталості для виробництва водню

Екологічний слід водню значною мірою залежить від способу його отримання. Дослідження, що охоплюють повний життєвий цикл, показують, що сірий водень, отриманий шляхом риформінгу природного газу, виділяє приблизно в десять разів більше вуглекислого газу порівняно з його зеленим аналогом. Європейський Союз розробив стандарти сертифікації під назвою RFNBO для підтвердження справжнього виробництва зеленого водню. Ці правила перевіряють не лише наявність відновлюваних джерел енергії, а й фактично відстежують час і місце виробництва електроенергії порівняно з моментом проведення електролізу. Компанії мають уважно дотримуватися цих рекомендацій. В іншому випадку ми можемо отримати ініціативи з використання водню, які виглядають чистими на папері, але насправді продовжують підтримувати нашу залежність від викопного палива. Такий вид «зеленого миючого» може підірвати реальний прогрес у створенні сталих енергетичних рішень.

Роль зеленого водню у підтримці циклічних енергетичних систем

Зелений водень відіграє важливу роль у покращенні роботи циркулярних енергетичних систем. Коли виникає надлишок електроенергії від відновлюваних джерел, таких як вітер або сонце, її перетворюють на паливо, яке можна зберігати та використовувати пізніше в різних галузях промисловості або навіть для повторного виробництва електроенергії. Деякі передові установки тепер поєднують захоплений CO2 біологічного походження із цим зеленим воднем, щоб отримати так званий e-метанол, що фактично означає, що вони запобігають потраплянню вуглецю в атмосферу. Здатність працювати в обох напрямках дуже корисна для балансування електромереж, до яких підключено велику кількість сонячних панелей і вітрових турбін. Крім того, цей процес дозволяє отримувати чисті матеріали, необхідні для виробництва, наприклад, добрив і сталі, без характерних для цих процесів викидів вуглекислого газу.

Декарбонізація важко усуваних секторів за допомогою зеленого водню

Застосування в металургії, хімічній промисловості та важкій промисловості

Зелений водень пропонує спосіб скоротити викиди вуглецю в галузях промисловості, де перехід на електроенергію просто непрактичний. Візьмемо, наприклад, виробництво сталі, яке становить приблизно 7 відсотків усіх світових викидів CO2. Замінюючи вугілля зеленим воднем під час процесу відновлення залізної руди, підприємства можуть скоротити свої викиди майже на 98%. Проект H2 Green Steel у Швеції демонструє працездатність цього підходу з 2024 року. Для виробництва аміаку перехід на водень, отриманий електролізом, дозволяє скоротити викиди приблизно на 40%. Цементарні виробники також бачать користь, оскільки суміш водню до палива зменшує не лише необхідну температуру, а й кількість утвореного пилу. Особливість водню полягає в тому, що він ефективно витримує екстремальні температури та хімічні реакції, необхідні в цих важкодоступних для очищення галузях.

Міжгалузева інтеграція в промисловості та транспорті

Водень поєднує різні частини нашої енергетичної системи досить цікавим чином. Він живить великі машини, приводить у дію довгі вантажівки, які ми бачимо на трасах, і допомагає підтримувати стабільність електромереж під час коливань попиту. Коли є надлишок зеленої енергії від сонячних або вітрових джерел, ми можемо перетворити її на водень за допомогою процесу, який називається електроліз. Потім цей водень використовується на таких об'єктах, як хімічні заводи, де потрібен інтенсивний нагрів, або навіть у спеціальних потягах, які працюють на паливних елементах замість дизеля. А ось що найцікавіше: один водневий трубопровід корисний не для одного лише призначення. Згідно з нещодавніми дослідженнями 2023 року, такі трубопроводи здатні забезпечити приблизно третину потреб регіону у теплі для промислових потреб, а також виконувати функцію зберігання енергії в періоди, коли вітрові ферми не виробляють достатньо електроенергії. Таке подвійне призначення робить усю систему значно ефективнішою, аніж будівництво окремої інфраструктури для кожного виду потреб.

Дослідження випадку: Зелений водень у виробництві сталі та хімічній промисловості

У Німеччині одному промисловому району вдалося скоротити викиди за першим джерелом майже на дві третини всього за 18 місяців. Цього було досягнуто шляхом переходу з природного газу на зелений водень для процесів, таких як відпалювання сталі та виробництво метанолу. Ще більш вражає те, що весь цей процес живиться енергією від офшорних вітрових ферм потужністю 140 мегават. У результаті, вони здатні виробляти близько 9 500 тонн водню щороку. Цієї кількості достатньо для виробництва приблизно півмільйона тон сталі з набагато нижчим вмістом вуглецю. Розглядаючи взаємодію різних галузей, ця ініціатива є чудовим прикладом спільного використання ресурсів. Майже весь залишковий кисень та теплові відходи повертаються назад у систему, приблизно 92% повторно використовуються в тому чи іншому вигляді в межах кластера.

Циклічність у ланцюзі доданої вартості водневих технологій

Переробка критичних матеріалів: метали платинової групи у паливних елементах та електролізерах

Технологія протонно-обмінних мембран значною мірою залежить від металів платинової групи, таких як платина та іридій. Ці дорогоцінні метали створюють реальні проблеми для ланцюгів поставок, оскільки їхні запаси обмежені, а процеси видобутку призводять до значної екологічної шкоди. З іншого боку, наприкінці терміну служби паливних елементів та установок електролізу більшість цих цінних металів можна відновити шляхом переробки. Згідно з останніми даними Інституту циклічних матеріалів за 2023 рік, рівень відновлення перевищує 90%, що зменшує нашу залежність від видобутку сировини з нових родовищ. Ще краще те, що компанії, які працюють у замкнутих системах разом із переробниками, змогли скоротити викиди на всьому життєвому циклі продуктів на сорок–шістдесят відсотків порівняно з традиційними методами, які спираються виключно на абсолютно нову сировину.

Проектування для повторного використання та відновлення наприкінці терміну експлуатації у водневих системах

Сучасні водневі системи все більше переходять до модульних конструкцій, що насправді допомагає подовжити термін служби обладнання, оскільки дозволяє відновлювати частини або використовувати їх за новим призначенням. Візьмемо, наприклад, електролізні стеки — їх часто розбирають і знову використовують у менших за масштабом операціях. Тим часом біполярні пластини зазвичай можна відновити за допомогою електрохімічного полірування. Також існує стандарт ISO 22734:2023, який набуває популярності в галузі. Він забезпечує сумісність різних компонентів між різними поколіннями інфраструктури, щоб старіші елементи не ставали застарілими з появою новішої технології. Це важливо, оскільки виробники хочуть, щоб їхні інвестиції тривали довше, не зобов'язані повністю замінювати все кожні кілька років.

Балансування впливу видобутку ПГМ з рівнями переробки та циркулярними інноваціями

Переробка допомагає зменшити потребу у первинних ПГМ, але не можна ігнорувати той факт, що видобуток досі становить близько 8–12 відсотків викидів вуглецю в галузі водневих технологій. Міжнародне енергетичне агентство прогнозує, що виробництво паливних елементів може потроїтися до 2030 року, тому розширення можливостей переробки стає дуже важливим. З'являються також цікаві альтернативи: каталізатори на основі рутенію та системи електролізу, які зовсім не потребують дорогоцінних металів. Ці розробки означають меншу залежність від рідкісних ресурсів і наближають нас до цілей циркулярної економіки, про які всі постійно говорять.

Енергія-до-газу та інтеграція секторів для комплексних енергетичних систем

Технології перетворення електроенергії на газ (P2G) трансформують системи сталого енергозабезпечення, забезпечуючи інтеграцію між секторами та гнучкість мереж завдяки електролізу та накопиченню на основі водню. Ці рішення зв’язують надлишки відновлюваної електроенергії з промисловими потребами в енергії, сприяючи розвитку принципів циркулярної економіки.

Електроліз та метанування: технології перетворення електроенергії на газ, що забезпечують гнучкість

Процес електролізу використовує поновлювану електроенергію для розщеплення молекул води на водень і кисень. Тим часом метанізація працює інакше, поєднуючи водень із захопленим вуглекислим газом з інших джерел, щоб створити синтетичне паливо — метан. Ці технології стають особливо цікавими, коли вони живляться від сонячних панелей або вітрових турбін, адже тоді ми отримуємо паливо, яке не виділяє зайвого вуглецю в атмосферу. Вони особливо добре працюють у таких галузях, як авіація, де повний перехід на електроживлення ще не є практичним. Згідно з поточними даними, сучасні системи електролізерів мають ККД приблизно 75–80 відсотків. Це на 15 процентних пунктів більше, ніж було можливо у 2020 році, що сприяє наближенню цих технологій до комерційної життєздатності для підприємств, які прагнуть скоротити викиди.

Накопичення енергії на основі водню та балансування мережі

Водень має енергетичну щільність близько 33,3 кВт·год на кілограм, що робить його досить ефективним для зберігання зайвої відновлюваної енергії, коли попит падає. Коли вітрові ферми під'єднуються до електролізерів потужністю близько 5 гігават, вони щороку скорочують втрату енергії приблизно на 34 відсотки в мережах, де переважають відновлювані джерела, як показано в дослідженні минулого року. На практиці це означає, що енергетичні компанії можуть краще справлятися з раптовими стрибками та спадами постачання, а також забезпечувати постійне електропостачання навіть під час тривалої поганої погоди.

Секторальна інтеграція: об'єднання енергетичних, промислових та газових мереж

P2G сприяє симбіотичним відносинам між галузями: електромережі постачають водень на підприємства з виробництва добрив, тоді як промислове тепло відходів використовується для централізованого опалення. Інтегровані моделі показують, що такі конфігурації зменшують втрати первинної енергії на 28–32% порівняно з ізольованими системами. Гібридні енергетичні та газові мережі також підвищують стійкість, скорочуючи тривалість перебоїв на 40% під час екстремальних погодних явищ.

Шляхи виробництва водню з біомаси та відходів у моделях циркулярного вуглецю

Перетворення біомаси та органічних відходів на сталевий водень

Сільськогосподарські залишки, харчові відходи та навіть сточні іли через газифікацію та анаеробне зброджування набувають нового життя, перетворюючись на водневе паливо. Тільки в Європі ці технології можуть переробляти близько 60 мільйонів тонн органічних відходів щороку, перетворюючи сміття на щось цінне замість того, щоб залишати його на звалищах. Останні покращення методів гідротермальної обробки означають, що ми досягаємо кращих результатів при роботі з вологими біомасами, тому тепер ефективно можна переробляти сирі відходи, які раніше були проблемними. Додатковим бонусом є також охорона довкілля, адже цей метод запобігає виділенню метану під час природного розкладання відходів, що має сенс для всіх, хто турбується про наслідки зміни клімату.

Інтеграція водню в рамки циклічної вуглецевої економіки

Водень, вироблений із відходів, поєднує природні вуглецеві цикли зі зусиллями щодо скорочення промислових викидів. Поєднання цього підходу з технологіями уловлювання вуглецю фактично призводить до того, що з атмосфери вилучається більше вуглецю, ніж виділяється. Візьмемо, наприклад, звалища. Перетворення їхніх метанових викидів на корисний водень разом із уловлюванням CO₂ створює так звану систему замкненого вуглецевого циклу. Такі установки особливо корисні для галузей, як-от виробництво цементу, де вони замінюють традиційне паливо в печах. До того ж, захоплений CO₂ не просто зберігається десь — його використовують для вирощування водоростей, що виробляють біопаливо, замість того, щоб просто простаювати. Це забезпечує активне використання вуглецевих молекул у нашій економіці, а не їх накопичення у вигляді забруднення.

Порівняльна сталість: водень із відходів проти зеленого водню

Водень, отриманий із відходів, забезпечує негайну екологічну вигоду, перетворюючи відходи на корисний продукт, тоді як зелений водень пропонує довгострокове масштабоване рішення, що базується на поновлюваній енергії.

Поширені запитання про сталевий водень

Що таке зелений водень і як його виробляють?

Зелений водень виробляється шляхом електролізу, який живиться від поновлюваних джерел енергії, таких як вітер або сонячна енергія. Цей процес розщеплює молекули води на водень і кисень без будь-яких прямих викидів вуглекислого газу.

Як зелений водень зменшує викиди вуглекислого газу?

Зелений водень дозволяє промисловості значно скоротити викиди CO2, замінюючи викопне паливо воднем, який при згорянні виділяє лише водяну пару.

Які перешкоди існують для використання зеленого водню?

До перешкод належать необхідність створення нової інфраструктури поновлюваних джерел енергії, стандарти сертифікації, що гарантують справді «зелене» виробництво, та управління ланцюгами постачання дорогоцінних металів, які використовуються в технологіях водню.

Чи може водень бути дійсно стійким на довготривалу перспективу?

Так, особливо якщо поєднувати його з переробкою та зусиллями щодо впровадження економіки замкненого циклу, щоб мінімізувати використання сировини та забезпечити стійкий життєвий цикл компонентів технологій на основі водню.