Рішення для виробництва зеленого водню

Загалом, водень можна використовувати як паливо двома основними способами. Його можна спалити для отримання тепла або подати у водневий паливний елемент для виробництва електроенергії. Хороша новина полягає в тому, що коли синій або зелений водень був отриманий, він має багато різних застосувань:
Транспорт:Водень вже використовується для палива автобусів та інших видів громадського транспорту, особливо в Японії. Його також можна використовувати для живлення вантажних вантажівок і поїздів, тоді як паливо на основі водню, наприклад аміак, можна використовувати в авіації та судноплавстві. Більш широке використання водню для транспортних засобів залежатиме від того, що ціни на водневі паливні елементи стануть дешевшими, а водневі заправні станції стануть більш поширеними.

Вироблення енергії:Водень можна використовувати для перетворення відновлюваних джерел енергії на паливо, яке потім можна зберігати та транспортувати на великі відстані. Водень і аміак також можна використовувати в газових турбінах і вугільних електростанціях для зменшення викидів.

Опалення будівель:Водень має величезний потенціал для заміни природного газу для опалення домашніх і комерційних будівель через існуючу інфраструктуру природного газу. Водневі котли та побутові водневі паливні елементи потребують подальшого розвитку, але можуть зіграти важливу роль у майбутньому.

Галузь:В даний час водень використовується в багатьох важливих промислових процесах. До них належать переробка бензину, виробництво сталі, обробка металів і виробництво ряду хімікатів.

На відміну від сірого водню, зелений водень є повністю відновлюваним як у вихідному матеріалі, так і в джерелі енергії. Для вихідного матеріалу зелений водень сьогодні зазвичай генерується з води за допомогою процесу, відомого як електроліз, який використовує електричний струм для розщеплення води на її складові молекули водню та кисню. Це робиться за допомогою пристрою під назвою електролізер, у якому використовуються катод і анод (позитивно та негативно заряджені електроди). Цей процес виробляє лише кисень або пару як побічний продукт. Що стосується енергопостачання, щоб кваліфікувати як «зелений водень», джерело електроенергії, що використовується для електролізу, має отримувати відновлювану енергію, таку як енергія вітру або сонця.

Існує три основних типи електролізерів:Лужна, протонообмінна мембрана (PEM) і твердий оксид. Вони відрізняються за природою використовуваного електролітного матеріалу. Лужні електролізери використовують водний розчин із лужною сіллю для забезпечення електропровідності, тоді як електролізери PEM використовують тверду полімерну мембрану (електроліт). Електролізери з твердим оксидом використовують твердий керамічний матеріал як електроліт, що дозволяє їм працювати з вищою електричною ефективністю та набагато вищими температурами. Це дозволяє використовувати пару та зовнішнє тепло як джерела енергії, а не покладатися на електроенергію. Таким чином, електроліз твердих оксидів дозволяє значно знизити вартість операцій, оскільки тепло, як правило, дешевше і іноді природним чином виробляється як побічний продукт певних промислових процесів.

Багато років тому водень розглядався лише як рішення для еволюції екологічніших транспортних засобів. Оскільки електричні транспортні засоби набувають все більшої популярності, водень все частіше розглядається як рішення для інших галузей.

Попит на водень продовжує зростати, оскільки його використання розширюється в промисловості та обробній промисловості для різноманітних цілей, включаючи нафтопереробку, виробництво сталі та виробництво цементу. Однак, оскільки популярність водню зростає, важливість зеленого водню неможливо переоцінити. Викликає тривогу те, що 98% водню виробляється з викопного палива без контролю викидів вуглекислого газу чи нормативних актів. Але зелений водень має потенціал змінити це — назавжди.

Виробництво зеленого водню зменшує або усуває потребу в джерелах енергії, що працюють на викопному паливі, які викидають у повітря велику кількість вуглекислого газу, від диму комерційних заводів до вихлопних газів від бензинових і дизельних автомобілів. У галузі центрів обробки даних, оскільки системи зберігання даних розвивають водень, його можна використовувати замість дизельних резервних генераторів для живлення майбутніх центрів обробки даних. У результаті зелений водень має величезну кількість переваг, що дозволяє урядам і організаціям зміцнювати національну енергетичну безпеку, економити паливо, зменшувати загальні викиди та диверсифікувати варіанти транспортування енергії від автомобілів до розгалужених систем громадського транспорту.

Технологія зеленого водню не могла бути представлена ​​в кращий час. Управління енергетичної інформації США прогнозує, що глобальний попит на енергію зросте на 47% до 2050 року. Єдиний спосіб компенсувати цей попит у формі виробництва енергії з нафти та вугілля – це запровадження екологічніших методів, таких як «зелений» водень.

І завдяки технологічним проривам, які фактично декарбонізували виробництво водню, багато компаній звертаються до компенсації викидів вуглецю, яка використовує зелений водень, щоб зменшити свій вуглецевий слід і досягти агресивних цілей ESG.

Процес генерації зеленого водню має переваги. Міжнародне енергетичне агентство (МЕА) стверджує, що «зелений» водень заощаджує приблизно 830 мільйонів тонн вуглекислого газу, що викидається щорічно, порівняно з тим, коли газ виробляється традиційними методами викопного палива. Це еквівалентно викидам Великобританії та Індонезії за цілий рік!

Як і з будь-якою новою технологією, у зв’язку з розвитком зеленого водневого буму необхідно подолати деякі проблеми. Деякі питання, які слід розглянути, включають ефективність процесу та витрати на виробництво у великому масштабі, на додаток до встановлення довгострокових рішень для зберігання під тиском. Не дивлячись на труднощі, зелений водень — це захоплююча нова технологія, яка може допомогти збалансувати так необхідне великомасштабне виробництво зеленої енергії.

Значна частина переходу від викопного палива передбачає електрифікацію деяких з повсякденних машин, які ми використовуємо, які працюють на нафті та газі, наприклад, автомобілів і місцевого транспорту, а також опалення будинків у деяких країнах. Для тих, хто вже електрифікований, як-от комп’ютери та побутова техніка, електрика від атомної та відновлюваної енергетики, як-от вітру та сонця, замінює вугілля.

Але є деякі галузі, які потребують так багато енергії, що традиційні відновлювані джерела енергії не можуть задовольнити їх попит. Це проблема, тому що ці галузі є одними з найбільших викидів парникових газів.

Саме тут, на думку експертів, зелений водень має величезний потенціал.
«Електроенергія з таких джерел, як вітер, сонце та атомна енергія, має важливе значення для декарбонізації нашої енергетичної системи, але вона не може зробити це сама по собі, а міжміський транспорт і важка промисловість є домом для скорочення викидів найважче», — сказав енергетичний аналітик з Міжнародне енергетичне агентство.

«Водень досить універсальний, щоб заповнити деякі з цих критичних прогалин — у забезпеченні життєво важливої ​​сировини для хімічної та сталеливарної промисловості або ключових інгредієнтів для низьковуглецевого палива для літаків і кораблів», — сказав Ремме CNN.

Наприклад, для експлуатації літака чи великого корабля потрібно стільки енергії, що будь-яка батарея, яка використовується для накопичення електроенергії від сонця чи вітру, ймовірно, буде занадто великою та важкою для судна. З іншого боку, зелений водень може надходити в рідкій формі і є легшим. За даними Airbus, який розробляє комерційний літак з нульовими викидами, енергетична щільність зеленого водню втричі вища, ніж реактивне паливо, яке ми використовуємо сьогодні.

Хоча рідкий зелений водень не виділяє вуглецю, він має деякі обмеження. При спалюванні у відкритій атмосфері виділяється невелика кількість оксиду азоту, який є потужним парниковим газом. Однак, якщо водень подається через паливний елемент, він виділяє лише воду та тепле повітря.

Деяким невеликим літакам вдалося літати з водневими паливними елементами, хоча ця технологія ще не отримала комерційного масштабу.

Зараз усі працюють над досягненням кліматичних цілей. Енергетичний перехід дійсно потребує значного поштовху. Водень може зробити важливий внесок у це. Співпраця необхідна для успішного використання водню, наприклад, для скорочення викидів CO2 у промисловості, електронного палива для літаків і використання в архітектурному середовищі. Але потрібні інвестиції і є питання.

Що таке водень?
Водень є найпоширенішим елементом у нашому Всесвіті. За нормальних умов він газоподібний, і ми говоримо про водень (H2). Водень також є найлегшим газом, який ми знаємо, і тому має низьку щільність енергії на одиницю об’єму (в м3). На вагу (у кг) водень дійсно має високу щільність енергії 120 мегаджоулів (МДж) на кг. Це майже втричі більше, ніж природного газу (45 МДж на кг). Водень часто знаходиться під тиском. Нагнітання (стиснення) газоподібного водню, однак, також вимагає необхідної енергії (близько 10%).

Що таке сірий і синій водень?
Майже весь водень, який зараз виробляється в усьому світі, є так званим «сірим воднем». Виробництво в даний час відбувається за допомогою парового риформінгу метану (SMR). Тут пара під високим тиском (H2O) реагує з природним газом (CH4), утворюючи водень (H2) і парниковий газ CO2. У Нідерландах у такий спосіб виробляється приблизно 0,8 мільйонів тонн H2, використовуючи чотири мільярди кубічних метрів природного газу та створюючи викиди CO2 у розмірі 12,5 мільйонів тонн.
Термін «блакитний водень» або «водень з низьким вмістом вуглецю» використовується, коли CO2, що виділяється в процесі виробництва сірого водню, значною мірою (80-90%) уловлюється та зберігається. Це також називається CCS: вловлювання та зберігання вуглецю. Це може статися на порожніх газових родовищах під Північним морем. Більше ніде в світі блакитний водень не виробляється у великих масштабах.

Що таке зелений водень?
Зелений водень, також відомий як «відновлюваний водень», — це водень, який виробляється за допомогою сталої енергії. Найвідомішим є електроліз, під час якого вода (H2O) розщеплюється на водень (H2) і кисень (O2) за допомогою зеленої електрики. Велика кількість компаній у Нідерландах експериментують із цими електролізерами мегаватної потужності. Водень також виділяється під час високотемпературної газифікації біомаси.

Що таке бірюзовий водень?
Водень, отриманий із природного газу за допомогою так званої технології піролізу розплавленого металу, називається «бірюзовим воднем» або «низьковуглецевим воднем». Природний газ пропускають через розплавлений метал, який виділяє газоподібний водень, а також твердий вуглець. Останній може знайти корисне застосування, наприклад, в автомобільних шинах. Ця технологія все ще перебуває на лабораторній стадії, і для реалізації першого пілотного заводу знадобиться щонайменше десять років.

Які ще принципові відмінності між синім і зеленим?
Окрім способу виробництва, існує ряд інших ключових відмінностей:
Лише зелений водень, отриманий за допомогою електролізу, гарантує належну інтеграцію великої кількості екологічно чистої електроенергії, виробленої в морі та на суші, до нашої енергетичної системи. Тільки електроліз може гнучко перетворювати електроенергію на водень (за потреби), а потім зберігати її.
Крім того, розвиток широкомасштабного електролізу допоможе задовольнити зростаючий попит на електроенергію та таким чином стимулюватиме зростання стійкої енергетики.
Також є різниця в якості. Зелений водень має вищий ступінь чистоти і може бути використаний негайно, наприклад, у паливних елементах автомобіля. Синій водень має більш низький рівень чистоти, достатній для промислового застосування.
Виробництво блакитного водню є способом «декарбонізації» промисловості, тобто зменшення CO2, у великих масштабах і за відносно низькі витрати.

Білий водень із ґрунту – чисте джерело енергії майбутнього?
Ми вже знаємо сірий, синій і зелений водень, але тепер виявляється, що білий або природний водень також доступний. Він надходить із ґрунту, як і природний газ. При спалюванні водню з киснем виділяється тільки вода. Білий водень — це природний водень із надр, який має потенціал стати важливим джерелом енергії майбутнього, якщо його отримувати шляхом електролізу води за допомогою енергії вітру або сонця (зелений).
Тоді він не виготовляється з природного попелу чи вугілля (сірий), навіть шляхом першого уловлювання CO2 (синій). Газ в основному використовується для нагрівання процесів у хімічній промисловості та у виробництві сталі та добрив. При переході від викопної енергії до екологічно чистої вона може служити буфером для зберігання електроенергії в періоди без сонця та вітру.

Яку роль відіграє водень у переході енергії?
У нашому поточному енергетичному балансі приблизно 20% постачається у формі електроенергії та 80% у формі природного газу або рідкого викопного палива (бензин, дизельне паливо). Наші кліматичні цілі суттєво змінять цю ситуацію найближчим часом. Різко зросте частка електроенергії, виробленої вітром і сонцем. Для ряду застосувань, таких як важкий транспорт, високотемпературні процеси в промисловості та авіації, хорошого електричного рішення все ще не вистачає, і все ще існує потреба в екологічно безпечному газі. Водень може зіграти тут корисну роль. Крім того, водень важливий у вигляді великомасштабного накопичувача для тих моментів, коли безвітряно і хмарно.

Які країни також працюють над воднем?
Такі країни, як Норвегія, Австралія, Марокко, Чилі, Саудівська Аравія, Китай і Японія, дуже активно використовують зелений водень, головним чином тому, що існує значна (потенційна) доступність дешевої відновлюваної енергії вітру, сонця або гідроенергії для виробництва зеленого водню. Винятком із цього є Японія, яка значною мірою залежить від імпорту енергії та розробила стратегію імпорту (зеленого) водню у великих масштабах. Його ключова роль полягає в розвитку технологій. Нідерланди перебувають у гарному становищі, частково завдяки нашим знанням про технологію газу та електролізу, великому потенціалі вітроенергетики в Північному морі та енергоємній промисловості, яка повинна взяти на себе тверді зобов’язання щодо сталого розвитку.

Для чого ми будемо використовувати водень?
Водень особливо важливий для переробної промисловості. Зараз він в основному використовується для виробництва добрив, але в майбутньому він також може бути використаний для високотемпературних процесів, таких як виробництво сталі, для якого зараз використовується природний газ або вугілля. Крім того, водень відіграватиме важливу роль у мобільності, наприклад, для міжміських автобусів, яким доводиться долати більші відстані та де водіння на електротязі не є рішенням.

Що означає водень для громадян?
У короткостроковій перспективі мало що буде очевидно. Наприклад, використання водню в будинках буде давно назрілим, якщо це взагалі станеться. Для більшості будинків кращим рішенням є колективна теплова мережа або електричний тепловий насос. У дорожньому русі повільно зростатиме кількість водневих автомобілів (наразі менше сотні) та кількість водневих заправних станцій (у 2018 році: 3).

Які ризики?
Водень є дуже легким газом, легкозаймистим і використовується в мобільності під тиском до 700 бар. Як і з будь-яким іншим газом, важливо дбайливо поводитися з ним під час виробництва, транспортування та використання та довіряти його виключно професійним компаніям. Якщо водень буде використовуватися в існуючих газопроводах, важливо додатково дослідити, як водень насправді «поводиться» на практиці. Водень легший за природний газ і може легше виходити з клапанів і ущільнень.

Що робить TNO щодо дослідження водню?
TNO — це незалежна організація, яка проводить передові прикладні дослідження. Його дослідження щодо водню зосереджені на виробництві, інфраструктурі та застосуванні (конверсія та кінцеве використання). У 2020 році TNO реалізувала понад 50 проектів, пов’язаних із цими темами. Посилання на вибірку цих проектів можна знайти нижче (пункт 15).

Наскільки далеко йде розробка зеленого водню?
У період з 2000 по 2018 рік було введено в експлуатацію близько 230 електролізних проектів загальною потужністю близько 100 МВт (джерело: IEA 2019, The Future of Hydrogen). У 2020 році глобальна встановлена ​​потужність становила 200 МВт і приблизно 2400 МВт до кінця 2023 року. Ці цифри показують, що ми тільки починаємо роботу і нам потрібно розробити абсолютно новий ланцюг поставок.
Нам потрібні нові компанії, нові постачальники та нові виробники для розробки матеріалів і компонентів для більших електролізних систем наступного покоління. Це золота можливість для голландської індустрії високих технологій. Метою Європейського Союзу є встановлення 40 ГВт електролізних потужностей у Союзі до 2030 року та ще 40 ГВт у Північній Африці. Досягнення цієї мети вимагатиме від нас прискорення як технологічних інновацій, так і реальних проектів.

Які найбільші технічні проблеми викликає електроліз?
З точки зору електролізу води, наразі доступні чотири технології (AEM, SOE, PEM і Alkaline), кожна зі своїми перевагами, недоліками та рівнем зрілості. Подивіться наше відео про виробництво водню за допомогою електролізу (відкриється в новому вікні або вкладці) (посилається на інший веб-сайт). Для всіх чотирьох технологій три основні проблеми дослідження:
зменшити капітальні витрати, пов’язані з системою
для підвищення ефективності системи
подолати бар’єри для великомасштабного виробництва, щоб до 2030 року можна було досягти річної світової потужності виробництва електролізера в 30 ГВт.

Продукція продається в усіх регіонах Китаю та експортується в країни світу. Вони були продані в понад 20 країнах і регіонах, включаючи Сполучені Штати, Німеччину, Марокко, Кенію, Саудівську Аравію, В’єтнам, Алжир, Індію, Танзанію та Тайвань. Успішно надані такі відомі підприємства, як China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group та інші відомі підприємства. Існує багато станцій гідрогенізації зеленого водню, таких як Вуланчабу, Хайкоу, Хайнань, Хайнань Хайкоу, Юньнань Куньмін тощо, які забезпечують проекти з виробництва екологічно чистого водню.