Водородная экономика: Топливо будущего, разрабатываемое сегодня 

По мере усиления последствий глобального изменения климата необходимо расширять поставки энергии за счет экономичных и устойчивых источников. Водород имеет множество преимуществ в энергобалансе. Именно это и позволяет совершить революцию в области энергетики нашего мира благодаря переходу на водородную экономику.

Водород — самый распространенный элемент в периодической таблице, однако он не находится в широком доступе и требует химической переработки для его получения. Высокое содержание энергии и отсутствие выбросов углекислого газа делают его экологически безопасной и привлекательной альтернативой традиционному ископаемому топливу для хранения энергии и производства электроэнергии.

При использовании водорода в качестве топлива выделяется только водяной пар, а благодаря разнообразным методам производства его можно производить, хранить и потреблять по первому требованию. Кроме того, водород можно транспортировать, хотя и с большими трудностями, что повышает его гибкость и надежность в качестве постоянного источника энергии.

Однако, как и большинство отраслевых инициатив, развитие водородной экономики и внедрение процессов, работающих на водороде, сопряжено с рядом проблем, в первую очередь связанных с отсутствием существующей инфраструктуры и нормативных актов.

Одним из первых шагов в понимании водородного ландшафта является признание различных способов его получения или производства, каждый из которых имеет различные финансовые, экологические и нормативные последствия.

Как и любой другой расходный материал, водород может быть настолько чистым и экологично безопасным, насколько безопасным является метод его производства. Для определения уровня экологичности водорода используется система цветовой кодировки. В этом списке существует еще больше цветов, но это ведущие альтернативы, а метан является основным компонентом природного газа.

• Серый водород: В настоящее время наиболее распространенным методом производства является получение серого водорода из природного газа путем парового метанового риформинга (SMR) или автотермического риформинга (ATR). Хотя эти процессы экономически эффективны, в обоих случаях в атмосферу выбрасывается значительное количество углекислого газа, что сводит на нет все экологические преимущества использования серого водорода в качестве топлива.
• Голубой водород: Как и серый водород, основанный на использовании природного газа путем парового метанового риформинга (SMR) или автотермического риформинга (ATR), голубой водород включает в себя технологии улавливания и хранения углерода (CCS) для сбора и поглощения выбросов углекислого газа, образующихся в процессе производства. Этот метод считается более экологичным благодаря применение технологии CCS, но это также делает его более дорогим. Метод ATR лучше подходит для производства голубого водорода, поскольку он позволяет получать более чистый поток углекислого газа, чем метод SMR.
• Зеленый водород: Зеленый водород производится путем электролиза — процесса, в котором для разделения молекул воды на водород и кислород используется возобновляемая электроэнергия из экологически чистых источников энергии, таких как ветровая, солнечная или гидроэнергия. Этот метод не создает выбросов углекислого газа, что делает его наиболее экологичным. Однако производственные затраты и поставки возобновляемых источников энергии вызывают озабоченность.
• Бирюзовый водород: Бирюзовый водород — это новая технология производства водорода, использующая пиролиз метана, при котором метан — основной компонент природного газа — разлагается на водород и твердый углерод. Пока этот метод находится в стадии разработки, он представляет собой альтернативу серому водороду с низким уровнем выбросов при эффективном использовании или поглощении побочного продукта — углерода.

Несмотря на то, что водородная экономика находится в зачаточном состоянии, она начинает обретать форму, демонстрируя свою многогранность и потенциал для повсеместного внедрения во всем мире. Водород уже является важным элементом в многочисленных промышленных процессах, от производства аммиака для удобрений до процессов переработки нефтепродуктов.

В транспортном секторе набирают обороты электромобили (EV) на топливных элементах, работающие на водороде, которые представляют собой альтернативу транспорту с нулевым уровнем выбросов и гораздо более быстрым временем заправки по сравнению с электромобилями, работающими на аккумуляторах; процесс заправки занимает несколько минут, а не часов. Водород также может использоваться в стационарных топливных элементах для производства электроэнергии, обеспечивая надежное электроснабжение домов и предприятий, особенно в отдаленных районах и регионах с ограниченным доступом к электросетям.

Кроме того, водород является эффективным средством хранения энергии, особенно для улавливания избыточной возобновляемой энергии, производимой в пиковые периоды, чтобы хранить ее для последующего использования. В отличие от аккумуляторов, которые лучше подходят для краткосрочного хранения энергии, водород обладает способностью накапливать большие объемы энергии в течение длительного времени, что делает его идеальным для сезонного хранения, помогая устранить колебания в производстве возобновляемой энергии. По сравнению с аккумуляторными батареями водородные хранилища занимают гораздо меньше места и весят гораздо меньше, при этом практически не теряя энергии с течением времени.

Дополнение методов производства энергии на основе ископаемого топлива энергией, получаемой с помощью водорода, поможет решить многие из насущных климатических проблем, с которыми сегодня сталкиваются человечество на планете, особенно в отношении выбросов парниковых газов. По мере развития водородной экономики у предприятий появляются возможности для смягчения последствий изменения климата и достижения корпоративных целей устойчивого развития.

Кроме того, водород повышает энергетическую безопасность за счет диверсификации поставок энергии и снижения зависимости от традиционных источников энергии, на которые все большее влияние может оказывать геополитическая динамика. Водородная экономика — это возможность стимулировать инновации, создавать новые отрасли и рабочие места, а также стимулировать экономический рост по всей цепочке добавленной стоимости. Промышленные процессы, работающие на водороде, также сокращают количество загрязняющих веществ в воздухе, что приводит к улучшению качества воздуха (особенно в густонаселенных районах) и улучшению здоровья населения. 

Несмотря на положительные факторы, для широкого распространения водорода существует несколько препятствий. 

Во-первых, несмотря на то, что «зеленый» водород позволяет получить энергию для инфраструктуры с нулевым уровнем выбросов, производство энергии из него обходится значительно дороже, чем из традиционного ископаемого топлива. Снижение стоимости производства экологически чистого водорода — один из главных приоритетов для стимулирования развития водородной экономики. 

Аналогичным образом, голубой водород увеличивает значительные затраты на производство серого водорода, поэтому для его более широкого использования будут необходимы меры стимулирования. 

Кроме того, водород не имеет надежной и развитой инфраструктуры для производства, хранения, транспортировки и сбыта. Создание этих аспектов требует значительных инвестиций в создание новой и модернизацию существующей инфраструктуры для безопасной и эффективной работы с водородом. Это также требует доверия со стороны общественности и принятия водородных технологий в промышленные и потребительские процессы, что требует проведения информационных кампаний для разъяснения преимуществ водорода, решения проблем безопасности и развенчивания мифов.

Наконец, протоколы и правила безопасности по всей цепочке добавленной стоимости должны стать широко известными и понятными, начиная с методов производства и хранения и заканчивая транспортировкой и конечным использованием. Регулирующие органы играют важную роль как в просвещении нынешних и потенциальных пользователей водорода, так и в стимулировании его внедрения. 

Правительства и регулирующие органы играют решающую роль в содействии развитию процветающей водородной экономики с помощью целевых стратегий и мер стимулирования. Они часто проявляются в виде налогов на выбросы углекислого газа, льгот на возобновляемые источники энергии или систем квот на выбросы, которые делают «зеленую» энергетику более привлекательной с точки зрения бизнеса. Например, принятый в США в 2022 году Закон о снижении инфляции включает в себя налоговые льготы на чистую энергию и другие положения, направленные на увеличение внутреннего производства возобновляемой энергии. В то же время Япония и Южная Корея взяли на себя обязательство обеспечить отсутствие вредных выбросов углекислого газа к 2050 году, и все страны Европейского союза следуют этому примеру.

Помимо разработки правил, правительства также финансируют научные исследования и разработки, что крайне важно для снижения стоимости производства «зеленого» и «голубого» водорода, повышения эффективности водородных технологий и поиска новых применений этого универсального энергоносителя. Государственное финансирование и меры стимулирования могут ускорить развертывание водородных заправочных станций, трубопроводов и хранилищ, создавая надежную инфраструктуру, способствующую росту их внедрения.

Государственные организации также играют существенную роль в создании четких протоколов и правил по безопасности в цепочке формирования добавленной стоимости водорода. Для обеспечения общественной безопасности и повышения доверия к водородным технологиям крайне важно придерживаться данных практик.

Учитывая, что водородная экономика находится на ранних стадиях развития, потенциальные возможности ее применения выходят за рамки текущего использования. Например, такие отрасли, как производство стали и цемента, известные своим большим углеродным следом из-за энергоемких производственных процессов, активно изучают возможности использования водорода в качестве заменителя энергии на основе ископаемого топлива, чтобы снизить воздействие на окружающую среду.

Сокращение выбросов углекислого газа в морском и авиационном секторах, которые в значительной степени зависят от ископаемого топлива, также оказалось непростой задачей. Однако водородные топливные элементы, работающие от двигателей внутреннего сгорания, являются потенциальным решением проблемы.

Водород даже добавляют в традиционные электростанции, работающие на природном газе, чтобы сократить выбросы углерода в атмосферу. Новые конструкции газовых турбин теперь могут использовать в качестве источника топлива только водород, не требуя смешивания с природным газом.  

На уровне потребителей водород, смешанный с природным газом в количестве до 20 процентов от общего объема смеси, может использоваться в жилых и коммерческих помещениях без внесения изменений в существующие приборы, такие как системы отопления, печи, нагреватели горячей воды и сушилки для белья, обеспечивая еще одно направление для сокращения выбросов углерода и создания более здоровой среды обитания. 

Развитие устойчивой водородной экономики не будет осуществляться изолированно. Вместо этого необходимо совместное участие всех заинтересованных сторон, включая производителей, поставщиков, государственные и частные исследовательские институты, правительства и общественных организаций. Дальнейшие исследования и разработки, а также дополнительные пилотные проекты необходимы для стимулирования инноваций, снижения стоимостных ограничений, преодоления технических проблем и обеспечения безопасности. 

Несмотря на сохраняющиеся проблемы, использование водорода дает множество преимуществ, поскольку мир стремится сократить выбросы углекислого газа и дополнить существующие источники питания устойчивой «зеленой» энергией. Для решения проблем, связанных с переходом на использование водорода, требуются постоянные исследования, технологические инновации и единство политического курса; однако использование водорода и его потенциал продолжают расширяться, открывая ключевую возможность для обеспечения более экологически безопасного будущего в промышленности и за ее пределами.