синий водород что это
Классификация водорода по цвету
Для простоты каждый «сорт» обозначается цветом
В классификации 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.
Зеленый водород
Данный водород является самым экологичным, 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.
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.
Серый водород
Серый водород производится путем паровой конверсии метана.
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).
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.
Водород: эпоха возрождения?
Климатические амбиции крупнейших экономик мира на пути к низкоуглеродной энергетике заставили их снова обратиться в сторону самого легкого и самого распространенного элемента на земле — водорода. По мнению международных экспертов, водород, который имеет двухсотлетнюю историю использования, именно по причине экологической чистоты наконец имеет шансы на успех.
«Хотя за последние 50 лет водород пережил несколько волн интереса, ни одна из них не привела к устойчивому росту инвестиций и более широкому внедрению в энергетических системах. Тем не менее, недавний акцент на декарбонизацию и расширение масштабов и ускоренный рост низкоуглеродных технологий, таких как возобновляемые источники энергии, вызвал новую волну интереса к свойствам и расширению цепочки поставок водорода», — пишет в своем обзоре Goldman Sachs (GS).
Водород содержит в 2,5 раза больше энергии на единицу массы по сравнению с природным газом и бензином, но его очень низкий вес подразумевает гораздо более низкую плотность энергии на единицу объема в его газообразной форме в условиях окружающей среды.
«Водород обладает рядом ценных свойств, два из которых делают его уникальным в эпоху изменения климата:
— отмечают эксперты GS.
Зеленый, серый, бурый и голубой водород
В настоящее время производится около 70 млн тонн водорода, но лишь менее 2% производится экологически чистым способом — путем электролиза воды, когда вода разлагается на свои составляющие — водород и кислород — после подачи электрического тока. Если электроэнергия производится с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) — это «зеленый» водород, что является конечной целью экологически ответственных стран.
Однако, как водится, это наиболее дорогостоящий способ, и сейчас водород производится в основном из ископаемых источников энергии, в частности, из природного газа путем его риформинга — это «серый» водород (75%), поскольку нежелательным продуктом является СО2.
Остальной объем водорода производится путем газификации угля и называется «бурым» водородом.
По данным Международного энергетического агентства (МЭА), около 6% мирового производства газа и 2% угля используется для производства водорода, что приводит к существенным выбросам парниковых газов.
Аналитики Wood Mackenzie подсчитали, что в 2017 году на мировое производство водорода приходилось больше ежегодных выбросов CO2 и других парниковых газов, чем на всю Германию и мировую судоходную отрасль — 830 млн т в год.
На пути к «зеленому» водороду выделяется понятие «голубого» водорода: если при производстве «серого» или «бурого» будут улавливаться парниковые газы за счет систем CCS (carbon capture systems).
Где используется водород
С 1975 года спрос на водород увеличился более чем в три раза — с 18 до чуть более 70 млн т в год, из них около половины — 38 млн т — потребляется в нефтепереработке, около 32 млн т — в химической промышленности для производства аммиака, еще 4 млн т потребляют другие отрасли, в частности, при производстве метанола и стали, подсчитало МЭА.
Эксперты отмечают, что водород может «обезуглеродить» ряд секторов, где это представлялось сложным осуществить, включая перевозки на дальние расстояния, химическую промышленность, а также производство чугуна и стали.
Как пишет GS, ключевые характеристики водорода (малый вес и высокая энергия на единицу массы, короткое время дозаправки, нулевые прямые выбросы при использовании возобновляемых источников энергии) делают его привлекательным кандидатом в качестве транспортного топлива.
На сегодняшний день сжатый водород используется для автомобильного транспорта (включая легковые автомобили, а также автобусы, грузовики и поезда), при этом на легковые автомобили приходится подавляющее большинство используемых электромобилей на топливных элементах. Япония, США, ЕС и Южная Корея лидируют по уровню парка FCEV, но многие другие страны недавно также установили цели по внедрению водорода в транспортном секторе.
«Конкурентоспособность автомобилей на водородных топливных элементах зависит от стоимости топливных элементов и заправочных станций, в то время как для грузовых автомобилей приоритетной задачей является снижение стоимости доставки водорода»,
Количество FCEV в мире почти удвоилось до 25210 единиц в конце 2019 года, при этом было продано 12350 новых автомобилей — почти вдвое больше, чем в 2018 году. По состоянию на конец 2019 года во всем мире работало 470 водородных заправочных станций, что на 20% больше, чем в 2018 году.
Железнодорожная отрасль уже является лидером в европейском энергетическом переходе, генерируя только 0,1% общих выбросов парниковых газов, однако водородные поезда помогут дополнительно снизить выбросы и уровень шума. Первые коммерческие поезда были представлены в 2016 году компанией Alstom, а в 2018 году они введены в эксплуатацию в Германии. Хотя они все еще находятся на ранней стадии разработки и, по данным Alstom, их первоначальные затраты на 25% выше, экологический, технический и экономический профиль делает водородные поезда привлекательными для замены парка с дизельными двигателями, считают эксперты GS.
При использовании для бытового и промышленного отопления водород можно добавлять в существующие газопроводы с наибольшим потенциалом использования в многоквартирных и коммерческих зданиях, особенно в густонаселенных городах, в то время как более долгосрочные перспективы могут включать прямое использование водорода в водородных котлах или топливных элементах.
Добавление до 20% водорода в газораспределительную сеть требует минимальных или потенциально нулевых модификаций сетевой инфраструктуры или бытовых приборов конечного пользователя, отмечает МЭА.
Проект GRHYD во Франции, который начал подмешивать 6% водорода в сеть природного газа в 2018 году, уже достиг 20% в объемном выражении в 2019 году, демонстрируя техническую осуществимость этого подхода.
Закачка водорода в магистральные газопроводы является более сложной задачей из-за несовместимости материалов при высоких давлениях и более низкого допуска по концентрации водорода в смеси, которую могут принять промышленные пользователи. Однако в рамках некоторых пилотных экспериментов изучается возможность впрыска водорода в такие газопроводы, а проект, разработанный Snam в Италии, уже продемонстрировал возможность подмешивания водорода в объеме до 10%.
На промышленных предприятиях по переработке нефти, производству аммиака, метанола и стали «зеленый» или «голубой» водород может использоваться в качестве топлива (обеспечивая высокотемпературное тепло, требуемое на промышленных предприятиях) или как сырье, помогая сделать соответствующие производства экологически чистыми. Одним из ключевых промышленных применений чистого водорода, которое в последнее время привлекло внимание промышленности, является производство углеродистой стали с нулевым содержанием углерода. В настоящее время осуществляется ряд проектов по развитию этих процессов и продвижению к коммерциализации.
В производстве электроэнергии водород является одним из ведущих вариантов хранения возобновляемой энергии, а водород и аммиак можно использовать в газовых турбинах для повышения гибкости энергосистемы.
Аммиак можно также использовать на угольных электростанциях для сокращения выбросов.
Сколько стоит водородная экономика
Основной статьей затрат при производстве «серого» водорода является стоимость сырья — от 45% до 75% себестоимости, считает МЭА.
При этом, если добавить в схему использование уловителей СО2, затраты вырастают примерно на 50%:
Конечно же, доля сырья в себестоимости для стран, импортирующих газ, выше, чем в странах-производителях.
Согласно отраслевым исследованиям, использование технологий улавливания выбросов при производстве водорода может снизить их на 90%. В настоящее время по всему миру работает 20 крупных объектов CCS (в основном в США, Канаде и Норвегии) с общей мощностью, превышающей 35 млн тонн в год.
Наиболее широко применяемой и зрелой технологией является щелочной электролиз, характеризующийся относительно низкими капитальными затратами на электролизер (менее дорогие, поскольку обычно используется меньше драгоценных металлов по сравнению с другими технологиями электролиза, и с относительно высокой эффективностью, обычно варьирующейся от 55% до 70%).
Эксперты полагают, что «голубой» водород, вероятно, будет в ближайшей и среднесрочной перспективе основным проводником низкоуглеродной энергетики, пока «зеленый» водород не достигнет паритета затрат.
Аналитики МЭА отмечают, что в связи со снижением затрат на возобновляемую электроэнергию, в частности, солнечную энергию и энергию ветра, интерес к электролитическому водороду растет, и в последние годы было реализовано несколько демонстрационных проектов.
Если бы весь водород производился бы сейчас путем электролиза, это привело бы к потребности в электроэнергии в 3600 ТВт*ч, что превышает годовую выработку электроэнергии в Европейском Союзе, подсчитали аналитики агентства.
При снижении затрат на солнечную и ветровую генерацию строительство электролизеров в местах с отличными условиями для возобновляемых ресурсов может стать недорогим вариантом поставки водорода даже с учетом затрат на передачу и распределение при транспортировке водорода из удаленных мест, где используются возобновляемые источники энергии.
Согласно исследованию Wood Mackenzie, к 2040 году затраты на экологически чистый водород упадут на 64%. Так, считают эксперты, с учетом заявленных за последние десять месяцев проектов по «зеленому» водороду, объемы будут достаточно большими и достаточно стабильными, чтобы можно было масштабировать зарождающийся рынок.
«В среднем, к 2040 году затраты на производство зеленого водорода будут равны затратам на водород, вырабатываемый из ископаемого топлива. В некоторых странах, таких как Германия, это произойдет к 2030 году.
Учитывая масштаб, который мы наблюдали до сих пор, 2020-е годы, вероятно, станут десятилетием водорода»,
— отмечают аналитики WoodMac.
В то же время росту конкурентоспособности «зеленого» водорода будет способствовать и рост цен на ископаемые виды топлива. В то время как в 2020 году «серый» водород является самым дешевым водородом, за исключением Китая, Wood Mackenzie ожидает, что к 2040 году затраты на него вырастут на 82%, в основном, из-за роста цен на газ. В Саудовской Аравии и США «серый» водород по-прежнему будет самым дешевым водородом до 2040 года, считают они.
Стоимость «голубого» водорода к 2040 году вырастет, по мнению WoodMac, на 59%. «Успех „голубого“ водорода связан с успехом технологии CCS, которая страдает от высоких затрат и отмены проектов. Как и в случае с „серым“ водородом, прогнозируемый профиль затрат в значительной степени определяется ценами на природный газ», — считают они.
Решение за политиками
«Даже с учетом множества проблем, которые ждут зарождающийся рынок экологически чистого водорода, мы твердо уверены, что в ближайшее время возникнет какая-то форма низкоуглеродной водородной экономики. Учитывая степень четкой политики, корпоративной и социальной поддержки, которая процветала в 2020 году, зеленый водород будет успешно масштабироваться и обеспечивать значительное снижение производственных затрат», — уверены в WoodMac.
«В 2019 году водородные технологии продолжали развиваться, что вызвало большой интерес у политиков. Это был рекордный год для ввода в эксплуатацию электролизных мощностей, и на ближайшие годы было сделано несколько важных заявлений», — полагают аналитики МЭА.
В 2020 году производство низкоуглеродного водорода, как ожидается, составит около 0,46 млн т, уже анонсированы проекты, которые позволят к 2023 году производить 1,45 млн т, а к 2030 году стоит задачу увеличить производство до 7,92 млн т в год, отмечают в агентстве.
Европейский Союз летом текущего года заявил о намерении отказаться от использования ископаемых источников топлив к 2050 году и использовать декарбонизированные газы.
Европа является крупнейшим потребителем российских нефти и газа — основных источников пополнения российского бюджета.
Значит, России придется искать новые пути к своему традиционному партнеру.
«Газпром» уже пытается застолбить для себя нишу в производстве водорода, принимая участие в общественных дискуссиях, проведенных Европейской комиссией по проекту водородной стратегии. «Те предложения, которые мы высказали, — применение пиролиза метана для производства низкоуглеводного водорода — также включены в уже опубликованную стратегию ЕС. И водород, произведенный из природного газа, обладает как экономическими, так и экологическими преимуществами. То есть он может быть произведен без выбросов СО2», — сказал начальник отдела департамента 623 «Газпрома» Константин Романов.
По его словам, сейчас из природного газа в Европе производится более 8 млн тонн водорода в год, и на это используется более 30 млрд кубометров газа. Тогда как по планам ЕС предполагается производить лишь 1 млн тонн водорода с использованием электролиза воды.
«Мы ведем с европейскими партнерами дискуссии, переговоры о реализации пилотных водородных проектов в Европе, в том числе стратегия позволяет использовать и грантовую систему, механизмы грантов Еврокомиссии для развития пиролиза. Мы считаем, что природный газ по-прежнему останется важным источником для водорода и в целом для ЕС», — заключил Романов.
Светлана Кристалинская
Синий водород против зелёного
В сегодняшних обсуждениях «водородного будущего» Европы и других регионов, всё чаще обсуждается так называемый «синий» водород, производимый из ископаемого топлива, например, природного газа, но очищенный от СО2 с помощью технологий улавливания и хранения углерода (CCS).
Например, в предварительной концепции водородной стратегии ФРГ говорится, что произведённый из ископаемого топлива (но при этом CO2-нейтральный) водород должен будет играть свою роль в декарбонизации «по экономическим причинам».
Европейские инфраструктурные организации, Объединение операторов европейских газотранспортных систем (ENTSOG) и Европейская сеть системных операторов передачи электроэнергии (ENTSO-E) также считают, что «ископаемый», но очищенный водород в будущем потребуется.
Что не так с синим водородом?
В ранних концепциях декарбонизированных энергосистем, авторы рассматривали зелёный водород в первую очередь в качестве необходимого средства для хранения, в том числе долгосрочного, сезонного, «избыточной» ВИЭ-электроэнергии и балансировки системы (см., например, «Третью промышленную революцию» Джереми Рифкина). Такая «лишняя» электроэнергия неминуемо появляется в результате массивного расширения мощностей солнечной и ветровой энергетики. И зелёный водород призван играть важную роль в поддержке этого расширения.
Синий водород – это газ, предназначенный для конечного потребления на транспорте, в промышленности, теплоснабжении, но непригодный для выполнения указанной важной роли — хранения энергии и поддержки интеграции вариабельных ВИЭ.
Сегодня всё чаще говорят, что очень скоро (в ближайшие десятилетия) потребуется очень много водорода, он будет нужен везде (во всех секторах конечного потребления энергии), и зелёная энергетика никак не сможет удовлетворить потребности в таких объёмах (см., например, вышеупомянутые публикации). Соответственно, обосновывается, необходимость в водороде синем.
Следует учитывать, что у синего водорода есть могущественные сторонники. Это сырьевые компании, которые желают и дальше добывать углеводороды, превращать их в «серый» водород, подразумевая последующее его очищение до состояния «синего», а также инфраструктурные компании, которые хотят модернизировать и расширять сети трубопроводов («одна труба под природный газ, другая под водород, третья под CO2»). Очевидно, эти предприятия обладают колоссальным политико-экономическим весом.
В связи с этим, когда мы изучаем прогнозы будущих потребностей в водороде, сложно оценить, действительные ли это потребности, или в расчётах учтены «пожелания» заинтересованных сторон.
Издание Recharge опубликовало интересное интервью с Грэмом Кули (Graham Cooley), главой британского производителя электролизёров ITM Power. Он называет идею производить водород из ископаемого топлива «полной ерундой».
Напомню, ITM Power является участником проекта «Gigastack», нацеленного на резкое снижение стоимости зеленого водорода путём массового производства модульных электролизеров единичной мощностью 5 МВт объёмом до 1 ГВт в год с последующим их развертыванием в «очень крупном масштабе» для «использования синергии» с гигаваттными морскими ветровыми электростанциями.
«Я обеспокоен тем, что правительствам продали щенка с голубым водородом и CCS», — говорит мистер Кули, используя британское выражение «sold a pup» («надуть, облапошить»). Он не только дороже, чем зеленый водород [в среднесрочной перспективе], он не помогает хранить энергию и интегрировать больше возобновляемых источников энергии в сети, а также не является технологией с «нулевыми выбросами», так как невозможно уловить все выбросы CO2 при создании H2 из метана или угля. Таким образом, система с нулевыми выбросами, как обещало правительство Великобритании, будет просто невозможна с использованием синего водорода.
ITM Power в настоящее время строит завод по выпуску электролизёров мощностью 1 ГВт в год в северной Англии, что сделает британскую компанию крупнейшим производителем в мире. Завод снизит стоимость продукции за счет экономии на масштабе, что, следовательно, позволит снизить цены на зеленый водород.
«Проблема с синим водородом заключается в том, что вам нужен не только водородный трубопровод, но вам понадобится и метановый трубопровод, а затем вам понадобится трубопровод CO2», — говорит Кули. «И единственное коммерческое применение [уловленного CO2] — это повышение эффективности нефтяных скважин, то есть производство ещё большего количества CO2. Так что это полная чушь».
«И еще одно о CCS — никто никогда не реализовывал большой проект. Люди говорят, что никто не знает, какова стоимость электролиза в сочетании с ветровой энергией. Что ж, я могу сказать вам, что затраты более прозрачны, чем для CCS».
«Я не понимаю, как нефтегазовая отрасль смогла убедить правительства [в ценности синего водорода]», — говорит Кули. «Я имею в виду, они сделали одну хорошую вещь, они продемонстрировали, что единственный способ получения возобновляемого тепла — это иметь газовую сеть, заполненную водородом. То, с чем они также справились, они убедили правительства, что хороший способ сделать это в больших масштабах — это CCS. В то время как на самом деле вам нужен избыток возобновляемых источников энергии».
Кули упоминает недавний отчет Водородного совета, в котором подсчитано, что производство зеленого водорода будет конкурентоспособным по стоимости с серым H2 — и, следовательно, дешевле, чем синий — к концу этого десятилетия, а затем станет ещё дешевле.
Электролизёры необходимы для декарбонизации энергетического сектора, поскольку они позволяют добавлять в сеть все больше и больше солнечной и ветровой энергии от проектов, которые в противном случае могли бы быть убыточными. Поскольку в систему интегрируется всё больше ветровых и солнечных установок, это увеличивает периоды времени, в течение которых предложение зелёной электроэнергии превышает спрос (в ветреные и / или солнечные дни), что приводит к снижению оптовых цен до нуля или ниже и, соответственно, к вынужденным потерям электроэнергии и убыткам. Но если избыточная возобновляемая энергия может быть продана производителям экологически чистого водорода, это увеличит доход владельцев ветряных и солнечных проектов.
По словам Кули, решение проблемы декарбонизации энергетического сектора и газового хозяйства заключается в простом и гармоничном добавлении в систему все большего количества возобновляемых источников энергии и электролизёров.
«Насколько мне известно», — говорит Кули, «зеленый водород — это решение для нулевых выбросов, а синий водород — нет».
Американские ученые заявили, что «голубой» водород может быть опасным
Ученые США выяснили, что «голубой» водород может быть на 20% опасней для климата из-за выбросов и раскритиковали Британское правительство за инвестиции в этот вид топлива.
Информация дерзких американцев не осталась без внимания Британского правительства, которое строит планы по энергопереходу от природного газа на весьма дорогостоящий, водород, получаемый путем паровой конверсии метана.
Профессоры из Корнельского и Стэнфордского университетов опубликовали 12 августа исследования в Energy Science & Engineering о том, что углеродный след при производстве «голубого» водорода из метана:
на 20% больше природного газа или угля непосредственно при обогреве,
примерно на 60% больше, чем при использовании дизельного топлива для обогрева.
может отсрочить необходимые действия, чтобы декарбонизировать мировую энергетическую экономику;
может вызывать повышение температуры по сравнению с использованием природного газа.
Большая часть водорода в США и Европе поступает из природного газа, с использованием пара и давления для преобразования метана из природного газа в так называемый «серый» водород и углекислый газ.
Синий водород начинается с преобразования метана в водород и диоксид углерода с использованием тепла, пара и давления или серого водорода, связывая при этом часть диоксида углерода.
По мнению Министерства энергетики США, после связывания побочного диоксида углерода и других примесей он становится голубым водородом.
В прошлом не было предпринято никаких усилий для улавливания побочного продукта двуокиси углерода серого водорода, и выбросы парниковых газов были огромными.
К сожалению, выбросы остаются очень большими.
При выбросе он более чем в 100 раз сильнее согревает атмосферу, чем углекислый газ.
Американские ученые рекомендовали
сосредоточиться на «зеленом» водороде, который производится с использованием возобновляемой электроэнергии методом гидролиза воды. Побочным продуктом в данном процессе является кислород;
инвестировать государственные средства, нужно в нулевой «зеленый» водород, полученный при помощи энергии ветра и солнца.
Представитель правительства Великобритании в ответ на критику ученых заявил:
Напомним, дорожной картой Международного энергетического агентства (МЭА) для достижения нулевых выбросов к 2050 г. предусмотрено около 520 млн т «зеленого» и «синего» водорода/год.
Для сравнения в 2020 г. произвели только 90 млн т водорода (причем в основном из ископаемого топлива).
Технический директор Saudi Aramco А. Аль-Ховайтер высказал мнение о том, что компании вряд ли будут много инвестировать в широкомасштабное производство «голубого» водорода до 2030 г.
Однако, российский НОВАТЭК видит перспективы в этом направлении.
Компания планирует запустить пилотной проект по производству «голубого» водорода из природного газа с применением технологий улавливания и хранения углекислого газа.
Газпром нефть, тоже рассматривает способы получения «голубого» водорода путем паровой конверсии метана.
Тем более, компания уже владеет опытом создания замкнутого цикла сбора, подготовки и закачки СО2 в пласты.
Саудовская Аравия и вовсе заявила о том, что планирует стать крупнейшим экспортером водорода в мире.