Использование ископаемого топлива для обогрева наших домов, предприятий и зданий больше не является вариантом, если мы хотим достичь нулевых выбросов углерода к 2050 году. Теперь мы должны искать альтернативные источники энергии с низким или нулевым выбросом углерода, и водород является одним из самые перспективные варианты.
Зачем нам нужны новые источники энергии для обогрева наших домов?
Природный газ составляет почти 85% топлива, используемого для отопления и приготовления пищи в домах Великобритании, и около 40% в домах США. Но в качестве ископаемого топлива природный газ (в основном метан) дает Выбросы парниковых газов при сжигании, а это означает, что значительная часть наших выбросов приходится на отопление наших домов и предприятий, нагрев воды или приготовление пищи.
В Великобритании сжигание природного газа в качестве источника топлива дома, на работе и в промышленности составляет 37% 1 всего диоксида углерода (CO2) выбросы, 18% которых приходится на бытовое использование. Это число составляет 48% в США, из которых 13% приходится на жилой и коммерческий контекст. 2
Чтобы достичь цель чистого нуля к 2050 году , поэтому очень важно, чтобы мы нашли другие источники топлива, которые производят низкий или нулевой уровень выбросов и Гидрирование считается идеальной альтернативой. Одной из основных задач является производство водорода в достаточно больших масштабах, чтобы его можно было использовать в коммерческих целях на национальном уровне.
Почему водород рассматривается как топливо для отопления?
Водород — самый распространенный элемент во Вселенной, поэтому его много. В отличие от ископаемого топлива (при сгорании которого образуются вредные выбросы), единственным отходом от сжигания водорода является водяной пар. Таким образом, использование его для отопления может иметь огромное значение для наших выбросов углерода и сыграть решающую роль в достижении чистого нуля.
Водород бывает разных «цветов». , в зависимости от способа его получения. Самым чистым из них является зеленый водород, который производится с использованием электричества из возобновляемых источников энергии, таких как энергия солнца или ветра.
Зеленый водород в настоящее время составляет небольшой процент используемого водорода; поскольку спрос все еще низок, производство дорого. Но так же, как энергия ветра снизилась в цене, зеленый водород будет дешеветь по мере того, как он станет более распространенным.
Будущее водорода
Узнайте, в чем разница между серым, синим и зеленым водородом, почему он может помочь нам справиться с изменением климата и как мы ищем способы перепрофилировать нашу существующую газовую сеть для транспортировки или смешивания водорода.
Получение водорода в домах
Чтобы принести этот чистый газообразный водород в наши дома, мы должны убедиться, что бытовая техника, такая как котлы, кухонные приборы и газовые плиты, готова к работе с водородом. Производители уже построили водородные котлы, так что технология доступна — просто нужно широкомасштабное стратегическое переключение под централизованным руководством правительства.
Подобно переходу с аналогового на цифровое телевидение, поскольку мы знаем, что грядут изменения в нашей системе отопления, можно составить соответствующие планы, чтобы сделать переход максимально простым и понятным. Правительство может потребовать, чтобы все новые газовые котлы были готовы к работе с водородом, чтобы обеспечить плавный переход, когда придет время переходить на водород.
Эксперты настроены оптимистично и считают, что переход на водородное отопление начнется в ближайшие 10 лет в соответствии с целями правительств Великобритании и США по сокращению выбросов углерода наполовину к 2035 году. установил Инициатива Hydrogen Earthshot , которая стремится снизить стоимость водорода до 1 доллара за килограмм за одно десятилетие.
Хорошая новость заключается в том, что водород можно транспортировать через нашу существующую газовую сеть и легко хранить с помощью обычных технологий. Это было бы более рентабельным решением, позволяющим сократить объем дорогостоящей новой инфраструктуры, необходимой для создания новых сетей передачи и распределения водорода, а также свести к минимуму сбои в работе.
В настоящее время проводятся испытания смешивания водорода, чтобы выяснить, сколько водорода можно использовать в наших существующих трубопроводах.
Что такое смешивание водорода?
Переход на 100% водород пока нецелесообразен по следующим причинам:
Инфраструктура для производства водорода в достаточно больших количествах все еще развивается
газы водород и метан имеют некоторые важные различия (например, скорость, с которой движется газ), поэтому нам нужно проверить, как будет работать существующая сеть газопроводов, когда в нее будет введен водород.
Поэтому ученые тестируют способы «смешивания» водорода с природным газом, чтобы снизить выбросы, поскольку потребуется меньше природного газа. Водород впрыскивается в систему природного газа, производя «смесь» природного газа и водорода.
Смешивание водорода в Великобритании
В Великобритании в настоящее время разрешено включать только смесь водорода с содержанием водорода 0.1% в смесь природного газа, поставляемую в дома, предприятия и промышленность.
Проходит одно из испытаний смешивания водорода FutureGrid – специально построенный водородный исследовательский комплекс, на котором будет проверена возможность использования водородных смесей при увеличении концентрации до 100% на газотранспортных активах.
В национальном масштабе считается, что водородное смешивание может иметь такой же ежегодный эффект экономии углерода, как удаление двух миллионов автомобилей с дорог.. Это побудило Ассоциацию энергетических сетей (ENA) поддержать планы смешивания водорода по всей Великобритании. Ожидается, что необходимая модернизация национальной системы электропередач Великобритании позволит обеспечить смесь 2% к 2024 г. и смесь 20% к 2027 г. 3
Смешивание водорода в США
Один из первых и крупнейших проектов по производству чистого водорода в США. Проект HyGrid , запущенный в 2021 году и расположенный на Лонг-Айленде. Добавляя зеленый водород в существующую распределительную систему, он поможет обезуглерожить существующие газовые сети и, как ожидается, обеспечит отопление примерно 800 домов, а также обеспечит чистый и смешанный водород для использования в транспортных средствах.
Другие находящиеся в стадии разработки проекты National Grid как по производству, так и по использованию зеленого водорода включают многоцелевой водородный объект, который будет построен в центре Нью-Йорка в 2023 году.
Является ли водород решением для нулевого отопления дома?
27 июня 2019 года министр энергетики и экологически чистого роста Крис Скидмор подписал документы, обязывающие Великобританию свести к 2050 году выбросы углерода практически до нуля. Это одна огромная проблема, которую нам придется решать: отопление дома.
На отопление наших домов приходится от четверти до трети выбросов парниковых газов в Великобритании. Это более чем в 10 раз превышает количество CO.2 создано авиационной промышленностью. Около 85% домов в настоящее время используют центральное отопление, работающее на газе, и значительная часть приготовления пищи на газе по-прежнему используется. Озеленение этой системы является огромной проблемой по любым меркам. Но если верить недавним сообщениям, может быть простой и эффективный способ сделать это: перейти от использования природного газа к газообразному водороду.
Водород в изобилии присутствует в природе, и, по мнению его сторонников, он может чисто и эффективно питать газовые приборы следующего поколения.
«Привлекательность водорода заключается в том, что для многих потребителей он не заметит никакой разницы. Клиенты будут продолжать использовать бойлер для отопления своих домов, как и природный газ», — говорит Роберт Сансом из группы по энергетической политике Института инженерии и технологии. Он является ведущим автором исследования, проведенного институтом под названием «Переход на водород».
Вместе с коллегами Сансом оценил инженерные риски и неопределенности, связанные с заменой нашей газовой сети на водород. Их вывод состоит в том, что нет никаких причин, по которым невозможно было бы перепрофилировать газовую сеть на водород.
Однако это не значит, что это будет легко. Технологические и практические препятствия существуют, потому что нет плана такого преобразования: нигде в мире нет места, где чистый водород подается в дома и на предприятия. Великобритания должна быть пионером во всем.
Интерес к водороду как способу отопления домов начался в 2016 году с доклада под названием H21. Оно было проведено компанией Northern Gas Networks, газораспределительной компанией на севере Англии, и рассмотрело вопрос о том, возможно ли технически и экономически целесообразно перевести Лидс на 100% водород вместо природного газа.
«Они проработали множество деталей, от заводов по производству водорода до домов людей», — говорит Сансом.
В отчете проводится параллель с тем, как газовая промышленность перешла с городского газа на природный газ в 1960-х и 70-х годах. Городской газ представлял собой смесь водорода, угарного газа и метана. В основном он производился путем перегонки угля и нефти и использовался в течение первых 150 лет газовой промышленности Великобритании. С открытием природного газа в Северном море, преимущественно метана, Великобритания предприняла общенациональную программу по переоборудованию 40-метровых приборов в течение десяти лет.
Целые улицы будут преобразованы одновременно. Инженеры проверяли газовое оборудование, а затем переделывали его. Одновременно отключили городской газ и продули трубопроводы инертным газом. Наконец, природный газ был закачан в систему, и инженеры должны были убедиться, что каждый прибор работает правильно, прежде чем перейти к следующей улице.
Некоторые производители сейчас настолько убеждены, что нечто подобное может произойти и с водородом, что уже приступили к разработке новых бытовых приборов. В феврале Worcester Bosch представила прототип своего водородного котла. Сначала он будет работать на природном газе, а затем, после технического обслуживания, на водороде.
В пользу водорода работает и то, что в течение последних 20 лет газовая промышленность планомерно заменяет металлические трубы в своей «железной магистрали» на желтые полиэтиленовые. К 90 году будет заменено около 2030% труб. Это хорошая новость для водорода, поскольку газ вступает в реакцию со старыми металлическими трубами, делая их хрупкими. Но полиэтилен безопасен.
«Фактически мы начали программу защиты от водорода нашей газовой сети, не зная, что мы это делаем», — говорит Сансом, который все больше и больше впечатлялся этой концепцией. «С личной точки зрения, я был очень на грани, когда начал эту работу. Но я обнаружил, что склоняюсь к водороду с точки зрения его жизнеспособности в качестве низкоуглеродной альтернативы природному газу», — говорит он.
Водородный котел Worcester Bosch. Фотография: Вустер Бош
Но не всех убеждает этот внезапный интерес к водороду. Ричард Лоус из Группы энергетической политики Университета Эксетера говорит, что до недавнего времени считалось, что отопление должно быть каким-то образом электрифицировано, чтобы выполнить наши обязательства по климатическому кризису. «В основном это результат многих лет технического и экономического моделирования, чтобы посмотреть, как вы можете перейти к полностью обезуглероженному отоплению в Великобритании», — говорит Лоус.
Переключение отопления с газа на электричество означало бы использование тепловых насосов. Они используют электричество для извлечения тепла из воздуха или земли. В случае воздушного теплового насоса он работает как холодильник, но вместо того, чтобы всасывать тепло из отделения для продуктов, он вытягивает его из воздуха и направляет в дом, где оно используется для нагрева воды, т.е. подводится к радиаторам центрального отопления и хранится в баке для горячей воды.
Но поскольку эта технология работает при более низкой температуре, чем существующие котлы, она требует, чтобы многие дома были намного лучше изолированы или имели радиаторы большего размера, способные обеспечивать большую мощность нагрева. Для тех, кто перешел на двухконтурные двухконтурные котлы, потребуется переустановка бака горячей воды.
Это большая работа, но она того стоит, по словам Лоуза, который снял свой собственный газовый котел и теперь использует воздушный тепловой насос для обогрева своего дома. «Это было много работы, но мой дом и система отопления теперь намного эффективнее. Здесь всегда тепло, всегда есть горячая вода, а стоимость эксплуатации практически такая же, как у газа», — говорит он.
Немного лицемерно со стороны газовой промышленности говорить, что мы не можем копать дороги, когда они делают это уже 20 лет.
Третий подход называется централизованным теплоснабжением. Он предусматривает нагрев воды на центральном объекте с использованием отработанного тепла промышленности или экологически чистых источников, таких как солнечная энергия. Затем горячая вода доставляется во многие дома одновременно по сети хорошо изолированных подземных труб. Оба метода могут значительно уменьшить углеродный след от отопления дома, но недостатком является то, что они требуют большой работы, чтобы внедрить их в национальном масштабе.
Централизованное отопление потребует прокладки водопроводных труб под домами, а широкое использование тепловых насосов потребует модернизации электрических цепей Национальной энергосистемы. Сторонники водорода говорят, что именно такого рода потрясений можно избежать, поскольку большая часть национальной инфраструктуры уже модернизирована. Этот аргумент не имеет отношения к Лоусу. «Со стороны газовой промышленности кажется немного лицемерным говорить, что мы не можем раскапывать дороги, хотя они делали это последние 20 лет, — говорит он.
Он отмечает, что, хотя потребитель может не испытывать таких серьезных потрясений, для газовой отрасли остаются серьезные проблемы. Например, Национальная система передачи, представляющая собой сеть труб, по которым газ от береговых терминалов поступает к газораспределительным компаниям и другим крупным потребителям, изготовлена из металла. Это должно быть каким-то образом защищено от охрупчивания, прежде чем произойдет какой-либо переход на водород.
«Водород, конечно, не серебряная пуля, — говорит Лоус. И если мы будем отвлекаться на это, мы можем навлечь на себя больше неприятностей, полностью не достигнув цели по энергетике к 2050 году.
Но если с водородом так много неясностей, почему газовая промышленность, которая финансирует многие исследования, так сильно его продвигает? По словам Криса Гудолла, экономиста по энергетике и автора книги Что нам нужно сделать сейчас для безуглеродного будущего, это вопрос выживания.
«Они не хотят, чтобы их промышленность была поглощена переходом на электричество для отопления. Поэтому они стараются изо всех сил убедить нас в необходимости водорода», — говорит он. И все упирается в то, как добывается газ.
Водород не встречается на Земле в чистом виде. Вместо этого его нужно извлекать из других веществ, и лучше всего извлекать его из метана, то есть из природного газа. Следовательно, газовые компании могли бы эффективно продолжать свою текущую деятельность.
Но дополнительные шаги, связанные с извлечением водорода, поднимут цену. Кроме того, при экстракции образуется двуокись углерода в качестве побочного продукта, поэтому необходимо разработать крупномасштабную технологию улавливания углерода, чтобы предотвратить его попадание в атмосферу. Хотя это технология, которую Великобритания все равно должна будет разработать, чтобы достичь нуля к 2050 году, она увеличит стоимость.
Первый экологически чистый автобус на водородных топливных элементах в Северной Ирландии, Wrightbus, был представлен в январе. Фотография: Лайам Макберни/Пенсильвания.
Но природный газ — не единственное вещество, содержащее водород. Вода тоже, а водород можно высвободить с помощью процесса, называемого электролизом, который не создает никакого углекислого газа. Чтобы сделать его полностью зеленым, а это главная надежда, электролиз можно было бы получать от ветряных электростанций. Однако на данный момент цена на такое электричество высока, и это еще больше подтолкнет цену на водород.
Гудолл надеется, что стоимость будет снижаться по мере совершенствования технологий, но предупреждает: «Вас могут обвинить в бездумном оптимизме, просто сказав это».
Энергетический ландшафт Великобритании будущего, без сомнения, является сложной областью для навигации. Возможно, лучший маршрут будет найден, если не противопоставлять различные решения друг другу. «У всех трех есть сильные и слабые стороны, и я ожидаю, что каждая из них сыграет важную роль в качестве замены природного газа», — говорит Сансом. Это признают даже противники водорода. «Как нишевая технология она может иметь реальную ценность», — говорит Лоус. Далее он перефразирует рекламу пива Heineken 70-х и 80-х годов, говоря, что водород потенциально может достичь тех частей страны, куда другие энергетические решения не могут добраться.
Гудолл также видит роль водорода в «хранении» энергии, вырабатываемой из возобновляемых источников, таких как энергия ветра и солнца. Идея состоит в том, что в ветреные месяцы любая дополнительная электроэнергия, вырабатываемая из возобновляемых источников энергии, будет использоваться для производства водорода, который затем будет храниться. Когда возникает дополнительный спрос на национальную сеть или сезонное падение мощности, производимой из возобновляемых источников энергии, водород можно сжигать для производства электроэнергии.
Правда в том, что все варианты обезуглероживания наших систем отопления потребуют значительных сбоев и затрат. И пока правительство продолжает размышлять, часы тикают к 2050 году.
«Нет необходимости ждать. Теперь мы можем внедрить оборудование, которое отлично работает», — говорит Лоус, имея в виду свой собственный опыт замены газового котла на тепловой насос. «Неотложность изменения климата означает, что на самом деле нет никаких причин откладывать».
Другие считают, что водород играет определенную роль, и считают, что на это стоит потратить немного больше времени. Но есть одна истина, с которой согласны все. «Ничего из этого не легко. Если кто-то говорит вам, что это легко, он вводит вас в заблуждение», — говорит Лоус.
Автомобили с водородным двигателем
Водородная заправочная станция в Сеуле, Южная Корея. Фотография: Ким Хонг-Джи/Reuters
Водород также может питать транспортные средства, но не так, как обогревает дома. Вместо того, чтобы сгореть, водород вступает в реакцию с кислородом внутри устройства, называемого топливным элементом. Электричество и вода производятся. Машина работает на электричестве, из выхлопной трубы капает вода.
Попытка перейти на водородные транспортные средства в 1990-х годах была сорвана электромобилями, которые хранят свою энергию в бортовой батарее. Но новый толчок к водородным автомобилям исходит из Азии. Китай, Япония и Южная Корея поставили перед собой амбициозные цели: к 2030 году на их дорогах будут миллионы автомобилей с водородным двигателем.
Toyota и Hyundai предлагают водородные автомобили в Великобритании, но в настоящее время в Великобритании менее 20 водородных заправочных станций, в основном сгруппированных вокруг M25.
«Будет очень интересно посмотреть, что получится, — говорит Лоус. Но сам он в этом не убежден: «Водород намного дороже электричества, а машина дороже электромобиля».
Партнерства, новые разработки и инвестиции для расширения использования водородных генераторов
Партнерство, новые разработки и инвестиции для расширения использования водородных генераторов – Pratik Kirve.
Поскольку различные отрасли и организации стремятся достичь целей с нулевым уровнем выбросов углерода, они находят различные методы для достижения этих целей. Одним из способов является развертывание генераторов водорода. От технологических гигантов до университетов были приняты различные стратегии использования генераторов водорода тем или иным образом.
Для разработки инновационных продуктов участники рынка сотрудничают с университетами и разработчиками экологически чистой энергии. Это поможет им объединить опыт для разработки более качественных продуктов, чем раньше. Кроме того, участники рынка обеспечивают финансирование для разработки продуктов и ускорения разработки. Эти продукты будут предлагать чистые, надежные и устойчивые решения, которые можно масштабировать.
Ожидается, что спрос на инновационные генераторы водорода в ближайшие годы возрастет. Согласно отчету, опубликованному Allied Market Research, к 2.2 году мировой рынок генераторов водорода достигнет 2030 миллиарда долларов. Ниже я перечисляю некоторые виды деятельности, происходящие в мире.
Партнерство является одной из основных стратегий, используемых участниками рынка для объединения опыта и предложения более качественных и передовых продуктов, чем раньше. Эта стратегия стала заметной, когда речь идет о разработке чистой и надежной энергии от водородных генераторов. Университет Лафборо объединился с Бладоном для исследования и разработки генераторов водорода для микротурбин компании.
Существующие генераторные установки с микротурбинами (MTG) компании Bladon используют для работы керосин, дизельное топливо, парафин и смесь этих компонентов. Он начнет использовать водород в качестве топлива, что обеспечит нулевые выбросы углекислого газа во время его работы. Национальный центр горения и аэротермических технологий Лафборо (NCCAT) будет работать в сотрудничестве с Bladon для решения задач по нулевому выбросу углерода и достижения цели производства микротурбинного водородного генератора к 2022 году. Обе стороны будут стремиться разработать инновационный и революционный генератор водорода для достижения нулевых выбросов углерода.
Технологические гиганты имеют свои собственные цели по нулевому выбросу углерода и находят различные способы устранения выбросов от своей деятельности. Один из способов устранения выбросов — через их огромные центры обработки данных. Microsoft объединила усилия с Caterpillar и Ballard Power Systems для тестирования генераторов на водородных топливных элементах для своего центра обработки данных в Вашингтоне. Водородные топливные элементы большого формата будут встроены в центр обработки данных технологического гиганта. Министерство энергетики США (DOE) будет частично финансировать проект. Более того, его поддержит Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL).
Caterpillar предложит системную интеграцию, средства управления и силовую электронику, а Ballard поставит генераторы на водородных топливных элементах. Джейсон Кайзер, вице-президент Caterpillar, подчеркнул, что этот демонстрационный проект по производству водородного генератора позволит лидерам отрасли добиться более устойчивого производства. Проект попытается обеспечить бесперебойное питание с почти 99.99% временем безотказной работы и изучить возможности масштабирования. Microsoft пытается устранить зависимость от дизельного топлива от резервных генераторов к 2030 году.
Наряду со стратегией партнерства университеты и организации прилагают усилия для разработки инновационных генераторов водорода, которые будут использоваться в различных приложениях. Исследователи из Индийского технологического института в Дели (IIT-D) разработали «Генератор двигателя с искровым зажиганием, работающий на водороде». Этот генератор предлагает нулевые выбросы и является более экологичным вариантом по сравнению с дизельными генераторами. Лаборатория двигателей и нетрадиционных видов топлива IIT-Дели сотрудничала с Kirloskar Oil Engines Limited (KOEL) и Центром исследований и разработок Indian Oil для разработки этого инновационного генератора.
Поскольку дизельные двигатели вызывают загрязнение воздуха выбросами углеродосодержащих газов, этот генератор водорода обеспечивает нулевые выбросы углерода и повышает тепловую эффективность. IIT-D упомянул, что водородный генератор можно использовать для децентрализованной выработки электроэнергии в зданиях, промышленности и т. д. Доктор К.А. Субраманиан, главный исследователь проекта и профессор IIT-D, подчеркнул, что, если водородная инфраструктура станет доступной в будущем, она может заменить дизельные генераторы для производства электроэнергии. Кроме того, это значительно уменьшит загрязнение воздуха в городских районах.
Усилия по производству чистой энергии ускоряются, и обеспечение инвестиций является одним из основных шагов в этом направлении. Кайдзен Чистая Энергия (KCE) обеспечила финансирование для ускорения развертывания генераторов водорода. Это финансирование будет использовано для зарядки электромобилей с распределенными батареями (EV), выработки электроэнергии в режиме ожидания и заправки электромобилей на водородных топливных элементах (FCEV) в США. KCE уполномочена поставлять водородные генераторы своим клиентам ко второй половине 2022 года.
Эти генераторы водорода будут играть решающую роль в достижении целей по нулевому выбросу углерода для клиентов, которые полагались на старые электрические сети. Более того, традиционные водородные решения будут заменены, поскольку им не хватает надежного снабжения, они не масштабируются и требуют капиталоемкой инфраструктуры. Инновационный генератор водорода KCE поставляет по запросу водород класса ISO путем риформинга метанола в месте использования. Это исключает затраты на транспортировку и хранение криогенного водорода. Кроме того, это решение является масштабируемым и помогает клиентам достичь целей по нулевому выбросу углерода.
Автор автор — Пратик Кирве — писатель, блогер и любитель спорта. Он имеет степень бакалавра в области электроники и телекоммуникаций и в настоящее время работает руководителем группы по написанию контента в Allied Market Research. Он проявляет большой интерес к написанию новостных статей по различным вертикалям. Когда он не следит за обновлениями и тенденциями, он проводит время за чтением, написанием стихов и игрой в футбол. С ним можно связаться по адресу pratik.kirve@alliedmarketresearch.net
ЧИТАТЬ последние новости, формирующие рынок водорода в Hydrogen Central
