Производство водорода в прибрежных районах и на морских платформах становится все более актуальной и перспективной областью развития зеленой энергетики. Водород, полученный с помощью электрохимического расщепления воды с применением энергии ветра, солнца и других возобновляемых ресурсов, способен заменить ископаемые топлива и существенно сократить выбросы углекислого газа. Особенно значимым является производство водорода непосредственно в море, где расположены оффшорные ветровые электростанции, что позволяет минимизировать потери при транспортировке энергии и повысить эффективность производства. Однако данный подход сопровождается комплексом экологических вопросов, связанных с воздействием на морскую гидрографию, микроэкосистемы и биологические процессы в акватории. В Северном море, которое является одним из ведущих регионов по установке оффшорных энергетических объектов, эти вопросы приобретают особую актуальность.
Технологии производства водорода на море базируются главным образом на электролизе морской воды, с предварительным ее опреснением. На сегодняшний день среди перспективных технологических решений выделяются низкотемпературные методы электролиза, такие как щелочной электролиз (AEL) и электролиз с протонно-обменной мембраной (PEMEL). Они требуют высокой степени очистки воды, что достигается путем применения различных систем опреснения и очистки, например многоэффектной дистилляции (MED). В ходе этих процессов образуются побочные продукты — концентрированная морская соль (брайна) и значительное количество тепла, которые сбрасываются обратно в море. Эти выбросы формируют локальные аномалии температуры и солености, что и является гидрографическим следом производства водорода.
Гидрографический след — это изменения в физических и химических характеристиках морской воды, вызванные антропогенной деятельностью. В случае offshore-производства водорода основными являются изменения температуры и солености, которые оказывают влияние на плотность воды, а следовательно, и на ее вертикальное стратифицирование. Стратификация воды — важнейший фактор, определяющий циркуляцию, обмен веществ и перемещение питательных веществ в водной толще, что неразрывно связано с продуктивностью экосистем. Изменения стратификации могут резко повлиять на микробиологические и биогеохимические процессы, что чревато изменениями в структуре морских сообществ. Исследования, проведенные с использованием численного моделирования в районе немецкой части Северного моря, показывают, что основным фактором воздействия на гидрографию является выделяемое тепло.
При работе установки мощностью 500 МВт наблюдаются локальные повышения температуры морской воды на 2 градуса Цельсия в пределах нескольких десятков метров от установки. Это сопровождается незначительным повышением солености благодаря сбросу брайна. Такие изменения создают плотностные аномалии, вызывающие локальные вертикальные потоки и возмущения стратификации. Однако влияние морских приливов значительно способствует быстрому рассеиванию и разведению сбросов, особенно при высоких скоростях течений. При этом метод и глубина сброса термических и солевых отходов играют ключевую роль в распространении аномалий и их влиянии на гидрографические параметры.
Выбор глубины сброса отходов — критический фактор экологического воздействия. Сброс в поверхностные слои вызывает наиболее сильное повышение стратификации, что может усилить тепловой слой и ограничить вертикальный обмен. Активность в верхних слоях воды имеет непосредственное влияние на фотосинтезирующие организмы и первичное производство. С другой стороны, сброс сбоку в глубинные слои может вызвать более резкие локальные изменения плотности и способствовать возникновению нестабильностей. Распределение сброса по вертикали и горизонтали позволяет смягчить локальные эффекты, увеличивая площадь влияния, но снижая интенсивность воздействия в конкретной точке.
Такой подход может помочь минимизировать ущерб экосистемам благодаря более равномерному распределению тепла и соли. Помимо локальных эффектов, моделирование также показывает, что масштабные последствия производства водорода в Северном море минимальны по сравнению с влиянием оффшорных ветровых электростанций. Ветровые фермы сами создают значительную турбулентность и изменяют направление и скорость течений, а также снижают скорость ветра на масштабах нескольких десятков километров, что приводит к изменению температуры и стратификации. Курсовое снижение скорости ветра внутри и вокруг площадок способствует увеличению температуры поверхности моря приблизительно на 0.2 градуса Цельсия, превышая тем самым эффект от производства водорода.
Тем не менее, локальные гидрографические изменения вблизи водородных установок заметно превышают фоновые вариации и могут иметь критические последствия для морских организмов. Экологические риски, связанные с производством водорода в море, многочисленны. Повышение температуры и изменения солености способны вызывать stress-эффекты у морских беспозвоночных, фитопланктона и микроводорослей. Нарушение естественной стратификации может снизить доступность питательных веществ в поверхностных слоях, что негативно скажется на биологической продуктивности. Локальные повышения температуры могут смещать географический ареал обитания видов, вызывая изменения экосистемных структур.
Кроме того, возможны прямые негативные эффекты химических веществ, используемых в процессе очистки и опреснения воды, которые могут попасть в морскую среду вместе с брайном. На сегодняшний день влияние химических продуктов еще недостаточно изучено, что подчеркивает необходимость проведения дополнительных исследований. Важным аспектом является влияние масштабов производства. С увеличением установленной мощности и объемов сброса эффект гидрографического следа усиливается. При мощности выше 2 ГВт площадь влияния способна расширяться до нескольких километров, а локальный подъем температуры становится сравним с прогнозируемыми изменениями температуры моря в условиях глобального потепления.
Это требует разработки строгих нормативов и регулирующих мер, направленных на соблюдение допустимых пределов воздействия и мониторинг состояния морской среды. Стратегии минимизации экологического воздействия производства водорода в открытом море включают технические и проектные решения. Распределение сбросов по вертикали и горизонтали, предпочтение менее инвазивных технологических процессов, таких как обратный осмос вместо термического опреснения, сокращение объема сбросов через повышение энергоэффективности электролизеров и применение систем утилизации тепла — все это способно снизить гидрографический след. Также предлагается интеграция водородных установок с платформами и опорами ветровых турбин, что способствует улучшению смешивания и разбросу сбросов за счет турбулентности, вызванной конструкциями турбин. Наконец, при развитии offshore-водородного производства необходимо учитывать комплексное воздействие совместно с оффшорными ветровыми фермами.
