Как экологически чистый водород может обеспечить энергией различные отрасли промышленности, от сталелитейного производства до сельского хозяйства.

Многие отрасли промышленности рассматривают водород как источник чистой энергии, но, учитывая ограниченные запасы «зеленого» водорода, исследователи считают, что следует отдавать приоритет тем областям, где он может оказать наиболее положительное влияние на выбросы углекислого газа.

Водород, самый распространенный элемент, выделяет энергию при соединении с кислородом, и единственным побочным продуктом является вода. Именно поэтому политики называют его универсальным инструментом борьбы с изменением климата, способным обеспечивать энергией огромное количество транспортных средств и промышленных процессов, которые в настоящее время работают на ископаемом топливе.

Однако сегодня 99 процентов поставок водорода приходится на «серый» водород, получаемый путем расщепления метана или угольного газа, в результате чего выделяется углекислый газ. Для достижения нулевых выбросов многие страны планируют вместо этого использовать «голубой» водород, в котором CO2 будет улавливаться в дымовой трубе и закачиваться под землю, или «зеленый» водород, получаемый путем расщепления воды с использованием возобновляемой электроэнергии.

«Зеленый водород — это важная ставка, которую западные страны должны делать», чтобы конкурировать с Китаем в области экологически чистых технологий, заявил глава ООН Антонио Гутерриш на конференции 3 декабря.

Проблема в том, что низкоуглеродистый водород как минимум вдвое дороже серого водорода. Для наращивания производства и снижения его стоимости потребуются государственные субсидии. В то время как такие страны, как Европейский союз, поддерживают отрасль, президент Дональд Трамп начал отменять создание центров низкоуглеродистого водорода, запланированных в рамках программы стоимостью 7 миллиардов долларов в США.

Из-за этих трудностей аналитическая компания BloombergNEF вдвое снизила свой прогноз по производству низкоуглеродного водорода до 5,5 миллионов тонн к 2030 году, что составляет примерно 5 процентов от текущего потребления серого водорода. Эксперты говорят, что в условиях ограниченного предложения правительствам и компаниям следует сосредоточиться только на тех видах использования экологически чистого водорода, которые наиболее целесообразны с точки зрения климата и экономики.

«Водород может практически всё, но это не значит, что он должен это делать», — говорит Рассел МакКенна из Швейцарского федерального технологического института (ETH Zurich).

В недавнем исследовании МакКенна и его коллеги проанализировали объем выбросов CO2, которые пришлось бы произвести для производства и транспортировки низкоуглеродного водорода в рамках 2000 запланированных проектов по всему миру, сравнив это с выбросами CO2, которые этот водород мог бы заменить. Они обнаружили, что водород может оказать наибольшее положительное воздействие на климат в сталелитейной, биотопливной и аммиачной отраслях.

С другой стороны, использование водорода для автомобильного транспорта, выработки электроэнергии и отопления жилых помещений не приведет к столь значительному сокращению выбросов.

Сталь

В доменной печи кокс, полученный из угля, не только обеспечивает тепло для плавления железооксидной руды, но и углерод для реакции, которая удаляет кислород из этой руды. Поэтому недостаточно просто нагревать металл возобновляемой электроэнергией. Необходимо что-то, что заменит углерод в реакции, и водород может это сделать, выделяя воду, а не CO2.

«Технология, которая сегодня позволит производить железо в промышленных масштабах из железной руды без выбросов CO2, — это водород», — говорит Дэвид Дай из Имперского колледжа Лондона. «Для всего остального потребуется изобрести множество технологий будущего».

Компания Stegra, стартап в области экологически чистой стали, строит завод на севере Швеции, который планирует к концу 2026 года производить сталь с помощью электродуговой печи и экологически чистого водорода, получаемого из речной воды непосредственно на месте, став первым безуглеродным сталелитейным заводом. Аналогичные проекты реализуются и в других регионах Европы, Азии и Северной Америки.

Но для производства экологически чистого водорода и питания дуговых печей необходимо обеспечить доступ к дешевой возобновляемой электроэнергии. Международная сталелитейная корпорация ArcelorMittal в этом году отказалась от субсидий в размере 1,3 миллиарда евро на переоборудование двух сталелитейных заводов в Германии для работы на водороде, заявив, что цены на электроэнергию слишком высоки.

Аммиак

Для роста растениям необходим азот в форме нитратов, но почва содержит их в ограниченном количестве. Однако в начале XX века химики Фриц Хабер и Карл Бош разработали процесс, позволяющий азоту, в изобилии присутствующему в воздухе, реагировать с водородом, образуя аммиак, который можно преобразовать в различные удобрения.

Это привело к революции в сельском хозяйстве и резкому росту мирового населения, и сегодня водород в основном используется для производства аммиака, а также для нефтепереработки. Около 70 процентов всего аммиака идет на производство удобрений, а остальная часть используется для производства пластмасс, взрывчатых веществ и других химических веществ.

«Мы не можем это электрифицировать… потому что это химическая реакция, для которой необходимы эти исходные данные», — говорит МакКенна. «Поэтому нам нужен водород, но это должен быть декарбонизированный 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, производящие экологически чистый водород и аммиак непосредственно на фермах в США. Но пока все эти подходы зависят от государственных инвестиций или налоговых льгот.

Альтернативные виды топлива

Аммиак также может сжигаться в двигателе. Хотя автомобили и многие грузовики могут эффективно работать на электричестве, транспортные средства дальнего следования, такие как тяжелые грузовики, корабли и самолеты, могут испытывать трудности с перевозкой и подзарядкой аккумуляторов. Водород, вероятно, будет иметь решающее значение для производства низкоуглеродного топлива для этого сектора.

Исследование Маккенны и его команды показало, что производство гидроочищенного растительного масла является одним из наиболее эффективных способов использования водорода. Это включает в себя обработку отработанного растительного масла водородом для расщепления жиров на углеводороды, которые можно сжигать.

В качестве замены мазута в судоходстве, на долю которого приходится 3% мировых выбросов, рассматриваются как аммиак, так и гидроочищенное растительное масло. Авиация, имеющая схожий углеродный след, также могла бы перейти на аммиак.

Однако водород также можно использовать для производства синтетического авиационного топлива, которое сегодня можно заправлять в любой самолет, поскольку оно практически идентично керосину, только производится без использования нефти.

В долгосрочной перспективе исследователи из таких учреждений, как Крэнфилдский университет в Великобритании, разрабатывают самолеты со сверхпрочными баками для хранения сжатого водорода. В то время как водород или аммиак при сжигании выделяют оксиды азота, в топливном элементе они могут соединяться с кислородом, производя электричество и воду. Конечной целью являются самолеты на топливных элементах, говорит Фил Лонгхерст из Крэнфилдского университета.

«Водород — это самое чистое и безуглеродное топливо, которое мы можем получить, — говорит он, — поэтому это своего рода Святой Грааль».

Источник: www.newscientist.com