Водородная энергетика и водородная экономика

Перспективы водорода как альтернативного источника энергии

В мировой альтернативной энергетике появилось новое, чрезвычайно перспективное направление — использование в качестве энергоносителя водорода, получаемого в электролизерах, питаемых ветряными или солнечными установками. Водород обладает потенциалом для замены природного газа в промышленности и энергетике, на нем может работать наземный, воздушный и морской транспорт. И, самое главное, в процессе его сжигания не образуется парникового углекислого газа. В Евросоюзе и ряде стран мира разработаны и утверждены "водородные стратегии". Правда, их воплощение в жизнь может столкнуться с некоторыми препятствиями.

Виктор ТАРНАВСКИЙ

Волшебный газ

Борьба с глобальным потеплением идет ни шатко ни валко — это вынуждены признавать даже самые убежденные представители климатического лобби. Сокращение выбросов углекислого газа в мировом масштабе происходит только в силу падения экономики, а капиталовложения в альтернативную энергетику ветра и солнца не так велики, как хотелось бы . И, самое ужасное, в большинстве стран мира продолжают использовать уголь, нефть и природный газ, а также атомную энергию, которая хотя и безуглеродная, но все равно "неправильная".

Одна из основных причин такого удручающего развития событий заключается в том, что солнечная и ветряная энергетика не совместима с современной высокоразвитой экономикой. Прерывистая децентрализованная генерация, которой практически невозможно управлять, требует либо наличия значительных резервных мощностей, способных сглаживать колебания (причем, что наиболее обидно, газовых), либо "умных" электросетей гигантских масштабов, способных управлять потоками электроэнергии в пределах целых континентов.

Конечно, проблему может решить массовое использование устройств по "хранению" электроэнергии, которые бы запасали ее, когда она в избытке, и расходовали во время дефицитов. Вот только очень уж дороги "мегабатарейки" и низковатый у них к.п.д. А требуется их в тысячи раз больше, чем имеется сегодня в наличии.

Однако где-то в середине-конце 2019 г. появилось новое решение, которое способно не только придать устойчивость возобновляемой энергетике, но и кардинально потеснить углеводородные энергоносители практически во всех сферах применения, включая промышленность и транспорт. Оно заключается в том, чтобы превращать прерывистую ветряную и солнечную энергию в устойчивый и надежный энергоноситель — водород!

Идея, лежащая в основе этой концепции, очень проста. Солнечные и ветряные станции питают электролизеры, в которых обычная морская или озерная вода разлагается на кислород и водород. Первый уходит в атмосферу, а второй улавливается и используется. Причем производство водорода может осуществляться в любом режиме, с какими угодно пиками и провалами, соответствующими силе ветра или интенсивности светового потока. За счет этого устраняется главный недостаток альтернативной энергетики — прерывистая генерация.

Сферы применения у полученного таким образом водорода могут быть очень широкими. Он может сжигаться в топках заводов и электростанций в смеси с природным газом или самостоятельно. При этом водород является лучшим в мире энергоносителем: его теплота сгорания более чем в 2.5 раза выше, чем у метана, из которого, в основном, состоит природный газ. Водород — хороший восстановитель, поэтому он может заменять природный газ в некоторых технологических процессах, например, в металлургии. Водородные топливные элементы могут устанавливаться на автомобили, заменяя в них топливные баки, на самолеты и морские суда. А при сжигании водорода образуется водяной пар, а не ужасный углекислый газ.

Правда, водяной пар тоже создает парниковый эффект, и очень активно, но его доля в атмосфере составляет порядка 0.3% — в 10 раз больше, чем у диоксида углерода. Поэтому влияние от сжигания миллионов тонн водорода на земной климат представляется минимальным.

В общем, с какой стороны не посмотреть, прямо волшебный газ! Не удивительно, что в западных странах очень заинтересовались широким внедрением водородных технологий в целях борьбы с глобальным потеплением. Уже в июне 2020 г. "водородная стратегия", рассчитанная до 2030 г., была утверждена в Германии. А в июле аналогичный документ с горизонтом до 2040 г. был принят Европейской комиссией.

Суть этих стратегий заключается в том, чтобы развивать и продвигать производство и потребление не просто водорода, а водорода "зеленого", полученного с использованием возобновляемой энергии. Вообще-то, этого газа в мире и сейчас получают в объеме порядка 70 млн т в год. Он задействован, в основном, в производстве аммиака, который, в свою очередь, является сырьем для минеральных азотных удобрений и еще достаточно большого количества разнообразных веществ, включая взрывчатку. Применяется водород и на нефтеперерабатывающих заводах. Там с его помощью удаляют из нефти и нефтепродуктов вредные примеси серы.

Однако все это — "неправильный" водород, потому как получают его методом разложения природного газа при высоких температурах ("голубой" водород) либо в ходе газификации угля ("серый" водород). Оба процесса сопровождаются выбросами углекислого газа. В принципе, "водородные" стратегии этих проверенных технологий не отвергают, но тратить энергию на то, чтобы произвести водород из природного газа, а затем сжигать сам водород, чтобы получить энергию, — это какой-то мазохизм. Не проще было бы обойтись без промежуточного этапа?

Поэтому немецкая и европейская стратегии ставят во главу угла получение именно "зеленого" водорода. С этой целью в Германии к 2030 г. должны быть установлены электролизеры совокупной установленной мощностью 5 ГВт, на которых планируется получать порядка 330-335 тыс т водорода в год. В странах ЕС в целом планируется довести совокупную мощность электролизеров до 40 ГВт, а объем производства "зеленого" водорода — до 4.4 млн т в год. Еще 3 млн т в год планируется импортировать, причем в качестве одного из потенциальных поставщиков называется Украина. Кроме того, в 2040 г. в ЕС, как ожидается, будет производиться 9,5 млн т "голубого"исерого" водорода, но все установки по его получению должны быть снабжены устройствами по улавливанию и захоронению углекислого газа.

Всего, согласно стратегии, в 2040 г. объем потребления водорода достигнет в ЕС 16.9 млн т в год. Из них 9.1 млн т придется на традиционные сферы использования в химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Порядка 2.5 млн т в год будут заменять природный газ в производственных процессах. Так, например, немецкая корпорация Thyssenkrupp и шведская SSAB уже запустили пилотные проекты в сфере "водородной металлургии", а еще несколько европейских компаний собираются присоединиться к ним в ближайшем будущем. Еще 1.8 млн т водорода в год использует транспортный сектор — в основном, автомобили на топливных элементах. Наконец 3.5 млн т пойдут в энергетику и коммунальное хозяйство. Там водород, возможно, в смеси с природным газом, будет сжигаться в топках котельных и парогазовых энергоблоков для покрытия пикового энергопотребления.

В общем, согласно евростратегии, водород к 2040 г. сможет заменить в Европе порядка 15 млн т или около 20.7 млрд куб м природного газа, т.е. около 4.5% от его регионального потребления в 2019 г., а также несколько миллионов тонн нефтепродуктов. Честно говоря, это очень скромно. А вот Bloomberg New Energy Finance утверждает, что водороду под силу обеспечить 24% мировых потребностей в энергии и за счет этого снизить выбросы углекислого газа на 34% по сравнению с 2019 г. и тем самым предотвратить глобальное потепление!

Гладко было на бумаге...

Одним словом, прямо идеальный газ — этот водород! Впору думать о том, как организовать в Украине его производство, используя стремительно развивающуюся в стране альтернативную энергетику или, на худой конец, атомные станции (получаемый с их помощью так называемый "желтый" водород — не совсем правильный, с точки зрения Еврокомиссии, но тоже сойдет). А отправлять его в Европу можно будет по той же трубе, что и природный газ, и в смеси с ним.

Собственно говоря, поставки водорода в Германию по "Северным потокам" уже предложил не кто иной, как "Газпром". При этом российские специалисты заявили, что разработали новую технологию разложения метана, при которой вообще не образуется природный газ — только чистый как слеза водород и мелкодисперсный углерод, то есть сажа.

Но, увы, на пути к блистательной и климатически правильной водородной энергетике стоит такой презренный элемент как деньги. Сегодня стоимость обычного "синего" водорода, получаемого из метана, составляет порядка $2000 за т, что соответствует примерно $15 за 1 млн БТЕ. Чтобы получить за те же деньги такое же количество энергии, но посредством сжигания природного газа, стоимость последнего должна достигать около $425 за 1 тыс куб м.

"Зеленый" водород, источником которого являются электролизеры на солнечной или ветряной энергии, несколько дороже. В странах с наилучшими условиями по ветру и солнцу его стоимость приближается к $3000 за т, а в Евросоюзе может достигать от $4500 до более $5500 за т. При нынешних ценах, это примерно в 12-15 раз больше, чем у природного газа на европейском спотовом рынке.

Bloomberg NEF в своем исследовании утверждает, что технический прогресс и экономия на масштабах позволит снизить стоимость "зеленого" водорода в западных странах, Китае и Индии до около $15 за 1 млн БТЕ к 2030 г. и $7.5 за 1 млн БТЕ к 2050 г. Правда, при этом представители той же организации предостерегают европейцев, чтобы они ни в коем случае не отдавали рынок электролизеров китайцам, как это уже случилось с солнечными панелями. А в способность западных компаний так же живо сбавлять себестоимость, как это делают китайские конкуренты, как-то не верится.

Но даже при условии снижения цен на "зеленый" водород в 3-5.5 раз по сравнению с текущим уровнем, для того чтобы он смог заместить природный газ, нужно радикально повысить плату за выбросы углекислого газа. По расчетам Bloomberg NEF, чтобы водород стал конкурентоспособным в металлургической отрасли, сборы в 2050 г. должны составлять порядка $50 за т, в цементной — $60 за т, а в химической промышленности — $78 за т. Сегодня эмиссия тонны углекислого газа обходится европейским компаниям чуть дороже $30.

Впрочем, все это не идет ни в какое сравнение с предполагаемыми затратами на создание собственно водородной энергетики. В отчете Bloomberg NEF указывается, что для покрытия 24% глобальных потребностей в энергии нужно ежегодно производить почти 700 млн т водорода, а объем инвестиций в создание отрасли такого масштаба оценивается в $11 трлн за 30 лет. Из них больше половины придется потратить на создание возобновляемых мощностей, которые будут подавать энергию на электролизеры чудовищной совокупной мощностью — более 6300 ГВт. По подсчетам Bloomberg, ежегодно для производства "зеленого" водорода понадобится около 30 тыс ТВтч электроэнергии, что почти в 1.5 раза превышает ее объем выработки во всем мире в настоящее время.

В намного более скромной по масштабам европейской "водородной стратегии" предполагается, что строительство 40 ГВт электролизеров до 2030 г. обойдется в EUR60 млрд, а ветряных и солнечных станций для их снабжения электроэнергией — в EUR160 млрд. Около EUR90 млрд потребуется для создания рынка сбыта для поставщиков водорода, т. е. для перевода на этот газ технологических процессов, строительство сети водородных заправочных станций для автотранспорта, мощностей по изготовлению непосредственно топливных элементов и др.

Еще EUR120 млрд понадобится для создания сети хранилищ водорода и трубопроводов для его транспортировки. По оценкам 11 европейских операторов газовых сетей, параллельно имеющимся газопроводам, по которым предполагается подавать смесь из водорода и природного газа, надо строить новые, чисто водородные. Их протяженность должна составить 6.8 тыс км к 2030 г. и 23 тыс км к 2040 г.

Таким образом, чтобы заместить менее 5% потребления природного газа в Европе, надо будет потратить в общей сложности EUR430 млрд, из них, по расчетам Европейской комиссии, EUR145 млрд придется на гранты и субсидии. Как признают европейские специалисты, в нынешних условиях водород, особенно "зеленый" водород, категорически неконкурентоспособен в качестве источника энергии. И нужно потратить очень много сил и очень- очень много денег, чтобы создать условия для расширения его производства и потребления в надежде получить хоть какой-то эффект экономии на масштабах.

Отдельный вопрос — обеспечение электролизеров энергией. Немецкая "водородная стратегия" указывает, что при увеличении потребления водорода к 2030 г. примерно на 1.15-1.4 млн т в год, национальная энергетика собственными силами сможет покрыть не более трети от этих дополнительных потребностей. Причем для этого необходимо, чтобы ежегодно в стране вводилось в строй 5.3 ГВт установленных мощностей ветряных станций и 7.2 ГВт солнечных. Это в 2-3 раза превышает показатели 2019 г. И как этого добиться, учитывая, что в Германии и так установлено почти 30 тыс ветряков, и больше их лепить просто некуда, — вопрос очень интересный.

Наконец, есть и чисто техническая проблема, обусловленная некоторыми свойствами водорода. Атом этого газа состоит только из одного протона и одного электрона. Поэтому молекулы H2 могут просачиваться через любую преграду. А попутно они еще и металл, с которым соприкасаются, делают хрупким. В Нидерландах проводятся весьма успешные опыты по хранению водорода в соляных кавернах, но их на всех не напасешься. Поэтому хранение водорода и его передача на мало-мальски значимое расстояние представляют собой непростую задачу.

Вот и выходит, что нынешняя мода на водород представляет собой лишь очередное климатическое извращение, мало применимое в реальной жизни. Но, судя по тому, что Европейская комиссия и правительства ряда стран готовы выделять немалые деньги на строительство "водородных замков" (в одной только Германии правительство уже заложило в бюджет EUR7 млрд только на строительство электролизеров и EUR5 млрд на гранты), это направление будет интенсивно развиваться и пропагандироваться.

Водородные планы Украины

Петр БИЛЯН

Модные европейские веяния не обошли стороной и Украину. В начале июля Европейский Союз принял две стратегии — интеграция энергосистем и внедрение возобновляемого водорода. Европейцы планируют сокращать количество углеродных выбросов и в итоге лет через 30 полностью отказаться от ископаемых источников топлива. Цели конечно глобальные, удастся ли их достичь — еще тот вопрос, но заявление комиссара ЕС по энергетике Кадри Симсона о том, что все партнеры ЕС, в частности, те, кто поставляет в ЕС ископаемые энергоносители, должны иметь в виду стратегию, направленную на постепенный вывод из потребления ископаемого топлива, демонстрируют серьезность намерений.

Слишком большое значение придается водородной стратегии в Европе. Прогнозируется, что общий объем инвестиций в водородную энергетику в ЕС к 2050 г. может составить от EUR180 млрд до EUR 470 млрд. Понятное дело, что в Украине на уровне правительства уже заявили о большом интересе к развитию "водородного" сотрудничества с Европой. Исполняющая обязанности министра энергетики Ольга Буславец даже озвучила идею построить в Украине завод по производству водорода, дабы затем поставлять его на европейский рынок. Заодно будет чем загрузить газотранспортную систему. Дело это конечно непростое, без особой подготовки за него не возьмешься.

И вот 6 августа Региональная газовая компания (РГК) провела первые в Украине испытания транспортировки водорода по газораспределительной системе.

На специально подготовленном полигоне в Черняхове (Житомирская область) прошли статические испытания газовых систем, при которой была достигнута 99% концентрация водорода. Полученные в ходе эксперимента данные позволят специалистам и научному сообществу оценить совместимость действующих газопроводных систем с новыми видами энергии.

"Нынешняя повестка дня в европейской энергетике — подготовка национальных энергосистем к новым,"зеленым", чистым видам энергии. Речь в первую очередь о водороде, который является перспективным энергоносителем. Подготовка газораспределительных систем к новым видам энергии - это стратегия, а не краткосрочные решения. РГК с начала года ведет системную подготовку полигонов и наших специалистов к испытаниям новых видов энергии. Поэтому сегодняшний эксперимент является частью комплексной программы испытаний", — подчеркнул директор РГК Олег Никоноров.

Правда, стоит отметить, что европейцы делают ставку на использование так называемого "зелёного" водорода, произведенного при помощи электроэнергии из возобновляемых источников. Пока при испытаниях в Черняхове использовался обычный, "голубой" водород. Впрочем, пока это всего лишь эксперименты, а учитывая бурное развитие в Украине "зеленой" энергетики и за экологически чистым водородом тоже дело не встанет, главное, были б деньги на реализацию экологических проектов.

Пока же, следующие этапы исследовательской программы РГК предусматривают статические и динамические испытания водорода и его смесей с природным газом на еще четырех специально подготовленных полигонах в Волынской, Днепропетровской, Ивано-Франковской и Харьковской областях.

Стоит отметить, что для испытаний водородом газовая система полигона в Черняхове была реконструирована специалистами АО "Житомиргаз" таким образом, чтобы по составу оборудования, подборке материалов и степени их износа она стала моделью действующей газораспределительной системы Украины. Получилась своеобразная модель ГТС Украины, позволяющая смоделировать реакцию системы на работу с водородом.

В процессе эксперимента системы полигона были прокачаны инертным газом, а затем заполнены водородом, концентрация которого была доведена до 99%. "Герметичность системы мы контролируем датчиками давления в ключевых местах по установленному графику с архивацией показателей. Высокая концентрация водорода в системе позволяет получить уникальную информацию о поведении различных материалов газопроводов и оборудования. Для анализа данных мы заручились поддержкой ведущих исследовательских центров", — отмечает технический директор "Житомиргаза" Сергей Колесник.

Следующие этапы исследовательской программы РГК предусматривают статические и динамические испытания водорода и его смесей с природным газом на еще четырех специально подготовленных полигонах в Волынской, Днепропетровской, Ивано-Франковской и Харьковской областях.

Пока эксперимент РГК куда более напоминает научный эксперимент, чем бизнес модель, но, как говорится лиха беда начало. "Исследования покажут, как ведет себя металл. Посмотрим на результаты, на утечки. Будем анализировать разные смеси, от 5% до 50%. Затем проведём динамические испытания. Нужно понять, как ведут себя счетчики, мембраны, уплотнители. Все это пока большая серия экспериментов", — говорит доктор технических наук Леонид Униговский, гендиректор ООО "Нефтегазстройинформатика". Впрочем, спрос на водород, в качестве экологически чистого источника энергии, со стороны такого мощного и платежеспособного игрока как ЕС, придает исследованиям коммерческий интерес. Во всяком случае, на перспективу.

Copyright © ЦОИ «Энергобизнес», 1997-2020. Все права защищены
расширенный поиск
Close

← Выберите раздел издания

Искать варианты слов
 dt    dt