Подводные камни водородной революции

Категория "Энергетика на возобновляемых источниках" 
в сообществе "Политика, экономика, общество (без банов)" 
 

Всплеск водородного энтузиазма прекрасно вписался в тренд на переход к зелёной энергетике и ожидание тотального энергетического кризиса, провоцируемого бурным развитием энергозатратных технологий, в первую очередь цифровых. Считается, что водород сможет ответить на оба вызова за счёт того, что его эффективность как энергоносителя в разы выше, чем КПД природного газа и каменного угля, а процесс водородной генерации не сопровождается выбросом углекислого газа.

От оптимистических заявлений рябит в глазах. Международная консалтинговая компания Wood Mackenzie объявила 2020-е годы десятилетием водорода. Агентство Bloomberg прогнозирует, что «к 2050 году 24 процента мировых потребностей в энергии будет покрывать водород, а его рыночная стоимость снизится до уровня цен на газ» (прогноз был сделан до резкого роста цен на рынках Азии и Европы осенью 2021 года).

Аналитики Bank of America заявляют, что ёмкость рынка водородного топлива скоро достигнет 11 трлн долларов.

Главные игроки этого рынка – Канада, США, Китай, Южная Корея, Япония и Евросоюз, который полгода назад утвердил свою водородную стратегию и сообщил, что «через 30 лет объём инвестиций в водородную энергетику вырастет до 180–470 млрд евро». Вместе с тем к игре на этом пока ещё не существующем рынке присоединяются другие страны.

Энергетические компании Дании, Италии, Китая и Саудовской Аравии создали в 2021 году международный консорциум Green Hydrogen Catapult для производства зелёного водорода. А Россия уже обзавелась не только Концепцией развития водородной энергетики, но и проектом дорожной карты, нацеленной на увеличение экспортного потенциала российской водородной энергетики.

Минэнерго: громадьё планов и зёрна здравого скептицизма

У российской Концепции развития водородной энергетики, разработанной Минэнерго, есть все атрибуты документов такого типа: обзор состояния отрасли и проблемного поля, стратегические цели и тактические задачи, три этапа работ на 2021–2050 годы, конкретные проекты (три кластера по производству водорода) и контрольные цифры. В целом она выдержана в духе тренда на декарбонизацию: на 23 страницах термин «низкоуглеродные» применительно к источникам энергии, водороду, производству, топливу и экономике встречается 49 раз.

Определённый интерес представляет формулировка стратегических целей развития водородной энергетики: 1) реализация национального потенциала в области производства, экспорта, применения водорода и промышленной продукции для водородной энергетики; 2) вхождение России в число мировых лидеров по их производству и экспорту; 3) обеспечение конкурентоспособности экономики страны в условиях глобального энергетического перехода.

        17 июля 2021 года. Презентация технологий водородного топлива Центра компетенций по технологиям новых и мобильных источников энергии Национальной технологической инициативы в Черноголовке, Московская область.Фото: Михаил Терещенко/ТАСС

Ориентация на внешние факторы отражает стремление сохранить за Россией в ситуации энергоперехода статус энергетической державы и функции энергетического экспортёра. Неслучайно слово «экспорт» дважды упоминается в абзаце, касающемся целей, и 40 раз во всём документе.

При этом в концепции вполне адекватно отражены проблемы, связанные с производством, хранением и транспортировкой водорода, описаны разные подходы к решению этих задач и некоторые подводные камни каждого из них. Более того, авторы документа вполне отдают себе отчёт в том, что при нынешнем уровне развития технологий водородная энергетика находится в зоне риска.

В документе прямо говорится о «высокой степени неопределённости в отношении перспектив развития водородной энергетики», о том, что «в настоящее время глобальный рынок водорода как энергоносителя отсутствует», и его развитие «будет зависеть от темпов развития низкоуглеродной экономики и роста спроса на водород на мировом рынке».

Производство водорода: парадоксы «суммы технологий»

Полный цикл водородной энергетики состоит из четырёх этапов: производство, хранение, транспортировка и использование водорода в качестве энергоносителя. Водород не встречается в природе в чистом виде, потому что является самым лёгким и крайне активным газом, легко вступающим в реакцию с другими химическими элементами. Поэтому его невозможно добывать как природный газ, но нужно производить, используя те или иные технологии.

      3 ноября 2021 года. Принц Уэльский Чарльз (второй справа) и исполнительный директор McLaren Racing Зак Браун (справа) знакомятся с системой производства водородной энергии из кислорода и водорода для питания электрических батарей в Художественной галерее и музее Келвингроув в Глазго, Великобритания.Фото: Chris Jackson/PA/TASS

При использовании водорода как энергоносителя углекислый газ (CO2) не выделяется, но углеродный след может появиться в нём на стадии производства. Эти технологии разбиты на шесть цветовых групп в зависимости от используемого метода и количества углеродных выбросов.

Зелёный и жёлтый водород производится путём электролиза дистиллированной воды с использованием электричества, поступающего от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) или АЭС. Выброс CO2 при этом нулевой.

Для получения бирюзового водорода применяется метод пиролиза (термического разложения) метана, составляющего 90 процентов природного газа. Этот вид водорода считается малоуглеродным, поскольку побочным продуктом при его получении является твёрдый углерод (сажа), не попадающий в атмосферу.

Голубой водород – результат конверсии метана или угля, сопровождающейся существенными выбросами CO2. Эта технология считается среднеуглеродной при условии сбора и захоронения углеродных выбросов.

Серый водород получается при паровой конверсии метана, бурый – при газификации угля. Эти способы являются самыми грязными.

Парадоксальность ситуации состоит в том, что все эти способы получения водорода требуют существенных энергетических затрат. То есть в себестоимость этого «идеального энергоносителя» входит цена расходуемой энергии – чистой, если речь идёт о ВИЭ и АЭС, или грязной, полученной при сжигании угля или природного газа. Дополнительную надбавку даёт использование редких металлов в качестве катализаторов.

В результате чистые технологии, основанные на электролизе дистиллированной воды, оказываются самыми дорогими: себестоимость полученного с их помощью водорода в несколько раз превышает его цену на мировом рынке.

Ещё одна проблема этого метода – огромный расход воды: для производства 1 тонны водорода нужно 9 кубических метров дистиллированной или 18 кубических метров пресной воды. Если учесть, что к 2050 году планируется ежегодно экспортировать 50 млн тонн водорода, речь идёт о 900 млн кубических метров пресной воды. Или о двух Селигерах за три года.

Сегодня доля этой чистой технологии в мировом производстве водорода составляет всего 2 процента. Доля грязных – 98 процентов: 23 процента приходится на уголь и 75 процентов – на газ. То есть самым популярным является серый водород, получаемый в ходе паровой конверсии природного газа, при которой CO2 попадает в окружающую среду.

В итоге получается, что использовать чистые технологии невозможно, потому что они являются слишком дорогими и убивают природу, а для того, чтобы принципам декарбонизации соответствовали грязные, нужно изобретать фильтры или какой-то другой способ улавливания молекул CO2 и решать проблему их захоронения.

Хранение водорода: обременительно во всех отношениях

Для хранения водорода в газообразном состоянии нужны герметичные ёмкости, изготовленные из специальных сплавов. В противном случае он вступит в реакцию с металлом, что приведёт к порче внутренней обшивки, смешиванию с кислородом и взрыву этого гремучего газа, а это выводит на первое место проблему безопасности.

Из-за лёгкости этого газа энергетический потенциал 1 кубического метра водорода в восемь раз меньше, чем у того же объёма природного газа. Это значит, что для получения сравнимого количества энергии объём хранимого водорода должен быть в восемь раз больше, чем объём природного газа, то есть специальные ёмкости для хранения газообразного водорода должны быть очень большими или их должно быть очень много.

Резервуар с водородом на гибридной электростанции Enertrag в Бранденбурге, Германия.

Хранение водорода требует дорогостоящих решений.Фото: Fabian Sommer/dpa/picture-alliance/TASS

Водород можно хранить в сжиженном состоянии, но использование этой технологии связано с затратами, в разы превышающими стоимость производства сжиженного природного газа. Это связано с тем, что для получения жидкого водорода нужна температура ниже минус 252 градусов по Цельсию, а температура сжижения метана, составляющего основу природного газа, равна минус 162 градусам. Использование более низких температур потребует гораздо больших затрат энергии и более сложного оборудования, что скажется на конечной цене.

Есть ещё два способа – связать водород в жидкое или твёрдое соединения. Можно смешать его с азотом и хранить полученный аммиак в канистрах или цистернах, а также использовать сплавы металлов, которые способны поглощать и отдавать при нагревании большие объёмы водорода (это позволит хранить его в твёрдом виде). Но для использования этих технологий в промышленных масштабах тоже необходимы дополнительные энергетические затраты и специальное оборудование.

Доставка водорода: от реальных проблем к театру абсурда

Задача транспортировки водорода напрямую связана с тем, как решается проблема его хранения. Его можно перевозить в виде аммиака или металлических болванок, но этот способ годится лишь для ограниченных объёмов. Организовать перевозку сжиженного водорода, поддерживая температуру ниже минус 252 градусов на протяжении всего маршрута, достаточно сложно и дорого. А возить чистый водород опасно, потому что при малейшей разгерметизации (повреждении обшивки) он может взорваться.

В последнее время стала популярной идея доставки чистого водорода посредством существующей газотранспортной системы (ГТС), но она представляется нереализуемой.

Во-первых, из-за возможных рисков: металл, из которого сделаны трубы, не предназначен для транспортировки водорода; начавшаяся химическая реакция может привести к повреждению трубы, а проникновение воздуха (кислорода) – спровоцировать взрыв.

Во-вторых, потому что водород является лёгким газом, 1 килограмм которого занимает объём, равный 11,2 кубического метра. Поэтому при высокой эффективности на единицу веса энергетическая ценность 1 кубического метра водорода в восемь раз меньше, чем у природного газа. А поскольку существующая ГТС ориентирована на транспортировку газа, для получения такого же количества энергии объём водорода должен быть в восемь раз больше, чем соответствующий объём газа. Чтобы добиться этого, нужно в восемь раз увеличить либо диаметр труб, либо давление, либо и то и другое в отношении Х к Y, где их произведение равно восьми. Менять все трубы очень дорого, менять компрессорные станции по всей сети ещё дороже.

Другой вариант использования ГТС – транспортировка смеси водорода и природного газа. Некоторые европейские страны проводят такие эксперименты с 2018 года, и во Франции при постепенном увеличении доли водорода удалось довести её до 20 процентов. Но здесь тоже возникает проблема безопасности: при смешивании с природным газом способность водорода вступать в химическую реакцию с металлом сохраняется, а это значит, что сохраняется и вероятность взрыва.

        Сентябрь 2020 года. Система труб для смешения водорода и природного газа встроена в систему отопления жилого комплекса в одном из районов Гамбурга, Германия.Фото: Daniel Bockwoldt/dpa/TASS

Кроме того, в конечном пункте нужно организовать извлечение водорода из смеси. То есть получается, что сначала путём паровой конверсии газа (это самый распространённый способ) производится чистый водород, потом его смешивают с тем же газом, гонят по трубам и затем ещё раз отделяют от природного газа. Такая схема не только повышает себестоимость водорода, но и противоречит здравому смыслу. Но это не смущает борцов за сохранение климата и декарбонизацию.

Более того, в последнее время всё чаще звучат предложения специально смешивать водород с природным газом и использовать эту смесь в процессе электрогенерации, с тем чтобы уменьшить углеродный след смеси. Определённая, чисто бухгалтерская логика в таком подходе есть: чем чище конечный продукт, тем меньше неприятностей, связанных с нарушением принципов декарбонизации. Но в целом готовность производить чистый и дорогой продукт для того, чтобы, смешав его с менее чистым топливом, улучшить некие показатели, придуманные демиургами энергетического перехода, выглядит как надругательство над здравым смыслом и указывает на то, что целью суеты вокруг водородной энергетики являются именно эти показатели, а не обещанный энергетический прорыв, и это превращает водородный сюжет в настоящий театр абсурда.

Водородная генерация: миф об эффективности и эффективность мифа

Представление об эффективности водорода как энергоносителя основано на том, что выделяемая им энергия (в расчёте на единицу веса) в два с половиной раза превосходит КПД газа и в четыре – каменного угля. И это при нулевом выбросе CO2, в то время как при переработке газа и угля выделяется соответственно 2,75 и 3 килограмма CO2. На этом преимущества водорода как энергоносителя заканчиваются из-за технической невозможности использовать его несомненные достоинства.

Если сжигать водород в атмосферном воздухе, вместо CO2 высвободится огромное количество оксидов азота, провоцирующих выпадение кислотных осадков, поражение слизистых оболочек организма и развитие заболеваний дыхательной системы. А это значит, что для использования такой технологии нужно создавать мощные фильтры.

Для того чтобы сжигать водород в чистом кислороде, нужно, чтобы вся аппаратура, включая оборудование электростанций, была изготовлена из термоустойчивых сплавов, поскольку температура горения водорода в кислородной среде составляет 2200 градусов, а температура плавления стали – 1500 градусов. Таким образом, оба этих способа требуют серьёзных затрат, повышенных мер безопасности и использования специальных технологий горения, блокирующих возможность взрыва.

При таком раскладе самым перспективным выглядит проверенный временем способ извлечения энергии водорода с помощью твердооксидного топливного элемента. Он основан на реакции окисления и на выходе даёт электричество, тепло и водяной пар. КПД этих установок достигает 60–70 процентов, что на 20 процентов превышает аналогичные показатели тепловых, газотурбинных и атомных электростанций.

Повестка на послезавтра

Общие выводы из всего сказанного выглядят удручающе. Высокая стоимость водорода по сравнению с традиционными видами топлива мешает развитию проектов водородной энергетики. Практически все подходы к решению задач хранения и транспортировки водорода «заминированы» техническими, организационными и финансовыми проблемами. Громко заявленная водородная революция начинает напоминать опереточный мятеж с песнями и плясками во славу декарбонизации.

На этом беспросветном поле выделяется альтернативный взгляд на решение текущих проблем, заключённый в двух предельно простых тезисах: тему хранения и транспортировки водорода необходимо временно закрыть и заняться производством водорода в местах его потребления. Под этим предложением подписались генеральный директор ООО «Газпром водород» Константин Романов и некоторые аналитики энергетического рынка.

Советник генерального директора ООО «Газпром экспорт» Андрей Конопляник дополнил эти тезисы уточнением, касающимся способа производства водорода. По его мнению, нужно переходить на технологию пиролиза, относительно простую в реализации, не требующую никаких дополнительных действий и нейтральную с точки зрения углеродного следа: конечными продуктами являются чистый водород и сажа (связанный CO2), которую можно использовать в производстве автомобильных шин.

          Среди физиков, занимающихся вопросами геоэнергетики, бытует мнение, что переход на водород – это «удар по основам нашей цивилизации».Фото: Frank Rumpenhorst/dpa/picture-alliance/TASS

Вместе с тем крайне жёсткую позицию по отношению к водородному хеппенингу занял физик, много лет занимающийся проблемами геоэнергетики, идеолог проекта «Геоэнергетика» Борис Марцинкевич: «Глобальный переход на водород – это убийство природы и рост себестоимости электроэнергии в 60–70 раз со всеми вытекающими последствиями для промышленности, сельского хозяйства и транспорта,это удар по основам нашей цивилизации».

Что касается информационного шума, в котором слились обещания снизить цену на водород до 2 долларов, предложения Минэкономразвития открыть независимым производителям водорода доступ к ГТС «Газпрома», чтобы они могли подмешивать туда свой газ, и разрешить строительство водородных объектов рядом с магистральными газопроводами, в том числе в охранных зонах, и многое другое, – всё это не про водородную энергетику и технологии, а про деньги, лоббизм и коррупцию.

Вера Зелендинова