Водород в деле

Комаров С.М.
(«ХиЖ», 2021, №7)

История водородной энергетики в России сложна и запутанна. По свидетельству лиц, причастных к ней, всплески интереса к теме следуют с периодом примерно 15 лет, после чего интерес быстро падает и начинается период забвения. Действительно, последнюю общенациональную программу в 2004 году предлагала компания «Норильский никель», а ее итоги мы подвели в 2007-м (см. «Химию и жизнь», 2004, 1; 2007, 7).


pic_2021_07_24.jpg


Как только интерес к водородной энергетике начинает расти, проходит инвентаризация сделанного: инженеры достают с полок отчеты о проделанных работах, о придуманных конструкциях и технологиях, дорабатывают их в соответствии с новыми условиями. Порой дело доходит до создания опытных образцов, иногда удается запустить и промышленное оборудование для снабжения водородом какого-то предприятия. Но массово внедрить элементы водородной энергетики в народное хозяйство не удалось ни разу. По окончании всплеска большинство доработанных проектов занимают свое место на полке.

Сейчас мы вступили в очередной цикл подъема: в стране принят план развития водородной энергетики до 2024 года, и этому направлению придан самый высший приоритет в области государственных инвестиций и мер поддержки. Видимо, в этот раз водородная энергетика действительно сможет преодолеть барьер и стать важной отраслью хозяйства. К этому подталкивают не внутренние причины, не идеи мечтателей, а борьба входящих в ЕС богатейших стран мира за энергетическую независимость, здоровый воздух, ну и за торможение климатической катастрофы.


Зеленая сделка ЕС

Все началось в конце 2019 года, когда к власти в этом межгосударственном объединении пришел новый состав Европарламента. По согласованию с ним, как и положено, сформировали исполнительный орган — Еврокомиссию (ЕК) во главе с немкой Урсулой фон дер Ляйнен. И уже в конце декабря она огласила европейскую Зеленую сделку, или Зеленый пакт, European Green Deal.

Эта сделка декларирует, что учитывает мнение жителей стран Евросоюза о том, каким должно быть будущее, а именно — безоблачным в прямом смысле: атмосферу планеты необходимо очистить от излишков парниковых газов. Действительно, к этому призывали многочисленные марши, демонстрации, другие акции зеленых, что предшествовали выборам. Квинтэссенцией таких акций стал феномен Греты Тунберг с ее тезисом: «Вы своим бездействием отобрали мое детство, заставив думать о климатической катастрофе».

Суть плана по созданию безоблачного будущего состоит в том, чтобы к 2050 году сделать ЕС углерод-нейтральным и где добрым примером, где политическим давлением подтолкнуть к достижению схожей цели все страны мира. Промежуточная цель, поставленная в документе, к 2030 году снизить выбросы на 40% по сравнению с уровнем 1990 года. Однако спустя год, осенью 2020-го, эту цель под влиянием общественности пересмотрели и планку подняли до 55%, а депутаты Европарламента требовали вообще 60%.

Цель должна быть достигнута не только отказом от углеводородного топлива, предложены и дополнительные меры. Это переход к циркулярной экономике, то есть к максимальному использованию вторсырья и бережному обращению с ресурсами, качественные изменения в строительной отрасли, а также сохранение биоразнообразия, отказ от одноразового пластика, непримиримая борьба с мелким пластиковым мусором, снижение загрязнения атмосферы вредными для здоровья веществами и полная перестройка сельского хозяйства, ведь оно дает до трети выбросов парниковых газов, а также всей системы распределения питания:  соответствующая программа романтически называется «От фермы до вилки». На все в бюджете ЕС заложены огромные суммы — сотни миллиардов евро в год, поэтому вполне вероятно, что эти планы, которые кажутся фантазиями футуристов, будут претворены в жизнь.

Эпидемия КОВИД-19 отнюдь не разрушила Зеленую сделку ЕС. Наоборот, в директивных документах ЕК 2021 года прямо указано: выход из кризиса дает прекрасный шанс для развития принципиально иной экономики и мы таким шансом непременно воспользуемся. Так, в июне 2021 года были собраны планы местных правительств по преодолению экономических последствий ковидного кризиса и выполнению Зеленой сделки. Эти планы подвергли строгой ревизии, и все попытки схитрить, отказаться, ссылаясь на тяжелые обстоятельства, от повышенных обязательств по сокращению выбросов парниковых газов были решительно пресечены.

Главным приоритетом при распределении союзных денег на восстановление экономики стали проекты, действующие в рамках сделки, остальные будут профинансированы по остаточному принципу и порой в довольно странной форме. Так, угольщикам Польши, Испании, Северной Македонии денег дадут не на модернизацию шахт, а на освоение бывшими шахтерами новых специальностей: к 2038 году ЕС должен быть в целом свободным от использования угля, который еще на несколько лет задержится в Польше, Чехии, Словакии. А потом останутся лишь Румыния, Болгария и Хорватия, которые пока планов борьбы с углем не представили.

ЕК во главе с Урсулой фон дер Ляйнен надеется не только добиться сокращения выбросов парниковых газов, но и отвязать рост благосостояния от роста потребления ресурсов, получить гибкую экономику, создать новые отрасли с перспективными рабочими местами для граждан стран — членов ЕС и обеспечить энергетический переход. Причем во всем мире. Все-таки страны ЕС отнюдь не главные загрязнители атмосферы, со своими 5,5 гигатоннами СО2 в год они на втором месте после КНР (10,2 Гт). Далее следуют США (5,3 Гт), Индия (2,6 Гт), РФ (1,7 Гт). А мир в целом выбросил в 2019 году 36,4 Гт. Как нетрудно видеть, даже 100%-ное сокращения выбросов в ЕС позволит избавить атмосферу планеты лишь от седьмой части выбросов парниковых газов, но лиха беда начало.


pic_2021_07_25.jpg

Согласно мечтам еврочиновников, в водород станут закачивать энергию солнца и ветра, а затем расходовать этот энергоноситель по мере надобности. Так решат две проблемы энергетической трансформации: колебания мощности солнце- и ветроэлектростанций и замены ископаемого топлива на альтернативу, которая ничем не загрязняет атмосферу


Евроводород

Водородная энергетика занимает важное место в выполнении планов по борьбе с углекислым драконом. В самом деле, если электричество можно генерировать с помощью безуглеродных источников, то с безуглеродным топливом и сырьем для химической и металлургической промышленности имеются очевидные трудности. Здесь-то и пригодится водород в качестве переносчика зеленой электроэнергии. Его можно заправлять в топливный бак автомобиля, и тот станет при движении выдавать не букет вредных продуктов горения бензина, а чистую воду; им можно одновременно отапливать дом и получать для него электричество с помощью высокотемпературного топливного элемента. Металлурги заменят им уголь в качестве восстановителя, а химики, используя в смеси с атмосферным углекислым газом, откажутся от ископаемого углеводородного сырья.

Конечно, есть и альтернативы. Так, в качестве энергоносителя можно выбрать твердый алюминий, обращаться с которым несравнимо проще, чем с газообразным водородом (см. «Химию и жизнь», 2008, 3), или сжиженный воздух (см. «Химию и жизнь», 2017, 3), который хотя бы не взрывоопасен. Однако стараниями экспертов, консультирующих лидеров ЕС, цивилизация, видимо, пойдет по пути безальтернативного использования именно водорода для этих нужд.

Каков же этот путь? Сейчас водород раскрасили чуть ли не во все цвета радуги. Есть зеленый водород — его получают электролизом воды, а электричество берут из возобновляемых источников: солнце, воздух, вода, тепло Земли. Это самый-самый чистый водород. Правда, он и самый дорогой. За ним следует бирюзовый водород — его получают пиролизом метана, а образующийся твердый углерод, сажу, собирают и как-то утилизируют. Имеется и голубой водород — его делают паровой конверсией метана, а образующийся углекислый газ как-то собирают и куда-то девают, что сделать труднее, нежели закопать сажу. Если не собирать — выйдет серый водород. Есть желтый водород — его получают благодаря энергии АЭС: хоть тут и нет выбросов углекислого газа, а цена электричества очень невелика, видимо, в угоду борцам с мирным атомом, такой водород не удостоился титула «самый-самый». Имеется еще бурый водород — сырьем для него служат продукты газификации угля, подвергнутого остракизму всем цивилизованным сообществом. По мере увеличения степени «зелености» растет и цена водорода.

В ЕС конечно же ориентируются на использование зеленого водорода. Однако для этого нужно создавать дорогостоящие производственные мощности, фактически с нуля организовать электролизную промышленность. Так, в 2024 году в ЕС должно быть установлено 6 ГВт электролизных мощностей, и они станут выдавать 1 млн тонн водорода. С чем это можно сравнить? Например, установленная мощность всех АЭС РФ составляет 30 ГВт. Спустя шесть лет мощность электролизеров достигнет 40 ГВт, половина в ЕС, половина вне, и они станут выдавать до 10 млн тонн водорода в год. При этом затраты ЕС только на строительство электролизеров в 2024 году составят 5—9 млрд евро, а в 2030 — 26—44 млрд евро. К 2050 году водород вытеснит ископаемое топливо оттуда, откуда его не вытеснило зеленое электричество.

Этот процесс будет идти параллельно с другим, не менее сложным: создание массовых потребителей водорода в промышленности и в домашнем хозяйстве, на транспорте, а также построение системы его доставки и распределения. Этим будет заниматься специально созданный Европейский альянс по чистому водороду, ныне объединяющий усилия 500 компаний. Предполагается, что к 2024 году альянс объединит 1000 компаний, занятых в этих секторах, а к 2030-му — 2000 компаний. И они, на принципе частно-государственного партнерства, станут шаг за шагом выстраивать совершенно новую, водородную, реальность региона. А также, набравшись опыта и решимости, — и всего мира. В результате такой многомиллиардной деятельности к 2024 году удастся избежать выброса 9 Мт СО2, а в 2030-м — 90 Мт СО2, вообще-то довольно скромно по сравнению с общим объемом выбросов; даже если брать в расчет только вклад стран ЕС, выходит чуть более 1,5%, это не считая того, сколько углекислого газа будет выброшено при создании и эксплуатации электролизеров.


pic_2021_07_26.jpg

Кое-где в ФРГ уже есть солнечные установки, которые превращают солнечный свет в водород, и тот потом в топливном элементе превращают в свет и тепло



Наша доля

Вся эта деятельность весьма неприятна и для владельцев отечественных месторождений ископаемых углеводородов и для страны в целом. Ведь вся Зеленая сделка ЕС направлена именно на отказ от импорта этих углеводородов и на создание рабочих мест на территории стран ЕС, повышение благосостояния и здоровья именно их граждан. По мере ее реализации поставки энергоносителей из РФ будут падать. Это не только убытки. Это еще и разрушение десятилетиями создававшихся торгово-промышленных связей. Фактически это обособление экономик ЕС и РФ друг от друга. А чем меньше связей между странами и населяющими их людьми, тем выше вероятность конфликтов и больше их разрушительная сила.

Чтобы сгладить этот негативный эффект, РФ должна органично войти в Зеленную сделку, то есть развивать свои водородные проекты, причем не на уровне мелких улучшений опытных установок, а на крупном промышленным уровне. Цель — обеспечить заметные поставки на формирующийся рынок как самого водорода, так и технологий его получения и использования. Благо они в той или иной мере имеются.

Хорошую подборку того, что планируется делать в стране в ближайшее время, подготовили аналитики компании «Vostock Capital» в преддверии международной выставки «Водород Росси и СНГ — 2021», которая пройдет в Москве 20—21 октября 2021 года. Из этих данных следует, что у нас есть несколько интересных для инвесторов проектов, исследовательских и промышленных.

Так, в Черноголовке на базе Института проблем химической физики РАН будет создан Научно-технический центр водородной энергетики. Его организаторы — Российская академия наук и АФК «Система». Предполагается, что Центр будет не только проводить исследования, но и отлаживать технологии на опытно-конструкторских установках, которые обретут шанс на внедрение в промышленность. На восточном конце страны, в Южно-Сахалинске, на базе Сахалинского государственного университета при помощи РАН создадут Центр компетенций по водородной энергетике.

Вообще, Сахалинская область может стать первым российским регионом, у которого не будет антропогенных выбросов углекислого газа. Для этого на острове планируют сформировать водородный кластер, который объединит технологические разработки, производство и использование нового энергоносителя. Водород будут получать как из метана, так и электролизом, благо на острове имеются избыточные энергетические мощности. Основным массовым потребителем, видимо, станет железнодорожный транспорт: на Сахалине предполагается создать полигон для испытания водородных поездов и затем распространить их по всему острову. Значительная часть низкоуглеродного водорода также отправится на экспорт в Японию.

Соответствующие планы были объявлены весной 2021 года. Создание островной водородной инфраструктуры и обеспечение ее развития взяла на себя корпорация «Росатом». Предполагается, что поначалу объем производства водорода составит 30—100 тыс. тонн в год. Вообще, «Росатом» активно сотрудничает с другой госкорпорацией, РЖД, в деле оснащения железной дороги водородом. Так что отрабатываемая на Сахалине технология, в случае ее успеха, будет потом распространена по всей стране.

У отечественных атомщиков есть и планы, напрямую связанные с их основной деятельностью. Так, в 2022 году планируется запустить пилотный проект по электролизному производству водорода на Кольской АЭС. Поначалу на водород отведут 1,5 МВт мощности, а к 2030 году нарастят до 500 МВт, что дает около 230 тыс. тонн водорода в год. Этого количества хватит для снабжения зеленым топливом общественного транспорта в крупных городах страны, что, несомненно, улучшит качество воздуха в них. Выигрыш еще и в том, что Кольскую АЭС удастся загрузить на полную мощность не только в час пик, как это происходит сейчас: у нее как раз простаивает мощность в 500 МВт.

В 2018 году в «Росатоме» стали задумываться о создании специальной атомной электротехнологической станции, АЭТС, для производства желто-голубого водорода за счет паровой конверсии метана. Газы, поступающие в химический реактор, будут нагреваться за счет охлаждения атомного реактора, и химический процесс окажется очень экономным. По оценкам, для создания первой станции такого типа потребуется 275 млрд рублей, а построить ее можно уже к 2030 году. Если считать, что РФ должна сохранить свои 10% мирового рынка энергоносителей, то для производства водорода таким способом нужно построить АЭТС той же суммарной мощности, что все ныне действующие АЭС страны, то есть выдающих 215 ГВт·ч энергии в год.

Совершено фантастический проект — использовать морской прилив для производства зеленого водорода. В Пенжинской губе, где Камчатка соприкасается с материком, самые высокие приливы на Земле: за сутки там проходит 500 кубических километров воды. В этой губе можно построить колоссальную станцию, способную в год вырабатывать 100 ГВт·ч электричества. До сих пор подобную стройку сдерживало отсутствие потребителей такого огромного потока энергии. Создание электролизного производства водорода, где готовый продукт сжижают и разливают по танкерам, позволило бы использовать этот огромный ресурс экологически чистой энергии.

Однако тут есть очевидные технические трудности, связанные с нерешенными проблемами транспортировки больших количеств водорода на дальние расстояния. В прошлый пик мирового интереса к водородной энергетике исландцы мечтали стать главными поставщиками водорода, выработанного благодаря их запасам геотермальной энергии, но что-то с этим не сложилось.

Над более приземленным, но реальным проектом работает «Газпром» с немецкими партнерами из компании «Wintershall»; это завод по производству бирюзового водорода в ФРГ, на окончании газопровода «Северный поток-2». Более того, для развития собственных технологий водородной энергетики «Газпром» создал отдельную компанию. В будущем не исключено, что часть мощностей этого газопровода удастся переориентировать на прокачку водорода, произведенного в РФ.

Как видно, пока что в этой деятельности все-таки больше протоколов о намерениях. Реальные же установки, строительство которых запланировано, дадут лишь сотни тысяч тонн водорода в год, ничтожно мало по сравнению с десятками миллионов тонн, которые собираются получать в ЕС. Надеюсь, что усилия руководства страны, воплощенные в план развития водородной энергетики, смогут сделать этот вклад несколько более весомым.


pic_2021_07_27.jpg

Водородный поезд, испытания которого должны начаться на Сахалине в 2023 году, сделают на базе рельсового автобуса "Орлан", который сейчас ездит на дизеле. Этот поезд станет одним из немногих реальных проектов по внедрению водородной энергетики в нашу повседневную жизнь



Автор признателен компании «Vostock Capital» за предоставленный доклад о крупнейших инвестиционных проектах водородной энергетики России


123

Разные разности

20.11.2022 17:30:00

Исследователи из Университета Тренто в Италии проанализировали, как хранение в прозрачных бутылках влияет на концентрацию летучих веществ, из которых складывается аромат белого вина.

>>
14.11.2022 15:30:00

…порошок безопасного трехкомпонентного сплава Nd2Fe14B при внесении в горелку дает фонтан длинных искр, каждая из которых со временем становится ярче и порождает пучки новых искр…

…приматологи получили первые свидетельства длительных социальных отношений между шимпанзе и гориллами в дикой природе

…низкие концентрации хлорида цетилпиридиния, входящего в состав некоторых ополаскивателей для рта, уничтожают вирус SARS-CoV-2, разрушая его липидную мембрану


>>
10.11.2022 14:00:00

Можно ли что-то противопоставить засухе и защитить посевы? Неожиданное решение придумали ученые из Института физико-химических исследований в Японии. Они предлагают добавлять в почву этиловый спирт.

>>
08.11.2022 15:30:00

Менделеев считал, что углеводороды образуются в мантии Земли из неорганического углерода и водорода на сверхбольших глубинах. С начала ХХI века в разных лабораториях мира физики проводят эксперименты, подтверждающие эту идею.

>>
02.11.2022 12:00:00

Однажды на мероприятии в Белом доме директор компании Goya Foods хвалебно отозвался о президенте Дональде Трампе, после чего в соцсетях сразу появились призывы объявить этой фирме бойкот. Эту историю, которая описывается научным понятием «политический консьюмеризм», исследовали ученые из Школы прикладной экономики и менеджмента Корнеллского университета.

>>