«Зелений» водень: яким буде застосування нового чистого палива?

Застосування водню – не новий винахід, його вже багато років використовують у промисловості. Однак чому він приваблює стільки уваги саме зараз та якими можуть стати нові сфери застосування цього палива – читайте у матеріалі «Хмарочоса».

Тепер «зелений»

Існує чимало способів виробництва водню, однак найбільш поширені сьогодні потребують природного газу та вугілля. Під час їх обробки виділяється вуглекислий газ, а тому процес не можна вважати екологічно чистим. Хоча сам водень при використанні не продукує шкідливих речовин. 

В основі європейської зацікавленості лежить інша технологія – електроліз. Водень можна отримувати за допомогою струму зі звичайної води. «Зеленим» можна назвати тільки водень, вироблений з використанням енергії з відновлюваних джерел, і саме його планують широко використовувати в ЄС.

Процес електролізу дуже енергомісткий, а тому поки що досить дорогий. Однак, за прогнозами аналітиків Wood Mackenzie, до 2040 року вартість «зеленого» водню впаде на 40% та зрівняється з ціною водню з викопних джерел. У окремих країнах, наприклад Німеччині, це може трапитися навіть раніше, у 2030 році.

У 2020 році Єврокомісія ухвалила водневу стратегію, яка дасть поштовх активному розвитку цього напрямку в країнах Європейського Союзу. До 2024 року ЄС планує створити станції електролізу потужністю принаймні 6 ГВт, що дозволить виробляти до одного мільйона тонн водню. 

У період з 2025 до 2030 року виробництва та застосування водню має стати частиною інтегрованої енергетичної системи, а потужність станцій з його виробництва має зрости до 40 ГВт з можливістю виробництва до 10 мільйонів тонн чистого водню. У 2030-2050 роках водень планують використовувати у значних масштабах, щоб замістити вуглецеві носії навіть у тих секторах економіки, які важко піддаються процесам декарбонізації та для яких інші альтернативи можуть виявитися неможливими або надто дорогими.

Крім того, воднева стратегія передбачає, що до 2030 року інвестиції у станції електролізу складуть від 24 до 42 мільярдів євро. 220-340 мільярдів євро знадобиться, щоб збудувати та під’єднати СЕС та ВЕС, які генеруватимуть необхідну для виробництва водню електроенергію. Окремо кошти будуть вкладатися в переобладнання заводів, інфраструктуру для транспортування і зберігання водню, а також у заправні станції.

Замість природного газу

«Зелений» водень має знайти застосування передусім у тих галузях, де сьогодні досі використовують природний газ та вугілля. Зокрема, у металургії та хімічній промисловості. Однак для його розповсюдження потрібна інфраструктура – тож країни активно розглядають можливості використання газопроводів та газосховищ, наразі призначених для природного газу.

Проте водень має хімічні особливості. Зокрема, його витік важче виявити, він більш вибухонебезпечний, а також руйнує метал у трубах. Тому пілотні проєкти використовують переважно суміші газів: без переобладнання мережі можуть прийняти до 20% водню з 80% природного газу. Та навіть це дозволяє суттєво скоротити викиди в атмосферу. У Великій Британії, до прикладу, підрахували, що додавання 20% водню може зменшити викиди вуглекислого газу на шість мільйонів тонн щорічно.

У Німеччині до 2030 року планують створити водневу мережу завдовжки понад 1200 кілометрів. Вона поєднає установки з виробництва водню з промисловими споживачами: металургійними та нафтопереробними заводами, заправними станціями для водневих автомобілів та потягів, а також з підземними сховищами газу. При цьому прокладуть лише 100 нових кілометрів трубопроводу, решта – це наявна газотранспортна мережа.

У 2020 році одинадцять газових компаній з країн Європейського Союзу презентували також план European Hydrogen Backbone, який передбачає розвиток мережі транспортування водню у Європі. За ним, до 2040 року довжина магістральних газопроводів має скласти вже 23 тисячі кілометрів.

Опалення

Якщо водень вдасться успішно транспортувати вже наявною газотранспортною системою, потенційно ним зможе користуватися не лише промисловість, але й населення. У Франції запустили проєкт GRHYD, за яким сто будинків поблизу Дюнкерка отримували суміш природного газу з воднем. Крім того, цю суміш використовували для заправки місцевих автобусів.

У 2019 році у Великій Британії почався експеримент HyDeploy: у приватній мережі кампусу Кілського університету почали використовувати суміш, яка містить до 20% водню.

З переобладнанням мереж та обладнання, частка водню може значно зрости. До прикладу, у 2022 році у Шотландії запустять ще один експеримент: перші 300 будинків почнуть використовувати повністю «зелений» водень для обігріву та приготування їжі. 

Ці будинки обладнають водневими котлами, обігрівачами і кухонними приладами, які будуть використовуватися протягом більш як чотирьох років. Дослідження має показати, чи може водень з нульовим вмістом вуглецю допомогти країні досягти кліматичних цілей.

Водневі електростанції

Сьогодні існують також проєкти електростанцій, які працюватимуть на водні. Подібна може з’явитися, наприклад, в Лос-Анджелесі. Місто вирішило відмовитися від вугільної генерації, однак сонячні та вітрові станції не можуть повністю забезпечити потреби в електроенергії. У 2025 році тут збудують газову електростанцію, де на початку будуть спалювати суміш з 30% водню та 70% природного газу. 

Планується, що співвідношення поступово змінюватиметься на користю водню, поки не досягне його стовідсоткової частки у 2045 році. Можливості заміщення природного газу воднем тестуватимуть також на трьох електростанціях у штатах Вірджинія, Огайо та Нью-Йорк.

У Європі у 2020 році проєкт HyflexPower вперше продемонстрував систему power-to-X-to-power у промисловому масштабі. Її завдання довести, що водень можна використовувати для накопичення, а потім – для генерації газовими турбінами.

Але навіщо перетворювати водень, для виробництва якого використали електроенергію, знову на струм? Для зберігання та транспортування. Одна з особливостей роботи сонячних та вітрових електростанцій – у їх залежності від погодних умов та часу доби. Вдень, коли попит на електроенергію падає, а виробництва СЕС навпаки зростає, надлишок енергії може бути використаний на електроліз водню, який потім будуть спалювати вночі або транспортувати до енергетично бідних регіонів. 

Для чистого транспорту

У 2018 році в Німеччині запустили перші два потяги на водневих паливних елементах Coradia iLint. Вони мають електричні двигуни: на даху встановлені цистерни з воднем та паливний елемент, який перетворює водень на струм. На одній заправці такий потяг може проїхати від 800 до 1000 кілометрів. Coradia iLint курсує неелектрифікованою ділянкою залізниці, де раніше доводилося використовувати дизельні потяги.

У 2019 році першу водневу електричку HydroFlex випробували також у Великій Британії. Уряд країни вирішив повністю позбутися дизельних локомотивів до 2040 року, і альтернативною їм можуть стати саме потяги на водневих паливних елементах: на відміну від дизельних двигунів, вони не здійснюють шкідливих викидів в атмосферу.

Перейти на водень можуть не лише потяги, а й автобуси. Зокрема, про плани переобладнати перші 30 автобусів гібридними системами на електробатареях та водневих паливних елементах заявляла компанія FlixBus. Передбачається, що автобуси на водні мають долати принаймні 500 кілометрів на одній заправці. 

Крім того, вже зараз компанія Hyundai виготовляє водневі вантажівки для Швейцарії, у 2020 році – п’ятдесять таких автомобілів. А до 2025 року  в країну планують поставити 1600 вантажівок на водневих паливних елементах.

Використовувати водень можуть й легкові автомобілі. Є одразу кілька доступних на ринку моделей, зокрема, Toyota Mirai, Hyundai Nexo та Honda Clarity. Однак, якщо порівнювати з конкурентним рішенням – електромобілями, які теж не дають шкідливих викидів під час роботи, водневі авто поки що значно відстають. У 2019 році продажі автомобілів на водні склали 7500 одиниць, водночас продажі електромобілів перевищили два мільйони.

Крім того, компанія Volkswagen, до прикладу, окремо роз’яснила, чому використання водню для легкових автомобілів вони вважають недоцільним. По-перше, через вищу вартість такого рішення. По-друге, через нижчу ефективність. На шляху від електростанції до батареї електромобіля втрачається значно менше енергії, ніж під час електролізу, транспортування та перетворення водню знов на електроенергію.