Зелено решение за производство на водород

Най-общо казано, водородът може да се използва като гориво по два основни начина. Може да се изгори, за да се получи топлина, или може да се подаде във водородна горивна клетка, за да се генерира електричество. Добрата новина е, че след като син или зелен водород бъде произведен, той има различни приложения:
Транспорт:Водородът вече се използва за гориво на автобуси и други форми на обществен транспорт, особено в Япония. Може да се използва и за захранване на товарни камиони и влакове, докато базираните на водород горива като амоняк могат да се използват в авиацията и корабоплаването. По-широкото използване на водород за задвижване на превозни средства ще зависи от това, че цената на водородните горивни клетки става по-евтина и станциите за зареждане с водород стават все по-често срещани.

Производство на електроенергия:Водородът може да се използва за превръщане на възобновяеми енергийни източници в гориво, което след това може да се съхранява и транспортира на дълги разстояния. Водородът и амонякът могат също да се използват в газови турбини и електроцентрали, работещи с въглища, за да се намалят техните емисии.

Отопление на сгради:Водородът има огромен потенциал да замени природния газ за отопление на битови и търговски сгради чрез съществуващата инфраструктура за природен газ. Водородните котли и битовите водородни горивни клетки изискват по-нататъшно развитие, но могат да играят важна роля в бъдеще.

Индустрия:Понастоящем водородът се използва в широк спектър от важни промишлени процеси. Те включват рафиниране на бензин, производство на стомана, обработка на метали и производство на редица химикали.

За разлика от сивия водород, зеленият водород е напълно възобновим както в изходния си материал, така и в енергийните си доставки. За изходен материал зеленият водород днес обикновено се генерира от вода чрез процес, известен като електролиза, който използва електрически ток, за да раздели водата на нейните съставни молекули от водород и кислород. Това се прави с помощта на устройство, наречено електролизатор, което използва катод и анод (положително и отрицателно заредени електроди). Този процес произвежда само кислород – или пара – като страничен продукт. Що се отнася до енергийните доставки, за да се квалифицира като "зелен водород", източникът на електроенергия, използван за електролиза, трябва да произтича от възобновяема енергия, като вятърна или слънчева енергия.

Има три основни вида електролизери:Алкална, протонообменна мембрана (PEM) и твърд оксид. Те се различават по естеството на използвания електролитен материал. Алкалните електролизери използват воден разтвор с алкалноподобна сол, за да осигурят електрическа проводимост, докато PEM електролизарите използват твърда полимерна мембрана (електролит). Електролизерите с твърд оксид използват твърд керамичен материал като електролит, което им позволява да работят при по-висока електрическа ефективност и много по-високи температури. Това позволява използването на пара и външна топлина като източници на енергия, вместо да се разчита на електричество. По този начин електролизата на твърд оксид позволява значително по-ниски разходи за операции, тъй като топлината обикновено е по-евтина и понякога се произвежда естествено като страничен продукт от определени промишлени процеси.

Преди години на водорода се гледаше само като на решение за еволюцията на по-екологичните превозни средства. Тъй като електрическите превозни средства придобиват все по-голяма популярност, водородът все повече се разглежда като решение за други индустрии.

Търсенето на водород продължава да нараства, тъй като употребата му се разширява в промишлените и производствени индустрии за различни цели, включително рафиниране на нефт, производство на стомана и производство на цимент. Въпреки това, тъй като популярността на водорода нараства, значението на зеления водород не може да бъде надценено. Обезпокоително е, че 98% от водорода се произвежда от изкопаеми горива, без да има въведен контрол или регулации за емисиите на въглероден диоксид. Но зеленият водород има потенциала да промени това - завинаги.

От дим от комерсиално производство на растения до изгорели газове от бензинови и дизелови автомобили, производството на екологичен водород намалява или елиминира необходимостта от енергийни източници на изкопаеми горива, които отделят големи количества въглероден диоксид във въздуха. В индустрията на центровете за данни, тъй като системите за съхранение разработват водород, той може да се използва вместо захранвани с дизел резервни генератори за захранване на бъдещи центрове за данни. В резултат на това предимствата на зеления водород изобилстват, позволявайки на правителствата и организациите да укрепят националната енергийна сигурност, да пестят гориво, да намалят общите емисии и да диверсифицират енергийните опции за транспорт от автомобили до обширни системи за обществен транспорт.

Технологията за зелен водород не можеше да бъде представена в по-подходящ момент. Администрацията за енергийна информация на САЩ прогнозира, че глобалното търсене на енергия ще се увеличи с 47% до 2050 г. Единственият начин да се компенсира това търсене под формата на производство на енергия от нефт и въглища е чрез приемане на по-екологични методи, като зеления водород.

И благодарение на технологичните открития, които по същество декарбонизираха производството на водород, много компании се обръщат към компенсации на въглеродни емисии, които използват зеления водород, за да намалят въглеродния си отпечатък и да постигнат агресивните цели на ESG.

Процесът на генериране на зелен водород има предимства. Международната агенция по енергетика (IEA) заявява, че зеленият водород спестява приблизително 830 милиона тона въглероден диоксид, отделян годишно в сравнение с това, когато газът се произвежда с помощта на традиционни методи за изкопаеми горива. Това е еквивалентно на емисиите за цяла година от Обединеното кралство и Индонезия взети заедно!

Точно както при всяка нова технология, има някои предизвикателства за преодоляване, докато зеленият водороден бум се налага. Някои въпроси, които трябва да се вземат предвид, включват ефективността на процеса и разходите за производство в голям мащаб, в допълнение към установяването на дългосрочни решения за съхранение под налягане. Като оставим настрана предизвикателствата, зеленият водород е вълнуваща нова технология, която може да помогне за балансирането на така необходимото широкомащабно производство на зелена енергия.

Голяма част от преминаването от изкопаеми горива включва електрифициране на някои от ежедневните машини, които използваме, които се захранват с петрол и газ – например автомобили и местен транспорт и отопление за домове в някои страни. За тези, които вече са електрифицирани, като компютрите и домакинските уреди, електричеството от ядрени и възобновяеми източници като вятър и слънчева енергия заместват въглищата.

Но има някои индустрии, които изискват толкова много енергия, че традиционните възобновяеми източници на енергия не могат да отговорят на тяхното търсене. Това е проблем, защото тези индустрии са сред най-големите източници на парникови газове.

Това е мястото, където експертите казват, че зеленият водород има огромен потенциал.
„Електричеството от източници като вятър, слънчева и ядрена енергия е от съществено значение за декарбонизирането на нашата енергийна система – но не може да го направи сама, а транспортът на дълги разстояния и тежката промишленост са дом на най-трудните за намаляване емисии“, каза енергиен анализатор в Международна енергийна агенция.

„Водородът е достатъчно гъвкав, за да запълни някои от тези критични пропуски – в осигуряването на жизненоважни суровини за химическата и стоманодобивната промишленост или ключови съставки за нисковъглеродни горива за самолети и кораби“, каза Реме пред CNN.

Работата на самолет или голям кораб, например, изисква толкова много енергия, че всяка батерия, използвана за съхраняване на електричество от слънчева или вятърна енергия, вероятно би била твърде голяма и тежка за кораба. Зеленият водород, от друга страна, може да бъде в течна форма и е по-лек. Според Airbus, който разработва търговски самолет с нулеви емисии, енергийната плътност на зеления водород е три пъти по-висока от реактивните горива, които използваме днес.

Докато течният зелен водород би отделял нула въглерод, той има някои ограничения. При изгаряне в открита атмосфера се отделя малко количество азотен оксид, който е мощен парников газ. Ако обаче водородът се подава през горивна клетка, той ще отделя само вода и топъл въздух.

Някои малки самолети са успели да летят с горивни клетки, захранвани с водород, въпреки че технологията все още не е мащабирана в търговската мрежа.

В момента всички са готови да постигнат климатичните цели. Енергийният преход наистина се нуждае от голям тласък. Водородът може да има важен принос за това. Сътрудничеството е от съществено значение, за да можем да използваме водорода успешно, например, за да допринесем за намаляване на CO2 в промишлеността, електронните горива за самолети и използването в застроената среда. Но са необходими инвестиции и има въпроси.

Какво е водород?
Водородът е най-често срещаният елемент в нашата Вселена. При нормални обстоятелства той е газообразен и говорим за водороден газ (H2). Водородът е и най-лекият газ, който познаваме, и следователно има ниска енергийна плътност на единица обем (в m3). На тегло (в kg) водородът има висока енергийна плътност от 120 мегаджаула (MJ) на kg. Това е почти три пъти повече от природния газ (45 MJ на kg). Водородът често е под налягане. Налягането (компресирането) на водородния газ обаче също изисква необходимата енергия (около 10%).

Какво е сив и син водород?
Почти целият водород, произвеждан в момента в световен мащаб, е така нареченият „сив водород“. Понастоящем производството се извършва чрез парно преобразуване на метан (SMR). Тук парата под високо налягане (H2O) реагира с природния газ (CH4), което води до водород (H2) и парников газ CO2. В Холандия приблизително 0.8 милиона тона H2 се произвеждат по този начин, използвайки четири милиарда кубични метра природен газ и генерирайки CO2 емисии от 12,5 милиона тона.
Терминът „син водород“ или „нисковъглероден водород“ се използва, когато CO2, освободен в процеса на производство на сив водород, е до голяма степен (80-90%) уловен и съхранен. Това се нарича още CCS: Улавяне и съхранение на въглерод. Това може да се случи в празни газови находища под Северно море. Никъде другаде по света син водород не се произвежда в голям мащаб.

Какво е зелен водород?
Зеленият водород, известен още като „възобновяем водород“, е водород, който се произвежда с устойчива енергия. Най-известната е електролизата, при която водата (H2O) се разделя на водород (H2) и кислород (O2) чрез зелено електричество. Голям брой страни в Холандия експериментират с тези мегаватови електролизатори. Водород се отделя и при високотемпературна газификация на биомаса.

Какво е тюркоазен водород?
Водородът, произведен от природен газ чрез така наречената технология за пиролиза на разтопен метал, се нарича „тюркоазен водород“ или „нисковъглероден водород“. Природният газ преминава през разтопен метал, който отделя водороден газ, както и твърд въглерод. Последните могат да намерят полезно приложение например в автомобилни гуми. Тази технология все още е в лабораторна фаза и ще отнеме поне десет години, за да бъде реализирана първата пилотна инсталация.

Какви са по-нататъшните основни разлики между синьо и зелено?
В допълнение към метода на производство има редица други ключови разлики:
Само зеленият водород, произведен чрез електролиза, гарантира, че големи количества устойчива електроенергия, произведена в морето и на сушата, могат да бъдат правилно интегрирани в нашата енергийна система. Само електролизата може да преобразува електричеството във водород гъвкаво (при поискване) и след това да го съхранява.
В допълнение, развитието на широкомащабна електролиза ще помогне за посрещане на нарастващото търсене на електроенергия и по този начин ще стимулира растежа на устойчивата енергия.
Разлика има и в качеството. Зеленият водород има по-висока степен на чистота и може да се използва веднага, например в горивната клетка на превозно средство. Синият водород има по-ниско ниво на чистота, достатъчно за промишлено приложение.
Производството на син водород е начин за „декарбонизиране“ на индустрията, т.е. намаляване на CO2, в голям мащаб и на сравнително ниска цена.

Белият водород от почвата чистият енергиен източник на бъдещето?
Вече познаваме сивия, синия и зеления водород, но сега изглежда, че има и бял или естествен водород. Това идва от почвата, точно като природния газ. Когато водородът се изгаря с кислород, се отделя само вода. Белият водород е естествен водород от подземните повърхности, който има потенциала да се превърне във важен енергиен източник на бъдещето, ако бъде произведен чрез електролиза на вода с вятърна или слънчева енергия (зелено).
След това не се прави от естествена пепел или въглища (сиво), дори и чрез първо улавяне на CO2 (синьо). Газът се използва главно за загряване на процеси в химическата промишленост и в производството на стомана и торове. При прехода от изкопаеми горива към зелена енергия, тя може да служи като буфер за съхранение на електроенергия по време на периоди без слънце и вятър.

Каква роля играе водородът в енергийния преход?
В настоящия ни енергиен микс приблизително 20% се доставят под формата на електричество и 80% под формата на природен газ или течно изкопаемо гориво (бензин, дизел). Нашите климатични цели ще променят значително тази ситуация в близко бъдеще. Рязко ще се увеличи делът на електроенергията, генерирана от вятърна и слънчева енергия. За редица приложения като тежък транспорт, високотемпературни процеси в промишлеността и авиацията все още липсва добро електрическо решение и все още има нужда от устойчив газ. Водородът може да играе полезна роля тук. В допълнение, водородът е важен под формата на мащабно съхранение за онези моменти, когато е безветрено и облачно.

Кои страни също работят върху водорода?
Страни като Норвегия, Австралия, Мароко, Чили, Саудитска Арабия, Китай и Япония са много активни със зелен водород, главно защото има значителна (потенциална) наличност на евтина възобновяема енергия от вятърна, слънчева или водна енергия за производство на зелен водород. Изключение от това обаче е Япония, която до голяма степен зависи от вноса за своите енергийни доставки и е разработила стратегия за внос на (зелен) водород в голям мащаб. Ключовата му роля е в развитието на технологиите. Холандия е в добра позиция благодарение отчасти на нашите познания за технологията за газ и електролиза, големия потенциал за вятърна енергия в Северно море и енергоемката индустрия, която трябва да поеме силен ангажимент към устойчивостта.

За какво ще използваме водорода?
Водородът е особено важен за преработващата промишленост. Сега се използва главно за производство на торове, но в бъдеще може да се използва и за високотемпературни процеси като производство на стомана, за което сега се използват природен газ или въглища. Освен това водородът ще играе роля в мобилността, например за междуградски автобуси, които трябва да изминават по-големи разстояния и където електрическото шофиране не е решение.

Какво означава водородът за гражданите?
В краткосрочен план няма да се види много. Използването на водород в домовете, например, ще бъде отдавна закъсняло, ако това изобщо се случи. За по-голямата част от домовете колективната отоплителна мрежа или електрическата термопомпа предлага по-добро решение. В трафика броят на водородните автомобили (понастоящем по-малко от сто) и броят на станциите за зареждане с водород (през 2018 г.: 3) бавно ще нарастват.

Какви са рисковете?
Водородът е много лек газ, силно запалим и се използва при мобилност под налягане до 700 бара. Както всеки друг газ, важно е да се борави внимателно с него по време на производство, транспорт и употреба и да се остави изключително на професионални компании. Ако водородът трябва да се използва в съществуващите газопроводи, важно е да се проучи допълнително как водородът всъщност се „държа“ на практика. Водородът е по-лек от природния газ и може да излезе по-лесно от клапаните и уплътненията.

Какво прави TNO по отношение на изследванията на водорода?
TNO е независима организация, която провежда авангардни приложни изследвания. Изследванията на водорода се фокусират върху производството, инфраструктурата и приложенията (преобразуване и крайна употреба). През 2020 г. TNO предприе над 50 проекта, свързани с тези теми. Връзки към избрани от тези проекти могат да бъдат намерени по-долу (точка 15).

Докъде е развитието на зеления водород?
Около 230 проекта за електролиза са влезли в експлоатация между 2000 г. и 2018 г. с общ капацитет от около 100 MW (източник: IEA 2019, Бъдещето на водорода). През 2020 г. глобалният инсталиран капацитет беше 200 MW и приблизително 2400 MW до края на 2023 г. Тези цифри показват, че ние едва започваме и че трябва да разработим изцяло нова верига за доставки.
Имаме нужда от нови компании, нови доставчици и нови производители, за да разработим материали и компоненти за по-големи електролизни системи от следващо поколение. Това е златна възможност за холандската високотехнологична индустрия. Целта на Европейския съюз е да инсталира 40 GW мощности за електролиза в Съюза до 2030 г. и още 40 GW в Северна Африка. Постигането на тази цел ще изисква от нас да ускорим темпото както на технологичните иновации, така и на действителните проекти.

Кои са най-големите технически предизвикателства, свързани с електролизата?
По отношение на електролизата на водата в момента има четири налични технологии (AEM, SOE, PEM и алкална), всяка със своите специфични предимства, недостатъци и ниво на зрялост. Разгледайте нашия видеоклип за производството на водород чрез електролиза (отваря се в нов прозорец или раздел) (препраща към друг уебсайт). И за четирите технологии трите основни изследователски предизвикателства са:
за намаляване на капиталовите разходи, свързани със системата
за подобряване на ефективността на системата
за преодоляване на бариерите пред широкомащабното производство, така че до 2030 г. да може да се постигне годишен световен производствен капацитет на електролизери от 30 GW.

Продуктите се продават във всички региони на Китай и се изнасят в страни по света. Те са продадени в повече от 20 страни и региони, включително Съединените щати, Германия, Мароко, Кения, Саудитска Арабия, Виетнам, Алжир, Индия, Танзания и Тайван. Успешно предоставени добре известни предприятия като China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group и други добре известни предприятия. Има много станции за хидрогениране на зелен водород и водород като Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming и т.н. осигуряват екологични проекти и проекти за производство на водород.