Масштабирование инфраструктуры для получения зеленого водорода 

Глобальное стремление к сокращению выбросов парниковых газов привело к тому, что водород — в частности, «зеленый» водород, производимый из возобновляемых источников энергии, — оказался в центре внимания. Несмотря на то, что водородная экономика еще только зарождается, она открывает возможности для создания более экологичного транспорта, промышленных процессов и производства энергии. Однако для реализации этих преимуществ необходимо преодолеть ряд инфраструктурных проблем, связанных с производством.

Широкое распространение «зеленого» водорода потребует постоянных инвестиций в исследования и разработки, межорганизационного сотрудничества в области производства и потребления, а также надежной политической базы.

Во-первых, существующая инфраструктура природного газа, включая трубопроводы, хранилища и транспортные сети, должна быть переоборудована или заменена для безопасной и эффективной работы с водородом из-за его уникальных химических свойств. Молекулы водородного газа являются самыми маленькими из всех типов, что способствует их утечке. В связи с этим необходимо использовать специальные материалы и методы герметизации для обеспечения безопасной и эффективной транспортировки и хранения. Кроме того, водород может ослабить несовместимые с материалом конструкции трубопроводов и сосудов, а почти невидимое пламя при воспламенении делает его практически незаметным при дневном свете, что создает угрозу безопасности.

Хранение и транспортировка представляют собой дополнительные логистические сложности. В условиях ограниченного пространства для хранения или транспортировки на борту судна низкая объемная плотность энергии водорода по сравнению с природным газом и жидким ископаемым топливом приводит к необходимости создания экстремальных условий — либо сжатия при давлении до 700 бар (10 500 фунтов на кв. дюйм), либо сжижения при температуре не ниже -253° C (-423,4° F). Хранение водорода в любом из этих состояний требует больших затрат энергии, что еще больше повышает требования к оборудованию, энергии и стоимости долгосрочного хранения и транспортировки.

Решение проблем трубопроводов требует инвестиций в специализированные материалы, устойчивые к водородному охрупчиванию, а для хранения и транспортировки водорода требуются сложные расчеты энергоэффективности и принятие решений, основанных на многочисленных переменных.

В настоящее время производство водорода в основном основано на извлечении его из ископаемого топлива с помощью таких процессов, как паровой метан и автотермический риформинг. Если говорить о простейших процессах, то они производят серый водород, который получил такое название потому, что в его состав входит углекислый газ и другие парниковые газы, которые сводят на нет экологические преимущества водорода. Этот отходящий газ можно улавливать, получая из него голубой водород, но его улавливание, транспортировка и хранение требуют больших финансовых затрат.

Производство «зеленого» водорода позволяет устранить эти проблемы, но требует значительных инвестиций в электролизеры — как правило, с протонообменной мембраной или щелочного типа — мощности, сетевую инфраструктуру и другие инвестиции в экосистему на балансе завода. В процессе электролиза электричество расщепляет молекулы воды на составляющие их водород и кислород, при этом водород собирается, а безвредный газ кислород выбрасывается в атмосферу или перерабатывается для других промышленных целей. При использовании возобновляемых источников энергии, таких как ветер, солнце или гидроэлектроэнергия, получаемый водород является экологически чистым и безопасным.

Обеспечение энергосистемы электроэнергией, произведенной из экологически чистого водорода, сопряжено с определенными трудностями, поскольку требует создания новой энергетической инфраструктуры и беспрепятственной интеграции в существующие энергосистемы. Такая интеграция становится все более необходимой. Население начинает использовать «умные» сети, накопители энергии и сложные системы управления энергопотреблением, стремясь сбалансировать растущий спрос на возобновляемую энергию в условиях, когда потребность в ней колеблется в зависимости от непостоянства поставок.

Хотя водород стоит значительно дороже, чем традиционное ископаемое топливо, ожидается, что в ближайшие десятилетия его цена будет снижаться. Это обусловлено развитием технологий производства и использования, осуществлением государственных и частных инвестиций в инфраструктуру и повсеместной стандартизацией методов обеспечения безопасности.

Несмотря на эти проблемы, экономика «зеленого» водорода выглядит привлекательно, ведь с ее помощью можно добиться цели в достижении нулевых выбросов УГ в атмосферу. В сочетании с экологически чистыми методами производства водяной пар может быть единственным выбросом возобновляемого водорода, что делает этот газ важнейшим компонентом для достижения целевых показателей выбросов и смягчения последствий изменения климата.

Кроме того, водород можно хранить в различных формах в течение длительного времени без снижения энергоэффективности, который присущ аккумуляторам, — за счет снижения эффективности производства электроэнергии при кратковременном хранении — для решения проблемы прерывистости прямых возобновляемых источников энергии солнца и ветра. Накопленный водород можно использовать для выработки электроэнергии в периоды пикового спроса, что повышает стабильность и надежность сети, а также для питания транспортных средств или промышленных процессов. Способность к гибкому хранению и распределению возобновляемой энергии является ключевым компонентом для успешной работы электросетей, работающих на возобновляемых источниках энергии.

Помимо выработки электроэнергии, водород имеет широкий спектр других применений — от питания тяжелых транспортных средств и промышленных процессов до отопления домов и других зданий. В транспортном секторе автомобили на водородных топливных элементах являются экологически безопасную альтернативой грузовикам и автобусам на дизельном топливе, предлагая тем самым больший запас хода и более быстрое время дозаправки по сравнению с электромобилями, оснащенными аккумуляторами. В частности, при дальних грузоперевозках вес аккумуляторов и длительное время зарядки являются логистическими и экономическими препятствиями.

В промышленных отраслях водород можно использовать в качестве экологически чистого сырья для производства аммиака и других химических веществ. Это позволит снизить зависимость от процессов, основанных на использовании ископаемого топлива, в таких отраслях, как сталелитейная промышленность, производство цемента и удобрений.

Во всем мире правительства признают преобразующий потенциал водорода и в результате реализуют политику и стимулы для ускорения его внедрения. Примеры включают прямое финансирование исследований и разработок, налоговые льготы на производство и использование водорода, а также мандаты на смешивание водорода с существующими природными газовыми сетями, где это возможно, в качестве переходной меры.

Например, Европейский союз представил свою стратегию по использованию водорода , цель которой — создание полной цепочки добавленной стоимости водорода, включая план по установке 40 ГВт электролизных мощностей к 2030 году. В то же время Япония и Южная Корея объявили об амбициозных планах по переходу на водородное топливо . Кроме того, формируются международные кооперации для согласования стандартов и правил, облегчающие трансграничную торговлю водородом.

Хотя сроки полной реализации водородной экономики остаются неопределенными, большинство экспертов прогнозируют значительный рост в ближайшие десятилетия. Совет по вопросам водорода, который представляет собой глобальную инициативу, возглавляемою руководителями компаний, прогнозирует, что к 2050 году водород сможет удовлетворить до 24% мирового спроса на энергию , а объем рынка достигнет 2,5 триллиона долларов в год. Этот рост должен быть обусловлен совокупностью факторов, включая технологический прогресс в производстве и хранении водорода, снижение стоимости возобновляемых источников энергии и все более жесткую государственную политику по вопросам климатических изменений.

Перспективность экономики с использованием «зеленого» водорода также зависит от наличия возобновляемых источников энергии и развития эффективной инфраструктуры. В настоящее время производство «зеленого» водорода в основном поддерживается государственными мерами стимулирования, однако по мере совершенствования технологий, достижения экономического эффекта масштаба и роста мирового спроса на водород прогнозируется снижение затрат. Так, правительство США планирует, что к 2026 году затраты составят 2 доллара США/кг, а к 2031 году — 1 доллар США/кг .

Подобно тому, как аккумуляторы и солнечные батареи развивались в течение последних двух десятилетий, технологии водородной энергетики предлагают практически неиспользованные возможности для повышения эффективности и роста в ближайшей перспективе. Ожидается, что по мере снижения себестоимости производства и расширения инфраструктуры водород будет постепенно внедряться в другие отрасли, что в конечном итоге приведет к сокращению выбросов углерода в энергетической системе.

Успешное расширение рынка водородной энергетики зависит от сотрудничества между научно-исследовательскими институтами, правительствами и заинтересованными сторонами отрасли. Четкие и последовательные политические рамки, обеспечивающие долгосрочную стабильность, необходимы для привлечения инвестиций и стимулирования низкоуглеродных инноваций, а международное сотрудничество имеет решающее значение для установления глобальных стандартов и правил, облегчающих трансграничную торговлю водородом.

Для широкого распространения водорода наряду с существующими видами ископаемого топлива необходимо не только поощрять и поддерживать научные исследования и разработки, но и преодолевать технические преграды, такие как повышение эффективности и снижение стоимости электролизеров, разработку более энергоэффективных технологий нагнетания и сжижения водорода и создание достаточного количества трубопроводов.

Наконец, дальнейшее развитие стандартов, стратегий и образования в области безопасного производства, хранения и обращения с водородом будет способствовать укреплению доверия общественности и позитивному восприятию потенциала чистой энергии этого топлива. Несмотря на сохраняющиеся серьезные проблемы с внедрение водородной экономики, перспективы ее развития весьма радужны. Решая проблемы с инфраструктурой, стимулируя технологический прогресс и внедряя благоприятные политические рамки, «зеленый водород» может сыграть ключевую роль в сокращении выбросов углерода в ближайшие десятилетия.