Дайджест по водородной энергетике: влияние на экологию

№5, 22 декабря, 2021 г. ДАЙДЖЕСТ по водородной энергетике: влияние на экологию Центр научно-технической информации при Министерстве инновационного развития Республики Узбекистан Ташкент - 2021 г.

\"Наш регион, располагающий огромными ресурсами возобновляемой энергии, имеет большие возможности для развития \"зелёной экономики\"\" Президент Республики Узбекистан Ш.М. Мирзиёев “Дайджест по водородной энергетике: влияние на экологию” - Т.: 2021. С.14. \"Дайджест по водородной энергетике: влияние на экологию\" подготовлен Научно-техническим центром при Министерстве Инновационного развития Республики Узбекистан. Коллектив авторов: Технический редактор: Абдурахмoнов И.Ю. Райимджанов Х.Г. Турдикулова Ш.У. Абдувалиев А.А. Мусаева Р.А. Барбу Г.Ф. © Центр научно-технической информации при Министерстве инновационного развития Республики Узбекистан, 2021 г. 2

Влияние на экологию Для экспертов по изменению климата зеленый водород, получаемый в результате электролиза воды с помощью солнечной или ветровой энергии, незаменим для обеспечения климатической нейтральности. Водород присутствует во всех восьми сценариях нулевых выбросов Европейской комиссии на 2050 год [1]. Однако, воздействие водорода на окружающую среду зависит от способа его образования. Водород, полученный с помощью парового риформинга природного газа, не является экологически чистым. И напротив, при использовании возобновляемых источников энергии водород оказывает положительное влияние на экологию [2]. Следовательно, преимущества для окружающей среды и здоровья человека отчетливо видны в источнике производства водорода, если он получен из источников с низким или нулевым уровнем выбросов, таких как солнечная, ветровая и ядерная энергия, а также ископаемое топливо с усовершенствованным контролем выбросов и секвестрацией углерода [3]. Прямой позитивный эффект применения водорода с климатической точки зрения связан с расширением его использования в качестве топлива вместо ископаемых источников, поскольку при его сжигании не образуется СO2 (при этом необходимо учитывать, что выбросы NOx при сжигании водорода превосходят аналогичные выбросы при сжигании природного газа за счет высокой температуры горения). Наиболее перспективными отраслями для использования водорода как средства декарбонизации, помимо расширения уже существующего применения в промышленности, являются энергетика, транспорт и коммунальное хозяйство. Высокий потенциал декарбонизации имеет сталеплавильная отрасль в случае широкого применения методов прямого восстановления железа. 3

Влияние на экологию Другим направлением применения водорода является частичное замещение природного газа с использованием существующей газопроводной инфраструктуры. Таким образом, стратегические перспективы водорода для развитых стран в значительной мере связаны именно с низкоуглеродной водородной энергетикой, позволяющей сократить выбросы парниковых газов. Такая энергетика предполагает использование водорода, имеющего низкий углеродный след, в качестве энергоносителя [4]. 4

Глобальное потепление и парниковые газы Мы наблюдаем беспрецедентно быстрое потепление, наступающее в результате деятельности человека, и главным образом это происходит из-за сжигания ископаемого топлива, что ведет к выбросам парниковых газов. Сегодня концентрация парниковых газов находится на самом высоком за последние два миллиона лет уровне и продолжает расти. В результате температура на Земле сейчас примерно на 1,1°C теплее, чем в 1800-х годах. Последнее десятилетие стало самым теплым в истории человечества [5]. Снизить эмиссии парниковых газов поможет зеленый водород. При выработке электричества из водорода углекислый газ не образуется. Благодаря использованию для отделения водорода возобновляемой энергии, в ходе всего процесса не производится совершенно никаких выбросов. Это делает водород идеальной формой \"зелёной\" энергии [6]. Для достижения нулевых выбросов парниковых газов к 2050 году миру потребуется 306 миллионов тонн водорода в год, получаемого из возобновляемых источников энергии, говорится в отчете Международного энергетического агентства (МЭА) [7]. Страны и компании, использующие зеленый водород в различных отраслях экономики в целях выполнения Парижского соглашения и уменьшения парниковых выбросов В Германии сооружается крупнейшая в мире установка по производству водорода методом электролиза и стартует эксперимент по частичному замещению водородом природного газа в отоплении жилья. Над этим же, над заменой метана на H2 в газопроводной сети, работают и в Великобритании. В Нидерландах и Бельгии собираются протестировать речное судно на водородном топливе и создать для него систему заправки. 5

Глобальное потепление и парниковые газы В федеральной земле Нижняя Саксония собираются полностью отказаться от дизельных локомотивов, заменив их на 14 поездов, вырабатывающих электроэнергию в топливных элементах в ходе химической реакции между водородом и кислородом. Вместо выхлопов получается вода [8]. Немецкая компания Avacon - крупное предприятие по получению экологически чистого водорода, декарбонизирует сталелитейную промышленность. Электроэнергия от ветровых турбин поступает к двум электролизерам мощностью 1,25 МВт каждый. Они установлены входящей в Salzgitter Group компанией Salzgitter Flachstahl. Производимое водородное топливо будет использоваться при плавке железной руды. Всего на проект затрачено приблизительно 50 миллионов евро. Создание электролизеров финансировал немецкий государственный банк KfW. WindH2 — не единственный проект, предполагающий применение экологически чистого водорода в металлургической промышленности. Например, шведский стартап H2 Green Steel, намерен построить сталелитейный завод, который будет получать энергию от \"крупнейшей в мире фабрики по производству экологичного водорода\" [9]. Британо-нидерландский концерн Shell при финансовой поддержке Евросоюза начал в Германии на территории своего нефтеперерабатывающего завода в Весселинге под Кёльном строительство крупнейшей в мире установки по производству водорода методом электролиза. До сих пор его получают здесь из природного газа. 6

Глобальное потепление и парниковые газы Тем временем в третьем по размерам британском городе Лидсе энергетическая компания Northern Gas Networks готовит пилотный проект под многозначительным названием H21, который схож с тем, что проводится в немецком Гентхине, но значительно превосходит его по масштабам. Конечная цель: во всем городе полностью перевести отопление с природного газа, метана, на водород. Морские ветропарки для его производства методом электролиза имеются [10]. 7

Кризис топливных ресурсов При нынешних темпах добычи нефть закончится через 53 года, природный газ - через 54, а уголь - через 110. Это с учетом исследования World Energy Outlook 2015, проведенного Международным энергетическим агентством, согласно которому ископаемые виды топлива составят 59%. от общего спроса на первичную энергию в 2040 году, даже несмотря на агрессивную политику в области климата. У других исследователей, организаций и правительств разные сроки истощения ископаемого топлива, в зависимости от данных и предположений, которые они делают. По оценке Американского института нефти, в 1999 году, мировые запасы нефти будут исчерпаны между 2062 и 2094 годами, при условии, что общие мировые запасы нефти составят от 1,4 до 2 триллионов баррелей [11]. Для решения данной проблемы возможно воспользоваться одним из преимуществ зеленого водорода. Водород можно получить из огромного количества веществ, не только из нефти и газа, но и из биотоплива, канализационных осадков и воды. Таким образом, у нас никогда не иссякнут запасы водорода, а это означает обеспеченность энергоресурсами для всех. Так, например, исследователи в Австралии начали работать с коммунальными предприятиями, чтобы изучить сточные воды как сырье для производства водорода [12]. Над проектом будет работать команда из Университета Монаша в Мельбурне. Исследователи надеются разработать инновационный подход, в рамках которого воду повторно используют и превратят в водород с помощью электролиза. 8

Кризис топливных ресурсов По словам профессора химической инженерии Чживан Сян, количество доступных сточных вод намного превышает количество воды, необходимой для производства водорода. Большая часть очищенной воды в Австралии либо сбрасывалась в близлежащие водоемы, либо использовалась для орошения. \"Учитывая то, что объем воды с централизованных городских очистных сооружений очень стабилен, это очень многообещающий ресурс для электролиза\", — отмечает профессор. Например, инженеры из Техасского университета в Остине предложили доступный способ отделения молекулы кислорода от молекулы воды с помощью солнечного света. Для этого авторы исследования использовали комбинации разных материалов – одного, который хорошо поглощает солнечный свет (к примеру, кремния), и другого, который обеспечивает стабильность разработки (такого как диоксид кремния) [13]. Освещённое солнечным светом устройство эффективно окисляет воду, образуя, с одной стороны, молекулы кислорода, а на отдельном электроде — молекулы водорода. Оно также доказало свою стабильность при длительной эксплуатации. Данный метод не требует больших финансовых вложений, более того, его легко можно масштабировать для больших объёмов производства. Аналогичные \"зеленые проекты\" реализуются и в других странах [14]. Например, Внутренняя Монголия, автономный район на севере Китая, одобрила масштабный энергетический мегапроект, в котором для производства \"зеленого\" водорода будет использоваться энергия солнца и ветра. 9

Кризис топливных ресурсов Группы заводов будут использовать 1,85 гигаватта солнечной энергии и 370 мегаватт энергии ветра для производства 66 900 тонн \"зеленого\" водорода в год. По словам аналитика Bloomberg Сяотина Вана, этот проект — крупнейший из тех, что когда-либо инициировало государство. Он мог бы позволить производить достаточно водорода, чтобы отказаться от около 681 миллиона литров бензина в год. Водородная энергетика жизненно необходима Китаю, чтобы достичь декарбонизации к 2060 году. Объем производства водородной промышленности страны составит, по прогнозам, около одного триллиона юаней (154 миллиарда долларов) через пять лет, а к 2050 году он может вырасти в 12 раз [15]. 10

Перепроизводство электроэнергии из возобновляемых источников Ускоренное развитие энергетики из возобновляемых источников энергии (ВИЭ) происходит во всем мире. И проблемы согласования традиционной и возобновляемой энергетики с присущей ей неравномерностью и цикличностью генерации присущи всем странам без исключения [16]. Таким образом, ВИЭ ведут к неравномерности выработки электроэнергии Развитие ВИЭ уже сталкивается время от времени с перепроизводством электроэнергии из возобновляемых источников, в первую очередь от ветра. В будущем, с ростом мощностей, проблема будет только увеличиваться. Аккумуляторные накопители, особенно на длительных временных интервалах, не могут и не смогут решить проблему. Стать таким накопителем, как считается, может водород [17]. Значительное распространение этого энергоносителя ожидается именно в транспортном секторе. При выполнении требований Парижского соглашения по климату, структура мировой энергетики в ближайшие десятилетия должна претерпеть радикальные изменения в результате эффективного использования всех видов топлива. Водород является вторичным энергоносителем, но он заслуживает особого внимания как наиболее емкий и экологически чистый энергоноситель из всех существующих химических веществ, ведь единственный продукт реакции – это вода [18]. Технология использования водорода в качестве хранилища энергии известна давно, но пока не было представлено ее коммерческой реализации. Постоянная необходимость обновлять заряд литий-ионных батарей делает их не очень эффективными в промышленном масштабе. Водород теоретически мог бы исправить ситуацию, позволив надежно запасать излишки. Ученые говорят, что водород может использоваться как хранилище энергии. Что важно, как долговечное хранилище. Например, электричество можно собирать летом в резервуарах, а использовать зимой. Литий-ионные батареи не подразумевают такой формат. 11

Перепроизводство электроэнергии из возобновляемых источников Например, компании Shell, Uniper SE, BMW и Audi ищут способ использования водорода для хранения энергии, для решений, которые, возможно заменят сегодняшние дорогие и недолговечные литий-ионные хранилища энергии [19]. Также в небольшом городке Манилла (Manilla) в австралийском штате Новый Южный Уэльс началась реализация проекта по хранению энергии в \"твердотельном водороде\" Проект Manilla Community Solar, предполагающий перевод местного сообщества на энергию солнца, включает в себя солнечную электростанцию мощностью 4,5 МВт, литий-ионный накопитель энергии 4,5 МВт/4,5 МВт-ч и водородную систему накопления энергии (СНЭ) мощностью 2 МВт и ёмкостью 17 МВт-ч. Избыточная солнечная энергия в Манилле будет преобразовываться в H2, который будет храниться в твердом материале, называемом борогидридом натрия (NaBH4). Он может впитывать водород, как губка, а затем выделять H2 обратно. Выпущенный обратно водород направляется в топливный элемент для выработки электроэнергии. Система позволяет экономно хранить водород при высокой плотности и низком давлении без необходимости энергоемкого сжатия или сжижения. Хранилище представляет собой стандартные 20-футовые контейнеры, которые могут транспортироваться в обычном порядке. Данная технология хранения энергии была разработана профессором Кондо- Франсуа Агуэй-Зинсоу и его командой в Школе химического инжиниринга Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) и внедряется стартапом H2Store, соучредителем которого является профессор. Данное решение предлагает преимущества по сравнению с существующими системами хранения энергии на основе литий-ионных батарей. В частности, авторы проекта заявляют 30-летний срок службы их систем. Кроме того, они, в отличие от литий-иона, являются пожаробезопасными [20]. 12

Источники 1. The hydrogen solution? // https://www.nature.com/articles/s41558-020-0891-0 2. Impact of hydrogen on the environment // https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360319911017319 3. Hydrogen Benefits and Considerations // https://afdc.energy.gov/fuels/hydrogen_benefits.html 4. Энергетический бюллетень: водородная энергетика // https://ac.gov.ru/uploads/2- Publications/energo/energo_oct_2020.pdf 5. Climate Action Fast Facts // https://www.un.org/en/climatechange/science/key-findings 6. Почему водород – топливо будущего? // https://ru.toyota.lv/hydrogen/why-hydrogen.json 7. Нулевые выбросы СО2 требуют роста производства Н2 в шесть раз — МЭА // https://globalenergyprize.org/ru/2021/05/26/nulevye-vybrosy-so2-trebujut-rosta-proizvodstva- n2-v-shest-raz-mea/ 8. Водород вместо нефти, газа и угля - новый тренд в Европе // https://www.dw.com/ru/водород-вместо-нефти-газа-угля-новый-тренд-в-европе/а-50112770 9. Немецкие сталелитейные заводы переходят на водородное топливо // https://ecotechnica.com.ua/technology/5324-nemetskie-stalelitejnye-zavody-perekhodyat-na- vodorodnoe-toplivo.html 10. Водород вместо нефти, газа и угля - новый тренд в Европе // https://www.dw.com/ru/водород-вместо-нефти-газа-угля-новый-тренд-в-европе/а-50112770 11. How long before the world runs out of fossil fuels? // https://www.zmescience.com/science/news-science/how-long-fossil-fuels-last-43432/ 12. В Австралии задумали превратить сточные воды в водород // https://lenta.ru/news/2021/08/26/stoki_vodorod/ 13. Шаг в будущее энергетики: создана новая технология получения водорода из воды // https://www.vesti.ru/nauka/article/2590425 14. China Approves Renewable Mega-Project for Green Hydrogen // https://www.bloomberg.com/news/articles/2021-08-18/china-approves-renewable-mega- project-focused-on-green hydrogen?srnd=green&sref=fgHqaWRV 15. В Китае задумали \"зеленый\" мегапроект // https://lenta.ru/news/2021/08/18/mega_chi/ 16. Как изменить нынешнюю модель энергогенерации? // https://rentechno.ua/blog/100- percent-renewable.html 17. Глобальное потепление // https://ria.ru/20200220/1564978405.html 18. Водородные и алюмоводородные накопители в электроэнергетике // https://energypolicy.ru/vodorodnye-i-alyumovodorodnye-nakopiteli-v- elektroenergetike/energetika/2021/12/21/ 19. Водород может стать основой для промышленных систем хранения энергии // https://nangs.org/news/renewables/hydrogen/vodorod-mozhet-stat-osnovoj-dlya- promyshlennykh-sistem-khraneniya-energii 20. Хранение солнечной энергии в \"твёрдом водороде\" // https://elektrovesti.net/70044_khranenie-solnechnoy-energii-v-tverdom-vodorode 13

Центр научно-технической информации при Министерстве инновационного развития Республики Узбекистан Ташкент - 2021 г.