Много експерти наричат водорода „горивото на бъдещето“. Очаква се той да помогне за декарбонизацията на световната икономика по два начина: изгарянето или подаването му в горивна клетка произвежда съхраняема енергия без въглеродни емисии, само вода. Водородът може да се използва и вместо изкопаеми горива или като химическа суровина в енергоемки индустриални процеси, например в производството на стомана и цимент.
Но за да реализира потенциала си, водородът трябва да преодолее две предизвикателства. Изследователи по целия свят в момента работят за решаване на първото: намиране на метод за производство на чист водород, който е едновременно евтин и с ниски въглеродни емисии.
Също толкова критично е намирането на добър начин за транспортиране и съхранение на водород. Екип, ръководен от изследователи от MIT Energy Initiative (MITEI), се заема с това по-малко обсъждано, но важно предизвикателство. Мястото, където се произвежда чистият водород, е най-вероятно далеч от мястото, където ще се използва, така че транспортирането му ще бъде от решаващо значение — и трудно.
Проблемът произтича от две характеристики на водорода: той е най-лекият газ и има ниска енергийна плътност на единица обем. Следователно доставянето на дадено количество енергия изисква голям обем водород и контейнер, който е толкова плътно запечатан, че молекулите на водорода не могат да избягат. Без добър начин за съхранение и транспортиране на водород, той не може да изпълни обещанието си да бъде чистото гориво на бъдещето.
През 2024 г. изследователи започнаха да проучват различни подходи за транспортиране на водорода. Те вече са стигнали до заключението, че няма едно-единствено решение; разходите и въглеродните емисии от даден метод на транспортиране ще варират в зависимост от много фактори.
Затова, вместо да представи таблица с „най-добрия“ резултат, екипът на MITEI създаде инструмент, който позволява на потребителите да разберат различните опции и да изберат най-добрата за конкретния им случай на употреба.
Предизвикателството с „преносителите“
Началното предположение на екипа е, че за да стане водородът жизнеспособно гориво за света, той ще трябва да се транспортира на дълги разстояния — по-специално, отвъд океаните, през континенти или през големи водни басейни. Като се имат предвид свойствата на водородния газ, най-добре би било той да се преобразува в някаква течна форма преди транспортиране.
Съществуват известни начини да се направи това, но кой би бил най-добър за транспортиране? Колко биха стрували различните методи и колко биха добавили към въглеродния интензитет на доставения водород?
„Не е отделено много внимание на тези въпроси“, казва Гасим Ибрахим, докторант в MITEI и сега R&D инженер/учен в Honeywell. Въпреки че са правени някои проучвания, техните заключения са непоследователни и има много неясноти.
„Затова решихме, че най-доброто нещо, което можем да направим, е да разработим адаптивен инструмент, който ще позволи на потребителите да правят свои собствени оценки — инструмент, който може да бъде актуализиран много лесно“, обяснява Ибрахим.
„И ще го направим с отворен код, така че всеки може да види и актуализира числата, които използвахме при формулирането и тестването му. С развитието на индустрията и с увеличаването на мащаба, предположенията, направени в [нашите първоначални] оценки на икономиката и въглеродния интензитет [на различните методи за транспортиране], ще трябва да бъдат актуализирани“, поясни Ибрахим.
За да се съсредоточат върху проблемите с транспортирането и съхранението, техният модел — наречен Hydrogen Carrier Analysis Tool, или HyCAT — не разглежда как се произвежда началният водород или как се използва след доставката му. HyCAT се фокусира върху определянето на разходите и въглеродните емисии, възникнали при транспортирането и доставката на водорода.
Освен това, докато пълната оценка на жизнения цикъл би включвала всички въздействия върху околната среда, HyCAT се фокусира само върху емисиите на парникови газове (ПГ).
Инструментът е лесен за използване, казва Ибрахим. В него е вграден потребителски интерфейс с падащи менюта за въвеждане на предположения, а резултатите от анализа се представят в прости стълбовидни диаграми, които включват връзки към таблици с подробности.
Докато HyCAT има ясно дефинирана граница — „входящ водород към изходящ водород“ — при анализ на конкретна ситуация потребителят ще въведе различни фактори за местната ситуация, включително въглеродния интензитет и разходите, свързани с производството на входящия водород. „Това ще даде информация за крайните стойности, които излизат от анализа на HyCAT“, казва Ибрахим и отчасти обяснява защо резултатите варират от място на място.
Въз основа на предположенията на потребителя, HyCAT изчислява разходите и емисиите на ПГ на пет стъпки във „веригата на доставки“:
- преобразуване на водорода в течна форма на „експортния“ терминал;
- съхранение на течността, богата на водород;
- транспортирането му, когато се освободи празен танкер;
- съхранението му на „импортния“ терминал;
- освобождаването на водорода като газ, подходящ за изгаряне или подаване в тръбопровод за разпределение.
Опции за втечняване на водороден газ
Основното решение при анализа на разходите и емисиите на предложен план за транспортиране на водород е как да се преобразува газообразният водород в течност и след това как да се възстанови газообразният водород.
Един подход е просто да се промени газообразният водород в лесно транспортируема течност. Но превръщането на водородния газ в течност изисква да се направи много, много студен. Ибрахим отбелязва: „Ще трябва да консумирате около една трета от енергийното съдържание на водорода, за да направите газообразния водород достатъчно студен, за да се втечни“.
Допълнителен проблем възниква, когато втечненият водород се съхранява и мести. Ако съдът, съдържащ течния водород, не е правилно изолиран, течният водород може да се регазифицира и да избяга. Предимството на втечняването на водорода е, че не са необходими химични реакции.
Други опции включват използване на „преносител“ на водород. Някои течни химични съединения ще абсорбират водородни атоми при определени условия и ще ги освобождават при други. Следователно, един подход за решаване на проблема с транспортирането на водород е да се накара съединението-преносител да абсорбира водорода там, където е произведен, и след това да го освободи, когато достигне дестинацията си.
Този подход включва две химични реакции — една за свързване на водорода с преносителя и друга за освобождаването му. В своите демонстрационни изпълнения изследователите разгледаха преносители на водород, включващи три потенциални съединения, всяко от които има известни предимства и недостатъци.
Един от тези преносители се получава чрез добавяне на водород към толуен. Тази химична реакция работи, но има един известен недостатък: източникът на толуен обикновено е петролната и газовата индустрия, така че самият толуен има относително висок въглероден интензитет, когато абсорбира водорода. Освен това с течение на времето част от толуена се губи, така че трябва да се добавя повече толуен.
Изследователите разгледаха и „синтетичен метан“, който се получава чрез реакция на водород с въглероден диоксид. Ибрахим отбелязва, че производството на синтетичен метан всъщност консумира въглероден диоксид, често уловен от атмосферата. От друга страна, един от продуктите на реакцията е вода, така че част от водорода се губи всеки път, когато се постигне реакцията.
Последната анализирана опция е амонякът, който се образува, когато водородът реагира с азот от въздуха. Тази реакция е много добре проучена и се използва в търговската мрежа. „Ние произвеждаме амоняк от дълго време“, казва Ибрахим. А инфраструктурата за транспортирането и съхранението му е добре установена. Ибрахим нарича амоняка „най-обещаващата опция“.
Различни заключения и бъдещи планове
Въз основа на своите анализи изследователите установиха, че най-добрият път за следване ще варира от място на място и от ситуация на ситуация.
„Докато разработвахме инструмента, видяхме, че „най-добрият“ преносител е много специфичен за веригата на доставки“, казва Ибрахим. „Има значение колко далеч се опитвате да транспортирате водорода си, какви са разходите за енергия и доставка във вашите изнасящи и внасящи страни, капиталовите разходи за изграждане на необходимите съоръжения и в двата края и още“.
Ибрахим и неговият екип сега планират последващо проучване, в което ще използват HyCAT, за да анализират конкретни вериги на доставки при определени условия. След това ще изберат предположения, които са силно несигурни, и ще разгледат диапазона от възможни стойности за тези предположения.
„Тогава ще можем да кажем: „при тези условия този преносител е по-добър от онзи“ или „този преносител е по-добър по отношение на разходите, но по-лош по отношение на въглеродния интензитет“, заключава Ибрахим.
