Топливо будущего: когда водород заместит «грязные» нефть и газ?

Землян уже восемь миллиардов. С каждым днем людей становится больше, и всем нужны энергоресурсы. Наиболее эффективно их сегодня создает мирный атом. Но постепенно ему на помощь, а возможно, и на смену приходит не менее мирный водород. Раньше им заправляли космические ракеты, а теперь хотят — поезда и автобусы. Рассказываем о перспективах появления нового энергетического уклада.

Экономика будущего должна быть экологичной. Сокращение выброса парниковых газов — один из главных мировых трендов последнего времени, и именно он толкает человечество к повсеместному развитию водородной энергетики. Рынок в этой сфере сейчас только формируется, и большие игроки стремятся занять на нем первые места. 

Первый номер

Водородная энергетика ис­поль­зует в качестве топлива H₂. Ее главное достоинство — экологичность. Первый элемент таблицы Менделеева — самый чис­тый из из­вест­ных хи­мических но­си­те­лей энер­гии, которая генерируется за счет окис­ле­ния во­до­ро­да ки­сло­ро­дом при высоких температурах (около 1000 градусов по Цельсию).

Инфографика: © «Сириус.Журнал»

Сегодня водород в основном получают из полезных ископаемых — метана и угля. Этот способ самый эффективный: энергозатраты небольшие, стоимость вырабатываемого продукта низкая. Но про­цесс сложный: во­до­ро­д нужно очищать от ди­ок­си­да уг­ле­ро­да и не­про­реа­ги­ро­вав­ших при­ме­сей. И, что важно, приходится ути­ли­зировать CO2. В этом технологическом цикле активно применяют атомную энергетику.

«Мы работаем над созданием АЭС с высокотемпературным газовым реактором, которая идеально подходит для производства водорода. Примерно в 2035 году хотим запустить новый блок — это реактор IV поколения с полным циклом производства водорода и утилизации CO2», — рассказал президент компании «Русатом Оверсиз» Евгений Пакерманов.

Другой способ производства H₂ возможен благодаря электролизу воды — это когда жидкость под действием электрического тока разлагается на кислород и водород. Если электричество для этого процесса вырабатывают из возобновляемых источников, такое производство считается безвредным для природы. Когда говорят о водороде как о топливе будущего, имеют в виду именно этот способ его получения. Технология высокозатратна, и на нее приходится лишь несколько процентов от мирового объема выработанного H₂.

Схема получения водорода с помощью электролиза Инфографика: © Альфия Ватаманюк / «Сириус.Журнал»

«Электролизер должен обеспечивать высокую эффективность при низкой стоимости электроэнергии. Атомная электроэнергия на выходе довольно дешевая, поэтому подключение электролизера к АЭС дает относительно дешевый водород. Но он все равно будет дороже того водорода, который получают из метана вместе с водой. А это связано с выделением диоксида углерода», — отметил директор Института нефтехимического синтеза им. Топчиева Антон Максимов.

Главное достоинство электролиза — экологичность. И у России есть наработки в этой области. По словам Евгения Пакерманова, уже созданы опытные электролизные установки, и в этом году, возможно, их начнут использовать в коммерческих целях.

Электролизная установка Фото: © Отраслевое издание госкорпорации «Росатом»

H₂ без ручки

В вопросе транспортировки водород можно сравнить с чемоданом без ручки. Отказываться от него никто не хочет — топливо перспективное, но возить его сложно. Для этого H₂ нужно сжижать, а это нетривиальная задача, ведь приходится остужать его до очень низкой температуры (минус 252,77 градуса по Цельсию — точка кипения). К тому же жидкий водород довольно быстро испаряется из контейнера, что осложняет перевозку. Требуются гер­ме­тич­ные баллоны с эф­фек­тив­ной те­п­ло­изо­ля­ци­ей. У России есть продвинутые наработки в области транспортировки H₂, рассказала эксперт Проектного центра по энергопереходу Сколтеха Ирина Гайда. Но это не крупнотоннажные решения.

«Вызов в том, как выстроить из этого хорошего задела с большими традициями действительно высокотехнологичную экспертную отрасль особенно в ситуации, когда возможностей продемонстрировать живые работающие объекты в мире не очень много. А в России для этого нужен толчок отечественной индустрии, которая сейчас прагматично смотрит на свои экспортные рынки».

Ирина Гайда

С газообразным водородом, с одной стороны, проще — его можно гнать по трубопроводу, но вместе с тем и сложнее — нужна развитая инфраструктурная сеть. 

Ракетное горючее и водоробус

В качестве топлива H₂ применяли еще в конце XIX века в Европе, тогда его использовали в сме­си с ок­си­дом уг­ле­ро­да. В нашей стране первый ав­то­мо­биль­ный дви­га­тель на во­до­ро­де разработали более 80 лет назад — в годы Великой Отечественной войны. В конце 1980-х был ус­пеш­но ис­пы­та­н пер­вый в ми­ре са­мо­лет с ре­ак­тив­ным дви­га­те­лем на жид­ком во­до­ро­де ТУ-155. H₂ ис­поль­зо­вали в ка­чест­ве го­рю­че­го для кос­мических кораблей «Бу­ран», один из которых сегодня находится в «Сириусе» на территории Парка науки и искусства.

Кос­мический корабль «Бу­ран» на территории Парка науки и искусств «Сириус» Фото: © Пресс-служба «Сириуса»

Сегодня больше 90 % водорода в мире потребляют традиционные отрасли — нефтепереработка и химическая промышленность. А в будущем его хотят активно внедрять на транспорте. Наиболее пер­спек­тив­ным ме­тодом применения H₂ считается технология то­п­лив­ных эле­мен­тов, которые вырабатывают энер­гию для элек­тро­дви­га­те­ля. КПД у такого агрегата будет вдвое выше, чем у бензинового, если использовать особо чистый водород (такой дают электролизеры). Машины на H₂-топливе не только эффективнее, но и не за­гряз­няют ат­мо­сфе­ру вы­хло­па­ми.

И здесь на сцену выезжает водоробус. В отличие от электрического собрата, он не перегружает электросеть, а заправиться может всего за 10 минут. Запас хода у H₂-мобиля больше — около 500 км. И, как заявляют в «Росатоме», силовая установка водоробуса вдвое долговечнее, чем у электробуса или обычной бензиновой машины. Проектом интересуются такие крупные производители, как КамАЗ, ГАЗ, Volgabus.

Водородные поезда в России

В течение нескольких лет на Сахалине будет создано крупнотоннажное производство H₂. Пилотный проект нацелен на то, чтобы к 2025-му выйти к показателю в 35 тыс. тонн водорода в год, а к 2030-му — в 100 тыс. тонн. Это позволит не только обеспечить внутреннее потребление острова, но и экспортировать продукт. Энергоресурса хватит и на то, чтобы через пару лет запустить на Сахалине первую в стране водородную железную дорогу. По ней будут ходить семь составов. Производством поездов занимается «Траснмашхолдинг», РЖД обеспечит инфраструктуру, а «Росатом» — топливо.

Coradia iLint — первый в мире поезд, работающий на водородных топливных элементах, был запущен в Германии в 2018 году Фото: © Sander van der Werf / Shutterstock / FOTODOM

Применение H₂ должно быть безопасным. При смешивании водорода с воздухом в достаточной кон­цен­тра­ции (бо­лее 4 % по объ­ему) об­ра­зу­ет­ся го­рю­чая взры­во­опас­ная смесь. Чтобы избежать ее взры­ва или воз­го­ра­ния, используют специальные сис­те­мы до­жи­га­ния — ре­ком­бай­не­ры, ко­то­рые окислением снижают кон­цен­тра­цию H₂

Российский винегрет

К концу этого десятилетия мировой спрос на водород должен вырасти до 130 млн тонн, а к середине века, согласно долгосрочному прогнозу, превысит 600 млн тонн. Бизнес уже начал вкладывать деньги в эту индустрию. В перспективе появится мировой рынок со множеством игроков, которые будут производить оборудование, генерировать H₂, перевозить его и утилизировать CO2

«Сохраняются глобальные планы и по потреблению водорода, и по сокращению выбросов углерода.

Более 50 крупнейших компаний мира объявили свои долгосрочные программы развития водородных технологий

Они выделили бюджеты, они вкладываются в НИОКР (научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы), в развитие производств», — сообщил Евгений Пакерманов.

Россия тоже не собирается стоять в стороне. В 2021 году Правительство страны утвердило Концепцию развития водородной энергетики. В ближайшие 12 лет упор в РФ будут делать на производство H₂ на базе АЭС из природных ископаемых, а также с помощью электролиза (эту технологию будут применять и на атомных, и на гидроэлектростанциях).

Как ученик лицея атомно-водородную генерацию разрабатывал

Читать

«Минпромторг точно будет поддерживать производство электролизеров. Также поможем предприятиям, которые обеспечат хранение разных видов емкостей, разработку отечественных водородных комплексов с максимально возможной локализацией, в том числе производство компрессоров. Водородно-газовые турбины, проекты в области транспорта также поддерживаем, пока до серийного производства не дошло», — рассказал заместитель директора Департамента станкостроения и инвестиционного машиностроения Минпромторга Денис Кляповский.

Власти страны ставят перед собой стратегическую цель — сделать Россию одним из мировых лидеров по производству и экспорту водорода в условиях глобального энергетического перехода. Для этого предстоит не только создавать с нуля инфраструктуру, но и развивать устаревшие технологии. И для этого у страны есть все необходимые ингредиенты, считает Антон Максимов.

«Если нам этот винегрет приготовить правильно — атомная энергия как источник тепла и электричества, окислительные процессы и метан, низкая стоимость выделения и захоронения диоксида углерода (геологических формаций у нас для этого много), то у нас появляется конкурентное преимущество».

Антон Максимов

Согласно Концепции развития водородной энергетики Россия способна обеспечить конкурентоспособную стоимость водорода и в Европе, и в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Потенциальный объем экспорта H₂ из РФ на мировой рынок может дойти до 200 тыс. тонн в следующем году и до 50 млн тонн к середине века. Конечно, многое будет зависеть от темпов развития низкоуглеродной экономики и спроса на новое топливо.

Иностранный водород

К 2050 году почти четверть мировой потребности в энергии будет покрываться за счет водорода, а его цена сравняется со стоимостью природного газа, следует из доклада Bloomberg. 

Эксперты условно делят мир на производителей и потребителей водорода. Главный импортер — Азия. Так, небольшая Япония к концу этого десятилетия планирует потреблять ежегодно до 10 млн тонн H₂. А большому Китаю уже сейчас нужно в три раза больше. Крупнейшая государственная корпорация страны China Energy владеет компанией, которая занимается производством водорода. Сегодня в КНР его вырабатывают в основном из угля (64 %), также используют природный газ и побочные продукты промышленности. На электролиз приходится лишь 2 %. 

«К 2030-му годовая потребность Китая в водороде увеличится до 37 млн тонн. К 2060-му этот показатель вырастет примерно в 3,5 раза», — поделилась планами директор по развитию рынка China Energy Ван Синьин.

На стыке Африки и Ближнего Востока лидером в сфере водородной энергетики намерен стать Египет. К 2040 году эта страна планирует занять до 8 % мирового рынка. Инфраструктуру для новых проектов разместят в районе порта Сохна, на берегу Суэцкого канала. Это место выбрали из-за активного судоходства, чтобы упростить перевозку. Уже достигнуты соглашения с крупными транспортными компаниями. А проблему с транспортировкой в Египте намерены решать, трансформируя водород в аммиак.

Танкер-химовоз проходит через Суэцкий канал. Египет Фото: © andrejs polivanovs / Shutterstock / FOTODOM

«В отличие от водорода, его легче, а главное, экономически выгоднее перевозить на морских судах. К тому же из него можно делать удобрения. А можно трансформировать обратно в водород. Вот почему мы сделали выбор в пользу аммиака», — пояснил президент компании Fleet Energy Ltd Эссам Кафафи.

Правда, проблема с аммиаком как раз заключается в его дальнейшей конвертации. Превратить его потом обратно в чистый водород выйдет в копеечку, подчеркнул Антон Максимов.

«Транспортировка аммиака, естественно, дешевле, чем водорода. Только как потом из него водород получить? Вы там будете иметь те самые три доллара, которые вы раньше имели на сжижении. То есть вы переносите издержки на потребителя. Если он на это согласится, то все хорошо», — отметил он с улыбкой. 

Зарождающаяся водородная энергетика дает России уникальную возможность — ей не нужно никого догонять, ведь все потенциальные игроки формирующегося рынка сегодня в равных условиях. 

«Мы способны создать внутренний спрос и применять эти технологии в России. Если будем двигаться достаточно быстро, а для этого есть нужные компетенции, мы можем не только не отстать, но и стать лидером этого рынка».

Евгений Пакерманов

Оцените статью
Поделись знанием

Рекомендуем

1
Как обучать робототехнике и что для этого нужно #робототехника #Росатом #Университет Сириус 26 марта 2024 13:04
2
«Атомэкспо-2024»: когда состоится зеленый переход на водород #атомэкспо #водород 27 марта 2024 18:18