серый водород что это
Классификация водорода по цвету
Для простоты каждый «сорт» обозначается цветом
В классификации водорода главным критерием является его экологичность.
Чем больше оксидов углерода выделяется при производстве водорода, тем менее экологичным он будет считаться.
Для простоты каждый «сорт» обозначается цветом.
Зеленый водород
Данный водород является самым экологичным, т. к. получают его с помощью электролиза.
Если электричество поступает от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), таких как ветер, солнечная или гидроэнергия, то выбросы СО2 отсутствуют.
Желтый (оранжевый) водород
Как и зеленый, его получают путем электролиза.
Однако источником энергии являются атомные электростанции (АЭС).
Выбросы СО2 отсутствуют, но метод не является абсолютно экологичным.
Бирюзовый водород
Этот водород получают разложением метана на водород и твердый углерод путем пиролиза.
Производство бирюзового водорода дает относительно низкий уровень выброса углерода, который может быть либо захоронен, либо использован в промышленности, например, в производстве стали или батарей.
Таким образом, он не попадает в атмосферу.
Серый водород
Серый водород производится путем паровой конверсии метана.
Исходным сырьем для такой реакции служит природный газ.
Этот процесс легко осуществим с практической точки зрения, однако в ходе химической реакции выделяется углекислота, причем в тех же объемах, что и при сгорании природного газа (также расходуется энергия на конверсию).
Коричневый (бурый) водород
Для получения коричневого водорода в качестве исходного сырья используется бурый уголь.
Далее с помощью газификации бурого угля образуется синтез-газ (сингаз): смесь углекислого газа (CO2), окиси углерода (CO), водорода, метана и этилена, а также небольшое количество других газов.
Первые 2 из этих газов бесполезны в производстве электроэнергии.
Это делает процесс очень неэкологичным по сравнению с другими методами.
Классификация водорода по цвету
Для простоты каждый «сорт» обозначается цветом
В классификации водорода главным критерием является его экологичность.
Чем больше оксидов углерода выделяется при производстве водорода, тем менее экологичным он будет считаться.
Для простоты каждый «сорт» обозначается цветом.
Зеленый водород
Данный водород является самым экологичным, т. к. получают его с помощью электролиза.
Если электричество поступает от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), таких как ветер, солнечная или гидроэнергия, то выбросы СО2 отсутствуют.
Желтый (оранжевый) водород
Как и зеленый, его получают путем электролиза.
Однако источником энергии являются атомные электростанции (АЭС).
Выбросы СО2 отсутствуют, но метод не является абсолютно экологичным.
Бирюзовый водород
Этот водород получают разложением метана на водород и твердый углерод путем пиролиза.
Производство бирюзового водорода дает относительно низкий уровень выброса углерода, который может быть либо захоронен, либо использован в промышленности, например, в производстве стали или батарей.
Таким образом, он не попадает в атмосферу.
Серый водород
Серый водород производится путем паровой конверсии метана.
Исходным сырьем для такой реакции служит природный газ.
Этот процесс легко осуществим с практической точки зрения, однако в ходе химической реакции выделяется углекислота, причем в тех же объемах, что и при сгорании природного газа (также расходуется энергия на конверсию).
Коричневый (бурый) водород
Для получения коричневого водорода в качестве исходного сырья используется бурый уголь.
Далее с помощью газификации бурого угля образуется синтез-газ (сингаз): смесь углекислого газа (CO2), окиси углерода (CO), водорода, метана и этилена, а также небольшое количество других газов.
Первые 2 из этих газов бесполезны в производстве электроэнергии.
Это делает процесс очень неэкологичным по сравнению с другими методами.
Стоит ли «Газпрому» превращать «серый» водород в «зеленый»
Идеология противостояния глобальному потеплению предполагает использование как можно более экологически чистого сырья
Об авторе: Сергей Юрьевич Воробьев – директор Института развития технологий ТЭК (ИРТТЭК).
Варианты производства водорода из различного вида углеводородного сырья и в сравнении с электролизом. Источник: Международная энергетическая ассоциация
«Газпром» планирует расширить объемы своего экспорта за счет поставок водорода на рынок Европы, а впоследствии и на азиатские рынки. Желание газового гиганта совпадает с планами развитых стран использовать водород для производства электроэнергии, тепла и в промышленности в качестве замены угля и природного газа – источников парникового СО2. Однако перед реализацией этих планов стоит множество барьеров, вероятность преодоления которых пока неочевидна.
Прежде всего следует отметить, что в основе «водородизации» экономики развитых стран лежит предположение о катастрофическом потеплении климата планеты из-за парниковых газов, в основном углекислого газа, выделяемого при сжигании ископаемого топлива. Это предположение опирается исключительно на политические решения правительств развитых стран и межправительственных организаций. Убедительного доказательства потепления климата вследствие использования ископаемого топлива нет, а веских опровержений данного тезиса более чем достаточно. Поэтому в тот момент, когда власти развитых стран под давлением экономических проблем и научных фактов будут вынуждены отказаться от борьбы за безуглеродную экономику, водородные проекты окажутся ненужными, а инвестиции в них – потраченными зря.
Еще одно большое препятствие заключается в том, что идеология глобального потепления за счет выбросов парниковых газов предписывает использовать только «зеленый» водород, при производстве которого в атмосферу не выделяется двуокись углерода.
«Разделение водорода по «цветам» используется в основном в контексте реализации Евросоюзом программы декарбонизации. По сути, нормативных актов по «цветовому» разделению водорода не существует, как и методологической базы для оценки суммарного влияния на экологию по всей технологической цепочке – от производства каждого участвующего компонента до получения конечного продукта – водорода. Введенная Евросоюзом «цветовая» терминология необходима для того, чтобы подчеркнуть, что «зеленый» водород для зеленой энергетики может быть произведен только без первичного участия углеводородов», – поясняет исполнительный директор Независимого аналитического агентства нефтегазового сектора (НААНС-МЕДИА) Тамара Сафонова.
В терминологии ЕС возобновляемый, или «зеленый», водород производится на основе возобновляемых источников энергии. При этом процесс производства оборудования для ВИЭ (например, в Китае) также оказывает влияние на мировую экосистему и должен учитываться в совокупной оценке влияния на окружающую среду, отмечает эксперт.
«Серый» водород производится в основном из ископаемых источников энергии, в частности, из природного газа путем его риформинга, при этом дополнительным продуктом является СО2.
Термин «голубой» водород используется, если при «сером» производстве улавливаются парниковые газы с использованием carbon capture systems. По мнению Сафоновой, смысл этой градации заключается в том, чтобы в будущем закрыть вход в страны Евросоюза для «неэкологичных» молекул СО2, создать множество собственных производств «чистого» топлива, обеспечивая энергетическую независимость, инновационное развитие и прирост экономических показателей.
В свою очередь, главный редактор BiznesAlert, эксперт по европейской энергетике Войцех Якобик полагает, что экологически чистый водород сам по себе является целевой технологией, «потому что способствуют снижению выбросов СО2, в то время как другие технологии являются промежуточными».
Однако в обозримом будущем производство «зеленого» водорода не сможет подойти близко к масштабам, способным удовлетворить потребности ЕС. Поэтому европейские страны рассматривают и варианты с «голубым» водородом. Но для получения такого водорода в промышленных объемах потребуется бороться с отходами его производства, то есть с СО2. Сейчас в качестве основного метода захоронения СО2 рассматривается его закачка в землю, например, в выработанные нефтяные и газовые месторождения. Согласно отчету МЭА, выпущенному в июне прошлого года, по всему миру работают 15 заводов, улавливающих около 9000 тонн СО2 в год. Для сравнения: вес СО2, выделяющегося при сжигании газа, поставленного «Газпромом» в Европу в прошлом году (177,315 млрд куб. м), больше этой цифры в 36 тыс. раз. То есть индустрия масштабного захоронения углерода не создана, ее надо строить с нуля.
К обсуждению технических вопросов пока подошли только проекты «Газпрома» по продаже водорода в Германию. Один из рассматриваемых вариантов – производство водорода на территории России и подмешивание его в поток газа, идущего в Европу. В этом случае речь идет только о снижении углеродоемкости российского экспорта и, возможно, уменьшении грядущего углеродного налога на экспорт ископаемого топлива. Вариант также возможен, если европейские страны будут больше платить за газ с водородом, чем за газ без водорода. О таких платежах пока ничего не известно.
Экспорт из России на территорию Германии чистого водорода проблематичен вследствие особых свойств этого газа, улетучивающегося не только через фланцевые соединения, но и просачивающегося через сталь.
Производство водорода непосредственно на территории Германии из российского газа считается наиболее реальным вариантом. С германскими экспертами обсуждается строительство завода по производству водорода у окончания газопровода «Северный поток – 2». Получаемый при этом «серый» водород для соответствия требованиям ЕС требуется превратить в «голубой» путем захоронения углерода.
Захоронение СО2 возможно либо на территории Европы, что добавляет к цене водорода 20–40% стоимости, либо углекислый газ будет по специальному трубопроводу перекачиваться на территорию России и захораниваться уже здесь. Экономика такой трубы крайне сомнительна.
Как отмечает генеральный директор ООО «ИнфоТЭК-Консалт» Тамара Канделаки, любое зеленое производство имеет свои проблемы. «В том числе – вопрос утилизации отходов, в связи с чем ряд уже построенных предприятий был остановлен», – напоминает она.
Самый дорогой способ получения водорода – электролиз, разложение воды электрическим током. На графике на стр. 9 представлены примерные цены водорода в разных технологиях, по данным Международной энергетической ассоциации.
Тамара Сафонова согласна с тем, что себестоимость водорода, получаемого пиролизом метана, значительно ниже себестоимости водорода, получаемого электролизом воды и пароводяной конверсией природного газа. Как подчеркивает эксперт, при пиролизе метана также отсутствует вредное воздействие на окружающую среду.
У электролиза же, на который в качестве источника «зеленого» водорода нацелен Евросоюз, есть две проблемы: огромный расход электроэнергии на разрыв связей между атомами кислорода и водорода в воде и качество воды. В традиционных технологиях для электролиза можно использовать только дистиллированную или обессоленную пресную воду, в которую к тому же добавляются химические ингредиенты. Поэтому крупные заводы для производства водорода методом электролиза воды работают только там, где много дешевой электроэнергии ГЭС, например в Канаде и Норвегии. Электроэнергию с ветровых и солнечных электростанций предлагают использовать для получения водорода как способ запасать «бесплатную» энергию, но пока дешевизна этой энергии больше фигурирует в отчетах производителей, чем в счетах потребителей.
Войцех Якобик предлагает более оптимистично смотреть на вопрос. По его мнению, «зеленый» водород в настоящее время – самый дорогой, но он может пройти через тот же процесс снижения цен на технологии, через который уже когда-то прошли возобновляемые источники энергии (ВИЭ). «Разумная поддержка ВИЭ сделала эту технологию рентабельной за несколько десятилетий. Вот почему «зеленый» водород планируется сделать целевой технологией в Европе к 2030-м годам», – подчеркивает эксперт.
Тамара Сафонова тоже не исключает изменения ценообразования на водород на фоне развития технологий и роста спроса. «На текущий момент стоимость водорода для заправки авто ниже стоимости топлива углеводородного происхождения. В России в 2020 году владельцу автомобиля Toyota Mirai заправка водородом пробега в 100 км обошлась в сумму около 250 руб. Для сравнения: затраты на бензин на 60–80% выше», – напоминает она.
Что касается качества воды, то ученые сейчас работают над технологиями получения водорода электролизом непосредственно морской воды. Предприятия корпорации Siemens обещают к середине 2020-х представить офшорный ветрогенератор для производства водорода мощностью 14 МВт, а альянс NortH2, в который входят крупные европейские компании, планирует сделать такой генератор водорода к 2027 году.
Но сначала «Газпрому» предстоит решить принципиальные вопросы: кто, сколько и с какой прибылью будет платить за водородизацию Европы? «Меня больше интересуют вопросы: куда «Газпром» собрался девать этот водород? Где, собственно говоря, потребляющая отрасль? Ну и если ее нет, то кто и где собирается строить производственные установки? Что и почем они будут продавать и кому?» – задается вопросами Тамара Канделаки.
Оставлять комментарии могут только авторизованные пользователи.
Водород: эпоха возрождения?
Климатические амбиции крупнейших экономик мира на пути к низкоуглеродной энергетике заставили их снова обратиться в сторону самого легкого и самого распространенного элемента на земле — водорода. По мнению международных экспертов, водород, который имеет двухсотлетнюю историю использования, именно по причине экологической чистоты наконец имеет шансы на успех.
«Хотя за последние 50 лет водород пережил несколько волн интереса, ни одна из них не привела к устойчивому росту инвестиций и более широкому внедрению в энергетических системах. Тем не менее, недавний акцент на декарбонизацию и расширение масштабов и ускоренный рост низкоуглеродных технологий, таких как возобновляемые источники энергии, вызвал новую волну интереса к свойствам и расширению цепочки поставок водорода», — пишет в своем обзоре Goldman Sachs (GS).
Водород содержит в 2,5 раза больше энергии на единицу массы по сравнению с природным газом и бензином, но его очень низкий вес подразумевает гораздо более низкую плотность энергии на единицу объема в его газообразной форме в условиях окружающей среды.
«Водород обладает рядом ценных свойств, два из которых делают его уникальным в эпоху изменения климата:
— отмечают эксперты GS.
Зеленый, серый, бурый и голубой водород
В настоящее время производится около 70 млн тонн водорода, но лишь менее 2% производится экологически чистым способом — путем электролиза воды, когда вода разлагается на свои составляющие — водород и кислород — после подачи электрического тока. Если электроэнергия производится с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) — это «зеленый» водород, что является конечной целью экологически ответственных стран.
Однако, как водится, это наиболее дорогостоящий способ, и сейчас водород производится в основном из ископаемых источников энергии, в частности, из природного газа путем его риформинга — это «серый» водород (75%), поскольку нежелательным продуктом является СО2.
Остальной объем водорода производится путем газификации угля и называется «бурым» водородом.
По данным Международного энергетического агентства (МЭА), около 6% мирового производства газа и 2% угля используется для производства водорода, что приводит к существенным выбросам парниковых газов.
Аналитики Wood Mackenzie подсчитали, что в 2017 году на мировое производство водорода приходилось больше ежегодных выбросов CO2 и других парниковых газов, чем на всю Германию и мировую судоходную отрасль — 830 млн т в год.
На пути к «зеленому» водороду выделяется понятие «голубого» водорода: если при производстве «серого» или «бурого» будут улавливаться парниковые газы за счет систем CCS (carbon capture systems).
Где используется водород
С 1975 года спрос на водород увеличился более чем в три раза — с 18 до чуть более 70 млн т в год, из них около половины — 38 млн т — потребляется в нефтепереработке, около 32 млн т — в химической промышленности для производства аммиака, еще 4 млн т потребляют другие отрасли, в частности, при производстве метанола и стали, подсчитало МЭА.
Эксперты отмечают, что водород может «обезуглеродить» ряд секторов, где это представлялось сложным осуществить, включая перевозки на дальние расстояния, химическую промышленность, а также производство чугуна и стали.
Как пишет GS, ключевые характеристики водорода (малый вес и высокая энергия на единицу массы, короткое время дозаправки, нулевые прямые выбросы при использовании возобновляемых источников энергии) делают его привлекательным кандидатом в качестве транспортного топлива.
На сегодняшний день сжатый водород используется для автомобильного транспорта (включая легковые автомобили, а также автобусы, грузовики и поезда), при этом на легковые автомобили приходится подавляющее большинство используемых электромобилей на топливных элементах. Япония, США, ЕС и Южная Корея лидируют по уровню парка FCEV, но многие другие страны недавно также установили цели по внедрению водорода в транспортном секторе.
«Конкурентоспособность автомобилей на водородных топливных элементах зависит от стоимости топливных элементов и заправочных станций, в то время как для грузовых автомобилей приоритетной задачей является снижение стоимости доставки водорода»,
Количество FCEV в мире почти удвоилось до 25210 единиц в конце 2019 года, при этом было продано 12350 новых автомобилей — почти вдвое больше, чем в 2018 году. По состоянию на конец 2019 года во всем мире работало 470 водородных заправочных станций, что на 20% больше, чем в 2018 году.
Железнодорожная отрасль уже является лидером в европейском энергетическом переходе, генерируя только 0,1% общих выбросов парниковых газов, однако водородные поезда помогут дополнительно снизить выбросы и уровень шума. Первые коммерческие поезда были представлены в 2016 году компанией Alstom, а в 2018 году они введены в эксплуатацию в Германии. Хотя они все еще находятся на ранней стадии разработки и, по данным Alstom, их первоначальные затраты на 25% выше, экологический, технический и экономический профиль делает водородные поезда привлекательными для замены парка с дизельными двигателями, считают эксперты GS.
При использовании для бытового и промышленного отопления водород можно добавлять в существующие газопроводы с наибольшим потенциалом использования в многоквартирных и коммерческих зданиях, особенно в густонаселенных городах, в то время как более долгосрочные перспективы могут включать прямое использование водорода в водородных котлах или топливных элементах.
Добавление до 20% водорода в газораспределительную сеть требует минимальных или потенциально нулевых модификаций сетевой инфраструктуры или бытовых приборов конечного пользователя, отмечает МЭА.
Проект GRHYD во Франции, который начал подмешивать 6% водорода в сеть природного газа в 2018 году, уже достиг 20% в объемном выражении в 2019 году, демонстрируя техническую осуществимость этого подхода.
Закачка водорода в магистральные газопроводы является более сложной задачей из-за несовместимости материалов при высоких давлениях и более низкого допуска по концентрации водорода в смеси, которую могут принять промышленные пользователи. Однако в рамках некоторых пилотных экспериментов изучается возможность впрыска водорода в такие газопроводы, а проект, разработанный Snam в Италии, уже продемонстрировал возможность подмешивания водорода в объеме до 10%.
На промышленных предприятиях по переработке нефти, производству аммиака, метанола и стали «зеленый» или «голубой» водород может использоваться в качестве топлива (обеспечивая высокотемпературное тепло, требуемое на промышленных предприятиях) или как сырье, помогая сделать соответствующие производства экологически чистыми. Одним из ключевых промышленных применений чистого водорода, которое в последнее время привлекло внимание промышленности, является производство углеродистой стали с нулевым содержанием углерода. В настоящее время осуществляется ряд проектов по развитию этих процессов и продвижению к коммерциализации.
В производстве электроэнергии водород является одним из ведущих вариантов хранения возобновляемой энергии, а водород и аммиак можно использовать в газовых турбинах для повышения гибкости энергосистемы.
Аммиак можно также использовать на угольных электростанциях для сокращения выбросов.
Сколько стоит водородная экономика
Основной статьей затрат при производстве «серого» водорода является стоимость сырья — от 45% до 75% себестоимости, считает МЭА.
При этом, если добавить в схему использование уловителей СО2, затраты вырастают примерно на 50%:
Конечно же, доля сырья в себестоимости для стран, импортирующих газ, выше, чем в странах-производителях.
Согласно отраслевым исследованиям, использование технологий улавливания выбросов при производстве водорода может снизить их на 90%. В настоящее время по всему миру работает 20 крупных объектов CCS (в основном в США, Канаде и Норвегии) с общей мощностью, превышающей 35 млн тонн в год.
Наиболее широко применяемой и зрелой технологией является щелочной электролиз, характеризующийся относительно низкими капитальными затратами на электролизер (менее дорогие, поскольку обычно используется меньше драгоценных металлов по сравнению с другими технологиями электролиза, и с относительно высокой эффективностью, обычно варьирующейся от 55% до 70%).
Эксперты полагают, что «голубой» водород, вероятно, будет в ближайшей и среднесрочной перспективе основным проводником низкоуглеродной энергетики, пока «зеленый» водород не достигнет паритета затрат.
Аналитики МЭА отмечают, что в связи со снижением затрат на возобновляемую электроэнергию, в частности, солнечную энергию и энергию ветра, интерес к электролитическому водороду растет, и в последние годы было реализовано несколько демонстрационных проектов.
Если бы весь водород производился бы сейчас путем электролиза, это привело бы к потребности в электроэнергии в 3600 ТВт*ч, что превышает годовую выработку электроэнергии в Европейском Союзе, подсчитали аналитики агентства.
При снижении затрат на солнечную и ветровую генерацию строительство электролизеров в местах с отличными условиями для возобновляемых ресурсов может стать недорогим вариантом поставки водорода даже с учетом затрат на передачу и распределение при транспортировке водорода из удаленных мест, где используются возобновляемые источники энергии.
Согласно исследованию Wood Mackenzie, к 2040 году затраты на экологически чистый водород упадут на 64%. Так, считают эксперты, с учетом заявленных за последние десять месяцев проектов по «зеленому» водороду, объемы будут достаточно большими и достаточно стабильными, чтобы можно было масштабировать зарождающийся рынок.
«В среднем, к 2040 году затраты на производство зеленого водорода будут равны затратам на водород, вырабатываемый из ископаемого топлива. В некоторых странах, таких как Германия, это произойдет к 2030 году.
Учитывая масштаб, который мы наблюдали до сих пор, 2020-е годы, вероятно, станут десятилетием водорода»,
— отмечают аналитики WoodMac.
В то же время росту конкурентоспособности «зеленого» водорода будет способствовать и рост цен на ископаемые виды топлива. В то время как в 2020 году «серый» водород является самым дешевым водородом, за исключением Китая, Wood Mackenzie ожидает, что к 2040 году затраты на него вырастут на 82%, в основном, из-за роста цен на газ. В Саудовской Аравии и США «серый» водород по-прежнему будет самым дешевым водородом до 2040 года, считают они.
Стоимость «голубого» водорода к 2040 году вырастет, по мнению WoodMac, на 59%. «Успех „голубого“ водорода связан с успехом технологии CCS, которая страдает от высоких затрат и отмены проектов. Как и в случае с „серым“ водородом, прогнозируемый профиль затрат в значительной степени определяется ценами на природный газ», — считают они.
Решение за политиками
«Даже с учетом множества проблем, которые ждут зарождающийся рынок экологически чистого водорода, мы твердо уверены, что в ближайшее время возникнет какая-то форма низкоуглеродной водородной экономики. Учитывая степень четкой политики, корпоративной и социальной поддержки, которая процветала в 2020 году, зеленый водород будет успешно масштабироваться и обеспечивать значительное снижение производственных затрат», — уверены в WoodMac.
«В 2019 году водородные технологии продолжали развиваться, что вызвало большой интерес у политиков. Это был рекордный год для ввода в эксплуатацию электролизных мощностей, и на ближайшие годы было сделано несколько важных заявлений», — полагают аналитики МЭА.
В 2020 году производство низкоуглеродного водорода, как ожидается, составит около 0,46 млн т, уже анонсированы проекты, которые позволят к 2023 году производить 1,45 млн т, а к 2030 году стоит задачу увеличить производство до 7,92 млн т в год, отмечают в агентстве.
Европейский Союз летом текущего года заявил о намерении отказаться от использования ископаемых источников топлив к 2050 году и использовать декарбонизированные газы.
Европа является крупнейшим потребителем российских нефти и газа — основных источников пополнения российского бюджета.
Значит, России придется искать новые пути к своему традиционному партнеру.
«Газпром» уже пытается застолбить для себя нишу в производстве водорода, принимая участие в общественных дискуссиях, проведенных Европейской комиссией по проекту водородной стратегии. «Те предложения, которые мы высказали, — применение пиролиза метана для производства низкоуглеводного водорода — также включены в уже опубликованную стратегию ЕС. И водород, произведенный из природного газа, обладает как экономическими, так и экологическими преимуществами. То есть он может быть произведен без выбросов СО2», — сказал начальник отдела департамента 623 «Газпрома» Константин Романов.
По его словам, сейчас из природного газа в Европе производится более 8 млн тонн водорода в год, и на это используется более 30 млрд кубометров газа. Тогда как по планам ЕС предполагается производить лишь 1 млн тонн водорода с использованием электролиза воды.
«Мы ведем с европейскими партнерами дискуссии, переговоры о реализации пилотных водородных проектов в Европе, в том числе стратегия позволяет использовать и грантовую систему, механизмы грантов Еврокомиссии для развития пиролиза. Мы считаем, что природный газ по-прежнему останется важным источником для водорода и в целом для ЕС», — заключил Романов.
Светлана Кристалинская