Водень та ВДЕ: світові практики застосування

Відновлювані джерела енергії (ВДЕ) – це, без перебільшення, основа стійкості енергетичного сектора і ключова технологія для досягнення декарбонізації до 2100 року. Паризька кліматична угода спрямована на утримання зростання середньої глобальної температури «нижче 2 °C» у цьому столітті порівняно з доіндустріальним рівнем. Досягнення цього потребуватиме істотного скорочення викидів у всіх секторах. Ми багато знаємо про альтернативну енергетику, але останніми роками все частіше порушують тему водню. Яка ж роль найлегшого хімічного елемента періодичної таблиці у ВДЕ? Які процеси виробництва водню, та які цікаві світові практики його застосування?

Водень сьогодні

Водень успішно використовують як сировину вже багато років. Загальна оціночна вартість ринку сировини водню – 115 млрд дол. США і, як очікується, вона буде тільки зростати, досягнувши до 2022 року 155 млрд дол. США. В наші дні водень широко застосовують у різних галузях і секторах (мал. 1).

Мал. 1. Світовий попит і джерела виробництва водню. Джерело: IRENA, Hydrogen from renewable power. Technology outlook for the energy transition, Sep’18.
Мал. 1. Світовий попит і джерела виробництва водню. Джерело: IRENA, Hydrogen from renewable power. Technology outlook for the energy transition, Sep’18.

Водень – енергоносій, а не джерело енергії. Виробляють його переважно з природних копалин. Водень і електрика доповнюють один одного. Водень може полегшити інтеграцію електроенергії в усі сектори кінцевого споживання (Мал. 2).

Мал. 2. Інтеграція змінної відновлюваної енергії в усі сектори кінцевого споживання за допомогою водневого акумулювання. Джерело: IRENA, Hydrogen from renewable power. Technology outlook for the energy transition, Sep’18.
Мал. 2. Інтеграція змінної відновлюваної енергії в усі сектори кінцевого споживання за допомогою водневого акумулювання. Джерело: IRENA, Hydrogen from renewable power. Technology outlook for the energy transition, Sep’18.

Способи отримання водню

Водень можна отримати, використовуючи ряд процесів (Мал. 3). Наприклад, його можна виділити з органічних матеріалів, таких як викопне паливо і біомаса, термохімічним способом. Або за допомогою електролізу розщепити воду (H2O) на водень (H2) і кисень (O2). Також добути його можна за допомогою бактерій і водоростей (біологічні процеси). Далі – більш докладно про кожен зі способів.

Мал. 3. Джерела і шляхи отримання відновлюваного водню. Джерело: IRENA, Hydrogen from renewable power Technology outlook for the energy transition, Sep’18.
Мал. 3. Джерела і шляхи отримання відновлюваного водню. Джерело: IRENA, Hydrogen from renewable power Technology outlook for the energy transition, Sep’18.

Термохімічний спосіб

Деякі теплові процеси використовують енергію з різних ресурсів, таких як природний газ, вугілля або біомаса, щоб добути водень із їхньої молекулярної структури.

Низькі ціни на газ на Близькому Сході, в Росії та Північній Америці породжують одні з найнижчих витрат на виробництво водню. Імпортери газу, зокрема Японія, Корея, Китай та Індія, змушені боротися з більш високими імпортними цінами на газ, що призводить до збільшення витрат на виробництво водню (рис. 4).

Мал. 4. Витрати на виробництво водню з використанням природного газу в різних регіонах. Джерело: The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities, IEA, 2019.
Мал. 4. Витрати на виробництво водню з використанням природного газу в різних регіонах. Джерело: The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities, IEA, 2019.

Серед існуючих термохімічних процесів розрізняють:

  • Перетворення природного газу, або парова конверсія метану. Природний газ містить метан, який можна використовувати для виробництва водню. При паровій конверсії метан реагує з парою під тиском 3-25 бар у присутності каталізатора з утворенням водню, оксиду вуглецю і відносно невеликої кількості вуглекислого газу.
  • Газифікація вугілля – один із методів, за допомогою якого можна виробляти електроенергію, рідке паливо, хімікати та водень. Зокрема, водень отримують шляхом першої реакції вугілля з киснем і парою при високому тиску і температурах із утворенням суміші, що складається в основному з монооксиду вуглецю та водню.
  • Газифікація біомаси – процес, при якому органічні або викопні вуглецеві матеріали перетворюються при високих температурах (> 700 °C), без спалювання, з контрольованою кількістю кисню і/або пари в оксид вуглецю, водень і діоксид вуглецю.
  • Рідке перетворення на основі біомаси. Рідини, отримані з ресурсів біомаси, включаючи етанол і біомасло, можуть бути перетворені для виробництва водню в процесі, аналогічному перетворенню природного газу.
  • Сонячний термохімічний водень. При термохімічному розщепленні води використовують високі температури (від концентрованої сонячної енергії або від непотрібного тепла ядерно-енергетичних реакцій) та хімічні реакції для виробництва водню й кисню.

Електролітичний спосіб

Електролізери використовують електрику для розщеплення води на водень і кисень. Ця технологія добре розроблена і комерційно доступна. Різні електролізери працюють по-різному, в основному через різного типу матеріали електроліту. Виділяють полімерні електролітичні мембранні, лужні, тверді оксидні електролізатори.

Процеси прямого сонячного розщеплення води

Метод фотолізу використовують для розщеплення води на водень і кисень за допомогою сонячної енергії. В даний час метод знаходиться на ранній стадії дослідження і ділиться на:

  • фотоелектрохімічний – водень виробляють з води з використанням сонячного світла і спеціалізованих напівпровідників, званих фотоелектрохімічними матеріалами, які використовують світлову енергію для прямої дисоціації молекул води на водень і кисень (це тривалий технологічний шлях із потенціалом зниження викидів парникових газів або їхньої відсутності);
  • фотобіологічний – для отримання водню використовують мікроорганізми і сонячне світло.

Біологічні процеси. Бактерії та мікроводорості можуть виробляти водень за допомогою біологічних реакцій, використовуючи сонячне світло або органічні речовини. Розрізняють конверсію мікробної біомаси (здатність мікроорганізмів споживати і перетравлювати біомасу і виділяти водень) і фотобіологічний процес (див. Процеси прямого сонячного розщеплення води).

Світові кейси

Бельгія

Інженери з Бельгії стверджують, що сонячні батареї можуть не тільки виробляти електрику, а й газоподібний водень, дозволяючи обігрівати будинки, при цьому не збільшуючи викиди вуглекислого газу.

Дослідники з Левенського католицького університету (KU Leuven) розробили панель, яка використовує для вироблення водню сонячну енергію та вологість повітря. Дослідна панель може виробляти 250 літрів газоподібного водню в день (рис. 5). Прототип забирає водяну пару і розщеплює її на молекули водню і кисню. Дослідники планують провести польові випробування свого дітища в одному з будинків у містечку Ауд-Хеверле. Протягом літніх місяців водень буде зберігатися під землею в невеличкій посудині під тиском, а потім перекачуватися по всьому будинку протягом зими. Якщо все піде за планом, команда встановить ще 20 панелей неподалік, щоб інші сім’ї також могли використовувати зелений (тобто екологічно чистий) водень.

Мал. 5. Сонячна панель розщеплює воду для виробництва водню. Джерело: Solar Panel Splits Water to Produce Hydrogen, https://spectrum.ieee.org, Mar’19.
Мал. 5. Сонячна панель розщеплює воду для виробництва водню. Джерело: Solar Panel Splits Water to Produce Hydrogen, https://spectrum.ieee.org, Mar’19.

Японія

Японські дослідники з Національного інституту матеріалознавства, Токійського університету й Університету Хіросіми провели спільний техніко-економічний аналіз виробництва водню з фотоелектричної енергії з використанням електролізера на батарейках.

Результати цього дослідження дозволили припустити, що вартість водню становить від 17 до 27 ієн/м3 (від 0,16 до 0,25 дол. США). Спільна дослідницька група розробила інтегровану систему, здатну регулювати кількість заряду/розряду батареї та кількість вироблюваного електролізом водню залежно від кількості вироблюваної сонячної енергії. Потім команда оцінила економічну доцільність системи (Мал. 6). Очікується, що до 2030 року з’являться акумуляторні батареї, які будуть розряджатися з низькою швидкістю.

Мал. 6. Система здатна регулювати кількість заряду/розряду батареї та кількість вироблюваного електролізом водню залежно від кількості вироблюваної сонячної енергії. Джерело: Japan team evaluates battery-assisted low-cost hydrogen production from solar energy, https://www.greencarcongress.com, Feb’19.
Мал. 6. Система здатна регулювати кількість заряду/розряду батареї та кількість вироблюваного електролізом водню залежно від кількості вироблюваної сонячної енергії. Джерело: Japan team evaluates battery-assisted low-cost hydrogen production from solar energy, https://www.greencarcongress.com, Feb’19.

Австралія

Колишній автомобільний завод Toyota біля Мельбурна незабаром стане комерційним місцем виробництва та заправки воднем.

Австралійське агентство з відновлюваних джерел енергії (ARENA) внесе 3,1 млн дол. США, щоб допомогти в створенні Toyota Australia Hydrogen Center. Загальна вартість центру – 7,4 млн доларів. Згідно з ARENA, центр буде використовувати сонячні фотоелектричні батареї та акумулятори для виробництва водню. Водень будуть виробляти за допомогою електролізу, а потім стискати його в паливні елементи. Toyota Australia Hydrogen Center буде також включати освітній центр і першу інфраструктуру для заправки воднем комерційних транспортних засобів.

Норвегія

Близько 97% норвезької електроенергії виробляється гідроелектростанціями, і в даний час є 15 кВт*год надлишкової потужності, тому необхідні нові способи використання цієї зеленої енергії. У вигляді водню надлишки і вловлені ВДЕ можна зберігати, розподіляти і робити доступними для зростаючих ринків із нульовим рівнем викидів як в Норвегії, так і за кордоном.

США

У США провели дослідження: розробили спрощену модель для визначення та оптимізації теплових і економічних характеристик побутових фотоелектричних систем із електролізером, або з фіксованими панелями, або з панелями стеження за сонцем з використанням річного сумарного сонячного випромінювання на горизонтальній поверхні і кліматичних даних. Вибрали 12 місць із чотирьох кліматичних зон (тропічно-субтропічний, сухий, помірний, прохолодно-сніговий). Моделювання було проведено для отримання даних про виробництво водню для різних місць, а отримані дані зіставлені для отримання виробництва водню в фотоелектричній системі в кг/кВт/год залежно від загального річного сонячного випромінювання на горизонтальній поверхні. Встановлено, що виробництво водню з фіксованими фотоелектричними панелями варіюється від 26 до 42 кг/кВт/год і має вартість від 25 до 268 $/ГДж.

Швейцарія

25 вересня 2019 року Гесгенська гідроелектростанція (Alpiq Gösgen) сформувала епіцентр логістики з нульовим рівнем викидів на один день: Hydrospider AG і Hyundai Hydrogen Mobility (HHM) представили бізнес-модель, засновану на зеленому водні, яка не має аналогів у Європі.

Планується, що до 2025 року 1600 швейцарських електромобілів Hyundai на паливних елементах будуть перевозити вантажі з зеленим воднем. Перша швейцарська установка з виробництва водню в промисловій експлуатації нині будується на Гесгенській ГЕС. З кінця 2019 року електролізна установка Hydrospider AG потужністю 2 МВт буде виробляти водень для перших приблизно 50 електромобілів на паливних елементах, які будуть поставлені в Швейцарію в 2020 році.

Як видно з графіка нижче, з 1975 року попит на водень виріс більше ніж утричі, і продовжує зростати: майже повністю постачається з викопного палива, причому 6% світового природного газу і 2% світового вугілля йде на виробництво водню (Мал. 7).

Мал. 7. Попит на водень. Джерело: The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities, IEA, 2019.
Мал. 7. Попит на водень. Джерело: The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities, IEA, 2019.

Зі зменшенням витрат на відновлювану електроенергію, зокрема від сонячної фотоелектричної енергії та вітру, інтерес до електролітичного водню зростає, і останніми роками було реалізовано кілька демонстраційних проектів. Виробництво всієї виділеної сьогодні енергії водню з електроенергії призведе до споживання електроенергії в 3600 ТВт*год, що більше, ніж загальний річний обсяг виробництва електроенергії в Європейському союзі (Мал. 8).

Мал. 8. Витрати на виробництво водню. Джерело: The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities, IEA, 2019.
Мал. 8. Витрати на виробництво водню. Джерело: The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities, IEA, 2019.

Зі зменшенням витрат на сонячне фотоелектричне і вітрове виробництво, будівництво електролізерів у місцях із відмінними умовами використання ВДЕ може стати недорогим варіантом постачання водню, навіть після врахування витрат на передачу і розподіл транспорту водню з (часто віддалених) місць відновлюваних джерел енергії кінцевим користувачам (Мал. 9).

Мал. 9. Витрати на водень від гібридних сонячних фотоелектричних і наземних вітрових систем у довгостроковій перспективі. Джерело: The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities, IEA, 2019.
Мал. 9. Витрати на водень від гібридних сонячних фотоелектричних і наземних вітрових систем у довгостроковій перспективі. Джерело: The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities, IEA, 2019.

Водень вже широко використовують у деяких галузях промисловості, але він ще не реалізував свій потенціал для підтримки переходів у сфері чистої енергії. Для подальшого подолання бар’єрів і зниження витрат необхідні амбітні, цілеспрямовані та короткострокові дії.