Водород и ВИЭ: мировые практики применения

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – это, без преувеличения, основа устойчивости энергетического сектора и ключевая технология для достижения декарбонизации к 2100 году. Парижское климатическое соглашение направлено на удержание роста средней глобальной температуры «ниже 2 °C» в этом веке по сравнению с доиндустриальным уровнем. Достижение этого потребует существенного сокращение выбросов во всех секторах. Мы много знаем об альтернативной энергетике, но в последние годы все чаще затрагивают тему водорода. Какая же роль самого легкого химического элемента периодической таблицы в ВИЭ? Какие процессы производства водорода, и какие интересные мировые практики его применения?

Водород сегодня

Водород успешно используется в качестве сырья уже много лет. Общая оценочная стоимость рынка сырья водорода – 115 млрд долл. США и, как ожидается, она будет только расти, достигнув к 2022 году 155 млрд долл. США. В наши дни водород широко применяется в разных отраслях и секторах (рис. 1).

Рис. 1. Мировой спрос и источники производства водорода. Источник: IRENA, Hydrogen from renewable power. Technology outlook for the energy transition, Sep’18.
Рис. 1. Мировой спрос и источники производства водорода. Источник: IRENA, Hydrogen from renewable power. Technology outlook for the energy transition, Sep’18.

Водород – энергоноситель, а не источник энергии. Производят его преимущественно из природных ископаемых ресурсов. Водород и электричество дополняют друг друга. Водород может облегчить интеграцию электроэнергии во все сектора конечного потребления (рис. 2).

Рис. 2. Интеграция переменной возобновляемой энергии во все сектора конечного потребления с помощью водородного аккумулирования. Источник: IRENA, Hydrogen from renewable power. Technology outlook for the energy transition, Sep’18.
Рис. 2. Интеграция переменной возобновляемой энергии во все сектора конечного потребления с помощью водородного аккумулирования. Источник: IRENA, Hydrogen from renewable power. Technology outlook for the energy transition, Sep’18.

Способы получения водорода

Водород можно получить, используя ряд процессов (рис. 3). Например, водород можно выделить из органических материалов, таких как ископаемое топливо и биомасса, термохимическим способом. Или посредством электролиза расщепить воду (H2O) на водород (H2) и кислород (O2). Также произвести его можно с помощью бактерий и водорослей (биологические процессы). Далее – более подробно о каждом из способов.

Рис. 3. Источники и пути получения возобновляемого водорода. Источник: IRENA, Hydrogen from renewable power Technology outlook for the energy transition, Sep’18.
Рис. 3. Источники и пути получения возобновляемого водорода. Источник: IRENA, Hydrogen from renewable power Technology outlook for the energy transition, Sep’18.

Термохимический способ

Некоторые тепловые процессы используют энергию из различных ресурсов, таких как природный газ, уголь или биомасса, чтобы извлечь водород из их молекулярной структуры.

Низкие цены на газ на Ближнем Востоке, в России и Северной Америке порождают одни из самых низких затрат на производство водорода. Импортеры газа, в частности Япония, Корея, Китай и Индия, вынуждены бороться с более высокими импортными ценами на газ, что приводит к увеличению затрат на производство водорода (рис. 4).

Рис. 4. Затраты на производство водорода с использованием природного газа в разных регионах. Источник: The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities, IEA, 2019.
Рис. 4. Затраты на производство водорода с использованием природного газа в разных регионах. Источник: The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities, IEA, 2019.

Среди существующих термохимических процессов различают:

  • Преобразование природного газа, или паровая конверсия метана. Природный газ содержит метан, который можно использовать для производства водорода. При паровой конверсии метан реагирует с паром под давлением 3–25 бар в присутствии катализатора с образованием водорода, оксида углерода и относительно небольшого количества углекислого газа.
  • Газификация угля – один из методов, с помощью которого можно производить электроэнергию, жидкое топливо, химикаты и водород. В частности, водород получают путем первой реакции угля с кислородом и паром при высоких давлениях и температурах с образованием смеси, состоящей в основном из монооксида углерода и водорода.
  • Газификация биомассы – процесс, при котором органические или ископаемые углеродистые материалы превращаются при высоких температурах (>700 °C), без сжигания, с контролируемым количеством кислорода и/или пара в оксид углерода, водород и диоксид углерода.
  • Жидкое преобразование на основе биомассы. Жидкости, полученные из ресурсов биомассы, включая этанол и биомасла, могут быть преобразованы для производства водорода в процессе, аналогичном преобразованию природного газа.
  • Солнечный термохимический водород. При термохимическом расщеплении воды используются высокие температуры (от концентрированной солнечной энергии или от ненужного тепла ядерно-энергетических реакций) и химические реакции для производства водорода и кислорода.

Электролитический способ

Электролизеры используют электричество для расщепления воды на водород и кислород. Эта технология хорошо разработана и коммерчески доступна. Различные электролизеры работают по-разному, в основном из-за разного типа материала электролита. Выделяют полимерные электролитические мембранные, щелочные, твердые оксидные электролизаторы.

Процессы прямого солнечного расщепления воды

Метод фотолиза используют для расщепления воды на водород и кислород посредством солнечной энергии. В настоящее время метод находится на ранней стадии исследования и делится на:

  • фотоэлектрохимический – водород вырабатывают из воды с использованием солнечного света и специализированных полупроводников, называемых фотоэлектрохимическими материалами, которые используют световую энергию для прямой диссоциации молекул воды на водород и кислород (это долгосрочный технологический путь с потенциалом снижения выбросов парниковых газов или их отсутствия);
  • фотобиологический – для получения водорода используют микроорганизмы и солнечный свет.

Биологические процессы. Бактерии и микроводоросли могут производить водород посредством биологических реакций, используя солнечный свет или органические вещества. Различают конверсию микробной биомассы (способность микроорганизмов потреблять и переваривать биомассу и выделять водород) и фотобиологический процесс (см. Процессы прямого солнечного расщепления воды).

Мировые кейсы

Бельгия

Инженеры из Бельгии утверждают, что солнечные батареи могут не только производить электричество, но и газообразный водород, позволяя обогревать дома, при этом не увеличивая выбросы углекислого газа.

Исследователи из Левенского католического университета (KU Leuven) разработали панель, которая использует для выработки водорода солнечную энергию и влажность воздуха. Опытная панель может производить 250 литров газообразного водорода в день (рис. 5). Прототип забирает водяной пар и расщепляет его на молекулы водорода и кислорода. Исследователи планируют провести полевые испытания своего детища в одном из домов в городке Ауд-Хеверле. В течение летних месяцев водород будет храниться под землей в небольшом сосуде под давлением, а затем перекачиваться по всему дому на протяжении зимы. Если все пойдет по плану, команда установит еще 20 панелей по соседству, чтобы другие семьи также могли использовать зеленый (то есть экологически чистый) водород.

Рис. 5. Солнечная панель расщепляет воду для производства водорода. Источник: Solar Panel Splits Water to Produce Hydrogen, https://spectrum.ieee.org, Mar’19.
Рис. 5. Солнечная панель расщепляет воду для производства водорода. Источник: Solar Panel Splits Water to Produce Hydrogen, https://spectrum.ieee.org, Mar’19.

Япония

Японские исследователи из Национального института материаловедения, Токийского университета и Университета Хиросимы провели совместный технико-экономический анализ производства водорода из фотоэлектрической энергии с использованием электролизера с батарейным питанием.

Результаты этого исследования позволили предположить, что стоимость водорода составляет от 17 до 27 иен/нм3 (от 0,16 до 0,25 долл. США). Совместная исследовательская группа разработала интегрированную систему, способную регулировать количество заряда/разряда батареи и количество вырабатываемого электролизом водорода в зависимости от количества вырабатываемой солнечной энергии. Затем команда оценила экономическую целесообразность системы (рис. 6). Ожидается, что к 2030 году появятся перезаряжаемые батареи, которые будут разряжаться с низкой скоростью.

Рис. 6. Система способна регулировать количество заряда/разряда батареи и количество вырабатываемого электролизом водорода в зависимости от количества вырабатываемой солнечной энергии. Источник: Japan team evaluates battery-assisted low-cost hydrogen production from solar energy, https://www.greencarcongress.com, Feb’19.
Рис. 6. Система способна регулировать количество заряда/разряда батареи и количество вырабатываемого электролизом водорода в зависимости от количества вырабатываемой солнечной энергии. Источник: Japan team evaluates battery-assisted low-cost hydrogen production from solar energy, https://www.greencarcongress.com, Feb’19.

Австралия

Бывший автомобильный завод Toyota возле Мельбурна скоро станет коммерческим местом производства и заправки водородом.

Австралийское агентство по возобновляемым источникам энергии (ARENA) внесет 3,1 млн долл. США, чтобы помочь в создании Toyota Australia Hydrogen Center. Общая стоимость центра – 7,4 млн долларов. Согласно ARENA, центр будет использовать солнечные фотоэлектрические батареи и аккумуляторы для производства водорода. Водород будут производить посредством электролиза, а затем сжимать его в топливные элементы. Toyota Australia Hydrogen Center будет также включать образовательный центр и первую инфраструктуру для заправки водородом коммерческих транспортных средств.

Норвегия

Около 97% норвежской электроэнергии вырабатывается гидроэлектростанциями, и в настоящее время имеется 15 кВт*ч избыточной мощности, поэтому необходимы новые способы использования этой зеленой энергии. В виде водорода излишки и уловленные ВИЭ можно хранить, распределять и делать доступными для растущих рынков с нулевым уровнем выбросов как в Норвегии, так и за рубежом.

США

В США провели исследование: разработали упрощенную модель для определения и оптимизации тепловых и экономических характеристик бытовых фотоэлектрических систем с электролизером, либо с фиксированными панелями, либо с панелями слежения за солнцем с использованием годового суммарного солнечного излучения на горизонтальной поверхности и климатических данных. Выбрали 12 мест из четырех климатических зон (тропическо-субтропический, сухой, умеренный, прохладно-снежный). Моделирование было проведено для получения данных о производстве водорода для различных мест, а полученные данные сопоставлены для получения производства водорода в фотоэлектрической системе в кг/кВт/год в зависимости от общего годового солнечного излучения на горизонтальной поверхности. Было установлено, что производство водорода с фиксированными фотоэлектрическими панелями варьируется от 26 до 42 кг/кВт/год и имеет стоимость от 25 до 268 $/ГДж.

Швейцария

25 сентября 2019 года Гесгенская гидроэлектростанция (Alpiq Gösgen) сформировала эпицентр логистики с нулевым уровнем выбросов на один день: Hydrospider AG и Hyundai Hydrogen Mobility (HHM) представили бизнес-модель, основанную на зеленом водороде, которая не имеет аналогов в Европе.

Планируется, что к 2025 году 1600 швейцарских электромобилей Hyundai на топливных элементах будут перевозить грузы с зеленым водородом. Первая швейцарская установка по производству водорода в промышленной эксплуатации в настоящее время строится на Гесгенской ГЭС. С конца 2019 года электролизная установка Hydrospider AG мощностью 2 МВт будет производить водород для первых приблизительно 50 электромобилей на топливных элементах, которые будут поставлены в Швейцарию в 2020 году.

Как видно из графика ниже, с 1975 года спрос на водород вырос более чем в три раза, и продолжает расти: почти полностью поставляется из ископаемого топлива, причем 6% мирового природного газа и 2% мирового угля идет на производство водорода (рис. 7).

Рис. 7. Спрос на водород. Источник: The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities, IEA, 2019.
Рис. 7. Спрос на водород. Источник: The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities, IEA, 2019.

С уменьшением затрат на возобновляемую электроэнергию, в частности от солнечной фотоэлектрической энергии и ветра, интерес к электролитическому водороду растет, и в последние годы было реализовано несколько демонстрационных проектов. Производство всей выделенной сегодня энергии водорода из электроэнергии приведет к потреблению электроэнергии в 3600 ТВт*ч, что больше, чем общий годовой объем производства электроэнергии в Европейском союзе (рис. 8).

Рис. 8. Затраты на производство водорода. Источник: The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities, IEA, 2019.
Рис. 8. Затраты на производство водорода. Источник: The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities, IEA, 2019.

С уменьшением затрат на солнечное фотоэлектрическое и ветровое производство, строительство электролизеров в местах с отличными условиями использования ВИЭ может стать недорогим вариантом поставки водорода, даже после учета затрат на передачу и распределение транспорта водорода из (часто удаленных) мест возобновляемых источников энергии конечным пользователям (рис. 9).

Рис. 9. Расходы на водород от гибридных солнечных фотоэлектрических и наземных ветровых систем в долгосрочной перспективе. Источник: The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities, IEA, 2019.
Рис. 9. Расходы на водород от гибридных солнечных фотоэлектрических и наземных ветровых систем в долгосрочной перспективе. Источник: The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities, IEA, 2019.

Водород уже широко используют в некоторых отраслях промышленности, но он еще не реализовал свой потенциал для поддержки переходов в области чистой энергии. Для дальнейшего преодоления барьеров и снижения затрат необходимы амбициозные, целенаправленные и краткосрочные действия.