Зеленый водород может трансформировать нашу энергетическую систему и решить многие проблемы поставок и выбросов. Произойдет ли это, будет зависеть от того, насколько экономично его можно будет производить и насколько он будет привлекателен для потребителей.

Среди многообещающих технологий для обеспечения нулевого будущего водород стоит особняком. В то время как солнечные панели , ветряные турбины и гидроэлектростанции используют энергию, предоставляемую природой, и преобразуют ее в электричество, водород не вписывается в эту форму. Андреас Цюттель, руководитель Лаборатории материалов для возобновляемой энергетики EPFL, объясняет, почему: «Водород — это не источник энергии, а энергоноситель».

Уже сегодня водород лежит в основе нашей энергетической системы. Водород, содержащий больше энергии на единицу массы, чем любое другое вещество, известное человеку, служит основным энергоносителем в нашем ископаемом топливе . Свободное сгорание водорода с кислородом позволило запустить ракеты в космос. А благодаря нашей способности контролировать его сгорание в топливных элементах, он теперь приводит в движение постоянно растущий парк транспортных средств на наших дорогах.

По словам Зюттеля, проблема используемого сегодня водорода заключается в том, что большая его часть, около 95%, является грязной. Там, где мы полагаемся на него, например, при гидрокрекинге на нефтеперерабатывающих заводах , производстве синтетических удобрений или в химической промышленности, мы получаем его из ископаемого топлива, что означает огромный углеродный след.

Сложный переход к экологичности и чистоте

Удивительно, но это же самое вещество превозносится как жизненно важный вклад в энергетическую систему с нулевым уровнем выбросов. Швейцарское федеральное управление энергетики (SFOE) считает, что чистый, экологически чистый водород будет играть важную роль в структуре экологически чистой энергетики Швейцарии к 2050 году, начиная с почти нулевого уровня сегодня.

Для достижения этой цели потребуется серьезная очистка от водорода. Переход от «грязного» водорода к «чистому» потребует решения многих проблем, присущих водороду. С химической точки зрения отсутствие жидкой фазы при комнатной температуре затрудняет хранение. Он известен своей взрывоопасностью, что делает обращение с ним деликатным. Более того, его неспособность одорировать усложняет обнаружение утечек.

С точки зрения энергоэффективности водород отстает от других источников энергии, поскольку для производства требуется огромное количество энергии — 66 киловатт-часов на килограмм. То же самое верно и с экономической точки зрения: стоимость кВтч энергии, передаваемой водородом, примерно в два-три раза выше, чем рыночная цена на электроэнергию.

Учитывая все эти недостатки, почему так много надежд на водород? Потому что при правильных условиях свойства этого возобновляемого энергоносителя могут решить проблемы, которые возникнут по мере нашего продвижения к более чистой и экологичной энергетической структуре.

Швейцарский армейский нож энергоносителей

По словам Зюттеля, исследования водорода как энергоносителя резко возросли в 1990-е годы. «Когда я пришел в эту область 32 года назад, мы думали, что водород заменит все ископаемое топливо. В те дни мы еще не надеялись бороться с глобальным потеплением, мы пытались развеять опасения, что ископаемое топливо скоро закончится». Когда были обнаружены новые месторождения ископаемого топлива, а увеличение добычи привело к снижению их стоимости, ажиотаж вокруг водорода утих.

Но теперь маятник качнулся обратно. Водород снова в центре внимания, говорит Цюттель. На этот раз речь идет о его потенциале помочь ограничить глобальные выбросы CO _{2 . В то время как при сжигании углерода образуется CO 2} , удерживающий тепло , при сжигании водорода образуется только вода. Если возобновляемая электроэнергия используется для производства водорода, например, посредством электролиза воды, полученный водород становится эффективным способом хранения возобновляемой энергии.

«Водород является ключевым элементом на пути от возобновляемой электроэнергии к химическим энергоносителям, таким как метан, метанол, синтетическое масло или аммиак», — объясняет Цюттель. «Хотя их можно производить с использованием углерода из уловленного атмосферного CO ₂ или из биомассы, водород несет в себе возобновляемую энергию ».

Это делает водород ценным энергоносителем для различных применений. Чистый водород можно использовать для выработки электроэнергии для удовлетворения пикового спроса, а также он может приводить в движение автомобили, автобусы и тяжелые транспортные средства. Если бы нам удалось решить проблему хранения, распределения и обработки, мы могли бы начать использовать его в качестве углеродно-нейтрального топлива для судоходства и авиации.

В сочетании с углеродом, извлеченным из атмосферы, биомассы или промышленных выбросов, он может быть дополнительно преобразован в метан, синтетическую нефть, аммиак, метанол или другое топливо с нулевым уровнем выбросов. Это, опять же, приведет к снижению общей энергоэффективности. Но в мире, переполненном возобновляемой электроэнергией, повышенная объемная плотность энергии и безопасность обращения, которые обеспечивают эти синтетические виды топлива, помогают сократить выбросы углекислого газа в приложениях, которые трудно электрифицировать.

Ускорение внедрения на рынке

К счастью, говорит Цюттель, произошло несколько прорывов на пути к внедрению на рынок зеленого водорода в транспорте и производстве электроэнергии — двух секторах, ответственных за более половины мировых выбросов парниковых газов. Они начинаются с производства водорода, где возобновляемая электроэнергия уже достигла ценового паритета со стандартной электроэнергией, на десятилетия раньше, чем первоначально прогнозировало Международное энергетическое агентство, что снижает стоимость чистого водорода.

Рыночные силы сыграли ключевую роль в применении дорожных транспортных средств, ускоряя разработку топливных элементов и безопасных баллонов для хранения водорода под высоким давлением. Несмотря на эти достижения в области технологий, внедрение транспортных средств с водородным двигателем происходит удручающе медленно. Фактически, основным препятствием стало отсутствие придорожной инфраструктуры. По словам Цюттеля, в настоящее время в Швейцарии имеется восемь водородных заправочных станций.

«Люди не будут покупать водородный автомобиль, если не смогут его заправить. И кто захочет управлять заправочной станцией, если никто не хочет покупать водород? Вот почему Toyota не продает здесь свои электромобили на топливных элементах», — объясняет Зюттель.

По мере увеличения доли прерывистой возобновляемой электроэнергии, передаваемой по энергосистеме, электростанции, вероятно, будут все больше зависеть от хранимого водорода, чтобы соответствовать спросу и предложению на электроэнергию.

«Если у вас много нестабильной электроэнергии, скажем, от солнечной или ветровой энергии, вы можете производить водород и хранить его, например, под землей. Затем вы можете использовать его в зимнее время для производства электроэнергии с высокой эффективностью на электростанциях с комбинированным циклом. которые имеют водородную турбину и паровую турбину», — говорит он.

«Чтобы это работало, весь рынок – и наши ожидания – должны будут адаптироваться. Мы привыкли покупать электроэнергию по почти постоянной цене. Чтобы сделать хранение привлекательным, цена на электроэнергию в ночное время должна быть дороже, чем в течение дня, а зимой нам придется быть готовыми платить больше, чем в летние месяцы. Но чем привлекательнее становится хранение электроэнергии с использованием водорода, тем больше таких хранилищ будет установлено», — говорит он.

Чтобы стимулировать рост рынка как со стороны предложения, так и со стороны спроса, отрасль придумала красочное решение — по крайней мере, по названию. В настоящее время водород продается в цветовом спектре от черного до зеленого в зависимости от углеродного следа. При разработке новых приложений пользователи водорода теперь могут сделать сознательный выбор, отдать приоритет углеродному следу или затратам. Эта стратегия в конечном итоге подтолкнет потребителей к более экологичному водороду, поскольку он становится все более доступным.

Однако, как подчеркивает Цюттель, это имеет смысл только как временная стратегия, действующая достаточно долго, чтобы создать спрос на водород и инфраструктуру для его распределения.

«Как только мы начнем использовать много водорода, это будет только возобновляемый водород . Все остальное не будет иметь смысла».