Чистая энергия

На сегодняшний день более 20 стран мира имеют собственные стратегии, которые предусматривают развитие инфраструктуры водородной энергетики, создание новых технологий и увеличение доли чистой энергии в экономике. В каких сферах применим водород и какие проблемы предстоит решить научному сообществу и бизнесу — читайте в материале.

Водород как альтернативный источник энергии — это не новомодная история. Первые опыты европейские ученые проводили в XIX веке, причем еще в начале столетия артиллерист и изобретатель Исаак де Риваз придумал подобие двигателя внутреннего сгорания (ДВС), который мог работать на смеси кислорода и водорода. Всерьез изучал использование водорода и знаменитый граф Цеппелин — создатель дирижаб­лей. Именно благодаря этому газу огромные аэростаты могли подниматься в воздух и совершать перелеты на большие расстояния.

Долгое время автомобильная и авиа­ционная отрасли были главным полигоном, на котором изобретатели тестировали водородные технологии. В 20–40-е годы прошлого века ученые ведущих стран, в том числе России, создали серьезную теоретическую и практическую базу, однако дальнейшим разработкам помешала Вторая мировая война. Впрочем, даже в это время талантливые люди находили возможности. Например, в блокадном Ленинграде техник Борис Шелищ смог перевести автомобильные двигатели грузовиков с бензина на водородное топливо, изъятое из сдувшихся заградительных аэростатов.

После войны интерес к водороду ненадолго угас, но в 70-е ученые вновь всерьез взялись за создание опытных образцов ДВС для автомобилей и аэрокосмической промышленности. В СССР перспективу водорода рассматривали всерьез, и в конце 80-х Минавтопром даже принял решение выпустить 200 микроавтобусов на водородном ДВС, но планам было не суждено сбыться из-за политических событий.

В XXI веке о водородной энергетике уже заговорили в первую очередь с точки зрения экологии. Мировое сообщество задумалось над альтернативой углеводородному топливу. Изначально предполагалось, что заменой могут стать возобновляемые источники энергии (ВИЭ), однако практика показала, что мощностей не хватит. Ветряные станции и солнечные панели не дают столько энергии, сколько нужно для обеспечения работы производств или городского хозяйства, к тому же для них слишком велико влияние фактора сезонности. Водород же представляет собой универсальный вид энергии: сопоставимый по энергоемкости с традиционным топливом, при этом более экологичный, может использоваться в качестве вспомогательного вещества в промышленности. Но пока водород не в состоянии полностью заменить традиционную энергетику — несмотря на 150 лет исследований, специалистам еще не удалось решить многие проблемы.

Взрывной и дорогой

На сегодняшний день в мире производится около 70 млн тонн водорода в чистом виде, также 30 млн тонн в смешанных газах. Он исполь­зуется для различных процессов — например, для получения удобрений, при производстве стали, в гидро­очистке и регенерации катализаторов. Встречаются отдельные проекты в виде автозаправочных станций городского транспорта, однако это лишь наброски будущего, в котором водород будет играть ключевую роль в промышленности.

В первую очередь это энергетика, в ней водород должен стать частью новой системы наравне с ВИЭ. Также это автомобильная отрасль, где водородное топливо признано хорошей альтернативой для легкового и грузового транспорта.

Все эти планы пока неосуществимы во всеобщем масштабе из-за нерешенных проблем, главная из которых — соотношение экологичности производства водорода, рентабельности и энергоэффективности.

В чистом виде водород в природе не встречается, получить его можно с помощью парового риформинга или газификации угля — сегодня такими методами производится 78% всего промышленного водорода. Еще 21% добывается в качестве побочного продукта на нефте- и газоперерабатывающих заводах или в процессе производства хлора. Главный минус этих методов — в высоком уровне выбросов СО₂, соизмеримом с выбросами традиционных углеводородов. Современные технологии позволяют проводить разделение смеси диоксида углерода и водорода, а затем производить улавливание и хранение СО₂ (так называемые технологии carbon capture and storage, или CCS).

Экологичные способы производства водорода базируются на методах электролиза с низкоуглеродной электроэнергией, пиролиза метана, но и здесь издержки пока слишком высоки. Также вызывает вопросы эффективность: энергозатраты на производство одного кубометра зеленого — самого чистого — водорода составляют примерно 3,8 кВт•ч, а при сжигании он отдает всего 3 кВт•ч (и это без затрат на очистку воды для производства водорода).

Энергозатраты на производство одного кубометра зеленого водорода составляют примерно 3,8 кВт•ч

Еще одна болевая точка — перевозка и хранение водорода, здесь отрасль испытывает серьезный дефицит недорогих технологий, а также проблемы с безопасностью. Дело в том, что водород чрезвычайно взрывоопасен, легко диффундирует в металле и внедряется в структуру в том числе высокопрочных сталей. Так, в 2019 году случилась авария на водородной заправке в Норвегии — мощный взрыв повредил около полутысячи автомобилей. К счастью, обошлось без жертв.

Из-за этих особенностей водорода его, как правило, производят там, где планируют использовать, при этом критики водородного лобби отмечают, что такое свойство делает водород непригодным для ЖКХ или личного транспорта.

Водород бежит по проводам

Несмотря на очевидные проблемы, эксперты считают целесообразным использовать водород для декарбонизации промышленности и в качестве альтернативного топлива для некоторых видов транспорта. Современные технологии транспортировки применяются уже несколько десятилетий, но масштабирование рынка требует новых решений, с помощью которых можно было бы транспортировать большие объемы на дальние расстояния.

Ученые придумали несколько различных способов перевозки и хранения водорода, однако у каждого из них есть изъяны: либо большие потери водорода при конверсии и реконверсии, либо низкий уровень безопасности, либо отсутствие промышленных технологий.

На сегодняшний день наиболее оптимальным решением считается транс­портировка водорода по имеющимся газопроводам. В таком случае водород в чистом виде или в смеси с природным газом перекачивается по назначению, но здесь снова встает вопрос цены — для этого способа потребуется установка дорогостоящего оборудования конечным потребителям.

Хотя, как мы уже отмечали, водород взрывоопасен, городские газопроводы, в которых содержание водорода доходило до 55%, эксплуатируются с 1830 года. Поэтому, например, специалисты за рубежом предложили к 2040 году создать инфраструктуру газопроводов протяженностью около 40 тысяч километров: 69% сети будут переоборудованы из действующих газопроводов, еще 31% — построен с нуля.

Влияние водорода на стали способно вызвать их охрупчивание и растрескивание

Правда, построение такой инфраструктуры, да и вообще любой другой сети для водорода, требует дополнительных исследований материалов труб, поскольку газ очень чувствителен к геологическим условиям. Влия­ние водорода на стали способно вызвать их охрупчивание и растрескивание, поэтому предстоит провести всесторонние исследования, чтобы подобрать наиболее правильные характеристики металла.

Дело осложняется тем, что формирование водородной отрасли находится в самом начале пути, поэтому в России нет нормативной базы для оценки охрупчивания и растрескивания материала, а также рекомендаций к его подбору. В мировой практике стандартов тоже не так много, и в своих поисках специалисты из ТМК опираются на зарубежную практику и нормативную базу. Сейчас ТМК и профильный комитет правительства ведут работу над созданием отечественных стандартов. Предполагается, что в 2023 году они могут быть уже утверждены.

В России на сегодняшний день водородная отрасль развивается по собственной стратегии

Четыре пути

В России на настоящий момент водородная отрасль развивается по собственной стратегии. В августе 2021 года правительство утвердило «Концепцию развития водородной энергетики». Она предполагает, что отечественный водород будет обеспечивать как внутренний, так и внешний рынки. При этом водород должен cпособствовать декарбонизации промышленности и транспорта, а также помогать в развитии робототехники. В концепцию заложены четыре сценария, которые предполагают различную интенсивность роста отрасли — от базового сценария с минимальными значениями по экспорту и внутреннему использованию до оптимистичного, с высоким уровнем развитости российского рынка и активным экспортом.

Основным сырьем станет природный газ, с помощью паровой конверсии в сочетании с процессом CCS или пиролиза метана из него будет вырабатываться низкоуглеродный водород. Также предполагается использовать электролиз воды и энергию АЭС, ГЭС и ВИЭ. Главным образом водород будет идти на экспорт, однако планируется и рост внутреннего потребления: создание образцов автобусов и грузовых автомобилей; постройка водородных накопителей ­энергии для локальных систем, прежде всего в Арктике; разработка проектов в сфере ЖКХ для подтверждения ­безопасности и эффективности водородной энергетики. В концепцию входят десятки различных проектов, планируется создать водородные кластеры на Ямале, Сахалине, а также в Мурманской области и Восточной Сибири. Пока что практически все проекты находятся на стадии разработки технико-экономического обоснования. Задача металлургической отрасли и ТМК в частности — быть в полной мере готовыми к масштабным поставкам продукции для этих проектов, когда они вступят в стадию реализации.