Чиста енергія з води: що таке водень, чим він допоможе Україні та наскільки він екологічний

Водень — перспективний для України, яка може постачати його в країни ЄС, щоб замістити "брудний" російський газ. Про те, як розвивається цей напрямок "зеленої" енергетики, розповідає Фокус.

Викопне паливо, як і раніше, становить більшу частину світового енергетичного балансу, потужності "зеленої" енергетики зростають швидше, ніж будь-коли, а ціни стрімко падають. За останнє десятиліття сонячна енергія подешевшала на 90%, а вітряна — на 69%, тобто тепер вона коштує менше половини від найдешевшого викопного палива. Галузі, які складніше декарбонізувати, — сталеливарна, цементна і далекомагістральна авіація — потребують більшої кількості інновацій і досліджень.

За даними Міжнародного енергетичного агентства, шлях до нульової позначки шкідливих викидів до 2050 року важкий, але цілком досяжний, якщо важка і легка промисловість вживуть заходів з розгортання величезної кількості всіх доступних "чистих" і ефективних енергетичних технологій. Агентство також зазначає, що технологія уловлювання та зберігання вуглецю і виробництво зеленого водню можуть дуже в цьому допомогти.

Що таке водень і чи є він джерелом "чистої" енергії

Водень являє собою безбарвний, без запаху і нетоксичний газ, пише DW. Він легкий, горючий і має високу щільність енергії, але при цьому дуже вибухонебезпечний. Газ багато років використовувався в нафтохімічній промисловості для очищення нафти, виробництва аміаку для добрив, для виробництва пластмас і сталі, а також для отримання метанолу. Водень — потужний носій енергії. Один його кілограм містить у 2,4 раза більше корисної енергії, ніж така сама кількість природного газу, — майже в 3 рази більше, ніж кілограм бензину, і приблизно в 4 рази більше, ніж кілограм вугілля.

Сам по собі — наприклад, використовуваний у паливному елементі для вироблення електроенергії для деяких автомобілів, — водень не виробляє прямих викидів парникових газів. Він генерує електрику і тепло. Але водень не так легко отримати, як викопне паливо, яке можна просто викопати і безпосередньо спалити. У природі водень найчастіше зустрічається у воді. Це H2 в H2O. Але ізоляція і зберігання газу вимагають часу та енергії.

Існує безліч способів виділити водень із води, однак ці процеси шкодять навколишньому середовищу. Виробництво водню становить близько 2,2% світових викидів парникових газів, навіть якщо водневе паливо в підсумку згорає повністю.

Як виробляється водень

Водень може бути безбарвним газом, але в промисловості йому надають різні кольори для того, щоб розуміти, які методи виробництва слід задіяти за його участю.

У більшості випадків використовується так званий сірий водень, який отримують через "паровий риформінг" за допомогою природного газу або метану. Кожна тонна виробленого сірого водню викидає в атмосферу близько 10 т CO2. Чорний і коричневий водень ще більш шкідливий. Він виробляється шляхом перетворення чорного або бурого вугілля на газ за високих температур і відділення водню, що забруднює атмосферу вуглекислим (CO2) і чадним газом (СО). Сірий, чорний і коричневий водень зазвичай використовують у нафтопереробці та виробництві добрив. Ці види сьогодні становлять близько 95% від загальної кількості водню, виробленого у світі.

Синій водень більш перспективний, але лише незначною мірою. Він теж утворюється в процесі парового риформінгу. Його зберігають під землею, що перешкоджає викидам в атмосферу. Хоча іноді його вважають вуглецево-нейтральним, близько 10-20% синього водню все ж викидаються на поверхню.

Рожевий водень виробляється з використанням ядерної енергії. Викидів немає, але залишаються радіоактивні відходи, і його важко використовувати в глобальному масштабі, оскільки ядерна енергія не скрізь доступна.

Бірюзовий водень після вироблення залишає твердий вуглець, а жовтий видобувають із використанням або сонячної енергії, або суміші відновлюваної та викопної енергії. Ці види не сильно впливають на світове виробництво.

Технологія вироблення зеленого водню, за якої не виділяється CO2 під час виробництва, поки що перебуває в зародковому стані. Він виробляється за допомогою електролізу — розщеплення води на кисень і водень — з використанням відновлюваної енергії. Зелений водень поки що становить менше 1% світового виробництва цього газу.

Що стримує поширення зеленого водню

Сьогодні виробництво зеленого водню обходиться в 2 рази дорожче, ніж сірого. А щоб розширити сектор водню для забезпечення 15-20% світового попиту на енергію, потрібно інвестувати 15 трлн доларів (13,5 трлн євро) до 2050 року, згідно з даними Комісії з енергетичних переходів Міжнародного аналітичного центру.

Але у своєму звіті за 2023 рік щодо водню Міжнародне енергетичне агентство заявило, що розширення відновлюваної енергетики там, де багато сонця і вітру — у таких місцях, як Індія, Близький Схід і Африка — може значно збільшити частку зеленого водню. І це знизить витрати, хоча деякі критики кажуть, що було б ефективніше просто безпосередньо використовувати відновлювану енергію.

Цей газ також необхідно доставляти клієнтам по всьому світу, а водень, як відомо, важко транспортувати у великих кількостях. Його потрібно зберігати в спеціальних герметичних контейнерах або скраплювати (при температурі -253 градуси за Цельсієм) і переганяти трубопроводами, а також забезпечувати перевезення за допомогою вантажівок або кораблів. Його також можна перевозити у вигляді аміаку в рідкому вигляді.

Але спочатку по всьому світу потрібно буде побудувати необхідну інфраструктуру. Німеччина та інші країни мають намір протягом наступного десятиліття масштабно інвестувати в цю галузь, прагнучи зробити водень життєздатною альтернативою викопному паливу.

Водень в Україні

Україна виробляє водень для використання у важкій промисловості, а також є його постачальником до країн ЄС.

В Інституті відновлюваної енергетики НАН України підрахували, що потенціал нашої країни у виробленні водню становить 44,96 млн т, пише "РБК Україна". Сьогодні в нашій країні генерується 360 тис. т Н2 на рік для отримання аміаку. Це невелика кількість цього газу, оскільки становить вона 0,5% від глобального попиту.

Збільшити потужності Україні допоможуть такі проєкти, як H2U Hydrogen Valley, що впроваджується в рамках міжнародної ініціативи Mission Innovation. Його реалізацією займається компанія "Водень України". Згідно з проектом, дві "водневі долини" розташуються в Одеській і Закарпатській областях. Перша отримає електролізний завод потужністю 100 МВт і з можливістю нарощування до 200 МВт. "Долина" працюватиме на відновлюваній енергії від вітряних турбін і сонячних електростанцій потужністю 120 МВт і 80 МВт відповідно. Також планують побудувати спеціальний трубопровід.

Друга займе площу 120 га, щоб розмістити електролізний завод на 1100 МВт з можливістю нарощування потужностей до 1500 МВт, сонячну електростанцію і вітряки. Водень хочуть постачати на металургійний завод.

Перехід транспортної сфери на водень також посприяє здійсненню Нацплану дій з відновлюваної енергетики на період до 2030 року.

Станом на початок поточного року в країні зареєстровано понад 98 тис. електрокарів і 28 тис. гібридних автомобілів, повідомляє "РБК Україна". Згідно з Нацпланом, на автобусних маршрутах у містах із населенням понад 250 тис. осіб кількість електробусів або автобусів на стисненому/зрідженому газі, біогазі та водневому паливі має становити щонайменше 25% на 1 січня 2030 року і щонайменше 50% на 1 січня 2033 року. Зміни до Податкового та Митного кодексів України, що набрали чинності з 1 січня 2022 року, передбачають скасування ПДВ і мит на ввезення електромобілів і машин, що працюють на скрапленому газі або біогазі до 1 січня 2026 року. Усе це сприяє розвитку водневої галузі в країні.

Найцікавіші водневі проєкти

Житловий комплекс Yuldong-With-U (Південна Корея) має 437 квартир і генерує 840 МВт*год "зеленої" енергії протягом місяця (дані за червень 2024 року, — ред.). Як пише FuelCellWorks, установка цього ЖК виробляє 1,31 МВт електроенергії з 50 кг водню. І все це вона робить за годину. Така кількість енергії є достатньою для 4-х типових домогосподарств на місяць. Тепло, що виробляється, збирає спеціальний акумулятор ємністю 40 т. Це тепло використовується для нагрівання води до 70 °C, а потім подається для опалення.

В Університеті Саскачевана (Канада) було розроблено новий метод виробництва водню за допомогою ШІ, повідомляє видання Interesting Engineering. За допомогою ШІ-моделі дослідники змогли зібрати і проаналізувати мільйони різних речовин і 36 тис. їхніх поєднань, щоб отримати свого роду рецепт сплаву. Підсумком став сплав із рутенію, хрому і титану, який мав у 20 разів більшу стабільність порівняно з еталонним металом. Цей сплав буде використано для виробництва електродів, щоб з їхньою допомогою добувати водень.

Щоб добути водень, електрику потрібно пропустити між двома з металу, що знаходяться у воді. Таким чином кисень відділяється від водню. Це досить енерговитратний спосіб. Він дорогий ще й тому, що для електродів використовуються рідкісні і аж ніяк недешеві метали. Так ось канадські вчені знайшли спосіб, як здешевити генерування "зеленого" Н2.

Норвезька компанія Yara International встановила потужний електролізер потужністю 24 мВт, щоб виробляти водень. Видання Ecoticias пише, що установка виробляє до 10 т водню на день. Електролізер використовує струм для розщеплення H2O на водень і кисень. При цьому вуглекислий газ не утворюється і не забруднює навколишнє середовище, а електрика надходить від поновлюваних джерел енергії. У підсумку, викиди CO2 знижуються на 41 000 т на рік.