Первый элемент

Водородную энергетику рассматривают как неотъемлемый компонент будущей глобальной энергетической корзины. Следующая ступень развития — диверсификация мировой энергетики: уголь, нефть, газ, водород, атом, солнце и ветер. Основные векторы развития использования водородного топлива — транспорт, промышленность, чистая энергетика. По данным Росстата и Росприроднадзора, объем выбросов от передвижных источников составляют около половины всего объема загрязнений, а это больше 15 миллионов тонн вредных веществ. Еще столько же выбросов приходится на энергетику. N + 1 вместе с ГК «Росатом» изучили цепочку следования водорода до конечного потребителя и узнали о проблемах, которые возникают на каждом этапе.

Первостепенная задача

Эксперты из Международного энергетического агентства (МЭА) подсчитали, что добавление всего 20 процентов водорода в европейскую газораспределительную сеть (для использования газо-водородной смеси, в первую очередь, в промышленных целях) приведет к сокращению выбросов CO2 на 60 миллионов тонн в год.

Но переход не обещает быть быстрым. Водородные стратегии уже приняли практически все страны мира: Германия, Голландия, Китай, США, Австралия, Бразилия, ЮАР и другие. Появился общеевропейский документ «Водородная стратегия для климатически-нейтральной Европы». Следование этой стратегии способно серьезно ударить по российскому сырьевому экспорту в страны ЕС. Заинтересован в водородной энергетике Китай (резолюция «Белая книга»). Крупные энергетические компании — англо-голландская Shell, японская Mitsubishi, французская Engie и другие — реализуют локальные и совместные проекты. Центр энергетики Московской школы управления Сколково в июне 2019 года опубликовал обзор «Водородная экономика — путь к низкоуглеродному развитию».

Технологии получения водорода известны с 70-х годов ХХ века. Однако широкого распространения водородная энергетика не получила. Таким образом, всю цепочку массового производства, хранения и транспортировки энергии приходится разрабатывать с нуля. Приоритет — более простым и дешевым методам. Технологии тестируются и совершенствуются в режиме реального времени. Скорее всего, коронавирус и глобальный кризис скажутся на интенсивности водородных проектов, но во многом экономическая ситуация спровоцирована как раз традиционными энергоносителями, и уход в более высокие технологии может стать страховкой от новых потрясений из-за скачков цен на нефть.

I Производство водорода

Водород научились добывать разными способами. Известные технологии получения активно используют предприятия, а новые тестируют научные институты и технологические компании. Водород дифференцируют по цветам в зависимости от метода получения: «серый», «голубой», «зеленый» и т.д.

Паровая конверсия метана

Один из самых распространенных способов получения водорода — отделение метана от углеродной основы в трубчатых печах при внешнем подводе пара. Однако эта технология не экологична, в процессе выделяется углекислый газ, а для производства требуются те же углеводороды. Но так добывают водород в большинстве случаев для промышленных предприятий по производству аммиака и метанола. Водород, полученный таким способом, называют «серым». Если при этом собрали и заново использовали двуокись углерода, то образовавшийся в результате новой реакции водород становится «голубым».

Крупнейшие российские энергетические компании — «Газпром» и «Росатом» — работают над совершенствованием этой технологии. Цель — оставить минимальный углеродный след за счет адиабатической конверсии метана и высокотемпературных атомных реакторов. Технология на стадии научной разработки с тестированием на опытной лабораторной установке.

Газификация угля

Этот метод получения также используется широко для получения водорода. Углерод подвергается окислению. Окислителями выступают кислород, водяной пар диоксид углерода (СО2) или их комбинация. Процесс протекает при высокой температуре, выделяются горючие газы: водород, оксид углерода и метан.

Минус технологии в том, что для выработки экологичного топлива требуется неэкологичное сырье (уголь).

Электролиз

Огромным минусом электролиза является дороговизна производства — которая, впрочем, постепенно снижается. А с учетом «углеродных» квот стоимость кубометра водорода становится еще конкурентнее. Сейчас в подобных опытных установках используют платиновый катализатор, и ученые ищут менее дорогую альтернативу. Среди вариантов — молибден-фосфидный, сплавы кобальта и никеля, платины и кобальта и другие.

Промышленное производство водорода на основе использования возобновляемой энергии разрабатывают в Нидерландах в рамках проекта «Водородная долина». Это так называемый «зеленый» водород.

Эксперты подразделения Госкорпорации «Росэнергоатом» заказали «Всероссийскому научно-исследовательскому институту по эксплуатации атомных электростанций» (ВНИИАЭС) разработать проект по получению промышленного водорода. Идея предусматривает использование электролизеров, которые работают на энергии АЭС. Пилотной площадкой под проект выбрана Кольская АЭС. Полученный водород предполагается вывозить на экспорт в страны ЕС и Японию, а также построить сеть водородных заправочных железнодорожных станций на Сахалине.

Пиролиз метана

Суть технологии: метан под воздействием особых условий и высоких температур разделяется на водород в виде газа и твердый углерод, который не выбрасывается в атмосферу, а используется в дальнейшем в промышленности. Таким образом, пиролиз метана позволяет использовать природный газ без загрязнения атмосферы. В данный момент технология дорабатывается для применения в промышленных масштабах. Одна из точек исследований — проект Технологического института Карлсруэ (KIT) совместно с компанией Wintershall Dea.

Искусственный фотосинтез

Технология предполагает получение водорода с помощью установки, которая использует поглотители света и с помощью катализаторов усиливает эффективность химической комбинации. Под воздействием солнечного света молекулы воды расщепляются, и выделяется водород. Технология апробируется, например, учеными из Брукхевенской национальной лаборатории Министерства энергетики США.

Пиролиз пластиковых отходов, биомассы или биомусора

Технологии на базе пиролиза отходов находятся пока на стадии активной разработки и в небольших лабораторных объемах. Для экспериментов, промышленного внедрения и строительства установок требуется финансовая поддержка проектов как со стороны государства, так и со стороны заинтересованных частных инвесторов — дорогие материалы, дорогие высокотехнологичные установки, дорогие испытания. По данным «Русатом Оверсиз», Toyota, Honda, Daimler, Nissan, GM уже вложили в этот сегмент порядка 365 миллионов долларов, а к 2030 году инвестиции составят уже 10,5 миллиарда долларов.

Впрочем, направление считают перспективным. Так, испанская Repsol и британская Waste2Tricity строят предприятия по получению водорода из переработанного пластика. Первый полученный водород в Чешире предполагается использовать на нужды самого завода, в дальнейшем — наладить поставки по трубопроводу на заправочные станции.

К проблемным местам, кроме финансирования, относится повышенная взрывоопасность. Также важна тут просветительская работа с населением: многие выступают против из-за страха перед техногенной аварией.

II Хранение и транспортировка

Мало выделить водород из метана, воды или пластика — полученный летучий газ необходимо сохранить и затем транспортировать с как можно меньшими издержками и потерями.

Хранят водород в нескольких агрегатных состояниях с применением разных технологий.

В исходном газообразном состоянии предполагается перекачивать водород по трубопроводу. В июле газотранспортные компании ЕС представили план водородных сетей протяженностью 23 тысячи километров. Площадь покрытия сетей согласно проекту — от Дании до Италии и Испании.

В сжатом виде водород сохраняется в баллонах, это известная технология. Основная трудность — в обеспечении высокого давления. Но металлические баллоны с толстыми стенками очень тяжелые и дорогие. В качестве альтернативы ученые рассматривают переход на углеродное волокно.

В сжиженном состоянии газ хранится и транспортируется более компактно. Специалисты по сжижению водорода из южнокорейской компании MetaVista создали водородный топливный бак с рекордной плотностью энергии. Испытания проводились с помощью дрона, который провисел на таком баке в воздухе почти 11 часов. В 2019 году появился прототип бака, в котором водород будет упакован и транспортирован в три раза плотнее по сравнению с сжатым газом.

Таким способом планируется транспортировать водород и в СПГ-танкерах. О планах производить водород в Австралии на местных залежах бурого угля путем газификации объявила Япония. Оставшийся уголь планируется захоронить обратно, а водород доставят в Японию в СПГ-танкерах.

Еще одно направление — хранить водород в твердом виде в составе гидридов разных элементов. Способ не предполагает особых температурных условий или особого давления, а основан на абсорбировании молекул водорода твердым веществом. При этом объем поглощенного водорода в несколько сот раз превышает объем твердого вещества.

Технология пока развита слабо, но одним из перспективных соединений называют борогидрид натрия. Например, в австралийском городке Манилла проводятся такие испытания. Соединение впитывает водород, как губка, а затем с такой же легкостью отдает его. Существующую технологию усовершенствовал профессор Кондо-Франсуа Агуэй-Зинсоу в Школе химического инжиниринга Университета Нового Южного Уэльса (UNSW). Исследования проводятся на базе стартапа H2Store. Транспортировать «твердый» водород можно в стандартных контейнерах.

Для хранения больших объемов водорода — от 50 тысяч до миллиона кубометров — начали использовать подземные газохранилища. Реализуются пилотные проекты по заполнению водородом соляных пещер в ЕС и США. Создатели «Водородной долины» в Нидерландах планируют хранить выработанный водород в таких подземных «аккумуляторах». Пригодные для хранения водорода газохранилища есть и в России.

Кроме хранения, важен вопрос транспортировки, который напрямую зависит от агрегатного состояния водорода. В виде газа — по газопроводу в чистом виде или в виде метано-водородной смеси, в твердом — в контейнерах, в сжатом — в баллонах и под давлением, в сжиженном — в СПГ-танкерах.

Если проект «Росатома» по выработке водорода на базе Кольской АЭС с использованием электролиза окажется успешным, транспортировать водород на Сахалин, а возможно, и на экспорт в страны Азиатско-Тихоокеанского региона, можно будет в танкерах по Северному морскому пути. Это дешевле и быстрее. Строятся новые ледоколы, а значит скоро навигация будет более стабильной круглый год. Крупномасштабное производство предполагается осуществлять с использованием высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР).

Главная проблема хранения и транспортировки водорода в промышленных масштабах — в дороговизне научных испытаний и инфраструктуры. Самые очевидные и доступные на данный момент способы — это транспортировка в виде метано-водородной смеси по действующим трубопроводам или возведение установок по сжижению водорода вблизи производства и далее — перевозка по типу СПГ, но активно развиваются и другие направления. Прежде чем использовать те или иные инновационные методы, сначала оценивают их экономическую выгоду, и наиболее экологичные проекты могут пострадать.

III Сферы применения

Основным катализатором для производства водородного топлива является транспортная сеть и объекты энергетики (особенно там, где традиционные по каким-то причинам невыгодны или нежелательны). Активно водородное топливо применяется в следующих сферах.

Автотранспорт

Самая быстроразвивающаяся «водородная» отрасль. По данным Международного энергетического агентства, на конец 2018 года в мире насчитывалось 11 200 водородных автомобилей, и их продажи в тот год возросли на 80 процентов в сравнении с 2017 годом. Ежегодно спрос растет.

В Германии концерн BMW с 2001 года производит несколько моделей автомобилей на водородном топливе, а сеть заправок — с 2002 года. В Японии, Южной Корее тысячи автомобилей и сотни городских автобусов работают на водородном топливе. Даже в России есть первая экспериментальная водородная заправка при Институте проблем химической физики РАН в Черноголовке Московской области.

Китай продвигается семимильными шагами в своей водородной программе. Уже сейчас в КНР на водород переведено 50 тысяч единиц автотранспорта, включая фуры, в стране более 200 заправок. Но уже в 2026-2035 годы, согласно программе «Белая книга», анонсированной в 2019 году, количество автотранспорта на водороде возрастет до 15 миллионов, а заправок — до 1,5 тысяч. Разумеется, программа была создана до и без учета влияния пандемии и мирового кризиса. Останутся ли цели настолько амбициозными — под вопросом.

Но таких примеров в общемировом масштабе немного. Чисто водородный двигатель — практически безотходный, но сама идея массового использования в настоящий момент утопична. Легче всего пока удается совместить идею гибридного генератора на метане или метаноле или гибрида с бензином. Такой гибрид на электрохимическом генераторе (ЭХГ) используется в некоторых автомобилях Toyota, например, Toyota Mirai, обновленная версия которого выйдет уже в 2020 году.

Железнодорожный транспорт

Железная дорога — один из самых энергоемких видов транспорта, а значит, и один из самых «грязных». Первый поезд на водородных топливных элементах появился в Германии в 2018 году. Годом позже в Великобритании разработали прототип водородного поезда HydroFlex. Новинку показали на выставке Rail Live 2019 и в конце того же года запустили на железные дороги Соединенного Королевства.

Предполагается, что на Сахалине поезда на водородных элементах заменят устаревшие и загрязняющие воздух составы, работающие на мазуте. В истории России это случится впервые. Соглашение о совместной работе РЖД и «Росатом» подписали в 2019 году на V Восточном экономическом форуме. Использование водородного топлива местного производства способно удешевить перевозки.

Генераторы на водороде испытывают и на других видах транспорта: морском и речном, воздушном, городском, производственном. Флагманы разработки водородного транспорта — Германия и Япония.

Энергетика

К водородной энергетике подключились мировые производители энергетического оборудования: Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS), Siemens Energy, Ansaldo Energia и GE Power. Они разрабатывают газовые водородные турбины для массового производства электроэнергии из водорода.

Строятся маломощные водородные электростанции в Китае и Южной Корее. А еще в 2010 году итальянская Enel запустила такой проект стоимостью в 63 миллиона долларов и мощностью 16 мегаватт. Вырабатываемой водородной энергии достаточно для энергоснабжения 20 тысяч частных домов. Этот пригород Венеции перестал выбрасывать в атмосферу до 17 тысяч тонн загрязняющих веществ в год. В 2017 году Enel Green Power Сhile запустила в Чили первую экологически чистую электросеть, которая представляет собой комплекс гибридных накопителей. Это стабильный источник электричества, который питается от солнечных, водородных и литиевых батарей.

Исследования в области водородной энергетики — пример того, как научные сообщества и бизнес объединяются ради достижения цели. Однако есть риск, что многие «пилоты», даже очень успешные на стадии испытаний, могут не выйти на промышленный уровень из-за дороговизны производства и внедрения.

IV Обслуживание и инфраструктура

Недостаточно произвести водород, сделать его удобным для транспортировки и переправить в район потребления. Для создания полноценной водородной экосистемы необходимо выстроить всю инфраструктуру от производства до топливной заправки.

Водородных заправок нужно много, особенно если речь идет о развитии водородного транспорта в России. И если даже появляются экспериментальные станции, то область поездок все равно ограничена.

Но заправки — еще не все. Необходимо развивать качественное техобслуживание автомобилей с водородными и гибридными двигателями, обучать и сертифицировать кадры не только в крупных центрах, но и по всей стране. Обычные «знакомые из гаража», скорее всего, откажутся работать с технологичной моделью после завершения срока гарантии, и в случае поломки клиент останется без автомобиля.

Предстоит огромная работа и с консервативным населением, привыкшим к бензиновым двигателям и даже не рассматривающим варианты. Насколько люди вообще готовы принять водородные двигатели, могут ли позволить себе, даже если захотят — вопрос перетекает в социальную плоскость.

Прекрасное начинание

Безусловно позитивный момент: постепенно люди осознают, что потребительское отношение к природе и халатное к окружающей среде — плохо. Но, поскольку без электроэнергии не обойтись, нужно искать варианты. Концепция «зеленого квадрата» (ветер, солнце, вода и атом), строительство и разработка новых технологий ВИЭ, поддержка объектов альтернативной энергетики бизнесом и частными инвесторами — реализация каждого экологичного проекта сокращает выбросы парниковых газов и загрязняющих веществ.

Но любое начинание, каким бы правильным оно ни было, сталкивается с проблемой финансирования. Проекты зависят от бюджетных ассигнований, которые дополняются вложениями частных компаний и инвесторов. Например, немецкая программа NIP, первый этап которой длился с 2006 по 2016 годы, получила финансирование из бюджета на 700 млн евро, а частных инвестиций — на 4,5 млрд евро. Второй этап NIP-2 продлится до 2025 года, и вложений там еще крупнее.

Пандемия и экономический кризис заставили инвесторов тщательнее выбирать компании для финансирования. Поменять под водородную энергетику текущее законодательство также быстро не получится: сильное нефтяное лобби и консервативность системы могут затянуть рассмотрение законопроектов на долгие годы.

Большой вопрос, готово ли к водородной энергетике человечество. Пока развиваются водородные проекты в развитых странах, а вливания в водородную энергетику исчисляются миллиардами долларов, Индия и страны Африки наращивают добычу угля. Место России в этой парадигме пока не определено. Россия способна войти в число мировых лидеров развития водородных технологий наряду с развитыми странами ЕС, если инновационные проекты «Росатома» поддержат государство и бизнес. Научный руководитель водородного направления в Росатоме, академик Николай Пономарев-Степной считает, что будущее — за атомно-водородной энергетикой, которая обеспечит промышленное производство водорода, ценного и как самостоятельное топливо, и как вспомогательный материал для нужд металлургической, химической, нефтяной и других отраслей промышленности.