Вот викторина по энергетике. Вопрос: думаете ли вы, что это утверждение правдиво?
“В отличие от ископаемого топлива, которое при сгорании выбрасывает парниковый газ, водород, в основном, производит воду”.
Ответ: ложное.
Это заявление появилось в статье Блумберга Грина неделю или около того назад. В ней сообщалось о будущих европейских планах по использованию водорода (H2) в качестве топлива “в модифицированных газовых турбинах” для питания самолетов. Аналогичные сообщения появились и в других авторитетных энергетических статьях о том, что водород является оптимальным климатическим решением, поскольку его использование не приведет к выбросам в атмосферу.
Правда в том, что возобновляемые источники энергии, такие как солнце или ветер, могут расщеплять воду на H2 для получения того, что, по словам репортеров, является “свободным от выбросов” энергоносителем. Но для этого требуется сложный и дорогостоящий процесс электролиза, чтобы получить H2. Тогда возобновляемый “зеленый водород” будет пропускаться через топливный элемент для получения электричества. Топливные элементы не производят углекислый газ (CO2) или другие вредные выбросы. Существует много “умных” применений для получения энергии на топливных элементах, в автомобилях и тяжелых транспортных средствах, а также в различных промышленных приложениях – вот как может выглядеть “умная” водородная экономика в ближайшие годы.
Группа компаний “Чистая Энергия” (CEG) является горячим сторонником “зеленого” водорода и его использования в топливных элементах. Мы работали над созданием водородных и топливных элементов 15 лет назад, когда они были одним из немногих экологически чистых источников энергии. Тогда у нас не было более дешевой и практичной альтернативы ископаемому топливу, такой как возобновляемые источники энергии и аккумуляторные батареи, чем сегодня.
Еще в 2006 году CEG писала, что “водород наиболее эффективно используется в топливных элементах, где он преобразуется в электричество “электрохимически” (т.е. без сжигания), при этом в качестве выхлопных продуктов используется только воздух, истощенный водой и кислородом
Это объясняется тем, что в процессе горения водород переходит из состояния “без выбросов” в состояние “загрязняющее”, что, похоже, утратило критическую черту в этих новых дебатах об использовании H2 для решения проблемы изменения климата.
Сжигание H2 и будущее газовой промышленности.
Перенесемся на 15 лет вперед. Теперь газовая промышленность и коммунальные предприятия США решили, что горение – это то, как они хотят использовать водород – даже если он возобновляется с помощью солнечной энергии и ветра. Они хотят взять этот возобновляемый “зеленый водород” и сжечь его, как мы сжигали нефть, газ и уголь на протяжении веков. Вопреки отчету, новая горючая алхимия – это что угодно, только не выбросы.
В последние несколько месяцев несколько разработчиков газа предложили смешивать H2 и природный газ на западных электростанциях. Два мировых финансовых гиганта недавно предложили создать завод по смешиванию водорода в Огайо, который, как ожидается, начнет работать в ближайшие месяцы. Некоторые владельцы электростанций в Нью-Йорке также предложили смешивать H2 с природным газом, чтобы поддерживать работу электростанций, работающих на ископаемом топливе, в течение многих лет после того, как они должны были бы быть остановлены и заменены на возобновляемые источники энергии и аккумуляторные хранилища.
Нефтегазовые компании также предложили впрыскивать водород в существующую газовую инфраструктуру. Компании NextEra Energy во Флориде и Dominion в Вирджинии обнародовали планы начать впрыскивание 5% смеси в некоторые поставки природного газа начиная с 2021 года Южно-калифорнийская газовая компания (SoCalGas) и San Diego Gas & Electric (SDG&E) также объявили о планах начать демонстрационные проекты по впрыскиванию 5% смеси в газовую сеть, начиная со следующего года.
Эти новые предложения по “смешиванию” – все это ярость индустрии ископаемого топлива. За последние несколько месяцев трудно было подобрать публикацию о торговле энергоресурсами, не найдя бездыханный материал о том, как H2 является следующей “серебряной пулей”, связанной с изменением климата. Может быть, он и не соперничает с кампаниями “слишком дешево, чтобы измерить”, проводимыми атомной промышленностью в 1950-х годах, но недавний толчок в прессе подошел к концу. Это, по-видимому, скоординированные усилия по связям с общественностью, похоже, не случайны.
В основе этих предложений лежит мысль о том, что в некотором неопределённом будущем станции, работающие на природном газе, можно было бы переоборудовать в установки для сжигания 100 % H2, что привело бы к прекращению использования газа для производства электроэнергии. Смешивание с течением времени H2 на все более высоких уровнях в газовые установки, похоже, является планом отрасли по поддержанию работы газовых установок и трубопроводной инфраструктуры в течение следующих нескольких десятилетий, проверяя влияние этих экспериментов с течением времени на общественность.
Следует отметить, что сжигание H2 для производства электроэнергии в этой стране еще никогда не производилось. Это новаторский, непроверенный и потенциально проблемный экологический эксперимент, который можно было бы провести в американских городах.
Почему это требует урока химии.
Сжигание H2 и NOx – новая угроза загрязнения воздуха.
Что происходит, когда H2 сгорает?
Сжигание H2 не приводит к выбросу углекислого газа (CO2). Это хорошая новость для климата.
Однако сжигание водорода приводит к другим выбросам в атмосферу. И этот научный факт – нерассказанная история в этом агрессивном промышленном плане, который может превратить зеленый H2 в жуткий H2.
Плохие новости заключаются в том, что при сгорании H2 могут образовываться опасно высокие уровни окиси азота (NOx). Два европейских исследования показали, что сжигание обогащенного водородом природного газа в промышленных условиях может привести к выбросам NOx, которые в шесть раз превышают выбросы метана (наиболее распространенного элемента в газовых смесях).В научной литературе существует множество других исследований о трудностях контроля выбросов NOx в результате сжигания H2 в различных промышленных применениях.
Даже “План водородной программы” администрации Трампа определяет сжигание H2 как значительную проблему. В нем говорится, что необходимы дополнительные исследования по целому ряду вопросов контроля за выбросами, связанными со сжиганием H2. Дело в том, что при очень низком уровне сжигания Н2 уровни выбросов NOx могут быть контролируемыми. Однако при более высоких уровнях не только трудно контролировать выбросы NOx, но и разработанные в настоящее время технологии, которые пытаются контролировать более высокие уровни NOx, остаются недоказанными. На эти исследования уходят годы.
Эта проблема выбросов – не секрет, а давняя проблема отрасли. Недавний отраслевой отчет Европейской турбинной сети о состоянии сгорания H2: “Более высокая температура адиабатического пламени H2 приведет к более высоким выбросам NOx, если не будут предприняты дополнительные меры… Особенно сложно будет достичь еще более жестких пределов NOx, предусмотренных в будущем. ”
Эта проблема лишь медленно появляется в публичном разговоре. В статье, опубликованной на прошлой неделе в журнале The Economist, отмечается, что сжигание топлива для двигателей самолетов несет в себе новые “риски, повышающие загрязнение окружающей среды в виде оксидов азота, что частично сводит на нет экологические преимущества сжигания водорода”
Аналогичным образом, Союз обеспокоенных ученых (UCS) на прошлой неделе также обратил внимание на проблему сгорания, наряду со многими другими проблемами, когда отметил, что “при сжигании водорода (в отличие от водорода, используемого в топливном элементе), он может генерировать значительные выбросы NOx, соизмеримые с выбросами при сжигании природного газа – или даже хуже”.
Вот технические причины этой новой проблемы с выбросами.
Большинство газовых турбин сегодня представляют собой сухие системы с низким содержанием NOx (DLN), специально разработанные для ограничения количества NOx, высвобождаемых при сжигании природного газа или метана. Эти турбины могут работать с небольшим количеством водорода, но из-за фундаментальных различий между водородом и метаном, они не предназначены для работы с высокими концентрациями H2.
Самая высокая концентрация водорода, которую может выдержать система DLN, составляет ~15%, хотя в настоящее время DOE совместно с GE работает над созданием системы DLN, способной выдержать 50%.
Для большинства из этих установок потребуется модернизированная система DLN, способная обрабатывать даже чуть более высокую концентрацию водорода в топливной смеси, и ни одна из существующих в настоящее время систем DLN не способна обрабатывать значительные объемы смеси H2, не говоря уже о 100%.
Даже новая установка по смешиванию H2 в штате Юта с высокими требованиями к качеству уступает по этому показателю. В этом новом проекте 30 % H2 будет сочетаться с 70 % природным газом. Проект, который будет обслуживать Лос-Анджелес, в случае одобрения в качестве рекламируемого, будет производить значительные выбросы CO2 и NOx. Согласно отчету, подготовленному собственным разработчиком проекта, компанией Mitsubishi, эта смесь водорода и природного газа “будет производить выбросы NOx и CO2, эквивалентные выбросам современных газовых установок “.
То есть, по собственным данным отрасли, этот новый проект по сжиганию H2, получивший высокую оценку как будущее водородной экономики, будет по-прежнему производить те же объемы выбросов NOx (и CO2), что и новая газовая электростанция.
Несмотря на эти проблемы с выбросами, по крайней мере один владелец газовой электростанции в Нью-Йорке воспринял водород как оправдание для строительства новых газовых электростанций в самом центре города. В своих проектных заявках владелец предложил к 2040 году перейти на 100% “водород, не содержащий парниковых газов”, не имея при этом никакой подробной и поддающейся проверке информации о том, как этот подвиг будет достигнут в ближайшие несколько десятилетий, и будет ли он иметь от этого какие-либо последствия для здоровья населения.
Суть этих предложений заключается в следующем: этот новый подход к смешанному сжиганию Н2, по-видимому, не располагает технологией, позволяющей контролировать эти выбросы на каком-либо, но незначительном уровне.
Если мы не ошиблись – а если ошиблись, то мы готовы выслушать мнение промышленных предприятий и других экспертов – это представляется серьезной нерешенной проблемой. Та, которая не решается, пока эти владельцы электростанций запрашивают разрешения у государства – а во многих случаях уже получают такие разрешения – на эксплуатацию этих новых смесительных установок.
Мы проверили с некоторыми экспертами в области здравоохранения, изучалось ли это сжигание Н2 и его влияние на выбросы – если это делается в еще больших масштабах – независимыми учеными в США. Нам сказали, что серьезных, интенсивных исследований в здравоохранении не проводится.
Воздействие экологической безопасности должно быть изучено
Эти предложения поступают на фоне продолжающейся общенациональной проблемы, связанной с увеличением выбросов NOx из всех источников, что представляет собой значительную угрозу для здоровья населения, которая не контролируется. Длительное воздействие NOx увеличивает риск возникновения респираторных заболеваний и повышает чувствительность к аллергенам. Кроме того, NOx являются предвестником образования мелких частиц и низкоуровневого озона, которые в обоих случаях связаны с тяжелыми неблагоприятными последствиями для здоровья.
Эта проблема особенно актуальна в связи с доказанной связью между КОВИД-19 и воздействием загрязнения воздуха. И как мы все теперь с болью знаем, кризис КОВИД-19 в настоящее время обнажает экологическую несправедливость, с которой сталкиваются городские и недостаточно обеспеченные ресурсами общины.
Многочисленные исследования выявили четкую связь между загрязнением – как мелкодисперсных частиц, известный как PM2.5, и диоксида азота – и коэффициенты смертности от коронавирусов. Городские жители наиболее отягощены этими загрязняющими веществами, которые поступают от промышленности, транспорта и электростанций.
Учитывая отсутствие технологических возможностей по контролю NOx в схемах “смешивания” природного газа, мы теперь имеем принципиальное политическое разъединение. Эти агрессивные новые отраслевые предложения превзошли понимание научным сообществом того, как массовое поглощение этих новых источников NOx может отрицательно сказаться на загрязнении воздуха в городах и здоровье населения.
Добавление новых источников выбросов NOx также противоречит новым стратегическим мерам по загрязнению воздуха, принятым такими агентствами, как Департамент охраны окружающей среды штата Нью-Йорк (NYDEC), для контроля NOx в таких местах, как Нью-Йорк. NYDEC недавно ввел строгие ограничения на выбросы NOx для заводов штата в пиковых зонах – это некоторые из тех же самых заводов в пиковых зонах Нью-Йорка, которые сейчас предлагают сжигать Н2, что приведет к увеличению выбросов NOx.
Этот недостаток еще более усугубляется тем, как эти новые предложения рассматриваются на предмет утверждения. Новые предложения по смешиванию H2 и природного газа появились в виде демонстрационных проектов с низким уровнем смешивания. Для обычного человека, не имеющего никакой информации об опасности выбросов NOx (ни одна из опубликованных статей, кроме недавних статей “Экономиста” и UCS об этих схемах сжигания Н2, даже не упоминала о проблеме NOx), эти предложения могут показаться достаточно безобидными.
Однако мы знаем, что после их создания эти демонстрационные проекты Н2 расширятся и станут новым “отраслевым стандартом”. Скорее всего, мы будем рассматривать сжигание H2 как способ оправдать дальнейшую эксплуатацию газовых установок и газовой инфраструктуры; в конце концов, добавление 20% H2 в смесь с газовой установкой все еще означает, что она продолжает работать на 80% ископаемого газа.
Несмотря на конкуренцию со стороны возобновляемых источников энергии и аккумуляторов, сжигание H2 на газовых станциях в ближайшие десятилетия вполне может прекратиться. Это умелый и смелый план выживания.
План не остался без протеста. Сторонники экологической справедливости начали протестовать против проекта по смешиванию природного газа H2 в Лос-Анджелесе, так как они видят в нем классический верблюжий нос (обман).
На Востоке коалиция экологических организаций и общественных активистов обратилась к должностным лицам штата Нью-Йорк с призывом требовать всесторонней оценки проблем окружающей среды, климата и общественного здравоохранения, связанных с сжиганием H2 в районах Нью-Йорка.
“Водород как источник сжигания топлива далек от преобразующей, энергосберегающей альтернативы, которую компании, работающие на ископаемом топливе, тратят столько денег на продвижение”, – сказал Карлос Гарсия (Carlos Garcia), разработчик энергетического плана Нью-Йоркского альянса за экологическое равенство (Нью-Йоркский альянс за экологическое равноправие). “Помимо огромных затрат, связанных с появлением новых продуктов, недавно обнаруженные побочные продукты выбросов NOx приведут к дальнейшему неравенству в области здравоохранения в сообществах, занимающихся вопросами экологического правосудия”.
Сигналы тревоги, подаваемые местными общественными группами, должны быть услышаны.
Необходимо вести более широкий разговор в области общественного здравоохранения о том, хотим ли мы внедрить совершенно новые формы электростанций, излучающих NOx, работающих на основе горения, по всей стране, особенно в цветных сообществах. Мы должны лучше понимать последствия для здоровья населения того, насколько хорошо эти новые источники выбросов будут контролировать это проблемное загрязняющее вещество.
Тайм-аут для сжигания Н2, пока не стало слишком поздно?
Эта индустрия спешит судить об использовании смеси H2 поднимает массу потенциально проблемных и, по-видимому, неизученных последствий для здоровья населения и окружающей среды.
Перед лицом этого натиска, возможно, пришло время рассмотреть вопрос о паузе для этих предложений, пока мы не узнаем больше об их непреднамеренных последствиях для здоровья населения и окружающей среды.
Возможно, настало время даже призвать к мораторию на разрешение любого проекта H2, который предлагает смешивать и сжигать водород с природным газом на любой существующей или новой электростанции. Такой мораторий можно было бы ввести на уровне штатов до тех пор, пока американские исследователи не проведут адекватные независимые исследования воздействия выбросов NOx на здоровье населения в целом и, в частности, на местные экологические сообщества.
Ближайшие к этим электростанциям поселения не должны снова стать морскими свинками в рамках другого проекта по строительству электростанции, реализация которого пошла на спад. Более половины газовых электростанций в Калифорнии, например, находятся в населенных пунктах; то же самое, к сожалению, относится и к большинству крупных городов.
Эта проблема не будет снята в результате исследований, проводимых только разработчиками проекта. Очевидно, что они не будут обладать необходимым авторитетом или объективностью для решения коллективных проблем, связанных с этим потенциально значительным новым риском для здоровья населения.
Отрасль должна приветствовать эти исследования. Если они считают, что эти технологии сжигания H2 необходимы для решения проблемы климата в долгосрочной перспективе – и у них есть технология контроля за загрязнением, позволяющая снизить выбросы NOx – то они должны быть первыми, кто докажет необходимость их тщательного изучения извне. Эти исследования должны быть проведены независимыми экспертами по загрязнению воздуха и здравоохранению до того, как это новое применение Н2 будет принято в демонстрационных проектах, которые затем создадут промышленный образец для будущего расширения. Это позволило бы обеспечить, чтобы их рассмотрение и широкое принятие директивными органами не было подорвано предвзятой и неинформированной поддержкой или противодействием.
Последнее, в чем серьезно нуждаются сторонники использования водорода, – это преодоление экологических проблем, которых можно избежать и которые потенциально могут стать необратимыми, с помощью резонансных демонстраций концепций. Это может запятнать и, возможно, сорвать более ответственный, долгосрочный проект по созданию водородного климата, который является ценным и должен быть реализован.
Мы уже были здесь раньше.
На первый взгляд, многие из этих предложений кажутся странными, если не причудливыми. Неразумно брать возобновляемый “зеленый водород”, а затем сжигать его, превращая в источник обычных загрязняющих веществ в воздухе на уровне хуже, чем сжигание метана. Это заявление может быть жестким, но эти предложения довольно странные. Это как разделить вторсырье, а затем сжечь переработанных материалов в загрязняющих отходов в мусоросжигательной печи для производства электроэнергии.
Эта реакция “о чем они думают?” также имеет историческую параллель.
Несколько десятилетий назад (и это является чрезмерным упрощением) европейские правительства настаивали на использовании дизельных двигателей в автомобилях. Это была ключевая стратегия Европы в области транспортировки климатических выбросов, потому что дизельные автомобили производят меньше выбросов CO2. Однако дизельные двигатели также производят большое количество NOx. Очевидно, что влияние NOx, оказываемое стратегией использования дизельных двигателей на выбросы CO2, не было учтено в первоначальной компромиссной политике ЕС в области климата.
За последние несколько лет европейские и американские правительственные учреждения обнаружили, что европейские автопроизводители, пытающиеся соблюдать политику в отношении выбросов CO2, тайно манипулируют данными о выбросах NOx, потому что им не хватает технологии для контроля выбросов NOx. Результат? Печальный скандал, теперь печально известный как “Дизельные ворота” – печальный, но предсказуемый результат игнорирования с самого начала того, как выбросы NOx могут непредсказуемо увеличиться в борьбе за климат CO2.
Давайте не будем повторять этот неудачный эксперимент в США. Будущая технология с низким содержанием CO2 обещает водород – пусть даже с надеждой и благими намерениями – не должна сейчас оправдывать увеличение загрязнения нашего воздуха NOx.
Правительства, которых просят утвердить эти предложения по смешиванию, должны быть уверены в том, что существует технология, позволяющая в первую очередь контролировать эти выбросы NOx на всех уровнях. В противном случае, это риск для здоровья населения, который не стоит принимать.
В качестве последнего пункта следует добавить, что CEG не планировала заниматься этим вопросом. Но долгая история работы с топливными элементами и водородом, а также многочисленные проблемы с точностью в прессе и отраслевых отчетах не оставили нам выбора.
У нас серьезная проблема с просвещением общественности, когда такой отличный журнал, как Yale Environment 360, в рассказе, который был опубликован всего несколько дней назад, просто процитировал без всяких оговорок представителя отрасли, который сказал, что сжигание H2 в самолетах будет “нулевым выбросом”. И опять же, в последние несколько дней эта вопиющая ошибка была повторена в непонятном онлайн-издании, назвавшем сжигание водорода климатическим “чудо-топливом”: “Водород – это обильный ресурс, который не выделяет выбросов при сжигании в качестве топлива”.
Мы чувствовали себя вынужденными пытаться установить прямой контакт с общественностью и многочисленными группами экологического правосудия, которые сотрудничают с нами по вопросам сокращения загрязнения окружающей среды и по проблемам электростанций. Опять же, как уже отмечалось, мы приветствуем критику и комментарии со стороны промышленности и других сторон, если в этом обзорном материале мы получим что-то неправильное. Мы должны сделать это правильно, потому что история производства энергии в этой стране изобилует гиперболическими маркетинговыми заявлениями о революционных, свободных или безобидных способах производства электроэнергии.
С такими схемами сжигания водорода, давайте не будем иметь более многообещающего использования водорода для борьбы с изменением климата, ставшего жертвой той же самой разочаровывающей судьбы.