Сегодня используются различные источники альтернативной энергии, которые призваны снизить, а в будущем и прекратить засорение земли и её атмосферы токсичными веществами. Один из таких экологичных вариантов — зелёный водород, который получают с помощью электролиза воды. Электроэнергия для этого процесса поступает из возобновляемых источников энергии (ВИЭ): солнца, ветра, гидроэнергии или геотермии.
В этой статье говорится о способах получения экологичного водорода (H2), его отличиях от “цветных” собратьев, сферах его применения и проблемах, стоящих пока на пути масштабирования технологий получения “чистого” водорода.
Цветовая классификация
Оттеночная шкала водорода (зеленый, серый, синий, жёлтый, коричневый и т.д.) не имеет отношения к его физическим свойствам — все виды этого газа бесцветны и не имеют запаха. Цвета используются условно, чтобы обозначить, как получают газ и как этот процесс влияет на окружающую среду.
“Белый” водород вырабатывается в земной коре в ходе естественных геологических процессов. По подсчётам учёных в недрах планеты находится до 5 трлн тонн водорода, что способно покрыть мировые потребности в энергии на многие годы. В Сибири найдены месторождения белого водорода, которые могут коренным образом изменить позицию нашей страны на энергетическом рынке. Обсуждаются вопросы добычи, транспортировки и хранения. Но нигде в мире пока не ведутся работы по промышленной добыче.
“Серый” вырабатывают из природного газа (метана) путём парового реформинга. При производстве выделяется большое количество углекислого газа (CO₂). Это основной источник выбросов при нынешнем производстве водорода (около 95% мирового водорода — серый водород).
“Синий” (голубой) тоже получают из природного газа, как и серый. Выделяющийся при производстве CO₂ улавливают и захоранивают (технология CCS — улавливание и захоронение углерода). Этот вариант менее вреден, но на сегодняшний день технологии CCS ещё дорогие и не всегда эффективны. Но самая главная опасность при его получении — возможны утечки метана — мощного парникового газа.
“Коричневый” (бурый, чёрный) производят из угля, процесс сопровождается выбросами большого количества CO₂.
“Оранжевый” (розовый, жёлтый) образуется при электролизе в процессе выработки электричества на АЭС. Проходит почти без выбросов углекислого газа, но метод не считается экологичным из-за необходимости утилизации отходов ядерного топлива.
“Бирюзовый” получается при пиролизе метана. Процесс сложный и энергоёмкий, но проходит без выбросов углекислого газа. Рассматривается как один из вариантов низкоуглеродного производства водорода.
Как получают “Зелёный” водород? Его вырабатывают из воды без выбросов CO₂ с использованием источников возобновляемой энергии от солнечных, ветряных или гидроэлектростанций. Этот способ не наносит вреда климату и является на сегодняшний день единственным, решающим задачу декарбонизации. Почти все цветные собратья “зелёного” зависят от ископаемого топлива и усиливают парниковый эффект.
Перспектива
На первый взгляд кажется, что технологии получения экологически чистого H₂ слишком дороги и сложны, а сферы его применения ограничены. Однако, если задуматься, где применяют зеленый H₂, то становится понятно, почему его считают ключевым элементом декарбонизации планеты.
С развитием технологий и снижением стоимости ВИЭ “зелёный” водород становится всё более доступным. Он играет центральную роль в стратегиях декарбонизации Европы, Японии, Австралии и других стран. В России также обсуждаются пилотные проекты по его производству и экспорту.
- Транспорт. Водородные топливные элементы используют в легковых автомобилях (например, Toyota Mirai, Hyundai Nexo), автобусах, поездах (например, Alstom Coradia iLint), грузовиках, кораблях и даже дронах. Преимущества использования такого топлива для транспорта неоспоримы: быстрая заправка, большая дальность хода, нулевые выбросы.
- Промышленность. Экологически чистый горючий газ может заменить ископаемое топливо в энергоёмких производствах.
- Металлургия. Используется вместо угля в процессе восстановления железа (например, компания SSAB (Швеция) уже выпускает “зелёную” сталь).
- Нефтехимия и химическая промышленность. Для производства аммиака (удобрения), метанола, очистки нефтепродуктов, производства пластиков.
- Энергетика — одна из важнейших областей, где полученный экологически чистым путём газ используется для накопления и выработки энергии.
- Хранение энергии. “Зелёный” водород можно использовать как аккумулятор для хранения излишков энергии от солнечных и ветровых электростанций. Энергия преобразуется в газ (электролиз), затем обратно — в электричество через топливный элемент.
- Генерация энергии. Такое топливо можно сжигать в газовых турбинах, заменяя природный газ.
- Жилищно-коммунальное хозяйство. В некоторых странах уже используются системы для отопления домов через водородные котлы и подачи энергии в изолированные поселки (например, в Японии, Исландии).
- Авиастроение и космос. Разработка самолётов (Airbus планирует водородный лайнер к 2035 году); использование как топлива для ракет (жидкий водород + кислород).
- Лабораторные и медицинские технологии. Водород — инертный и чистый газ, используется в различных приборах и установках.
Почему экологически чистый водород так важен?
Этот вид энергии — ключевой элемент в процессе декарбонизации. Он не загрязняет атмосферу парниковыми газами, позволяет накопить и сохранить “лишнюю” энергию от солнечных и ветровых станций. Может заменить ископаемое топливо в промышленности, транспорте и энергетике.
Но на сегодняшний день производство зелёного водорода намного дороже, чем получение серого и голубого, а для его выработки требуется развитие инфраструктуры: электролизёры, хранилища, транспорт. Учёные проводят исследования и активно ищут дешёвые технологии производства водорода. Перспективным направлением считается поиск катализаторов для синтеза водорода, призванных значительно снизить себестоимость производственных процессов.
Хотелось бы дожить до того времени, когда заводские трубы перестанут дымить, а из выхлопных труб автотранспорта будет выделяться только чистый водяной пар.
