Lēti atjaunojamie energoresursi varētu padarīt zaļo ūdeņradi par praktisku fosilā kurināmā aizstājēju

Ūdeņradis, kas ražots, izmantojot elektrību, kas iegūta no vēja vai saules enerģijas, varētu nodrošināt tīru un oglekļa emisiju neitrālu enerģijas avotu. Eiropa ir vadošā.

Franciska Barčika

autors

• Pīters Fērlijs arhīva lapa

2021. gada 24. februāris

10 izrāvienu tehnoloģijas 2021: zaļš ūdeņradis

• 
  Kāpēc tas ir svarīgi:

  Zaļais ūdeņradis var aizstāt dabasgāzi, dīzeļdegvielu un benzīnu, ko izmanto kuģos, kravas automašīnās, autobusos un automašīnās.

• 
  Galvenie spēlētāji:

  •ThyssenKrupp

  
  
  

  • Iegūstiet H2 Nucleus Nowega

  • Ūdeņradi

  • Siemens

  
  
  

• 
  Pieejamība:

  Tagad

Ūdeņradis ir pievilcīga degviela. Kilogramam ūdeņraža ir aptuveni trīs reizes vairāk enerģijas nekā salīdzināmam daudzumam dīzeļdegvielas vai benzīna. Ja to var izgatavot tīri un lēti, tas varētu būt galvenais, lai attīrītu virkni sarežģītu vitāli svarīgu nozaru.

Mūsdienās lielākā daļa saražotā ūdeņraža tiek iegūta, kombinējot dabasgāzi ar tvaiku augstā temperatūrā. Tas ir energoietilpīgs process, kas izdala ievērojamu daudzumu oglekļa dioksīda, kas ir galvenā siltumnīcefekta gāze, kas izraisa klimata pārmaiņas. Taču neliela un pieaugoša procentuālā daļa tiek iegūta, sadalot ūdeni tā sastāvdaļās, saspiežot to ar elektrību, un šo procesu sauc par elektrolīzi. Tas arī patērē daudz enerģijas, taču, ja elektroenerģiju iegūst no atjaunojamiem avotiem, piemēram, vēja vai saules enerģijas, tā rada minimālas kaitīgās emisijas.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2021. gada marta numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Šī tā sauktā zaļā ūdeņraža ražošana mūsdienās ir aptuveni trīs reizes dārgāka nekā ūdeņradis, kas iegūts no dabasgāzes (kas galvenokārt ir metāns, kura molekulas sastāv no viena oglekļa atoma, kas saistīts ar četriem ūdeņraža atomiem). Bet tā ir puse no tā, ko tas maksāja pirms 10 gadiem. Tā kā vēja un saules enerģijas izmaksas turpina kristies un apjomradīti ietaupījumi saistībā ar zaļā ūdeņraža ražošanu, tas varētu kļūt daudz lētāks. Ja tas notiks, zaļajam ūdeņradim ir potenciāls kļūt par galveno degvielu dekarbonizētai nākotnei. Vienlaikus, uzlabojoties oglekļa uztveršanas metodēm, ūdeņradi var iegūt no dabasgāzes, neizlaižot atmosfērā tik daudz oglekļa dioksīda.

Ūdeņradis ir vērtīgs daļēji tā daudzpusības dēļ. To var sadedzināt kā fosilā kurināmā, piemēram, ogļu, naftas un dabasgāzes, aizstājēju. Visas šīs degvielas sadedzinot rada oglekļa dioksīdu, savukārt tīra ūdeņraža sadedzināšana turbīnā rada tikai ūdens tvaikus. Tomēr tas arī katalizē kaitīgo slāpekļa oksīdu veidošanos augstās temperatūras dēļ. Vēl viens veids, kā izmantot ūdeņradi, ir kurināmā elementi, kas apvieno ūdeņradi ar skābekli, lai radītu ūdeni un elektrību — elektrolīzes otrādi — neradot slāpekļa oksīdus.

Saistīts stāsts

Kā krītošās saules enerģijas izmaksas ir atjaunojušas cerības uz tīru ūdeņradi Tā kā valstis smagi aprēķina, kā sasniegt savus klimata mērķus, zaļais ūdeņradis kļūst arvien svarīgāks.

Ūdeņradis var darbināt transportlīdzekļus, tostarp automašīnas, autobusus, vilcienus un lidmašīnas, izmantojot kurināmā elementus vai tieši sadedzinot. Dedzinot ūdeņradi, var arī nodrošināt bezoglekļa siltumu izmantošanai tērauda rūpnīcās, cementa rūpnīcās un citās nozarēs. Un zaļais ūdeņradis var aizstāt ūdeņradi, kas jau tiek izmantots kā izejviela visās jomās, sākot no rafinēšanas rūpnīcām līdz mēslošanas rūpnīcām, samazinot to oglekļa dioksīda emisijas. Dažas rūpniecības vietas, piemēram, tērauda rūpnīcas un ķīmiskās rūpnīcas, var izmantot saražoto skābekli kā blakusproduktu.

Neatkarīgi no tā, kā tas tiek ražots, droša un lēta ūdeņraža uzglabāšana un transportēšana joprojām ir sarežģīta, jo īpaši dažos daudzsološos lietojumos, piemēram, aviācijā. Tāpēc vēl viena iespēja ir apvienot ūdeņradi ar oglekli, ko var uztvert no atmosfēras procesā, ko sauc par gaisa uztveršanu, vai no dūmu skursteņiem, lai iegūtu šķidru sintētisko ogļūdeņražu degvielu, ar kuru ir vieglāk rīkoties nekā ar ūdeņradi. Šīs šķidrās degvielas var būt tīrāks, līdzīgs benzīna vai dīzeļdegvielas aizstājējs.

Ūdeņradi var izmantot arī, lai uzglabātu enerģiju no atjaunojamām elektrostacijām, ko pēc tam var pārvērst atpakaļ elektroenerģijā un ievadīt tīklā, ja vējš norimst, ienāk mākoņi vai palielinās pieprasījums.

Izmantojot tik daudz iespējamo lietojumu, Starptautiskā Enerģētikas aģentūra (IEA) prognozē, ka līdz 2050. gadam ūdeņradis varētu nodrošināt vairāk nekā 10% no globālās enerģijas vajadzībām, saražojot vairāk nekā 11 miljonus gigavatstundu enerģijas gadā. Tam būs nepieciešami vairāk nekā 4 triljoni USD infrastruktūras ūdeņraža ražošanai, uzglabāšanai un transportēšanai.

Eiropa vien līdz 2030. gadam paredz 40 gigavatus elektrolīzes jaudas. (Tas atbilstu aptuveni 2% no IEA prognozēm 2050. gadam.) Kopš [2020. gada] sākuma pastāv cunami vilnis. Tas ir neticami lielu un reālu projektu skaits, saka Kristofs Noeress, kurš vada Vācijas konglomerāta ThyssenKrupp meitasuzņēmuma Uhde Chlorine Engineers zaļā ūdeņraža biznesu.

Cik zaļa bija mana ieleja

Ūdeņraža ielejas Visā Eiropā veidojas reģionālie projekti, kas izvieto elektrolīzes iekārtas vietās, kur tās var kalpot vairākiem rūpnieciskiem mērķiem. Netālu no Hamburgas Vācijas ziemeļos, ThyssenKrupp ir daļa no 89 miljonu eiro (107 miljonu ASV dolāru) zaļā ūdeņraža konsorcija, ko atbalsta 30 miljonu eiro dotācija no Vācijas valdības. Plānotais projekts ietver naftas pārstrādes rūpnīcu, cementa rūpnīcu, elektroenerģijas ģeneratorus un jūras vēja parku.

Sākotnēji tā zaļais ūdeņradis aizstās daļu pelēkā ūdeņraža, kā dažkārt sauc no dabasgāzes iegūto ūdeņradi, ko izmanto rafinēšanas rūpnīcā. Pēc tam Vācijas grupa plāno reaģēt ūdeņradi ar oglekļa dioksīdu, kas iegūts no cementa rūpnīcas, lai ražotu gan metanolu, ķīmisko izejvielu, gan sintētisko reaktīvo degvielu.

Aptuveni 240 kilometrus (150 jūdzes) uz dienvidrietumiem cits zaļā ūdeņraža konsorcijs pārbūvēs nojauktos gāzes cauruļvadus, lai pārvadātu ūdeņraža gāzi. Konsorcijs plāno uzbūvēt 100 megavatu elektrolizatoru. No turienes tā cer piegādāt ūdeņradi caur 130 kilometru garu tīklu rūpnieciskajā Rūras reģionā.

Divu veidu elektrolizatori ražo lielāko daļu zaļā ūdeņraža. Sārma elektrolizatori iegremdē elektrodus ūdenī, kas leģēts ar sārmu vai potašu; PEM elektrolizatori izmanto cietu membrānu, caur kuru var plūst ūdeņraža kodoli.

Ja šī cauruļvada pārbūve darbosies, elektrolizatori, kas savienoti ar vecām caurulēm, galu galā varētu nodrošināt zaļo ūdeņradi gandrīz visās Vācijas lielākajās nozarēs. Tas mazinās spiedienu uz Vācijas pārslogoto elektrotīklu un nodrošinās arī gatavu rezerves enerģijas piegādi tumšiem, bezvēja periodiem.

2021. gads

10 izrāvienu tehnoloģijas

Citi lieli projekti sākas Nīderlandē, Itālijā, Spānijā, Francijā, Lielbritānijā, Kanādā, Austrālijā, Japānā un Ķīnā. Sākotnēji šajos projektos ražotais ūdeņradis būs dārgs. Tomēr konsultāciju uzņēmums McKinsey lēš, ka līdz 2030. gadam zaļais ūdeņradis būs tikpat lēts kā pelēkais ūdeņradis, pateicoties lētākai elektrolīzei un elektroenerģijas ražošanai no atjaunojamiem avotiem, kā arī pieaugošajām oglekļa izmaksām.

Saule spīd spoži

Ja ūdeņradis vēlas izmantot savu potenciālu, valsts kārtībai būs izšķiroša nozīme. Iesākumā regulatoriem vai likumdevējiem būs jāievieš politika, kas ļautu esošajos dabasgāzes cauruļvados pārvadāt arī ūdeņradi, ko sauc par sajaukšanu, un pilnvarot samazināt oglekļa emisijas, lai radītu pieprasījumu pēc ūdeņraža.

Daļa no tā jau notiek. Vācija pagājušā gada nogalē veica svarīgas izmaiņas, atbrīvojot zaļā ūdeņraža ražotājus no noteiktas piemaksas par elektroenerģiju. Tas faktiski bija valdības atzīšana, ka zaļais ūdeņradis ir atjaunojamās vēja un saules enerģijas paplašinājums. Saskaņā ar Eiropas Komisijas Atjaunojamās enerģijas direktīvu citiem noteikumiem, kas tiek apspriesti Vācijā un visā Eiropā, būtu nepieciešams samazināt oglekļa emisijas naftas pārstrādes rūpnīcās un tērauda rūpnīcās, kā arī citās smagajās nozarēs.

Džeks Brouvers (Jack Brouwer), Kalifornijas Universitātes Īrvinas progresīvās enerģijas un enerģijas programmas asociētais direktors, saka, ka līdzīga politika ir nepieciešama, lai ASV ieviestu zaļo ūdeņradi, taču diskusijas tik tikko ir sākušās.

Lai gan Eiropas valdības nosaka, ka dabasgāzes cauruļvadi pieņem zaļo ūdeņradi — Nīderlandē līdz pat 12% no tilpuma — ASV gāzes operatori bieži iebilst pret sajaukšanu.

Saskaņā ar Brouwer teikto, ūdeņraža sajaukšanas bloķēšana ir nopietns šķērslis. Kalifornija jau ir noteikums, kas nosaka, ka trešdaļa no ūdeņraža, kas tiek sūknēts degvielas šūnu transportlīdzekļu uzpildes stacijās, nāk no atjaunojamiem avotiem. Bet pašlaik ir grūti iegūt zaļo ūdeņradi. Brouwer saka, ka, ja ražotāji varētu izmantot esošos dabasgāzes cauruļvadus kā sadales tīklu, viņi varētu izdevīgi būvēt vairāk elektrolizatoru attālos apgabalos, kas ir īpaši vējains vai saulains.

Vēl joprojām ir jāpārvar daudz tehnisku šķēršļu. Vēja un saules enerģijas apjoms, kas nepieciešams globālā elektrolīzes iekārtu tīkla darbināšanai, ir milzīgs. Brouwer veic lietu ka ilgtspējīga nākotne ir vienkārši neiespējama bez lielas paļaušanās uz ūdeņradi. Viņam vienkārši varētu būt taisnība.