Going Green: Възможности и предизвикателства за глобалната водородна икономика
Чистата водородна енергетика се разглежда от много страни като ключът към постигането на нулеви емисии. Но освен големите перспективи, пред „основният елемент“ на икономиката на бъдещето стоят сериозни трудности, свързани преди всичко с инфраструктурата и регулирането.
Какви са тенденциите?
Смята се, че водородната енергетика може да се превърне в основа на икономиката на бъдещето, в която чистият водород трябва да бъде основен носител за акумулиране, съхранение и транспортиране на енергия. Мащабното внедряване на водорода ще декарбонизира енергетиката и индустрията, и по този начин ще забави изменението на климата.
От бутален двигател до нулеви емисии
Интересът към водорода като гориво се появява преди повече от 200 години. През 1806 г. френският изобретател Франсоа дьо Ривас създава първия бутален двигател, задвижван от смес от газообразен водород. През 1842 г. англичанинът Уилям Гроув разработва първата водородна горивна клетка.
В края на 19 век бащата на научната фантастика Жул Верн е мечтаел, че водородът да се превърне в „неизчерпаем източник на светлина и топлина“, заменяйки изкопаемите горива. Съвсем скоро след това мечтите му започнали да се сбъдват. През 1927 г. норвежката компания Norsk Hydro Electrolysers произвежда първия индустриален електролизатор. През 1966 г. General Motors представи първия автомобил с водородни горивни клетки., а през 1987 г. беше изстреляна най-мощната ракета-носител в СССР “Енергия”, задвижвана от течен водород – общата мощност на двигателите й беше 170 милиона к.с.
Водородната енергетика като отделна индустрия започна да се формира след голямата нефтена криза през 1973 г. След нея много страни започнаха да търсят начини за независимост от доставките на въглеводородни суровини. Транспортът се превърна в основната област на приложение на водорода – в продължение на няколко десетилетия учени и инженери усъвършенстваха ефективността на горивните клетки и те вече имат достатъчно широко внедряване – от автомобилите до дроновете.
През 21-ви век водородът се превърна в жизненоважен елемент в борбата срещу изменението на климата, като правителствата си поставиха за цел да удържат повишаването на глобалната температура в рамките на 1,5°C до 2050 г. Според Международната агенция за възобновяема енергия (IRENA) водородът ще може да допринесе с 10% по пътя към нулеви емисии на CO₂ чрез намаляване на въглеродния отпечатък на тежката промишленост и транспорта на дълги разстояния, както и чрез осигуряване на сезонно съхранение на енергия.
Видове водород
Според доклад на Международната агенция по енергетика (IAE) през 2021 г. в света са произведени 90 милиона тона водород. Повече от 95% от водорода се получава от изкопаеми източници, а обемът на емисиите на въглероден диоксид е далеч от „зелената цел“ – 900 милиона тона.
Една трета от търсенето на водород е свързано със синтеза на амоняк за производството на торове, 20% – за метанол и стоманодобивната промишленост. Водородът е изключително важен и за такива сектори на реалната икономика като нефтопреработката, стъкларската промишленост, хранително-вкусовата промишленост и традиционната енергетика (за охлаждането на турбините в топлоелектрическите и атомни електроцентрали).
На получения водород се приписват различни цветове в зависимост от метода на производство, а именно:
Сивият водород се получава от природен газ метан чрез конверсия – смесване с водна пара и нагряване. Това е най-евтиният, но и най-мръсният способ. Цената на производството на сив водород е 1–2 долара за 1 кг, но количеството емисии на въглероден диоксид е сравнимо с традиционното изгаряне на въглеводородни горива. В момента сивият водород заема около 75% от пазара.
Кафявият водород, който заема 20% от обема, произведен в света, се получава чрез газификация на въглища – окисляване при високи температури. От гледна точка на цена и замърсяващ капацитет той е наравно със сивия водород.
Синият водород също се произвежда чрез парова конверсия на метан, но процесът предполага наличието на технология за улавяне на въглероден диоксид (Carbon capture and storage, CCS), който се нагнетява в специални хранилища. Производството му изисква повече суровина и повече енергия, отколкото при сивия водород. Учените смятат, че произведеният по този начин водород далеч не е екологичен, тъй като емисиите на парникови газове в атмосферата са по-ниски от тези на сивия водород, само с 9–12%. Синият водород струва около 2,8–3,5 долара за 1 кг.
Тюркоазеният водород е много по-екологичен. Той е продукт на пиролиза на метан – разлагане на газ под действието на високи температури и отсъствието на кислород. Заедно с него се получава твърд въглерод, който може допълнително да се използва в промишлеността, като например за производството на стомана. Цената му е около $2.
И накрая, зеленият водород, който се надява да декарбонизира бъдещето. Произвежда се чрез електролиза: енергията се генерира с помощта на възобновяеми енергийни източници (ВЕИ; слънчеви, вятърни турбини и водноелектрически централи) и електрическият ток се използва за разграждане на водата на водород и кислород. Това е най-скъпият вид водород, тъй като засега все още цените за производство на възобновяема енергия са по-високи спрямо традиционните и той може да струва до $9 за 1 кг.
Освен това в класификацията в включен жълт или розов водород , който също се смята за екологично чист както зеления и се произвеждат чрез електролиза, но енергията идва от атомни електроцентрали. Засега в света има само един демонстрационен проект за производството му – завод с мощност 1 MW в САЩ.
В IAE смятат, че за да се изпълнят ангажиментите по изменение на климата, до 2030 г. трябва да бъдат произведени 34 милиона тона водород с ниски емисии и съответно – 100 милиона тона до 2050 г. Агенцията залага преди всичко на синия и зелен водород. Сега делът на синия е под 1%, а на зеления – едва 0,1%. За да се увеличат многократно производствените обеми, е необходимо да се реализират десетките вече обявени проекти и да се постигне намаление на цените на електролизаторите – инсталациите за промишлено производство на зелен водород.
Екипи от учени по целия свят търсят способи да направят най-чистия водород по-евтин. Например американски изследователи предлагат да се използват по-евтини материали за процеса на електролиза. Китайски учени са променили свойствата на катализаторите, участващи в електролизата, и са успели ефективно да отделят водород от морската вода, чиито запаси са неизмеримо по-големи от прясната вода. В Русия е разработен метод за получаване на водород чрез окисляване на алуминиеви частици във вода под въздействието на лазер – в този процес се използва два пъти по-малко енергия, отколкото при традиционната електролиза.
Но тези и други подобни разработки са все още на лабораторно ниво и внедряването им ще изисква много време и ресурси.
Проекти за преход към зелен водород
Транспортът остава основното приложение на водородната енергия. Търсенето на водород в транспортния сектор през 2021 г. възлезе на едва 0,03% – 30 хиляди тона. Въпреки че делът е незначителен, той е с 60% повече от година по-рано. Водещите компании в автомобилната индустрия в тази посока са Toyota и Hyundai, които произвеждат автомобили с водород, и Honda, която се готви да пусне водороден кросоувър. Самолети, задвижвани с водород, се тестват от ZeroAvia и Universal Hydrogen. Компанията Alstom в Германия и CRRC, заедно с Chengdu Rail Transit в Китай, пуснаха в движение първите водородни влакове.
Транспортът представлява 37% от световните емисии на CO₂, а останалите идват преди всичко от промишлеността и производството на топлина и електроенергия. В момента по целия свят върви изпълнението на големи проекти за електролиза, които ще доставят на пазара чист водород и ще „озеленят“ тези области на икономиката.
Лидер в производството на зелен водород е Китай, където работи най-мощният в света електролизер с мощност 150 MW, способен да произвежда 24 хиляди тона чист водород годишно. IEA прогнозира ръст мощността на електролизерите до 1,4 GW през 2023 г., като делът на Китай ще състави 40% от световното производство на водород. Sinopec изгражда най-големия завод в Ordos,Вътрешна Монголия за производство на 30 хиляди тона водород годишно и завод Kuqa за 20 хиляди тона в провинция Синдзян. Плановете на компанията до 2025 г. са да произвежда 2 млн. тона годишно.
Американската Green Hydrogen International (GHI) планира да изгради в Тексас хъб за производство, съхранение и транспортиране на водород с капацитет 60 GW – Hydrogen City. Обемите след пускането на целия комплекс ще възлизат на 3 милиона тона зелен водород годишно, които ще бъдат насочени, наред с други цели, към производството на чист амоняк и авиационно гориво. Първата фаза от 2 GW се очаква да бъде завършена през 2026 г.
Съхранението на водород е един от основните инфраструктурни проблеми, тъй като не навсякъде има условия за изграждане на системи за съхранение. Едно от най-големите хранилища за водород трябва да се появи и в САЩ. Mitsubishi Power Americas и Magnum Development LLC го изграждат в Юта. Капацитетът на подземното хранилище ще бъде 300 GW.
Индия е третият по големина емитент на CO₂ след Китай и САЩ, така че големите зелени проекти са особено подходящи за страната. Например производителят на възобновяема енергия Adani Green Energy обяви проект за електролиза с мощност 2 GW за $5 млрд. Централата ще се захранва от 4 GW енергия, произведена от слънчеви клетки и вятърни паркове, и ще може да генерира 1 милион тона водород до 2030 г.
Краткосрочните планове на Европа за чист водород са 1 милион тона до 2026 г. В ЕС има много малки водородни проекти, често насочени към използване на горивни клетки в транспорта. В момента испанската Iberdrolla е най-големият производител на чист водород след пускането в експлоатация на завод в Puertollano с мощност на електролизера от 20 MW. Предприятието ще може да произвежда до 3 хиляди тона чист водород годишно, което ще стане суровина за производството на зелен амоняк, обещаващо екологично гориво за речни и морски съдове.
Трудности на прехода
Очевидните предимства на зелените водородни технологии са липсата на вредни емисии, безкрайни запаси, широкия спектър от приложения (от автомобили до металургия) и високата енергийна ефективност.
Но пазарът на водородна енергия все още е в начален стадий. В допълнение към високата цена за производството на зелен водород, има редица бариери, които възпрепятстват ускореното му развитие.
Липса на достъпни технологии за транспортиране и съхранение
Водородът има сложен „характер“: експлозивен е, има ниска плътност в газообразно състояние и прониква дори през стомани с висока якост. Експертите предлагат водородът да се транспортира във втечнено състояние при -253°C, в амоняк или метанол, като бутилиран газ. Но всички тези методи го оскъпяват поради повишените разходи. Първата в света доставка на втечнен водород от Австралия до Япония се състоя едва в началото на 2022 г.
Най-оптималният начин за съхраняване на водород е чрез нагнетяването му в подземни хранилища, а именно в солни пещери (кухини с големи обеми в пластовете от залежите на каменна сол), които не се срещат толкова често, особено там където се предполага високо потребление.
Ограничена инфраструктура
Сега почти целият водород се произвежда на или близо до местата на потребление, тъй като няма инфраструктура за транспортиране. Според различни оценки дължината на тръбопроводите за водород е ограничена до 4,5–5,2 хиляди км. Общият темп на растеж на този пазар до 2026 г. ще бъде само 40%. Като алтернатива се предлага да се използва съществуващата газопреносна мрежа за доставки, но отново водородът в природния газ прави метала крехък.
Регулаторни въпроси
Засега няма сигурен метод за да се определи каква технология е използвана за получаване на водород – и зеленият, и сивият имат еднакъв химичен състав. Към момента Япония, Китай и Австралия имат свои собствени системи за потвърждаване на качеството, но енергийните асоциации предлагат да се хармонизира сертифицирането и то да стане унифицирано.
IEA препоръчва на правителствата да премахнат регулаторните бариери, за да ускорят прехода чрез създаване на ясна и стабилна регулаторна рамка, която ще бъде калибрирана към пазарните промени. Друг съвет е да се определят ясни правила, но да не се прилагат прекалено строги регулации към пазарните играчи, тъй като те биха могли да обезсърчат инвестициите в сега зараждащия се пазар.