Паливо нової економіки. Чи може «зелений» водень замінити нафту газ і вугілля

Паливо нової економіки. Чи може «зелений» водень замінити нафту газ і вугілля

Паливо нової економіки. Чи може «зелений» водень замінити нафту газ і вугілля
 Багато вчених називають водень "паливом XXI століття", адже він вирішує більшість проблем енергетичного сектору — не створює шкідливих викидів в атмосферу, в тому числі й вуглекислого газу та є відновлювальним видом енергії з необмеженими запасами.

Водень є найпоширенішим елементом не тільки на землі, а й в космосі. На нього припадає 3/4 усієї речовини у Всесвіті. Він також входить до складу води, яка займає майже дві третини поверхні нашої планети.

>

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 надзвичайно перспективним видом енергії в майбутньому.

На водневі можуть їздити автомобілі та інші види транспорту, його можна використовувати для опалення будинків, у промисловості, виготовляти з нього електрику та різноманітну хімію — азотну кислоту, метанол, етилен, пропілен, бутилен. Властивості водню відомі науці вже близько 200 років, то чому ж досі водень не витіснив усі викопні енергоносії?

Як виготовляють водень?

Водень не є чимось новим в енергетиці і його вже багато років використовують для потреб промисловості. При цьому він дуже рідко трапляється у природі в чистому вигляді, хоча є десятки способів отримання водню в лабораторних умовах.


У промислових масштабах є три найбільш поширені з економічної точки зору технології одержання водню.

Більшу частину промислового водню отримують з природного газу, обробляючи його парою високої температури (парове вуглеводневе реформування). Друга технологія — газифікація коксівного вугілля у спеціальних печах при високій температурі. Такий водень називають "синім" через те, що спосіб його виготовлення не є екологічним.

Третя технологія отримання водню — з води шляхом електролізу. Цей метод є дуже перспективним, однак надзвичайно енергоємним.

Собівартість
Собівартість "зеленого" водню для традиційної енергетики поки що залишається надто високою

У 2019 році обсяг виготовлення водню в світі склав близько 75 млн тонн. Понад 3/4 виробляється з природного газу, бо це найдешевше. Майже все інше 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 35 кВт/год електроенергії. Таким чином собівартість "зеленого" водню для традиційної енергетики поки що залишається надто високою у порівнянні з іншими методами.

Тож перша причина, чому водень досі не став головним паливом — він дорогий. Друга — 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 не екологічно.

У той же час розвиток і здешевлення сонячної та вітрової енергетики вносить суттєві корективи в цю економіку. Особливо, коли частка альтернативної енергії на ринку збільшується. За останні три роки в Україні сонячні панелі подешевшали майже на третину. А загальна потужність сонячних електростанцій збільшилася майже у 9 разів — із 568 МВт у 2016 році до 4925 МВт у 2019.  

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 займає велику частку, від традиційних джерел поки відмовлятися не збираються. Усе тому, що коли немає вітру чи сонця, потребу в електроенергії доводиться компенсувати за рахунок ТЕС на вугіллі або гідроелектростанцій — їх найшвидше запустити.

Однак від цього теж можна відмовитися, якби були потужні акумулятори для зберігання виробленої енергії. У ХХ столітті проблему накопичення енергії вирішували, будуючи гідроакумулюючі електростанції, затоплюючи великі площі.

Пошуки найбільш ефективних способів тривають, зокрема, 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 часи генерації електроенергія використовується для їх підняття, а при потребі вони опускаються, генеруючи енергію.

Швейцарський стартап Energy Vault розробив спосіб акумулювання енергії за допомогою вежі з 35-тонними бетонними блоками
Швейцарський стартап Energy Vault розробив спосіб акумулювання енергії за допомогою вежі з 35-тонними бетонними блоками

Своєрідним акумулятором електроенергії може бути і водень. Коли енергії виробляється більше, ніж потрібно для споживання, її можна перетворювати у водень шляхом електролізу та зберігати як газ у підземних сховищах чи перекачувати по трубах, а при потребі знову перетворювати в електроенергію. Цей водень також можна використовувати для опалення, заправки транспорту.

Таким чином можна повністю перейти на "зелену" енергію та не залежати від погодних умов. 

Так данська компанія Orsted планує побудувати на острові Борнхольм у Балтійському морі потужну вітрову електростанцію для масштабного виробництва "зеленого" водню.

Водень в газовій трубі

Водень, отриманий за допомогою відновлювальних джерел енергії, можна додавати в газотранспортні мережі. Це підвищує якість палива за рахунок більшої теплоємності водню та знижує викиди в атмосферу через те, що обсяг споживання газу скорочується. 

В Європі запустили кілька подібних проектів. 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. Подібні проекти є в Італії, Данії, Нідерландах.

У британському місті Лідс, де мешкає близько 750 тис. людей, у 2017 році розпочали проект, що передбачає використання до 20% водню у газорозподільній мережі. Також планується модернізувати мережі та обладнання у споживачів.

Цього року в Україні також почали тестування газоводневої суміші на закритих ділянках розподільчих мереж у 5 областях.

Транспорт на водні

Перший серійний автомобіль на водневому паливі був публічно представлений в листопаді 2013 року на Токійському автосалоні компанією Toyota.

Є три типи двигунів на водні. Перші — двигуни внутрішнього згоряння, що працюють на водно-газовій суміші. Другі — гібридні, які використовують водень або водно-газову суміш для генерації електроенергії та працюють від електродвигуна. Третій вид паливні комірки, у яких в результаті хімічної реакції взаємодії водню і кисню виробляється електроенергія без процесу горіння.

Такі двигуни мають найбільший коефіцієнт корисної дії. Максимальний ККД двигуна з водневими паливними комірками складає 83%.

Для порівняння, середньостатичний двигун внутрішнього згоряння має ККД в межах 30%. А найвищий показник ефективності серед бензинових двигунів, що був розроблений на початку 2014 року компанією Toyota має максимальний ККД 38%.

Автомобілі на водневих паливних елементах уже випустили на ринок Honda, Toyota, Hyundai і ряд китайських компаній.

 
Toyota Mirai працює на водні

Єдиним недоліком автомобілів на водні є їх вартість. У водневих паливних комірках як каталізатор використовують рідкісний і дорогий метал — платину. Через це вартість водневих автомобілів стартує від 70 тис. доларів.

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 та перевозити 300 пасажирів.

Перед водневим транспортом є чимало викликів для того, щоб стати масовим. Постає проблема не тільки інфраструктури, а й здешевлення виробництва водню та водневого транспорту, а також безпеки.

Критики технології, зокрема Ілон Маск, який зацікавлений у розвитку електромобілів, наголошує, що водень є вибухонебезпечним. 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. Тож, щоб використовувати газотранспортну систему, її потрібно переобладнати. Як і обладнання у кінцевих споживачів.

Попри те, водневі технології у поєднанні з альтернативними джерелами енергії в найближчому майбутньому мають всі шанси стати економічно вигіднішими, ніж викопні ресурси. Особливо для країн із невеликими запасами корисних копалин та зручним географічним розташуванням.

 

 
Останні новини