Понимая водородную экономику

Большинство наблюдателей текущих событий знают о растущей транспортной тенденции в сторону электромобилей, и многие наверняка слышали имя Тесла. Действительно, такой пыл, что иногда бывает трудно вспомнить альтернативы, и что одна из них-водородная технология.

«Водородная экономика» относится к идее преобразования нашей существующей инфраструктуры на основе углеводородов — от статического производства электроэнергии до полного спектра транспортных применений — для работы на водороде с целью сокращения выбросов углерода и углекислого газа.

Это преобразование может происходить везде, где углеводороды используются в качестве топлива, но особый интерес представляют потенциальные транспортные применения, где электромобили на топливных элементах (FCEV) рассматриваются в качестве особенно жизнеспособной альтернативы обычным транспортным средствам, работающим на углеводородах.

Внутри топливного элемента

Топливный элемент работает подобно электрической батарее, преобразуя химическую энергию в электрическую, используя движение заряженных ионов водорода через электролитическую мембрану для генерации тока. Там они рекомбинируют с кислородом для производства воды — единственного выброса топливного элемента вместе с горячим воздухом.

Современные топливные элементы, хотя и менее эффективны, чем электрические батареи, выгодно отличаются от технологий двигателей внутреннего сгорания, которые преобразуют топливо в кинетическую энергию с эффективностью примерно 25%. Топливный элемент, напротив, может смешивать водород с воздухом для производства электроэнергии с КПД до 60 процентов.

FCEV также представляют относительно низкие барьеры для входа с точки зрения социальных изменений, поскольку они работают аналогично обычным транспортным средствам, заправляются на станциях в считанные минуты и проезжают от 500 до 600 километров на одном баке, причем все без вредных выбросов.

Делать водород

Само водородное топливо может быть произведено с постоянно возрастающей экономической эффективностью посредством электролиза, путем расщепления воды на составляющие ее атомы водорода и кислорода. Это производит два полезных газа и, при питании от зеленой энергии, делает производство водорода углеродно-нейтральным актом.

В настоящее время, однако, только 2 процента из 600 миллиардов кубометров водорода, производимых ежегодно во всем мире, производятся путем электролиза воды, а 98 процентов — из природного газа, а двуокись углерода является побочным продуктом.

Более 90 процентов этого водорода используется в качестве строительного блока для удобрений или потребляется в нефтяной, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

Поэтому развитие водородной экономики зависит от государственных инвестиций на начальных этапах. Необходимы инвестиции в инфраструктуру производства и распределения водорода, а также проекты в области возобновляемой энергии, необходимые для поставок энергии, нейтральной в отношении выбросов углерода.

На данный момент дефицит такой инфраструктуры представляет собой крупнейшее препятствие на пути внедрения водородной технологии.

Испытания на Ближнем Востоке

Тем не менее предпринимаются усилия по ликвидации этого разрыва в потенциале, не в последнюю очередь на Ближнем Востоке.

Хотя впереди еще долгий путь, в настоящее время ведутся работы над первым в регионе солнечным электролизером на солнечной энергии в Солнечном парке имени Мохаммеда бин Рашида аль-Мактума по совместной схеме Дубайского управления по электричеству и воде (Dewa), Siemens и Экспо 2020 Дубай.

Этот проект будет иметь возможность производить 240 кг водорода в день — этого достаточно для заполнения резервуаров FCEV на 50 пассажиров и питания их на общую сумму 30 000 км — и он предназначен для доставки водорода на площадку Экспо 2020 для нескольких применений, включая пилотное транспортное решение FCEV.

Toyota Mirai, самый популярный в мире FCEV, был запущен в ОАЭ еще в октябре 2017 года, когда первая водородная станция в стране была открыта местным дистрибьютором Toyota Al-Futtaim Motors, Масдар Сити в Абу-Даби и французской Air Liquide.

Эти региональные проекты опираются на все более очевидную реальность водородной экономики на азиатских рынках и, в частности, в Японии, где уже создано 100 заправочных станций, и правительство стремится к тому, чтобы к 2030 году на дорогах было 800 000 FCEVs, наряду с 90-процентным снижением стоимости водорода к 2050 году.

Электрический конкурс

Однако факт остается фактом: недавнее финансирование исследований и разработок в области технологий электромобилей (ЭМ) значительно превзошло финансирование технологий электролиза воды и топливных элементов.

Эта ситуация была вызвана быстрым развитием более эффективных и экономически эффективных технологий электрических батарей, снижая потенциальную стоимость электрифицированных транспортных систем.

У электромобилей EV и гибридных транспортных средств есть дополнительное преимущество с точки зрения общей энергоэффективности. Батареи теперь теряют только около 17 процентов первоначального потребления электрической энергии из-за неэффективности при зарядке и разрядке, в то время как цикл использования электрической энергии для разделения воды на составляющие ее атомы и рекомбинации водорода с воздухом внутри топливного элемента тратит более 50% энергии.

Установка точек зарядки электромобилей в ключевых местах, например на автостоянках, также проще и обещает правительствам более немедленную и очевидную отдачу, чем более сложная задача создания инфраструктуры распределения водорода.

Результатом этого является то, что на сегодняшний день, несмотря на то, что продажи электромобилей исчисляются миллионами, самой популярной модели FCEV, Toyota Mirai, было продано всего 5000 единиц.

Найти правильную нишу

Тем не менее, в то время как пассажирские FCEV недавно уступили место электромобилям, интерес к водородным технологиям растет как для целого ряда нишевых сегментов транспортного рынка, так и для других областей применения.

Технология FCEV может быть особенно полезна для коммерческого применения, когда более крупногабаритным транспортным средствам необходимо преодолевать большие расстояния, перевозить тяжелые грузы и заправляться с минимальным временем простоя.

С этой целью водородные испытания проводились на всем: от общественных автобусов и вилочных погрузчиков до поездов, самолетов и лодок. Для таких применений, особенно с большими судами, электрические батареи должны быть слишком большими.

В краткосрочной и среднесрочной перспективе водород также можно использовать для замены части сжатого природного газа, используемого в быту, с минимальными изменениями в существующей инфраструктуре.

Исследование, проведенное Университетом Суонси в Великобритании, показало, что до 30 процентов бытового газа можно безопасно заменить водородом, что позволит сократить выбросы углерода на 18 процентов без каких-либо изменений в существующей инфраструктуре.

В Европе группа производителей «EUTurbines» пообещала, что к 2020 году их газовые турбины будут работать на 20-процентном газообразном водороде, и разработают турбинную технологию, позволяющую всем производимым агрегатам работать или быть модернизированными на 100% водородном газе и быть нейтральными к углероду к 2030 году.

Повышение эффективности

Во всем мире стоимость водорода уже снижается, частично в связи с падением стоимости возобновляемой энергии, а также из-за улучшений в электролизе воды и технологии водородных топливных элементов.

Парижское Международное энергетическое агентство ожидает, что к 2030 году стоимость производства водорода сократится еще на 30 процентов, но быстрое снижение стоимости недавних проектов фотоэлектрической солнечной энергии на Ближнем Востоке может означать, что местные затраты на коммерческое производство водорода упадут еще быстрее.

Поскольку инвестиции в водородную инфраструктуру растут, а чистые затраты продолжают падать, водородная экономика может оказаться незаменимым инструментом перехода от углеводородов.

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ