Біометан і зелений водень: порівняємо основні відновлювані гази
Георгій Гелетуха, д.т.н., голова правління Біоенергетичної асоціації України
Для порталу Green Deal.
Водень – перший і найпростіший хімічний елемент з атомним номером 1. Найбільш розповсюджений елемент Всесвіту. За нормальних умов водень це дуже легкий двохатомний газ (Н2) без запаху, кольору та смаку. У промисловості водень виробляється через перетворення пари (паровий реформінг) з використанням викопних видів палива, наприклад, природного газу, нафти чи вугілля. Невелика частина водню (біля 4 %) отримується шляхом електролізу води. Для отримання кілограму зеленого водню таким шляхом необхідно витратити приблизно 50 кВт*годин електроенергії.
Біометан – це біогаз, доведений до якості природного газу, що містить, як правило, 95-98% метану (СН4). Біометан може суттєво сприяти декарбонізації газового сектору, роблячи відновлювані гази доступними для транспорту, промисловості та опалення. Виробляють біометан переважно шляхом анаеробного зброджування відходів і залишків аграрної біомаси (гній, послід, солома, стебла кукурудзи, жом цукрових буряків і т.і.). Також перспективним вважається виробництво біометану шляхом термохімічної газифікації деревної біомаси.
Основні властивості біометану та водню
Водень дуже легкий газ і має щільність у понад 8 разів меншу, ніж біометан. Теплотворна здатність [МДж/м3] водню у 3,3 рази менша, ніж у біометану при атмосферному тиску і у 4,1 рази менша при тиску 60 бар. Відповідно, при транспортуванні 1 м3 водню з ним транспортуватиметься у 3,3-4,1 рази менше енергії, ніж при транспортуванні 1 м3 біометану. Це фундаментальний недолік водню. Результати багатьох досліджень називають 20% максимально можливим вмістом водню у суміші з природним газом для транспортування існуючими газопроводами. Але це 20% по об’єму. А по енергії це у 3,3 – 4,1 рази менше – всього 5–6 %. Тобто, проблема декарбонізації газового сектору вирішується таким шляхом всього на 5-6%.
Табл. Основні фізичні властивості біометану та водню.
| Параметр | Водень Н2 | Біометан СН4 | Співвідношення Біометан/Водень |
| Щільність, кг/м3 (0 0C, 1 бар) | 0,087 | 0,716 | 8,2 |
| Нижча теплотворна здатність, МДж/м3 (0 0C, 1 бар) | 10,8 | 35,8 | 3,3 |
| Нижча теплотворна здатність, МДж/м3 (0 0C, 60 бар) | 604 | 2484 | 4,1 |
Переваги і недоліки виробництва і використання зеленого водню як одного з відновлюваних газів
| Переваги | Недоліки | |
| Зелений водень | Практична необмеженість ресурсів відновлювальних джерел енергії (ВДЕ) для виробництва зеленого водню. | Низька теплотворна здатність [МДж/м3]. |
| Можливість досягнення високих температур при спалюванні водню. Перевага для високотемпературних процесів, наприклад, у металургії. | Можливість додавання максимум 20% водню у суміш з природним газом в існуючих газопроводах. Необхідність модернізації газових мереж і газового обладнання. | |
| Високі викиди NOx при спалюванні водню. | ||
| Підвищені ризики вибухо-небезпеки. Жорсткі вимоги до герметичності. | ||
| Висока ціна. | ||
| Обмеження по наявним водним ресурсам як сировини для електролізу. | ||
| Біометан | Можливість 100% використання у існуючих газопроводах, газових сховищах, газовому обладнанні. | Обмеження по сталим ресурсам біомаси як сировини для виробництва біометану. |
| Висока теплотворна здатність [МДж/м3] |
Перспективи зеленого водню
Найбільш перспективним є виробництво зеленого водню у безпосередній близькості до його споживання з транспортуванням окремим воднепроводом. Наприклад, електролізер зеленого водню розташовано у безпосередній близькості до металургійного заводу, на якому він і буде спожитим. При цьому нівелюватимуться технічно невирішені і економічно невиправдані питання його транспортування у суміші з природним газом існуючими газопроводами.
Також перспективним вважається метанація СО2 за допомогою зеленого водню. Для цього потрібно:
- Розмістити поряд установку виробництва зеленого водню і біометану;
- Конвертувати зелений водень у біометан, провівши його реакцію з СО2, який виділяється під час виробництва біометану;
- У газопровід додатково до біометану від біометанового заводу закачувати синтетичний метан, у який було конвертовано зелений водень.
Рис. Концепція перетворення зеленого водню у синтетичний відновлюваний метан.
Використання такої схеми дозволить додатково до потенційних 9,7 млрд м3/рік біометану в Україні долучити 7 млрд м3/рік синтетичного метану, що може бути отриманий з відходів СО2 біометанових заводів і зеленого водню.
Існують оцінки фінської компанії Wärtsilä Corporation, які демонструють, що з урахуванням вартості модернізації газової інфраструктури під використання водню, більш рентабельним є конвертація зеленого водню у синтетичний метан з використанням існуючої газової інфраструктури.
Перспективи біометану
Дорожня карта розвитку біоенергетики в Україні до 2050 року, розроблена Біоенергетичною асоціацією України, передбачає виробництво біометану в Україні до 1 млрд м3/рік у 2030 році і до 4,5 млрд м3/рік у 2050 році. Темп зростання виробництва біометану в України може бути і суттєво вищим при довгострокових високих цінах на природний газ і викиди парникових газів, для чого є всі передумови.
На перших етапах розвитку біометанової галузі в Україні найбільш ймовірним сценарієм розвитку є експорт переважної кількості виробленого біометану в країни ЄС, де на нього вже сформувалися стійкий попит і преміальна ціна.
