Мировая энергетика в последнее время вышла на принципиально новый уровень социально-экономического развития, когда важным становится вопрос не чем топить, а как топить. Промышленность предлагает много самых разных вариантов энергоресурсов от угля до энергии приливов и отливов. При этом свой выбор человечество делает уже не в пользу самых дешевых и доступных источников, как это было еще лет тридцать назад, а в пользу наиболее экологически чистых и энергоэффективных. Ведущие мировые игроки, такие как Евросоюз, Япония, США, Китай и Россия, сейчас активно создают условия для инвестиций в разработку новых энергетических технологий. Одним из наиболее перспективных вариантов может стать повсеместное широкое применение водорода как топлива и накопителя энергии.
Первый элемент
Водород — первый элемент таблицы Менделеева — кажется, специально существует на Земле для того, чтобы стать идеальным топливом. Он самый распространенный элемент во всей Вселенной. Его теплота сгорания достигает 120 МДж/кг. А у метана (следующего энергоресурса по данному показателю) она втрое меньше — 56 МДж/кг.
При использовании водорода образуется чистая вода без вредных выбросов в атмосферу, что полностью соответствует мировой экологической повестке. Этот газ давно нашёл применение в нефтеперерабатывающей и химической промышленности, поэтому опыт работы с ним человечество уже накопило.
Согласно данным МЭА, всего в мире производится примерно 69 млн тонн водорода в год, а также 48 млн тонн ежегодно получается в качестве подобного продукта. Из них 63 % используется в химической промышленности, 31 % — в нефтепереработке, 6 % — в обработке и менее 1 % — в качестве топлива для автомобилей, грузовиков и ракет. Именно космическая отрасль первая оценила возможности водорода в качестве топлива. В 80-ые годы жидкий водород активно использовался как ракетное топливо для Space Shuttle и «Бурана». Мало того, в СССР был даже создан первый самолет на базе ТУ-154 с двигателем на водородном топливе.
Но только в последнее десятилетие на фоне активного внедрения промышленно развитыми странами экологических программ по снижению выбросов CO2 в атмосферу и подписания Парижского соглашения по климату водород стали рассматривать как реальную альтернативу углеводородному топливу. Все больше государств приходит к выводу о необходимости постепенного перевода энергетики на метано-водородную основу.
Как отметил нобелевский лауреат премии мира, председатель международного комитета премии «Глобальная энергия» Рае Квон Чунг, водород является оптимальным решением для декарбонизации мировой экономики и достижения цели нулевых выбросов к 2050 году.
«Многие страны, включая США, Германию, Японию и даже Корею, активно занимаются водородной экономикой и уже производят водородные автомобили. Переход от метано-водородного топлива к водороду станет практическим подходом, который может стимулировать развертывание водородной инфраструктуры. Инновации для массового производства водорода по конкурентоспособной цене будут иметь решающее значение для перехода к водородной экономике. Опробование и оптимизация различных технологий, включая пиролиз метана и плазмохимические методы получения водорода из природного газа, станут важным шагом в продвижении к глубокой декарбонизации для достижения цели, поставленной в Парижском климатическом соглашении», — заявил Рае Квон Чунг «Глобальной энергии».
Водородный мир
Наиболее активно внедряет водородные технологии Япония, сильно зависимая от импорта углеводородов.
В стране еще в 2014 году была принята дорожная карта по построению общества, базирующегося на водороде.
Согласно программе, использование водорода должно вырасти с 200 тонн в 2018 году до 10 млн тонн в 2050 году. Уже сейчас японский автопарк насчитывает около 2,5 тысяч машин с водородным двигателем. Одновременно активно прорабатываются планы по закупкам Японией водорода из Австралии. Правда, этот газ будет получен за счет нефтепереработки.
Китай летом 2019 года выпустил «Белую книгу» о китайской водородной энергетике и топливных элементах, согласно которой к 2050 г. водород будет составлять 10 % от энергопотребления страны или 60 млн тонн в год. Уже к 2030 году автопарк КНР должен вырасти до 2 млн машин на водородных топливных элементах.
Шанхай собирается построить в районе Цзядин водородную энергетическую гавань мирового класса с целью создания надежной производственной цепочки для водородного транспорта. На её базе сформируется промышленный кластер площадью 2,15 кв. км и с объемом выручки 7,23 млрд долларов в год.
В Европе в 2017 году была запущена «Объединенная технологическая инициатива по топливным элементам и водороду» (Fuel cells and hydrogen joint undertaking). Она призывает к активному использованию водорода в рамках энергетического перехода и инвестированию в водородные проекты на общую сумму 1,8 млрд евро в ближайшие пять лет. Две провинции Нидерландов, Гронинген и Дренте, планируют совместно создать на своих территориях «Водородную долину» — проект, основанный на использовании водорода, получаемого из воды с помощью возобновляемых источников энергии. Он включает 33 конкретных проекта, среди которых:
- строительство подземного водородного хранилища в соляных пещерах в Зюйдвендинге,
- создание сети водородных заправочных станций,
- добавление водорода и синтез-газа в существующие газопроводы.
В проекте будут участвовать Shell, Nuon, Engie, BioMCN (производитель биометанола), Gasunie и другие компании.
В Великобритании начинается пилотный проект, в рамках которого водород будет добавляться в трубопроводный газ, используемый для отопления. Сначала этот эксперимент затронет 130 домов. В случае успеха он будет расширен.
На другом конце света — в Чили — в 2017 году компания Enel Green Power запустила первую в мире стопроцентно чистую коммерческую микросеть электроэнергии на водороде. Работу сети обеспечивает комплекс гибридных накопителей, состоящих из солнечной электростанции, а также системы водородных и литиевых батарей.
Серый, голубой, зеленый
Несмотря на обширную географию и разношерстность данных проектов, все они упираются в необходимость промышленного производства водорода, поскольку в чистом виде в природе этот газ не встречается. Большинство этих проектов являются энергозатратными и далеко не все из них позволяют избежать «углеродного следа», что приводит к сохранению большого объема выбросов в атмосферу.
Самым популярным на текущий момент является метод производства водорода за счет паровой конверсии метана. При этом метан может быть выделен из природного газа или синтезирован из угля. Этот процесс относится к одному из самых дешевых по себестоимости получаемого водорода — примерно 1-2 доллара за килограмм газа. Однако он приводит к выбросам углекислого газа в атмосферу. Эмиссия CO2 при паровой конверсии метана достигает 10 кг на один килограмм водорода. Поэтому этот способ производства водорода часто в литературе именуют «серым».
В последнее время эту технологию пытаются усовершенствовать за счет строительства установок по улавливанию и хранению углекислого газа, что превращает проекты из «серых» в «голубые». Однако это приводит к увеличению капитальных затрат по ним до 80% и росту примерно в полтора раза стоимости получаемого водорода. На текущий момент в мире реализуется три проекта с интеграцией установок по улавливанию углекислого газа в проекты по производству водорода — это Port Arthur в США, Quest в Канаде и Tomakomai в Японии. Кроме того, в Австралии был подготовлен проект японской компании Kawasaki по производству водорода из синтетического газа, который в свою очередь получается в процессе газификации бурого угля. Водород будет на специальных танкерах доставляться в Японию. Образовавшийся CO2 будет улавливаться и закачиваться в пласт. Невысокая цена австралийского угля и простота его добычи позволяет сделать данный проект рентабельным.
Существует еще один способ получения водорода — электролиз воды. Данная технология позволяет получать водород с минимальным углеродным следом, однако она требует и больших энергетических затрат. Этот способ производства водорода часто совмещают с проектами на возобновляемых источниках энергии, такой водород называют «зеленым».
По данным МЭА, в течение последних 10 лет в среднем в мире вводили в эксплуатацию около 10 МВт электролизеров ежегодно. В 2018 году введено уже 20 МВт, а до конца 2020 года ожидается ввод еще 100 МВт.
Но у этого метода есть несколько существенных недостатков. Во-первых, выделяемый таким образом водород является очень дорогим. Он более чем в три раза дороже водорода, произведенного путем конверсии метана. Кроме того, метод электролиза водорода требует больших затрат воды. Так, расширение применения этой технологии, по данным МЭА, может потребовать до 617 млн кубометров чистой воды в год. Такие объемы могут позволить себе далеко не все регионы мира.
Кроме того, существует вариант использования водорода в смеси с метаном. Это позволяет снизить выбросы парниковых газов на 8-15 % по сравнению с использованием чистого метана. Подобный подход уже применяется в ряде европейских стран.
«Введение водорода в метан повышает скорость и температуру горения метано-водородной смеси. Это приводит к повышению КПД энергоустановок и двигателей внутреннего сгорания. В результате уменьшается как выброс в атмосферу канцерогенов, так и выброс парниковых газов (CO2)», — пояснил «Глобальной энергии» главный научный сотрудник Объединенного института высоких температур РАН Николай Баранов.
Исследования, проведенные европейскими производителями оборудования, показывают, что некоторые виды современных промышленных газовых турбин уже способны сжигать топливную смесь, содержащую до 50 — 60 % водорода. Правда, в Европе до сих пор нет единых нормативов, регулирующих предельные уровни водорода в газотранспортных системах, что затрудняет массовое применение такого подхода.
Поэтому весь научный мир продолжает искать способы удешевления производства водорода наравне с возможностями широкомасштабного использования подобных технологий.
Российский след против углеродного
Российский газовый концерн «Газпром» предложил миру свое видение развития производства водорода, который имеет ряд значительных преимуществ. Он основан на применении пиролиза и плазмохимического метода, что позволяет разлагать метан на водород и твердый углерод. Последний является ценным материалом для промышленного и строительного секторов, электротехники и электроники. В отличие от газообразной двуокиси углерода твердый углерод легко хранится, он нетоксичен. Выделение твердого углерода в рамках производства водорода позволит не только снизить вредные выбросы, но и получать дополнительный доход.
Пиролиз метана и плазмохимические методы получения водорода из природного газа не имеют прямых выбросов СО2. Эти методы предполагают использование метана, но с учетом, что углеродный след поставок российского газа минимален, то предложенный способ производства водорода смело можно называть «зеленым». Тем более, что он предполагает более низкие затраты на энергию по сравнению с электролизом воды.
По словам руководителя «Центра водородных энергетических технологий» Литовского энергетического института Дарюса Мильчуса, у производства водорода с помощью пиролиза есть еще одно значимое преимущество — получаемый газ по цене сопоставим с водородом, производимым при паровой конверсии.
«Производство водорода без выбросов СО2 из метана могло бы стать ценным решением для достижения климатических целей ЕС на 2030 и 2050 годы при более низких затратах, поскольку себестоимость производства водорода с использованием технологий пиролиза может быть аналогична цене водорода, получаемого в результате парового риформинга в сочетании с секвестрацией СО2. Оно также может быть почти в 3 раза выгоднее по сравнению с технологиями электролиза воды», — сказал Дарюс Мильчус. — Кроме того, в качестве побочного продукта реакции можно было бы производить высококачественный и дорогостоящий технический углерод для применения в различных областях (резиновая промышленность, пластмассы, строительство жилья и т. д.). Это, очевидно, даст новые возможности на рынке. Наконец, производство водорода без выбросов СО2 из метана поможет сохранить рабочие места в нефтегазовой промышленности, одновременно создавая новые рабочие места, связанные с производством водорода на месте по мере необходимости«.
«Масштабное внедрение этой технологии позволит производить "зеленый" водород в больших количествах, следовательно, себестоимость водорода за литр или килограмм будет снижена и станет конкурентоспособной по сравнению с водородом, получаемым через паровой риформинг метана. Водород можно дополнительно смешивать с природным газом, образуя так называемый Hythane, эта газовая смесь обладает улучшенными энергетическими характеристиками по сравнению с чистым природным газом», — заявил «Глобальной энергии» адъюнкт-директор программы «Новые технологии для энергетики» комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии Франции Этьен Бойер. — Если такие процессы, продвигаемые «Газпромом», позволят достичь высокой чистоты, то он сможет открыть новые рынки сбыта. В качестве примера в области мобильности можно привести развертывание крупной системы водородных топливных элементов, способных приводить в движение поезда в неэлектрифицированном районе (вместо использования дизельных тепловозов). Равно как и грузовые корабли, которые в настоящее время используют низкокачественное топливо для своих тепловых двигателей«.
Впрочем, отмечают эксперты, как всякий новый метод, технология пиролиза при производстве водорода требует некоторых технических доработок.
По словам Мильчуса, необходимо провести дополнительные исследования по поиску нового высокоэффективного катализатора для одноступенчатых реакций разложения метана.
Бойер отмечает, что данный метод требует оптимизации затрат на энергоресурсы и изучение возможностей по привлечению к его реализации атомных электростанций или возобновляемых источников энергии.
«Пиролиз или плазмохимический процесс являются энергоемкими, так как они протекают при высокой или очень высокой температуре (т.е. плазме). Кроме того, технология плазменной химии имеет довольно низкий коэффициент преобразования. Таким образом, важным и ключевым условием является наличие низкоуглеродного источника энергии для работы пиролиза и плазменной технологии: атомная энергия или возобновляемые источники энергии», — сказал он.
Эти задачи могут быть решены за счет внедрения комплексных водородных проектов, начиная от развитой системы газопроводов и строительства электростанций до расширения применения водорода в мировой экономике.
Как отметил декан инженерного факультета Имперского колледжа Лондона Найджел Брэндон, водородное топливо может сыграть важную роль в переходе к системе с нулевым выбросом углекислого газа наряду с низкоуглеродной электроэнергией, особенно для секторов с высокими выбросами, таких как промышленность, химическая промышленность и транспортные перевозки на больших расстояниях. Так что масштабное внедрение водородных технологий вряд ли заставит себя ждать.
