Решение для производства зеленого водорода

В общих чертах водород можно использовать в качестве топлива двумя основными способами. Его можно сжечь для получения тепла или подать в водородный топливный элемент для выработки электроэнергии. Хорошей новостью является то, что как только будет произведен синий или зеленый водород, он найдет множество различных применений:
Транспорт:Водород уже используется для заправки автобусов и других видов общественного транспорта, особенно в Японии. Его также можно использовать для питания грузовых автомобилей и поездов, а топливо на основе водорода, такое как аммиак, можно использовать в авиации и судоходстве. Более широкое использование водорода для питания транспортных средств будет зависеть от удешевления цен на водородные топливные элементы и более распространенного распространения водородных заправочных станций.

Выработка энергии:Водород можно использовать для превращения возобновляемых источников энергии в топливо, которое затем можно будет хранить и транспортировать на большие расстояния. Водород и аммиак также можно использовать в газовых турбинах и угольных электростанциях для снижения их выбросов.

Отопление зданий:Водород имеет огромный потенциал для замены природного газа при отоплении жилых и коммерческих зданий посредством существующей газовой инфраструктуры. Водородные котлы и бытовые водородные топливные элементы требуют дальнейшего развития, но могут сыграть важную роль в будущем.

Промышленность:Водород в настоящее время используется в широком спектре важных промышленных процессов. К ним относятся переработка бензина, производство стали, обработка металлов и производство ряда химикатов.

В отличие от серого водорода, зеленый водород полностью возобновляем как по исходному материалу, так и по источнику энергии. Что касается исходного материала, то сегодня зеленый водород обычно получают из воды посредством процесса, известного как электролиз, в котором используется электрический ток для разделения воды на составные молекулы водорода и кислорода. Это делается с помощью устройства, называемого электролизером, в котором используются катод и анод (положительно и отрицательно заряженные электроды). В этом процессе в качестве побочного продукта образуется только кислород или пар. Что касается энергоснабжения, чтобы квалифицироваться как «зеленый водород», источник электроэнергии, используемой для электролиза, должен быть получен из возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра или солнца.

Существует три основных типа электролизеров:Щелочная, протонообменная мембрана (PEM) и твердый оксид. Они различаются по природе используемого материала электролита. В щелочных электролизерах для обеспечения электропроводности используется водный раствор с щелочеподобной солью, а в электролизерах PEM используется твердая полимерная мембрана (электролит). В твердооксидных электролизерах в качестве электролита используется твердый керамический материал, что позволяет им работать с более высоким электрическим КПД и гораздо более высокими температурами. Это позволяет использовать пар и внешнее тепло в качестве источников энергии, а не полагаться на электричество. Таким образом, твердооксидный электролиз позволяет значительно снизить стоимость операций, поскольку тепло обычно дешевле и иногда естественным образом производится как побочный продукт некоторых промышленных процессов.

Несколько лет назад водород рассматривался только как решение для развития более экологичных транспортных средств. Поскольку электромобили набирают все большую популярность, водород все чаще рассматривается как решение для других отраслей.

Спрос на водород продолжает расти, поскольку его использование расширяется в промышленных и обрабатывающих отраслях для различных целей, включая нефтепереработку, производство стали и цемента. Однако по мере роста популярности водорода важность «зеленого» водорода невозможно переоценить. Вызывает тревогу тот факт, что 98% водорода производится из ископаемого топлива без какого-либо контроля или регулирования выбросов углекислого газа. Но зеленый водород может изменить ситуацию – навсегда.

От дыма от промышленных предприятий до выхлопных газов автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями, производство экологически чистого водорода снижает или устраняет потребность в источниках энергии из ископаемого топлива, которые выделяют в воздух большое количество углекислого газа. В индустрии центров обработки данных, поскольку в системах хранения данных вырабатывается водород, его можно использовать вместо резервных дизельных генераторов для питания будущих центров обработки данных. В результате преимуществ зеленого водорода предостаточно, что позволяет правительствам и организациям укреплять национальную энергетическую безопасность, экономить топливо, сокращать общие выбросы и диверсифицировать варианты использования энергии для транспорта от автомобилей до обширных систем общественного транспорта.

Технология зеленого водорода не могла быть внедрена в лучшее время. Управление энергетической информации США прогнозирует, что к 2050 году глобальный спрос на энергию увеличится на 47%. Единственный способ компенсировать этот спрос в виде производства энергии из нефти и угля – это внедрение более экологически чистых методов, таких как экологически чистый водород.

А благодаря технологическим прорывам, которые существенно обезуглерожили производство водорода, многие компании обращаются к методам компенсации выбросов углерода, которые используют экологически чистый водород для сокращения выбросов углекислого газа и достижения агрессивных целей ESG.

Процесс производства зеленого водорода имеет свои преимущества. Международное энергетическое агентство (МЭА) заявляет, что экологически чистый водород экономит примерно 830 миллионов тонн углекислого газа, выбрасываемого ежегодно, по сравнению с производством газа с использованием традиционных методов ископаемого топлива. Это эквивалентно годовым выбросам Великобритании и Индонезии вместе взятых!

Как и в случае с любой новой технологией, по мере наступления «зеленого» водородного бума приходится преодолевать некоторые трудности. Некоторые вопросы, которые следует учитывать, включают эффективность процесса и затраты на производство в больших масштабах, а также создание решений для долгосрочного хранения под давлением. Если оставить в стороне проблемы, зеленый водород — это захватывающая новая технология, которая может помочь сбалансировать столь необходимое крупномасштабное производство зеленой энергии.

Большая часть перехода от ископаемого топлива предполагает электрификацию некоторых используемых нами повседневных машин, работающих на нефти и газе – например, автомобилей и местного транспорта, а также отопления домов в некоторых странах. Для тех, кто уже электрифицирован, например, компьютеров и бытовой техники, электричество из атомной энергии и возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия, заменяет уголь.

Но есть отрасли, которым требуется так много энергии, что традиционные возобновляемые источники энергии не могут удовлетворить их спрос. Это проблема, поскольку эти отрасли промышленности входят в число крупнейших источников выбросов парниковых газов.

Именно здесь эксперты говорят, что зеленый водород имеет огромный потенциал.
«Электричество из таких источников, как ветер, солнце и ядерная энергия, имеет важное значение для декарбонизации нашей энергетической системы, но оно не может сделать это в одиночку, а транспорт на дальние расстояния и тяжелая промышленность являются домом для выбросов, которые сложнее всего сократить», — сказал энергетический аналитик из Международное энергетическое агентство.

«Водород достаточно универсален, чтобы заполнить некоторые из этих критических пробелов – обеспечивая жизненно важное сырье для химической и сталелитейной промышленности или важнейшие ингредиенты для низкоуглеродного топлива для самолетов и кораблей», – сказал Ремме CNN.

Например, для управления самолетом или большим кораблем требуется так много энергии, что любая батарея, используемая для хранения электроэнергии от солнечной или ветровой энергии, вероятно, будет слишком большой и тяжелой для судна. Зеленый водород, с другой стороны, может иметь жидкую форму и легче. По данным компании Airbus, которая разрабатывает коммерческий самолет с нулевым уровнем выбросов, плотность энергии зеленого водорода в три раза выше, чем у реактивного топлива, которое мы используем сегодня.

Хотя жидкий зеленый водород не будет выделять углерода, у него есть некоторые ограничения. При сжигании на открытом воздухе выделяется небольшое количество закиси азота, которая является сильным парниковым газом. Однако если водород подается через топливный элемент, он будет выделять только воду и теплый воздух.

Некоторым небольшим самолетам удалось летать на топливных элементах, питаемых водородом, хотя эта технология еще не получила коммерческого распространения.

В настоящее время все усилия направлены на достижение климатических целей. Энергетический переход действительно нуждается в большом стимуле. Водород может внести в это важный вклад. Сотрудничество необходимо для того, чтобы иметь возможность успешно использовать водород, например, для содействия сокращению выбросов CO2 в промышленности, электронном топливе для самолетов и использовании в искусственной среде. Но инвестиции нужны и есть вопросы.

Что такое водород?
Водород – самый распространенный элемент в нашей Вселенной. В нормальных условиях он газообразен, и мы говорим о газообразном водороде (H2). Водород также является самым легким газом, который мы знаем, и поэтому имеет низкую плотность энергии на единицу объема (в м3). Водород на вес (в кг) имеет высокую плотность энергии — 120 мегаджоулей (МДж) на кг. Это почти в три раза больше, чем природного газа (45 МДж на кг). Водород часто находится под давлением. Однако для сжатия (сжатия) газообразного водорода также требуется необходимая энергия (около 10%).

Что такое серый и синий водород?
Почти весь водород, производимый в настоящее время в мире, представляет собой так называемый «серый водород». В настоящее время производство осуществляется методом паровой конверсии метана (SMR). Здесь пар высокого давления (H2O) вступает в реакцию с природным газом (CH4), в результате чего образуется водород (H2) и парниковый газ CO2. В Нидерландах таким способом производится около 0,8 миллионов тонн H2, используя четыре миллиарда кубических метров природного газа и генерируя выбросы CO2 в размере 12,5 миллионов тонн.
Термин «голубой водород» или «низкоуглеродистый водород» используется, когда CO2, выделяемый в процессе производства серого водорода, в значительной степени (80-90%) улавливается и хранится. Это также называется CCS: улавливание и хранение углерода. Это может произойти на пустых газовых месторождениях под Северным морем. Нигде больше в мире синий водород не производится в больших масштабах.

Что такое зеленый водород?
Зеленый водород, также известный как «возобновляемый водород», представляет собой водород, который производится с использованием устойчивой энергии. Самым известным является электролиз, при котором вода (H2O) расщепляется на водород (H2) и кислород (O2) с помощью «зеленого» электричества. Большое количество компаний в Нидерландах экспериментируют с этими электролизерами мощностью в мегаватты. Водород также выделяется при высокотемпературной газификации биомассы.

Что такое бирюзовый водород?
Водород, получаемый из природного газа с использованием так называемой технологии пиролиза расплавленного металла, называется «бирюзовым водородом» или «низкоуглеродистым водородом». Природный газ пропускают через расплавленный металл, который выделяет газообразный водород, а также твердый углерод. Последний может найти полезное применение, например, в автомобильных шинах. Эта технология все еще находится на лабораторной стадии, и для реализации первой пилотной установки потребуется не менее десяти лет.

Каковы еще принципиальные различия между синим и зеленым?
Помимо способа производства, существует ряд других ключевых отличий:
Только экологически чистый водород, получаемый посредством электролиза, гарантирует, что большие объемы устойчивой электроэнергии, производимой на море и на суше, могут быть должным образом интегрированы в нашу энергетическую систему. Только электролиз может гибко преобразовывать электричество в водород (по требованию), а затем хранить его.
Кроме того, развитие крупномасштабного электролиза поможет удовлетворить растущий спрос на электроэнергию и тем самым стимулировать рост устойчивой энергетики.
Также есть разница в качестве. Зеленый водород имеет более высокую степень чистоты и может быть немедленно использован, например, в топливном элементе автомобиля. Синий водород имеет более низкий уровень чистоты, достаточный для промышленного применения.
Производство голубого водорода – это способ «декарбонизации» промышленности, то есть сокращения выбросов CO2, в больших масштабах и с относительно низкими затратами.

Белый водород из почвы – источник чистой энергии будущего?
Мы уже знаем серый, синий и зеленый водород, но теперь выяснилось, что доступен также белый или природный водород. Он поступает из почвы, как и природный газ. При сжигании водорода с кислородом выделяется только вода. Белый водород — это природный водород из недр, который потенциально может стать важным источником энергии будущего, если его производить электролизом воды с помощью ветра или солнечной энергии (зеленый).
Тогда он не сделан из природного золы или угля (серый), даже путем предварительного улавливания CO2 (синий). Газ в основном используется для нагрева процессов в химической промышленности и при производстве стали и удобрений. При переходе от ископаемой энергии к зеленой энергии она может служить буфером для хранения электроэнергии в периоды отсутствия солнца и ветра.

Какую роль водород играет в энергетическом переходе?
В нашем нынешнем энергобалансе примерно 20% поставляется в виде электроэнергии, а 80% — в виде природного газа или жидкого ископаемого топлива (бензина, дизельного топлива). Наши климатические цели значительно изменят эту ситуацию в ближайшем будущем. Доля электроэнергии, вырабатываемой ветром и солнечной энергией, резко увеличится. Для ряда применений, таких как тяжелый транспорт, высокотемпературные процессы в промышленности и авиации, хорошее электрическое решение все еще отсутствует, и все еще существует потребность в экологически безопасном газе. Водород может сыграть здесь полезную роль. Кроме того, водород важен в виде масштабного хранилища на те моменты, когда безветренно и пасмурно.

Какие страны также работают над водородом?
Такие страны, как Норвегия, Австралия, Марокко, Чили, Саудовская Аравия, Китай и Япония, очень активно используют зеленый водород, главным образом потому, что существует значительная (потенциальная) доступность дешевой возобновляемой энергии из ветра, солнца или гидроэнергетики для производства зеленого водорода. Исключением из этого правила является Япония, которая в значительной степени зависит от импорта энергоносителей и разработала стратегию импорта (зеленого) водорода в больших масштабах. Его ключевая роль заключается в развитии технологий. Нидерланды находятся в хорошем положении, отчасти благодаря нашим знаниям в области технологий газа и электролиза, огромному потенциалу ветроэнергетики в Северном море и энергоемкой промышленности, которая должна взять на себя твердую приверженность устойчивому развитию.

Для чего мы будем использовать водород?
Водород особенно важен для перерабатывающей промышленности. Сейчас он в основном используется для производства удобрений, но в будущем его также можно будет использовать для высокотемпературных процессов, таких как производство стали, для которого сейчас используется природный газ или уголь. Кроме того, водород будет играть роль в мобильности, например, в междугородных автобусах, которым приходится преодолевать большие расстояния и где электропривод не является решением.

Что значит водород для гражданина?
В краткосрочной перспективе мало что будет очевидно. Например, использование водорода в домах будет давно назрело, если это вообще произойдет. Для большинства домов лучшим решением является коллективная тепловая сеть или электрический тепловой насос. В дорожном движении будет медленно увеличиваться количество водородных автомобилей (на данный момент менее сотни) и количество водородных заправочных станций (в 2018 году: 3).

Каковы риски?
Водород – очень легкий газ, легковоспламеняющийся и применяется в подвижных условиях под давлением до 700 бар. Как и с любым другим газом, важно обращаться с ним осторожно при добыче, транспортировке и использовании и доверять его исключительно профессиональным компаниям. Если водород будет использоваться в существующих газопроводах, важно дополнительно изучить, как водород на самом деле «ведет себя» на практике. Водород легче природного газа, и ему легче выходить из клапанов и уплотнений.

Что делает TNO в области исследований водорода?
TNO — независимая организация, которая проводит передовые прикладные исследования. Его исследования в области водорода сосредоточены на производстве, инфраструктуре и приложениях (конверсия и конечное использование). В 2020 году ТНО реализовала более 50 проектов по данной тематике. Ссылки на некоторые из этих проектов можно найти ниже (пункт 15).

Насколько далеко продвинулась разработка зеленого водорода?
В период с 2000 по 2018 год было введено в эксплуатацию около 230 электролизных проектов общей мощностью около 100 МВт (источник: МЭА 2019, Будущее водорода). В 2020 году мировая установленная мощность составляла 200 МВт, а к концу 2023 года — примерно 2400 МВт. Эти цифры показывают, что мы только начинаем и что нам необходимо развивать совершенно новую цепочку поставок.
Нам нужны новые компании, новые поставщики и новые производители для разработки материалов и компонентов для более крупных электролизных систем нового поколения. Это прекрасная возможность для голландской индустрии высоких технологий. Целью Европейского Союза является установка 40 ГВт электролизных мощностей в Евросоюзе к 2030 году и еще 40 ГВт в Северной Африке. Достижение этой цели потребует от нас ускорить темпы как технологических инноваций, так и реальных проектов.

Каковы самые большие технические проблемы, связанные с электролизом?
Что касается электролиза воды, в настоящее время доступны четыре технологии (AEM, SOE, PEM и щелочная), каждая из которых имеет свои конкретные преимущества, недостатки и уровень зрелости. Посмотрите наше видео о производстве водорода электролизом(откроется в новом окне или вкладке) (ссылка на другой сайт). Для всех четырех технологий существуют три основные исследовательские задачи:
сократить капитальные затраты, связанные с системой
для повышения эффективности системы
преодолеть барьеры на пути крупномасштабного производства, чтобы к 2030 году можно было достичь годовой мировой производственной мощности электролизеров в 30 ГВт.

Продукция реализуется во всех регионах Китая и экспортируется в страны мира. Они продаются более чем в 20 странах и регионах, включая США, Германию, Марокко, Кению, Саудовскую Аравию, Вьетнам, Алжир, Индию, Танзанию и Тайвань. Успешно обеспечиваем такие известные предприятия, как China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group и другие известные предприятия. Существует множество станций гидрогенизации зеленого водорода, таких как Уланчабу, Хайкоу, Хайнань, Хайнань, Хайкоу, Юньнань, Куньмин и т. д., которые предоставляют проекты по производству экологически чистого водорода и водорода.