Водород преподносится как «швейцарский армейский нож» энергетического перехода и полезен для всех энергетических целей. К сожалению, это не совсем так.

         Я думаю, что использовать водород  в качестве топлива или как способ хранения электричества – это довольно глупая затея. В этой статье я попробую вам это доказать.

         Я также думаю, что это часть аферы с подменой понятий, которую выдвигает индустрия ископаемого топлива. А что насчет компаний, производящих электролизеры и топливные элементы, поставщиков технического газа, коммунальных предприятий природного газа и компаний по производству электроэнергии из возобновляемых источников, которые продвигают водород для использования в качестве источника энергии? В этом отношении они просто «полезные болванчики» в индустрии ископаемого топлива.

Водород для транспорта

         Идея кажется привлекательной, но дьявол кроется в деталях, если вы посмотрите на это более внимательно.

         Когда вы смотрите на две машины с одинаковым запасом хода, которые вы действительно можете купить, оказывается, что моя лучшая оценка эффективности - 37% - слишком оптимистична. Автомобиль на водородных топливных элементах потребляет в 3,2 раза больше энергии и стоит в 5,4 раза больше  в  пересчете на милю пробега.

         Рассмотрим на примере автомобиля на водородных топливных элементах Toyota Mirai и Tesla Model 3.

         Mirai и Model 3 - похожие автомобили с точки зрения размера, пассажировместимости и грузоподъемности. Удивительно, но Mirai на 200 фунтов тяжелее, чем Model 3, даже с ее сравнительно огромной аккумуляторной батареей на 75 кВтч. Но с точки зрения производительности, Model 3 имеет большее преимущество. Его двигатель развивает 211 кВт и разгон до 100 км / ч за 5,1 секунды против пиковой мощности Mirai в 113 кВт и разгона до 100 км / ч за 9 секунд.

         Запас хода двух автомобилей в «смешанном» ездовом цикле EPA аналогичен - и оба аналогичны диапазону пробега сопоставимого бензинового автомобиля.

         Mirai заправляется быстрее - за 3-5 минут. Конечно, это предполагает, что у вас есть водородная заправочная станция на пути между домом и работой. Напротив, Model 3 можно заряжать дома, оставляя использование сети зарядок Tesla для длительных поездок. Но в более длительных поездках вы можете рассчитывать потратить некоторое время на заправку аккумуляторной батареи Model 3 на 75 кВтч. Зарядные станции Tesla имеют пиковую мощность около 120 кВт и, следовательно, должны заполнить Model 3 примерно до 80% примерно за 30 минут. Честно говоря, 30-минутный перерыв после 4,5 часов езды по шоссе, вероятно, в любом случае является хорошей идеей для безопасности.

         Как вы возможно знаете, меня в первую очередь интересуют энергоэффективность и эффективность выбросов парниковых газов, и здесь сравнение становится довольно отчетливым.

         Mirai, вероятно, столь же энергоэффективен, как бензиновый гибрид Toyota Prius. Если он заправляется водородом, полученным из ископаемого топлива, его выбросы парниковых газов на милю пробега будут почти такими же, как у Prius, работающего на бензине, - в лучшем случае - немного лучше. Если водород необходимо транспортировать на большие расстояния, результаты для Mirai быстро ухудшатся. Поэтому, если источником водорода является ископаемый природный газ, можно с уверенностью сказать, что единственное экологическое преимущество, которое вы получаете от Mirai, - это отсутствие выбросов непосредственно из выхлопной трубы.

         То же самое верно, если вы заправляете Model 3 электричеством, полученным от угольной электростанции последнего поколения с КПД 30%. Тогда вам, вероятно, будет лучше с Prius, работающим на бензине.

         Однако помните, что причина, по которой люди интересуются как водородными, так и аккумуляторными электромобилями, заключается в том, что мы МОЖЕМ производить электроэнергию из источников с низким уровнем выбросов, тем самым устраняя как ископаемые парниковые газы, так и токсичные выхлопные газы, делая личный транспорт более экологичным.

         Трехступенчатый процесс получения водорода - производство водорода, хранение при высоком давлении и затем выработка электроэнергии с использованием топливного элемента PEM - означает, что эффективность его цикла накопления энергии ужасна. В лучшем случае это означает, что водород потребует в 2,4 раза больше энергии, чем если бы вы использовали вместо него батарею. Верно ли это при сравнении Mirai и Model 3, или я ошибся в своих расчетах?

         Включая средние потери сети в Северной Америке в 6% для обоих автомобилей, а затем используя 70% эффективности электролизера (или SMR, если вы хотите использовать метан) с точки зрения LHV водорода на единицу энергии и 90% для большой эффективной системы сжатия водорода, вы вскоре обнаружите, что Mirai использует в 3,2 раза больше энергии от источника на милю, проехавшую, чем Model 3.

         Если посмотреть на затраты, все еще хуже. Водород в Калифорнии в настоящее время продается по цене 15 долларов за кг, и это водород, который является возобновляемым только на 33%; остальное - гораздо более дешевый водород из ископаемых источников. Заправка Mirai стоит 75 долларов США, чтобы проехать 312 миль. Напротив, вы можете полностью заправить Model 3 в сети зарядных станций Tesla за 18 долларов по цене 0,24 доллара за кВт · ч. Если взять среднюю розничную цену на электроэнергию для подзарядки дома в Калифорнии (0,15 доллара за киловатт-час), это даже немного дешевле - 14 долларов.

         Цена зарядки Mirai значительно дороже таковой цены для Model 3. Вот почему я считаю водород тупиком для автомобилей. Кто будет платить в 5 РАЗ больше за милю, чтобы заправить свою машину быстрее?

А что насчет грузовиков? Кораблей? Поездов? Самолетов?

         Что касается грузовиков – они станут электромобилями.  Электромобили будут выполнять свою работу в пределах 50-100 км, а биотопливо займет более удаленный рынок доставки по логистическим причинам. На мой взгляд, у водорода не осталось рынка.

         Поезда: такая же ситуация.

         Самолет? Забудьте о реактивных самолетах, работающих на водороде. Мы будем использовать для них биотопливо.

         Корабли? На мой взгляд, нет никакого способа, чтобы они использовались для сжигания в основном жидкого угля (бункерное топливо из нефтяных остатков с 3,5% серы, загруженное металлами и выбрасывающее парниковые газы без каких-либо забот в мире) собираются перейти на водород, а тем более на аммиак, с его колоссальной эффективностью 11-19%.

Обогрев

         Для чего мы сжигаем вещи? Конечно, чтобы согреться!

         Прямо сейчас мы сжигаем вещи, чтобы производить тепло и электричество. Следовательно, дешевле нагревать вещи, используя то, что мы сжигаем для производства электричества, чем использовать электричество. Даже с коэффициентом полезного действия теплового насоса, так что мы можем перекачивать 3 джоуля тепла на каждый джоуль подаваемой электроэнергии, все же дешевле отказаться от электрического посредника и использовать топливо напрямую, сэкономив весь этот капитал и все эти потери энергии.

         Соответственно, водород, полученный из топлива (метана), не будет использоваться в качестве топлива. Очевидно, что метан - более дешевый вариант!

         В будущем мы собираемся начать с электричества, производимого из ветра, солнца, геотермальной энергии и т. д. И тогда будет дешевле использовать электричество напрямую для производства тепла, чем терять минимум 30% нашей электроэнергии для производства топлива - водорода. Исключив молекулярного посредника, мы сэкономим энергию и деньги. Отапливать электричеством будет дешевле.

         Замена комфортного отопления с использованием природного газа на водород сопряжена с трудностями. Для перемещения водорода требуется в 3 раза больше энергии, чем для природного газа, для перемещения которого требуется примерно столько же энергии, что и для электричества. Те, кто думают, что водород переместить легче, чем электричество, обманывают себя. И те, кто думает, что повторное использование сети природного газа имеет смысл, страдают от ошибки невозвратных затрат - и покупают товарные запасы в отрасли ископаемого топлива.

Водород как накопитель энергии

         Нам нужно будет хранить электроэнергию, получаемую от ветра и солнца - это очевидно. Нам также понадобится запасать энергию в молекулах на те недели зимой, когда солнечные панели покрыты снегом, и возникла область высокого давления, а ветер утих.

         Однако напрашивается вывод, что мы должны создавать эти молекулы из электричества! Возможно, но это ни в коем случае не единственный и не самый разумный вариант. Но... Зеленый водород станет таким дешевым! Нет, извините, ребята, это не так.

         На самом деле вы не можете позволить себе капитал для производства зеленого водорода. Представьте, что вы можете получить электричество по 2 цента за кВтч - звучит здорово, не так ли? Общее производство H2 составляет около 55 кВтч / кг. Это 1,10 доллара за кг только на покупку электроэнергии - ничего не остается на капитальные или другие эксплуатационные расходы. И тем не менее, это текущая цена на побережье Мексиканского залива в США за оптовый водород внутри завода по производству аммиака, подобного этому, - совершенно нового, строящегося в Техас-Сити - с использованием крупнейшего реактора SMR черного водорода от Air Products.

         С другой стороны, представим, что вы получаете электричество бесплатно! Но вы получаете его бесплатно только при коэффициенте мощности 45%, что, кстати, будет всей производительностью морского ветропарка - примерно столько вы можете получить от возобновляемой электроэнергии. Если бы у вас был электролизер мощностью 1 МВт, вы могли бы производить около 200 кг H2 в день при коэффициенте мощности 45%. Если бы вы могли продать все это по цене 1,50 доллара за кг, и вы могли бы делать это в течение 20 лет, и тот, кто дал вам деньги, не заботился о возврате своих инвестиций, вы могли бы заплатить около 2,1 миллиона долларов за установку электролизера. Электролизер, водоподготовка, резервуары для хранения, здания и т. д. - при условии, что у вас не было других эксплуатационных расходов (а они у вас будут). И... к сожалению, примерно столько же сейчас стоит электролизер. И нет, ваш электролизер не прослужит более 20 лет.

         Улучшатся ли капитальные затраты? Конечно! С масштабированием электролизер станет дешевле в расчете на МВт, поскольку люди начнут их массовое производство. И по мере того, как вы увеличиваете свой проект, стоимость сопутствующих материалов в виде доли от общей стоимости проекта будет снижаться до некоторой степени, но не бесконечно.

         Но основная проблема в том, что:

а) электроэнергия никогда не бесплатна,

б) дешевое электричество никогда не будет доступно 24/7, поэтому оно всегда имеет плохой коэффициент мощности,

в) электролизеры очень дорогие.

         Можно ли повысить коэффициент емкости, используя батареи? Если вы это сделаете, ваша стоимость киловатт-часа значительно возрастет - и эта распределенная электроэнергия в батарее будет стоить для сети намного больше, чем вы могли бы заработать, производя из нее водород.

Почему это тебя так злит, Пол?

         Мы знаем об этом давно. На самом деле ничего не изменилось. Электроэнергия из возобновляемых источников стала доступнее, популярнее и дешевле, чем когда-либо. Но в водороде ничего не изменилось. 120 мегатонн этого материала было произведено в прошлом году, и 98,5% из них было произведено из ископаемых, без улавливания углерода. Это технический газ, используемый как химический реагент. Сейчас он вообще не используется в качестве топлива или энергоносителя. И это по веским причинам, связанным с экономикой, которые исходят из основ термодинамики.

        Есть заинтересованные стороны, которые мутят воду, пытаясь извлечь прибыль и прикрываясь «зелеными» технологиями и заботой об окружающей среде. И это ведет нас к созданию парадигмы ископаемого топлива, продаваемого нам под видом безопасного решения проблемы. Это не в интересах решения сокрушительной проблемы антропогенного глобального изменения климата.

В чем смысл водорода?

         В первую очередь нам необходимо решить проблему декарбонизации водорода. Это ценный восстановитель и сырье для бесчисленных процессов, в первую очередь аммиака. Это рынок в 40 миллионов тонн, необходимый для жизни человека, почти полностью обеспечиваемый черным водородом прямо сейчас. СНАЧАЛА исправьте эти проблемы, прежде чем мечтать о том, чтобы тратить лишнее в качестве неэффективного топлива для отопления или комфорта!

Если не водород, то что?

         Вот мой набор решений. Единственное использование, которое я вижу для зеленого водорода, - это замена черного водорода, что очень важно, чтобы мы могли продолжать есть.

         Есть несколько вариантов использования H2 для замены сложных промышленных приложений. Одним из примеров является восстановление железной руды до металлического железа - она уже является значительным потребителем водорода, и пока мы говорим, планируются и опробуются новые проекты. Но там водород не используется в качестве топлива как таковой - он используется в качестве химического восстановителя для замены монооксида углерода, получаемого из угольного кокса. Реакция между оксидом железа и водородом на самом деле слегка эндотермическая. Тепло можно подавать с помощью электричества - дуговые печи уже широко используются для производства стали из стального лома.

         Вкратце: водородная экономика - это товар, который вам продают. Вы можете не увидеть счет-фактуру за этот товарный счет, но отрасль, производящая ископаемое топливо, уже приготовила его и ждет, когда вы или ваше правительство оплатит его - как только вы проглотите зеленую водородную наживку.