Паливо нової економіки. Чи може "зелений" водень замінити нафту, газ і вугілля
Багато вчених називають водень паливом 21 століття, адже він вирішує більшість проблем енергетичного сектору: не створює шкідливих викидів в атмосферу, у тому числі вуглекислого газу, та є відновлювальним видом енергії з необмеженими запасами.
Водень є найпоширенішим елементом не тільки на землі, а й у космосі. На нього припадає три чверті всієї речовини у Всесвіті. Він також входить до складу води, яка займає майже дві третини поверхні Землі.
При цьому водень має значно вищу енергоємність, ніж природний газ, нафта чи вугілля, а продуктом згоряння водню є лише вода, що абсолютно безпечно для навколишнього середовища. Усе це робить його перспективним видом енергії.
На водні можуть їздити автомобілі та інші види транспорту, його можна використовувати для опалення будинків, виробництва електроенергії, азотної кислоти, метанолу, етилену, пропілену, бутилену. Властивості водню відомі науці понад 200 років, то чому ж він досі не витіснив усі викопні енергоносії?
Як виготовляють водень
Водень не є чимось новим в енергетиці, його вже багато років використовують для потреб промисловості. При цьому він рідко трапляється у природі в чистому вигляді, хоча є десятки способів отримання водню в лабораторних умовах.
Є три найбільш поширені технології одержання водню в промислових масштабах.
Більшу частину промислового водню отримують з природного газу, обробляючи його високотемпературною парою (парове вуглеводневе реформування).
Друга технологія — газифікація коксівного вугілля у спеціальних печах при високій температурі. Такий водень називають "синім", бо цей спосіб виготовлення не є екологічним.
Третя технологія — отримання водню з води шляхом електролізу. Цей метод перспективний, однак надзвичайно енергоємний.
У 2019 році у світі було виготовлено близько 75 млн тонн водню. Понад три чверті — з природного газу, бо це найдешевше. Решту обсягів отримують з вугілля і лише близько 4% — іншими способами, серед яких — електроліз води. Для отримання однієї умовної частини водню з природного газу потрібно витратити три частини газу.
Щоб отримати кілограм водню з води шляхом електролізу, знадобиться 50 кВт-год електроенергії. Таким чином, собівартість "зеленого" водню для традиційної енергетики поки що залишається надто високою порівняно з іншими методами.
Тож перша причина, чому водень не став головним паливом, — ціна. Друга причина — використовувати газ і вугілля як сировину для отримання палива дорого, хоч і більш екологічно. Спалювати вугілля, щоб згенерувати електроенергію і використати її для розчеплення води на водень, не тільки дорого, а й неекологічно.
Розвиток і здешевлення сонячної та вітрової енергії вносять суттєві корективи в цю економіку. За останні три роки сонячні панелі подешевшали в Україні майже на третину, а загальна потужність сонячних електростанцій збільшилася майже у дев'ять разів: з 568 МВт у 2016 році до 4 925 МВт у 2019 році.
Специфіка сонячних електростанцій у тому, що вони виробляють енергію вдень, а пікове споживання електроенергії припадає на ранок і вечір. Дешеву надлишкову енергію можна використовувати для виготовлення водню з води.
Водень замість акумуляторів
Навіть у найбільш розвинених країнах, де альтернативна енергетика має велику частку, від традиційних джерел поки не відмовляються. За відсутності вітру чи сонця потребу в електроенергії компенсують енергією вугільних ТЕС або ГЕС — їх можна швидко запустити.
Однак від цього теж можна відмовитися за наявності потужних акумуляторів для зберігання виробленої енергії. У 20 столітті проблему накопичення енергії вирішували шляхом будівництва гідроакумулюючих електростанцій, однак це вимагало затоплення великих площ.
Пошуки найбільш ефективних способів тривають.
Компанія Tesla встановила в Каліфорнії та Австралії масштабні літій-іонні акумулятори. Швейцарський стартап Energy Vault розробив спосіб акумулювання енергії за допомогою вежі з 35-тонними бетонними блоками. У пікові години генерації електроенергія використовується для їх підняття, а при потребі вони опускаються, генеруючи енергію.
Своєрідним акумулятором може бути і водень. Коли енергії виробляється більше, ніж потрібно для споживання, її можна перетворювати на водень шляхом електролізу та зберігати як газ у підземних сховищах чи перекачувати по трубах, а при потребі знову перетворювати на електроенергію. Водень також можна використовувати для опалення і заправки транспорту.
Таким чином можна повністю перейти на "зелену" енергію і не залежати від погоди. Данська компанія Orsted планує побудувати на острові Борнхольм у Балтійському морі потужну ВЕС для масштабного виробництва "зеленого" водню.
Водень у газовій трубі
Водень, отриманий за допомогою відновлюваних джерел енергії, можна додавати в газотранспортні мережі. Це підвищує якість палива завдяки більшій теплоємності водню та знижує викиди в атмосферу завдяки скороченню споживання газу.
У ЄС запустили кілька таких проєктів. У німецькому Франкфурті-на-Майні з 2014 року проводять експеримент, додаючи близько 2% водню в місцеву газорозподільну мережу. Така кількість водню дозволяє не переобладнувати мережі. Схожі проєкти є в Італії, Данії, Нідерландах.
У британському місті Лідс, де мешкає близько 750 тис людей, у 2017 році започаткували проєкт, що передбачає використання до 20% водню у газорозподільній мережі. Також планується модернізувати мережі та обладнання споживачів.
У 2020 році в Україні теж почали тестувати газоводневу суміш на закритих ділянках розподільчих мереж у п'ятьох областях.
Транспорт на водні
Перший серійний автомобіль на водневому пальному в листопаді 2013 року представила компанія Toyota на Токійському автосалоні.
Є три типи водневих двигунів.
Перший — двигуни внутрішнього згоряння, що працюють на водно-газовій суміші.
Другий — гібридні, які використовують водень або водно-газову суміш для генерації електроенергії та працюють від електродвигуна.
Третій — паливні комірки, у яких в результаті взаємодії водню і кисню виробляється електроенергія без процесу горіння. Такі двигуни мають найбільший коефіцієнт корисної дії — 83%.
Для порівняння: ККД середньостатистичного двигуна внутрішнього згоряння становить 30%, а найвищого показника ефективності серед бензинових двигунів вдалося досягнути компанії Toyota у 2014 році — 38%.
Автомобілі з водневими паливними елементами випустили на ринок Honda, Toyota, Hyundai і низка китайських компаній.
Єдиним недоліком водневих автомобілів є їх вартість. У водневих паливних комірках як каталізатор використовують рідкісний і дорогий метал — платину. Через це вартість водневих автомобілів стартує від 70 тис дол.
У 2018 році в Німеччині запустили перший у світі потяг, що працює на водневих паливних елементах. Потяг може проїхати близько 800 км на одній заправці і перевезти 300 пасажирів.
Перед водневим транспортом стоїть чимало викликів: інфраструктура, здешевлення виробництва водню та водневого транспорту, безпека.
Ілон Маск, який зацікавлений у розвитку електромобілів, наголошує, що водень вибухонебезпечний. Витік водню неможливо відстежити, тому існує ризик утворення вибухонебезпечних сумішей.
Також чистий водень не можна транспортувати звичайними металевими трубами без покриття, він робить метал крихким, тому газотранспортну систему та пристрої споживачів потрібно модернізувати.
Водневі технології у поєднанні з альтернативними джерелами енергії невдовзі можуть стати економічно вигіднішими, ніж викопні ресурси. Особливо для країн з невеликими запасами корисних копалин та зручним географічним розташуванням.