Практическое использование водорода связано с рядом нерешенных политических, технологических и технических проблем

Энергопереход к декарбонизированной энергетике связывается с замещением ископаемых энергоносителей водородом. Этой теме была посвящено исследование, выпущенное берлинским фондом «Наука и политика» в декабре 2021 года. Авторы – известные немецкие исследователи, сотрудники фонда Юлиан Гриншгл, Якопо Мариа Пепе и Кирстен Вестфаль. Исследование вышло под названием «Новый мир водорода: геотехнологические, геоэкономические и геополитические особенности применения для Европы».
В преамбуле исследования отмечается, что надежды на всеохватывающее применение водорода в мире велики и водород будет последовательно – пусть и частично, оговариваются авторы, – замещать нефть и газ в качестве энергоносителей и таким образом создавать новые товарные потоки. Политика стоит на пороге решений, которые станут в будущем определять контуры водородного мира.

Что касается самой Германии, то использование водорода будет скорее связано не с производством электроэнергии. Согласно статистике, энергопотребление в стране достигает 2500 ТВт (в 1 ТВт содержится 10 в девятой степени киловатт). В то же время только 560 ТВт приходится на электроэнергию. В исследовании, правда, упоминается энергоэффективность, использование возобновляемых источников как метод борьбы с выбросам парниковых газов. Но именно водород должен параллельно с этим найти широкое применение, чтобы человечество смогло добиться решающего поворота в эмиссии прежде всего двуокиси углерода.

В этом контексте понятно, что использование водорода не является самоцелью, а лишь служит решению проблемы защиты климата.

Для глубокой и быстрой декарбонизации и установления связи между различными секторами водород незаменим и как средство накопления и хранения энергии. В этом плане он найдет применение в таких отраслях, которые с трудом поддаются декарбонизации, как химия, производство стали, алюминия и цемента, а также в производстве удобрений, при добыче нефти и нефтехимии. Сейчас, по оценке автора, уже ясно, что без использования производных водорода в среднесрочном плане не обойтись в таких отраслях, как воздушное и морское сообщение и перевозка крупногабаритных и тяжелых грузов.

Но именно в применении водорода, согласно заключению Международного энергетического агентства (МЭА), имеются значительные недоработки, что касается механизмов регулирования и применения. Для успешного применения водорода необходимо расширение его производства и аналогичное снижение стоимости производства, как это происходит при снижении стоимости производства электроэнергии с помощью возобновляемых источников. Технологии для этого имеются, но они должны быть соответственно масштабированы и создана инфраструктура поставок и бизнес-модели. Пока же прежде всего ценовые различия между ископаемыми энергоносителями и произведенным водородом достаточно велики, чтобы говорить об эффективности, например, замены бензина на водород.

К вышесказанному следует добавить некоторые скептические размышления российских ученых, которых нет в анализе берлинского фонда. Но скорее всего авторы доклада фонда эти трудности имеют в виду, когда предлагают прежде всего политические решения водородной проблематики.

О чем идет речь?

Водород сложно и дорого производить, а его эксплуатация крайне опасна. Об этом в интервью ФАН заявил инженер Сколковского института науки и технологий, гендиректор одной из компаний-резидентов Евгений Ерхан. «Водородно-топливная энергетика, по моему мнению, – это абсолютно тупиковая ветвь развития, не имеющая никакого продолжения», – заявил собеседник агентства. По словам ученого, использование водородных двигателей в транспортных средствах в случае попадания такого автомобиля или автобуса в аварию чревато большим количеством жертв. «Представьте себе, что у вас в машине баллон 700 атмосфер и вы на этой машине влетаете в стену или в аварию попадаете. Так вот, при ударе ваш баллон превращается в гранату, разрывая все вокруг себя, – пояснил инженер. – Если вы возьмете статистику, посмотрите, какое количество аварий в России произошло и какое количество машин загорелось, оно просто ничтожно мало. Но если в автомобиле будет баллон с водородом и если он взорвется, то мало того, что 100-процентно пострадает человек, который находится внутри машины, так еще и автомобиль превратится в шрапнель, куски гранаты, которые будут уничтожать все вокруг себя». Ученый привел в пример случаи взрывов баллонов с бытовым газом в жилых домах, которые способны разрушить несколько квартир и даже несколько этажей друг над другом. «Давление в газовом баллоне при этом всего 14 атмосфер, а в водородном – 700 атмосфер. Это опасная, страшная технология», – подчеркнул Ерхан.

Он также обратил внимание на то, что водород является крайне сложным в производстве газом. «Добывать водород при помощи электролиза воды крайне неэффективно и очень дорого, это колоссальные затраты энергии. На сегодняшний день единственным эффективным способом получения водорода является сжигание метана. В итоге получается водород, и в машине, или где бы вы его ни использовали, выбросов не будет», – заметил он.

Но для того, чтобы получить этот водород, придется обязательно загрязнять атмосферу в процессе производства этого водорода», – пояснил эксперт.Собеседник агентства подчеркнул, что еще одним аргументом против использования водорода является энергоемкость таких двигателей: она значительно меньше, чем у традиционных двигателей внутреннего сгорания. «Что бы ни делали, как бы ни танцевали, но если вы возьмете водородный самолет и керосиновый самолет, то второй будет летать дольше – это факт. Некоторые доказывают, что это несовершенная технология, что ее нужно доработать, что водородно-топливной энергетике еще только 20 лет. Но эти 20 лет прошли, и за это время не сильно-то поменялась технология. В ее основе в любом случае лежат платиновые либо палладиевые мембраны. И платина, и палладий – это колоссально дорогие элементы», – добавил Ерхан.

«Водород должен находиться в специальных газгольдерах, далеко от помещения. Его молекулы очень маленькие, даже через стекло проходят – для его хранения не подходят баллоны для обычного метана, пропана или бутана. Емкости для хранения водорода более сложны в изготовлении и стоят дороже, – отметил собеседник ФАН. – Водородная инфраструктура очень сложна: для нее необходимы редукторы, трубы, шланги, индикаторы утечки водорода». Коварство водорода заключается в том, что при мельчайшем размере молекулы, способной проникать через большинство материалов, он не имеет запаха. Человек не способен почувствовать утечку водорода – в отличие, например, от бытового газа. При этом водород легковозгораем и взрывоопасен, предупреждает эксперт.

«Водородные топливные элементы можно использовать разве что вместо батареек, вместо ячеек, – сказал Ерхан. – В самолетной индустрии есть только одна причина заниматься водородом: у водородных топливных элементов суммарная энергоемкость больше, чем у литий-полимерных батареек. Но если сравнить этот же показатель с бензином, то бензин выигрывает. Условно говоря, если ваш коптер на батарейке пролетает 40 минут, а на водородном топливе – около двух часов, то на бензине он пролетает примерно три с половиной часа. КПД бензиновых двигателей гораздо выше, чем КПД водородных ячеек».

Поэтому, считают авторы исследования фонда, именно политики должны решить, что важнее в применении водорода: его цветность («голубой», «зеленый», «коричневый» и т.д.), или, другими словами, источник происхождения (вода, газ, атомная энергия, уголь) либо содержание парникового газа, возникающего при его производстве. В этом плане в различных странах имеется разный подход к этой проблеме. Так, в Японии, Южной Корее и в США подходят к ней чисто технологически.

Для них главное состоит в том, чтобы при производстве 1 кг водорода на каждое место производства выделялось в ходе производства не более 2 кг эквивалента двуокиси углерода. Германия же фокусируется на «зеленом» водороде, произведенном с использованием только альтернативных источников энергии. И только такой водород, согласно нынешним немецким представлениям, может стать в 2050 году частью реализованного энергетического поворота. Именно политики определяют, где должны применяться водород и его производные. Водород занимает особое место среди главных отличительных черт климатической защиты, и это прежде всего касается таких энергоемких отраслей, как, например, сталелитейное производство. В плане же теплоснабжения и в сфере пассажирского движения его применение пока еще является спорным. С одной стороны, не стоит пренебрегать скоростью экономии выбросов парниковых газов, с другой – увлекаться глубиной декарбонизации. Начавшийся процесс внедрения водорода в экономику трудно реализовать без каких-либо промежуточных ступеней. Это авторы исследования объясняют тем, что, например, организовать использование водорода в сталелитейной промышленности потребует сначала определения объемов водорода, необходимого для поставки на заводы. Следующим шагом станет не только сооружение производственных объектов для водорода, но и создание возможности для его хранения и передачи. А это уже создание сложных логистических цепочек.

Для будущего применения водорода необходимо определиться, какое вещество будет использоваться: сам водород или его производные – аммониак, метанол или другие синтетические продукты, полученные в результате использования процесса Фишер–Тропш. Напомним, что это химическая реакция, происходящая в присутствии катализатора, в которой моноксид углерода (СО) и водород (Н2) преобразуются в различные жидкие углеводороды. Их же используют в качестве синтетических смазочных масел или синтетического топлива. Главным критерием в этом случае будут расходы. Тот, кто быстрее и дешевле сможет организовать всю цепочку от производства до поставок, тот и будет владеть рынком сбыта.

Важным фактором в водородной истории остается сертификация. Именно технические нормативы и стандарты, различные в странах, будут определять и деловые модели, и соответственно шансы для стран-партнеров выйти на рынок ЕС.

Для Германии и ЕС, утверждают авторы, главным вызовом в такой ситуации является анализ спроса и предложения под углом зрения регулирования внутреннего рынка и конкуренции. Другими словами, возникает вопрос, как реализовать в ЕС водородный рынок и согласовать его с импортом извне.

В России и в водородной тематике избрали собственный путь, и политические решения на этом направлении уже приняты. Как известно, правительство России ранее утвердило план по развитию водородной энергетики в стране до 2024 года, а направление, связанное с разработкой технологий атомно-водородной энергетики, включено в комплексную программу «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в РФ на период до 2024 года». Речь идет о создании крупномасштабного экологически чистого производства водорода на базе высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов. Назван срок пуска первой в России атомной станции для наработки водорода.Первую в России атомную станцию для наработки водорода планируется запустить к 2033 году, а ввести в промышленную эксплуатацию – к 2036 году, сообщил в интервью РИА Новости генеральный директор машиностроительного дивизиона госкорпорации «Росатом» холдинга «Атомэнергомаш» Андрей Никипелов. Участие «Атомэнергомаша» в водородных проектах рассматривается по нескольким направлениям – это и разработка проекта атомной энерготехнологической станции (АЭТС) для производства водорода, и создание систем оборудования для его хранения и транспортировки, сказал Никипелов. По его словам, сейчас предприятие «Атомэнергомаша» ОКБМ Африкантов (Нижний Новгород) завершает разработку эскизного проекта высокотемпературного газоохлаждаемого реактора.

Понятно, что российские решения приняты еще до политических решений в ЕС и допуск российского водорода на рынок ЕС остается в связи с этим весьма неопределенным.

 

Ссылка: https://www.ng.ru/ng_energiya/2022-01-17/9_8347_questions.html