Многие отрасли промышленности рассматривают водород как источник чистой энергии, но поскольку запасы «зеленого» водорода ограничены, мы должны уделять приоритетное внимание областям, где он может оказать наиболее положительное влияние на выбросы углекислого газа, говорят исследователи
Водород, самый распространенный элемент, в сочетании с кислородом выделяет энергию, и единственным побочным продуктом является вода. Вот почему политики рекламируют его как швейцарский армейский нож в борьбе с изменением климата, способный приводить в действие огромное количество транспортных средств и промышленных процессов, которые в настоящее время работают на ископаемом топливе.
Однако 99% потребляемого сегодня водорода — это “серый” водород, получаемый при расщеплении метана или угольного газа, в результате чего выделяется углекислый газ. Чтобы достичь нулевого уровня выбросов, многие страны планируют вместо этого использовать “голубой” водород, при котором CO2 будет улавливаться в дымовой трубе и закачиваться под землю, или “зеленый” водород, который производится путем расщепления воды с использованием возобновляемой электроэнергии.
“Зеленый водород” — это «важная ставка, которую должны сделать западные страны», чтобы конкурировать с Китаем в области чистых технологий, заявил глава ООН Антониу Гутерриш на конференции 3 декабря.
Проблема в том, что низкоуглеродистый водород по меньшей мере в два раза дороже «серого» водорода. Для увеличения производства, чтобы оно стало дешевле, потребуются государственные субсидии. В то время как такие страны, как Европейский союз, поддерживают отрасль, президент Дональд Трамп начал сворачивать строительство низкоуглеродных водородных центров, запланированное в рамках программы стоимостью 7 миллиардов долларов в США.
Из-за этих трудностей аналитическая фирма BloombergNEF вдвое снизила прогноз производства низкоуглеродистого водорода до 5,5 млн тонн к 2030 году, что составляет примерно 5% от текущего потребления «серого» водорода. Эксперты говорят, что в условиях ограниченного предложения правительствам и компаниям следует сосредоточиться только на тех видах использования чистого водорода, которые наиболее выгодны для климата и экономики.
“Водород может практически все, но это не значит, что он должен это делать”, — говорит Рассел Маккенна из ETH Zurich в Швейцарии.
В недавнем исследовании Маккенна и его коллеги проанализировали количество CO2, которое должно было бы выделяться для производства и транспортировки низкоуглеродистого водорода в рамках запланированных на 2000 год проектов по всему миру, сравнив его с выбросами CO2, которые этот водород мог бы вытеснить. Они обнаружили, что водород может оказать наибольшее положительное влияние на климат в сталелитейной промышленности, производстве биотоплива и аммиака.
С другой стороны, использование водорода для автомобильного транспорта, выработки электроэнергии и отопления жилых помещений не приведет к значительному сокращению выбросов.
Сталь
В доменной печи угольный кокс выделяет не только тепло для расплавления железооксидных руд, но и углерод для реакции, которая удаляет кислород из руды. Поэтому недостаточно просто нагревать металл с помощью возобновляемой электроэнергии. Вам нужно что-то, что заменит углерод в реакции, что может сделать водород, выделяя воду, а не CO2.
“Технология, которой мы располагаем сегодня, позволяющая производить железо в промышленных масштабах из железной руды без образования CO2, основана на использовании водорода”, — говорит Дэвид Дай из Имперского колледжа Лондона. “Для всего остального требуется изобрести множество технологий будущего”.
Stegra, стартап по производству экологически чистой стали, строит предприятие на севере Швеции, где к концу 2026 года планируется производить сталь с использованием электродуговой печи и экологически чистого водорода, получаемого из речной воды, что станет первым предприятием по производству безуглеродистой стали. В настоящее время также реализуются проекты в других странах Европы, Азии и Северной Америки.
Но для производства экологически чистого водорода и питания дуговых печей должна быть доступна дешевая возобновляемая электроэнергия. Международная сталелитейная корпорация ArcelorMittal в этом году отказалась от субсидий в размере 1,3 млрд евро на перевод двух сталелитейных заводов в Германии на водород, заявив, что цены на электроэнергию слишком высоки.
Аммиак
Для роста растениям необходим азот в виде нитратов, но почва содержит их в ограниченном количестве. Однако в начале 20-го века химики Фриц Хабер и Карл Бош разработали процесс, позволяющий заставить азот, в изобилии содержащийся в воздухе, вступать в реакцию с водородом с образованием аммиака, который может быть преобразован в различные удобрения.
Это привело к революции в сельском хозяйстве и резкому увеличению численности населения во всем мире, и сегодня водород в основном используется для производства аммиака, а также для переработки нефти. Около 70% всего аммиака идет на удобрения, а оставшаяся часть используется для производства пластмасс, взрывчатых веществ и других химических веществ.
“Мы не можем его электрифицировать… потому что это химическая реакция, которая требует такого ввода”, — говорит Маккенна. “Итак, нам нужен водород, но это должен быть обезуглероженный водород”.
Такие страны, как Саудовская Аравия, начали строить заводы по производству сотен тысяч тонн экологически чистого аммиака с использованием солнечной и ветровой энергии, в основном для экспорта. Тем временем стартапы разрабатывают небольшие модульные установки, которые производят экологически чистый водород и аммиак на фермах в США. Но пока все эти подходы основаны на государственных инвестициях или налоговых льготах.
Альтернативные виды топлива
Аммиак также можно сжигать в двигателях. В то время как легковые автомобили и многие грузовые автомобили могут эффективно работать на электричестве, транспорт на дальние расстояния, такой как тяжелые грузовики, корабли и самолеты, может испытывать трудности с перевозкой и подзарядкой аккумуляторов. Водород, вероятно, будет иметь решающее значение для производства низкоуглеродного топлива в этом секторе.
Исследование Маккенны и его команды показало, что производство гидроочищенного растительного масла является одним из наиболее эффективных способов использования водорода. Это предполагает обработку отработанного растительного масла водородом для расщепления жиров на углеводороды, которые можно сжигать.
Как аммиак, так и гидроочищенное растительное масло рассматриваются в качестве замены тяжелого мазута в судоходстве, на долю которого приходится 3% мировых выбросов. Авиация, с ее аналогичным углеродным следом, также могла бы перейти на аммиак.
Но водород также можно было бы использовать для производства синтетического авиационного топлива, которое сегодня можно использовать в любом самолете, поскольку оно почти идентично керосину, только производится без использования масла.
В долгосрочной перспективе исследователи из таких учреждений, как Крэнфилдский университет в Великобритании, разрабатывают самолеты со сверхпрочными баками для хранения сжатого водорода. Хотя водород или аммиак при сжигании загрязняют окружающую среду оксидами азота, вместо этого они могут соединяться с кислородом в топливных элементах для производства электроэнергии и воды. По словам Фила Лонгхерста из Крэнфилдского университета, самолеты на топливных элементах — это конечная цель.
“Водород — это самое чистое топливо с нулевым содержанием углерода, которое мы можем получить, — говорит он, — так что это своего рода Святой Грааль”.