Япония инвестирует миллиарды долларов в водород. Как он изменит энергетику и транспорт

С самого появления электроэнергетики наука находится в поиске способов генерировать ее в больших объемах и с низкой себестоимости. Долгое время решением этой задачи считалась атомная энергетика, но после аварий в Чернобыле и Фукусиме к АЭС стали относиться с опаской. После этих случаев к потенциальному революционному источнику электроэнергии добавилось еще одно требование – экологичность. И здесь одним из наиболее перспективных направлений может стать водородная энергетика.

В начале июня стало известно о том, что Япония намерена инвестировать $107,5 млрд в развитие отрасли водородной энергетики в течение следующих 15 лет. Так правительство страны хочет ускорить переход к экономике с минимальным использованием углеводородов.

Liga.Tech разобралась в преимуществах и недостатках использования водородной энергетики, нынешнем ее развитии и перспективах на будущее.

За и против. Как производить, хранить и транспортировать водород

Водород является наиболее распространенным химическим элементом на планете Земля: он присутствует в 75% веществ. В отличие от ископаемых энергоносителей при сжигании водорода не выделяется никаких вредных побочных продуктов. В теории производить водород можно десятком разных способов и без географических ограничений. Ученые считают, что на основе водорода можно производить твердые топливные элементы, КПД которых при генерации энергии будет близок к 60%.

Почему же эта субстанция до сих пор не отправила на пенсию газ, нефть и уголь? Сложность в том, что чистый водород в природе почти не встречается, только в комбинации с другими веществами вроде воды. В зависимости от метода изготовления выделяют серый, голубой и зеленый водород.

Серый – водород, производимый путем обработки углеводородов, которая сопровождается выделением значительного количества углекислого газа. Голубой водород создается идентичным методом, но с использованием техник для нейтрализации углекислого газа. Зеленый водород извлекается путем электролиза, когда под действием тока вода разделяется на компоненты – кислород и водород. Он же считается наиболее чистым и стойким.

Серого и голубого водорода производится больше всего, но при этом нивелируется сама суть перехода на водородную электроэнергию. В лучшем случае этот метод просто уменьшает количество выбросов углекислого газа, поэтому ни о какой экологичности говорить не приходится.

Ученые Корнельского и Стэндфордского университетов даже пришли к выводу, что изготовление голубого водорода более опасно, чем сжигание привычного топлива. К тому же этот процесс всегда будет дороже использования газа и нефти, ведь условному заказчику придется оплачивать само сырье и переработку. В конце концов ни о какой декарбонизации экономики в таком случае говорить не приходится.

Зеленый водород является экологичным и производится полностью на основе возобновляемых источников (если использовать электричество, сгенерированное СЭС или ВЭС). Единственная проблема – объемы просто миниатюрны на фоне серого и голубого водорода. По данным Международного энергетического агентства (IEA), спрос на водород в 2021 году вырос до 94 млн тонн. В то же время доля зеленого водорода составила всего 1 млн тонн. К 2030 году эти показатели должны достигнуть 115 млн тонн и 2 млн тонн соответственно. Поэтому старания ученых со всего мира направлены на то, чтобы значительно увеличить объемы производства зеленого водорода.

Вторым заметным препятствием на пути водородного электричества является вопрос его хранения и транспортировки. Водород – чрезвычайно пожаро- и взрывоопасная субстанция. В начале прошлого века она поставила точку на коммерческих транспортных полетах на дирижаблях: из-за эмбарго США немецкий цеппелин "Гинденбург" вместо гелия заправлялся водородом. По распространенной версии, во время очередного рейса 6 мая 1937 года произошла утечка, которая в считанные секунды привела к пожару и взрыву.

Сейчас водород в основном хранится в газообразном, абсорбированном или сжиженном виде. Если развивать эту технологию, то потребности сел и небольших городков в водороде можно легко покрыть с помощью грузовиков и поездов, если станция изготовления находится неподалеку.

Мегаполисам или крупным промышленным объектам понадобятся трубопроводы. Из-за особенностей водорода его невозможно закачать в те же трубы, которые используются для транспортировки углеводородов. Придется прокладывать новые трубопроводы с принципиально другими требованиями к безопасности из-за химических особенностей водорода.

Перед учёными стоит еще много задач. Наиболее перспективным направлением работы считается абсорбция водорода. Так в этом году в шорт-лист премии European Inventor Award попала группа французских ученых, разработавшая технологию хранения водорода в жестких магниевых "таблетках".

Планы и перспективы. Ставка на зеленый водород

Сейчас Япония производит 2 млн тонн водорода в год, а к 2040 году этот показатель хотят увеличить до 12 млн тонн. Еще через 10 лет правительство этой страны хочет выйти на 20 млн тонн, прогнозируя глобальную выручку рынка водородного электричества на уровне $2,5 трлн.

Приблизительно половину из заявленной суммы инвестиций в развитие водородного электричества выделят из государственного бюджета, остальное должен обеспечить частный сектор. Он должен сыграть центральную роль в обеспечении оборудования для электролиза воды. То есть Токио делает ставку на зеленый водород.

По данным IEA, существует более 100 демонстрационных и пилотных проектов с использованием водорода и его производных в судоходстве. В Германии заработал первый парк поездов, использующих водород в качестве топлива. А в США испытали водородный пассажирский самолет – он пролетал 15 минут. Если все подписанные контракты и соглашения будут выполнены, суммарная мощность энергии, генерируемой с помощью водорода, может достигнуть 3,5 гигаватта к 2030 году.

Если ученым удастся справиться с двумя ахиллесовыми пятами водорода, то уже в ближайшие годы мы можем получить источник энергии, который будет работать на большое количество задач: от зарядки смартфона до летящих на Марс шаттлов.