При производстве какого водорода отсутствуют выбросы со2
Даже если он неконкурентноспособный. Сейчас вопрос в том, как добиться нулевых выбросов CO2, а не в том, что дешевле.
Если речь идет о климатически нейтральной реструктуризации экономики, многие говорят, что альтернативы водороду сейчас нет. Это просто тренд, или водород – действительно волшебное решение для климатической и энергетической политики?
В некоторой степени внимание к водороду является ажиотажным. В настоящее время ведется работа во многих других областях. Самым важным, конечно же, является расширение использования возобновляемых источников энергии. В этой сфере еще немало предстоит сделать. Только тогда водород сможет сыграть значимую роль. При производстве зеленого водорода электричество для электролиза получают из возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра или солнца. В то же время новая область технологий, естественно, требует критической массы политических мер и инвестиций. Так что имеет смысл заранее подходить к вопросу масштабно, как это и происходит сейчас.
В некоторых сферах водород – единственное разумное решение для достижения углеродной нейтральности. В других сферах дела обстоят иначе. Например, во всех случаях, когда возможно прямое использование электроэнергии, это почти всегда лучший вариант, потому что эффективность просто выше. Но там, где прямое использование электричества невозможно, водород все равно необходим.
Преимущества водорода обсуждаются уже давно. Но в течение некоторого времени не происходило никаких изменений. Почему прорыв наступает именно сейчас?
Потому что теперь нужно вести бизнес без ущерба для климата. Приближается 2050 год. В Германии климатическая нейтральность должна быть достигнута уже к 2045 году. Для этого также нужен водород.
Если говорить о затратах, насколько водород дороже или дешевле по сравнению с другими источниками энергии?
По сравнению с природным газом в отопительном секторе цена на CO2 должна быть очень высокой, чтобы водород был конкурентоспособным. Но вопрос заключается в том, как добиться нулевых выбросов CO2, а не в том, что дешевле.
В то же время в отопительном секторе существует конкуренция со стороны тепловых насосов. От них выбросы CO2 незначительны, либо их вовсе нет. Таким образом, определенно возникает вопрос о стоимости. Поэтому имеет смысл еще подумать о тепловых насосах. При этом обычно они требуют более масштабного переоборудования системы теплоснабжения в зданиях. Водород может использоваться на этапе перехода, пока еще не все успели заменить.
Уже идет интенсивная дискуссия: где на самом деле следует использовать все еще крайне дефицитный и к тому же дорогой зеленый водород? Возможностей много. Какая из них наиболее полезна?
В первую очередь следует обратить внимание на то, где водород уже используется сегодня. В основном это происходит в химической промышленности, например, при производстве азотных удобрений, а иногда и в других промышленных процессах. Если говорить о сером водороде, то до сих пор его в основном получали из природного газа. Из возобновляемых источников энергии производилось очень мало водорода. Следовательно, этот обычный водород приводит к выбросам CO2. Как раз в этом случае нужно перейти на зеленый водород. В качестве второго шага следует рассмотреть секторы, в которых более эффективные альтернативы, такие как прямое использование электроэнергии, не содержат возможностей для декарбонизации либо такие возможности очень ограниченны. Например, в сталелитейном секторе.
Есть опасения, что энергоемкие отрасли, такие как сталелитейная промышленность, нужно будет перевозить в другие страны, если производство в Европе станет чрезвычайно дорогим. Как этого избежать?
Это важный вопрос. Нельзя ожидать, что отрасль полностью трансформируется и при этом ничего не поменяется. Нам также необходимо подумать о том, нет ли более подходящих мест для энергоемкого производства – мест, где доступны возобновляемые источники энергии. Было бы неплохо, если бы, например, соседние страны Средиземноморья получили выгоду от такого рода инвестиций, будь то в Европе или Северной Африке. В конечном счете экономическое развитие этих регионов – в наших интересах.
Итак, партнеров можно искать среди географически близких стран. Однако Австралия, например, активно позиционирует себя как производитель зеленого водорода. Обсуждают также Чили. Конечно, в этом случае стоит рассчитывать, какова на самом деле стоимость перевозки.
По моим оценкам, физическая близость определенно сыграет роль. Стоимость перевозки, вероятно, окажет значительное влияние на окончательную цену. Доставка по трубопроводам, пожалуй, самый экономичный вариант. Также было бы полезно, чтобы поблизости производили также исходники.
Кстати, Китай является примером в этом отношении. Идея связи между Китаем и экономическими районами, близкими к Народной Республике, активно реализуется и продвигается. Думаю, в будущем Европейскому союзу тоже стоит задуматься о таких категориях. Главный вопрос должен быть такой: как можно сформировать экономическую зону, которая обезопасит и усилит экономическую позицию Европы в долгосрочной перспективе?
Многие страны Ближнего Востока и Северной Африки сами страдают от энергетической бедности и растущей нехватки воды. А вода – именно то, что нужно для производства водорода. Тем не менее выступаете ли вы за экспорт водорода в Европу из этих регионов, чтобы способствовать экономическому развитию?
Важную роль также будут играть Восточная Европа и Россия, а не только Северная Африка или Ближний Восток. Но я не думаю, что в целом Северная Африка страдает от энергетической бедности. Это скорее проблема ближе к Югу. В северных странах Африки население точно имеет доступ к электричеству. Но, конечно, нужно рассматривать отдельные случаи, особенно на переходном этапе. Если сегодня в Марокко преобладает электроэнергетика, основанная на ископаемом топливе и зависящая от импорта, действительно возникает вопрос, имеет ли смысл вкладывать значительные средства в экологически чистый водород, чтобы затем его экспортировать. В результате декарбонизация электроэнергетики в самой стране может происходить медленнее. Это важное соображение. Но в принципе не исключаю возможности экономических перспектив и для таких стран. Особенно если предполагать не только экспорт водорода, но и более сильную интеграцию в новые местные производственно-сбытовые цепочки.
Вы упомянули Восточную Европу и Россию. Новый газопровод «Северный поток – 2» по-прежнему является предметом жарких споров. Сторонники утверждают, что он также может в будущем транспортировать водород. Останется ли Россия нашим самым важным партнером в торговле энергоносителями даже в эпоху водорода?
Вполне возможно. Россия обладает огромными ресурсами в области возобновляемых источников энергии. Их можно использовать для производства зеленого водорода. Что касается «Северного потока – 2», в этом направлении должны были быть споры. А пока «Северный поток – 2» завершен, и, вероятно, газ по нему пойдет. Я бы хотел, чтобы трубопровод использовался на условиях начала и продвижения процесса декарбонизации в России и Европе.
Как вы в целом оцениваете использование газа? Ясно, что зеленый водород лучше. Но сейчас то немногое, что есть, стоит дорого. Следует ли использовать для перехода водород, произведенный из газа? Или это ошибка, и потому использование газа продлится еще на десятилетия за счет строительства инфраструктуры?
Я думаю, для начала нужно четко различать голубой и бирюзовый водород. Голубой водород – это водород, CO2 которого отделяется и сохраняется в процессе производства. Это называется улавливанием и хранением углерода, или «CCS». Таким образом, CO2, образующийся при производстве водорода, не выбрасывается в атмосферу. Бирюзовый водород – это водород, который был получен путем пиролиза метана. Вместо СО2 производится твердый углерод.
В случае голубого водорода углеродный след в настоящее время трудно оценить, потому что было проведено слишком мало исследований. Важно то, сколько выбросов выделяется при добыче и транспортировке природного газа. Это сильно различается от региона к региону. Но мне не совсем понятно, зачем при производстве водорода следует использовать CCS. Это следует хорошенько обсудить. Если мы собираемся использовать улавливание и хранение углерода, почему именно в сфере производства водорода, а не в других сферах, где это было бы более логично? Если этот процесс имеет смысл, его также следует при необходимости использовать в производстве электроэнергии. На самом деле CCS давно не используется в Германии, но в случае с голубым водородом мы внезапно снова начинаем обсуждать эту тему. Странно.
А что насчет бирюзового водорода?
Россия очень заинтересована в бирюзовом водороде, получаемом путем пиролиза метана, поскольку эта технология позволяет использовать природный газ без выбросов при производстве водорода. Однако Россия определенно помнит о десятилетиях использования природного газа, и это связано со значительными выбросами метана (очень вредного парникового газа) при добыче и транспортировке. Так что это палка о двух концах. Но если на переходном этапе использование бирюзового водорода может быть связано с сокращением этих выбросов метана, то это также может поспособствовать защите климата. Не следует полностью отказываться от идеи бирюзового водорода.
Германия хочет стать мировым лидером по водороду. Как вы думаете, это реально? С кем он конкурирует?
Да, мне это кажется реалистичным. Конкурентом, конечно же, всегда является Китай. Европа и Германия занимают хорошие позиции в некоторых областях производственно-сбытовой цепочки. Необходимо внимательно рассмотреть, какие сегменты цепочки создания стоимости можно реально развивать в Европе. Это требует более подробного анализа.
Все ли члены ЕС находятся на одинаковом уровне?
Германия определенно лидирует – в том числе и по объему инвестиций за счет государственных субсидий. Но, конечно, у других стран тоже есть амбиции, например, у Португалии. Но в Европе больше внимания следует уделять более тесной координации индивидуальных стратегий государств – членов ЕС.
Какой курс нужно выбрать, чтобы продвигать водород в Европе?
В настоящее время более крупные проекты, в том числе совместные, финансируются на европейском уровне. Таким образом будут созданы разные кластеры. Это разумный подход. Но также ведутся активные дискуссии о том, какие формы водорода будут использоваться. Дискуссии о голубом водороде, а также улавливании и хранении углерода должны вестись открыто и честно. На данный момент Германия отказалась от варианта CCS, согласившись, что эта стратегия будет применяться в других странах. Невозможно что-то непрямо продвигать и в то же время не говорить на эту тему открыто. Это обсуждение еще впереди. Мы также наблюдаем это в области ядерной энергетики.
Некоторые члены ЕС, такие как Франция и отдельные страны Восточной Европы, хотят объявить водород, производимый из атомной энергии, источником энергии с низким уровнем выбросов и сделать его важной частью климатической политики. Начались ли поляризованные дебаты на европейском уровне?
Конечно. Германия приняла решение не использовать атомную энергию. Это сделали и другие государства ЕС – например, Италия. Франция, например, по-прежнему сильно зависит от ядерной энергии, даже если ее доля постепенно сокращается. Германия не может заставить Францию отказаться от атомной энергетики, а Франция не может заставить Германию это принять. Но из-за энергетического перехода эти две страны, вероятно, в будущем будут более тесно сотрудничать в энергетическом и электроэнергетическом секторах. Это также может означать, что в конечном итоге они будут обе поддерживать атомную энергетику. Это одно из тех противоречий в Евросоюзе, решить которые уже невозможно.
Райнер Китцов
Райнер Китцов (Rainer Quitzow) работает в Институте перспективных исследований в области устойчивого развития (IASS ). Его исследования касаются устойчивых инноваций, промышленной политики и управления энергетическим переходом в Германии и за ее пределами.
Понравился материал?
Загрузите приложении IPG для Android и iOS
Подписывайтесь на рассылку прямо сейчас.
Основные проблемы транспорта и хранения водорода
В представленной статье произведен анализ используемых в настоящее время способов производства, транспортировки и хранения водорода. Исследованы технологические особенности получения различных видов водорода и описаны их характеристики. Также перечислен ряд существенных проблем, возникающих при транспорте и хранении водорода, и проанализированы возможные пути их решения. Рассмотрены перспективы водорода в топливно-энергетической отрасли России и мира.
Современная экологическая проблема – большое количество парниковых газов в атмосфере, выделяемых вследствие использования углеводородов, таких как нефть и природный газ. Для сокращения выбросов необходима замена используемых источников энергии на альтернативные, более экологичные. Одной из перспективных областей развития является транспорт и хранение водорода.
Водород – это легкий газ, при сжигании которого выделяется тепло, в несколько раз превышающее тепло от сжигания природного газа.
Различные виды водорода могут использоваться в самых разных областях промышленности и жизни человека. Например, применение водорода распространено в нефтегазовой и химической промышленности, а также в топливной энергетике.
Мировое сообщество, включающее такие страны как Канада, США, Китай, ЕС, Японий, Корея, к 2050 году планируют полностью отказаться от использования угля, нефти и газа, и установить «нулевой выброс» в атмосферу углекислого газа, продолжая развитие «водородной долины».
На сегодняшний день ряд стран уже активно патентует и воплощает в жизнь новые технологии и оборудование, связанные с «зеленой» энергетикой. Например, ведется разработка карьерного самосвала, который полностью будет углеродно-нейтральным, открываются заводы на солнечной энергии по производству водорода, которые могут обеспечивать топливом сотни автомобилей в день. Автомобилей с водородными элементами насчитывается уже около 6000.
В России, согласно энергетической стратегии ЭС-2035, принятой правительством, транспортировка данного источника энергии на экспорт станет одним из приоритетных направлений. Основной задачей будет являться развитие производства и потребления водорода и закрепление России в составе мировых лидеров по экспорту водорода.
Также в скором времени будет запущен ж/д транспорт на Сахалине с применением водородных топливных элементов. Компании «Газпром» и «Росатом» станут первыми производителями водорода, завершив строительство пилотных водородных установок к 2024 году. Преимущественно они будут находиться на объектах добычи газа, предприятиях по переработке сырья и атомных электростанциях. В связи с этим нельзя сказать, что весь водород является экологичным видом топлива, все зависит от способа его получения.
Водород практически не встречается в природе в чистом виде, обычно его получают из химических соединений с помощью различных методов.
По способам получения водород разделяют на цветовые градации, которые представлены ниже [6].
Коричневый (бурый, высокоуглеродный) водород – в процессе производства данного метода выделяются парниковые газы.
Серый (высокоуглеродный) водород – при его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.
Голубой (среднеуглеродный) водород – с использованием CCS и технологии улавливания и захоронения углерода.
Бирюзовый (малоуглеродный) водород – выброс углерода впоследствии либо будет захоронен, либо использован в промышленности.
Желтый (оранжевый, безуглеродный) водород – выбросы СО2 отсутствуют, однако метод нельзя считать абсолютно экологически чистым.
Зеленый (безуглеродный) водород – в процессе производства выбросы СО2 в атмосферу отсутствуют.
Для сравнения альтернативных процессов по получению водорода необходимо рассмотреть экономические затраты на производство.
Можно увидеть, что паровая конверсия метана и газификация угля остаются наиболее дешевыми источниками производства водорода, а переход к электролизу или термохимическим циклам является достаточно длительным и дорогостоящим процессом [7].
По мере возрастания спроса на потребление водорода, увеличивается необходимость в развитии как транспорта от мест его производства до конечного потребителя, так и хранения.
Транспортировка водорода может осуществляться трубопроводным транспортом, с помощью контейнерных перевозок, а также в криогенных цистернах или в носителях, таких как аммиак или гидриды металлов.
Основным способом транспортировки водорода остаются трубопроводы. Водородные трубопроводы эксплуатируются под давлением 0,5–3 МПа и выше и имеют диаметр 250–300 мм. Существуют несколько вариантов трубопроводной транспортировки газообразного водорода:
— по специальным водородным трубопроводам;
— по существующим трубопроводам природного газа.
К 2040 году эксперты прогнозируют водородную сеть протяженностью 23 000 км, 75 % которой будут состоять из переоборудованных газопроводов.
На сегодняшний день самый протяженный трубопровод связывает Германию и Бельгию и составляет порядка 400 км.
Экспериментальные исследования возможности транспортировки водорода с использованием стальных трубопроводов для природного газа показали, что потери водорода из системы в 3–3,5 раза больше по объему потерь природного газа, но поскольку теплота сгорания водорода примерно в три раза больше, то энергетические потери примерно одинаковы.
Транспортировка газообразного водорода наземным транспортом обычно происходит с помощью стальных цилиндрических контейнеров с давлением от 3,5 до 35 МПа и температурой от −40 до +40 °С. Такие контейнеры могут вмещать от 100 до 700 кг. Их можно транспортировать при помощи автомобильного или железнодорожного транспорта.
Недостатком является высокая стоимость перевозки в виду низкой плотности водорода, из-за чего требуется большой объем контейнеров или цистерн для транспортировки, а это дополнительные расходы, в связи с тем, что за один цикл перевозится малый объем продукта.
Трейлеры для перевозки водорода под давлением эффективны для удовлетворения потребностей мелких потребителей, а высокая стоимость доставки может компенсироваться отсутствием потерь. В настоящее время это самый простой способ, особенно в тех районах, где нет трубопроводов.
Преимуществом автоперевозок является то, что автоцистерна может быть автономным хранилищем водорода на автозаправочных станциях и доставлять продукт до самых отдаленных точек потребления.
Транспортировка жидкого водорода осуществляется автомобильными цистернами вместимостью 25 и 45 м 3 . Сжижение водорода весьма энергоемкий процесс и, следовательно, дорогой, но транспортные расходы для жидкого водорода минимальны. Они примерно совпадают со стоимостью доставки трубопроводным транспортом.
Отличительной особенностью является то, что сжиженный водород получается при температуре −253 °С и для его хранения необходимы специальные криогенные цистерны, хранясь в которых, водород имел бы минимальные потери. Для этого ведется изучение материалов, передовыми технологиями могут стать алюминиевые цистерны и контейнеры из синтетических материалов.
Железнодорожный транспорт для перевозки жидкого водорода используют довольно ограниченно в связи с малой разветвленностью транспортных железнодорожных линий. В криогенных железнодорожных цистернах потери водорода примерно такие же, как и в автоцистернах. При однократном захолаживании в автоцистернах теряется до 15 % водорода, а связанные с несовершенством теплоизоляции потери составляют 0,5 % в сутки от объема транспортируемого водорода.
Существует также транспортировка водорода с помощью носителей, в качестве которых могут служить водородоемкие химические соединения, например аммиак и углеводороды. Из них водород получают посредством химических реакций. Так, при нормальной температуре аммиак сжижается при давлении 1,0 МПа и его можно транспортировать по трубам и хранить в жидком виде (температура сжижения аммиака −33 °С). Водород из аммиака получают посредством его каталитического разложения. Для получения 1 кг водорода необходимо 5,65 кг аммиака.
Существуют и «перезаряжаемые» носители, содержащие водород, которые транспортируют на топливную станцию, где из них выделяют водород, а затем возвращают для новой заправки. К таким носителям относятся, например, гидриды металлов.
Преимуществами таких «носителей» является минимальная стоимость транспортировки, умеренные давление и температура в системе доставки, а также возможность снижения стоимости хранения. Недостатками является повышенное энергопотребление, холостой ход на «перезарядку», возможность попадания примесей в газообразный водород, сложность трансформации при применении на местах [1].
Можно подвести итог, что конкурентоспособность различных вариантов зависит от расстояния, на которое транспортируется водород, объемы и способы конечного использования. Для транспортировки водорода на очень большие расстояния (за рубежом), его, как правило, необходимо сжижать или транспортировать в носителях. Для расстояний менее 1500 км транспортировка водорода в виде газа по трубопроводам обычно является наиболее дешевым вариантом; для расстояний более чем 1500 км, может быть более рентабельным транспортировать водород в виде аммиака.
По мере превращения водорода из промышленного в потребительский товар появляется необходимость в системах его централизованного хранения для обеспечения наличия больших запасов продукта вблизи потребителя. Создание компактных, надежных и недорогих систем хранения и транспортировки водорода является одной из ключевых проблем водородной энергетики. Сложность этой задачи заключается в том, что водород в свободном состоянии является самым легким и одним из самых низкокипящих газов. Для сравнения, масса одного галлона бензина составляет примерно 2,75 кг, тогда как один галлон водорода имеет массу всего 0,00075 кг (при давлении 1 атм и 0 °C).
Технология хранения водорода кардинально не отличается от технологии хранения природного газа (рис. 4) [5]
.
В сущности, способы хранения водородного топлива можно разделить на две группы:
1. Физические способы хранения;
2. Химические способы хранения.
Первая группа представляет собой физические методы – компрессирование или ожижение для смены агрегатного состояния водорода.
1) Если водород находится в сжатом газообразном состоянии, для его хранения можно использовать: различные газгольдеры; газовые баллоны; стационарные массивные системы хранения (естественные подземные резервуары); трубопроводные системы хранения; стеклянные микросферы.
Следует иметь в виду, что большинство систем хранения не обладают абсолютной герметичностью, поэтому существуют значения допускаемых объемов утечек.
Для производства водородных контейнеров стали применять новые материалы, например углеродное волокно для бесшовных контейнеров. Они не пропускают водород, разве что небольшие протечки возможны через соединения.
Перспективным способом хранения водорода является технология хранения в сверхкритическом состоянии, которая предусматривает изготовление тонкостенных монодисперсных структур, заполненных конденсированным водородом.
Расчеты показывают, что система хранения в полых микросферах имеет лучшие характеристики (по сравнению с традиционной баллонной) по массе (при давлениях газа больше 4,3 МПа), по габаритам (при давлениях больше 26 МПа). Однако затраты на обеспечение данного метода хранения очень высоки. Вместе с тем хранение водорода в сверхкритическом состоянии в монодисперсных полых микрогранулах имеет очевидные преимущества перед другими способами:
¾ легкость и вариативность транспортировки микробаллонов;
¾ безопасность: разрушение нескольких микробаллонов не приводит к разрушению других или к нарушению герметичности контейнера [2].
2) Если водород находится в жидком состоянии, для его хранения используются стационарные или транспортные криогенные контейнеры.
Водород в жидком состоянии находится в узком интервале температур: от точки кипения 20 К (превращается в жидкость) до точки замерзания 17 К, когда он переходит в твердое состояние. Следует отметить, что переход водорода из жидкого состояния в газообразное связан с неизбежными потерями от испарения. Из-за этого фактора система хранения требует сложных методов изоляции.
Вторая группа заключается в использовании химических методов, при которых хранение водорода обеспечивается его взаимодействием с некоторыми материалами путем физических или химических процессов.
¾ Водород в адсорбционном состоянии: цеолиты и родственные соединения; активированный уголь; углеводородные наноматериалы.
¾ Абсорбция в объеме материала (металлогидриды).
¾ Химическое взаимодействие: алонаты; фуллерены и органические гидриды; аммиак; губчатое железо; водореагирующие сплавы на основе алюминия и кремния.
Способы хранения водорода в твердой форме – это методы хранения, включающие поглощение или адсорбцию водорода другим материалом. Преимущества хранения водорода в гидриде в том, что они не требуют высоких давлений и обеспечивают высокую плотность, сравнимую с плотностью жидкого водорода. Основным недостатком этой технологии является то, что в этих материалах можно хранить лишь небольшую массу водорода.
При этом для десорбции достаточно будет поднять температуру на несколько десятков градусов. Варьируя разницей температур в сравнительно небольших пределах, можно добиваться изменения давления водорода в широком диапазоне – в зависимости от поставленной задачи [3].
Существует несколько параметров эффективности способов хранения, основными из которых является процент полезной массы и процент полезного объема водорода. Наиболее перспективными, исходя из параметра полезной массы, являются именно методы хранения водорода в виде гидридов, где значения могут достигать и 20 % [4].
Стоит обратить внимание на основные проблемы транспорта и хранения водорода в сравнении с природным газом:
— высокая «просачиваемость» жидкого водорода при температуре выше минус 253 градусов Цельсия вследствие малого размера его молекул;
— охрупчивание и разрушение металлов под воздействием атомарного водорода;
— взрывопожароопасность, возникающая при смешивании водорода с кислородом.
Все эти проблемы дают начало исследованию новых способов транспортировки и хранения, а также разработке и применению новых технологий и материалов.
Решением проблемы могут послужить армированные пластиковые трубопроводы – перспективная альтернатива стальным трубопроводам по техническим и экономическим характеристикам. Данная модель трубы состоит из нескольких слоев: внутренней стороной является непроницаемый лейнер, далее идет защитное покрытие, после чего устанавливаются два промежуточных слоя и завершающими являются внешние барьерный слой и защитное покрытие.
Для изготовления лейнеров могут применяться различные полимерные материалы, такие как полиэтилен, полиамид. Водородопроницаемость этих материалов определяет объем утечек водорода из трубопровода.
Таким образом, в данной статье были определены основные перспективы и сложности в развитии водородной энергетики, а также проанализированы оптимальные способы транспорта и хранения водорода.
В настоящее время объемы транспортировки и потребления водорода не такие большие, и на исследование новых технологий нужны крупные капитальные вложения. Также необходима разработка НТД и технических решений по производству, транспортировке и хранению водорода. Однако за этим последует значительный положительный экологический эффект, именно поэтому данная область является одной из самых развиваемых и перспективных на мировой энергетической арене.
Статья «Основные проблемы транспорта и хранения водорода» опубликована в журнале «Neftegaz.RU» (№9, Сентябрь 2022)
Классификация водорода по цвету
В классификации цвета водорода главным критерием является его экологичность.
Чем больше оксидов углерода выделяется при производстве водорода, тем менее экологичным он будет считаться.
Для простоты каждый «сорт» обозначается цветом.
Белый водород
Белый водород (природный, золотой, геологический) — естественным образом вырабатывается или присутствует в земной коре.
Он есть, его не нужно производить, но нужно добывать, что тоже способствует косвенно выбросам.
Газообразный водород естественным образом образуется в земной коре в результате реакций вода-горная порода. Этот процесс включает взаимодействие между молекулами воды и богатыми железом минералами, такими как оливин, при высоких температурах и давлениях.
При реакции воды с этими минералами выделяется газообразный водород, что отличает его от других методов производства водорода.
Этот водород проникает через земную кору и может накапливаться в подземных ловушках, обеспечивая потенциал для более устойчивого источника энергии.
Белый водород был впервые обнаружен в деревне Буракебугу, Мали, в 1987 г.
При бурении скважины на воду землекопы заметили, что из скважины подул ветер.
При случайном контакте с зажженной сигаретой землекопа ветер разгорался в яркое непрерывное пламя.
С тех пор исследователи изучают, как и можно ли использовать этот белый водород в качестве устойчивого источника энергии.
Зеленый водород
Данный водород является самым экологичным из производимых, т. к. получают его с помощью электролиза.
Если электричество поступает от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), таких как ветер, солнечная или гидроэнергия, то выбросы СО2 отсутствуют.
Желтый (оранжевый) водород
Как и зеленый, его получают путем электролиза.
Однако источником энергии являются атомные электростанции (АЭС).
Выбросы СО2 отсутствуют, но метод не является абсолютно экологичным.
Серый водород
Серый водород производится путем паровой конверсии метана.
В настоящее время это основная технология производства водорода, более 70%.
Исходным сырьем для такой реакции служит природный газ.
Этот процесс легко осуществим с практической точки зрения, однако в ходе химической реакции выделяется углекислота, причем в тех же объемах, что и при сгорании природного газа (также расходуется энергия на конверсию).
Впрочем, интерес нефтегаза в том, чтобы развивать при этом технологии улавливания выделенного при реакции СО2 и закачивания его обратно в нефтегазоносный пласт для повышения нефтеотдачи.
Бирюзовый водород
Этот водород получают разложением метана на водород и твердый углерод путем пиролиза.
Производство бирюзового водорода дает относительно низкий уровень выброса углерода, который может быть либо захоронен, либо использован в промышленности, например, в производстве стали или батарей.
Таким образом, он не попадает в атмосферу.
Изумрудный водород
Получают разложением биометана и природного газа с помощью термоплазменного электролиза.
Голубой водород
Голубой водород — это водород, полученный путем паровой конверсии метана, но при условии улавливания и хранения углерода, что дает сокращение выбросов углерода примерно в 2 раза.
Данный вид получения водорода является весьма дорогостоящим.
Коричневый (бурый) водород
Для получения коричневого водорода в качестве исходного сырья используется бурый уголь.
Далее с помощью газификации бурого угля образуется синтез-газ (сингаз): смесь углекислого газа (CO2), окиси углерода (CO), водорода, метана и этилена, а также небольшое количество других газов.
Первые 2 из этих газов бесполезны в производстве электроэнергии.
Это делает процесс очень неэкологичным по сравнению с другими методами.
«Голубой» водород может быть хуже газа и угля
«Серым» и «голубым» считается водород, который производят из природного газа путем его паровой конверсии.
Иллюстрация akitada31/Pixabay.
Так называемую водородную энергетику политики продвигают в противовес углеродной. Однако при производстве водорода для нее углеродный след получается даже больше, чем при сжигании угля и газа, говорят ученые.
В последнее время много говорят о «голубом» водороде как альтернативном источнике энергии, который может спасти планету от парниковых газов. Правительство России 9 августа утвердило концепцию развития водородной энергетики. Но американские ученые из Корнельского и Стэнфордского университетов подсчитали, что производство «голубого» водорода может нанести больший вред климату, чем сжигание ископаемых видов топлива.
Согласно новому исследованию, опубликованному в издании Energy Science & Engineering, выбросы парниковых газов при производстве «голубого» водорода более чем на 20% больше, чем при сжигании природного газа или угля для производства тепла и примерно на 60% больше, чем при сжигании дизельного топлива для обогрева.
Авторы нового исследования – экологи Роберт Ховарт (Robert Howarth) из Корнельского университета и Марк Якобсон (Mark Z. Jacobson) из Стэнфордского университета.
Поясним, водородная энергетика основана на сжигании водорода для получения тепловой и электрической энергии. Водород для этого нужно каким-то способом произвести. В зависимости от способа производства это топливо и маркируют цветами.
Так «зеленым» называют водород, который можно получить в ходе электролиза (разложения) воды. Он считается самым чистым, но и самым дорогим, поскольку для его производства нужно много электроэнергии, которую тоже надо ещё как-то получить. Объективно самыми чистыми источниками энергии являются вода, ветер, Солнце и атом.
«Серым» и «голубым» считается водород, который производят из природного газа путем его паровой конверсии – сложного химического процесса. При паровой конверсии метана в водород получается два конечных продукта: чистый водород и двуокись углерода (углекислый газ). Последний является парниковым газом.
Напомним, что парниковыми называют газы, которые, оказываясь в атмосфере, создают своего рода плёнку, от которой инфракрасные лучи отражаются к поверхности Земли, а не в космос. Инфракрасное излучение приводит к нагреву всего, что находится под атмосферой. Получается, что газы образуют своего рода парник размером с планету.
Если углекислый газ при паровой конверсии выходит прямо в атмосферу, полученный при этом водород называют «серым». Если углекислый газ при паровой конверсии улавливают и не дают попасть в атмосферу, то полученный таким способом водород называют «голубым».
Согласно расчетам американских исследователей, процесс производства «голубого» водорода в промышленных масштабах требует большого количества энергии, то есть сжигания больших объемов природного газа.
«В прошлом не предпринималось никаких усилий для улавливания побочного продукта «серого» водорода – углекислого газа, и выбросы парниковых газов были огромными, – говорит Ховарт. – Сейчас промышленность продвигает «голубой» водород в качестве решения, подход, который по-прежнему использует метан из природного газа, и пытается улавливать побочный углекислый газ. К сожалению, выбросы [при этом] остаются очень большими».
Ховарт отмечает, что метан – мощный парниковый газ. Он более чем в 100 раз сильнее нагревает атмосферу по сравнению с углекислым газом. Ховарт напоминает, что согласно новому докладу Межправительственной группы экспертов ООН по изменению климата, опубликованному также 9 августа, метан составляет большую часть от общего объема парниковых газов, попавших в атмосферу за последнее столетие.
При этом выбросы парниковых газов при производстве «голубого» водорода меньше, чем при производстве «серого» водорода, всего на 9–12%, отмечают в своей статье ученые. Они объясняют этот факт тем, что хотя выбросы углекислого газа при производстве «голубого» водорода ниже, выбросы метана для «голубого» водорода выше, чем для «серого». Потому что метан используется для обеспечения работоспособности системы улавливания углекислого газа. Эта система, прежде всего, требует большого количества энергии. А значит, электростанции должны расходовать больше топлива – того же природного газа, то есть метана.
Производство и использование «голубого» водорода не приносит пользы, утверждают авторы исследования. По их предположению, «голубой» водород можно рассматривать как отвлекающий фактор, который используют, чтобы отсрочить необходимые действия для декарбонизации мировой энергетической экономики, подобно сланцевому газу.
Авторы также обращают внимание на то, что большая часть усилий по использованию водорода для получения энергии с 2017 года исходила от Водородного совета – группы, созданной нефтегазовой отраслью специально для продвижения водорода с особым упором на «голубой».
С промышленной точки зрения переход с природного газа на «голубой» водород можно рассматривать как экономически выгодный, подчеркивают американские экологи. Ведь для выработки того же количества тепла требуется еще больше природного газа, а значит, нефтегазовая отрасль промышленности как инициатор водородной энергетики только увеличит свои доходы.
Ученые делают оговорку, что если бы удалось не только уловить весь углекислый газ при производстве «голубого» водорода, но и найти способ хранить его бесконечно в специальных хранилищах, то о «голубом» водороде можно было бы говорить всерьез. Но пока у мира нет никакого опыта хранения углекислого газа в промышленном масштабе.
Кроме того, большая часть углекислого газа, который в настоящее время улавливается, используется для увеличения нефтеотдачи, а затем выбрасывается обратно в атмосферу, напоминают исследователи.
Тем временем не только российское правительство собирается развивать водородную энергетику. 10 августа Сенат США принял свою версию Закона об инвестициях в инфраструктуру и рабочие места на сумму один триллион долларов, который включает несколько миллиардов долларов на развитие, субсидирование и укрепление водородных технологий и связанной с этим промышленности.
«Политические силы, возможно, еще не догнали науку, – объяснил такие политические решения Ховарт. – Даже прогрессивные политики могут не понимать, за что они голосуют. «Голубой» водород звучит красиво, звучит современно и звучит как путь к нашему энергетическому будущему. Но это не так».
Ученые также предлагают сделать упор не на «голубой», а на «зеленый» водород.
Тема водородной энергетики уже не раз поднималась в наших публикациях. Ранее мы писали, что «Роснефть» планирует удвоить производство водорода в 2023 году. Также мы рассказывали, что была создана новая технология получения водорода из воды. А еще мы рассказывали, что Россия может стать мировым лидером по производству водорода.
Больше интересных новостей науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».