Рейтинг@Mail.ru
Поиск
x
Наука

Водородная энергетика: что это такое и почему за ней будущее

Владимир Толкачёв
21 января 2021

Одной из основных идей в современной гонке экологически приемлемых энергетических технологий стало стремление к дальнейшей декарбонизации атмосферного воздуха (снижению доли «парниковых» выбросов углекислого газа). В этих целях осуществляется сокращение потребления мазута, нефти и угля. Продолжается их замена экологически приемлемым природным газом. Укрепляются позиции атомной энергетики и активно наращиваются объемы использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В перспективе борьба за эффективные источники энергии и прогрессивную декарбонизацию атмосферы неизбежно будет продолжена в процессе активного развития водородной энергетики. Для этого потребуется значительное снижение себестоимости получения водорода и внедрение приемлемых решений по его транспортировке, хранению и использованию.

Водород — идеальный источник энергии и экологически приемлемое топливо. Теплота его сгорания (1,17 ГДж/кг) почти в три раза выше, чем у нефти, и в четыре раза больше, чем у каменного угля или природного газа. В 2018 году потребление водорода в мире составило около 74 млн тонн. Он использовался преимущественно в нефтепереработке, химической промышленности и металлургии. К 2030 году можно ожидать рост его годового спроса до 100-114 млн тонн водорода (+35-55% к показателю 2018 года) при себестоимости производства около 2 долл./кг. Эксперты совета по водородным технологиям (Hydrogen Council) в своем недавнем докладе утверждали, что к 2050 году на водород придется 18% всех энергетических потребностей мира. По другим прогнозам, к этому времени мировое потребление водорода вырастет до 370 млн тонн в год (к 2100 году — до 800 млн тонн).

Масштабное внедрение водородной энергетики потребует масштабного освоения следующих производственных технологий получения водорода:
• cепарации водорода из добываемых природных газов;
• производство водорода из метана методом пиролиза (без доступа кислорода) без выбросов углекислого газа с затратами электроэнергии на получение 1 куб. м водорода, по данным ПАО «Газпром», на уровне 0,7-3,3 кВт-ч;
• производство водорода из воды методом электролиза (с использованием возобновляемых (солнце, ветер, энергия морских приливов, биомасса и т. д.) и традиционных источников энергии (углеводороды, уголь, атомная и термоядерная энергия). Этот наиболее энергоемкий способ рассматривается в ЕС как один из самых перспективных. По данным ПАО «Газпром», для получения 1 куб. м водорода методом электролиза воды требуется порядка 2,5-8 кВт-ч электроэнергии (почти втрое больше, чем при пиролизе метана);
• получение водорода в процессе парового реформинга метана со сбором и захоронением выбросов углекислого газа;
• создание специальной инфраструктуры для транспортировки и хранения водорода; 
• использование водорода в промышленности, на транспорте (наземном, воздушном, водном и подводном), в коммунальном хозяйстве.

Вместе с тем, на пути экологически приемлемого использования водорода в топках электростанций, в моторах автомобилей и других транспортных средствах существуют достаточно высокие «барьеры», знание которых позволит наметить пути их преодоления. 

Температура горения водорода в кислородной среде может превышать 2800 градусов (на тысячу градусов выше, чем температура горения метана). Такая температура характерна для авиационных и ракетных двигателей. Она потребует использование в конструкциях водородных топок жаропрочных металлов. 

В процессе горения водорода неизбежно происходит образование определенного количества токсичных оксидов азота (механизм Якова Зельдовича). Необходимо будет разработать и применять технологии экологически приемлемого сжигания водорода, исключающие возможность выпадения кислотных дождей и опасных последствий для здоровья человека. 

По оценкам астрофизиков, водород составляет 99 процентов массы Вселенной, а в атмосфере Солнца весовая доля водорода превышает 90 процентов. Огромные запасы первичного (космического) водорода — основного строительного «кирпичика» Вселенной, хранятся и в недрах нашей планеты. 

В перечне химических элементов, входящих в составе минералов внешней оболочки Земли (литосферы и гидросферы), водород занимает второе месте (вслед за кислородом). Самым распространенным и подвижным его образованием является вода — практически неистощимый природный ресурс для производства водорода и кислорода. Особый гидрохимический тип «водородных вод», связанных с геологическими объектами выделял в начале прошлого века В. И. Вернадский. Высокое содержание водорода (до 64 объемных  процентов) было обнаружено Г. Сигвалдассоном в термальных газах Исландии, которые приурочены к районам современного вулканизма. Другим практически неисчерпаемым ресурсом для получения водорода (благодаря непрерывному и обильному «газовому дыханию Земли) являются природные газы литосферы и недр нашей планеты. Тема водородной дегазации Земли нашла отражение в работах Владимира Вернадского, Владимира Ларина, Леонида Перчука, Петра Кропоткина,  Владимира Полеванова, Роберта Бембеля, Владимира Мегери, Сергея Бембеля и многих других. 

Содержание свободного водорода в метановых газах угольных бассейнов СНГ не превышает девяти процентов (в среднем 2-4 процента). Высокая концентрация водорода установлена в вулканических камерах и трубках взрыва (до 50 процентов от общей суммы газов. Повышенные содержания и струи дегазации водорода наблюдаются в рифтовых зонах океанов. По данным Виктора Гаврилова, в рифте острова Исландия вынос водорода составляет до 1 тыс. м3/сут. В кимберлитовой трубке «Удачная» (в скважине 42), дебит водорода достигал 100 тыс. м3/сут.

Ряд геологов полагает, что очаги сейсмической и вулканической активности формируются над локальными зонами и каналами просачивания и скопления глубинного, первичного водорода, «складированного» в гидридном ядре Земли. Появилась даже фантастическая идея опережающего бурения скважин для «разгрузки» потенциальных зон критического накопления водорода с целью предотвращения землетрясений и вулканических взрывов. Существующий комплекс современных геофизических методов (гравиметрия, сейсморазведка, магниторазведка и электроразведка) позволяет получать детальную объемную модель вулкана и даже определить место размещения питающей вулкан подземного газового солитона («газовой трубы»). Что касается последующих работ по организации бурения скважин для отбора водорода, то они представляются технически осуществимыми, но чрезвычайно опасными.

Вместе с тем, весь практически используемый сегодня водород производится только производственным (искусственным) способом. Расширение энергетического использования водорода и организация поисков природных залежей этого газа требуют государственной поддержки. Первой страной, сформировавшей в 2017 году свою национальную водородную стратегию, стала Япония. В 2019 году здесь была принята «Стратегическая дорожная карта для водорода и топливных элементов». В 2019 году стратегические планы по развитию водорода раскрыла Республика Корея. Взгляды этих крупнейших развитых импортеров традиционных энергоресурсов на роль водорода близки: повышение энергетической безопасности за счет диверсификации источников энергии, ориентация на импорт водорода, развитие технологий на экспорт и выполнение климатических обязательств по защите климата. В 2019 году была принята национальная водородная стратегия Австралией — крупнейшим экспортером энергоресурсов, которая организовала партнерство с Японией по развитию пилотного проекта по созданию поставок водорода и подписала соглашение о намерениях с Республикой Корея о достижении сотрудничества по экспорту и импорту водорода. В марте 2020 года утверждена стратегия Нидерландов, в июне — Германии и Норвегии, в июле — Португалии и ЕС, а в сентябре — Франции.

В июле 2020 года еврокомиссар по энергетике Кадри Симсон заявила: «Цель ЕС — к 2050 году стать климатически нейтральным. К этому времени мы выведем из употребления все ископаемые энергоносители. Альтернативой углю, нефти и нефтепродуктам, природному газу должны стать возобновляемые источники энергии 0(ВИА) и водород». На таком решении больше всех настаивала Германия, где согласно национальной программе водородной энергетики к 2030 году должны быть построены электростанции мощностью в 20 ГВт, предназначенные для производства, так называемого, «зелёного» водорода (на базе энергии ВИА), при сжигании которого не образуется углекислый газ.

По расчетам ученых, этот «зеленый водород», получаемый на базе энергии солнечных батарей может конкурировать с «голубым водородом», который производится из воды на базе использования других, не возобновляемых источников электрической энергии. По прогнозам ученых, к концу десятилетия предусматривается повышение эффективности электролизеров с 58% до 70% и снижение затрат на электролиз с $800 до $500 за кВт. Предполагается также, что затраты на хранение водорода в резервуарах высокого давления уменьшатся на 33%.

Предположительно, средняя стоимость «зеленого водорода» на северо-западе США составит $2,3 а на юго-западе будет в пределах от $1,9 до $4,2 за килограмм. Ученые также убеждены, что в период до 2030 года природный газ сохранит свои позиции как основной энергетический ресурс при производстве водорода с себестоимостью всего в $1 за килограмм.

По мнению ученых из Массачусетского технологического института (США), производство водорода с помощью энергии от солнечных панелей может стать рентабельным в течение ближайших десяти лет. Производство водорода в среднем будет стоить $2,5 за килограмм — в четыре раза меньше современной цены в 10,6 $ (PV Magazine).

Стратегические перспективы использования водорода для развитых стран в значительной мере связаны именно с внедрением технологий низкоуглеродной водородной энергетики, позволяющей сократить выбросы парниковых газов. Наиболее перспективными отраслями для использования водорода как средства декарбонизации, наряду с применением в промышленности и энергетике, являются транспорт, металлургия и коммунальное хозяйство. Парк автомобилей на водородном топливе к концу 2019 года превысил 25 тыс. машин, причем свыше 12 тыс. было продано за последний год. Лидерами в расширении этого парка являются США, Китай, Япония и Республика Корея.

В Японии компания Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS) несколько лет назад успешно испытала газовую турбину большой мощности на одной из своих электростанций, подавая в камеру сгорания природный газ с добавкой 30% водорода. Температура газов на выходе была около 1600 градусов. Прежнее традиционное оборудование такую нагрузку выдержало. В рекомендациях компании зафиксировано, что использование топливной смеси из 80% природного газа и 20% водорода является экономически и экологически приемлемым.

В 2018 году японские компании Kawasaki Heavy Industries и Obayashi провели краткосрочные испытания турбины при подаче в камеру сгорания 100% водорода. В итоге принадлежащая консорциуму компаний ТЭЦ в Кобе перешла на работу на смеси водорода и природного газа в пропорции 20% на 80%.  Эксперименты с добавками водорода в топливную смесь для газовых ТЭЦ осуществляются не только в Японии. В Великобритании, Бельгии, США и Новой Зеландии доля подмешиваемого в топливо водорода составляет 0,1%, в Германии — 10%, Нидерландах — 12%. По расчетам Международного Энергетического Агентства (МЭА), создание масштабной европейской сети электростанций с газово-водородной смесью в пропорции 80/20, обеспечит снижение выбросов углекислого газа на 7% или на 60 млн тонн.

Южнокалифорнийская технологическая компания Hyperion сообщила о создании электрического  суперкара XP-1, работающем на водородных топливных ячейках. Карбон-титановый «Гиперион» разгоняется быстрее 355 км/ч и может проехать 1635 км на одной заправке. Снаряженная масса машины — менее 1032 кг. Полноприводный Hyperion XP-1 оснащен электромоторами на постоянных магнитах, блоком топливных элементов и карбоновыми резервуарами для хранения водорода. Этот автомобиль является очередным аргументом в остром споре между сторонниками электромобилей на аккумуляторах и автомобилей на топливных водородных ячейках.

Hyperion.jpg
www.hyperion.inc/xp1

По данным Росстата, за период с 2010 года производство водорода в России утроилось и в 2019 году составило 1,95 млрд куб. м. В России водород в основном производится и используется в нефтеперерабатывающей, химической и нефтегазохимической промышленности. В Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года (ЭС-2035) водородная энергетика обозначена в качестве одного из перспективных направлений развития энергетики. В октябре 2020 года Правительством Российской Федерации утвержден План мероприятий («дорожная карта») по развитию водородной энергетики на период до 2024 года. Предусматривается формирование и реализация мер государственной поддержки проектов в области водородной энергетики, совершенствование нормативно-правовой базы, укрепление позиций российских компаний на рынках сбыта водорода и проведение НИОКР. При участии ГК «Росатом» и ПАО «Газпром» планируется реализация ряда пилотных проектов, включая создание установок низкоуглеродного производства водорода, разработка и испытание газовых турбин на метано-водородном топливе, создание опытного образца железнодорожного транспорта на водороде и производство водорода на базе АЭС. В соответствии с указанным Планом к апрелю 2021 г. должна быть разработана концепция развития водородной энергетики в Российской Федерации, в которой должны быть сформулированы приоритеты развития водородной энергетики в стране на кратко-, средне- и долгосрочную перспективы.

Перспективы развития водородной энергетики в России главным образом связываются с экспортом водорода, что отражено в ЭС-2035, в которой поставлена задача по закреплению России в составе мировых лидеров по экспорту водорода и установлены соответствующие целевые показатели: 0,2 млн. тонн (2,2 млрд куб. м) в 2024 году и 2 млн. тонн (22,2 млрд куб. м) в 2035 году.

Экспортная ориентация водородной энергетики в России связана с наличием конкурентных преимуществ. К ним, во-первых, можно отнести наличие больших запасов природных ресурсов (газа, угля и воды). Во-вторых, целесообразно отметить значительный резерв генерирующих мощностей, который позволяет развивать производство водорода в России энергоемкими методами (паровой конверсией метана, в том числе в комбинации с технологиями улавливания и хранения углерода (CCS) и электролизом. В-третьих, целесообразно отметить географическую близость производственных мощностей водорода к потенциальным рынкам его сбыта (страны АТР и ЕС). В-четвертых, определенные преимущества заключаются в наличии существующей газотранспортной инфраструктуры и растущие мощности отрасли производства СПГ, которые создают предпосылки для развития производства водорода из природного газа и экспорта его по трубопроводам и в сжиженном виде.

Наряду с экспортным направлением водородная энергетика имеет перспективы внутри страны. Во-первых, это возможность снижения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, прежде всего от транспорта, что актуально в первую очередь для крупных городов. Однако здесь водороду предстоит конкурировать с газомоторным топливом и электромобилями на базе литиевых батарей. В ЭС-2035 транспорт рассматривается как одно из приоритетных направлений использования водорода на внутреннем рынке. 

Наиболее технологически освоенными на сегодняшний день являются методы получения водорода из ископаемого сырья. Этим освоенным методам присущи и стандартные недостатки. Для получения водорода с низким углеродным следом требуются применение технологий улавливания углерода CCS (carbon capture and storage) со значительным расходом сырья на технологическое тепло и необходимость дополнительной очистки полученного водорода. Перспективные методы производства водорода (пиролиз, плазменная конверсия, термохимические циклы) имеют положительные стороны: отсутствуют выбросы CO2, есть возможность получения побочной продукции и др. В то же время эти методы весьма энергозатратны, для них характерны высокие температуры (как следствие, высокие потери на тепловое излучение), требующие применения специальных конструкционных материалов. Применение атомной энергетики в производстве водорода способно повысить его эффективность с учетом возможностей обеспечения дешевой энергией.

Водород имеет высокий потенциал применения в качестве средства хранения и накопления энергии, а также балансировки нагрузки энергосетей в условиях имеющей место нестабильности потребления электроэнергии при ее генерации с использованием возобновляемых источников энергии.

В тени объемного использования водорода (в качестве экологически приемлемого топлива) таится недостаточно изученная, но, предположительно, серьезная опасность воспроизводства в процессе высокотемпературного  горения — синтеза токсичных для биоты оксидов азота. Аналогичный отрицательный эффект неожиданно проявился в свое время при переводе ТЭЦ и ГРЭС с угля на более экологически приемлемый газ.

В заключение необходимо отметить, что успех рубежных переходов человечества к все новым и новым видам топлива и энергии (от дров к углю, к нефти и природному газу, наконец — к атомной энергии, 75-летний юбилей которой мы только что отмечали), стремление к бережному и экологически приемлемому освоению возобновляемых источников энергии, равно как и эффективное освоение технологий назревшего внедрения водородной энергетики,  требовали и требуют осуществления комплексных мер мобилизации  для решения поставленной задачи всех механизмов современной экономики. Важная роль при этом ложится на плечи отечественной геологии, в задачу которой неизбежно должно быть включено задание по поиску природных месторождений водорода. Нужна общенациональная программа и организационная координация всех научно-исследовательских и производственных работ по поиску, разведке, добыче транспортировке, хранению и применению водорода. При внедрении водородной энергетики на транспорте экономически приемлемым представляется не только широкое использование топливных водородных элементов (ТВЭ), но и оснащение транспортных средств электрическими аккумуляторами (ЭА), зарядка которых будет производиться с использованием ВИЭ и водорода. Оба этих варианта (применение ТВЭ и АЭ) не исключают параллельного применения замены бензина и дизельного топлива на природный газ.

Водородная энергетика не отменяет и не девальвирует необходимость поисков и разведки эффективных месторождений традиционного углеводородного сырья. Ее экологическая значимость и нацеленность позволяет по-новому организовать успешную комплексную синергию традиционных и возобновляемых источников энергии.

Необходимо обратить внимание на еще одно обстоятельство, имеющее важный геологический и поисковый смысл. Район работ «ГЕОТЕК Сейсморазведки» приходится на северный фланг уникального площадного развития формации сибирских траппов. Эти излившиеся 250 миллионов лет тому назад потоки лавы объемом до 4 млн. куб. км перекрывают мощным, трудно проницаемым для геофизических методов исследования плащом свыше двух миллионов квадратных километров толщ, перспективных с точки зрения добычи нефти и газа. Установленное наличие в магматических породах не окисленных включений самородных металлов (алюминия, меди и железа) позволяет полагать, что извержение траппов сопровождалось масштабным поступлением в магматический резервуар водорода, который обеспечил восстановительную среду расплава. В связи с этим можно прогнозировать открытие в намеченном для сейсморазведочных исследований регионе не только сохранившиеся под непроницаемой покрышкой траппов месторождения углеводородного сырья, но и промышленные залежи водорода и гелия.

Водородная энергетика — это не только назревший переход к  освоению нового экологически приемлемого источника энергии, но и стимул к достижению более  эффективного использования традиционных видов топлива, повышения КПД используемых двигателей и обеспечения более высокой степени экологической безопасности предприятий ТЭК и транспорта.

Литература

1. Полеванов В.П., Глазьев С.Ю. Поиски месторождений природного водорода в России как основа встраивания в новый технологический уклад. Глобальное недропользование, август 2020, с.10-23.

2. Ларин В.Н.Наша Земля (происхождение, состав, строение и развитие изначально гидридной Земли). М., Агар,2005.

3. Конопляник А. А, Чистый водород из природного газа // Корпоративный журнал “Газпром”, №9, 30 сентября 2020.

4.Водородная энергетика // Энергетический бюллетень, №89, октябрь 2020 года.

5. International Energy Agency. The Future of Hydrogen. Seizing today’s opportunities. Report prepared by the IEA for the G20. IEA Publication - Japan, June 2019.

6. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 12 октября 2020 года . № 2634-р “Об утверждении плана мероприятий "Развитие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года".

7. Водородная экономика: новые надежды на успех. Энергетический бюллетень, № 73, июнь 2019 года.

8. Марцинкевич Б.Л. Здравствуй, дивный водородный мир. Авторский блог Бориса Марцинкевича от 28 июля 2020 года.

9. Якуцени В.П. Сырьевая база гелия в мире и перспективы развития гелиевой промышленности // Нефтегазовая геология. Теория и практика, 2009 (4)


Автор: Владимир Толкачёв, президент ПАО «ГЕОТЕК Сейсморазведка»

толкачев.jpg
рекомендации
Город

Дело за Малым: путешествие по Польше

Планета Земля

В ту степь – путешествие по Калмыкии

Вода

Прогулки по воде – спа-курорты Германии

None