CC BY
49
УДК 620.92
Ляшик Ю.А., Ермоленко Б.В.
ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ
Ляшик Юлия Александровна - магистрант 2-го года обучения кафедры промышленной экологии; rock_you_life@mail.ru
Ермоленко Борис Викторович - кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной экологии; ФГБОУ BO «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены проблемы традиционной энергетики и возможности, связанные с использованием водорода как перспективного энергоносителя. Приведены основные понятия водородной энергетики, показана её цель, преимущества, недостатки, а также схема жизненного цикла. Разработана стратегия для сравнительного анализа жизненного цикла различных технологий производства и направлений использования водорода с экологической и экономической точки зрения.
Ключевые слова: водород, водородная экономика, водородная энергетика, производство водорода, оценка жизненного цикла, жизненный цикл водородных технологий.
HYDROGEN ENERGY: PROBLEMS AND SOLUTIONS
Lyashik Y.A., Ermоlenkо B.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article discusses the problems of traditional energy and the possibilities associated with the use of hydrogen as a promising energy carrier. The basic concepts of hydrogen energy are given, its purpose, advantages, disadvantages, as well as the scheme of the life cycle are shown. A strategy has been developed for a comparative analysis of the life cycle of various production technologies and areas of use of hydrogen from an environmental and economic point of view. Key words: hydrogen, hydrogen economy, hydrogen energy, hydrogen generation, life cycle assessment, life cycle of hydrogen technologies.
Глобальные экологические проблемы в сочетании с исчерпаемостью ископаемых ресурсов обусловили большой интерес к использованию водорода в качестве универсального энергоносителя. В настоящее время все чаще можно услышать, что водород - это наиболее перспективный энергоноситель будущей
энергосистемы. Данное мнение сложилось благодаря преимуществам водорода, таким как высокая энергонасыщенность, неограниченность ресурсов, технологическая гибкость и экологическая чистота процессов преобразования энергии с участием водорода.
Водород можно использовать в качестве среды хранения для дальнейшего продвижения интеграции и использования энергии из возобновляемых источников, а также в качестве средства для объединения секторов с целью их декарбонизации. Это было признано правительствами и лидерами энергетической отрасли во всем мире и в таких странах, как Германия, Франция, Италия и Великобритания, а также в Китае, Японии и Корее.
Существует множество способов производства водорода, но наиболее обсуждаемым является водород, получаемый путем электролиза из возобновляемых источников энергии, поскольку процесс производства не оказывает негативное воздействие на окружающую среду. Однако большую часть водорода производят из ископаемых источников энергии, таких как природный газ и уголь, путем паровой конверсии и газификации. Данные технологии могут обеспечить наиболее низкую стоимость водорода, но основными их недостатками являются зависимость от невозобновляемых ресурсов и негативное воздействие на окружающую среду.
Только с учетом совокупного воздействия на окружающую среду и общего потребления первичных энергетических ресурсов можно провести справедливое сравнение между имеющимися и предлагаемыми вариантами. Оценка жизненного цикла является центральным элементом оценки технологий и производственных маршрутов и позволяет проводить сравнительную оценку экологических характеристик различных вариантов. Данный анализ учитывает совокупное воздействие, возникающее в течение всего срока службы (строительство, эксплуатация и демонтаж) прямо или косвенно связанной промышленной деятельности с целью производства товаров или предоставления услуг. Рассматривая последствия того или иного варианта в соответствии с этими принципами, можно добиться справедливой и непредвзятой оценки достоинств и недостатков. Для технологий производства водорода из возобновляемых источников и ископаемых ресурсов, полный учет фоновых процессов определит, действительно ли произойдет сокращение зависимости от традиционной энергетики. В частности, для новых энергетических систем, таких как использование водорода, в транспорте, проведение таких оценок на ранней стадии разработки имеет большое значение для определения наиболее перспективных вариантов, а также определения экологически значимых аспектов отдельного маршрута производства [1].
Гипотетическая идея системы, в которой водород является основным энергоносителем, называется водородной экономикой или водородной энергетической системой. Основная цель водородной экономики состоит в том, чтобы водород производился
в основном из легкодоступных источников энергии с целью замены существующих ископаемых видов топлива, используемых в транспортном, промышленном, жилом и коммерческом секторах. Предполагается, что водородная экономика была очень точным и долгосрочным ответом на взаимосвязанные проблемы, стоящие сегодня перед миром, включая: глобальные экологические проблемы, истощение природных ресурсов, нехватку продовольствия и голод в странах третьего мира и растущий рост мирового населения. Несмотря на то, что проблемы, связанные с экономикой ископаемого топлива, действительно являются серьезными и подавляющими, успешное развитие водородной экономики означает огромные преимущества для окружающей среды, энергетической безопасности, экономики и конечных потребителей. Несмотря на неоспоримые преимущества, быстрый переход от ископаемого топлива к водородной энергетике столкнулся со значительными научными, технологическими и социально-экономическими препятствиями. Чрезвычайно низкая плотность водорода делает его хранение критическим вопросом при переходе на водородную энергетику. Хотя водород обычно используется на нефтеперерабатывающих заводах и в химической промышленности, затраты на его производство, хранение и доставку слишком высоки и неприемлемы для большинства энергетических применений [2].
Однако аргументы в пользу водородной экономики растут. Все большее количество исследований показывает, что водород может играть роль почти во всех частях энергетической системы, включая производство и транспортировку электроэнергии [3].
Поэтому возникает необходимость в сравнительном анализе жизненного цикла различных технологий производства водорода с экологической и экономической точки зрения с целью обоснования дальнейших действий, направленных на развитие
водородной экономики в разных областях. Для этого необходимо создание единой базы данных, которая позволит провести анализ степени воздействия на окружающую среду, и экономической составляющей различных методов производства, транспортировки, хранения и применения водородной энергетики. В этом смысле оценка направлена на отражение широкого спектра возможных маршрутов и процессов, которые имеются в настоящее время, а также тех, которые, как ожидается, будут коммерчески жизнеспособными в ближайшие десятилетия.
Для начала необходимо провести анализ развития водородной энергетики в мире и Российской Федерации с целью выявления тенденций и факторов неопределенности в энергетической отрасли, основных проблем и тенденций водородной экономики, а также экономических, социальных, технических и экологических предпосылок ее развития. Следующим шагом следует провести всесторонний анализ и обобщение существующей базы фактических данных, включая промышленную и академическую литературу, жизненного цикла различных водородных технологий, включая стадии добычи ископаемых ресурсов, их транспортировки и обработки, непосредственно процесс производства водорода, его хранения и транспортировки при различных направлениях использования. Многие исследования водородной энергетики направлены на оценку стадии производства водорода, фактически, это значит, что рассматривается лишь первое сопряжение. Важно подчеркнуть необходимость учета каждой стадии жизненного цикла водородных технологий от добычи ресурсов до конечного использования, включая строительство оборудования, создание систем транспортировки и хранения и т.д. Жизненный цикл водородной энергетики представлен в виде следующей схемы на рис 1.
Рис.1 Схема жизненного цикла водородной энергетики
Анализ жизненного цикла различных водородных технологий необходимо проводить с экологической и экономической точки зрения, с позиции энергетической эффективности и ресурсосбережения, с целью определения воздействия на окружающую среду каждого этапа цикла и технологии в целом, а также величины экономических показателей.
Обширный анализ литературы показал, что в настоящее время существует условная цветовая классификация водорода, которая определяется способом его производства и размером углеродного следа: «зеленый», «голубой» и «серый» водород [4]. Следует более подробно разобраться в значении данных понятий, так как цветовые обозначения вызывают некую путаницу.
Возобновляемый водород - водород, производимый на основе возобновляемой электроэнергии путем электролиза или путем преобразования биогаза или биомассы. Также называется «чистый водород» или «зеленый водород».
Водород на основе ископаемого топлива - водород, производимый из ископаемых ресурсов, таких как природный газ, путем парового риформинга или уголь путем газификации. Также называется «серый водород».
Технология CCS (Carbon Capture & Storage -"улавливание и хранение углерода") - технология, включающая отделение СО2 от промышленных и энергетических источников, транспортировку к месту хранения и долгосрочную изоляцию от атмосферы.
Водород на основе ископаемого топлива с использованием CCS - водород, производимый из ископаемых ресурсов (природный газ, уголь) при условии использования технологии улавливания и хранения двуокиси углерода. Также называется «голубой водород».
Стоит заметить, что авторы водородной стратегии ЕС отказались от популярного деления водорода по цвету, на «зелёный», «синий» и другие [5].
Часто в популярной литературе водородная энергетика противопоставляется традиционной энергетике, основанной на ископаемых ресурсах. Стоит сразу отметить, сфера водородной энергетики -"downstream", т.е. транспортировка, переработка и использование энергии, но не "upstream" (добыча первичного энергетического сырья). То есть водородная энергетика - это дополнение к традиционной или возобновляемой энергетике, промежуточный этап. Другими словами, водородная энергетика - это способ наиболее эффективного применения имеющихся источников энергии, повышения КПД их использования или получения иных преимуществ [6].
Также важно отметить, что при исследовании жизненного цикла водородных технологий с экологической точки зрения многие авторы значительное внимание уделяют только выбросам парниковых газов, а точнее углекислого газа, выдвигая на первый план проблему глобального изменения климата. Однако для полной оценки негативного воздействия на окружающую среду необходимо учитывать как выбросы парниковых газов, т.е.
глобальное загрязнение, так и выбросы других загрязняющих веществ, сточные воды и отходы, образующиеся на каждой стадии жизненного цикла, т.е. локальное загрязнение, а также потребление ресурсов и воды.
В настоящее время эксперты обращают внимание на то, что решение проблемы промышленного хранения электроэнергии в виде водорода могло бы дать толчок повсеместному развитию энергетики на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [7]. С другой стороны, существует мнение о возможности «дать вторую жизнь» традиционным способам производства энергии в виде водорода из ископаемых ресурсов, применяя технологию улавливания и хранения углекислого газа. Для сравнения данных способов необходимо провести полный сравнительный эколого-экономический анализ их жизненного цикла. При этом необходимо помнить слова Д. И. Менделеева: «Сжигать нефть — все равно, что топить печь ассигнациями». И действительно, гораздо целесообразнее использовать природные ископаемые ресурсы как ценнейшее химическое сырье. Список литературы
1. Simons, A., Bauer, C. Life cycle assessment of hydrogen production. Transition to Hydrogen, 13-57, 2011: сайт.—URL:
https://www.researchgate.net/publication/272130890_Life_ cycle_assessment_of_hydrogen_production (дата
обращения 20.03.2021).
2. Abe, J. O., Popoola, A. P., Ajenifuja, E. Hydrogen energy, economy and storage: Review and recommendation. International Journal of Hydrogen Energy, 2019: сайт. — URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S036 031991931465X (дата обращения 01.04.2021).
3. Brandon, N. P., Kurban, Z.. Clean energy and the hydrogen economy. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2016: сайт. — URL: https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2016.04 00 (дата обращения 02.04.2021).
4. Dawood, F., Anda, M., Shafiullah, G. M. Hydrogen production for energy: An overview. International Journal of Hydrogen Energy, 2020: сайт. — URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S036 0319919345926 (дата обращения 04.04.2021).
5. Официальный сайт Центрального диспетчерского управления топливно-энергетического комплекса -филиал ФГБУ «РЭА» Минэнерго России (ЦДУ ТЭК): сайт. — URL: https://www.cdu.ru/tek russia/ issue/2020/8/791/ (дата обращения 04.04.2021).
6. Полякова Т. В. Состояние и перспективы развития водородной энергетики [Электронный ресурс] // Вестник МГИМО Университета, 2012: сайт. — URL: http ://east-front.narod.ru/memo1atchford.htm (дата обращения 05.04.2021).
7. Официальны сайт Международного Совета по большим электрическим системам высокого напряжения - СИГРЭ: сайт.—URL: http://cigre.ru/news/5/10311/ (дата обращения 09.04.2021).
