Колір водню: чому це важливо?

Сьогодні водень використовується в найрізноманітніших галузях промисловості. Він має значний потенціал для виробництва та зберігання енергії, створення тепла й живлення транспортних засобів, оскільки є чистішою альтернативою на противагу традиційним джерелам енергії. За оптимістичними прогнозами фахівців, через декілька десятиліть водень може стати основним компонентом національних енергетичних мереж, замінивши природний газ, а також повсюдно поширене автомобільне пальне. Специфіка виробництва водню, виклики та перспективи його використання обговорювалися в «Енергетичному подкасті» Shell. Ми зібрали й нижче подаємо найцікавіші тези дискусії.

Чи є водень універсальним рішенням?

Щоб знайти відповідь на це та деякі інші схожі запитання, Даніель Стюарт із National Grid, Паоло Бруненго з KBR, Френк Кіссліх і Нан Луі з Shell Catalysts & Technologies долучилися до дискусії.

«Водень може відіграти життєво важливу роль для нафтопереробних заводів, традиційних виробництв пального, а також у таких важкодоступних секторах, як виробництво сталі чи цементу, значно зменшивши їхній вуглецевий слід», — зауважив Френк Кіссліх із Shell. Він керівник водневого бізнесу в Shell та відповідає за проєкт Refhyne 1, спрямований на декарбонізацію нафтопереробного сектору шляхом використання водню.

«Якщо ми хочемо вирішити проблеми зміни клімату завдяки досягненню нульового рівня викидів парникових газів, то водень повинен стати частиною енергетичного балансу, — зазначила Даніель Стюарт, очільниця водневої програми з National Grid. — Зокрема, він може підтримувати змінні відновлювані джерела енергії в електроенергетичній системі. Коли немає достатньо вітру, а сонце не світить, водень може допомогти виробляти електроенергію і, таким чином, безперебійно забезпечувати стабільну роботу енергетичної системи. А в дні, коли є надлишок відновлюваних джерел енергії, водень може бути використаний для зберігання цієї енергії упродовж днів, тижнів, а то й місяців».

Проте не весь водень однаковий. Використовуючи різні джерела виробництва, він може виділяти й різну кількість викидів СО₂. Саме тому для фіксації його більшої чи меншої стабільності водень позначається різними кольорами. Тож які кольори водню можуть наблизити світ до нульового рівня викидів, та й загалом, із чого він зроблений?

Серед широкого спектру кольорів 99% усього виробленого водню нині отримується з викопного палива. Сірий водень становить близько 70% від усього його обсягу. Він утворюється з природного газу за допомогою парового риформінгу. Решта 30% — це коричневий водень, створений шляхом перетворення вуглецевих матеріалів на водень за допомогою газифікації. Обидва методи доволі недорогі, однак спричиняють виділення значної кількості CO₂ в повітря під час виробництва, а це, своєю чергою, призводить до забруднення та виснаження невідновлюваних ресурсів.

Проте навіть сірий і коричневий види водню мають дві великі переваги перед прямим використанням викопного пального. По-перше, кілограм водню містить приблизно в 2,4 раза більше енергії, ніж природний газ аналогічного об’єму. По-друге, єдиним виходом після спрацювання водню є вода, що робить використання цього джерела енергії цілковито вільним від викидів парникових газів.

На шляху до чистішого водню

На щастя, існують способи поліпшити виробництво водню, водночас зберігаючи його найкращі властивості. Ось чому в нас є також синій, зелений, жовтий, рожевий і навіть бірюзовий водень, виробництва яких розвиваються по всьому світу.

Блакитний водень найближчий до сірого, так як він теж виробляється з природного газу. Різниця між ними полягає в тому, що вуглекислий газ, який утворюється при паровому риформінгу, вловлюється і зберігається, тому залишаються нульові викиди, що викидаються в атмосферу. Цей метод допомагає продовжити життя заводів-виробників водню, заснованих на використанні природного газу, та робить їх менш шкідливими для навколишнього середовища.

Наприклад, у Shell Pernis, найбільшому в Європі нафтопереробному заводі, розташованому в Роттердамі (Нідерланди), близько 40% CO₂ уже вловлюється і використовується як добриво — для прискорення росту овочів у місцевих теплицях. Характеризуючись високим рівнем чистоти, вироблений СО₂ також чудово підійде для вловлювання і зберігання вуглецю (CCS). Тож найближчим часом його планують спрямувати в Північне море і зберігати в збіднених газових резервуарах глибоко на морському дні.

Зелений водень вважається найперспективнішим видом цього пального та справжнім джерелом чистої енергії під час використання відновлюваних джерел енергії у виробничому процесі. Щоб зробити зелений водень, здійснюють електроліз води, використовуючи чисту електроенергію вітрових і сонячних станцій. Під час цього процесу вода розщеплюється на водень і кисень, не залишаючи викидів вуглецю. Однак існує суттєва проблема виробництва такого зеленого водню — це дорожнеча процесу, що створює перепони у використанні технології в більших масштабах.

У Європі Shell стимулює розробку зеленого водню в межах свого проєкту Refhyne 1. За підтримки європейського консорціуму проєкт спрямований на прискорене виробництво водню шляхом установлення найбільшого в Європі електролізера полімерних електролітних мембран (PEM) у парку енергії та хімікатів Shell Rhineland у Весселінгу (Німеччина). Маючи потужність 10 МВт, електролізер може виробляти приблизно 1 300 тонн водню на рік, який повністю інтегрований у процеси нафтопереробки для декарбонізації цих продуктів. Refhyne 1 уже показав чудові результати, тому знайшов своє продовження в масштабованому проєкті Refhyne 2, який може збільшити потужність найбільшого в Європі електролізера PEM із 10 МВт до 100 МВт.

«Ці два проєкти демонструють правильну розстановку виробничих акцентів і значне збільшення потужностей у галузі, що досягнуть гігаватного масштабу в найближчому майбутньому, — коментує Френк Кіссліч. Згідно з Національною водневою стратегією Німеччини, країна планує прискорити впровадження водневих технологій і до 2030 року встановити до 5 ГВт генеруючих потужностей. — Отже, нам потрібно 500 проєктів Refhyne 1 або 50 проєктів Refhyne 2, щоб досягти цієї амбіції лише для Німеччини».

Однак збільшення кількості електролізерів — не єдина проблема виробництва зеленого водню. Важливим аспектом цього питання є доступ до достатньої кількості дешевшої та відновлюваної «зеленої» енергії, що може допомогти зробити зелений водень більш конкурентоспроможним. Також є проблема з інфраструктурою: «Навіть якщо потужностей достатньо, якось треба буде транспортувати цю потужність до споживача, а саме електролізера, для виробництва водню. Це робить подальший розвиток нашої енергосистеми та потужностей енергосистеми одним із життєво важливих викликів на найближче майбутнє», — підсумовує Франк Кіссліх.

Два інші кольори водню — рожевий і бірюзовий — усе ще доволі нові розробки й використовуються поки що експериментально.

Так само, як і зелений водень, рожевий видобувається за допомогою електролізу й виділяє кілька викидів вуглецю під час виробництва. Проте живиться процес ядерною енергією, тож рожевий водень може спровокувати інші негативні впливи на навколишнє середовище — наприклад, утворювати радіоактивні ядерні відходи.

Бірюзовий водень виготовляється методом піролізу метану, який передбачає розщеплення метану на водень і твердий вуглець. Таким чином, у повітря не виділяється вуглець, а його тверда форма може легко зберігатися чи використовуватися як сировина для виготовлення автомобільних шин і акумуляторів. Однак процес його виготовлення все ще спричиняє утворення викидів-утікачів метану під час видобутку природного газу.

Справи налагоджуються

Незважаючи на всі ці виклики, технологія блакитного й зеленого водню неймовірно розвинулася з погляду ефективності виробництва і його споживання. «По-перше, зараз вона використовує менше енергії для виробництва водню. По-друге, для виробництва енергії потрібно менше водню, — пояснює Паоло Бруненго, директор компанії SynGas Technology в KBR. За його словами, ще одним серйозним покращенням є збільшення обсягу відновлюваної енергії із сонячної та вітрової енергії, яка зараз стає більш конкурентоспроможною порівняно з генерацією електроенергії з природного газу чи вугілля.

У дискурсі навколо блакитного водню менеджерка із розвитку бізнесу з імпорту / експорту водню в Shell Нан Луі виділяє дві значні події: масштаби виробництва, які, як очікується, зростуть до 2030 року більш ніж удесятеро, і зміщення виробничого фокусу на швидкість уловлювання вуглецю блакитних водневих установок. «Сьогодні ми бачимо більше проєктів з високим рівнем уловлювання вуглецю, вище 95%», — зазначає фахівчиня.

Це підводить нас до ще одного важливого розуміння дискусії: відхід від розмови про визначення кольору водню до визначення його вуглецевого сліду. «Як правило, люди використовують колір, щоб розрізняти спосіб виробництва водню. Однак що має значення, то це врешті-решт те, яка вуглецемісткість молекули водню, яку ви виробляєте», — підсумовує Нан Луі.

Навіть якщо водень не є універсальним рішенням у боротьбі зі зміною клімату, його величезний потенціал стати повсюдно поширеним «зеленим» джерелом енергії не залишає сумнівів у тому, що рано чи пізно він стане частиною нашого повсякденного життя. Від водневих котлів у житлових будинках й до автобусів та вантажівок, живлених воднем, цей вид пального може наблизити нашу промисловість, енергетику та транспорт до нульових викидів за умови належного розвитку технологій.

Джерела світлин: депозитарій компанії Shell.