Что такое зеленый водород и зачем он нам нужен

Настало время использовать потенциал водорода, чтобы сыграть ключевую роль в решении важнейших энергетических проблем. Недавние успехи технологий возобновляемых источников энергии и электромобилей показали, что политика и технологические инновации способны создать глобальные отрасли экологически чистой энергетики.

Водород становится одним из ведущих вариантов хранения энергии из возобновляемых источников энергии с водородным топливом, потенциально способным транспортировать энергию из возобновляемых источников на большие расстояния — из регионов с богатыми энергетическими ресурсами в энергоемкие районы за тысячи километров.

Зеленый водород фигурировал в ряде обязательств по сокращению выбросов на Климатической конференции ООН COP26 как средство обезуглероживания тяжелой промышленности, дальнемагистральных грузовых перевозок, судоходства и авиации. И правительства, и промышленность признали водород важной опорой экономики с нулевым уровнем выбросов.

Зеленая водородная катапульта, инициатива Организации Объединенных Наций по снижению стоимости зеленого водорода, объявила, что она почти удвоила свою цель для зеленых электролизеров с 25 гигаватт, установленных в прошлом году, до 45 гигаватт к 2027 году. Европейская комиссия приняла ряд законодательных предложения по обезуглероживанию газового рынка ЕС путем содействия использованию возобновляемых и низкоуглеродных газов, включая водород, а также по обеспечению энергетической безопасности для всех граждан Европы. Объединенные Арабские Эмираты также наращивают амбиции: новая водородная стратегия страны направлена ​​на то, чтобы к 2030 году удерживать четвертую часть мирового рынка низкоуглеродного водорода, а Япония недавно объявила, что инвестирует 3,4 миллиарда долларов из своего фонда зеленых инноваций для ускорения исследований и разработок. продвижение использования водорода в течение следующих 10 лет.

Термины «серый», «синий», «зеленый» могут встречаться при описании водородных технологий. Все упирается в способ его производства. Водород выделяет только воду при сгорании, но его создание может быть углеродоемким. В зависимости от методов производства водород может быть серым, синим или зеленым, а иногда даже розовым, желтым или бирюзовым. Тем не менее, зеленый водород является единственным типом, производимым экологически нейтральным способом, что делает критическим достижение нулевого уровня выбросов к 2050 году.

Мы попросили доктора Эмануэле Тайби, руководителя отдела стратегий трансформации энергетического сектора Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), объяснить, что такое зеленый водород и как он может проложить путь к нулевым выбросам. В настоящее время он работает в Центре инноваций и технологий IRENA в Бонне, Германия, где отвечает за оказание помощи странам-членам в разработке стратегий преобразования энергетического сектора и в настоящее время руководит работой над гибкостью энергосистемы, водородом и хранением в качестве ключевых факторов. средства для энергетического перехода. Д-р Тайби также является одним из кураторов платформы Strategic Intelligence Всемирного экономического форума, где его команда разработала карту преобразования водорода.

Зеленые водородные технологии

Что побудило вас развивать свой опыт в области энергетических технологий и какой вклад в это вносит ваша работа в IRENA?

Это было во время моей магистерской диссертации. Я прошел стажировку в Итальянском национальном агентстве энергетики и окружающей среды (ENEA), где узнал об устойчивом развитии и энергетике, а также о связи между ними. Я написал об этом свою диссертацию по инженерному менеджменту и решил, что это та область, на которой я хочу сосредоточить свою трудовую жизнь. Забегая вперед, имея почти 20-летний опыт работы в области энергетики и международного сотрудничества, докторскую степень в области энергетических технологий и время, проведенное в частном секторе, исследованиях и межправительственных организациях, я в настоящее время возглавляю группу по преобразованию энергетического сектора в IRENA с 2017 года.

Моя работа в IRENA заключается в том, чтобы внести свой вклад вместе с моей командой и в тесном сотрудничестве с коллегами из агентства и внешними партнерами, такими как Всемирный экономический форум, в поддержку наших 166 стран-членов в переходе к энергетике, уделяя особое внимание поставкам возобновляемой электроэнергии и их использовать для обезуглероживания энергетического сектора с помощью зеленых электронов, а также зеленых молекул, таких как водород и его производные.

Что такое зеленый водород? Чем он отличается от традиционного «серого» и синего водорода с интенсивными выбросами?

Водород — самый простой и самый маленький элемент в периодической таблице. Независимо от того, как он производится, в итоге получается одна и та же безуглеродная молекула. Однако пути его производства очень разнообразны, как и выбросы парниковых газов, таких как двуокись углерода (CO2) и метан (CH4).

Зеленый водород определяется как водород, полученный путем расщепления воды на водород и кислород с использованием возобновляемой электроэнергии. Это совсем другой путь по сравнению с серым и синим.

Серый водород традиционно производится из метана (CH4), расщепленного паром на CO2 — главного виновника изменения климата — и H2, водород. Серый водород все чаще производится также из угля, при этом выбросы CO2 на единицу произведенного водорода настолько высоки, что его часто называют коричневым или черным водородом, а не серым. Сегодня он производится в промышленных масштабах, а связанные с ним выбросы сопоставимы с совокупными выбросами Великобритании и Индонезии. Он не имеет значения энергетического перехода, как раз наоборот.

Синий водород следует тому же процессу, что и серый, с дополнительными технологиями, необходимыми для улавливания CO2, образующегося при отделении водорода от метана (или из угля), и его хранения в течение длительного времени. Это не один цвет, а очень широкая градация, так как не 100 процентов образующегося СО2 можно уловить, и не все способы его хранения одинаково эффективны в долгосрочной перспективе. Суть в том, что, улавливая большую часть CO2, можно значительно снизить воздействие производства водорода на климат.

Существуют технологии (например, пиролиз метана), которые обещают высокую степень улавливания (90-95 процентов) и эффективное долгосрочное хранение CO2 в твердой форме, потенциально настолько лучше, чем синий, что они заслуживают отдельного цвета в " радуга таксономии водорода», бирюзовый водород. Тем не менее, пиролиз метана все еще находится на экспериментальной стадии, в то время как зеленый водород быстро расширяется на основе двух ключевых технологий — возобновляемой энергии (в частности, солнечной фотоэлектрической энергии и ветра, но не только) и электролиза.

В отличие от возобновляемой энергии, которая сегодня является самым дешевым источником электроэнергии в большинстве стран и регионов, электролиз для производства зеленого водорода необходимо значительно расширить и снизить его стоимость как минимум в три раза в течение следующего десятилетия или двух. Однако, в отличие от CCS и пиролиза метана, электролиз сегодня коммерчески доступен и может быть приобретен внесколько международных поставщиков прямо сейчас.

Зеленые водородные энергетические решения

Каковы преимущества решений по переходу к «зеленой» водородной экономике? Как мы можем перейти к зеленой водородной экономике с того места, где мы сейчас находимся с серым водородом?

Зеленый водород является важной частью энергетического перехода. Это не следующий немедленный шаг, так как сначала нам необходимо ускорить внедрение возобновляемой электроэнергии для декарбонизации существующих энергосистем, ускорить электрификацию энергетического сектора, чтобы использовать дешевую возобновляемую электроэнергию, прежде чем, наконец, декарбонизировать секторы, которые трудно электрифицировать. например, тяжелая промышленность, судоходство и авиация — через зеленый водород.

Важно отметить, что сегодня мы производим значительное количество серого водорода с высокими выбросами CO2 (и метана): приоритетом будет начать обезуглероживание существующего спроса на водород, например, путем замены аммиака из природного газа зеленым аммиаком.

Недавние исследования вызвали споры о концепции голубого водорода в качестве переходного топлива до тех пор, пока зеленый водород не станет конкурентоспособным по стоимости. Как зеленый водород станет конкурентоспособным по стоимости по сравнению с голубым водородом? Какие стратегические инвестиции необходимы в процессе разработки технологий?

Первый шаг — подать сигнал о том, что синий водород заменит серый, поскольку без платы за выброс CO2 у компаний нет экономического обоснования для инвестиций в сложную и дорогостоящую систему улавливания углерода (CCS) и геологические хранилища CO2. Когда структура такова, что низкоуглеродный водород (синий, зеленый, бирюзовый) конкурирует с серым водородом, возникает вопрос: должны ли мы инвестировать в CCS, если риск состоит в том, чтобы иметь брошенные активы, и как скоро зеленый станет дешевле, чем синий.

Ответ, конечно, будет отличаться в зависимости от региона. В чистом нулевом мире, цели, к которой стремится все больше и больше стран, оставшиеся выбросы от голубого водорода должны быть компенсированы отрицательными выбросами. Это будет дорого стоить. Параллельно с этим цены на газ в последнее время были очень неустойчивыми, в результате чего цена на голубой водород сильно коррелирует с ценой на газ и подвержена не только неопределенности цен на CO2, но и волатильности цен на природный газ.

Однако для зеленого водорода мы можем стать свидетелями той же истории, что и с фотоэлектрическими солнечными батареями. Это капиталоемко, поэтому нам необходимо снизить инвестиционные затраты, а также стоимость инвестиций за счет расширения производства технологий возобновляемых источников энергии и электролизеров, создавая при этом альтернативу с низким уровнем риска для снижения стоимости капитала для инвестиций в экологически чистый водород. Это приведет к стабильной и снижающейся стоимости зеленого водорода, в отличие от нестабильной и потенциально растущей стоимости синего водорода.

Технологии использования возобновляемых источников энергии уже сегодня достигли уровня зрелости, который позволяет производить конкурентоспособную электроэнергию из возобновляемых источников по всему миру, что является необходимым условием для конкурентоспособного производства экологически чистого водорода. Однако электролизеры по-прежнему используются в очень небольших масштабах, и в следующие три десятилетия их необходимо увеличить на три порядка, чтобы снизить их стоимость в три раза.

Сегодня идет работа над проектами по зеленому водороду, чтобы сократить вдвое стоимость электролизеров до 2030 года. Это, в сочетании с крупными проектами, расположенными там, где есть лучшие возобновляемые ресурсы, может привести к тому, что конкурентоспособный зеленый водород будет доступен в масштабе в следующем {{1 }} годы. Это не оставляет много времени для голубого водорода — все еще находящегося сегодня на экспериментальной стадии — для масштабирования от пилотного до коммерческого масштаба, развертывания сложных проектов (например, долгосрочного геологического хранения CO2) в коммерческом масштабе и по конкурентоспособной цене, а также для возврата инвестиций, сделанных в следующие 10-15 лет.

Несколько правительств уже включили технологии водородного топлива в свои национальные стратегии. Учитывая растущие потребности в переходе к декарбонизации экономики и внедрению технологий с более высоким уровнем улавливания углерода, что бы вы посоветовали политикам и лицам, принимающим решения, которые оценивают плюсы и минусы зеленого водорода?

Нам понадобится зеленый водород для достижения нулевых выбросов, в частности, для промышленности, судоходства и авиации. Однако то, что нам нужно срочно, это:

1) энергоэффективность;

2) электрификация;

3) ускоренный рост производства возобновляемой энергии.

Как только это будет достигнуто, у нас останется ок. 40 процентов спроса должны быть обезуглерожены, и именно здесь нам нужен зеленый водород, современная биоэнергетика и прямое использование возобновляемых источников энергии. Как только мы продолжим расширять использование возобновляемых источников энергии для обезуглероживания электроэнергии, мы сможем и дальше расширять мощности возобновляемых источников энергии для производства конкурентоспособного зеленого водорода и обезуглероживания секторов, которые трудно сократить, с минимальными дополнительными затратами.

Как вы видите развитие энергетических технологий, связанных с водородом, к 2030 году? Можем ли мы ожидать появления коммерческих автомобилей на водороде?

Мы видим возможность для быстрого внедрения зеленого водорода в следующем десятилетии, когда потребность в водороде уже существует: обезуглероживание аммиака, железа и других существующих товаров. Многие промышленные процессы, в которых используется водород, могут заменить серый цвет зеленым или синим, при условии, что CO2 будет иметь адекватную цену или будут внедрены другие механизмы для обезуглероживания этих секторов.

С судоходством и авиацией ситуация несколько иная. Сменные виды топлива, основанные на зеленом водороде, но практически идентичные топливу для реактивных двигателей и метанолу, полученному из нефти, могут использоваться в существующих самолетах и ​​кораблях с минимальными корректировками или вообще без них. Однако эти виды топлива содержат CO2, который необходимо откуда-то улавливать и добавлять к водороду, чтобы снова высвободить при сгорании: это снижает, но не решает проблему выбросов CO2. Синтетическое топливо может быть внедрено до 2030 года, если будут созданы правильные стимулы для оправдания дополнительных затрат на сокращение (но не полное устранение) выбросов.

В ближайшие годы корабли могут перейти на зеленый аммиак, топливо, получаемое из зеленого водорода и азота из воздуха, не содержащего СО2, но потребуются инвестиции для замены двигателей и баков, а зеленый аммиак в настоящее время намного дороже, чем горючее.

Водородные (или аммиачные) самолеты еще дальше, и это будут, по сути, новые самолеты, которые должны быть спроектированы, построены и проданы авиакомпаниям для замены существующих самолетов на реактивном топливе, что явно невозможно к 2030 году: в этом смысле зеленый реактивный самолет топливо, произведенное из сочетания зеленого водорода и устойчивой биоэнергетики, — это решение, которое может быть реализовано в ближайшем будущем.

В заключение, основными действиями по ускорению декарбонизации до 2030 года являются: 1) энергоэффективность 2) электрификация с использованием возобновляемых источников энергии 3) быстрое ускорение производства возобновляемой энергии (что еще больше снизит и без того низкую стоимость возобновляемой электроэнергии) 4) расширение масштабов устойчивого , современная биоэнергетика, необходимая, среди прочего, для производства зеленого топлива, для которого требуется CO2 5) декарбонизация серого водорода зеленым водородом, что позволит увеличить масштабы и снизить стоимость электролиза, сделав зеленый водород конкурентоспособным и готовым к дальнейшему наращивать масштабы в 2030-х годах для достижения цели достижения нулевого уровня выбросов к 2050 году.

Всемирный экономический форум является давним сторонником повестки дня в области чистого водорода с 2017 года, помогая, среди прочего, в создании Совета по водороду, создании проблемы инноваций в области водорода в партнерстве с Mission Innovation и создании вместе с Комиссия по энергетическому переходу платформы «Выполнима миссия» по оказанию помощи секторам, в которых трудно сократить выбросы, к нулевым выбросам к 2050 году. Подробнее об инициативе «Ускорение использования чистого водорода» читайте здесь.