Водородная жажда

Одна из ключевых трудностей на пути развития водородной энергетики – недостаток чистой воды. Как ранее писал «Переток», для производства одной тонны водорода методом электролиза требуется девять тонн очищенной или 18 тонн обычной природной воды. Впрочем, по сравнению с другими секторами экономики, водопотребление в водородной энергетике не так уж велико. Эксперт Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) Хериб Бланко провёл исследование и выяснил, сколько воды понадобится для всех электролитических установок к 2050 году и каких энергетических затрат это потребует.

Водород как удобный для хранения и обладающий достаточной плотностью энергоноситель позволяет декарбонизировать самые энергоёмкие сферы экономики, в том числе металлургию, что успешно показал опыт шведских сталелитейщиков. Одним из наиболее перспективных с точки зрения снижения нагрузки на окружающую среду считается так называемый «зелёный» водород, получаемый методом электролиза – разделением воды на кислород и водород при помощи электричества от ВИЭ. При всех технических трудностях, многие эксперты смотрят на перспективы этого метода с оптимизмом, учитывая стабильное снижение стоимости энергии от ВИЭ в последние годы. Однако есть и другая проблема – хватит ли на Земле чистой воды для масштабного развертывания водородной энергетики и не перечеркнут ли затраты на водоочистку все преимущества водорода как энергоносителя?

Сколько воды нужно для электролиза

Как отмечает Хериб Бланко в своей статье на портале Energy Post, электролиз требует минимум 9 кг воды на килограмм водорода, или, если брать в расчёт процесс деминерализации (а для электролиза годится только деминерализованная вода), от 18 до 24 кг воды на 1 кг готового топлива. При другом популярном способе производства водорода, так называемом паровом риформинге метана (steam reforming of methane – SRM), воды расходуется меньше – 4,5 кг, однако SRM-установки требовательны с точки зрения охлаждения, на которое также требуется вода – от 6,4 до 32,2 кг на 1 кг водорода дополнительно.

Ещё один компонент, который необходимо учитывать – потребление воды при производстве возобновляемой энергии или природного газа, необходимых для выработки водорода. Водопотребление для фотоэлектрических панелей может варьироваться между 50 и 400 литрами на 1 МВт*ч (2,4–19 кг воды на 1 кг водорода). Для ветровых установок показатели кратно меньше – от 5 до 45 литров на 1 МВт*ч (0,2–2,1 кг воды на 1 кг водорода). Водная ёмкость производства природного газа составляет 1,14 кг. Итого, общее потребление воды для производства водорода с помощью солнечных панелей и ветровых установок в среднем может составлять 32 кг и 22 кг воды на килограмм водорода соответственно.

Г-н Бланко отмечает, что как и с выбросами СО₂, чтобы снизить водный след (количество воды, прямо или косвенно используемой человеком, группой людей или в рамках какого-либо процесса) от промышленного электролиза, нужно использовать ВИЭ. Даже при частичном использовании ископаемого топлива для производства электроэнергии из водорода потребление воды существенно выше, чем в процессе электролиза. К примеру, расход воды для производства электричества из водорода с использованием природного газа может доходить до 2,5 тыс. литров на 1 МВт*ч. При этом расход воды при производстве водорода с использованием солнечных панелей и ветра, очевидно, будет снижаться со временем из-за повышения эффективности процесса.

Потребление воды при производстве водорода с использованием разных энергоносителей

«Если взять за точку отсчёта потребление воды на душу населения, и принять за среднее значение 400 куб. м воды на человека в год, производство водорода к 2050 году потребует столько же воды, сколько нужно населению средней европейской страны с 62 миллионами жителей», – следует из расчётов Statista, на которые ссылается Energy Post. За основу расчёта был взят усреднённый расход воды для пиковых стран: Люксембурга (75 куб. м на человека в год) и США (1,2 тыс. куб. м). Для наглядности: сейчас население Италии составляет 60,2 млн человек, Франции – 69 млн.

Водородный спрос на H₂O в 2050 году превысит водопотребление Италии

Согласно данным доклада «Перспективы мирового энергетического перехода» (World Energy Transitions Outlook), подготовленного экспертами IRENA, спрос на водород к 2050 году составит около 74 Эксаджоулей (10¹⁸ Дж), две трети из которых будут приходиться на водород, произведённый с помощью ВИЭ. Сегодня же эта цифра не превышает 8,4 Эксаджоулей.

Если все потребности в водороде в 2050 году будут удовлетворены посредством электролиза, потребление воды при этом составил около 25 млрд куб. м. Для сравнения: в агросекторе текущее водопотребление составляет 2 800 млрд кубометров, в промышленности – 800 млрд, в городском хозяйстве – 470 млрд. Текущий объём производства водорода методом риформинга природного газа и газификации угля требует 1,5 млрд куб. м воды.

Водопотребление по секторам экономики

Цена вопроса: сколько денег и энергии нужно на подготовку воды для электролиза

Аппараты для электролиза требуют специально подготовленной воды высокого качества, в ином случае они быстро выйдут из строя. Многие элементы электролитической установки, в том числе мембрана, диафрагма и катализаторы для щёлочи, чувствительны к неблагоприятному воздействию содержащихся в воде примесей – железа, хрома, меди и других.

На подготовку воды приходится сравнительно небольшая доля в затратах энергии и стоимости. Самая дорогая и энергоёмкая процедура – опреснение. Наиболее распространенная технология для этого – обратный осмос, на который приходится 70% всех опреснительных установок в мире. Стоимость опреснительной установки мощностью 1 куб. м в сутки составляет около $2 тыс., при этом стоимость подготовки воды методом обратного осмоса составляет приблизительно $1 на кубометр и меньше, в зависимости от цены на электричество в том или ином регионе. Транспортировка может добавить к этой сумме ещё $1–2 доллара на кубометр. Даже при таких условиях доля подготовки воды в стоимости производства водорода не превысит $0,05 на 1 кг водорода. Для сравнения: стоимость возобновляемого водорода сегодня может составлять $2–3 на 1 кг при использовании ВИЭ и $4–5 – при традиционных энергоресурсах. Иными словами, на подготовку воды придётся менее 2% общей стоимости электролиза. Использование морской воды для этих нужд увеличивает долю водоподготовки в стоимости в 2,5–5 раз.

Количество энергии, необходимое для электролиза, также сравнительно невелико в общем объёме энергии, потребляемой электролитической установкой. Современные установки обратного осмоса требуют около 3 кВт*ч на 1 куб. м. Дистилляционные установки расходуют больше – от 40 до 80 кВт*ч на 1 куб. м. При самом консервативном (энергоёмком) сценарии, с использование дистилляторов количество энергии, необходимое для подготовки воды, составит около 0,7 кВт*ч на 1 кг водорода. В относительных числах доля водоподготовки в общих энергозатратах при электролизе не превысит 1%.

Определённую проблему представляет утилизация рассола, остающегося после опреснения морской воды. Безусловно, чтобы снизить воздействие на экосистему, его необходимо подвергнуть дополнительной переработке, что может повысить стоимость опресненной воды ещё на $0,6–2,4 на 1 куб. м. Кроме того, более строгие требования к качеству воды для электролиза по сравнению с питьевой водой могут привести к удорожанию очистки, но при этом её доля всё равно будет сравнительно небольшой.

Доля опреснения воды в общей стоимости водорода и энергозатратности его производства

«Итак, водный след – это параметр с очень высокой локальной спецификой, зависящий от доступности, уровня потребления и загрязнения воды в том или ином регионе. Следует учитывать необходимость баланса с экосистемой и воздействие долгосрочных климатических трендов. Однако, наличие достаточного количества воды очевидно не станет значимым барьером для масштабирования водородной энергетики», – заключает Хериб Бланко.

«Голубой» водород: проблема, а не решение?

Между тем, скепсис касаемо перспектив водородной энергетики звучит всё отчетливее. В середине августа в издании Energy Science & Engineering было опубликовано исследование профессора экологии и экологической биологии Корнуэльского университета Роберта Хорвата и его коллеги из Стэнфорда Марка Джейкобсона. Учёные утверждают, что производство водорода из природного газа более вредно с точки зрения выбросов СО₂, чем просто сжигание природного газа.

«Использование «голубого» водорода (произведённого методом риформинга метана –ред.) крайне трудно оправдать с точки зрения снижения воздействия на климат», – пишут исследователи. Авторы указывают, что в процессе производства этого топлива содержится три потенциальных источника выбросов парниковых газов. Во-первых, не весь объём СО₂, остающийся в процессе риформинга, можно уловить. Во-вторых, если энергию, необходимую для риформинга и улавливания СО₂ будут получать от сжигания того же природного газа, весь процесс будет неэффективным сточки зрения снижения парниковых выбросов. В-третьих (и в главных), авторы заключают, что при подготовке природного газа в качестве сырья для риформинга в атмосферу будет выброшено огромное количество метана – газа с более сильным парниковым эффектом, чем углерод.

Вывод экспертов, подтверждённый обстоятельными расчётами, идёт вразрез с принятой в прошлом году Евросоюзом Водородной стратегией, подразумевающей развитие производства именно «голубого» водорода, чтобы заместить этим топливом природный газ и использовать его в таких энергоёмких секторах, как грузовой транспорт, производство стали и цемента.