Первоначально зеленый водород будет использоваться для удовлетворения крупномасштабного спроса в определенных местах, например, в энергоемких отраслях. Как и многие другие экологически безопасные технологии, водород вначале потребует государственных субсидий.
В долгосрочной перспективе водород может использоваться также в транспортном секторе, например, в качестве топлива для самолетов или судов. Теоретически водород очень универсален. Однако это тоже довольно дорого.
Есть большие надежды на то, что водород может стать источником энергии будущего. И правительство Германии, и Комиссия ЕС представили новые стратегии использования водорода в качестве источника энергии летом 2020 года. В Национальной стратегии правительства Германии по водороду говорится, что водород «будет играть ключевую роль в усилении и завершении энергетического перехода».
Политики рассматривают зеленый водород как потенциальную «серебряную пулю»
В отличие от сырой нефти, угля, природного газа, ядерного топлива или биомассы, водород не является основным источником энергии и в основном находится в связанной форме (обычно вода или углеводороды, такие как уголь, нефть или природный газ). Таким образом, если водород будет использоваться в качестве источника энергии, его нужно будет сначала произвести, а этот процесс требует энергии. Сегодня эта энергия обычно обеспечивается ископаемым топливом. Образующийся водород называют «серым водородом». Национальная водородная стратегия призывает к «зеленому» водороду, который использует электричество из возобновляемых источников для электролиза воды.
В результате получаются жидкие или газообразные продукты на выходе, которые можно использовать в качестве источника энергии (power-to-x, «P2X»). Таким образом, водород может закрыть один из пробелов в стратегии перехода к энергии. Помните, например, что (по крайней мере, в обозримом будущем) представляется невозможным или чрезмерно дорогим использование некоторых типов транспортных средств, таких как самолеты или корабли, на электроэнергии. Зеленый водород может также предложить ряду промышленных секторов возможность сократить выбросы углерода (присущие производственным процессам). Это касается, например, металлургической, химической промышленности или производства строительных материалов. И, наконец, теоретически можно использовать зеленый водород для отопления.
Технологии P2X — это не только способ направлять электроэнергию из возобновляемых источников в районы, где нельзя использовать электроэнергию напрямую (связь секторов). Они также являются решением для хранения энергии. С учетом энергетической политики, поддерживающей производство возобновляемой энергии из зависящих от погодных условий источников, становится все более важным найти надежные накопительные мощности.
Помимо гидроаккумулирующих электростанций, для которых требуется определенная топография, в настоящее время нет экономически эффективных вариантов хранения электроэнергии в промышленных масштабах. По мере увеличения доли зависящих от погодных условий возобновляемых источников энергии в общем энергоснабжении, при благоприятных погодных условиях будет производиться избыточная энергия. Даже сейчас рыночные цены на электроэнергию иногда становятся отрицательными, и электроэнергию приходится экспортировать (кстати, большая часть экспорта идет на гидроаккумулирующие электростанции в Австрии).
Отсутствие вариантов хранения также означает, что невозможно отключить традиционные электростанции от сети — ведь их мощности нужны на периоды, когда нет ветра и солнца. Таким образом, за последние несколько лет в Германии неуклонно росли избыточные установленные мощности электростанций, что привело к росту расходов. Производство зеленого водорода призвано замедлить или, в идеале, остановить это неблагоприятное развитие.
В целом, зеленый водород, как ожидается, станет окончательным решением как для соединения секторов, так и для проблемы накопления энергии.
Федеральное правительство не буйно
Это теория. Несомненно, существуют серьезные практические препятствия. По этой причине в Национальной водородной стратегии федерального правительства не утверждается, что водород станет «переломным моментом» в энергетическом переходе в ближайшие годы. В стратегии также указывается, что Германия, вероятно, будет импортировать значительную долю любых будущих поставок водорода из стран, которые предлагают более благоприятные условия для производства зеленого водорода. Это означает, что водород вряд ли внесет значительный вклад в самообеспечение энергией. Давайте более подробно рассмотрим проблемы:
В первую очередь необходимо построить водородную инфраструктуру. Сюда входят электролизеры (производящие водород), установки и оборудование для изменения физического состояния водорода, а также транспортные и распределительные сети (устройства для контроля концентрации в водородных смесях, проблема водородного охрупчивания).
Если водород транспортируется не по трубопроводам, а на корабле (на большие расстояния) или грузовиком (местное распределение), потребуются дополнительные инвестиции. Кроме того, может потребоваться переоборудование заводов (например, сталелитейных) для потребления водорода. В долгосрочной перспективе это также будет относиться к автомобилям, работающим на водороде.
Помимо этих инвестиций, эксплуатационные расходы будут высокими. На каждом этапе процесса будет потеряна часть энергии, используемой для производства водорода. Это обычная проблема в энергетическом секторе, а не только для водорода. Тем не менее, специфические характеристики водорода делают его транспортировку и хранение особенно трудными и дорогостоящими (низкая плотность и высокая летучесть газа, сжижение требует очень низких температур).
В результате общий КПД ниже, чем у других источников энергии. Это влияет на прибыльность. Более того, мощности электролизеров, вероятно, будут значительно недоиспользованы, если они будут работать только на погодозависимых возобновляемых источниках энергии. Это еще более верно, если они работают только на «избыточной электроэнергии». В этом случае средние затраты будут расти, поскольку электролизеры обычно рассчитаны на постоянную работу.
Из-за высокой стоимости кажется маловероятным, что зеленый водород станет экономически жизнеспособным вариантом в обозримом будущем. По этой причине правительству необходимо будет субсидировать водород, как и многие другие экологически безопасные технологии. В Национальной водородной стратегии перечислено несколько программ поддержки. Закон о государственной помощи необходимо адаптировать, чтобы разрешить такие субсидии, например, на использование зеленого водорода на сталелитейных заводах или в химической промышленности.
Также возникает вопрос, может ли электроэнергия, используемая для электролиза, освобождаться от надбавки в соответствии с Законом о возобновляемых источниках энергии. Это вопрос политики конкуренции.
Существуют также нормативные вопросы, касающиеся категоризации различных типов производства водорода в климатической политике. Федеральное правительство считает только экологически чистый водород «устойчивым в долгосрочной перспективе». Однако на международном рынке водорода будет также присутствовать «серый», «синий» или «бирюзовый» водород, который также может потребляться в Германии. «Голубой» водород производится с использованием ископаемого топлива и системы улавливания и хранения углерода (CCS).
«Бирюзовый» водород получают путем термического расщепления природного газа (метана, CH4) при очень высоких температурах. При пиролизе метана вместо CO 2 образуется твердый углерод. Эта процедура будет климатически нейтральной только в том случае, если высокотемпературный реактор будет работать на низкоуглеродистом топливе. В целом, необходимо будет классифицировать различные типы водорода, включая смешанные, с точки зрения их воздействия на климат и регулировать их использование.
Национальная водородная стратегия не питает иллюзий относительно потенциального вклада зеленого водорода в общее энергоснабжение в абсолютном выражении. Федеральное правительство ожидает, что к 2030 году внутри страны может быть произведено до 14 тераватт-часов (ТВтч) зеленого водорода. Это эквивалентно чуть менее 0,6% от общего конечного потребления энергии в Германии в 2019 году. Даже если к 2030 году будет импортировано в десять раз больше объема. , общий вклад в общее энергоснабжение останется умеренным.
Технологический прогресс, но быстрых решений нет
Может показаться контрпродуктивным подчеркивать в ходе дискуссий по вопросам климата и энергетической политики, что (пока) невозможно или какие препятствия необходимо преодолеть. Однако мудрые политические решения должны основываться на хорошо обоснованной оценке потенциального вклада отдельных технологий в решение климатических и энергетических проблем. В этом процессе директивным органам необходимо учитывать не только вопросы технологической осуществимости, но и связанные с этим экономические и социальные издержки, чтобы ожидания общества оставались реалистичными.
Даже если зеленый водород на данный момент останется дорогим и не сможет внести значительный вклад в климатически нейтральную энергетику, есть основания для оптимизма. Вероятно, мы увидим технический прогресс на всех этапах процесса. Стоимость эксплуатации электролизеров снизится из-за эффекта масштаба, и водород может транспортироваться по существующим трубопроводам (через сеть природного газа).
А вместо жидкого водорода аммиак (NH3) можно перевозить на корабле на большие расстояния. Это вызывает меньше технологических проблем. У инженеров и ученых наверняка появятся идеи по этому поводу. Тем не менее, быстрых решений не за горами. В любом случае, правительство должно выделить средства на исследования для водородных технологий, хотя бы для того, чтобы технологии не получили распространения только благодаря субсидиям, а не потому, что они предлагают преимущества в эффективности.
В настоящее время водород будет использоваться в основном в стационарных системах
Где в первую очередь можно использовать зеленый водород? Поскольку транспортировка и хранение затруднены, представляется вероятным, что вначале зеленый водород будет производиться и использоваться в больших стационарных системах. Это приведет к эффекту масштабирования электролизеров. Металлургическая промышленность, химическая промышленность и производители строительных материалов поначалу могут быть одними из самых важных потребителей.
В настоящее время маловероятно, что водород будет использоваться в небольших масштабах, например, для обогрева топливных элементов. Широкое использование, например, в качестве автомобильного топлива (топливные элементы или прямое сгорание), также становится менее вероятным с каждым днем, так как ассортимент электромобилей с аккумуляторной батареей увеличивается, а инфраструктура зарядки улучшается, не в последнюю очередь с помощью государственных субсидий. Более того, многие производители автомобилей сейчас инвестируют в основном в аккумуляторные батареи, а не в водородные технологии. В долгосрочной перспективе,
Также возникает вопрос, какие страны будут крупными производителями водорода в будущем. В идеале, по крайней мере с точки зрения защиты климата, водород должен производиться в странах, которые могут полагаться на оптимальные климатические и топографические условия для рентабельного использования возобновляемых источников энергии. Высокие начальные потребности в инвестициях предполагают, что водород будет производиться в основном в процветающих странах.
Многие страны, разбогатевшие благодаря экспорту газа и нефти, соответствуют обоим этим критериям. Кроме того, в их распоряжении есть запасы природного газа, так что производство водорода не будет зависеть исключительно от возобновляемых источников энергии. США, Китай и некоторые части Европы также могут предложить подходящие места для производства водорода. И некоторые страны, такие как США или Япония, будет использовать ядерную энергию в качестве основного источника энергии с низким содержанием углерода для производства водорода.
Этот водород будет классифицирован как «фиолетовый», чтобы завершить цветовую гамму. Экономическое преимущество использования «пурпурного водорода» состоит в том, что электролизеры могут работать постоянно. Однако это будет жизнеспособным вариантом только в том случае, если ядерная энергия будет принята политиками и общественностью. Даже внутри ЕС мнения по этому поводу расходятся. И в Национальной водородной стратегии этот вариант ни в коем случае не упоминается.
