Кредит: Pixabay/CC0 Public Domain
Зеленый водород становится важным потенциальным решением для декарбонизации транспорта, но новые результаты в области энергоэффективности указывают на то, что его следует использовать стратегически в большегрузном автомобильном, железнодорожном, авиационном и морском транспорте, как показывает исследование Мичиганского университета.
Зеленый водород производится путем электролиза с использованием возобновляемой энергии для расщепления воды на водород и кислород. Его можно использовать напрямую или в синтетическом топливе, также известном как электронное топливо, для декарбонизации автомобильного, железнодорожного, морского и воздушного транспорта. Транспортный сектор отвечает за около 22% мировых и 37% американских выбросов углекислого газа от ископаемого топлива.
Чтобы смягчить последствия изменения климата, крайне важно декарбонизировать транспорт — как пассажирский, так и грузовой, по словам исследователей, которые вычислили общую системную энергоэффективность использования зеленого водорода напрямую или косвенно в электронном топливе для питания самолетов, поездов, автомобилей и кораблей. Системная энергоэффективность измеряет энергию, используемую для приведения в движение колес для наземных режимов и тяги для самолетов и кораблей относительно общего объема инвестированной возобновляемой электроэнергии.
Исследователи из Мичиганского университета рассматривали как прямое использование водорода в двигателях или топливных элементах, так и косвенное использование водорода в форме электронного топлива, такого как электронный бензин, электронный дизель, электронный реактивный бензин, электронный метанол и электронный аммиак. Сравнивая эти варианты использования с вариантами аккумуляторных батарей, они обнаружили, что неэффективность системы при производстве, хранении, транспортировке, распределении и использовании водорода или электронного топлива приводит к потере около 80%-90% энергии от первоначального электрического ввода.
Напротив, электрический транспорт примерно в три-восемь раз эффективнее, чем использование водорода напрямую или в виде e-fuels. Их результаты появятся онлайн 7 августа и в печати 21 августа в журнале Joule.
«У нас есть срочная необходимость в декарбонизации транспорта, учитывая неблагоприятные последствия изменения климата, которые мы наблюдаем и которые будут только усиливаться», — сказал Грег Кеолеян, старший автор статьи и содиректор инициативы MI Hydrogen Мичиганского университета. «Мы изучаем, где водород может играть роль, рассматривая энергетику, чтобы помочь направить развертывание вместе с другими факторами, такими как стоимость, время заправки, дальность и безопасность».
Исследование проводилось в рамках инициативы MI Hydrogen Мичиганского университета, которая направлена на содействие сотрудничеству между исследователями Мичиганского университета, общественными группами, правительством и отраслевыми партнерами для создания водородных решений, которые ускорят переход на чистую энергию. В исследовательскую группу вошли ученые из Центра устойчивых систем, кафедры аэрокосмической техники Мичиганского инженерного университета и кафедры военно-морской архитектуры и морского машиностроения.
«Мы обнаружили, что возобновляемых источников электроэнергии в США недостаточно для поддержки производства водорода для легковых автомобилей. Зеленый водород следует стратегически использовать в большегрузном автомобильном, железнодорожном, авиационном и морском транспорте, где электрические альтернативы ограничены нагрузкой и запасом хода», — сказал Тим Уоллингтон, первый автор отчета и научный специалист Центра устойчивых систем в Школе окружающей среды и устойчивого развития Мичиганского университета.
Однако, говорит Уоллингтон, батареи не подойдут для тяжелых транспортных средств, которым нужно преодолевать большие расстояния. Батареи слишком тяжелые и слишком большие, чтобы обеспечить полет на расстояние более 200 миль, переправить грузовое судно через океан или поезд через континент.
По словам исследователей, водород или электронное топливо имеют больше смысла в качестве источников энергии для этих тяжелых транспортных приложений. Использование водорода в качестве прямого источника топлива потребует значительных изменений в топливе и инфраструктуре. Использование электронного топлива на основе водорода позволит избежать этих изменений, но в большинстве случаев они примерно на 20%-50% менее энергоэффективны, чем прямое использование зеленого водорода.
Чтобы охарактеризовать эффективность системы и визуализировать энергетические затраты и потери для каждого водородного пути, исследовательская группа разработала набор из 25 диаграмм Сэнки. Эти диаграммы начинаются с возобновляемых источников электроэнергии и отслеживают потоки энергии через производство водорода и доставку до его конечного использования в топливном элементе, двигателе внутреннего сгорания или турбовентиляторном двигателе в случае самолета. Эти водородные пути сравнивались с другим набором из 6 диаграмм для всех электрических вариантов.
Исследователи также измерили энергоемкость каждого водородного пути, которая показывает, сколько возобновляемой энергии требуется для перемещения грузов в тонно-милях или людей в пассажиро-милях для всех основных видов транспорта.
«Мы обнаружили, что тенденции здесь следуют тенденциям энергоемкости транспорта на основе нефти: при использовании водорода железнодорожный и морской транспорт наиболее эффективны, а самолет наименее эффективен, поскольку вам приходится удерживать этот вес в небе», — сказал Кеолеан, также профессор устойчивых систем. «С точки зрения устойчивого транспорта вам захочется использовать наиболее эффективные и наименее энергоемкие виды транспорта. Возобновляемая электроэнергия — дефицитный ресурс, поэтому мы должны использовать ее с умом».
Соавторами исследования являются докторант Максвелл Вуди и научный сотрудник Джеффри Льюис из Центра устойчивых систем, докторант Эйтан Адлер и профессор Хоаким Мартинс из кафедры аэрокосмической техники Мичиганского университета, а также Мэтью Коллетт, профессор кораблестроения и морского машиностроения.
Дополнительная информация: Тимоти Дж. Уоллингтон и др., «Зеленые водородные пути, энергоэффективность и интенсивность для наземного, воздушного и морского транспорта», Джоуль (2024). DOI: 10.1016/j.joule.2024.07.012
Информация о журнале: Джоуль Предоставлено Мичиганским университетом
