Нелицеприятная правда голубого водорода: анализ выбросов CO2 и CH4 «топлива будущего»

Исчерпываемость ископаемых, а также экологическая обстановка заставили человечество задуматься об альтернативных источниках энергии, в том числе и о «зеленом» топливе. Многочисленные исследования и эксперименты привели к созданию нескольких вариантов замены ископаемого топлива, но некоторые из них получают куда больше внимания. К числу избранных относится и голубой водород, который получают с помощью метана. Средства массовой информации, ученые и политики со всего света называют его топливом будущего, а также экологичной и экономически выгодной альтернативой. Однако ученые из Корнеллского университета склонны с этим не согласиться. Они провели аналитическое сравнение воздействия на экологию голубого водорода и классического топлива. Выводы оказались не в пользу первого. Насколько экологичен голубой водород, в каких именно аспектах он уступает классическому топливу, и как можно исправить ситуацию? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

На данный момент водород по большей степени используется в нефтепереработке и производстве синтетических азотных удобрений. В области энергетики его доля достаточно мала из-за дороговизны по сравнению с ископаемым топливом. Несмотря на это, многие средства массовой информации (в частности и New York Times, как отмечают ученые) называют водород топливом будущего.

Многие эксперты считают, что водород будет полезен не только в экономике для грузоперевозок на дальние расстояние, но и в быту для приготовления пищи и обогрева жилья. В отчете «Gas for Climate» ассоциация газопроводов Европы называет водород прекрасным источником топлива для отопления и производства электроэнергии в недалеком будущем. А группа «The Hydrogen Council», образованная из British Petroleum, Shell и других нефтегазовых гигантов, заявила, что в будущем все дома будут отапливаться исключительно водородом.

Все это звучит невероятно оптимистично и футуристично, если можно так выразиться. Водород — решение климатического и энергетического кризиса. Ура и слава водороду, расходимся по домам, греться у водородных батарей и готовить борщ на водородной плите.

Но, как бы согласился с нами Эркюль Пуаро, дьявол сокрыт в мелочах. Большая часть водорода (96%) вырабатывается из ископаемого топлива, в частности, при паровой конверсии метана (SMR от steam methane reforming) из природного газа, а также при газификации угля. В SMR, на который приходится примерно 3/4 всего производства водорода в мире, тепло и давление используются для преобразования метана в природном газе в водород и диоксид углерода. Полученный таким путем водород называют «серым», а при газификации угля получают «коричневый». На производство серого водорода уходит около 6% от всего добытого в мире природного газа.

Еще один вариант получения водорода — электролиз воды. Когда в этом методе задействовано электричество из чистого возобновляемого источника (ветер, солнце и т.д.), то полученный водород именуют «зеленым». Проблема такого водорода в его дороговизне, посему в ближайшие несколько десятилетий мы вряд ли увидим переход на промышленные масштабы производства этого вида топлива.

Популярность голубого водорода в противовес серому растет еще и за счет того, что второй генерирует гораздо больше парниковых газов. По своей сути голубой водород также может относиться к SMR или газификации угля, но с последующим улавливанием диоксида углерода. По данным на 2021 год в мире насчитывается всего лишь два завода по производству голубого водорода, которые используют природный газ для производства в промышленных масштабах: Shell в Альберте (Канада) и Air Products в Техасе (США).

Очень часто можно услышать/прочесть, что голубой водород имеет нулевой (или близкий к таковому) уровень выброса парниковых газов. Звучит заманчиво, но неправдоподобно. Что любопытно, ни в одном из отчетов по выбросам от производства голубого водорода не упоминался метан, который также вносит свой немалый вклад в парниковые газы. Если сравнить метан (CH₄) и углекислый газ (CO₂), то первый является в 100 раз более сильным «согревающим» агентом (агент, участвующий в парниковом эффекте). Если одновременно выбросить в атмосферу одинаковую массу метана и углекислого газа, то спустя 20 лет CH₄ вызовет потепление в 86 раз больше, чем CO₂.

По некоторым данным 25% от глобального потепления, произошедшего за последние десятилетия, связано именно с метаном. Недавний отчет ООН гласит, что к 2030 году необходимо будет снизить уровень глобального выброса метана на 40-45%, чтобы достичь наименее затратного пути сдерживания повышения температуры Земли до 1.5 °C (задача, поставленная в 2015 году на конференции по климату в Париже, COP21).

Учитывая вышесказанное, сложно поверить, что водород так невинен, как о том говорят. Посему авторы рассматриваемого нами сегодня труда и решили выяснить влияние как серого, так и голубого водорода (полученного с помощью SMR) на уровень парниковых газов, при этом учитывая и метан, и углекислый газ.

Результаты исследования

Оценка выбросов при производстве серого водорода

Выбросы парниковых газов при производстве серого водорода можно разделить на две составляющие:

• процесс SMR, когда метан превращается в диоксид углерода и водород;
• энергия, используемая для выработки тепла и высокого давления, необходимых для процесса SMR.

Ученые решили сосредоточиться исключительно на метане и углекислом газе, не учитывая другие парниковые газы (например, закись азота), так как их доля будет значительно меньше. Что касается метана, то в анализе учитывались основные компоненты его выбросов в течение производственного цикла, связанные с добычей, транспортировкой, хранением и использованием природного газа, необходимого для производства водорода и улавливания углерода.

В первую очередь необходимо оценить, сколько метана потребляется и сколько углекислого газа образуется с учетом двух вышеперечисленных составляющих производства серого водорода. Получив эти данные, можно будет оценить выбросы несгоревшего метана.

Выбросы CH₄ и CO₂ в процессе SMR

В процессе SMR на моль потребленного метана образуется 1 моль диоксида углерода и 4 моля газообразного водорода (H₂) в соответствии с этой реакцией:

CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂

Высшая теплотворная способность водорода составляет 0.286 МДж/моль, или, инвертируя это значение, 3.5 моль H₂ / МДж. Углекислый газ, образующийся в процессе SMR, определяется как:

(3.5 моль H₂ / МДж) ∗ (1 моль CO₂ / 4 моль H₂2) = 0.875 моль CO₂ / МДж

При молекулярной массе 44.01 г/моль количество диоксида углерода, образующегося в процессе SMR, составляет 38.51 г CO₂ / МДж. Количество потребляемого метана определяется следующей формулой:

(3.5 моль H₂ / МДж) ∗ (1 моль CH₄ / 4 моль H₂) = 0.875 моль CH₄ / МДж

При молекулярной массе 16.04 г/моль в процессе SMR расходуется 14.04 г CH₄ / МДж.

Выбросы CH₄ и CO₂ при выработке энергии для SMR

Производство водорода из метана является эндотермической реакцией и требует значительного уровня энергии для достижения необходимого уровня тепла и давления, от 2.0 до 2.5 кВт⋅ч на 1 м³ водорода. Практически вся эта энергия происходит от природного газа. Используя среднее значение в 2.25 кВт⋅ч, можно определить энергию природного газа (метана), необходимую для производства 1 моля водорода:

(2.25 кВт⋅ч / 1 м³ H₂) ∗ (3.6 МДж / кВт⋅ч) ∗ (1 м³ / 1000 л) ∗ (22.4 л / моль) = 0.1814 МДж на 1 моль H₂

Следовательно, 0.1814 МДж энергии от сжигания метана требуется на 1 моль произведенного водорода. При сжигании природного газа для получения тепла производится 50 г выбросов CO₂ на 1 МДж. Таким образом:

(0.1814 МДж / моль H₂) ∗ (50 г CO₂ / МДж) = 9.07 г CO₂ на 1 моль H₂

при высшей теплотворной способности*

или

(9.07 г CO₂ / моль H₂) ∗ (3.5 моль H₂ /
МДж) = 31.8 г CO₂ / МДж

при низшей теплотворной способности*

Высшая теплотворная способность* — количество теплоты, выделяемой при полном сгорании топлива, охлаждении продуктов сгорания до температуры топлива и конденсации водяного пара, образовавшегося при окислении водорода, входящего в состав топлива.

Низшая теплотворная способность* — количество теплоты, выделяемой при полном сгорании топлива без конденсации водяного пара.

Таким образом, на 1 МДж произведенного водорода производится 31.8 г диоксида углерода для выработки тепла и давления, необходимых для запуска процесса SMR.

Поскольку один моль метана в природном газе сжигается, чтобы произвести один моль выбросов углекислого газа, оценить потребление метана можно так:

(31.8 г CO₂ / МДж) ∗ (1 моль CO₂ / 44.01 г CO₂) ∗ (16.04 г CH₄ / моль CH₄) ∗ (1 моль CH₄ / моль CO₂) = 11.6 г CH₄ / МДж

Таблица №1: сравнение потребляемого CH₄, производимого CO₂ и выбросов CO₂ и CH₄ во время производства серого/голубого водорода при полном или частичном улавливании CO₂ в процессе SMR.

Суммарный объем двуокиси углерода от процесса SMR (38.5 г CO₂ / МДж) и энергии, используемой для выработки тепла и электроэнергии для SMR (31.8 г CO₂ / МДж), составляет 70.3 г CO₂ / МДж.

Кроме того, для производства, обработки и транспортировки природного газа, используемого для производства водорода, также требуется энергия. Расчеты показывают, что эти косвенные процессы дают примерно 7.5% от общего объема выбросов диоксида углерода, т.е. дополнительные 5.3 г CO₂ / МДж. Таким образом, общее количество произведенного диоксида углерода составляет 75.6 г/МДж.

Общее количество CH₄, потребляемого для производства серого водорода, это сумма количества метана, используемого в процессе SMR (14.04 г CH₄ / МДж), и количества метана, сожженного для выработки тепла и высокого давления, необходимых для SMR (11.6 г CH₄ на 1 МДж). МДж), т.е. 25.6 г CH₄ / МДж.

В оценке метана также стоит учитывать и потери в ходе добычи природного газа, утечки при транспортировке и прямые выбросы во время вентиляции.

По данным десяти крупных месторождений газа в США за последние 20 лет примерно 2.6% газа выбрасывается в атмосферу. При хранении и потреблении также есть потери, которые по данным оценки составляют еще 0.8%. Следовательно, 3.4% метана выбрасывается в атмосферу косвенно. Важно и то, что метан также сжигается в газовой промышленности для обработки и транспортировки природного газа. В 2015 году добыча природного газа в США составила 817 млрд м³, а потребление — 771 млрд м³. Используя эту информацию, можно оценить выбросы метана в процентах от потребления газа:

(3.4% от производства) ∗ (817 х 109 м³ / 771 х 109 м³) = 3.5% от потребления

С помощью этого значения и количества метана, израсходованного на производство серого водорода, можно определить косвенный выброс метана:

(3.5% от потребления) ∗ (потребление 25.6 г CH₄ / МДж) = 0.90 г CH₄ / МДж

Ученые отмечают, что для сравнения выбросов CH₄ с выбросами CO₂ требуются определенные временные рамки, поскольку период полураспада CH₄ в атмосфере составляет около 12 лет, что намного меньше, чем у CO₂.

Ранее использовался 100-летний временной период, однако более точные результаты можно получить при использовании 20 лет. Посему в расчетах использовался потенциал глобального потепления (GWP от global warming potential) за 20 лет, равный 86.

Используя эти данные ученые смогли оценить выбросы метана, связанные с производством серого водорода, в единицах эквивалента диоксида углерода (CO₂eq):

(0.90 г CH₄ / МДж) ∗ (86 г CO₂eq / г CH₄) = 77.4 г CO₂eq / МДж

Сумма выбросов CO₂ (75.6 г) и несгоревшего метана (77.4 г CO₂eq) при производстве серого водорода составляет 153 г CO₂eq / МДж.

Ученые еще раз подчеркивают, что ранее такой оценки не проводилось. Те же отчеты, что все таки были опубликованы, не содержали никаких данных касательно метана. А если про метан и упоминалось, но не было понятно, как именно авторы отчета получали те или иные значения. Другими словами, предыдущие отчеты значительно занижали степень воздействия производства серого водорода на экологию. Причиной тому может быть некомпетентность, предвзятость или же банальная нехватка данных, ввиду того, что многие компании не хотят делиться данными, называя их «конфиденциальной информацией».

Оценка выбросов голубого водорода

Голубой водород отличается от серого (нет, не цветом) тем, что в процессе производства голубого улавливается часть углекислого газа, выделяемого в процессе SMR. Однако есть выбросы CO₂ и CH₄, которые сложно учесть. Они возникают из производства электроэнергии, требуемой для процесса SMR и для улавливания углерода.

Выбросы CO₂ после его улавливания

Как уже упоминалось ранее, в 2021 году насчитывается только два объекта по производству голубого водорода из природного газа. Другими словами, данных не особо много, но их достаточно для проведения оценки.

Для углекислого газа, образующегося во время SMR, заявленная эффективность улавливания колеблется от 53% до 90%. Фактические данные, полученные с завода Shell в Альберте, показывают, что средняя эффективность улавливания составляет 78.8%. Для дальнейшей оценки ученые решили использовать значение в 85%, т.е. примерно среднее между идеальным улавливанием в 90% и реальным на заводе Shell в 78.8%. Следовательно, 15% не улавливается:

(15%) ∗ (38.5 г CO₂ / МДж) = 5.8 г CO₂ / МДж

5.8 г это объем выбросов CO₂ уже после SMR и после процесса улавливания углерода. Важно и то, что нынешнее производство нацелено на улавливание углерода именно в процессе SMR. При этом нет никаких сведений о том, что кто-то пытался «поймать» диоксид углерода, образующийся при сгорании природного газа, используемого для обеспечения тепла и высокого давления (что необходимо для SMR).

Если учесть эффективность улавливания электростанции, в том числе и тех, что сжигают природный газ, то процент улавливания составит 55-72%. Следовательно, заявленные заводом Shell пиковые значения в 90% не являются действительностью. Если предположить, что процент не пойманного CO₂ составляет 35%, то получится:

(35%) ∗ (31.8 г CO₂ / МДж) = 11.1 г CO₂ / МЖд

Из этого следует, что общий выброс CO₂ от процесса SMR с учетом получения необходимой для него энергии находится в диапазоне от 16.9 до 37.6 г CO₂ / МДж.

Выбросы CH₄ и CO₂ при выработке энергии для улавливания CO₂

Для улавливания углекислого газа требуется энергия, и часто она обеспечивается за счет электроэнергии, вырабатываемой при сжигании дополнительного природного газа. Для этого анализа ученые предположили, что энергия, используемая для улавливания углерода, приводит к выбросам диоксида углерода, равным 25% от улавливаемого CO₂. Таким образом:

(25%) ∗ [(38.5 г CO₂ / МДж) − (5.8 г CO₂ / МДж)] = 8.2 г CO₂ / МДж

Следовательно, выбросы углекислого газа от энергии, используемой для улавливания углерода, составляют от 8.2 г, если улавливаются только выбросы от процесса SMR, или 16.3 г, если выбросы от источника энергии, используемого для тепла и давления, также улавливаются.

Учитывая, что 1 моль метана сжигается на 1 моль CO₂, выделяемого в результате горения, можно оценить количество метана, сожженного для производства электроэнергии, необходимой для улавливания диоксида углерода:

(8.2 г CO₂ / МДж) ∗ (1 моль CO₂ / 44.01 г CO₂) ∗ (16.04 г CH₄ / моль CH₄) ∗ (1 моль CH₄ / 1 моль CO₂) = 3.0 г CH₄ / МДж

То есть 3.0 г CH₄ / МДж расходуется для выработки электроэнергии, используемой для улавливания углерода, если улавливание CO₂ относится только к процессу SMR. Или же 6.0 г, если улавливается и CO₂, полученный в процессе выработки тепла и давления.

При конвертации выбросов метана в эквивалентное по CO₂ значение выяснилось, что выбросы несгоревшего метана составляют 9.5 г CO₂eq / МДж, если улавливается только углерод от SMR, и 18 г, если улавливается и углерод от процессов выработки тепла/давления.

Оценка косвенных выбросов CO₂ показала, что они составляют примерно 7.5% от общего объема выбросов CO₂, т.е. от 5.9 г CO₂ / МДж до 6.5 г CO₂ / МДж (в зависимости от степени улавливания углерода).

Следовательно, суммарное значение выбросов CO₂ составляет 51.7 г CO₂ / МДж, если улавливается углерод только от самого процесса SMR. Если же улавливать еще и углерод, выделяемый в ходе выработки энергии, то общее значение выбросов будет 39.7 г CO₂ / МДж.

Выбросы метана при производстве голубого водорода такие же как и при производстве серого водорода, за исключением тех, что связаны с использованием природного газа в процессе улавливания углерода. Выбросы метана от серого водорода составляют 77.4 г CO₂eq / МДж. Дополнительные выбросы от процесса улавливания — 9.5 г CO₂eq / МДж. Следовательно, общее значение выбросов от голубого метана составляет от 86.9 г CO₂eq / МДж до 135 г CO₂eq / МДж (в зависимости от степени улавливания углерода).


Сравнение выбросов CO₂ и CH₄ от разных типов топлива.

Выбросы углекислого газа на графике выше, указанные для угля, дизельного топлива и природного газа, включают как прямые, так и косвенные выбросы: 4 г CO₂ / МДж для угля; 8 г CO₂ / МДж для дизеля; 3.8 г CO₂ / МДж для природного газа. Выбросы метана составляют 0.185 г CH₄ / МДж для угля и 0.093 г CH₄ / МДж для дизеля, что эквивалентно 8.0 и 15.9 4 г CO₂eq / МДж.

Сравнительный анализ показывает, что суммарные выбросы CO₂ и CH₄ выше для серого и голубого водорода, чем для любого другого проанализированного топлива. Основным фактором, который влияет на эту разницу, является именно метан, который в предыдущих аналитических отчетах никоим образом не учитывался. Если же рассматривать только выбросы углекислого газа, то у серого и голубого водорода они меньше, чем у дизеля или угля. Голубой водород также дает меньше выбросов CO₂, чем природный газ, но разница крайне мала.

Дополнительный анализ данных, при рассмотрении 20-летнего периода времени, показал, что выбросов от серого и голубого водорода действительно значительно больше, чем даже от природного газа. Одним из решающих аспектов, которые на это влияют, является процесс улавливания углерода. Хоть он и работает, но все же требует немалого объема энергии, на выработку которой требуется топливо. Вполне очевидно, что эти процессы сами по себе вырабатывают определенное количество выбросов, которые не учитывались ранее. Другими словами, чтобы улавливать углерод нужна энергия, которую часто получают от природного газа, который дает выбросы как CO₂, так и CH₄.


Таблица №2: анализ чувствительности суммарных выбросов CO₂ и CH₄ для различных скоростей утечки метана и для GWP20/GWP100 (20-летний или 100-летний потенциал глобального потепления).

Исправить ситуацию можно, если для улавливания углерода использовать возобновляемые источники энергии. В таком случае выбросы CO₂ и CH₄ от этого процесса будут практически нулевыми.


Таблица №3: анализ чувствительности для комбинированных выбросов CO₂ и CH₄ при производстве голубого водорода в зависимости от процента улавливаемого углекислого газа.

Проблема в том, что даже при использовании зеленой энергии будут выбросы метана, связанные с реформированием природного газа в водород. А эти выбросы весьма существенны: 52 г CO₂eq / МДж. Другими словами, даже если полностью перейти на зеленую энергию, голубой водород все равно будет давать немало выбросов парниковых газов. При этом ученые отмечают, что данный сценарий является самым позитивным, так как в анализе предполагалось, что пойманный углерод может храниться десятки лет без утечек. Если же это не так, то ситуация с выбросами может быть еще хуже.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В данном труде ученые провели очень тщательный анализ выбросов парниковых газов (CO₂ и CH₄) при производстве серого и голубого водорода. Последний часто именовали топливом будущего, а также считали его одним из самых экологически дружелюбных вариантов топлива.

К сожалению, результаты анализа показывают обратное. Выбросы парниковых газов от производства голубого водорода либо почти не отличаются от таковых при производстве классического топлива, а то и значительно выше оных. Вся проблема в том, что предыдущие отчеты по выбросам не учитывали несколько крайне важных аспектов. В первую очередь, метан, который вносит немалый вклад в парниковый эффект. Во-вторых, процесс улавливания углерода рассматривался, как чистый, эффективный и без каких-либо выбросов. Это, естественно, не так. Выбросы могут присутствовать как и при самом процессе улавливания, так и при выработке энергии, требуемой для его осуществления. Ситуация может быть улучшена, если перейти на возобновляемые источники энергии, однако полностью от выбросов это не поможет избавиться.

Ученые считают, что не голубой водород является топливом будущего, а зеленый. Он намного экономичнее, но процесс его производства пока еще слишком дорогой, чтобы заинтересовать крупных игроков на топливном рынке.

По мнению ученых, проблема с голубым водородом еще и в гласности. Само название этого топлива звучит круто и футуристично. Многие политические деятели, журналисты и эксперты, независимо от своих мотивов, популяризируют голубой водород, не зная всех нюансов его производства и использования. Любая технология имеет подводные камни, без учета которых она кажется идеальной. Но так не бывает. Стоит начать копать глубже, как появляется масса проблем и сложностей, на решение которых может уйти гораздо больше ресурсов и времени, чем эта «чудо» технология могла бы сэкономить. Не говоря уже о последствиях для экологии.

На данный момент говорить о том, что мы семимильными шагами идем в зеленое будущее, не приходится. Да, шаги навстречу экологически чистым источникам энергии и топлива делаются. Но они часто переплетаются с тем фактом, что люди остаются людьми. Многие ставят интересы своей компании или персоны выше интересов окружающей среды. Это приводит к противоречивым отчетам, сокрытию важной для аналитики информации, и пиару технологий, которые лишь на бумаге выглядят идеально.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?