Енергоносій майбутнього. Шість відтінків водню

Перехід до безвуглецевої енергетики, який має запобігти глобальному потеплінню, неможливий без використання водню. При його спалюванні отримується лише чиста вода та енергія. Але сам водень у залежності від виробництва буває різним, і деякі з цих способів, м'яко кажучи, дуже далекі від екологічності.

Безумовно, чим більше вуглекислого газу виділяється під час виробництва Н2, тим менш екологічним є енергоносій. І якщо ще років десять тому у світі було прийнято розділяти водень на «зелений» (тобто абсолютно екологічно чистий) та решту, то зараз існує цілий спектр кольорів водню, виробленого за різними технологіями.

«Главком» розібрався, чим відрізняється водень від водню, як із погляду виробництва та екологічності, так і з погляду вартості.

Зелений водень

При виробництві використовується електроенергія від вітрових, сонячних та гідроелектростанцій.

Зелений водень на 100% екологічно чистий продукт, оскільки він виробляється з допомогою екологічно чистих, відновлюваних джерел електроенергії. Насамперед – сонячних та вітряних електростанцій. Саме їм приділяється особлива увага у всіх прийнятих на сьогоднішній день водневих стратегіях. 8 липня 2020 року було прийнято «Водневу стратегію для кліматично-нейтральної Європи», після чого власні стратегії почали ухвалювати всі провідні країни світу.

Вітряні та сонячні електростанції – основа успішного виробництва зеленого водню (фото: vokrugsveta.ua)

Слід зазначити, що використання гідроелектростанцій для виробництва водню також робить його зеленим, але річ у тому, що ГЕС давно й упевнено вписано до існуючих енергетичних систем держав. Там, умовно кажучи, «все розписано», і зайвої електроенергії обмаль. Хоча, наприклад, компанія «Укргідроенерго» нещодавно заявила, що готова на потужностях ДніпроГЕС-1 виробляти зелений водень.

Інша справа – вітряні та сонячні електростанції. Частка цих відновлюваних джерел енергії стрімко збільшується багато в чому завдяки їхнім чудовим перспективам у виробництві водню. Вже зараз можна уявити майбутню географію подібних електростанцій. Чилі, наприклад, робить акцент на розвитку вітряної енергетики, Австралія, Іспанія, Саудівська Аравія та Марокко – сонячної. Нідерланди та Норвегія розвивають офшорну (прибережну) вітроенергетику. Хтось намагається використати геотермальні джерела та енергію припливів і так далі.

До речі, в Україні, як неодноразово вказували європейські чиновники, умови для розвитку сонячної енергетики не гірші, ніж в Іспанії, наш уряд ось уже понад рік обіцяє розробити водневу стратегію. Вже є ентузіасти: на Рівненщині, наприклад, українська компанія MCL хоче побудувати вітряну електростанцію та завод із виробництва водню, але це поки що поодинокі випадки.

Повертаючись до виробництва зеленого водню, у процесі електролізу електроенергія від поновлюваних пропускається через воду і відбувається її поділ на складові елементи водень і кисень.

При цьому немає ніяких викидів вуглекислого газу – йому просто нізвідки взятися. Але це досить дорогий спосіб, через великі витрати електроенергії в ході процесу електролізу. Зараз для виробництва одного кубометра зеленого водню потрібно 3-5 кВт/год електроенергії.

Жовтий водень

При виробництві використовується електроенергія від атомних електростанцій.

Як і зелений водень, жовтий одержують шляхом електролізу. Однак у цьому випадку джерелом енергії є АЕС, а серед світових фахівців з енергетики точаться запеклі дискусії – чи можна вважати водень, виготовлений за допомогою атомних електростанцій, екологічно чистим?

Так, з одного боку, викиди вуглекислого газу в ході виробництва електроенергії відсутні, але станція як паливо використовує уран-235, елемент не дуже екологічний, та й до того ж не відновлюваний. Багато експертів згадують Чорнобиль та Фукусіму, та вважають, що програми з розвитку атомної енергетики мають бути згорнуті.

Десять країн ЄС наполягають на визнанні атомної енергетики екологічно чистою (фото: interfax.com.ua)

Проте, як не крути, ядерна енергетика розвивається, стає дедалі безпечнішою, у США вона складає 20% у загальному енергобалансі країни, а у Франції – загалом 72%. На думку директора зі стратегії розвитку та керівника водневого проєкту Регіональної газової компанії Станіслава Казди, атомна енергетика має бути визнана «зеленою». «Якщо це зроблять до 2040 року, буде потужний стимул для виробництва водню для досягнення Європою до 2050 року вуглецевої нейтральності», – сказав фахівець у розмові з «Главкомом».

До речі, Міністерство енергетики України також розглядає виробництво водню за допомогою АЕС і чекає, чим у Євросоюзі закінчиться дискусія про визнання атомної енергетики екологічно чистою.

Бірюзовий водень

Основний спосіб одержання бірюзового водню – реакція природного газу (в ньому міститься 92-98% метану) з водою. Використовується метод піролізу – термічного розкладання органічних та багатьох неорганічних сполук. У промислових умовах піроліз вуглеводів здійснюється при температурі 800-900°C.

Виробництво бірюзового водню на виході дає відносно низький рівень твердого вуглецю, який може бути похований, або використаний в промисловості. Наприклад, при виробництві сталі, акумуляторних батарей або простих олівців.

Сірий водень

Виготовляється методом парової конверсії метану. Водяна пара при температурі до 1000°C змішується з природним газом під тиском у присутності різних каталізаторів – речовин, що прискорюють хімічну реакцію (наприклад, оксидів нікелю).

Більшість виробництва водню зараз знаходиться в «сірій» зоні (фото з відкритих джерел)

Це наймасовіший і найдешевший метод виробництва водню, вiн легко здійснюється з практичної точки зору, проте в ході хімічної реакції виділяється вуглекислий газ у тих же обсягах, що і при згорянні природного газу.

Блакитний водень

Фактично, це такий самий водень, як і «сірий», він також виходить шляхом парової конверсії метану. Але головна відмінність – у процесі виробництва блакитного водню використовуються технології уловлювання та зберігання вуглекислого газу (CCS, carbon capture and storage).

Концепція CCS досить проста: вуглекислий газ, який виділяється під час реакції, треба вловлювати на місці, не допускаючи його потрапляння в атмосферу. Потім – транспортування СО2 до місця зберігання та довгострокова ізоляція. Бажано – на дні морів та океанів.

Однак подібні системи для уловлювання та поховання вуглецю досить дорогі, і в результаті їх використання призводить до того, що вартість виробництва блакитного водню може досягати вартості зеленого.

Бурий водень

Сировина для бурого водню – кам'яне або, що частіше, буре вугілля (від чого, власне, такий «колір» водню). Це найстаріший спосіб отримання Н2, він почав застосовуватися у Великій Британії ще в 40-х роках XIX століття. Вугілля нагрівають з водяною парою при температурі 800-1300°C без доступу повітря.

Такий спосіб, поряд із паровою конверсією метану, найдешевший метод виробництва водню. Але й екологічно найбрудніший. До речі, при спалюванні вугілля на теплових електростанціях утворюється вдвічі більше СО2, ніж у процесі спалювання природного газу.

Враховуючи, що у травні 2021 року Європарламент проголосував за введення так званого «вуглецевого» податку для підприємств, який може становити до 100 євро за тонну викидів вуглекислого газу, виробляти сірий та бурий водень незабаром стане менш вигідно. А ось масовий розвиток вітряної та сонячної енергетики дозволить, на думку міжнародних експертів, зменшити з часом собівартість зеленого водню до $2 за кг.

Андрій Кузьмін, «Главком»