Воднева енергетика — це напрям вироблення та споживання енергії людиною, який базується на використанні водню як засобу для акумулювання, транспортування та вживання енергії населенням, транспортом та різними виробничими напрямками.

Водень — це найпоширеніший елемент на поверхні Землі та у космосі, він має найбільшу енергоємність, а продуктом його згоряння є тільки вода, що знову вводиться у обіг. Водень можна використати як паливо для будь-яких транспортних засобів (у тому числі легкових автомобілів, літаків та катерів), а також для задоволення енергетичних потреб будівель (прилади для безперервного живлення) і як живлення для побутової техніки.

Водню в чистому вигляді у природі майже немає, тож його виробляють методами електролізу води, парового риформінгу метану, газифікації вугілля, газифікації біомаси чи відходів, шляхом мікробної ферментації органічних відходів, та деякими іншими. Скорочення викидів діоксиду вуглецю, пов'язане з використанням водневого палива, досягається завдяки паливним елементам високої ефективності. За умов забезпечення виробництва водню енергією, одержаною з невуглецевих джерел, викидів діоксиду вуглецю немає зовсім. Водень можна виробляти з відновлюваних ресурсів, а також можна використовувати для зберігання енергії з непостійних джерел.

Історія Термін «воднева енергетика» запропонував Джон Бокріс під час лекції, яку він прочитав у 1970 році в Технічному центрі General Motors (GM).

Основи водневої енергетики

Очікується, що водень відіграватиме ключову роль як енергоносій у майбутніх енергетичних системах світу. Оскільки запаси викопного палива стають дедалі меншими, а екологічні проблеми зростають, водень, ймовірно, ставатиме все більш важливим носієм хімічної енергії та, зрештою, може стати основним носієм хімічної енергії. Водень є корисним енергоносієм, його можна зберігати та транспортувати, використовувати як паливо або перетворювати на електричну енергію в таких пристроях, як паливні елементи.

Використання водню як палива позитивно вплине на енергетичну безпеку, екологію та економічне зростання. Водень допоможе поліпшити енергетичну безпеку (тобто незалежність від країн-постачальників), тому що його можна отримувати із багатьох первинних джерел енергії, зокрема і відновлюваних. Таким чином, водень може стати повноцінною альтернативою нафті. Водень можна отримувати використовуючи найрізноманітніші природні ресурси: викопне паливо, воду, біомасу та відходи. Основна частина водню, що виробляється промисловістю, добувається з природного газу, але передбачається збільшення ролі інших джерел. Для отримання водню можна використовувати різноманітні джерела енергії: викопні копалини, ядерну енергію та відновлювані джерела енергії, такі як сонячна, вітрова, гідро-, біо-, та геотермальна енергії. Завдячуючи такому різноманіттю ресурсів та технологій, водень можна буде виробляти у всіх регіонах країни та у цілому світі. Станом на початок 2020-х, більшість водню, що виробляється, отримується шляхом парового риформінгу метану (приблизно 48 %). Також водень добувають із нафти, вугілля, води, біомаси та відходів.

У сучасній вуглеводневій енергетиці транспортування живиться насамперед нафтою. Внаслідок спалювання вуглеводневого палива виділяється діоксид вуглецю (CO2) та інші забрудники атмосфери. Запас економічно вигідних вуглеводневих ресурсів у світі обмежений, а попит на вуглеводневе паливо зростає, особливо в Китаї, Індії та інших країнах, що розвиваються. Тому перспективними є методи виробництва «зеленого» екологічно-чистого водню.

У аналізі, проведеному в 2004 році, стверджується, що «весь ланцюг водневого постачання вивільняє значно менше вуглекислого газу в атмосферу, ніж бензин у гібридних автомобілях», і що значне скорочення обсягу викидів двоокису вуглецю був би можливий, якби в місцях виробництва енергії та водню були використані методи уловлення та зберігання вуглецю.

Водень має високу густину енергії за вагою. Цикл Отто в двигуні внутрішнього згоряння, що працює на водні, має максимальну ефективність вище, ніж у двигуні внутрішнього згоряння на бензині, але також потребує кращого охолодження. Поєднання паливного елемента і електричного двигуна приблизно в 1.7 рази ефективніше за витратами водню, ніж спалювання водню в двигуні внутрішнього згоряння. Однак висока ціна паливного елемента — одна з головних перешкод його розвитку.Sustainable Energy, MIT Press (2005), Tester, Drake, Driscoll, Golay, Peters Зараз науковці шукають засоби зменшення використання платини або її заміни на дешевші аналоги. Моделі двигунів на паливних елементах містять приблизно 30 г платини. Інші технічні виклики, пов'язані з паливними елементами — це обов'язковість чистоти водню — у деяких сучасних технологіях паливний елемент вимагає чистоти водню не менше 99,999 %.

У порівнянні з водневими двигунами використання паливних елементів є кращим способом максимізації потенційні переваги водню, оскільки паливні елементи безпосередньо перетворюють хімічну енергію водню в електричну, і їх ефективність може досягати 60 %-80 %, і лише з водою, як побічним продуктом. Паливні елементи зараз комерційно застосовуються у різноманітних стаціонарних і транспортних застосуваннях.

Ринок водню Виробництво водню — велика галузь, що швидко зростає. У 2004 році в усьому світі було вироблено близько 50 мільйонів тонн водню, що відповідає близько 170 мільйонам тонн нафтового еквівалента. Темп росту галузі становить близько 10 % на рік. У 2004 році у США обсяг виробництва становив близько 11 мільйонів метричних тонн (MMT) середнього потоку потужності в 48 гігават. (Для порівняння, середній обсяг виробництва електрики в 2003 році становив близько 442 гігават.) У 2005 році вартість усього виробленого у світі водню становила близько $ 135 мільярдів на рік.

Приблизно половина водню використовується для виробництва аміаку (NH3) через процес Габера, який потім прямо чи непрямо використовується як добриво. Оскільки і населення світу, і сільське господарство, яке забезпечує його продовольством, зростають, попит на аміак також зростає. Окрім того, аміак використовується як ефективний носій водню, для його транспортування з подальшим вивільненням водню в реакції крекінгу аміаку. Друга половина виробленого водню використовується для перетворення важкої нафтової сировини у легші фракції, придатні для використання як паливо. Далі відбувається гідрокрекінг. Галузь гідрокрекінгу розвивається ще швидше, оскільки зростання цін на нафту заохочує нафтові компанії використовувати бідніші вихідні матеріали, наприклад, бітумінозні піски та нафтоносні сланці. Переробка нафти та виробництво добрив у великих обсягах вигідніше і дозволяє виробництво в місці експлуатації, а також проміжне використання. Виготовляється і доставляється кінцевим користувачам також і менша кількість «комерційного» водню.

Станом на 2005 рік, 48 % світового виробництва водню базувалось на використанні природного газу, 30 % — нафти і 18 % — вугілля; на електроліз води припадає лише 4 %. Розподіл виробництва відображає вплив термодинамічних обмежень на економічний вибір: з чотирьох методів одержання водню, часткове спалювання природного газу в електростанції на NGCC (комбінований цикл природного газу) є найефективнішим і дає найбільше теплової енергії, яку також можна використати.

Великий ринок і різке зростання цін на викопне паливо також підігріли інтерес до альтернативних, дешевших засобів виробництва водню.

2020-ті

Станом на початок 2020-х, водень в основному використовується в нафтопереробному та хімічному секторах і виробляється з використанням викопного палива, такого як вугілля та природний газ, і, таким чином, відповідає за значні річні викиди CO2. Чистий водень, вироблений за допомогою відновлюваних джерел енергії або ядерної енергії, або викопного палива з використанням уловлювання вуглецю, може допомогти декарбонізувати низку секторів, включаючи далекомагістральні перевезення, хімічну промисловість, виробництва заліза та сталі. Автомобілі, що працюють на водні, хоч і в невеликій кількості, покращують якість повітря та сприятимуть енергетичній безпеці. Водень також може підтримувати інтеграцію змінних відновлюваних джерел енергії в електроенергетичну систему, будучи одним із небагатьох варіантів зберігання енергії протягом днів, тижнів або місяців.

Попит на водень досяг історичного максимуму в 2022 році, але він залишається зосередженим у традиційних сферах застосування. У 2022 році глобальне споживання водню досягло 95 Мт, збільшившись майже на 3 %.

Водень із низьким рівнем викидів дуже повільно впроваджується в існуючі програми, становлячи лише 0,7 % від загального попиту на водень, що означає, що виробництво та використання водню у 2022 році було пов'язане з викидами понад 900 Мт CO2. Кращі перспективи в промисловості, зокрема у виробництві аміаку. Водень із низьким рівнем викидів може стати для країн можливістю підняти економіку на майбутнє шляхом створення галузей у ланцюгах постачання водневих технологій. За різними сценаріями прогнозується, що розмір ринку водневого сектору з низьким рівнем викидів зросте з $1,4 мільярда станом на 2022 рік до $12 мільярдів до 2030 року, що еквівалентно витратам на офшорні вітрові установки в Європі у 2022 році, або до $112 мільярдів, що приблизно відповідає розміру ринку сонячних фотоелектричних установок на дахах в Азіатсько-Тихоокеанському регіоні в 2022 році. Річне виробництво водню з низьким рівнем викидів може досягти 38 Мт у 2030 році, якщо всі оголошені проекти будуть реалізовані, хоча 17 Мт надходять із проектів на ранніх стадіях розробки. Із загального обсягу, очікується, що 27 Мт буде засновано на електролізі та електроенергії з низьким рівнем викидів, а 10 Мт — на викопному паливі з уловлюванням, утилізацією та зберіганням вуглецю. Уряди та компанії започаткували низку ініціатив щодо співпраці з метою сприяння розгортанню технологій з низьким рівнем викидів, зокрема водню. Загалом 41 уряд наразі має водневу стратегію.

Станом на 2024 рік, глобальний ринок використання водню оцінюється в $115 млрд.

Виробництво водню

Методи виробництва Водень є найпоширенішим газом у Всесвіті та має максимальний вміст енергії на одиницю ваги порівняно з будь-яким іншим відомим паливом. Використання водню для виробництва енергії не призводить до викидів забруднюючих речовин, оскільки виробляються лише тепло та водяна пара, що зменшує викиди парникових газів. Крім енергетичних застосувань, водень широко використовується в хімічній і нафтовій промисловості. Незважаючи на велику кількість водню, він рідко знаходиться у вільній формі в природі, тому існують різні методи його виробництва з викопного палива, води, біомаси та відходів.