«Почти устойчивый» водород может сократить выбросы выработки аммиака на 95%

В апреле 2024 года компании Electritical Company открыла производство водорода, прилегающе для гидроэнергетического завода в швейцарском кантоне Граубюнден.Крупномасштабное аммиачное растение потребует гораздо большего объекта.Кредит: Keystone-SDA / Gian Ehrenzeller

В энергетическом переходе играет роль для устойчивого производства водорода, а также не только в качестве среды для хранения энергии или в качестве топлива для грузовиков.В промышленности его можно использовать везде, где водород уже требуется сегодня: например, в производстве аммиака.Во всем мире 180 миллионов метрических тонн аммиака производятся каждый год, в основном для индустрии удобрений.

Необходимый водород в настоящее время получается из природного газа, что приводит к высоким выбросам парниковых газов и зависимости от странов, экспортирующих газ.Использование зеленого водорода в качестве чистой альтернативы приведет мир к климатическим мишеням и уменьшит зависимость.Зеленый водород производится с использованием устойчивого электричества посредством процесса, называемого электролизом.

В исследовании, посвященном европейской индустрии аммиака, исследователи из Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) и Eth Zurich теперь рассчитали условия, при которых будет целесообразно переключить производство аммиака на зеленый или почти зеленый водород.Исследование опубликовано в Nature Communications.

Два результата выделяются.Во -первых, в некоторых европейских странах, таких как Норвегия, Испания, Венгрия или Польша, производство аммиака из зеленого или почти зеленого водорода уже сегодня будет иметь экономический смысл.В этих странах генерирование устойчивого электричества от солнечной или ветровой энергии особенно экономически эффективно.

Это благодаря благоприятным географическим условиям этих стран, а также государственным субсидиям или в целом низкие затраты на электроэнергию.Последнее означает, что при отсутствии солнечного света или ветра производство водорода может отступить на дешевую мощность из сети.В результате производители здесь могут обойтись без дорогих решений для хранения для устойчивого электричества.

Во-вторых, даже электричество, которое не совсем без ископаемых, все равно будет иметь полностью положительное влияние на климат.Согласно исследованию, водород из электролиза имеет смысл, даже если часть используемой мощности не из возобновляемых источников.Это дает производителям свободу переключаться на электричество из сети, некоторые из которых поступают из ископаемых источников, когда солнце или ветер не хватает.

Один килограмм CO2 был бы в порядке для климата

Ведущим автором исследования является Стефано Минголла, докторант в HKUST.Он работал в течение шести месяцев в группе во главе с Джованни Сансавини, профессором Департамента механической и процессоров в Эт Цюрих.«Если вы используете почти зеленый водород для получения аммиака, вы можете добиться большего быстрого-это низко висящие плоды»,-говорит Сансавини.

«Это в отличие от других применений, где водород служит просто как хранение энергии и требует преобразования из одной формы энергии в другую. При производстве аммиака водород используется непосредственно в качестве сырья, устраняя необходимость неэффективных конверсий».

Расчеты Минголлы и его коллег показывают, что выбросы парниковых газов от выработки аммиака могут быть снижены на 95% по сравнению с сегодняшним днем, если используемый водород был получен таким образом, что выпускается не более одного килограмма CO2 на килограмм водорода.Электричество, необходимое для этого, должно быть значительно зеленее, чем текущая смесь в Германии, Польше и Нидерландах.

Эти три страны являются крупнейшими производителями аммиака в Европе.Для сравнения: один килограмм водорода, полученный с использованием швейцарской электрической смеси, приведет к выбросам 1,7 килограмма CO2;Цифра, использующая текущую электрическую смесь в Германии, составит 18 килограммов CO2, в Нидерландах 16 килограммов и в Польше 33 килограмма.

Декарбонизирующая продукция водорода полностью, а не на 95%, была бы чрезмерно дорогой.Последние 5% декарбонизации являются наиболее сложными и дорогостоящими;Это почти удвоит общую цену.«Важно соответственно корректировать амбиции», - говорит Сансавини.«Было бы контрпродуктивно стремиться к полной декарбонизации, поскольку чрезмерные затраты могут замедлить энергетический переход».

Тем не менее, Сансавини подчеркивает, что водород не будет производиться в больших масштабах с использованием электричества из сетки, поскольку во многих случаях как локальная выработка электроэнергии, так и пропускная способность трансграничной передачи сетки недостаточны.

Более вероятный сценарий заключается в том, чтобы новые солнечные или ветряные фермы были построены непосредственно рядом с существующими заводами аммиака.Однако это требует больших площадей земли.Как показывает исследование, чем больше данного региона пользуется благоприятные географические условия для выработки электроэнергии от солнечной или ветровой энергии, тем меньше требуется земля.

Южная Европа и районы вдоль Атлантического побережья имеют преимущество здесь.«Поскольку количество требуемой земли настолько большое, нам нужно подумать в первую очередь о комбинированном землепользовании - например, ветровой или солнечной ферме, где сельское хозяйство можно практиковать в то же время», - говорит Сансавини.

Зеленый водород уже может быть конкурентоспособным в Норвегии, Испании, Венгрии и Польше, но в среднем по всей Европе, его производство значительно дороже, чем экстрагирование водорода из природного газа.«Чтобы зеленый водород стал конкурентоспособным повсюду, необходимы дальнейшие инвестиции в исследования и разработки, как и экономические стимулы», - говорит Сансавини.

То, что именно подразумевается под «зеленым» водородом, в настоящее время также обсуждается в ЕС.«Нам нужно сбалансировать затраты и воздействие на окружающую среду. Любое определение должно позволить зеленому водороду содержать некоторую остаточную энергию ископаемых», - объясняет Сансавини.

Используя пример производства аммиака, исследовательская группа теперь рассчитала рекомендацию для этой остаточной пропорции: до одного килограмма выбросов CO2 на килограмм водорода был бы приемлемым и разумным.

More information: Stefano Mingolla et al, Effects of emissions caps on the costs and feasibility of low-carbon hydrogen in the European ammonia industry, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48145-z