Водород непригоден для отопления дома, заключает обзор
Водород непригоден для использования в домашнем отоплении и, вероятно, останется таковым, несмотря на надежды правительства Великобритании и сантехнической промышленности, пришел к выводу всеобъемлющий обзор научных работ.
Лоббисты водорода присутствуют на конференции Лейбористской партии на этой неделе, спонсируя несколько мероприятий в Ливерпуле, и их будет много на конференции Консервативной партии, которая начнется в эти выходные.
Они надеются убедить правительство Великобритании начать широкомасштабное внедрение водорода для отопления домов в качестве замены газа, используемого для обогрева подавляющего большинства британских домов. Сторонники водорода говорят, что это избавит домохозяйства от необходимости заменять газовые котлы тепловыми насосами, еще одним основным претендентом на низкоуглеродное отопление дома.
Но исследователи рассмотрели 32 исследования водорода и пришли к выводу, что он вряд ли будет играть важную роль в отоплении дома, будь то полная замена отопления на ископаемом топливе или смесь с природным газом.
Ян Розенов, европейский директор проекта Regulatory Assistance Project, энергетического аналитического центра и соавтор исследования, сказал, что необходимо преодолеть слишком много технических трудностей, чтобы сделать водород жизнеспособным и экономичным низкоуглеродным топливом для отопления.
«Использование водорода для отопления на первый взгляд может показаться привлекательным. Однако все независимые исследования по этой теме приходят к одному и тому же выводу: отопление водородом намного менее эффективно и дороже, чем альтернативы, такие как тепловые насосы, централизованное теплоснабжение и солнечное тепло», — сказал он.
Исследование, опубликованное во вторник в рецензируемом научном журнале Joule, стало третьим крупным ударом за последнюю неделю по сторонникам использования водорода для отопления домов. Ранее на этой неделе отдельное исследование, проведенное аналитической компанией Cornwall Insight, пришло к выводу, что водород будет почти в два раза дороже для отопления дома, чем использование только газа. На прошлой неделе The Guardian сообщила о проблемах с пилотным водородным проектом в Шотландии.
Розенов сказал Guardian, что водород не является альтернативой тепловым насосам, как заявляют лоббисты. «Для политиков водород для отопления кажется привлекательным, потому что это кажется простым: просто замените ископаемый газ водородом без ущерба для домашних хозяйств. Реальность такова, что необходимы значительные технические изменения, в том числе трубопроводы в домах, и что людям потребуется много денег, чтобы согреться».
Майкл Либрайх, основатель Bloomberg New Energy Finance и председатель Liebreich Associates, сказал: «Это своевременный документ, показывающий, что ни один серьезный анализ не показывает, что водород играет более чем второстепенную роль в будущем отопления помещений. Нам нужно перевести системы отопления Европы с природного газа, и мы должны сделать это без дальнейшего промедления. Пришло время прекратить борьбу: судьи единодушны, и победителями стали теплоснабжение, тепловые насосы и электрификация».
Есть много других применений водорода в качестве топлива, например, в обезуглероживании тяжелой промышленности и судоходства. Если эти отрасли должны быть по-настоящему низкоуглеродными, используемый водород необходимо будет производить с использованием возобновляемых источников энергии, а не из ископаемого топлива, как это происходит в настоящее время.
Некоторые представители энергетической отрасли придерживаются иного мнения. Джеймс Эрл, директор по газу в Ассоциации энергетических сетей Великобритании, который представляет британских энергетических операторов, сказал Guardian: «Ни одна система отопления не приведет нас к нулевым целям Великобритании в качестве универсального подхода к обезуглероживанию. отопление не будет работать для разнообразной клиентской базы Великобритании. Нам нужно рассматривать водород, электрификацию и другие технологии как часть комплекса».
Он добавил: «Хотя сегодня водород дорог, его стоимость быстро падает, и, по прогнозам, к 2030 году он упадет до стоимости, аналогичной стоимости природного газа, если стоимость выбросов углерода будет полностью признана. Клиентам нужен выбор и доступ к ряду технологий, включая тепловые насосы, водородные котлы, централизованное теплоснабжение и гибридные системы отопления, если мы хотим создать устойчивую энергетическую систему будущего».
Является ли водород решением для нулевого отопления дома?
27 июня 2019 года министр энергетики и экологически чистого роста Крис Скидмор подписал документы, обязывающие Великобританию свести к 2050 году выбросы углерода практически до нуля. Это одна огромная проблема, которую нам придется решать: отопление дома.
На отопление наших домов приходится от четверти до трети выбросов парниковых газов в Великобритании. Это более чем в 10 раз превышает количество CO.2 создано авиационной промышленностью. Около 85% домов в настоящее время используют центральное отопление, работающее на газе, и значительная часть приготовления пищи на газе по-прежнему используется. Озеленение этой системы является огромной проблемой по любым меркам. Но если верить недавним сообщениям, может быть простой и эффективный способ сделать это: перейти от использования природного газа к газообразному водороду.
Водород в изобилии присутствует в природе, и, по мнению его сторонников, он может чисто и эффективно питать газовые приборы следующего поколения.
«Привлекательность водорода заключается в том, что для многих потребителей он не заметит никакой разницы. Клиенты будут продолжать использовать бойлер для отопления своих домов, как и природный газ», — говорит Роберт Сансом из группы по энергетической политике Института инженерии и технологии. Он является ведущим автором исследования, проведенного институтом под названием «Переход на водород».
Вместе с коллегами Сансом оценил инженерные риски и неопределенности, связанные с заменой нашей газовой сети на водород. Их вывод состоит в том, что нет никаких причин, по которым невозможно было бы перепрофилировать газовую сеть на водород.
Однако это не значит, что это будет легко. Технологические и практические препятствия существуют, потому что нет плана такого преобразования: нигде в мире нет места, где чистый водород подается в дома и на предприятия. Великобритания должна быть пионером во всем.
Интерес к водороду как способу отопления домов начался в 2016 году с доклада под названием H21. Оно было проведено компанией Northern Gas Networks, газораспределительной компанией на севере Англии, и рассмотрело вопрос о том, возможно ли технически и экономически целесообразно перевести Лидс на 100% водород вместо природного газа.
«Они проработали множество деталей, от заводов по производству водорода до домов людей», — говорит Сансом.
В отчете проводится параллель с тем, как газовая промышленность перешла с городского газа на природный газ в 1960-х и 70-х годах. Городской газ представлял собой смесь водорода, угарного газа и метана. В основном он производился путем перегонки угля и нефти и использовался в течение первых 150 лет газовой промышленности Великобритании. С открытием природного газа в Северном море, преимущественно метана, Великобритания предприняла общенациональную программу по переоборудованию 40-метровых приборов в течение десяти лет.
Целые улицы будут преобразованы одновременно. Инженеры проверяли газовое оборудование, а затем переделывали его. Одновременно отключили городской газ и продули трубопроводы инертным газом. Наконец, природный газ был закачан в систему, и инженеры должны были убедиться, что каждый прибор работает правильно, прежде чем перейти к следующей улице.
Некоторые производители сейчас настолько убеждены, что нечто подобное может произойти и с водородом, что уже приступили к разработке новых бытовых приборов. В феврале Worcester Bosch представила прототип своего водородного котла. Сначала он будет работать на природном газе, а затем, после технического обслуживания, на водороде.
В пользу водорода работает и то, что в течение последних 20 лет газовая промышленность планомерно заменяет металлические трубы в своей «железной магистрали» на желтые полиэтиленовые. К 90 году будет заменено около 2030% труб. Это хорошая новость для водорода, поскольку газ вступает в реакцию со старыми металлическими трубами, делая их хрупкими. Но полиэтилен безопасен.
«Фактически мы начали программу защиты от водорода нашей газовой сети, не зная, что мы это делаем», — говорит Сансом, который все больше и больше впечатлялся этой концепцией. «С личной точки зрения, я был очень на грани, когда начал эту работу. Но я обнаружил, что склоняюсь к водороду с точки зрения его жизнеспособности в качестве низкоуглеродной альтернативы природному газу», — говорит он.
Водородный котел Worcester Bosch. Фотография: Вустер Бош
Но не всех убеждает этот внезапный интерес к водороду. Ричард Лоус из Группы энергетической политики Университета Эксетера говорит, что до недавнего времени считалось, что отопление должно быть каким-то образом электрифицировано, чтобы выполнить наши обязательства по климатическому кризису. «В основном это результат многих лет технического и экономического моделирования, чтобы посмотреть, как вы можете перейти к полностью обезуглероженному отоплению в Великобритании», — говорит Лоус.
Переключение отопления с газа на электричество означало бы использование тепловых насосов. Они используют электричество для извлечения тепла из воздуха или земли. В случае воздушного теплового насоса он работает как холодильник, но вместо того, чтобы всасывать тепло из отделения для продуктов, он вытягивает его из воздуха и направляет в дом, где оно используется для нагрева воды, т.е. подводится к радиаторам центрального отопления и хранится в баке для горячей воды.
Но поскольку эта технология работает при более низкой температуре, чем существующие котлы, она требует, чтобы многие дома были намного лучше изолированы или имели радиаторы большего размера, способные обеспечивать большую мощность нагрева. Для тех, кто перешел на двухконтурные двухконтурные котлы, потребуется переустановка бака горячей воды.
Это большая работа, но она того стоит, по словам Лоуза, который снял свой собственный газовый котел и теперь использует воздушный тепловой насос для обогрева своего дома. «Это было много работы, но мой дом и система отопления теперь намного эффективнее. Здесь всегда тепло, всегда есть горячая вода, а стоимость эксплуатации практически такая же, как у газа», — говорит он.
Немного лицемерно со стороны газовой промышленности говорить, что мы не можем копать дороги, когда они делают это уже 20 лет.
Третий подход называется централизованным теплоснабжением. Он предусматривает нагрев воды на центральном объекте с использованием отработанного тепла промышленности или экологически чистых источников, таких как солнечная энергия. Затем горячая вода доставляется во многие дома одновременно по сети хорошо изолированных подземных труб. Оба метода могут значительно уменьшить углеродный след от отопления дома, но недостатком является то, что они требуют большой работы, чтобы внедрить их в национальном масштабе.
Централизованное отопление потребует прокладки водопроводных труб под домами, а широкое использование тепловых насосов потребует модернизации электрических цепей Национальной энергосистемы. Сторонники водорода говорят, что именно такого рода потрясений можно избежать, поскольку большая часть национальной инфраструктуры уже модернизирована. Этот аргумент не имеет отношения к Лоусу. «Со стороны газовой промышленности кажется немного лицемерным говорить, что мы не можем раскапывать дороги, хотя они делали это последние 20 лет, — говорит он.
Он отмечает, что, хотя потребитель может не испытывать таких серьезных потрясений, для газовой отрасли остаются серьезные проблемы. Например, Национальная система передачи, представляющая собой сеть труб, по которым газ от береговых терминалов поступает к газораспределительным компаниям и другим крупным потребителям, изготовлена из металла. Это должно быть каким-то образом защищено от охрупчивания, прежде чем произойдет какой-либо переход на водород.
«Водород, конечно, не серебряная пуля, — говорит Лоус. И если мы будем отвлекаться на это, мы можем навлечь на себя больше неприятностей, полностью не достигнув цели по энергетике к 2050 году.
Но если с водородом так много неясностей, почему газовая промышленность, которая финансирует многие исследования, так сильно его продвигает? По словам Криса Гудолла, экономиста по энергетике и автора книги Что нам нужно сделать сейчас для безуглеродного будущего, это вопрос выживания.
«Они не хотят, чтобы их промышленность была поглощена переходом на электричество для отопления. Поэтому они стараются изо всех сил убедить нас в необходимости водорода», — говорит он. И все упирается в то, как добывается газ.
Водород не встречается на Земле в чистом виде. Вместо этого его нужно извлекать из других веществ, и лучше всего извлекать его из метана, то есть из природного газа. Следовательно, газовые компании могли бы эффективно продолжать свою текущую деятельность.
Но дополнительные шаги, связанные с извлечением водорода, поднимут цену. Кроме того, при экстракции образуется двуокись углерода в качестве побочного продукта, поэтому необходимо разработать крупномасштабную технологию улавливания углерода, чтобы предотвратить его попадание в атмосферу. Хотя это технология, которую Великобритания все равно должна будет разработать, чтобы достичь нуля к 2050 году, она увеличит стоимость.
Первый экологически чистый автобус на водородных топливных элементах в Северной Ирландии, Wrightbus, был представлен в январе. Фотография: Лайам Макберни/Пенсильвания.
Но природный газ — не единственное вещество, содержащее водород. Вода тоже, а водород можно высвободить с помощью процесса, называемого электролизом, который не создает никакого углекислого газа. Чтобы сделать его полностью зеленым, а это главная надежда, электролиз можно было бы получать от ветряных электростанций. Однако на данный момент цена на такое электричество высока, и это еще больше подтолкнет цену на водород.
Гудолл надеется, что стоимость будет снижаться по мере совершенствования технологий, но предупреждает: «Вас могут обвинить в бездумном оптимизме, просто сказав это».
Энергетический ландшафт Великобритании будущего, без сомнения, является сложной областью для навигации. Возможно, лучший маршрут будет найден, если не противопоставлять различные решения друг другу. «У всех трех есть сильные и слабые стороны, и я ожидаю, что каждая из них сыграет важную роль в качестве замены природного газа», — говорит Сансом. Это признают даже противники водорода. «Как нишевая технология она может иметь реальную ценность», — говорит Лоус. Далее он перефразирует рекламу пива Heineken 70-х и 80-х годов, говоря, что водород потенциально может достичь тех частей страны, куда другие энергетические решения не могут добраться.
Гудолл также видит роль водорода в «хранении» энергии, вырабатываемой из возобновляемых источников, таких как энергия ветра и солнца. Идея состоит в том, что в ветреные месяцы любая дополнительная электроэнергия, вырабатываемая из возобновляемых источников энергии, будет использоваться для производства водорода, который затем будет храниться. Когда возникает дополнительный спрос на национальную сеть или сезонное падение мощности, производимой из возобновляемых источников энергии, водород можно сжигать для производства электроэнергии.
Правда в том, что все варианты обезуглероживания наших систем отопления потребуют значительных сбоев и затрат. И пока правительство продолжает размышлять, часы тикают к 2050 году.
«Нет необходимости ждать. Теперь мы можем внедрить оборудование, которое отлично работает», — говорит Лоус, имея в виду свой собственный опыт замены газового котла на тепловой насос. «Неотложность изменения климата означает, что на самом деле нет никаких причин откладывать».
Другие считают, что водород играет определенную роль, и считают, что на это стоит потратить немного больше времени. Но есть одна истина, с которой согласны все. «Ничего из этого не легко. Если кто-то говорит вам, что это легко, он вводит вас в заблуждение», — говорит Лоус.
Автомобили с водородным двигателем
Водородная заправочная станция в Сеуле, Южная Корея. Фотография: Ким Хонг-Джи/Reuters
Водород также может питать транспортные средства, но не так, как обогревает дома. Вместо того, чтобы сгореть, водород вступает в реакцию с кислородом внутри устройства, называемого топливным элементом. Электричество и вода производятся. Машина работает на электричестве, из выхлопной трубы капает вода.
Попытка перейти на водородные транспортные средства в 1990-х годах была сорвана электромобилями, которые хранят свою энергию в бортовой батарее. Но новый толчок к водородным автомобилям исходит из Азии. Китай, Япония и Южная Корея поставили перед собой амбициозные цели: к 2030 году на их дорогах будут миллионы автомобилей с водородным двигателем.
Toyota и Hyundai предлагают водородные автомобили в Великобритании, но в настоящее время в Великобритании менее 20 водородных заправочных станций, в основном сгруппированных вокруг M25.
«Будет очень интересно посмотреть, что получится, — говорит Лоус. Но сам он в этом не убежден: «Водород намного дороже электричества, а машина дороже электромобиля».
