«Темная сторона» водорода: замкнутый круг энергодефицита и истощение водных ресурсов

Аналитика
«Темная сторона» водорода: замкнутый круг энергодефицита и истощение водных ресурсов
«Темная сторона» водорода: замкнутый круг энергодефицита и истощение водных ресурсов
30 сентября, 16:32Илья Круглей
Круговорот «зеленой» энергетики в природе — производство водорода требует больше мощностей ВИЭ, но они же нуждаются в водороде, как в подстраховке по генерации.

Использование водорода в качестве энергоносителя захватывает все большее количество умов среди политиков Европы, Америки, Азии и даже Африки. Но когда проходит время красивых слов и начинается рутина по непосредственной реализации проектов, возникают крайне неприятные для сторонников энергоперехода вопросы.

Безусловно, использование «зеленого» водорода не провоцирует выбросов углекислого газа, что идеально вписывается в стратегию сокращения выбросов ПГ для Евросоюза, США, Китая и других стран. Однако массовое производство такого энергоносителя, если речь идет именно о «зеленом» водороде, требует огромного количества дистиллированной воды, а значит, объективно будет истощать водные ресурсы в регионе производства. Уже сейчас многие аналитики из разных стран открыто признают, что решать подобную проблему придется за счет опреснения воды.

В Rystad Energy считают, что мировое производство водорода быстро развивается, к 2040 году планируется достичь установленной мощности электролизеров (необходимых для создания 30 млн т «зеленого» водорода) в 206 ГВт. Однако более 70% проектов по электролизу водорода будет расположено в районах, где наблюдаются проблемы с водой, например, их будут реализовывать в Испании и Чили.

«14 проектов запланированы в странах с чрезвычайно высоким уровнем дефицита воды, 53 проекта — в странах с высоким уровнем, а 162 — в регионах со средним и высоким уровнем», — говорится в отчете Rystad Energy.

Фото:Rystad Energy

А ведь воды не хватает и для отраслей, которые не только не связаны с «зелеными» технологиями, но и вообще далеки от энергетики. В отчетах ООН за последние годы сообщается, что 2,2 миллиарда человек не имеют доступа к чистой питьевой воде, а к 2025 году только из-за сельского хозяйства спрос на пресную воду в мире увеличится на 60%.

На создание 30 млн т водорода потребуется ежегодно примерно 270 млн кубометров очищенной воды. Просто так взять эти объемы неоткуда. По этой причине, уверены аналитики из Rystad Energy, 85% мощностей по производству «зеленого» водорода в мире, запланированных на 2040 год, потребуют создания масштабных проектов по опреснению воды.

И вот тут появляется серьезная проблема, которая формирует практически замкнутый круг:

  1. Опреснение воды для производства «зеленого» водорода, раз уж мы говорим о полностью экологически чистом энергоносителе, должно выполняться исключительно за счет ВИЭ-генерации.
  2. ВИЭ-объекты сильно зависимы от погодных условий. Работать по четко установленному графику они объективно не способны. Солнечные панели и ветряные парки нуждаются в резервном источнике генерации, который мог бы компенсировать их поставки энергии.
  3. Водород может заменить солнечные панели и ветряки в момент их простоя из-за заморозков, облачной и безветренной погоды. Но чтобы производить его в больших объемах, нужно масштабное опреснение воды, которое, в свою очередь, требует регулярной работы ВИЭ-объектов.

В теории можно было бы такую «закольцовку» сбалансировать:

  • солнечные панели и ветропарки генерируют ровно столько энергии, сколько необходимо для опреснения воды, требуемой для производства «зеленого» водорода;
  • водород производят в том объеме, который нужен для компенсации простоя ВИЭ объектов;
  • на фоне всего этого ВИЭ объекты и производство водорода должны удовлетворять не только нужды друг друга, но еще и идеально «закрывать» внутренний спрос на энергию в регионе или стране, где они расположены.

Но это все в теории. На практике почти невозможно угадать, сколько в этом, а сколько в следующем году нужно будет водорода для компенсации работы ветряков, скажем, в Испании или в Эстонии. Как угадать точное количество дней в году, когда ветряные парки простоят без работы? Более того, есть проблемы с хранением большого объема водорода (слишком дорого, а технологии еще далеки от совершенства в плане безопасности).

В данный момент только 1% глобальных проектов по опреснению работает на ВИЭ-генерации, среди которых австралийские Kwinana (получает 80 МВт от ветроэлектростанции Emu Downs) и Kurnell (получает 140 МВт от ветропарка Bungendore). Также есть опыт Саудовской Аравии, где опреснение на проектах Al Khafji и Yanbu 4 производится за счет энергии, поставляемой солнечными панелями. Однако большая часть установок в мире по опреснению работает за счет традиционной энергетики, использующей углеводороды.

Можно было бы задействовать не «зеленый», а «голубой» водород, для производства которого используется не вода, а метан. Но тогда энергоноситель не будет по-настоящему «чистым». Одна единица конечной энергии, которую можно получить при производстве экологически чистого водорода из метана (или как в Австралии — из бурого угля), в итоге спровоцирует больше выбросов СО2 в атмосферу, чем если бы просто сожгли метан.

Выходит, если придерживаться идеи энергоперехода, скажем, Евросоюза, где к 2050 году нужно достичь нулевых выбросов ПГ, подойдет только «зеленый» водород.

Заменить его в качестве компенсации для поставок энергии от ВИЭ-объектов можно, однако если взять для примера Европу, то такие альтернативы либо обладают более низким КПД аккумулирования, либо труднореализуемы с технической точки зрения и имеют сомнительную экономическую целесообразность.

Более подробно об этом рассказал профессор Санкт-Петербургского политехнического университета Виктор Елистратов.

«Чтобы компенсировать простой ветряных парков и солнечных панелей в неблагоприятную погоду можно использовать системы с электрохимическими аккумуляторами. Сегодня технологии литий-ионных накопителей развиваются довольно активно во многих странах мира. Уже есть емкости систем аккумулирования, объем которых достигает десятков МВт*ч.

Есть пневматическое аккумулирование. В период пикового производства электричества с ВИЭ-объектов энергия подается на компрессор, который сжимает воздух и направляет его в емкости, где он под давлением какое-то время хранится. Затем, когда возникает нехватка электричества, этот воздух подается на воздушную турбину, которая и вырабатывает энергию», — рассказал профессор.

Также Виктор Елистратов особо выделил гидравлическое аккумулирование, которое в отличие от предыдущих, имеет больше перспектив по целому ряду причин. Принцип такого сохранения и перераспределения энергии — закачка жидкости на определенную высоту, а затем, когда возникает энергодефицит в регионе, срабатывание (сброс жидкости) в турбинном режиме и выработка за счет этого электричества. Эксперт напомнил, что общая мощность таких систем в мире достигает около 150 ГВт. Однако есть проблема в виде неравномерного расположения подобных объектов генерации.

«В Австрии мощность гидроаккумулирующих станций около 30 ГВт. Пока что этого вполне достаточно, чтобы перераспределять и аккумулировать энергию для нормальной и «ровной» работы генерации в стране, учитывая непостоянство ВИЭ-объектов. А вот в Германии таких станций меньше. Их недостаточно для компенсации работы того числа ветрогенераторов и солнечных панелей, которые функционируют в ФРГ. Именно поэтому Германия больше интересуется другими альтернативами, включая водород.

Можно было бы использовать потенциал Швеции, у которой гидроэнергетика составляет более 50% от всей выработки электричества. Она могла бы поставлять в Европу электричество из своих гидроаккумулирующих систем. Но делать это на слишком большие расстояния экономически нецелесообразно (слишком большие потери мощности)», — говорит эксперт.

Однако, как подчеркнул Виктор Елистратов, наилучший КПД аккумулирования все-таки у водорода. Избыток электроэнергии (при пиковой работе ВИЭ-объектов) пропускается через электролизер, разлагающий воду на кислород и водород, после чего водород накапливают для хранения. Когда энергии не хватает, через топливные элементы этот водород преобразуется в электроэнергию. В итоге КПД аккумулирования у водорода 35% против 85% у гидроаккумулирования. Именно поэтому, например, Германия и другие страны ЕС уделяют больше внимания подобному энергоносителю, а не другим источникам производства, хранения и перераспределения энергии.

Впрочем, все еще остается проблема хранения больших объемов водорода. Он является летучим элементом, причем весьма взрывоопасным, его необходимо хранить либо в виде сжатого газа в резервуарах высокого давления, либо в сжиженном состоянии при температуре –253°C. Разумеется, оба этих процесса требуют серьезных энергозатрат, что снова приводит нас к замкнутому кругу: ВИЭ объекты нуждаются в резерве в виде водорода, а ему необходима «зеленая» энергия для поддержания давления или низкой температуры в емкостях для хранения. Это не считая энергозатрат на очищение воды.

Кстати, ущерб окружающей среде от опреснения воды для прибрежных районов до сих пор не изучен должным образом, а эксперты и сторонники энергоперехода не торопятся давать оценку этому процессу. При этом для ближневосточного региона характерна ситуация, когда отделенный от чистой воды соленый рассол (который необходимо утилизировать) попросту сливается обратно в море, повышая концентрацию соли в акватории и нарушая местную экосистему.

К этим проблемам, разумеется, еще стоит добавить и конечную стоимость «зеленого» водорода.

Еще в феврале 2021 года рядом европейских компаний, которые занимаются ВИЭ проектами, был опубликован пресс-релиз программы HyDeal Ambition, суть которой — за счет масштабирования наладить к 2030 году поставки «зеленого» водорода по цене €1,5 за кг (включая транспортировку и хранение). Однако в этой программе при всей ее амбициозности (запустить 95 ГВт мощностей солнечной энергетики и 67 ГВт электролизеров, получая ежегодно 3,6 млн тонн «зеленого» водорода), ничего не сказано о том, откуда возьмутся колоссальные объемы очищенной воды. Это же касается и стратегии «зеленой сделки», одобренной Еврокомиссией (ЕК), где к 2030 году предусмотрено строительство 40 ГВт электролизеров.

В апреле 2021 года Европейский парламент опубликовал документ, в котором средняя стоимость «зеленого» водорода оценивалась в €2,5-5,5 за кг. Однако средней ее назвать довольно сложно. Выводы многих аналитических агентств указывают на то, что цена на «зеленый» водород сейчас и в будущем будет выше. К примеру, в докладе Международного совета по чистому транспорту, где рассматриваются различные сценарии производства «зеленого» водорода в США и Европе, стоимость такого продукта варьируется от €2,05 до €16,23 за кг.

Как отметил в беседе с «НиК» доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Объединенного института высоких температур РАН Олег Попель, за последние годы серьезного снижения себестоимости «зеленого» водорода не произошло. Конечно, разрабатываются новые технологии его производства. Но среди них пока нет решения, позволяющего исключить энергозатраты для опреснения воды.

«Разработка новых твердо-полимерных электролизеров требует наличия максимально очищенной воды, поскольку ее удельная электропроводимость должна быть высоковольтной. При этом такой воды должно быть много. Отсюда простой вывод — если вы хотите производить водород за счет опреснения H2O с помощью энергии от ВИЭ, его конечная стоимость напрямую будет зависеть от цены электричества, которое поставляют ВИЭ. А стоимость такой энергии пока что сильно проигрывает в конкуренции с ценой углеводородных энергоносителей. Увы, но до тех пор, пока ВИЭ генерация будет дорогой, водород дешеветь не станет», — заключил эксперт.

В целом, можно заключить, что массовое производство «зеленого» водорода, в качестве альтернативы газу и нефти, вполне реально. Однако, во-первых, это будет дорогим удовольствием для потребителей. Во-вторых, если смотреть на создание такого водорода через призму истощения водных ресурсов, а не сокращения выбросов ПГ, то экологичность подобного продукта стоит под большим вопросом.

Впрочем, сейчас мейнстрим среди сторонников энергоперехода — это уменьшение выбросов ПГ, а не растущий дефицит водных ресурсов. Именно поэтому такую проблему, говоря о водороде, стали замечать только сейчас, причем исключительно в экспертных кругах, а не на правительственном уровне в США, Австралии, европейских странах и ближневосточном регионе.

Нашли опечатку в тексте? Выделите её и нажмите ctrl+enter