Водень є вирішальним елементом у процесі скорочення викидів вуглецю та створення більш стійкої глобальної енергетичної системи. Його фізичні й хімічні властивості, такі як висока енергетичність та горючість, роблять його перспективним джерелом енергії, яке можна використовувати для різних цілей. Зокрема, для живлення транспортних засобів, важкої промисловості, а також для опалення будинків. Водень як важливий елемент майбутнього з нульовим рівнем викидів привертає значну увагу в Shell. Сучасний стан водневих технологій, потенціал і перспективи його як джерела енергії компанія проаналізувала в дослідженні Shell Hydrogen Study. Ця стаття пропонує найперспективніші та найцінніші ідеї.

Унікальний хімічний елемент на службі різноманітних сфер

Нині водень застосовується переважно у двох сферах — матеріаловиробничій та енергетичній. З погляду першої, водень у великих кількостях використовується як допоміжний матеріал при синтезі хімічних продуктів. Найпоширенішим є виробництво аміаку, на частку якого станом на 2023 рік припадало близько 55% світового водню. Аміак є важливим елементом для виробництва добрив, що використовуються в сільськогосподарській промисловості по всьому світу. За синтезом аміаку слідує переробка нафтопродуктів, на яку в даний час використовується 25% світового виробництва водню. У результаті переробки сирої нафти виробляються такі продукти, як лігроїн, бензин і дизельне пальне, мазут, авіаційне пальне.

«Очікується, що попит на водень на нафтопереробних заводах по всьому світу зростатиме й надалі. Однією з причин такої тенденції є підвищення світових вимог до якості пального, особливо на ринках, що розвиваються. Щоб відповідати суворішим стандартам двигунів і нормам викидів вихлопних газів, потрібне більш якісне пальне», — ідеться в дослідженні Shell Hydrogen Study.

Водночас світ має знайти шляхи, щоб змінити процес виробництва водню для комерційного сектора економіки. Сьогодні основним джерелом енергії для виробництва водню є природний газ, на частку якого припадає 70% виробництва цього елемента, і вугілля – 30%. Виробництво водню з відновлюваних джерел енергії з низьким рівнем викидів становило навіть менше 1% 2022 року та 5% — 2021-го. За даними Міжнародного енергетичного агентства (МЕА), до 2030 року близько 50 млн тонн водню має бути отримано шляхом електролізу, тоді як виробництво на основі викопного палива з використанням CCUS має становити лише 30 млн тонн.

«Безперервна заміна водню на основі викопного палива воднем із низьким рівнем викидів в існуючих сферах застосування (а саме в нафтопереробному та промисловому секторах) є короткостроковим пріоритетом. Окрім цього, передбачається порівняно низький рівень технічних проблем, оскільки це заміна типу «подібне подібним», а не перехід на новий вид пального», — переконані в МЕА.

Shell допомагає прискорити важливий енергетичний перехід. Так, компанія будує найбільший у Європі завод із виробництва відновлюваного водню Holland Hydrogen 1 у Нідерландах. Як повідомляється, після введення в експлуатацію електролізер потужністю 200 МВт вироблятиме до 80 тонн відновлюваного водню щодня, чого достатньо, щоб задовольнити до 10% річної потреби компанії у цьому ресурсі.

Водень також використовується при рафінуванні рослинних олій для виробництва гідрогенізованої рослинної олії (HVO), також взаємозамінного парафінового пального, яке є аналогом дизельного пального. Крім того, цей самий процес може застосовуватися в харчовій хімії для затвердіння масел і жирів, а також у секторі пластмас для виробництва полімерів. Крім харчової промисловості, водень є частиною виробництва листового скла, залучений в електронній промисловості й застосовується у виробництві електроенергії — наприклад, для охолодження генераторів або для запобігання корозії в трубопроводах електростанцій, в інших сферах.

Ще один напрям застосування водню пов'язаний із синтезом метанолу, який є ключовою сировиною для виробництва важливих хімічних проміжних продуктів, таких як формальдегід (CH2O), оцтова кислота (C2H4O2) та інші.

Якщо говорити про застосування енергії, то очікується, що водень та пальне на основі водню допоможуть скоротити викиди в секторах, в яких їх найважче скоротити, на 6% (згідно зі сценарієм Net Zero 2050). Застосування енергії включає перетворення енергії, що міститься у водні, на тепло, електроенергію або електрику, а потім використати їх у теплових двигунах чи паливних елементах. Хоча водень зазвичай є чистим і потужним пальним із високим умістом енергії та хорошими властивостями згоряння, зараз він рідко використовується як джерело енергії в теплових двигунах. Однак технологія його використання в якості пального, заснована ще у XVIII столітті, за останні роки досягла значного прогресу. Нині водень використовується в енергетичних цілях майже виключно в паливних елементах. Давайте детальніше розглянемо технологію паливних елементів на основі водню й визначимо, наскільки широко вона може бути застосована сьогодні.

Паливні елементи на основі водню — основа змін, що розширюють можливості

Паливні елементи можуть перетворювати хімічно зв'язану енергію на електричну та теплову безпосередньо, тобто без допомоги теплового енергетичного процесу. Люди знають цей механізм на прикладі акумуляторів — вони в такий самий спосіб перетворюють енергію. Однак на відміну від акумуляторів, паливний елемент може безперервно виробляти електроенергію до тих пір, поки він отримує пальне. Такий принцип дії робить паливні елементи набагато стійкішими, ніж теплові двигуни, які працюють на викопному паливі й утворюють забруднювачі повітря та парникові гази. Як повідомлялося, теплові двигуни не можуть перетворити всю теплоту процесу згоряння на механічну енергію, а лише її частину. Хоча теоретично паливні елементи можуть досягати ККД понад 80%, фактичні показники зазвичай нижчі через утрату напруги. Хай там що, їхня електрична та загальна ефективність видається не менш очевидною, ніж і їх стійкість.

Згідно з дослідженням Shell Hydrogen Study, існують різні типи паливних елементів:

«На світовому ринку паливних елементів у даний час домінують низькотемпературні полімерні електролітні мембранні паливні елементи (PEMFC), які завдяки своїй щільності потужності, гнучкості та потенціалу зниження витрат найбільше підходять для цілей мобільності. Інший тип, твердооксидні паливні елементи (SOFC), за важливістю перебуває на другому місці. Цей високотемпературний паливний елемент використовується для безперервного побутового енергопостачання чи електропостачання на електростанціях».

Застосування стаціонарної енергії

Як зазначалося вище, паливні елементи виробляють електроенергію й тепло, тому вони все частіше використовуються в комбінованих теплоенергетичних установках (ТЕЦ) для електро- й теплопостачання на електростанціях чи в будівельному секторі. Вони частіше застосовуються як альтернатива генераторам й акумуляторним батареям у якості резервного джерела живлення. Якщо розглядати саме внутрішнє енергопостачання, то перші проєкти систем паливних елементів на місцевих рівнях, які підтримуються місцевими органами влади, вже запроваджені та масштабовані в Японії, Німеччині та 12-ти інших країнах-членах ЄС. Наприклад, японський проєкт «EneFarm» уже встановив для внутрішнього енергопостачання понад 400 000 систем паливних елементів, що працюють на газовому паливі, і планує масштабувати їх до 5,3 мільйона систем до 2030 року.

Переваги системи паливних елементів для побутового використання обґрунтовані високою ефективністю у всіх точках навантаження, безшумністю, низькими витратами на обслуговування й роботою без викидів. Серед недоліків можна виокремити поки що неконкурентоспроможну ціну порівняно з конденсаційними котлами. Однак економічна ефективність мікро- або мініТЕЦ на паливних елементах у будівельній сфері корелює з роздрібними цінами на електроенергію та природний газ.

Застосування в бізнесі Мобіліті

Усе почалося з космосу. Водень уперше був використаний у 1950-1960-х роках для космічних апаратів в якості ракетного пального, а паливні елементи — як допоміжні силові агрегати. Це надихнуло спільноту й дало поштовх до розвитку технології використання водню й паливних елементів як пального для різноманітних видів транспорту. Уже в 1960-х роках з'явилися перші зразки двигунів для легкових автомобілів, оснащених паливними елементами. Однак використання водню у двигунах внутрішнього згоряння не дало значних результатів – ефективність згоряння гарячого водню була не вищою, ніж у традиційних бензинових і дизельних двигунах. Тому нині в системах паливних елементів у секторі мобільності використовується лише холодне спалювання, яке підходить для всіх видів транспорту. Виняток становлять лише космічні польоти, де чистий водень усе ще використовується нарівні з паливними елементами.

Електромобілі на водневих паливних елементах (FCEV) працюють на електриці й виробляють водяну пару як викид вихлопних газів. Водневий паливний елемент перетворює стиснений водень із паливного бака на електрику, яка й живить електродвигун автомобіля. Запас ходу такий самий, як і в автомобілів із двигунами внутрішнього згоряння, які працюють на бензині чи дизельному пальному. А вантажівки на водневих паливних елементах, наприклад, можуть долати великі відстані й заправлятися лише близько 15 хвилин.

Водневі легкові автомобілі сьогодні вже не поступаються автомобілям із двигуном внутрішнього згоряння ні за продуктивністю, ні за часом заправки, ні за комфортом. Порівняно з акумуляторними електромобілями, яких нині набагато більше на дорогах, електромобілі на паливних елементах демонструють більший запас ходу й коротший час заряджання – кілька хвилин порівняно зі стандартною 12-годинною зарядкою для електромобілів. Основним фактором, що стримує масштаби виробництва цих видів особистого транспорту, є їх недостатня конкурентоспроможність з погляду ціни: значні витрати, пов'язані з купівлею та обслуговуванням автомобіля, є важливим фактором при ухваленні рішення про його покупку й використання. Для прикладу: станом на кінець 2022 року на дорогах було 72 193 автомобілів на паливних елементах, тоді як продажів акумуляторних електромобілів 2022-го налічувалося майже 7,3 мільйона. Експерти Shell прогнозують, що електромобілі на паливних елементах урешті-решт стануть економічно набагато ефективнішими, і насамперед тоді, коли система вдосконалиться й буде створена необхідна інфраструктура для транспортування та зберігання водню, чого в даний час не вистачає. І за цим стоять інші фактори:

«Системи двигунів внутрішнього згоряння стають дорожчими, а в міських районах вони нерідко піддаються місцевим обмеженням використання через суворіші норми якості повітря. Порівняно з акумуляторними електромобілями, електромобілі на паливних елементах мають більше переваг. Однак якщо акумуляторні електромобілі будуть удосконалені, вони стануть дорожчими й утратять будь-які економічні переваги, які вони можуть мати перед електроавтівками на паливних елементах», — пояснили в Shell.

Автобуси та промислові вантажівки вже перебувають на ранніх, однак швидких стадіях комерціалізації. Станом на 1 січня 2023 року в Європі працювало загалом 370 автобусів на паливних елементах, а по всьому світу – 5500, понад 90% із яких курсує в Китаї. За оцінками експертів, водневий автобус може заощадити до 800 тонн викидів CO2 упродовж 12-річного життєвого циклу порівняно з транспортним засобом, який працює від двигуна внутрішнього згоряння. Тому водневий транспорт найкраще узгоджується з амбітним планом Європейської комісії — до 2030 року запустити всі нові міські автобуси з нульовим рівнем викидів.

Що стосується інших видів транспорту, то в авіаційному секторі існує потенційна можливість використання водню. Однак ця ідея нині перебуває на стадії розробки, і її успіх, як і інших засобів FCEV, залежатиме від фінансової й законодавчої підтримки з боку зацікавлених сторін і політики. Shell повідомляє, що 2020 року компанія інвестувала в ZeroAvia — водневий стартап, який здійснював тестові авіапольоти у Великій Британії та працював над водневим пальним для комерційних рейсів на відстань до 500 миль (використовуючи 10-20-місні літаки) і 3 000 миль (для комерційних літаків, здатних перевозити до 200 пасажирів). 1 серпня 2023 року Shell запустила Hydrogen Pay-Per-Use — доступний спосіб оцінювання водню як пального для важких транспортних засобів зі зниженням інвестицій, складності та ризиків.

З огляду на всі переваги водню, світ очікує на розширення його досліджень, низькоемісійного виробництва та використання в різних галузях промисловості, а також у повсякденному житті суспільства. Державна політика та міжнародні угоди відіграють важливу роль у забезпеченні прогресу. Проте є чималі очікування, що енергетичні компанії зроблять свій внесок у досягнення амбітної кліматичної мети. Наслідуючи приклад Shell, для бізнесу вкрай важливо не тільки пропонувати продукти а послуги, а й робити свій внесок у розвиток сучасних технологій, які допоможуть досягти нульових викидів.

Джерела світлин: депозитарій компанії Shell