Що таке зелений водень і навіщо він нам потрібен

Настав час використати потенціал водню, щоб відіграти ключову роль у вирішенні критичних енергетичних проблем. Нещодавні успіхи технологій відновлюваної енергії та електромобілів показали, що політика та технологічні інновації мають силу для створення глобальних індустрій чистої енергії.

Водень стає одним із провідних варіантів зберігання енергії з відновлюваних джерел енергії з паливом на основі водню, яке потенційно може транспортувати енергію з відновлюваних джерел на великі відстані – від регіонів з багатими енергетичними ресурсами до енергопотребних районів за тисячі кілометрів.

Зелений водень був включений у низку зобов’язань щодо скорочення викидів на кліматичній конференції ООН, COP26, як засіб декарбонізації важкої промисловості, вантажних перевезень на великі відстані, судноплавства та авіації. І уряди, і промисловість визнали водень важливою опорою нульової чистої економіки.

Зелена воднева катапульта, ініціатива ООН зі зниження вартості екологічно чистого водню, оголосила, що майже вдвічі збільшить свою ціль щодо екологічних електролізерів з 25 гігават, встановлених минулого року, до 45 гігават до 2027 року. Європейська комісія прийняла набір законодавчих актів. пропозиції щодо декарбонізації газового ринку ЄС шляхом сприяння використанню відновлюваних та низьковуглецевих газів, у тому числі водню, та забезпечення енергетичної безпеки для всіх громадян Європи. Об’єднані Арабські Емірати також підвищують амбіції, оскільки нова воднева стратегія країни спрямована на утримання четвертої частини світового ринку водню з низьким вмістом вуглецю до 2030 року, а Японія нещодавно оголосила, що інвестує 3,4 мільярда доларів зі свого фонду зелених інновацій для прискорення досліджень і розробок і сприяння використанню водню протягом наступних 10 років.

Під час опису водневих технологій ви можете зустріти терміни «сірий», «блакитний», «зелений». Все зводиться до способу виробництва. Під час згоряння водень виділяє лише воду, але його створення може бути інтенсивним вуглецем. Залежно від способу виробництва водень може бути сірим, блакитним або зеленим, а іноді навіть рожевим, жовтим або бірюзовим. Однак «зелений» водень є єдиним типом, який виробляється кліматично нейтральним способом, тому важливо досягти чистого нуля до 2050 року.

Ми попросили доктора Емануеле Тайбі, керівника відділу стратегій трансформації енергетичного сектора Міжнародного агентства з відновлюваних джерел енергії (IRENA), пояснити, що таке «зелений» водень і як він може прокласти шлях до нульових чистих викидів. Зараз він працює в Інноваційно-технологічному центрі IRENA в Бонні, Німеччина, де відповідає за допомогу країнам-членам у розробці стратегій трансформації енергетичного сектору, і наразі керує роботою з гнучкості енергосистеми, водню та зберігання як ключових. засоби для енергетичного переходу. Доктор Тайбі також є співкуратором платформи стратегічної розвідки Всесвітнього економічного форуму, де його команда розробила карту трансформації водню.

Зелені водневі технології

Що спонукало вас розвивати свій досвід в енергетичних технологіях і як ваша робота в IRENA цьому сприяє?

Це було під час моєї магістерської роботи. Я пройшов стажування в Національному агентстві енергетики та навколишнього середовища Італії (ENEA), де я дізнався про сталий розвиток та енергетику, а також про зв’язок між ними. Я написав свою дисертацію з інженерії менеджменту про це і вирішив, що це та сфера, на якій я хочу зосередити своє робоче життя. Перемотаючи вперед майже 20 років досвіду в енергетиці та міжнародному співробітництві, ступінь доктора філософії в енергетичних технологіях і час, проведений у приватному секторі, дослідницьких і міжурядових установах, зараз я очолюю команду трансформації енергетичного сектора в IRENA з 2017 року.

Моя робота в IRENA полягає в тому, щоб разом із моєю командою та в тісній співпраці з колегами з усього агентства та зовнішніми партнерами, такими як Всесвітній економічний форум, сприяти підтримці наших 166 країн-членів у процесі переходу на енергетику, зосереджуючись на постачанні відновлюваної електроенергії та її використовувати для декарбонізації енергетичного сектора за допомогою зелених електронів, а також зелених молекул, таких як водень та його похідні.

Що таке зелений водень? Чим він відрізняється від традиційного «сірого» водню та блакитного водню з інтенсивними викидами?

Гідроген — найпростіший і найменший елемент періодичної системи. Незалежно від того, як він виробляється, він отримує ту саму безвуглецеву молекулу. Однак шляхи його виробництва дуже різноманітні, як і викиди парникових газів, таких як вуглекислий газ (CO2) і метан (CH4).

Зелений водень визначається як водень, який утворюється шляхом розщеплення води на водень і кисень за допомогою відновлюваної електроенергії. Це зовсім інший шлях порівняно з сірим і синім.

Сірий водень традиційно виробляється з метану (CH4), який розщеплюється парою на CO2 – головного винуватця зміни клімату – та H2, водень. Сірий водень все більше виробляється також із вугілля, причому значно вищі викиди CO2 на одиницю виробленого водню, настільки, що його часто називають коричневим або чорним воднем замість сірого. Сьогодні він виробляється в промислових масштабах, а відповідні викиди можна порівняти із сумарними викидами Великобританії та Індонезії. Він не має значення переходу енергії, якраз навпаки.

Синій водень працює за тим же процесом, що й сірий, із додатковими технологіями, необхідними для уловлювання CO2, що утворюється під час виділення водню з метану (або вугілля), і збереження його протягом тривалого часу. Це не один колір, а дуже широка градація, оскільки не можна вловити 100 відсотків виробленого CO2, і не всі засоби його зберігання однаково ефективні в довгостроковій перспективі. Головне, що вловлюючи значну частину CO2, вплив виробництва водню на клімат можна значно зменшити.

Існують технології (наприклад, піроліз метану), які обіцяють високі показники уловлювання (90-95 відсотків) і ефективне довгострокове зберігання CO2 у твердій формі, потенційно набагато кращої, ніж синій, що вони заслуговують на власний колір у " воднева таксономія веселка», бірюзовий водень. Однак піроліз метану все ще знаходиться на пілотній стадії, тоді як зелений водень швидко нарощує масштаби на основі двох ключових технологій – відновлюваної енергії (зокрема від сонячної фотоелектричної енергії та вітру, але не тільки) та електролізу.

На відміну від відновлюваної енергетики, яка сьогодні є найдешевшим джерелом електроенергії в більшості країн і регіонів, електроліз для виробництва екологічно чистого водню потребує значного розширення масштабів і зниження вартості щонайменше в три рази протягом наступного десятиліття або двох. Однак, на відміну від CCS і метанового піролізу, електроліз сьогодні комерційно доступний і може бути придбаний убагато міжнародних постачальників прямо зараз.

Зелені водневі енергетичні рішення

Які переваги рішень для переходу на «зелену» водневу економіку? Як ми можемо перейти до економіки зеленого водню з того місця, де ми зараз перебуваємо з сірим воднем?

Зелений водень є важливою частиною енергетичного переходу. Це не наступний безпосередній крок, оскільки нам спочатку потрібно ще більше прискорити розгортання відновлюваної електроенергії для декарбонізації існуючих енергосистем, прискорити електрифікацію енергетичного сектору, щоб використовувати недорогу відновлювану електроенергію, перш ніж остаточно декарбонізувати сектори, які важко електрифікувати – як важка промисловість, судноплавство та авіація – через зелений водень.

Важливо зазначити, що сьогодні ми виробляємо значну кількість сірого водню з високими викидами CO2 (і метану): пріоритетом буде почати декарбонізацію існуючого попиту на водень, наприклад, шляхом заміни аміаку з природного газу на екологічно чистий аміак.

Нещодавні дослідження викликали дискусію щодо концепції блакитного водню як перехідного палива, поки зелений водень не стане конкурентоспроможним за ціною. Як зелений водень стане конкурентоспроможним у порівнянні з блакитним воднем? Які стратегічні інвестиції повинні відбуватися в процесі розвитку технологій?

Першим кроком є ​​надання сигналу для того, щоб блакитний водень замінив сірий, оскільки без ціни за викиди CO2 компанії не зможуть інвестувати в складну та дорогу систему вловлювання вуглецю (CCS) і геологічні сховища CO2. Після того, як структура така, що водень з низьким вмістом вуглецю (блакитний, зелений, бірюзовий) буде конкурентоспроможним із сірим воднем, тоді постає питання: чи варто нам інвестувати в CCS, якщо є ризик мати багатожильні активи, і як скоро зелений стане дешевшим, ніж блакитний.

Звичайно, відповідь буде відрізнятися залежно від регіону. У світі з нульовим чистим викидом, мети, яку прагне досягти все більше і більше країн, викиди блакитного водню, що залишилися, повинні бути компенсовані негативними викидами. Це буде коштувати. Паралельно ціни на газ останнім часом були дуже нестабільними, через що ціна блакитного водню сильно корелювала з ціною на газ і залежала не лише від невизначеності ціни CO2, але й від коливань ціни на природний газ.

Однак для зеленого водню ми можемо стати свідками подібної історії, що й із сонячною фотоелектричною енергією. Він є капіталомістким, тому нам потрібно зменшити інвестиційні витрати, а також витрати на інвестиції шляхом розширення виробництва технологій відновлюваних джерел енергії та електролізерів, одночасно створюючи низький рівень ризику відбору, щоб зменшити вартість капіталу для інвестицій у «зелений» водень. Це призведе до стабільної, знижуючої вартості зеленого водню, на відміну від нестабільної та потенційно зростаючої вартості блакитного водню.

Технології відновлюваної енергетики вже сьогодні досягли такого рівня зрілості, що дозволяє конкурентоспроможне виробництво відновлюваної електроенергії в усьому світі, що є необхідною умовою для конкурентоспроможного виробництва зеленого водню. Однак електролізери все ще розгортаються в дуже невеликих масштабах, і їх потрібно збільшити на три порядки протягом наступних трьох десятиліть, щоб зменшити їх вартість утричі.

На сьогоднішній день проекти з екологічно чистого водню мають намір скоротити вартість електролізера вдвічі до 2030 року. Це, у поєднанні з великими проектами, розташованими там, де є найкращі відновлювані ресурси, може призвести до того, що конкурентоспроможний зелений водень стане доступним у великих масштабах у наступному {{1 }} років. Це не залишає багато часу для блакитного водню, який сьогодні все ще перебуває на пілотній стадії, щоб перейти від пілотного до комерційного масштабу, розгорнути складні проекти (наприклад, довгострокове геологічне зберігання CO2) у комерційних масштабах і за конкурентоспроможною ціною, а також відшкодувати інвестиції, зроблені в наступні 10-15 років.

Кілька урядів зараз включили технології водневого палива до своїх національних стратегій. Враховуючи зростаючі вимоги до переходу до декарбонізації економіки та сприятливих технологій із вищим рівнем уловлювання вуглецю, що б ви порадили політикам і особам, які приймають рішення, які оцінюють плюси та мінуси зеленого водню?

Нам знадобиться зелений водень, щоб досягти нульових викидів, зокрема для промисловості, судноплавства та авіації. Однак найбільше нам потрібно:

1) енергоефективність;

2) електрифікація;

3) прискорене зростання виробництва електроенергії з ВДЕ.

Як тільки це буде досягнуто, ми залишимо приблизно. 40 відсотків попиту необхідно декарбонізувати, і саме тут нам потрібен зелений водень, сучасна біоенергетика та пряме використання відновлюваних джерел. Щойно ми збільшимо відновлювану енергетику для декарбонізації електроенергії, ми зможемо ще більше розширити потужності відновлюваної енергетики для виробництва конкурентоспроможного екологічно чистого водню та декарбонізації секторів, які важко зменшити, за мінімальних додаткових витрат.

Як ви бачите енергетичні технології, пов’язані з воднем, до 2030 року? Чи можемо ми передбачити комерційні транспортні засоби з водневим двигуном?

Ми бачимо можливість швидкого впровадження зеленого водню в наступне десятиліття там, де попит на нього вже існує: декарбонізація аміаку, заліза та інших існуючих товарів. Багато промислових процесів, у яких використовується водень, можуть замінити сірий на зелений або синій, за умови адекватної ціни на CO2 або запровадження інших механізмів для декарбонізації цих секторів.

У судноплавстві та авіації ситуація дещо інша. Дроп-ін паливо, засноване на зеленому водні, але по суті ідентичне реактивному паливу та метанолу, виробленому з нафти, може використовуватися в існуючих літаках і кораблях з мінімальними або без будь-яких коригувань. Однак це паливо містить CO2, який потрібно звідкись уловити та додати до водню, щоб знову вивільнити під час згоряння: це зменшує, але не вирішує проблему викидів CO2. Синтетичне паливо можна використовувати до 2030 року, якщо будуть створені належні стимули для виправдання додаткових витрат на скорочення (а не усунення) викидів.

У найближчі роки кораблі можуть перейти на екологічно чистий аміак, паливо, вироблене з екологічно чистого водню та азоту з повітря, яке не містить CO2, але знадобляться інвестиції для заміни двигунів і баків, а зелений аміак зараз набагато дорожчий, ніж мазут.

Літаки на водні (або аміаку) ще далі, і це будуть, по суті, нові літаки, які потрібно буде спроектувати, побудувати та продати авіакомпаніям, щоб замінити існуючі літаки, що працюють на реактивному паливі. паливо – вироблене за допомогою поєднання екологічно чистого водню та стійкої біоенергії – це рішення, яке можна застосувати найближчим часом.

Підсумовуючи, головними заходами для прискорення декарбонізації від теперішнього часу до 2030 року є 1) енергоефективність 2) електрифікація за допомогою відновлюваних джерел енергії 3) швидке прискорення виробництва електроенергії з відновлюваних джерел (що призведе до подальшого зниження і без того низької вартості електроенергії з відновлюваних джерел) 4) збільшення сталого виробництва , сучасна біоенергетика, необхідна - серед іншого - для виробництва екологічно чистого палива, яке потребує CO2 5) декарбонізації сірого водню за допомогою зеленого водню, що призвело б до масштабування та зниження вартості електролізу, зробивши екологічно чистий водень конкурентоспроможним і готовим до подальшого збільшити масштаб у 2030-х роках, щоб досягти нульових чистих викидів до 2050 року.

Всесвітній економічний форум є давнім прихильником порядку денного чистого водню з 2017 року, допоміг, зокрема, у створенні Hydrogen Council, створенні Innovation Challenge у партнерстві з Mission Innovation, а також у створенні разом з Energy Transitions Commission, платформи Mission Possible, щоб допомогти перевести сектори, які важко скоротити, на чисті нульові викиди до 2050 року. Докладніше про Ініціативу прискорення чистого водню читайте тут.