Чистая энергия из воды: что такое водород, чем он поможет Украине и насколько он экологичен

Водород — перспективен для Украины, которая может поставлять его в страны ЕС, чтобы заместить "грязный" российский газ. О том, как развивается это направление "зеленой" энергетики, рассказывает Фокус.

Ископаемое топливо по-прежнему составляет большую часть мирового энергетического баланса, мощности "зеленой" энергетики растут быстрее, чем когда-либо, а цены стремительно падают. За последнее десятилетие солнечная энергия подешевела на 90%, а ветряная — на 69%, то есть теперь она стоит меньше половины от самого дешевого ископаемого топлива. Отрасли, которые сложнее декарбонизировать, — сталелитейная, цементная и дальнемагистральная авиация, — нуждаются в большем количестве инноваций и исследований.

По данным Международного энергетического агентства, путь к нулевой отметке вредных выбросов к 2050 году труден, но вполне достижим, если тяжелая и легкая промышленность предпримут меры по развертыванию огромного количества всех доступных "чистых" и эффективных энергетических технологий. Агентство также отмечает, что технология улавливания и хранения углерода и производство зеленого водорода могут очень в этом помочь.

Что такое водород и является ли он источником "чистой" энергии

Водород представляет собой бесцветный, не имеющий запаха и нетоксичный газ, пишет DW. Он легкий, горючий и обладает высокой плотностью энергии, но при этом очень взрывоопасен. Газ много лет использовался в нефтехимической промышленности для очистки нефти, производства аммиака для удобрений, для производства пластмасс и стали, а также для получения метанола. Водород — мощный носитель энергии. Один его килограмм содержит в 2,4 раза больше полезной энергии, чем такое же количество природного газа, — почти в 3 раза больше, чем килограмм бензина, и примерно в 4 раза больше, чем килограмм угля.

Сам по себе — например, используемый в топливном элементе для выработки электроэнергии для некоторых автомобилей, — водород не производит прямых выбросов парниковых газов. Он генерирует электричество и тепло. Но водород не так легко получить, как ископаемое топливо, которое можно просто выкопать и напрямую сжечь. В природе водород чаще всего встречается в воде. Это H2 в H2O. Но изоляция и хранение газа требуют времени и энергии.

Существует множество способов выделить водород из воды, однако эти процессы вредят окружающей среде. Производство водорода составляет около 2,2% мировых выбросов парниковых газов, даже если водородное топливо в итоге сгорает полностью.

Как производится водород

Водород может быть бесцветным газом, но в промышленности ему придают разные цвета для того, чтобы понимать, какие методы производства должно задействовать с его участием.

В большинстве случаев используется так называемый серый водород, получаемый через "паровой риформинг" при помощи природного газа или метана. Каждая тонна произведенного серого водорода выбрасывает в атмосферу около 10 т CO2. Черный и коричневый водород еще более вреден. Он производится путем преобразования черного или бурого угля в газ при высоких температурах и отделения водорода, что загрязняет атмосферу углекислым (CO2) и угарным газом (СО). Серый, черный и коричневый водород обычно используются в нефтепереработке и производстве удобрений. Эти виды сегодня составляют около 95% от общего количества водорода, производимого в мире.

Синий водород более перспективен, но лишь в незначительной степени. Он тоже образуется в процессе парового риформинга. Его хранят его под землей, что препятствует выбросам в атмосферу. Хотя иногда его считают углеродно-нейтральным, около 10–20% синего водорода все же выбрасываются на поверхность.

Розовый водород вырабатывается с использованием ядерной энергии. Выбросов нет, но остаются радиоактивные отходы, и его трудно использовать в глобальном масштабе, поскольку ядерная энергия не везде доступна.

Бирюзовый водород после выработки оставляет твердый углерод, а желтый добывается с использованием либо солнечной энергии, либо смеси возобновляемой и ископаемой энергии. Эти виды не сильно влияют на мировое производство.

Технология выработки зеленого водорода, при которой не выделяется CO2 во время производства, пока находится в зачаточном состоянии. Он производится с помощью электролиза — расщепления воды на кислород и водород — с использованием возобновляемой энергии. Зеленый водород пока составляет менее 1% мирового производства этого газа.

Что сдерживает распространение зеленого водорода

Сегодня производство зеленого водорода обходится в 2 раза дороже, чем серого. А чтобы расширить сектор водорода для обеспечения 15–20% мирового спроса на энергию, потребуется инвестировать 15 трлн долларов (13,5 трлн евро) к 2050 году, согласно данным Комиссии по энергетическим переходам Международного аналитического центра.

Но в своем отчете за 2023 год по водороду Международное энергетическое агентство заявило, что расширение возобновляемой энергетики там, где много солнца и ветра — в таких местах, как Индия, Ближний Восток и Африка — может значительно увеличить долю зеленого водорода. И это снизит затраты, хотя некоторые критики говорят, что было бы эффективнее просто напрямую использовать возобновляемую энергию.

Этот газ также необходимо доставлять клиентам по всему миру, а водород, как известно, трудно транспортировать в больших количествах. Его нужно хранить в специальных герметичных контейнерах или сжижать (при температуре -253 градуса по Цельсию) и перегонять по трубопроводам, а также обеспечивать перевозки при помощи грузовиков или кораблей. Его также можно перевозить в виде аммиака в жидком виде.

Но прежде по всему миру нужно будет построить необходимую инфраструктуру. Германия и другие страны намерены в течение следующего десятилетия масштабно инвестировать в эту область, стремясь сделать водород жизнеспособной альтернативой ископаемому топливу.

Водород в Украине

Украина вырабатывает водород для использования в тяжелой промышленности, а также является его поставщиком в страны ЕС.

В Институте возобновляемой энергетики НАН Украины, подсчитали, что потенциал нашей страны в выработке водорода составляет 44,96 млн т, пишет "РБК Украина". Сегодня в нашей стране генерируется 360 тыс. т Н2 в год для получения аммиака. Это небольшое количество данного газа, так как составляет оно 0,5% от глобального спроса.

Увеличить мощности Украине помогут такие проекты, как H2U Hydrogen Valley, внедряемый в рамках международной инициативы Mission Innovation. Его реализацией занимается компания "Водень України". Согласно проекту, две "водородные долины" расположатся в Одесской и Закарпатской областях. Первая получит электролизный завод мощностью 100 МВт и с возможностью наращивания до 200 МВт. "Долина" будет работать на возобновляемой энергии от ветряных турбин и солнечных электростанций мощностью 120 МВт и 80 МВт соответственно. Также планируют построить специальный трубопровод.

Вторая займет площадь 120 га, чтобы разместить электролизный завод на 1100 МВт с возможностью наращивания мощностей до 1500 МВт, солнечную электростанцию и ветряки. Водород хотят поставлять на металлургический завод.

Переход транспортной сферы на водород также поспособствует осуществлению Нацплана действий по возобновляемой энергетике на период до 2030 года.

По состоянию на начало текущего года в стране зарегистрированы более 98 тыс. электрокаров и 28 тыс. гибридных автомобилей, сообщает "РБК Украина". Согласно Нацплану, на автобусных маршрутах в городах с населением более 250 тыс. человек количество электробусов или автобусов на сжатом/сжиженном газе, биогазе и водородном топливе должно составлять не менее 25% на 1 января 2030 года и не менее 50% на 1 января 2033 года. Изменения в Налоговом и Таможенном кодексах Украины, вступившие в силу с 1 января 2022 года, предусматривают отмену НДС и пошлин на ввоз электромобилей и машин, работающих на сжиженном газе или биогазе до 1 января 2026. Все это способствует развитию водородной отрасли в стране.

Самые интересные водородные проекты

Жилой комплекс Yuldong-With-U (Южная Корея) имеет 437 квартир и генерирует 840 МВт*ч "зеленой" энергии в течение месяца (данные за июнь 2024 года, — ред.). Как пишет FuelCellWorks. установка этого ЖК вырабатывает 1,31 МВт электроэнергии из 50 кг водорода. И все это она делает за час. Такое количество энергии является достаточным для 4-х типичных домохозяйств в месяц. Вырабатываемое тепло собирает специальный аккумулятор емкостью 40 т. Это тепло используется для нагрева воды до 70 °C, а затем подается для отопления.

В Университете Саскачевана (Канада) был разработан новый метод производства водорода при помощи ИИ, сообщает издание Interesting Engineering. При помощи ИИ-модели исследователи смогли собрать и проанализировать миллионы разных веществ и 36 тыс. их сочетаний, чтобы получить своего рода рецепт сплава. Итогом стал сплав из рутения, хрома и титана, который имел в 20 раз большую стабильность по сравнению с эталонным металлом. Этот сплав будет использован для производства электродов, чтобы с их помощью добывать водород.

Чтобы добыть водород электричество нужно пропустить между двумя из металла, находящимися в воде. Таким образом кислород отделяется от водорода. Это довольно энергозатратный способ. Он дорог еще и потому, что для электродов используются редкие и отнюдь недешевые металлы. Так вот канадские ученые нашли способ, как удешевить генерирование "зеленого" Н2.

Норвежская компания Yara International установила мощный электролизер мощностью 24 мВт, чтобы производить водород. Издание Еcoticias пишет, что установка вырабатывает до 10 т водорода в день. Электролизер использует ток для расщепления H2O на водород и кислород. При этом углекислый газ не образовывается и не загрязняет окружающую среду, а электричество поступает от возобновляемых источников энергии. В итоге, выбросы CO2 снижаются на 41 000 т в год.