Розуміння зеленого водню: визначення та ключові відмінності

Що таке Зелений Водень?

Зелений водень виробляється шляхом розщеплення молекул води за допомогою процесу, який називається електроліз, але лише тоді, коли необхідна електроенергія походить від відновлюваних джерел, таких як сонячне світло або вітер. По суті, це означає пропускання електричного струму крізь воду (H₂O), щоб розкласти її на водень і кисень, при цьому абсолютно не викидаючи вуглекислий газ. Традиційні способи отримання водню набагато менш чисті, оскільки часто ґрунтуються на викопному паливі. Саме тому багато експертів вважають зелений водень надзвичайно важливим для скорочення викидів парникових газів у світі, згідно з останніми дослідженнями HERO Future Energies минулого року.

Як зелений водень відрізняється від сірого та синього водню

• Сірий водень : Отримують із природного газу за допомогою парової конверсії метану, викидаючи 10–12 кг CO₂ на 1 кг водню.
• Синій водень : Використовує ту саму основу на викопному паливі, але передбачає застосування технологій захоплення та зберігання вуглецю (CCS), що зменшує викиди приблизно на 50%.
• Зелений водень : Не виробляє прямих викидів, оскільки весь процес електролізу забезпечується енергією від відновлюваних джерел.

Хоча сірий водень становить 95% поточної продукції, життєвий цикл зеленого водню на 75-90% менший за навіть синій водень (Visualizing Energy, 2024).

Ключова роль відновлюваних джерел енергії у виробництві зеленого водню

Зелений водень просто не може працювати без підтримки відновлюваних джерел енергії. Процес електролізу потребує приблизно в чотири рази більше енергії, ніж традиційні методи, тому безпосереднє підключення цих систем до сонячних панелей або вітрових ферм має принципове значення для сталого масштабування виробництва. Підкріпимо це цифрами: виробництво одного кілограма зеленого водню потребує близько п'ятдесяти кіловат-годин чистої електроенергії. Це може здатися багато, але ми спостерігаємо реальний прогрес, адже ціни на сонячні панелі різко впали за останнє десятиліття — лише з 2010 року вони знизилися майже на дев'яносто відсотків. Розглядаючи майбутні перспективи, експерти вважають, що до середини століття зелений водень зможе замінити від п'ятнадцяти до двадцяти відсотків світового споживання викопного палива.

Виробництво зеленого водню: електроліз, технології та глобальні потужності

Процес виробництва зеленого водню через електроліз

Виробництво зеленого водню відбувається за допомогою процесу, який називається електроліз, — по суті, розкладання молекул води (H2O) на водень і кисень під дією електричного струму. Коефіцієнт корисної дії значно варіюється — від приблизно 70% до навіть 90%, і все це залежить від типу системи електролізеру. Щоб увесь цей процес працював належним чином, потрібна чиста вода та стабільне електропостачання. Більшість існуючих установок виробляють близько одного кілограма водню на кожні п'ятдесят кіловат-годин спожитої електроенергії. Це непоганий показник, якщо врахувати обсяги енергії, що витрачаються на інші промислові процеси.

Типи електролізерів: PEM, лужні та твердооксидні

Лужні електролізери домінують у існуючих проектах через нижчу вартість, тоді як системи PEM набувають поширення у застосуваннях змінної відновлюваної енергії.

Інтеграція з сонячною та вітровою енергією для сталого виробництва

Інтеграція відновлюваних джерел вирішує найбільший чинник вартості зеленого водню: енерговитрати. Сонячна та вітрова енергія тепер знижують вартість виробництва до $3-4/кг (оцінки на 2024 рік), що значно менше, ніж $6/кг у 2018 році. Об'єкти в регіонах із високим рівнем сонячної радіації та вітровими умовами використовують гібридні системи , поєднуючи сонячні панелі з вітровими турбінами для забезпечення круглодобового функціонування.

Потужність глобального виробництва та країни-лідери

Світовий обсяг виробництва зеленого водню перевищив 1,2 млн метричних тонн у 2024 році, що на 50% більше, ніж у 2022 році. Понад 80% цих потужностей припадає на прапорові проекти в Близькому Сході, Австралії та Північній Європі, які підтримуються інвестиціями загальним обсягом 500 млрд доларів США.

Виклики щодо масштабування виробництва зеленого водню

Масштабування стикається з перешкодами, такими як 9 літрів очищеної води на кілограм водню , що потребує передових інфраструктур опріснення. Вузькі місця в ланцюгах поставок рідкісних матеріалів, таких як іридій (використовується в PEM-електролізерах), та обмежена мережа трубопроводів для водню ще більше затримують впровадження. Незважаючи на ці бар'єри, прогнозовані витрати до 2030 року в розмірі 1,50 $/кг свідчать про прискорення життєздатності для промислових застосувань.

Екологічні та економічні переваги зеленого водню

Нульові викиди вуглекислого газу під час виробництва та використання

Виробництво зеленого водню супроводжується нульовими викидами вуглекислого газу у разі використання електролізу, що живиться від відновлюваних джерел енергії, на відміну від сірого водню, отриманого з метану шляхом парової конверсії. Цей чистий енергоносій зберігає свій вуглецево-нейтральний статус під час застосування в паливних елементах або промислових процесах, повністю усуваючи викиди на всіх етапах життєвого циклу.

Зменшення забруднення повітря та викидів парникових газів

Заміна викопного палива зеленим воднем у транспорті та виробництві зменшує викиди оксидів азоту (NOx) до 45% та оксидів сірки (SOx) на 92%, значно покращуючи якість повітря в містах.

Аналіз життєвого циклу: екологічний вплив зеленого водню

Дослідження 2023 року показало, що викиди зеленого водню протягом усього життєвого циклу на 96% менше ніж у системах на основі природного газу при використанні енергії морського вітру. Споживання води залишається на 30% нижчим, ніж у методах отримання водню з вугілля.

Створення робочих місць у секторах відновлюваної енергетики та водню

Ланцюг доданої вартості зеленого водню, як очікується, створить 2,3 мільйона робочих місць у світі до 2035 року , особливо у виробництві електролізерів та на гібридних фермах сонячної та вітрової енергетики. Такі країни, як Німеччина та Австралія, вже повідомляють про щорічне зростання робочої сили на 12-15% у посадах, пов’язаних із воднем.

Тенденції інвестицій та зниження вартості

Вартість електролізерів знизилася на 60% з 2015 року, а вартість виробництва зеленого водню, як очікується, досягне 1,50 дол. США/кг до 2030 року — це 75% зниження від цін 2022 року. Глобальні інвестиції перевищили 320 мільярдів доларів у 2023 році, що спричинено партнерствами між державними та приватними компаніями в рамках 48 національних водневих стратегій.

Енергетична незалежність та геополітичні переваги

Перехід до виробництва зеленого водню в межах країни може знизити витрати країн ЄС на імпорт енергії на 110 мільярдів доларів щороку, усуваючи перебої в ланцюгах поставок, спричинені волатильністю ринку викопного палива.

Промислове застосування та технологічний прогрес

Забезпечення декарбонізації важкодоступних галузей, таких як виробництво сталі та аміаку

Перехід на зелений водень викликає значні зміни в галузях, які довгий час залежали від викопного палива. Візьмемо, наприклад, виробництво сталі, яке, за даними звіту МАСЕР 2023 року, становить близько 7% усіх глобальних викидів CO₂. Коли компанії замінюють традиційні методи на основі вугілля на технології прямого відновлення на основі водню, їм вдається скоротити викиди приблизно на 95% на кожну тонну виробленої сталі. І це стосується не лише сталі. Виробники аміаку, які переходять з природного газу на зелений водень, скорочують близько 1,8 тонни CO₂ на кожну тонну виробленого аміаку. Ці цифри вражають не лише на папері — вони відображають реальні зміни, які вже відбуваються зараз на заводах і виробництвах по всьому світу.

Зелений водень у важкому транспорті та судноплавстві

Водородні паливні елементи долають обмеження батарей для вантажних автомобілів і вантажних суден на великі відстані, пропонуючи пробіг 600-800 км за заправку. Морські випробування показують, що судна на водневому приводі зменшують викиди оксидів азоту на 35% порівняно з звичайним дизельним дизелем.

Використання в виробництві електроенергії та оточенні житлових будинків

Компанії комунальної служби змішують до 20% водню з природним газом в існуючих трубопроводах, а європейські пілотні проекти демонструють 12% меншу викид вуглецю в комбінованих системах теплової та електроенергетичної системи. Проект ENE-FARM Японії з 2020 року розгорнув 460 000 паливних елементів з водородом для житлового використання.

Інновації в технологіях зберігання, транспортування та паливних елементів

Серед останніх досягнень:

• Кріогенні резервуари з рідким водню, що досягають 97% ефективності зберігання
• Рідкі органичні водородні носії, що дозволяють безпечний морський транспорт
• Твердооксидні паливні батареї з електроефективністю до 65% (DOE 2023)

Застосування для балансування мережі та зберігання енергії

Німецькі вітрові ферми тепер використовують електролізери потужністю 140 МВт, щоб перетворювати надлишкову енергію на водень під час пікової генерації, стабілізуючи мережі та виробляючи 2 800 тонн/рік водню для промислового використання.

Глобальне прийняття та прогноз щодо зеленого водню

Зароджувальні ринки та пілотні проєкти по всьому світу

Ринки зеленого водню по всьому світу зараз розвиваються надзвичайно швидкими темпами, випробувальні проекти з'являються більш ніж у тридцяти п'яти країнах. Візьмемо, наприклад, Саудівську Аравію — їхній проект NEOM планує виробляти приблизно шістсот п'ятдесят тонн чистого водню щодня вже до 2026 року. На іншому кінці світу, в Австралії, у проекту Asian Renewable Energy Hub ще більш амбітні цілі — до кінця наступного десятиліття він має виробляти три з половиною мільйони тонн на рік. До гри приєднуються й країни з менш розвиненою економікою. Такі місця, як Чилі та Намібія, мають величезний потенціал сонячної та вітрової енергії, який досі не використовується, тому вони позиціонують себе як потенційних експортерів. Тільки компанія HIF Global з Чилі планує побудувати чотирнадцять гігават потужності електролізерів приблизно до 2040 року. У майбутньому більшість прогнозів свідчить, що до 2030 року ми зможемо досягнути майже п'ятдесяти мільйонів тонн щорічного виробництва зеленого водню, що приблизно в п'ять разів перевищуватиме показник 2023 року.

Підтримка політики та міжнародні співпраці, що прискорюють впровадження

Політики по всьому світу все наполегливіше працюють над реалізацією своїх водневих стратегій. Європейський Союз встановив амбітну мету у межах своєї Стратегії водню, прагнучи виробляти щонайменше 10 мільйонів тонн зеленого водню в межах своїх кордонів до 2030 року. Ця мета супроводжується також досить великими стимулами, як-от податковою пільгою в розмірі 3 долари за кілограм, передбаченою в американському Законі про скорочення інфляції. Тим часом на іншому боці Тихого океану Японія обирає зовсім інший шлях. Їхня Базова воднева стратегія робить акцент на завезенні поставок із таких місць, як Австралія та Бруней, замість будівництва масштабних внутрішніх виробничих потужностей. Міжнародна співпраця також набирає обертів: групи, такі як Г7 Пакт дій щодо водню, тісно співпрацюють із організаціями на кшталт Асоціації зеленого водню Африки. Ці співробітництва мають на меті створити інфраструктуру, що охоплює національні кордони, і врешті-решт знизити витрати на виробництво, щоб завдяки більшим масштабам операцій ціни могли впасти нижче 1,50 долара за кілограм до кінця цього десятиліття.

Подолання прогалин у інфраструктурі та галузевих викликів

Міжнародне агентство з відновлюваних джерел енергії (IRENA) говорить тут про досить велику проблему. За їхніми підрахунками, до 2030 року буде бракувати приблизно 1,5 трильйона доларів на інфраструктуру, необхідну для всіх цих виробничих потужностей, трубопроводів і станцій заправлення, які нам потрібні. Електролізери все ще коштують забагато для більшості компаній, але ситуація поліпшується. Ціни значно знизилися з 2018 року, зменшившись приблизно на третину й досягнувши зараз близько 800 доларів за кВт для лужних систем. Великі гравці на цьому ринку працюють над проблемами зберігання, використовуючи досить передові технології, такі як кріогенний рідкий водень і транспортування у вигляді аміаку. Також важливо домогтися загального погодження щодо стандартів. У ЄС існує система гарантій походження, яка потребує ширшого застосування, якщо ми хочемо реального прогресу на шляху до цілей нульових викидів до 2050 року, визначених на COP28 минулого року. І не варто забувати про розширення портів, щоб ці зелені палива могли ефективно переміщатися через кордони.

Часто задані питання

Що таке Зелений Водень?

Зелений водень виробляється з використанням відновлюваних джерел енергії, таких як вітрова або сонячна енергія, шляхом електролізу, під час якого вода розділяється на водень і кисень без виділення вуглекислого газу.

Чим зелений водень відрізняється від інших видів водню?

Зелений водень відрізняється від сірого та синього водню тим, що не утворює прямих викидів вуглецю. Сірий водень виробляють із природного газу з виділенням CO₂, тоді як для виробництва синього водню використовують технологію захоплення та зберігання вуглецю (CCS), щоб мінімізувати ці викиди.

Яку роль відновлювана енергія відіграє у виробництві зеленого водню?

Відновлювана енергія є обов’язковою для виробництва зеленого водню, оскільки забезпечує необхідну електроенергію для електролізу без утворення парникових газів.

Які основні перешкоди на шляху збільшення виробництва зеленого водню?

До основних перешкод належать високі енерговитрати на виробництво, потреба у масштабній інфраструктурі відновлюваних джерел енергії та проблеми з ланцюгами поставок рідкісних матеріалів, що використовуються в електролізерах.

Чи є економічні переваги використання зеленого водню?

Так, зелений водень може створювати робочі місця в секторах відновлюваних джерел енергії та водню, зменшувати забруднення повітря, скорочувати викиди парникових газів та забезпечувати енергетичну незалежність за рахунок зменшення залежності від імпорту нафти.