Может ли безуглеродный водород дополнить или даже заменить ископаемый природный газ? Или же могут возникнуть крупные проблемы, связанные с безопасностью трубопроводов и затратами на модернизацию, потерю энергии, несоответствие долгосрочных расходов по сравнению с природным газом?
Энергетические предприятия по всему миру ищут ответы на подобные вопросы. Некоторые прогрессивные сдвиги наметились в Великобритании, где коммунальные предприятия, включая National Grid и Scottish Gas Network, добавляют водород в трубопроводы не только для топлива электростанций или промышленных процессов, но и для обслуживания жилых домов и предприятий.
«Водород в 20-процентной смеси поступает в одну небольшую сеть Великобритании, и потребители не замечают никакой разницы с точки зрения производительности газовых приборов», - говорит Энтони Грин, директор водородного проекта National Grid UK.
В то время как тесты на ранних стадиях поддерживают концентрацию водорода ниже 20 процентов, электроэнергетические компании Великобритании надеются в последующие годы поставлять 100-процентный водород в рамках поиска экологически чистых заменителей топлива и электричества.
Аналогичные усилия предпринимаются по всей Европе для достижения масштабных зеленых целей Евросоюза по использованию водорода в течение ближайших десяти лет. В Нидерландах может быть построен крупнейший в мире центр по производству экологически чистого водорода, работающий за счет морских ветров. Предполагается, что 100-процентный водород будет проходить по трубопроводам для промышленного использования. Нефтяные гиганты Shell, BP и Total обещают крупные инвестиции для достижения целей по декарбонизации.
«Закачка трубопровода - национальная водородная стратегия Нидерландов, Германии, Франции, Австралии, Южной Кореи, Японии», - сказала Мона Даджани, глава практики возобновляемых источников энергии и экологически чистого водорода юридической фирмы Pillsbury Winthrop Shaw Pittman. «В мире существует ряд пилотных проектов, изучающих смешивание водорода».
Пилотные предложения по зеленому водороду в США.
Американские коммунальные предприятия, «поставившие перед собой цель нулевого выброса углерода, начинают наверстывать упущенное», чему способствует федеральное финансирование для решения проблем, связанных с повышением концентрации водорода в существующих трубопроводах. Зеленый водород, способный заменить природный газ для производства электроэнергии, вероятно, станет первым экономически эффективным применением.
Коммунальное предприятие на побережье Мексиканского залива Entergy планирует использовать существующие сети водородных трубопроводов нефтяной промышленности и подземные соляные каверны для транспортировки и хранения водорода. Аналогичная подземная каверна в Юте может стать площадкой для регионального комплекса по производству и хранению зеленого водорода, согласно совместному проекту Mitsubishi Power, государственного агентства Intermountain Power Agency и Департамента водоснабжения и энергетики Лос-Анджелеса.
Но водород в распределительных трубопроводах также может способствовать декарбонизации производственных процессов, зависящих от природного газа. В Нью-Йорке компания National Grid совместно с Управлением энергетических исследований и разработок штата Нью-Йорк и Институтом Стоуни-Брук запустила проект по изучению возможностей интеграции и хранения возобновляемого водорода в существующей газовой инфраструктуре.
Southern California Gas и San Diego Gas & Electric, дочерние компании калифорнийской холдинговой компании Sempra Energy, обратились в Комиссию по коммунальным предприятиям Калифорнии с просьбой утвердить пилотный проект по тестированию закачки в трубопровод смеси зеленого водорода от 1 до 20 % в следующем году.
CPUC - один из нескольких государственных регулирующих органов, рассматривающих стратегии смешивания водорода, и такие проекты, как Sempra, занимаются «разработкой стандарта добавления водорода». По мере расширения подобных усилий федеральным агентствам, а именно Федеральной комиссии по регулированию энергетики, необходимо «решить, как это станет частью межгосударственной сети газопроводов».
Проблемы водородных трубопроводов: проектирование, безопасность и затраты.
Замена природного газа на водород имеет массу недостатков, начиная с влияния на трубопроводы и на устройства. Что касается трубопроводов, то «водородная хрупкость» может ослабить металлические или полиэтиленовые трубы и повысить риск утечки, особенно в трубах высокого давления, согласно исследованию Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США в 2013 году.
«Водород при определенных обстоятельствах, определенном давлении, определенных концентрациях может воздействовать на металлическую конструкцию», - заявила National Grid. «Это пытаются решить британские ученые-материаловеды в рамках исследований водорода».
В США в рамках проекта HyBlend с участием NREL и пяти других лабораторий DOE планируется изучить долгосрочное воздействие водорода при различных смесях на различные материалы трубопроводов и создать общедоступные модели для промышленности. Подобные исследования могут определить, сколько будет стоить модернизация существующих трубопроводных сетей для осуществления перехода.
По словам Юсси Хейккинена, американского директора по развитию и развитию компании Wärtsilä Energy, которая инвестирует в двигатели, которые могут работать на 100-процентном водороде, водород «горит совсем не так», как метан. «Он горит как взрыв. Это хорошо для эффективного преобразования газа в тепло, но это проблема с точки зрения безопасности и инженерии».
«Когда количество водорода в топливе превышает 25 процентов, уже нельзя использовать то же оборудование. Электроника, например, должна быть взрывозащищенной. Не должно быть искр, потому что водород воспламеняется практически при любом соотношении воздух-топливо. Кроме того, водород примерно в три раза менее энергоемкий, чем метан. Это означает, что по мере увеличения доли водорода объем энергии, доставляемой по тем же трубопроводам, уменьшается».
Зеленый водород против электрификации зданий.
Производство зеленого водорода с использованием безуглеродной электроэнергии также стоит в четыре-шесть раз дороже, чем производство водорода из ископаемых видов топлива. Эти затраты должны снизится с повышением эффективности электролиза, снижением затрат на возобновляемые источники энергии для их производства и достижения экономии за счет эффекта масштаба.
Даже в этом случае правительствам и отраслевым партнерам будет сложно «направить экологически чистый водород на рентабельное использование». Сочетание низкой плотности энергии и высокой стоимости трубопроводов может сделать его «трудно продаваемым» по сравнению с электрифицированными системами отопления и другими способами использования природного газа в домах и на предприятиях.
Исследовательский центр Rocky Mountain Institute поддерживает технологии экологически чистого водорода для выработки электроэнергии и обезуглероживания производства стали, судоходства и дальних грузовых перевозок. Но считает, что «электрификация зданий более эффективна».
В Калифорнии, где растет количество городов и округов, в которых не используется природный газа в новых зданиях, экологические группы, выступающие за аналогичный мандат на уровне штата, обеспокоены тем, что газ Southern California Gas использует «зеленый водород для обеспечения будущих инвестиций в инфраструктуру природного газа».
По словам Джеффри Риссмана, директора отраслевых программ аналитического центра Energy Innovation, сокращение выбросов углерода в результате смешивания 15–20 процентов водорода в трубопроводах природного газа может быть минимальным. В то же время он говорит: «Увеличение рынка зеленого водорода снизит затраты за счет стимулирования [исследований и разработок] и достижения отдачи от масштаба».
Национальная сеть эксплуатирует электрические и газовые сети на северо-востоке США. Но газопроводы сети поставляют в два-четыре раза больше энергии, чем сети передачи и распределения электроэнергии, наибольший спрос отмечается в зимний период.