Японія інвестує мільярди доларів у водень. Як він може змінити енергетику та транспорт

З самої появи електроенергетики наука перебуває у пошуку способів генерувати її у великих обсягах та з низькою собівартістю. Тривалий час розв'язання цієї задачі вважалась атомна енергетика, але після аварій у Чорнобилі та Фукусімі до АЕС почали ставитись з пересторогою. Після цих випадків до потенційного революційного джерела електроенергії додалась ще одна вимога – екологічність. І тут одним з найперспективніших напрямів може стати воднева енергетика. 

На початку червня стало відомо про те, що Японія має намір інвестувати $107,5 млрд в розвиток галузі водневої енергетики протягом наступних 15 років. Так уряд країни хоче пришвидшити перехід до економіки з мінімальним використанням вуглеводнів. 

Liga.Tech розібралась в перевагах та недоліках використання водневої енергетики, нинішньому стані її розвитку та перспективах.

За і проти. Як виготовляти, зберігати та транспортувати водень

Водень (гідроген) є найпоширенішим хімічним елементом на планеті Земля: він присутній у 75% речовин. На відміну від викопних енергоносіїв, під час спалювання водню не виділяється жодних шкідливих побічних продуктів. В теорії виробляти водень можна десятком різних способів та без жодних географічних обмежень. Вчені вважають, що на основі водню можна робити тверді паливні елементи, ККД яких у разі генерації енергії буде близьким до 60%. 

Чому ж ця субстанція досі не відправила на пенсію газ, нафту і вугілля? Складність в тому, що чистий водень в природі майже не зустрічається, лише в комбінації з іншими речовинами на кшталт води. В залежності від методу виготовлення виділяють сірий, блакитний і зелений водень.

Сірий – водень, який виробляється шляхом обробки вуглеводнів, що супроводжується виділенням значної кількості вуглекислого газу. Блакитний водень створюється ідентичним методом, але з використанням технік для нейтралізації вуглекислого газу. Зелений водень добувається шляхом електролізу, коли під дією струму вода розділяється на компоненти – кисень і водень. Він же вважається найбільш чистим і стійким. 

Сірого і блакитного водню виробляється найбільше, але водночас нівелюється сама суть переходу на водневу електрику. У кращому разі цей метод просто зменшує кількість викидів вуглекислого газу, тому ні про яку екологічність не йдеться.

Вчені Корнельського і Стенфордського університетів навіть дійшли висновку, що виготовлення блакитного водню небезпечніше за спалювання звичного палива. До того ж цей процес завжди буде дорожчим за використання газу й нафти, адже умовному замовнику доведеться оплачувати саму сировину і перероблювання. Зрештою, про жодну декарбонізацію економіки в такому разі не йдеться. 

Натомість зелений водень є екологічним і виробляється повністю на основі відновлювальних джерел (якщо використовувати електрику, згенеровану СЕС чи ВЕС). Єдина проблема – об’єми просто мініатюрні на тлі сірого і блакитного водню. За даними Міжнародного енергетичного агентства (IEA), попит на водень у 2021 році зріс до 94 млн тонн. Водночас частка зеленого водню склала всього 1 млн тонн. До 2030 року ці показники мають досягти 115 млн тонн і 2 млн тонн відповідно. Тому зараз старання вчених з усього світу спрямовані на те, щоб значно збільшити обсяги виробництва зеленого водню. 

Другою помітною перепоною на шляху водневої електрики є питання його зберігання й транспортування. Водень – надзвичайно пожежо- і вибухонебезпечна субстанція. На початку минулого століття вона поставила крапку на комерційних транспортних польотах на дирижаблях: через ембарго США німецький цепелін "Гінденбург" замість гелію заправлявся воднем. За поширеною версією, під час чергового рейсу 6 травня 1937 року відбувся витік, що за лічені секунди призвело до пожежі та вибуху. 

Зараз водень здебільшого зберігається в газоподібному, абсорбованому чи скрапленому вигляді. Якщо розвивати цю технологію, то потреби сіл та невеликих містечок у водні легко можна покрити за допомогою вантажівок та потягів, якщо станція виготовлення розташована неподалік.

Мегаполісам чи великим промисловим об’єктам знадобляться трубопроводи. Через особливості водню його неможливо закачати у ті самі труби, що використовуються для транспортування вуглеводнів. Доведеться прокладати нові трубопроводи з принципово іншими вимогами до безпеки через хімічні особливості водню. 

Перед вченими стоїть ще багато завдань. Найперспективнішим напрямом роботи вважається абсорбція водню. Так цьогоріч в шортліст премії European Inventor Award потрапила група французьких вчених, яка розробила технологію зберігання водню в твердих магнієвих "таблетках". 

Плани та перспективи. Ставка на зелений водень

Зараз Японія виготовляє 2 млн тонн водню на рік, а до 2040 року цей показник хочуть збільшити до 12 млн тонн. Ще через 10 років уряд цієї країни хоче вийти на 20 млн тонн, прогнозуючи глобальний виторг ринку водневої електрики на рівні $2,5 трлн.  

Приблизно половину із заявленої суми інвестицій в розвиток водневої електрики виділять з державного бюджету, решту має забезпечити приватний сектор. Він має відіграти центральну роль в забезпеченні устаткування для електролізу води. Тобто Токіо робить ставку на зелений водень. 

За даними IEA, існує понад 100 демонстраційних і пілотних проєктів з використанням водню і його похідних в судноплавстві. У Німеччині запрацював перший парк потягів, які використовують водень як паливо. А у США випробували водневий пасажирський літак – він пролітав 15 хвилин. Якщо всі підписані контракти й угоди будуть виконані, сумарна потужність енергії, генерованої за допомогою водню, може досягти 3,5 гігавата до 2030 року. 

Якщо вченим вдасться справитись з двома ахілесовими п’ятами водню, то вже найближчими роками ми можемо отримати джерело енергії, яке працюватиме на велику кількість завдань: від заряджання смартфона до шатлів, які летять на Марс.