Для нас, инженеров силовой электроники, подобно видению Жюля Верна, водородная энергия получается путем электролиза водорода и кислорода с последующим использованием топливного элемента для выработки электроэнергии. В действительности, мировое производство водорода методом электролиза составляет менее 4%, поскольку более 94% производится из ископаемых ресурсов, в основном угля и газа, а ничтожно малое производство из биомассы и других источников составляет всего 2%.
70% всего мирового производства водорода добывается из природного газа, а именно из метана. Это производство осуществляется с помощью процесса, называемого «паровой конверсией», в котором используется высокотемпературный пар (700–1000 °C) для производства водорода. Если CO2 не улавливается, процесс паровой конверсии приводит к значительному выбросу парниковых газов. По оценкам, мировое производство водорода выбрасывает в атмосферу около 830 миллионов тонн углекислого газа.
Вот в каком положении мы находимся сегодня, и загадка «зеленый водород: миф или реальность?» подпитывает дебаты. Но ситуация меняется, и мы все ближе и ближе подходим к видению Жюля Верна.
Нюансы водорода:
Для упрощения понимания различных методов производства и их воздействия на окружающую среду в отрасли используется цветовая кодировка водорода. На практике обычно используются четыре основные категории: коричневый, серый, синий и зеленый. Иногда появляются подкатегории; например, водород, производимый электролизерами, работающими на атомных электростанциях, иногда называют «розовым», но это скорее неофициальное обозначение, чем фактическое различие.
Коричневый водород:
Коричневый цвет присвоен водороду, полученному из угля методом газификации. В этом процессе угольное сырье превращается в смесь оксида углерода, водорода и диоксида углерода. Газификация проводится при очень высоких температурах (>700°C) без сжигания, с использованием контролируемого количества кислорода и/или пара. Затем оксид углерода реагирует с водой, образуя диоксид углерода и дополнительное количество водорода в результате реакции превращения газа в воду. Газ, образующийся в результате этого процесса, называется синтез-газом. Водород, полученный этим методом, известен как коричневый (лигнит) или черный (битуминозный) в зависимости от типа используемого угля. Однако этот процесс является крайне загрязняющим, поскольку как CO2, так и оксид углерода не могут быть использованы повторно и выбрасываются в атмосферу.
Серый водород:
Сегодня на долю серого водорода приходится большая часть его производства. Более 70% всего производимого в мире водорода относится к категории серого водорода. Наиболее распространенный процесс производства использует паровую конверсию метана (SMR). В этом процессе пар высокого давления реагирует с метаном, в результате чего образуется водород и парниковый газ CO2. Этот процесс генерирует около 9,3 кг CO2 на 1 кг водорода, что меньше, чем у «коричневого» водорода, хотя и остается значительным количеством при выбросе в атмосферу.
Голубой водород:
Когда CO2, полученный с использованием описанных выше методов, улавливается и хранится под землей посредством промышленного улавливания и хранения углерода (ICS), производственный процесс менее вреден для окружающей среды, хотя и дороже и менее эффективен, чем традиционные методы. Голубой водород считается важным шагом в энергетическом переходе к зеленому водороду, и подавляющее большинство новых производственных установок строго контролируются с точки зрения их воздействия на окружающую среду. Однако, несмотря на значительные улучшения по сравнению с коричневым и серым водородом, от 10 до 20% CO2 не удается уловить, и он выбрасывается в атмосферу.
Зеленый водород:
В глобальном масштабе производство водорода методом электролиза воды очень мало, менее 4%, но это наиболее известная технология, которую некоторые из нас, возможно, помнят из школьных уроков химии. Водород получают с помощью электричества, расщепляя молекулы H2O на водород и кислород. В случае зеленого водорода электроэнергия вырабатывается из возобновляемых источников энергии (менее 1%). В этом процессе электролизеры являются «шедевром» и используются уже несколько десятилетий со средней эффективностью 73% (по сравнению с 65% для паровой конверсии). Что касается энергоснабжения, очевидно, что повышение его эффективности имеет решающее значение для снижения энергопотребления и затрат. Интенсивные исследования во всем мире направлены на достижение эффективности преобразования в 95%, до которой мы, безусловно, уже близки.
Водород в Европе: текущая ситуация.
Всем известно о климатических проблемах и Парижском соглашении, принятом 12 декабря 2015 года 196 сторонами на COP21 в Париже. Ратифицированное соглашение вступило в силу 4 ноября 2016 года. Парижское соглашение включает в себя концепцию полного использования технологического развития и трансфера технологий как для повышения устойчивости к изменению климата, так и для сокращения выбросов парниковых газов.
В ответ на вызовы, связанные с изменением климата, Европейская комиссия в декабре 2019 года объявила о так называемом «Европейском зеленом соглашении» с целью преобразования ЕС в справедливое и процветающее общество с современной, ресурсоэффективной и конкурентоспособной экономикой, которая достигнет нулевых выбросов парниковых газов к 2050 году (Рисунок 01). Европейское зеленое соглашение также стало спасательным кругом в условиях пандемии COVID-19. Одна треть инвестиций в размере 1,8 триллиона евро из плана восстановления «NextGenerationEU» и семилетнего бюджета ЕС будет направлена на финансирование «Европейского зеленого курса».
Для достижения этой цели было инициировано множество мероприятий, одним из которых является разработка и внедрение европейской водородной стратегии. Эта стратегия, опубликованная в июле 2020 года, определяет видение того, как ЕС может сделать чистый водород жизнеспособным решением для декарбонизации различных секторов в долгосрочной перспективе, установив не менее 6 ГВт электролизеров возобновляемого водорода в ЕС к 2024 году и 40 ГВт к 2030 году.
Для поддержки этой стратегии крайне важна всесторонняя координация между государственными органами, промышленностью, гражданским обществом и исследовательским сообществом. Для обеспечения синергии и реализации стратегий было создано несколько партнерств.
Европейский альянс по чистому водороду:
В рамках новой промышленной стратегии для Европы в июле 2020 года в рамках водородной стратегии для климатически нейтральной Европы был создан Европейский альянс по чистому водороду (ECH2A). Цель Европейского альянса по чистому водороду —
разработка и внедрение водорода в качестве жизнеспособного и конкурентоспособного энергоносителя в Европе. Альянс поддерживает реализацию водородной стратегии для климатически нейтральной Европы, работая над развитием полной и доступной цепочки создания стоимости водорода по всему ЕС. Это будет достигнуто, в частности, посредством инвестиционной программы и пула проектов, а также путем мобилизации ресурсов и действий по установке электролизеров возобновляемого водорода для достижения вышеупомянутых целей в 6 ГВт и 40 ГВт.
В апреле 2021 года Европейская комиссия направила приглашение более чем 1000 членам Европейского альянса по чистому водороду, предложив им представить проекты по возобновляемым и низкоуглеродным водородным технологиям и решениям. Второй Европейский водородный форум состоялся в июне 2021 года, на нем было зарегистрировано впечатляющее количество проектов — 1052, из которых 997 соответствовали критериям отбора. Эта цифра отражает твердую приверженность европейской промышленности ускорению развития водородной энергетики в Европе.
Совместное предприятие ЕС по топливным элементам и водороду.
Признавая важность разработки эффективных электролизеров, Европейская комиссия в 2003 году способствовала созданию Европейской платформы водородных и топливных элементов. Ее целью было объединение государственных и частных исследований и создание инициатив для ускорения разработки эффективных технологий топливных элементов и водорода. Опираясь
на эту инициативу, в мае 2008 года Совет Европейского союза учредил Совместное предприятие по топливным элементам и водороду (FCH Joint Undertaking) для содействия реализации Седьмой рамочной программы, и в частности, для тематических направлений «Сотрудничество» в области «Энергетики», «Нанонауки, нанотехнологий, материалов и новых производственных технологий», «Окружающей среды (включая изменение климата)» и «Транспорта (включая авиацию)».
Среди проектов и инициатив особенно выделяется исследование, проведенное по заказу совместных предприятий Clean Sky 2 и Fuel Cells & Hydrogen 2, посвященное потенциальному использованию водорода в авиации. Использование водорода в авиации потребует значительных технических инноваций и новой инфраструктуры, но считается важным шагом вперед в сокращении выбросов CO2 в авиационном секторе. В исследовании принимал участие производитель самолетов Airbus, и стоит отметить стремление компании разработать первый в мире коммерческий самолет с нулевым уровнем выбросов к 2035 году (Рисунок 02).
Водород набирает обороты, от малых до крупных масштабов.
Шаг за шагом, неуклонно, но уверенно, «зеленый» водород становится реальностью, и количество установленных электролизеров быстро растет. Конечно, перечислить все проекты сложно, но стоит упомянуть несколько, чтобы проиллюстрировать текущую ситуацию.
Швеция - Электродеревня Мариестад.
Расположенный на юге Швеции, на берегу озера Венерн, муниципалитет Мариестад разработал концепцию создания устойчивой энергетической экосистемы на основе возобновляемой энергии и водорода. Первоначальный проект включал в себя большой массив солнечных панелей для питания электролизеров, которые будут производить водород для автономной заправочной станции для автомобилей и коммерческого транспорта. Изучив широкий спектр возможностей, предлагаемых этой технологией, станция также могла бы использовать накопленный водород для питания топливного элемента для выработки электроэнергии. Кислород, образующийся в процессе расщепления в электролизерах, улавливается и хранится для медицинских, промышленных или сельскохозяйственных целей. Эта автономная станция является хорошим примером того, что можно было бы развернуть в более крупном масштабе и даже для производства водорода для других транспортных средств, таких как пригородные поезда (иллюстрация 03).
Германия – Весселинг: Крупнейший в ЕС электролизер с
полимерной электролитной мембраной (PEM). В рамках европейского консорциума REFHYNE и при финансовой поддержке ЕС через совместное предприятие по топливным элементам и водороду (FCH Joint Undertaking) на энергетическом и химическом парке Shell в Рейнланде, недалеко от Кёльна, начали работу крупнейшие в Европе электролизеры воды с полимерной электролитной мембраной (PEM). Рейнландские электролизеры будут использовать возобновляемую электроэнергию для производства до 1300 тонн «зеленого» водорода в год, и планируется расширение мощности электролизеров с 10 до 100 мегаватт (Рисунок 4).
Эти два примера отражают масштаб водородных инициатив в Европе и, прежде всего, учитывая большое количество проектов, позиционируют Европу как ведущего игрока в энергетическом переходе и декарбонизации промышленности.
В заключение,
после десятилетий интереса к водороду мы наконец вступили в новую эру. Европа начала свою работу в области водорода более 20 лет назад, а «Зеленый курс» стимулировал исследования, сотрудничество и внедрение. Нет сомнений в том, что Европа добилась больших успехов в достижении цели 2050 года, и другие страны также ускоряют свои водородные стратегии. В Соединенных Штатах под руководством Джо Байдена ведется значительная работа. Как объявило Министерство энергетики США (DOE), грант в размере 52,5 млн долларов будет направлен на финансирование 31 проекта по развитию экологически чистых водородных технологий следующего поколения и поддержку недавно объявленной инициативы DOE «Hydrogen Energy Earthshot» по снижению затрат и ускорению прогресса в секторе экологически чистого водорода. Это явные признаки того, что водород является ключевой частью стратегии энергетического перехода Соединенных Штатов.
Водород больше не миф и не видение Жюля Верна: «Однажды вода будет использоваться в качестве топлива, и водород и кислород, составляющие ее, используемые по отдельности или вместе, обеспечат неисчерпаемый источник тепла и света такой интенсивности, на которую уголь не способен» — станет реальностью.
Источники:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/
Зеленый пакт ЕС:
https://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal_en
Водород в ЕС:
https://ec.europa.eu/energy/topics/energy-system-integration/hydrogen_en
Европейский альянс по чистому водороду
https://www.ech2a.eu/
Совместное предприятие ЕС по топливным элементам и водороду
https://www.fch.europa.eu/
Mariestad ElectriVillage (видео на YouTube)
https://youtu.be/ryfOEIqQTco?list=PLT-QkyUkOkuuT_PZU-QBx40juY6jmWva1
AIRBUS ZEROe
https://www.airbus.com/innovation/zero-emission/hydrogen/zeroe.html
Германия – установка электролиза REFHYNE PEM в Весселинге
https://www.shell.com/energy-and-innovation/new-energies/hydrogen.html
О компании Powerbox:
Основанная в 1974 году, компания Powerbox со штаб-квартирой в Швеции работает в 15 странах на четырех континентах и обслуживает клиентов по всему миру. Компания специализируется на четырех основных рынках — промышленном, медицинском, транспортном/железнодорожном и оборонном — для которых она разрабатывает и продает высококачественные системы преобразования энергии для сложных задач. Миссия Powerbox — использовать свой опыт для повышения конкурентоспособности клиентов, удовлетворяя все их энергетические потребности. Каждый аспект деятельности компании направлен на достижение этой цели, от разработки передовых компонентов, составляющих ее продукцию, до обеспечения высокого уровня обслуживания клиентов. Powerbox известна своими техническими инновациями, которые снижают энергопотребление, и способностью управлять всем жизненным циклом продукции, минимизируя при этом воздействие на окружающую среду. Powerbox является компанией группы Cosel.
Об авторе:
Патрик Ле Февр, директор по маркетингу и коммуникациям компании Powerbox, — высококвалифицированный инженер с 35-летним опытом успешной работы в области силовой электроники. Он является пионером в коммерциализации новых технологий, таких как цифровые энергетические системы, и технических инициатив по снижению энергопотребления. Ле Февр является автором и докладчиком многочисленных аналитических докладов и статей на ведущих международных конференциях по силовой электронике. Его работы были опубликованы более 350 раз в средствах массовой информации по всему миру. Он также участвует в различных экологических форумах, делясь своим опытом и знаниями в области чистой энергетики.
Патрик Ле Февр,
директор по маркетингу и коммуникациям компании Powerbox.
