Как получить газообразный водород максимально чистым способом
В то время как человечество работает над сокращением выбросов парниковых газов и замедлением темпов планетарного потепления, ученые, правительства и лидеры отрасли ищут низкоуглеродные альтернативы для обеспечения будущего. Наряду с возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечная энергия и энергия ветра, газообразный водород выходит на первый план в качестве предпочтительного топлива, особенно для таких энергоемких процессов, как ковка стали.
Однако углеродный след газообразного водорода не обязательно такой маленький, как утверждают сторонники. Согласно новому исследованию, проведенному Кианом де Клейне, который изучает воздействие новых технологий на окружающую среду в Технологическом университете Эйндховена в Нидерландах, экологичность водорода для климата в конечном счете зависит от многих факторов, не в последнюю очередь от того, где и как производится водород. Сегодня большая часть газообразного водорода производится из природного газа с использованием химического процесса, называемого паровым риформингом. Этот водород, известный как “серый водород”, сильно загрязняет окружающую среду; на каждый килограмм производимого пригодного для использования газообразного водорода в результате процесса выделяются выбросы, эквивалентные 13,7 килограммам углекислого газа. Чуть лучшим вариантом является “голубой водород”, при котором производство газообразного водорода сочетается с системой улавливания и хранения углерода. Теоретически это может снизить выбросы примерно до шести килограммов углекислого газа на килограмм газообразного водорода. Однако технология улавливания углерода является дорогостоящей и в значительной степени недоказанной; она редко достигает даже скромных уровней улавливания. Что действительно привлекло внимание экспертов, так это “зеленый водород”, который образуется, когда возобновляемые источники энергии — например, солнце или ветер — используются для электрического разделения воды на водород и кислород в процессе, известном как электролиз. Международное энергетическое агентство, межправительственная организация, и правительства многих стран утверждают, что проекты, работающие на экологически чистом водороде, не приводят к выбросам парниковых газов. Это вызвало шквал субсидий со стороны правительств по всему миру, направленных на развитие экологически чистой водородной промышленности.
Но экологичный водород не свободен от выбросов углекислого газа только потому, что электролиз воды приводит к незначительному загрязнению планеты, вызывающему потепление. Чтобы по-настоящему оценить воздействие водорода на окружающую среду, важно учитывать последствия всего остального, что связано с его производством и использованием, например, создание инфраструктуры для использования возобновляемых источников энергии и электролиза, хранение водорода и его транспортировка по всему миру. Все эти факторы в совокупности известны как овеществленные выбросы.
“Государственная политика не разрабатывается с учетом овеществленных выбросов”, — говорит де Кляйн. Но “если мы их не учитываем, мы их не видим”.
Чтобы лучше понять будущее влияние развивающейся индустрии экологически чистого водорода, де Кляйн и ее коллеги подсчитали объем выбросов, которые, вероятно, возникнут в результате реализации более 1000 проектов по производству экологически чистого водорода планируется, что он будет построен по всему миру к 2030 году. Ученые проанализировали предлагаемую конструкцию каждой установки и источники электроэнергии, а также выбросы, связанные с различными способами транспортировки газообразного водорода. Например, многие проекты планируют поставлять газообразный водород, сначала преобразуя его в жидкий аммиак, а затем обратно в газообразный водород на другом конце. Но это преобразование требует больших затрат энергии, и в процессе теряется до 30 процентов водорода. В лучшем случае, де Кляйн и ее команда пришли к выводу, что производство экологически чистого водорода приводит к загрязнению окружающей среды примерно на 2,9 килограмма в эквиваленте углекислого газа на каждый килограмм произведенного газообразного водорода. Затем, в зависимости от того, транспортируется ли газ по трубопроводу или на судне, добавьте еще 1,5 или 1,8 килограмма углекислого газа, загрязняющего окружающую среду. По словам де Кляйне, если бы эти воплощенные выбросы были включены в официальные расчеты, многим предлагаемым экологичным водородным проектам было бы трудно достичь целевых показателей, связанных с изменением климата, таких как установленный Европейским союзом порог использования возобновляемых источников топлива, который требует, чтобы водородное топливо производило менее 3,4 кг углерода двуокись углерода на килограмм водорода может считаться чистым топливом. Марк Уинфилд, изучающий устойчивую энергетику и изменение климата в Йоркском университете в Онтарио, говорит, что исследование подтверждает предупреждения, которые уже звучат многими учеными и защитниками окружающей среды о «зеленом» водороде. “Выбросы могут накапливаться на протяжении всего жизненного цикла, поэтому мы можем оказаться не так далеко впереди, как думали”, — говорит Уинфилд.
В целом, по словам де Клейна, «зеленый водород» всегда будет чище, чем «серый» и «голубой» водород, которые также сталкиваются с теми же проблемами, связанными с выбросами в атмосферу. Однако даже в рамках производства «зеленого» водорода анализ показывает, что некоторые подходы намного экологичнее других. Ученые выяснили, что самые большие различия между экологически чистыми водородными установками связаны с типом возобновляемой энергии, используемой для электролиза, и конфигурацией установки. Ветроэнергетика, как правило, лучше солнечной, поскольку при строительстве ветряных турбин затраты на выбросы углерода ниже, чем при установке солнечных панелей. А экологичная водородная установка, подключенная к более широкой электросети, что означает, что она может отправлять обратно в сеть всю производимую ею дополнительную электроэнергию, — это лучше, чем автономная установка.
Еще одним важным фактором, определяющим экологичность конкретного предприятия, является то, насколько далеко оно расположено от конечного потребителя и как водород поступает к нему. Трубопроводы обеспечивают наименьшие выбросы на короткие расстояния, в то время как транспортировка на большие расстояния более эффективна. “Отсутствие транспорта — одно из важнейших условий”, — говорит де Кляйн, поэтому строительство завода рядом с местом, где будет использоваться водород, имеет ключевое значение. Зейн Макдональд, исполнительный директор отраслевой инициативы Open Hydrogen Initiative, говорит, что отрасль, занимающаяся производством водорода, остро осознает необходимость учета выбросов в атмосферу; именно поэтому его группа разрабатывает стандартизированный метод оценки выбросов в рамках проекта. По словам Макдональда, цель состоит в том, чтобы предложить руководителям проектов способы сокращения выбросов в атмосферу. Для этого есть серьезные финансовые стимулы. Макдональд отмечает, что в Соединенных Штатах налоговая льгота в размере 45%, которая поддерживает развитие проектов, связанных с использованием экологически чистого водорода, дает больше преимуществ проектам, направленным на очистку окружающей среды. “Наличие политики, которая выгодна вам при инвестировании в меры по обезуглероживанию и подрывает конкурентные преимущества организаций, которые этого не делают, — вот как мы можем гарантировать, что организации начнут осуществлять эти инвестиции”, — говорит Макдональд. Уинфилд говорит, что работа де Клейна подчеркивает необходимость рассматривать производство водорода на основе конкретного проекта, а не делать общие предположения о его экологичности. Будут времена и места, когда производство газообразного водорода на основе возобновляемых источников энергии станет хорошим вариантом. Но часто, по словам Уинфилда, использование возобновляемой электроэнергии для производства водорода, который затем будет транспортироваться по всему миру, просто приводит к дополнительным ненужным шагам. “Мы должны использовать прямую электрификацию там, где это возможно, и использовать водород только в том случае, если есть хороший вариант использования, который имеет смысл”, — говорит он. Де Кляйн согласен. “Если вы можете напрямую электрифицировать что-либо с помощью возобновляемых источников энергии, просто сделайте это”.
Другие новости: