В течение многих лет люди говорили «водородной экономике» будущего, в которой водород является основным энергоносителем.
То время когда, энергия из возобновляемых или ядерных источников сможет храниться бесконечно, а транспортироваться по мере необходимости.
А полностью чистый водород будет выделять воду только при сжигании или использовании для выработки электроэнергии в топливном элементе.
Топливо с высокой плотностью энергии можно было бы использовать для любых целей, от отопления домов до приведения в действие самолетов.
Долгое время хранение рассматривалось как главное препятствие для водородной экономики, однако композитные сосуды под давлением значительно снизили значимость этого вопроса.
Похоже, что технические трудности, связанные с использованием водорода позади - сейчас на рынке есть автомобили, такие как Toyota Mirai и Hyundai Nexo, а также автобусы.
Тем не менее, многие эксперты говорят, что время широкого использования водорода еще не пришло.
Вот некоторые причины этого очевидного противоречия и вероятная роль, которую водород будет играть в энергетическом переходе.
Первое, что нужно понять о водороде, это то, что фактически существует два типа:
- «Голубой водород» получают путем преобразования метана из природного газа, поэтому он не является технологией возобновляемых источников энергии и зависит от ограниченных ресурсов. Это может быть полезным способом обезуглероживания природного газа, поскольку легче улавливать диоксид углерода во время централизованного преобразования метана, чем во многих конечных точках использования. Эта форма водорода является относительно дешевой, но без дорогостоящей дальнейшей переработки не является достаточно чистой для использования в транспортных средствах с топливными элементами. Голубой водород в сочетании с улавливанием и хранением углерода может играть полезную роль в качестве переходной технологии для обезуглероживания бытового и промышленного тепла.
- «Зеленый водород» получают путем расщепления воды на водород и кислород. В настоящее время это происходит с использованием электричества для проведения электролиза; также разрабатываются солнечные реакторы, которые могут непосредственно расщеплять воду. Вырабатывается водород высокой чистоты, пригодный для использования в топливных элементах, и он ограничен только наличием электричества. Только «зеленый водород» может обеспечить водородную экономику.
Фундаментальной проблемой «зеленого водорода» является энергоэффективность.
Если отправной точкой для энергетической системы сегодня является электричество, произведенное из солнечной, ветровой или ядерной энергии, то, как правило, наиболее эффективно, если оно будет оставаться в виде энергии как можно дольше.
Электроэнергия может быть преобразована в механическую работу с помощью двигателя с КПД не менее 90%, и может напрямую производить тепло с КПД почти 100%.
Если используется тепловой насос, то от 200% до 400% электроэнергии вырабатывается как полезное тепло.
Производство водорода, его сжатие, откачка и превращение в электричество или механическую работу - все это приводит к потерям энергии.
Особенно это заметно на разнице в эффективности для автомобилей с аккумуляторами или с водородными топливными элементами.
После учета потерь энергии, выделяющих водород из электричества, сжимающих или разжижающих его, транспортирующих и снова генерирующих электричество, типичное транспортное средство с топливными элементами в четыре или пять раз менее эффективно, чем транспортное средство с аккумулятором.
Даже при очень оптимистичном взгляде на то, что может быть достигнуто к 2050 году, при электролизе 75%, сжатом хранении и КПД топливных элементов 60%, комбинированный КПД 28% все еще меньше половины КПД автомобиля с аккумуляторными батареями
Сравнение эффективности автомобилей на водороде с автомобилями на аккумуляторах - автомобили на водороде требуют в четыре-пять раз больше выработки электроэнергии.
Водород иногда рассматривается как единственный вариант для тяжелых транспортных средств, которые должны поддерживать высокую выходную мощность на больших расстояниях, таких как тяжелые грузовики и поезда.
Однако электрификация автомобильных и железных дорог является не только более эффективной, но и менее капиталоемкой, если учитывать все затраты.
Например, стоимость электрификации основных дорог Великобритании оценивается в 39 миллиардов долларов, но повышение эффективности по сравнению с водородом сократит необходимые инвестиции в новые солнечные и ветровые установки примерно на 180 миллиардов долларов.
Кроме того, будут и другие экономические выгоды от электрификации дорог.
Отдельные транспортные средства, скорее всего, будут дешевле.
Инфраструктура для заправки водородом не понадобится.
Если бы использовалась система динамической зарядки, совместимая с частными автомобилями, она могла бы стоить дороже, но в таком случае принесла бы дополнительную выгоду в снижении требований к емкости аккумуляторов.
Дороги могут быть электрифицированы с использованием подвесных систем, подходящих только для крупных коммерческих транспортных средств или токопроводящих путей, которые используются всеми транспортными средствами.
Существует необходимость в буферизации спроса и предложения при использовании прерывистых возобновляемых источников энергии.
Основной технологией станет эксплуатация пиковых электростанций, которые сжигают биомассу с улавливанием, использованием и хранением углерода (CCUS).
Это будет включать выращивание энергетических культур, таких как быстрорастущие деревья, которые можно легко хранить для использования на обычной паротурбинной электростанции, когда потребуется дополнительное электричество.
В сочетании с CCUS это будет представлять углеродно-отрицательную технологию, которая имеет жизненно-важное значение для снижения нагрузки на окружающую среду.
Наиболее энергоэффективными способами хранения электроэнергии являются использование гидроаккумулирующей гидроэлектроэнергии (PSH) или батарей, позволяя достичь КПД в обе стороны на уровне 70%-90%.
Текущее сетевое хранение с использованием водорода имеет коэффициент полезного действия 30%, и перспективы его резкого увеличения маловероятны.
Тем не менее, PSH ограничивается географией, в то время как батареи ограничены поставками металла.
Реакция со стороны спроса (DSR) снизит и потребность в хранении.
Например, это зарядка автомобиля в то время, когда подача электроэнергии превышает ее спрос.
DSR будет обеспечиваться энергетическими рынками с ценой, чувствительной ко времени или спросу.
Некоторые прогнозы, касающиеся более низких уровней производства энергии из биомассы, показывают, что экономически выгодно хранить около 14% электроэнергии в виде водорода.
По мере того, как процентное содержание водорода в энергосистеме увеличивается, цена на электроэнергию, в зависимости от времени, будет становиться все более равномерной, что ведет к снижению уровня затрат.
Следовательно, только относительно небольшие количества водорода могут быть произведены дешево.
Когда водород станет более значительной частью энергетического баланса, то его энергетические затраты возрастут.
Ограниченное количество водорода, экономически доступного в энергосистеме, будет использоваться в приложениях, которые не используют менее дорогостоящее распределение электроэнергии.
Воздушный транспорт и промышленные процессы, требующие очень высокой температуры тепла, скорее всего, будут потреблять остальное.
Не имеет смысла использовать его для приложений, которые можно легко и эффективно электрифицировать, используя электричество батарей, питающихся от сети.
Голубой водород играет важную переходную роль в декарбонизации использования природного газа, в то время как зеленый водород в будущем будет занимать нишу в углеродно-отрицательном энергобалансе.
Однако водород, образующийся в результате электролиза, не следует рассматривать как замену технологиям, позволяющим осуществлять прямую электрификацию.
Это может привести к ненужному увеличению спроса на возобновляемую электроэнергию, что значительно увеличило бы расходы потребителей.
В более долгосрочной перспективе «зеленый водород», полученный непосредственно от ясного солнечного света, обеспечит более широкое использование водорода на мировом энергетическом рынке.