Направи дарение на училище!

Изгрява звездата на водорода като преходно гориво към чиста енергия

Не можете да го видите или докоснете, но той е във всичко, което виждате и докосвате.

Говорим за водорода – най-изобилният елемент във Вселената – и неговия потенциал като крайъгълен камък на енергийния преход, който в днешно време генерира толкова много вълнения в енергийната индустрия и извън нея.

Защо напоследък около водорода се вдига такъв шум, за какво се използва той и какъв е потенциалът му да помогне за постигане на климатичните цели?

Разбери повече за БГ Наука:

***

В световен мащаб, чистият водород и водородните горива биха могли да играят централна роля в усилията за декарбонизиране на глобалната енергийна система, наред с технологии като възобновяеми енергийни източници (ВЕИ) и решения за улавяне, използване и съхранение на въглерод.

Като част от сценария за нетни нулеви емисии 2021-2050 г., водородът и горивата на основата на водорода могат да избегнат до 60 гигатона емисии на CO2 до средата на века – еквивалентно на 6% от общите кумулативни намаления на емисиите, според Международната агенция по енергетика (МАЕ).

Употреба на водорода

Едно от основните предимства на водорода е, че е идеалното допълнение към ВЕИ. Вятърът, слънчевата енергия и другите възобновяеми източници остават жизненоважни за глобалния енергиен преход и те могат да бъдат допълнени от генериране на електроенергия при необходимост, когато производството от възобновяеми източници не може да задоволи цялото търсене на електроенергия.

Причината частично се състои в потенциала на водорода да помогне за декарбонизирането на сектори като трудни за намаляване на емисиите индустрии, мобилност и производство на електроенергия.

Днес по-голямата част от водорода се използва от рафиниращата и химическата промишленост. Търсенето за промишлена употреба се е утроило от 1975 г. насам и потенциалът му като гориво за енергиен преход може да нарасне експоненциално.

По същия начин водородът може да помогне за декарбонизирането на трудни за електрифициране сектори на тежката мобилност като корабоплаване, железопътен транспорт и автобуси. Global Hydrogen Review 2022 на МАЕ отбелязва положителни признаци на напредък в тази област наскоро, особено след като първият парк от влакове, задвижвани от водородни горивни клетки, започна да работи в Германия.

В момента съществува силен интерес към чистия водород от страна на глобални играчи, с няколко стратегически партньорства в рамките на корабния сектор, които искат да ограничат емисиите си в лицето на все по-строгите регулаторни ограничения, наложени на собствениците и операторите на флоти от Международната морска организация. В момента се изпълняват повече от 100 пилотни и демонстрационни проекта, използващи водород или негови производни за гориво за корабоплаването.

Някои тежки индустрии също са нетърпеливи да прегърнат декарбонизиращия потенциал на водорода. Година след като първите експериментални проекти произвеждат чиста „зелена“ стомана с помощта на възобновяема енергия, бяха обявени вълна от нови стоманени проекти, които ще използват водород без емисии при директното намаляване на желязото.

Увеличението от 5% на глобалното търсене на водород между 2020 г. и 2021 г. отразява общото увеличение както на новите, така и на традиционните приложения в отделните региони. Глобалният пазар за производство на водород по отношение на приходите се оценява на 160 милиарда долара през 2022 г. и е готов да достигне 263,5 милиарда долара до 2027 г., нараствайки с годишен темп от 10,5% до 2027 г.

Чистият водород е мощен инструмент, който може да подкрепи специфичните нужди на различните страни, да допълни природните дадености и да свърже регионите, както е отразено от 26 държави, прокарващи национални политики за водорода. Благодарение на неговата гъвкавост, способността му за декарбонизиране на трудни за намаляване на емисиите сектори, осигуряване на енергийна сигурност и преразпределяне на възобновяема енергия между географски райони, вече има над 680 проекта в процес на подготовка, като всеки географски регион играе ключова роля. Например Европа е дом на 30% от инвестициите във водород, докато Северна Америка управлява 80% от глобалния нисковъглероден водороден капацитет. Междувременно Южна Корея и Япония са от съществено значение за подкрепата на веригата за доставки, тъй като са произвели половината от световния капацитет за производство на горивни клетки.

Водородната дъга

Важно е да се отбележи, че не всички видове водород се създават еднакво. Съществуват различни начини на добиване на водород, които водят до емитирането на различно количество парникови газове. Въпреки че е безцветен газ, водородът е етикетиран в дъга от цветове, всеки от които представлява различен метод на производство със собствен отпечатък на емисии. Това са трите основни цвята на водорода:

Сив водород – той се произвежда чрез изгаряне на природен газ, който отделя CO2 в атмосферата. Този метод отделя по-малко емисии от черния или кафявия водород, произвеждани с помощта на различни видове въглища.

Син водород – с ниско съдържание на въглерод, произведен от изгаряне на природен газ за преобразуване на метан с пара, във връзка с технология за улавяне и съхранение на въглерод, премахваща повечето емисии на CO2 от димните газове, който се съхранява сигурно под земята. В този случай водородът може да бъде обозначен като „чист“ само ако изтичането на метан е сведено до минимум почти до нула, степента на улавяне на въглерод е висока и уловеният въглерод се съхранява постоянно под земята, за да се предотврати изпускането му в атмосферата.

Зелен водород – произвежда се без емисии с помощта на електролизатор, захранван от възобновяема енергия. Тоест това е чистият водород, наричан още и възобновяем водород, който се произвежда чрез електролиза – провеждане на електрически ток във вода. Електричеството, което се използва, следва да бъде от възобновяеми източници. При този процес не се емитират парникови газове.

Въпреки че тези прости описания обясняват различните начини за производство на водород, липсва глобален консенсус по отношение на водородните стандарти, например няма специфично ограничение на въглеродния интензитет за нисковъглероден и възобновяем водород. И двата производствени маршрута ще трябва да постигнат проверим интензитет с ниски въглеродни емисии, който се движи към почти нула до 2030 г., според доклада за пробивната програма за 2022 г. – сътрудничество между МАЕ, IRENA и лидерите на високо ниво на ООН по изменението на климата.

По-голямата част от използвания днес водород се генерира с помощта на изкопаеми горива, което отделя CO2 в атмосферата и допринася за климатичната криза. През 2021 г. природният газ е представлявал около 60% от общото производство, като въглищата представляват около 20%, по данни на МАЕ.

Към момента зеленият водород представлява само около 0,1% от общото производство на водород, но предстои да се увеличи, тъй като цената на възобновяемата енергия и технологията с електролиза продължава да пада.

Изграждане на чисто водородно бъдеще

Търсенето на водород надхвърли 94 милиона тона през миналата година, което съдържа енергия, равна на около 2,5% от глобалното крайно потребление на енергия, спрямо общо 91 милиона тона преди пандемията през 2019 г., показват данни на МАЕ.

Въпреки че по-голямата част от увеличението идва от мръсни източници, има признаци на положителна промяна на хоризонта със скок в нисковъглеродните водородни проекти, които се планират, включително няколко в напреднал етап.

В същото време, в резултат на настоящата енергийна криза, се вижда, че правителствата все повече следват ориентирана към бъдещето стратегия, инвестирайки в нова инфраструктура за природен газ и втечнен природен газ, която в бъдеще може да поеме чист водород.

Ако всички настоящи проекти бъдат пуснати онлайн, до 2030 г. нисковъглеродният водороден капацитет може да достигне 16-24 Mt годишно, като зеленият водород от електролизери представлява 9-14 Mt, а синият водород – между 7-10 Mt.

Въпреки това някои сектори сехарактеризираще с несигурности относно бъдещото търсене на водород, непоследователни регулаторни рамки и липса на налична инфраструктура за транспортиране на водород, поради което засега само 4% от новите проекти са в процес на изграждане или са стигнали до окончателно инвестиционно решение.

През 2022 г. годишният капацитет на електролизерите се е удвоил, за да достигне 8 гигавата. Ако всички нови проекти, обявени от индустрията, бъдат реализирани, това може да достигне 60 гигавата годишно до 2030 г. И ако това се случи успоредно с планираното увеличаване на производствените мощности, цената на електролизаторите може да падне със 70% до 2030 г. в сравнение с цените за 2022 г. – подобно на драстичните спадове на цените, които помогнаха за увеличаване на използването на вятърна и слънчева енергия.

На фона на тези признаци на напредък се чуват и думи на предпазливост. Производството на чист водород не нараства достатъчно бързо, за да изпълни сценария на МАЕ за нетни нулеви емисии до 2050 г.

Необходими са спешни действия за насърчаване на по-големи инвестиции и стимули както за увеличаване на предлагането, така и за създаване на търсене на първокласен нисковъглероден водород.

Това е фокусът на инициативата за ускоряване на чистия водород, която работи със заинтересовани страни от всички държави, за да даде възможност за икономика с чист водород в ключови географски райони още през 2030 г., мобилизирайки публични и частни участници около ключови благоприятни рамки в конкретни географски региони.

Как да ускорим зелената водородна революция?

Потенциалът на зеления водород да компенсира прекъсванията на слънцето и вятъра при ВЕИ, докато гори като природен газ и служи като суровина в промишлени химически процеси, вече предизвика сериозно интереса на бизнеса, правителствата и инвеститорите.

Зеленият водород се произвежда чрез електролиза – процес, който разделя водата на водород и кислород, използвайки електричество, генерирано от възобновяеми източници. Днес той представлява само 0,1% от световното производство на водород и на ок. 2% от енергийното потребление на ЕС. Въпреки това намаляващите разходи както за възобновяема електроенергия (представляващи ок. 70% от разходите за производство на водород), така и за технологията за електролиза показват, че зеленият водород може да бъде следващата най-добра инвестиция в света на чистата енергия.

За мнозина – включително петролни и газови играчи, големи комунални услуги, индустрии от стомана до торове и други – зеленият водород се счита за най-добрият залог за хармонизиране на периодичността на ВЕИ, като същевременно декарбонизира гладните за енергия индустриални, химически и транспортни сектори.
Той може да бъде чудесен източник на гориво, защото освен, че не причинява емисии на парникови газове (водата е единственият страничен продукт в процеса), може да се използва за производство на други газове и на течни горива. Също така вече съществуващата инфраструктура за пренос и съхраняване на природен газ може да се пригоди за водорода. И не на последно място енергийната плътност на водорода е висока и той може да се използва за превози на тежки товари на далечни разстояния.

Депутатите от европарламента сега се обявяват за създаване на европейски пазар на водорода и развитие на инфраструктурата, включително анализ на възможностите за използване на газопроводите за пренос и съхраняване на водород.

В същото време те смятат, че трябва да се изведе от употреба водородът, произвеждан от изкопаеми горива. Вносният водород трябва да отговаря на същите изисквания както и произведения в ЕС водород, за да се избегне рискът от преместване на бизнеса извън Европа.

Европейската комисия представи през 2022 г. стратегията REPowerEU за осигуряването на достъпна и устойчива енергия в Европа. Планът е свързан със стремежа на ЕС да намали зависимостта си от руските изкопаеми горива и да насърчи зеления преход.

REPowerEU предвижда увеличаване на производството на водород на 20 мегатона годишно до 2030 г. в сравнение с 10 мегатона годишно, които бяха заложени в стратегията за водорода до 2020 г.

Като част от законодателния пакет „Подготвени за цел 55“, насочен към намаляване на емисиите на парникови газове, депутатите одобриха през октомври 2022 г. позицията си по проектоправила за развитие на инфраструктурата за алтернативни горива, сред които са електричество и водород.

През 2021 г. в ЕС е имало само 136 станции за зареждане с водород, а европарламентът настоява до 2028 г. да има по една такава станция на всеки 100 км по основните пътища в Европа.

Макар зеленият водород да набира популярност в индустриите, той все още е изправен пред множество предизвикателства. За да отговорят на търсенето на пазара, организациите ще трябва да разширят мащаба си и да подобрят дизайна на зелените си водородни инсталации. Въпреки това, въз основа на ограничени пазарни данни оптимизирането на дизайна на инсталациите и системите за зелен водород от край до край може да бъде скъпо и невероятно сложно. Освен това, много от тези големи съоръжения са изградени в рамките на съществуващи индустриални клъстери, което добавя друго измерение на проектиране, за да се осигури ограничено въздействие върху съществуващите операции по време на прехода към зелен водород.

Сред увеличените инвестиции, правителствената подкрепа, инженерното развитие и квалифицираната работна сила, дигиталната технология е един от критичните лостове за ускоряване на прехода към зелен водород – особено изкуственият интелект на нещата (AIoT) – комбинация от изкуствен интелект и технология за интернет на нещата, която дава възможност за оптимизиране и автоматизиране на системи чрез подобрено управление на данни и анализи.

Така че модерната цифрова технология може да помогне за ускоряване на прехода към зелен водород по различни начини. AIoT може да създава дигитални близнаци за предварително прецизно прогнозиране на рисковете и печалбите и въобще функционирането. Също така може да прави мониторинг, контрол, разширен анализ за установяване и отстраняване на всякакви аномалии и проблеми в процеса. 

С подкрепата на Science+

Автор: Радослав Тодоров

Източници: europarl.europa.eu, weforum.org, marketsandmarkets.com

Изображения: canva.com

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!