Водород — источник жизненной силы для низкоуглеродного будущего или чрезмерное отвлечение от реальных решений? Одно можно сказать наверняка — использование угля, нефти и природного газа, которые в настоящее время являются источником энергии для большей части повседневной жизни, должно быть постепенно прекращено в ближайшие десятилетия. От автомобилей, на которых мы ездим, до энергии, которая обогревает наши дома, — это ископаемое топливо глубоко укоренилось в обществе и мировой экономике. Но является ли лучшим решением во всех случаях заменить их водородом – топливом, которое при сжигании производит только водяной пар, а не CO₂?
Автомобильный и железнодорожный транспорт
В 2016 году транспорт стал крупнейшим источником выбросов парниковых газов в Великобритании, составляя около 28% от общего объема выбросов в стране.
Замена двигателей внутреннего сгорания легковых автомобилей и легких транспортных средств батареями может ускорить процесс обезуглероживания автомобильного транспорта, но электрификация не является таким хорошим вариантом для тяжелых транспортных средств, таких как грузовики и автобусы. По сравнению с бензином и дизельным топливом, плотность энергии (измеренная в мегаджоулах на килограмм) батареи составляет всего 1%. Для 40-тонного грузовика требуется чуть более четырех тонн литий-ионных аккумуляторных батарей на дальность 800 километров по сравнению с всего лишь 220 килограммами дизельного топлива.
Водородные топливные элементы для грузовых перевозок, общественного транспорта
Поскольку правительство Великобритании намерено запретить использование ископаемого топлива в транспортных средствах с 2035 года, водородные топливные элементы могут сделать большую часть тяжелой работы по декарбонизации грузового и общественного транспорта, где 80% спроса на водород в транспорте, скорее всего, будет исходить от него.
Топливный элемент генерирует электричество посредством химической реакции между накопленным водородом и кислородом, производя воду и горячий воздух в качестве побочного продукта. Автомобили, работающие на водородных топливных элементах, имеют одинаковую дальность движения и могут заправляться примерно так же быстро, как и автомобили с двигателем внутреннего сгорания, что является еще одной причиной их полезности для дальних и тяжелых перевозок.
Водородное топливо может транспортироваться в виде жидкого или сжатого газа по существующим трубопроводам природного газа, что позволит сэкономить миллионы долларов на инфраструктуре и ускорить ее развертывание. Даже существующие двигатели внутреннего сгорания могут использовать водород, но есть проблемы с впрыском топлива, сниженной выходной мощностью, бортовым хранением и выбросами оксидов азота (NOₓ), которые могут вступать в реакцию в нижних слоях атмосферы с образованием озона – парникового газа. Цель должна заключаться в том, чтобы в конечном итоге заменить двигатели внутреннего сгорания водородными топливными элементами в автомобилях, которые слишком велики для литий-ионных батарей. Но в то же время смешивание с другими видами топлива или использование дизель-водородного гибрида может помочь снизить выбросы.
Создание безэмиссионного водорода
Однако очень важно учитывать, откуда берется водород. Водород может быть получен путем расщепления воды с электричеством в процессе, называемом электролизом. Если электричество вырабатывалось из возобновляемых источников, таких как солнце и ветер, то полученное топливо называется зеленым водородом. Он может быть использован в виде сжатого газа или жидкости и преобразован в метан, метанол, аммиак и другие синтетические жидкие виды топлива.
Но почти все 27 тераватт-часов (ТВтч) водорода, используемого в настоящее время в Великобритании, производятся путем реформирования ископаемого топлива, которое генерирует девять тонн CO₂ на каждую тонну водорода. В настоящее время это самый дешевый вариант, хотя некоторые эксперты предсказывают, что зеленый водород будет конкурентоспособен по стоимости к 2030 году. Тем временем правительствам придется наращивать производство автомобилей с водородными топливными элементами и резервуарами для хранения и строить много заправочных пунктов.
Водород также может играть ключевую роль в декарбонизации железнодорожных перевозок наряду с другими низкоуглеродистыми видами топлива, такими как биотопливо. В Великобритании 6049 километров магистральных маршрутов работают на электричестве – это 38% от общего количества. Поезда, работающие на водородных топливных элементах, предлагают альтернативу дизельным поездам с нулевым уровнем выбросов.
Coradia iLint, которая поступила в коммерческую эксплуатацию в Германии в 2018 году, является первым в мире водородным поездом. Великобритания недавно начала магистральные испытания своего собственного водородного поезда, хотя британские испытания направлены на модернизацию существующих дизельных поездов, а не на проектирование и строительство совершенно новых.
Авиация
Из всех отраслей, которые нам необходимо обезуглероживать, воздушные перевозки, пожалуй, являются самыми сложными. В то время как автомобили и корабли реально могут перейти на аккумуляторы или гибридные технологии, огромный вес даже самых легких аккумуляторов затрудняет дальние электрические авиаперелеты.
Одноместные концептуальные самолеты, такие как Solar Impulse, генерируют свою энергию от солнца, но они не могут генерировать достаточно энергии, основанной на эффективности только текущих солнечных элементов, поэтому также должны использовать батареи. Другие альтернативы включают синтетическое топливо или биотопливо, но они могут просто отсрочить или сократить выбросы углерода, а не полностью устранить их, как это может сделать безуглеродное топливо, такое как зеленый водород.
Жидкий водород имеет Х3 плотность энергии реактивного топлива
Водород чрезвычайно легок и содержит в три раза больше энергии на килограмм, чем реактивное топливо, поэтому он традиционно используется для питания ракет. Компании, в том числе Airbus, уже разрабатывают коммерческие самолеты с нулевой эмиссией, работающие на водороде. Это предполагает радикальную перестройку их парка для размещения топливных баков на жидком водороде.
Однако есть некоторые технические проблемы. Водород — это газ при комнатной температуре, поэтому для его хранения в виде жидкости требуются очень низкие температуры и специальное оборудование. Это означает больший вес и, следовательно, больше топлива. Однако исследования, которые проводятся в Бристольском Институте композитов, помогают в разработке легких авиационных компонентов из композитных материалов. Ученые также рассматривают нанопористые материалы, которые ведут себя как молекулярные губки, самопроизвольно поглощая и накапливая водород при высоких плотностях для бортового хранения водорода в будущих конструкциях самолетов.
Инфраструктура аэропорта
Франция и Германия инвестируют миллиарды долларов в пассажирские самолеты, работающие на водороде. Но в то время как разработка этих новых самолетов в промышленности продолжается быстрыми темпами, международным аэропортам также потребуется быстро инвестировать в инфраструктуру для хранения и доставки жидкого водорода для их дозаправки. Существует риск, что флотилии водородных самолетов могут взлететь до того, как будет создана достаточная топливная цепочка для их поддержания.
Отопление
Если рекомендации Всепартийной парламентской группы по водороду будут приняты, правительство Великобритании, вероятно, поддержит водород в качестве заменяющего топлива для отопления зданий в своей следующей Белой книге. Другой вариант обезуглероживания британской газовой отопительной сети — это электричество. Так что же, вероятно, будет лучшим выбором – водородный котел в каждом доме или электрический тепловой насос?
Тепловые насосы стоят гораздо дешевле водородных котлов
Во-первых, нужно подумать о цене топлива. При электролизе водорода теряется 30-40% первоначальной электрической энергии. Один киловатт-час (кВтч) электроэнергии в тепловом насосе может генерировать 3-5 кВтч тепла, в то время как тот же кВтч электроэнергии дает вам только 0,6-0,7 кВтч тепла с водородным котлом. Это означает, что для выработки достаточного количества водородного топлива для обогрева дома потребуется электричество, вырабатываемое в четыре раза большим количеством турбин и солнечных панелей, чем тепловой насос. Поскольку тепловым насосам требуется гораздо меньше энергии в целом для обеспечения того же количества тепла, потребность в больших количествах накопленной зеленой энергии в режиме ожидания гораздо меньше. Даже сократив эти потери с помощью более передовых технологий, водород останется относительно дорогим, как с точки зрения энергии, так и с точки зрения денег.
Таким образом, использование водорода для обогрева домов обходится потребителям недешево. Конечно, существует более высокая первоначальная стоимость установки электрического теплового насоса. Это может быть серьезным недостатком для бедных домохозяйств, хотя тепловые насосы нагревают имущество, используя около четверти энергии водорода. Со временем более низкие счета за топливо с лихвой покроют затраты на установку.
В первую очередь необходимо модернизировать газовые сети
Замена природного газа водородом в теплосети Великобритании также вряд ли будет простой. В пересчете на объем плотность энергии водорода составляет около одной трети плотности энергии природного газа, поэтому преобразование в водород потребует не только новых котлов, но и инвестиций в сети, чтобы увеличить количество топлива, которое они могут поставлять. Очень маленький размер молекул водорода означает, что они гораздо более склонны к утечке, чем молекулы природного газа. Обеспечение того, чтобы существующая газораспределительная система была пригодна для использования водорода, может оказаться довольно дорогостоящим делом.
Больше, лучше — альтернативы водороду
В условиях высокой плотности застройки в центре города системы централизованного теплоснабжения, которые распределяют отработанное тепло от электростанций и заводов по домам, могут быть лучшим выбором в условиях потепления климата, поскольку, подобно тепловым насосам, они могут не только обогревать дома, но и охлаждать их.
Прежде всего, это подчеркивает важность энергоэффективности, которую Международное энергетическое агентство называет первым видом топлива в зданиях. Переоборудование зданий с утеплением для повышения их энергоэффективности и переключения котлов на тепловые насосы является наиболее перспективным маршрутом для подавляющего большинства зданий. Водород должен быть зарезервирован для применений, где существует мало или нет альтернатив. Пространственное отопление домов и строений, за исключением ограниченного применения, как в особо старых домах, не является одним из них.
Электричество и хранение энергии
Ископаемое топливо имеет некоторые особенности, которые, кажется, невозможно превзойти. Оно полны энергии, его легко сжечь, и оно совместимо с большинством двигателей и генераторов. Производство электроэнергии с использованием газа, нефти или угля дешево и обеспечивает полную уверенность и контроль над количеством электроэнергии, которое вы получаете в любой момент времени.
Между тем, сколько энергии ветра или солнца мы можем произвести, мы не можем полностью контролировать. Трудно даже адекватно предсказать, когда будет светить солнце или дуть ветер, поэтому выходная мощность возобновляемых источников энергии колеблется. Электрические сети могут выдерживать только ограниченное количество колебаний, поэтому возможность хранить избыток электроэнергии для последующего использования является ключом к переключению с ископаемых видов топлива.
Требуется значительное снижение затрат
Водород, по-видимому, идеально подходит для решения этой задачи. По сравнению с батареями, емкость накопителя водорода неограниченна – электролизер, который производит его из воды, никогда не заполняется. Водород также может быть преобразован обратно в электричество с помощью топливного элемента, хотя при этом теряется довольно много энергии.
К сожалению, водород — самый легкий газ, поэтому его трудно хранить и транспортировать. Его можно разжижать или хранить при очень высоких давлениях. Но есть и стоимость: зеленый водород по-прежнему в два-три раза дороже, чем водород, произведенный из природного газа , а затраты еще выше, если электролизер используется только с перерывами. В идеале, мы могли бы позволить водороду вступать в реакцию с CO₂, либо захваченным из воздуха, либо взятым из дымовых газов для производства возобновляемого жидкого топлива с нейтральным выбросом углерода — вариант, который изучается в Институте Дебая при Университете Утрехта.
Тяжелая промышленность
Промышленность является вторым наиболее загрязняющим сектором в Великобритании после транспорта, на долю которого приходится 21% от общего объема выбросов углекислого газа в Великобритании. Большая часть этих выбросов происходит в результате процессов, связанных с нагревом, будь то обжиг печи до очень высоких температур для производства цемента или выработка пара для использования в печи для приготовления пищи. Большая часть этого тепла в настоящее время вырабатывается с использованием природного газа, который необходимо будет заменить на топливо с нулевым содержанием углерода или электричество.
Производство керамики
Давайте подробно рассмотрим одну отрасль: производство керамики. Здесь требуется высокотемпературный прямой нагрев, когда пламя или горячие газы соприкасаются с нагреваемым материалом. В настоящее время для этого используются горелки на природном газе. Биомасса может генерировать тепло с нулевым содержанием углерода, но запасы биомассы ограничены и не подходят для прямого нагрева. Использование электрической печи было бы эффективным, но это повлекло бы за собой капитальный ремонт существующего оборудования. Производство электроэнергии также имеет сравнительно высокую стоимость.
Замена природного газа водородом в горелках может быть дешевле в целом и потребует лишь незначительных изменений в оборудовании. Комитет по изменению климата, который консультирует правительство Великобритании, сообщает, что 90 ТВтч промышленной энергии на ископаемом топливе в год (эквивалентно общему годовому потреблению Уэльса) могут быть заменены водородом к 2040 году. Водород будет самым дешевым вариантом в большинстве случаев, в то время как для 15 ТВтч промышленной энергии ископаемого топлива водород является единственной подходящей альтернативой.
Водород уже используется в промышленных процессах, таких как нефтепереработка, где он используется для реакции с нежелательными соединениями серы и их удаления. Поскольку большая часть водорода, используемого в настоящее время в Великобритании, получена из ископаемых видов топлива, необходимо будет наращивать потенциал возобновляемых источников энергии для доставки по-настоящему зеленого водорода, прежде чем он сможет заменить высокоуглеродистые виды топлива, приводящие в действие промышленные процессы.
Зеленый водород — это только часть решения
Одно и то же правило применимо к каждому из этих секторов – водород настолько же зеленый, насколько и процесс его получения. Зеленый водород будет частью решения в сочетании с другими технологиями и мерами, включая литий-ионные аккумуляторы и энергоэффективность. Но низкоуглеродистое топливо будет наиболее полезно для обезуглероживания ниш, которые в настоящее время труднодоступны для электрификации, таких как тяжелые транспортные средства и промышленные печи.
