Энергетика 2.0 и «Водородная долина» России

Предыдущая моя статья об использовании водорода в качестве топлива будущего была написана два года назад. Многие в комментариях тогда скептически отнеслись к моим прогнозам. Одни шутили, мол, всё это научная фантастика, несбыточное «прекрасное далёко». Другие пугали катастрофой американского дирижабля «Гинденбург», произошедшей в мае 1937 года.

Но после трагедии на авиабазе Лейкхерст прошло уже более 80 лет. Изменились технологии и материалы, на порядок повысился уровень безопасности применения водорода. Каждый из нас хоть раз проехался в маршрутном автобусе на газе. Некоторые переоборудовали своё авто, поставив газовые баллоны. И все живы.

Действительно, в чём-то скептики оказались правы, так как существующая монополия углеводородного топлива, видимо, до последнего времени блокировала все водородные проекты. Но мир не стоит на месте. И мои прогнозы по водородной энергетике начали сбываться, обретая реальные очертания. А конфликт интересов углеводородной монополии с водородным топливом сегодня исчерпан.

За последние 15–20 лет мировой рынок водорода вырос с 40 миллионов до 12 миллиардов долларов США. По прогнозам Bank of America отрасль водородного топлива скоро выйдет на рынок стоимостью 11 триллионов долларов. Ключевые страны-игроки этого рынка: Канада, США, Китай, ЕС, Япония, Корея.

В 2020 году, несмотря на пандемию коронавируса, целый ряд стран объявил о своих планах декарбонизации или «нулевого выброса» в атмосферу углекислого газа до 2050 года. В их планах – отказ от использования угля, нефти и газа, тогда как водород – это реально альтернативное топливо для достижения 100 % отсутствия углерода.

Оказалось, что сократить выбросы на 80 % сложно, но можно. А вот значительная дороговизна ликвидации оставшихся 20 % стала тем самым «камнем преткновения» всех программ декарбонизации.

Международная консалтинговая компания Wood Mackenzie, занимающаяся глобальными исследованиями в энергетике, объявила 2020-е «десятилетием водорода». А Европа в июле прошлого года приняла «Водородную стратегию ЕС». Так называемая «Инициатива 2х40 ГВт» от ассоциации «Водородная Европа». К 2030 году они планируют развертывание 40-гигаваттных электролизеров, производящих «зеленый» водород, и еще столько же водорода хотят экспортировать из соседних стран. Австралия, Япония, Китай, Канада и несколько штатов США тоже заявили о стратегии использования водорода в качестве топлива с нулевым выбросом.

Страны-лидеры производства водорода обещают в течение шести лет нарастить его производство в 50 раз.

Недавно созданный международный консорциум энергогигантов Green Hydrogen Catapult тоже планирует к 2026 году создать 25-гигаваттное производство «зеленого» водорода, одновременно снижая его стоимость до 2 долларов за килограмм. Участниками консорциума стали компания IPP ACWA Power из Саудовской Аравии, разработчик морских ветроэнергетоустановок Orsted, китайский производитель ветряных турбин Envision и итальянская газовая компания Snam.

Из доклада Bloomberg «Перспективы водородной экономики»:


Другими словами – потребление водорода будет расти пропорционально снижению стоимости его производства.

«Водородная долина»

Наша страна тоже не осталась в стороне от мировых трендов.

В 2015 году Россия «вступила в игру», подписав рамочную конвенцию ООН, предполагающую кратное сокращение выбросов углерода при производстве электроэнергии на ближайшее десятилетие. Летом прошлого года Председатель Правительства РФ Михаил Мишустин утвердил «Энергетическую стратегию Российской Федерации до 2035 года», в которой отдельным пунктом прописана Водородная энергетика.

Задачи стратегии –


Планируется, что Россия в 2024 году будет экспортировать около 200 тыс. тонн водорода, а к 2035 году в 10 раз больше – порядка 2 млн тонн.
Вот так вот, ни много ни мало, а комплексное развитие водородной энергетики и вхождение страны в число мировых лидеров по его производству и экспорту, что в десятилетнем горизонте может составлять 10–15% мирового рынка водорода.

А вот «дорожная карта» плана развития водородной энергетики в России:

- В конце 2020 года разработана концепция развития водородной энергетики, а также меры поддержки для пилотных проектов по производству водорода.

- В начале 2021 года должны появиться стимулы для экспортеров и покупателей водорода на внутреннем рынке.

- Первыми производителями водорода станут «Газпром» и «Росатом». Компании запустят пилотные водородные установки в 2024 году – на атомных электростанциях, объектах добычи газа и предприятиях по переработке сырья.

- В 2021 году «Газпром» должен разработать и испытать газовую турбину на метано-водородном топливе.

- До 2024 года «Газпром» будет изучать применение водорода и метано-водородного топлива в газовых установках (газотурбинных двигателях, газовых бойлерах и т.д.) и в качестве моторного топлива в разных видах транспорта.

- «Росатом» в 2024 году построит опытный полигон для железнодорожного транспорта на водороде. Речь идет о переводе поездов на водородные топливные элементы на Сахалине, о котором в 2019 году объявили РЖД, «Росатом» и «Трансмашхолдинг».


В ноябре 2020 года был создан российский консорциум «Технологическая водородная долина», который будет проводить исследования и разрабатывать водородные технологии. В созданный консорциум вошли: Томский политехнический университет, Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет. Но к ним позже смогут присоединиться другие вузы и академические институты.

А вот и заказчики – российские компании, делающие ставку на водородную энергетику: «Газпром», «Гапромнефть», «СИБУР», «РЖД», «Северсталь», «Росатом», «НОВАТЭК». Скажем прямо, у нашей страны есть хорошая «фора» в виде собственных разработок и генерации водорода на АЭС, что позволяет нам нарастить производство водорода практически сразу.

Но, как говорится, есть некоторые нюансы…

Производство водорода

По способу производства водород принято разделять по цветам:

«Зеленый» водород (безуглеродный) – электролиз с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ);

«Желтый» водород (безуглеродный) – электролиз с использованием атомных электростанций (АЭС);

«Бирюзовый» водород (малоуглеродный) – пиролиз природного газа (метана);

«Голубой» водород (среднеуглеродный) – паровая конверсия метана (ПКМ) или угля с утилизацией CO2(CCS -и технология улавливания и захоронения углерода);

«Серый» водород (высокоуглеродный) – паровая конверсия метана с выбросом CO2;

«Бурый» водород (высокоуглеродный) – газификация или паровая конверсия угля.

Основные способы получения водорода и энергозатраты на его производство показаны на этом рисунке.


Обратите внимание на каталитическое разложение метана в присутствии катализатора (нижняя строчка). Преимущество этого метода в отсутствии СО2 и СО в продуктах реакции, а также в образовании ценного продукта – нановолокнистого углерода (НВУ), применяемого сегодня во многих отраслях промышленности. Сейчас наши учёные работают над улучшением характеристик материалов, используемых в каталитических мембранных реакторах (КМР), отделяющих водород из газовых сред.

Мне даже попался экзотический способ получения «зеленого» водорода (в КМР) из сероводорода на дне Черного моря, где его потенциальные запасы могут достигать 3 млрд тонн.

Имеет место и технология двухстадийного получения «бурого» водорода.

I стадия – получение синтез-газа из нефтеотходов, жидких горючих отходов, твердых коммунальных отходов, биомассы, низкосортных и высокозольных углей, торфа, сланцев и др. ископаемых топлив.

II стадия – использование синтез-газа для получения тепла, электроэнергии, выделение водорода (в КМР).

В нашей стране были разработаны структурированные катализаторы, макеты реформеров и топливных процессоров для получения водорода и водородсодержащих смесей из различных жидких (дизель, биодизель, бензин, метанол, этанол и др.) и газообразных (метан, пропан-бутан, диметиловый эфир) видов топлива.

Так, например, в Китае промышленными масштабами «бурый» водород добывают из низкосортного угля и горючих сланцев. Но из-за этого сильно страдает экология и загрязняется атмосфера.

Метод электролиза

Электролиз воды – самый экологически чистый метод получения «зеленого» водорода, но пока и самый дорогой в мире. Стоимость выпуска электролизом PEM водорода для Европы оценивается в 3,93 евро за 1 кг.

В России для электролиза водорода идеально подходят мощности недозагруженных ГЭС, ВЭС или АЭС. Наличие такой присоединенной нагрузки как электролизное производство водорода очень выгодно для АЭС, так как обеспечивает работу станции на постоянном уровне мощности, сглаживая «синусоиду» нагрузки в периоды низкой загруженности.

В планах стратегии развития нашей атомной энергетики до 2050 года – производство 50 млн тонн водорода в год, что составляет 10 % его мирового потребления.

Идеальный вариант для пилотного проекта ГК «Росатом» – Кольская АЭС.


Энергозатраты на производство «желтого» водорода электролизным способом на АЭС составляют 6 кВт*ч на 1 куб. м водорода. Производительность до 83000 куб. м/ч водорода. Стоимость полученного водорода – 3 доллара за 1 кг. Правда, ещё под вопросом транспортировка водорода в Европу, да и генерируемый таким образом «желтый» водород может не пройти сертификацию в качестве «возобновляемого», что так важно для рынка ЕС.

Также «Росатом» организует «западный» и «восточный» водородный кластеры, чтобы обеспечить водородом внутренний и экспортные рынки Европы и Азии. Сейчас «Росатом» работает над технико-экономическим обоснованием двух перспективных проектов. Это запуск водородных поездов на Сахалине и экспорт российского водорода в Японию.

Надо признать, что электролиз пока ещё не способен обеспечить экономически выгодное производство водорода в требуемых объёмах. Сейчас во всём мире крупнотоннажное производство водорода осуществляется из природного газа по технологии паровой конверсии метана (ПКМ). Правда, при этом сжигается почти половина исходного газа, а в окружающую среду выбрасываются продукты сжигания. Зато газовики счастливы, их продукт востребован, из него можно получать недорогой «серый» водород и выгодно продавать его в больших объёмах.

Но если в технологии паровой конверсии метана (ПКМ) использовать тепло от высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (ВТГР) или высокотемпературной газоохлаждаемой ториевой реакторной установки (ВГТРУ), то получаем отличный тандем по производству электроэнергии и «голубого» водорода. При этом экономится природный газ, электроэнергия и нет вредных выбросов в окружающую среду.

По этой схеме может быть разработана перспективная атомная энерготехнологическая станция (АЭТС), которая обеспечит масштабное производство экологически чистого «желтого» и дешевого «голубого» водорода, близкого по цене к стоимости природного газа. Так, только один модуль ВТГР с тепловой мощностью 200 МВт может обеспечить производство около 100 тысяч тонн водорода в год.

Хранение и транспортировка водорода

Из-за высокой «текучести» водорода его очень сложно транспортировать на большие расстояния, как, например, сжиженный природный газ (СПГ).

Проблема с перевозкой жидкого водорода в том, что молекулы вещества настолько малы, что могут просачиваться сквозь атомарную структуру металлического контейнера при температуре выше -253°C. Поддерживать такую температуру в большом объёме длительное время очень энергозатратно. Но есть ещё одна проблема – водородное охрупчивание и разрушение металлов под воздействием атомарного водорода. Ему подвержены даже высокопрочные стали, а также сплавы титана и никеля.

Сегодня хранить водород в больших объемах экономически невыгодно. Учёные ещё только разрабатывают эффективные и безопасные методы его хранения. Поэтому водород резоннее производить прямо на месте, а хранить только 10 % от потребляемого объёма, что означает непрерывный цикл его производства и потребления.


Не стоит забывать и о том, что даже в небольших пропорциях с кислородом образуется взрывоопасный «гремучий газ». Но этот эффект тоже можно купировать в метан-водородной смеси (МВС), которая остаётся безопасной даже с 30 % концентрацией водорода в ней.

Водород будет производиться из метана (или МВС) по запатентованной «Газпромом» технологии адиабатической конверсии метана (АКМ). Можно предположить, что доставку водорода в Европу планируется осуществлять таким способом и для этого срочно достраивается трубопровод «Северный Поток-2». Германия заинтересована в этом больше всех европейских стран, так как представила свою водородную доктрину, обязывающую страну полностью перейти на водород к 2050 году. СМИ пишут, что «Газпром» даже предложил принимающей стороне построить крупный завод по производству водорода в районе выхода на берег строящегося газопровода и даже обратный реверс СО2 из Германии.

Для транспортировки водорода в перспективе можно использовать жидкие обратимо гидрирующиеся органические соединения (LOHC), метанол, аммиак. Но про этом возникают такие проблемы, как токсичность «ароматов» и очень жесткие условия для обратной реакции.

Нашими учёными также разработаны ещё более эффективные способы хранения водорода. За основу взята уникальная способность твердых обратимо гидрирующихся металлов и сплавов на основе LaNi5 удерживать водород в своей структуре, причем плотность упаковки его атомов выше плотности атомов в жидком водороде.

Этот способ называется «интерметаллидное» хранение водорода. Уже изготовлены и испытаны интерметаллидные накопители (ИМН), доказавшие свою эффективность и надёжность. Для извлечения водорода из такого компактного хранилища потребителю останется просто его нагреть.

В заключении хочу вам представить ещё одну уникальную технологию нанокапиллярного хранения и транспортировки водорода (CNT), в основе которой заложен принцип разбиения структуры хранилища на миллионы независимых капилляров – микрообъёмов, или так называемая поликапиллярная матрица. Такие аккумуляторы водорода будут обладать рядом преимуществ: малый вес, компактность и взрывобезопасность.

Топливный элемент и водородный двигатель

Основным преобразователем водорода в электрическую энергию остается твердооксидный топливный элемент (ТТЭ). Это устройство преобразует химическую энергию топлива (водорода) непосредственно в электрическую путем окисления кислорода без его сжигания.

Внутри ТТЭ молекулы водорода вступают в химическую реакцию с ионами кислорода, а на выходе получается электричество, тепло и водяной пар. Топливные элементы могут работать с различным углеводородным топливом: водородом, а также с метаном, бутаном или синтез-газом. Их электрический КПД достигает 60 %, а в перспективе 80 %, в то время как у тепловых, газотурбинных или атомных электростанций КПД порядка 40 %.


БТЭ-84 создан на основе твердополимерных топливных элементов, работает на синтез-газе (водороде) и воздухе с минимальным избыточным давлением – 0,004 кг/кв. см, номинальная мощность 6,5 кВт, диапазон напряжения 40–80 В, ток нагрузки 0–160А, рабочая температура +60 ºC, количество ТЭ – 84, масса – 72 кг.

Водород по энергетической эффективности в 3–4 раза превосходит традиционное топливо и впервые в качестве топлива для ДВС был применен в 1806 году. В СССР во время войны в блокадном Ленинграде водород тоже использовали на транспорте из-за нехватки бензина.

Разрабатываемый современный водородный роторно-поршневой двигатель (РПД) как таковой планируется устанавливать на электромобили в основном для увеличения их пробега. А в газотурбинных двигателях для разных видов транспорта применение водорода и метано-водородного топлива до 2024 года должен протестировать «Газпром».

Водородный бум

И на десерт представляю короткую подборку мировых новостей по водородной тематике.

Канада, вырабатывая приблизительно 3 млн тонн водорода в год, уже сегодня входит в десятку крупнейших производителей водорода, обеспечивая растущий спрос на рынке.

США ведут разработку крупнейшего в мире водородно-электрического карьерного самосвала, класса UFCEV.


Автомобильный концерн General Motors объявил, что к 2035 году собирается стать углеродно-нейтральным. А это означает не только отказ от автомобилей с ДВС, но и что все заводы автогиганта будут использовать только возобновляемые источники «зеленой» энергии.

Япония ещё в 2019 году заключила соглашение по импорту водорода из России, а также с ОАО «РЖД», АО «Трансмашхолдинг» и областными властями о запуске железнодорожного транспорта на Сахалине с применением поездов на водородных топливных элементах. Япония собирается запретить к 2035 году продажу машин с ДВС. В Фукусиме в 2020 году открылся крупнейший в мире завод на солнечной энергии по производству водорода, способный заправлять до 560 автомобилей на топливных элементах в день.

Уже сегодня в стране работают 100 водородных заправочных станций, а к 2030 году планируется построить ещё 900. Компания Kawasaki спустила на воду первый в мире корабль для перевозки жидкого водорода. В сентябре 2020 года японский консорциум NYK Line, объявил о планах разработки туристического катера на топливных элементах на 100 пассажиров.

Корея. Hyundai Motor собирается поставлять водородные электромобили на российский рынок и ведет переговоры с «Росатомом» о создании соответствующей инфраструктуры.


Судостроительная компания Samsung Heavy Industries и Bloom Energy объявили о разработке кораблей на базе масштабируемых твердооксидных топливных элементов (SOFC).

Китай выпустил свой первый водородный автомобиль Grove Obsidian с запасом хода на 1 000 км. В конце 2020 года в Китае было около 6 165 автомобилей FCEV. В планах увеличить к 2025 году количество таких авто до 50 000, а к 2030 году – до 1 млн. В планах строительство 350 водородных заправочных станций к 2025 году и 1 000 заправок к 2030 году.


Австралия планирует производство аммиака (транспортировка водорода), работающее от солнечной и ветровой энергии мощностью 1,5 ГВт.

Саудовская Аравия. Компания ACWA Power совместно с американской Air Products планирует строительство завода по производству «зеленого» водорода и аммиака мощностью 4 ГВт.

Британия запретит автомобили с ДВС в 2030 году, а к 2050 году планирует перейти на полностью «безуглеродную» энергетику. Компания Shearwater Energy работает над гибридной электростанцией в Северном Уэльсе, которая будет сочетать в себе ветровую установку, американский модульный атомный реактор NuScale и производство водорода.

Норвегия планирует строительство завода по производству водорода в Гейрангер-фьорде, для заправки паромов и круизных судов. Первый водородный паром они планируют начать использовать в 2021 году.

Голландия. Оператор газовых сетей Gasunie и порт Гронинген создали консорциум NortH2. В планах создание «Европейской Водородной долины» с выделенной энергетической мощностью от морских ВЭС до 10 ГВт к 2040 году.

Германия представила водородную доктрину по переводу на водород к 2050 году всех сфер экономики, включая тяжёлую промышленность и нефтехимическое производство. При этом их водородная стратегия фактически нацелена на Россию, как «соседнее государство», способное решить водородный вопрос Германии.

Франция. Крупнейший оператор АЭС, компания EDF, объявила о создании дочерней компании Hynamics, которая будет заниматься развитием водородной энергетики.


Авиастроительная компания Airbus представила три концепта водородных самолетов: «классический» с турбореактивным двигателем, турбовинтовой самолет и самолет со встроенным фюзеляжем (летающее крыло).

Италия. Судостроительная компания Fincantieri SpA для декарбонизации судов обратилась к PowerCell, которая протестирует свои топливные элементы MS-30 для выработки энергии на морских судах и яхтах компании.

Украина ищет возможность постройки в стране завода по производству водорода,


чтобы экспортировать его в ЕС.

Россия как-то буднично и без суеты представила собственные разработки водородного транспорта, включая автомобили, автобусы, грузовики КамАЗ, трамваи, самолёты и поезда. А также множество уникальных разработок и технологий производства и хранения водорода, указывающих на стратегически верное развитие страны в выбранном направлении.

https://youtu.be/jWCmG2wZles

Обзор разработок Центра НТИ ИПХФ РАН в области водородных технологий
https://youtu.be/jWCmG2wZles