Водород — это самое энергоемкое и легкое вещество из всех видов топлива. Его производство не относится к инновациям — он производился миллионами тонн еще в советские времена, когда его использовали для производства аммиака для получения азотных удобрений.
Водород и сегодня используют для производства удобрений, повышения качества бензина, улучшения свойств стали, а также в пищевой промышленности для производства маргарина и твердых кондитерских жиров методом гидрогенизации растительных масел. Без него не обходятся все процессы гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов. Его также широко применяют для охлаждения генераторов на электростанциях.
С тех пор как появилась перспектива перехода на водородную энергетику с углеводородной, потребность в водороде увеличилась на порядки. Сегодня эта перспектива стала реальностью, поскольку примерно десять лет назад была решена одна из основных проблем с его хранением для дальнейшего использования в качестве автомобильного топлива. Вместо тяжелых, дорогих и небезопасных стальных баллонов для сжатого под высоким давлением водорода стали применять легкие композитные емкости из углепластика, которые прекрасно помещаются в легковых автомобилях. Кроме того, стало возможным получать водород прямо по месту употребления. Появление таких технологий зажгло для водородной энергетики зеленый свет.
Около 20 лет назад во всем мире начали появляться автомобили на водороде, и бывшие выставочные центры пилотных моделей превратились в салоны-магазины серийных образцов. Количество автомобилей на водородном топливе сегодня исчисляется тысячами. Их стоимость составляет около $50–60 тыс. Серийные автомобили на водороде есть у Toyota, Hyundai, Honda. Предсерийные образцы тестируют Audi, Mercedes, BMW, Mazda, Ford и ряд других производителей. Все технические препятствия, столько десятилетий казавшиеся непреодолимыми, пройдены за считаные годы, и теперь вопрос только в экономической целесообразности для массового потребителя. В России такой автомобиль приобрел себе житель Красноярска, но в связи с отсутствием заправок в своем городе перевез машину в Москву и получает топливо в одном из научных институтов.
Как получить водород?
Для развития водородной энергетики нужно будет на государственном уровне решить вопрос, в каком виде доставлять водород к месту его получения. Дело в том, что водород содержится в очень многих видах ископаемых топлив.
«Наиболее дешевый водород получается методом паровой конверсии метана,— рассказывает заведующий отделом гетерогенного катализа Института катализа СО РАН Павел Снытников.— Другой способ — из аммиака. Для его транспортировки, как и для природного газа, в нашей стране даже существует трубопровод, так как аммиак сжижается всего при давлении 8,5 атмосферы. Третье решение — перевозка будущего водорода в виде метанола. В Китае метанол используют как автомобильное топливо. Но в России против метанола почему-то предубеждение, по-видимому, в связи с тем, что с давних пор у нас простой народ пил все, что горело, в том числе и метанол, и люди лишались зрения».
А вот получать его лучше всего там же, где будут потреблять, чтобы уйти от проблем транспортировки чистого водорода. Чтобы использовать водород, например, как автомобильное топливо, нужно закачать его в баллоны под давлением 700 атмосфер. Правда, на сжатие нужна дополнительная энергия. Не меньше энергии требуется на сжижение водорода, так что один из подходящих способов его транспортировки — это перевозка в химически связанном состоянии, например в виде метана, из которого водород должен производиться там же, где будет использоваться. То есть до заправки везут метан, а уже на самой заправке устанавливается небольшое производство, например, конвертер метана в водород. Но этот способ не очень хорош для экологии, поскольку на небольших производствах сложно обеспечить качественную очистку выбросов. Зато экономически он себя вполне оправдывает. Опыт Японии, Кореи и ряда других стран показал, что километр пробега на водороде выходит не дороже бензина. 4 кг водорода, закачанного в баллон, хватает примерно на 800 км пути обычного седана.
Получать водород можно практически из любого углеводородного топлива: из бензина, дизельного топлива или пропан-бутановых смесей. В Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН ведется работа по гранту РНФ по тематике получения водорода из дизельного топлива. Также разрабатываются методы получения водорода даже из органических носителей, например из бор-гидридов. Главные задачи на будущее развитие водородной энергетики — это не только получение водорода, но и его хранение. Жидкий водород можно хранить только при низких температурах, поэтому его использовали только в критически важных областях, например, как ракетное топливо.
Если отвлечься от автомобилей и обратить внимание на энергообеспечение более крупных стационарных объектов, например жилых или промышленных комплексов, то вся идеология водородной энергетики строится на ее связке с другими источниками энергии. Например, с возобновляемыми — гидро-, ветряными, солнечными электростанциями или с крупными атомными электростанциями. Производство такой энергии идет в одном режиме, а тратится потребителями она в другом, поэтому, когда есть излишки энергии, ее можно тратить на получение водорода даже из обычной воды методом электролиза.
Голубая мечта о зеленом водороде
Электролиз — это способ получения водорода из воды, который, к сожалению, требует больших энергозатрат, поэтому он оправдан только в тех случаях, когда вырабатываемую энергию необходимо запасти, пусть даже и с невысоким КПД. Лучше всего использовать для этого источники, где постоянно возникают достаточно большие излишки энергии. Емкости аккумуляторов для ее сохранения не хватает, кроме того, аккумуляторы быстро разряжаются, а полученный методом электролиза водород — это гарантированный запас энергии, можно сказать, воплощение мечты о чистой энергии, так называемом зеленом водороде. К сожалению, пока всего 2% общего объема водорода в мире производится методом электролиза. 75% водорода получают из природного газа и 25% — сжиганием угля. Цены топлива, полученного по этим технологиям, также несопоставимы: $1,7 за 1 кг водорода из природного газа и $5–10 за водород, полученный электролизом. Впрочем, стоимость зависит от источника энергии. Например, от энергии АЭС зеленый водород вдвое дешевле ($3–5), чем от возобновляемых источников энергии.
Основные организации в России, заинтересованные в получении водорода — это компании «Росатом» и «Газпром». Атомные электростанции нуждаются в сохранении избытка энергии в виде водорода и дальнейшего его использования. А добывающая компания хочет перерабатывать природный газ в водород, имея соответствующие установки непосредственно в местах использования, например на автомобильных заправках. Для решения проблемы транспортировки водорода можно переводить его в спирты — метанол, диметиловый эфир, чтобы получать из них водород, что называется, «по требованию» для дальнейшего использования на энергоустановках. Это химия получения водородсодержащих компонентов, и она достаточно хорошо освоена.
Как перестать сжигать топливо
Вообще, заявления о том, что водород — это экологически чистое топливо, не совсем справедливы. Из школьного курса химии мы помним, что после сжигания водорода получается вода. Но горит-то он в воздухе, где высокое содержание азота, и в результате реакции кислорода и азота при высоких температурах мы получаем те же токсичные оксиды азота, что и при сжигании бензина, только в меньшем объеме. Собственно, водород здесь ни при чем: любое высокотемпературное горение вызывает в воздухе реакцию взаимодействия кислорода и азота с образованием оксидов. По этой причине получать электричество с помощью сжигания любого топлива — это не самый экологичный способ. А тем более углеводородного, которое сгорает с выделением выбросов углекислого газа в атмосферу. Чтобы решить проблемы с выбросами в атмосферу, нужно прекратить сжигать топливо и снизить градус его потребления до комнатной температуры. В этом могут помочь топливные элементы.
Применение водорода в топливных элементах является самым экологичным. Разные топливные элементы используют водород при разных температурах и могут быть более или менее привередливы к его чистоте. Низкотемпературные топливные элементы работают на чистом водороде, а высокотемпературные вполне удовлетворяются синтез-газом. Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию водорода в электрическую (процесс, обратный электролизу) с достаточно высоким КПД. Институт катализа СО РАН сотрудничает с российскими производителями топливных элементов — ГК «ИнЭнерджи» и Институтом проблем химической физики РАН, где были разработаны и созданы сверхлегкие топливные элементы для беспилотных летательных аппаратов. В настоящее время там ведутся разработки более крупных топливных элементов для автомобильных передвижных платформ. Рынок топливных элементов еще только формируется, поскольку область их применения постоянно растет. Появляются новые возможности в разработке — осваивается новый экономический сектор. Вопросы могут быть самые разные — например, обеспечение дальних трасс или камер видеонаблюдения источниками связи или возможность установки автономных вышек сотовой связи. Источники водородной энергии всегда работают как тандем «топливный элемент на водороде плюс аккумулятор». Аккумулятор способен сглаживать пиковые нагрузки, а топливный элемент обеспечивает длительную выработку электроэнергии.
Сегодня в мире на топливных элементах работают тысячи небольших энергоустановок. В США, Японии и некоторых странах Европы они уже около 30 лет снабжают водородной энергией небольшие частные поселки, большие и удаленные от города супермаркеты или промышленные объекты. В отличие от дизель-генераторов это намного более бесшумные системы, так что их широко используют как запасные источники энергии в случае сбоев в работе основного источника энергообеспечения.
Сколько стоит чистый воздух
В качестве грантового финансирования на развитие индустрии водородной энергетики некоторые страны ЕС ежегодно выделяют сотни миллионов евро, США — сотни миллионов долларов. Совокупные вложения Европы и США в эту отрасль исчисляются миллиардами. Сейчас многие компании во всем мире делают попытки использовать источники энергии на топливных элементах в самых разных областях. В ближайшие десятилетия может измениться сама концепция человеческого энергопотребления.
В России развитие топливных элементов исторически связано с космическими программами в середине ХХ века. Щелочные топливные элементы использовались во многих космических проектах, где требовались автономные энергоустановки.
В 2020 году правительство России утвердило энергетическую стратегию Российской Федерации на период до 2035 года и ключевые меры развития водородной энергетики. В этом же году был создан консорциум по водородной энергетике, куда вошли ведущие научные институты: Томский политехнический университет, Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет. В программе развития водородной энергетики РФ намечено создание водородных кластеров и пилотных проектов по производству и экспорту водорода. Планируется развитие первых коммерческих проектов производства водорода. Сегодня в РФ появляются отдельные пилотные проекты с использованием водородной энергетики, но до массового внедрения пока не дошло: скорее производители демонстрируют свою готовность к реализации подобных проектов в случае выделения финансирования со стороны, например, госкорпораций. Так, в конце 2019 года в Санкт-Петербурге был запущен трамвай на водородном топливе, а ОАО «Газпром» и ОАО «РЖД» в качестве пилотного проекта обсуждают возможность запуска поезда на Сахалине на топливных водородных элементах.
Водород, особенно вырабатываемый на возобновляемой энергии, имеет все перспективы стать основой безуглеродного будущего для сложно декарбонизируемых промышленных отраслей. Но пока его цена слишком высока, и лишь масштабные инвестиции и планомерные усилия правительств смогут удешевить его до порога конкурентоспособности с углеводородными топливами. В сталелитейной же промышленности, генерирующей порядка 7% мировых выбросов CO2, переход на водород сопряжен с плохо решаемой на данный момент проблемой снижения качества стали и требует отдельных экспериментальных прорывов. Впрочем, в Скандинавии и других регионах Западной Европы уже начались первые опыты.
Горячее и чистое
Водород, превосходящий в энергоемкости другие вещества и дающий в результате горения простую воду, представляет огромные перспективы при использовании в промышленности и энергетике, в первую очередь с точки зрения его экологического потенциала. Сегодня в мире производится около 70 млн тонн водорода. 50% потребляет химическая промышленность, 43% — нефтепереработка, 6% — производство стали, термополированного стекла и полупроводников.
Но водород в чистом виде в природе не встречается, поэтому его нужно произвести. А следовательно, тем или иным способом потратить энергию, которая не всегда берется из «чистых» источников. Сегодня источником практически всего (свыше 99%) водорода все еще является углеводородное сырье. 71% производится путем парового риформинга (SMR) — в основном природного газа, но также отходящих газов, ШФЛУ и др. В результате получается водород и CO2. Это — «серый» водород. Остальное — «коричневый», получаемый при газификации угля. В ЕС выбросы, генерируемые производством водорода, оцениваются в 70–100 млн тонн СО2 в год.
С учетом климатических целей эти технологии требуют отдельной декарбонизации. В процессе SMR она достигается посредством использования технологий секвестрации, или улавливания и захоронения углекислого газа (CCS). Водород, полученный в таком сочетании процессов, называется «голубым».
Есть и экологически чистый — «зеленый» водород. Он производится посредством электролиза воды за счет энергии из возобновляемых источников. Однако даже в Европе на электролиз приходится всего 4% в общем объеме производства водорода.
Пока слишком дорого
Использование «зеленого» водорода с нулевыми выбросами представляется шагом в безуглеродное будущее. В рамках безуглеродного цикла продукт возобновляемой энергетики используется для производства водорода, тем самым сглаживая неравномерность выработки и служа накопителем. Полученное вещество подается на топливный элемент, с которого потом возвращается в виде электроэнергии в энергосистему. Альтернативный вариант: «чистый» водород направляется в цепочку промышленного производства.
Себестоимость производства водорода зависит от технологии, стоимости электроэнергии и уровня загрузки мощностей. Без улавливания углекислого газа себестоимость SMR-производства 1 кг водорода составляет $1–2. Оснащение CSS поднимает эту цену на $0,5. Таким образом, «зеленый» водород должен стоить не более $2,5 за 1 кг, чтобы быть конкурентоспособным. Для этого необходима и низкая цена электролиза, и дешевая возобновляемая электроэнергия. По оценке Wood Mackenzie, для достижения рентабельности выработки электроэнергии «зеленым» путем необходимы пока не достижимые параметры: цена на электроэнергию ниже $30 за 1 МВт•ч и загрузка электролизеров выше 50%. По оценкам IRENA, средняя стоимость 1 кг водорода на всем жизненном цикле (LCOH) может опускаться ниже $2, однако лишь в случае использования наиболее дешевой электроэнергии (ветер в Бразилии или Саудовской Аравии) и самого экономичного электролизера с капзатратами $200 за 1 кВт установленной мощности. А такие электролизеры, сообщает IRENA, будут широко доступны только к 2040 году.
Как удешевить
Для коммерциализации себестоимость «зеленого» водорода необходимо сокращать. Этому должно способствовать падение стоимости выработки на ВИЭ, увеличение производства электролизеров и масштаба единичной установки и разработка более дешевых технологий CCS.
Наблюдения и прогнозы пока обнадеживают. Так, мировая установленная мощность электролизеров с 2005 по 2015 год выросла в 55 раз. По данным BloombergNEF, цена щелочных электролизеров в Северной Америке и Европе с 2014 по 2019 год упала на 40%. По оценкам Wood Mackenzie, по состоянию на март в мире заявлено 8,2 ГВт проектов электролиза, ввод которых планируется до 2030 года.
Hydrogen Council прогнозирует падение себестоимости производства водорода за десять лет (к 2030 году) вдвое, что увеличит его экономическую привлекательность и конкурентоспособность относительно других низкоуглеродных технологий и даже традиционной энергетики. «Если масштаб производства электролизеров увеличится, а цены продолжат падать, уже к 2050 году в большинстве стран, по нашим расчетам, себестоимость безуглеродного производства водорода составит $0,7–1,6 за 1 кг, что сделает его конкурентоспособным относительно природного газа в Бразилии, Китае, Индии, Германии и Скандинавии в пересчете на энергетический эквивалент»,— пишет BloombergNEF.
Однако для снижения себестоимости необходимы масштабные инвестиции. По оценке BloombergNEF, для доведения водорода до уровня конкурентоспособности по цене с природным газом необходимы субсидии в объеме $150 млрд, что позволит снизить себестоимость «чистого» водорода до $15 за 1 млн BTU к 2030 году и до $7 — к 2050 году ($2 за 1 кг и $1 за 1 кг соответственно). Цена выработки на ВИЭ планомерно падает, этот процесс идет уже не первый год. Что касается улавливания и хранения углекислого газа, то установленная мощность CCS в мире — 42 млн тонн, или менее 1% годовых выбросов. По оценкам Wood Mackenzie, к 2030 году мощность удвоится. Однако для того, чтобы удержаться в рамках климатической программы «два градуса», необходимо к 2050 году увеличить мировую установленную мощность СCS в сто раз — до 4 млрд тонн. Для коммерческой эффективности проектов по улавливанию CO2, по данным Wood Mackenzie, средняя цена выбросов должна составлять $90 за тонну, что втрое больше, чем сегодняшняя рыночная цена в Европе.
Что касается электролизеров, то, по оценкам Hydrogen Council, чтобы цены на «зеленый» водород вышли на конкурентоспособный уровень, требуется увеличение установленной мощности электролизеров до 70 ГВт и снижение цены 1 кВт установленной мощности до $400. А чтобы покрыть ценовую разницу с «серым» водородом, потребуется $20 млрд дополнительных инвестиций. По оценке Wood Mackenzie, принципиальным в деле уравнивания стоимости выработки «зеленого» и «голубого» (SMR + CSS) водорода будет стоимость выбросов — в 2030 году она должна составлять $40 за тонну.
Также необходимы масштабные инвестиции в инфраструктуру транспортировки и хранения водорода. BloombergNEF оценивает их в $637 млрд до 2030 года.
Декарбонизировать недекарбонизируемое
Одна из причин развития «зеленых» водородных технологий: они должны позволить декарбонизировать отрасли, которые поддаются этому с большим трудом, например производство стали. По данным World Steel Association, на металлургию приходится 7–9% всех мировых выбросов CO2 от сжигания углеводородов. По данным 2018 года, на тонну стали в среднем приходится 1,85 тонны CO2. Основная доля этих выбросов приходится на доменное производство с участием коксующегося угля.
Альтернативой является водород. Сейчас в мире появляются первые опытные производства стали с использованием «зеленого» водорода. Один из проектов — H2Future, реализуемый консорциумом во главе с Voestalpine, по комбинированному производству стали с применением водорода. Основное оборудование для проекта изготавливает «Сименс Энергетика», подробнее об этом и других ее проектах см. текст «Самостоятельность и декарбонизация».
В 2016 году шведско-финский металлургический холдинг SSAB, шведская энергокомпания Vattenfall AB и железорудная LKAB запустили проект HYBRIT по организации коммерческого безуглеродного производства стали. 31 августа текущего года партнеры запустили опытное производство прямовосстановленного железа на базе водорода. Цель — сопоставить характеристики стали, изготавливаемой таким образом и в классическом доменном процессе. И, по оценке компании, процесс пойдет быстрее, чем изначально ожидалось. Если ранее говорилось о запуске коммерческого производства к 2035 году, то в августе гендиректор SSAB Мартин Линдквист заявил, что первая коммерческая сталь может быть получена в 2026 году.
Основная проблема водородной металлургии (помимо собственно производства водорода), говорит директор группы корпоративных рейтингов АКРА Максим Худалов, в том, что нет нормального процесса, который позволил бы использовать руды имеющегося качества. Чтобы получить железо с использованием водорода, его нужно прямо восстанавливать. Но при прямом восстановлении не происходит расплава, как в доменной печи, поясняет эксперт. Поэтому все примеси, содержавшиеся в руде, сохраняются в железе. И далеко не каждое месторождение руды подходит для производства железа таким способом: если в районе Лебединского и Михайловского ГОКов очень хорошая руда с низким содержанием примесей, то в случае менее качественных месторождений при прямом восстановлении железа его промышленные свойства относительно классического производства ухудшаются кратно.
Когда такое железо поступает в электросталеплавильное производство, в стали, получаемой на выходе, сохраняется весь тот химический «негатив», который присутствовал в железе. «Использование такой стали возможно лишь в конструкциях, не несущих напряжения, например в арматуре, и то максимум для пятиэтажных домов,— говорит Максим Худалов.— Даже уголки и балки уже несут серьезную нагрузку. О листовом производстве нужно забыть — никакой нержавеющей или оцинкованной стали так производиться не может, не говоря уж о холоднотянутой, электротехнической и трансформаторной стали». В лучшем случае такое сырье подойдет для производства судовой стали. Таким образом, на какой-то стадии нужно вводить аналог доменного процесса, говорит господин Худалов, но доменную печь нужно чем-то топить, и расход водорода будет огромным. Не говоря уже о том, что большинство способов производства водорода требуют улавливания СО2, а если его и так придется улавливать, то не понятно, почему не использовать метан.
Время экспериментов
Таким образом, резюмирует Максим Худалов, отрасль должна решить, как добиться чистоты металла, как сделать процесс, аналогичный доменному, но использующий водород. Опыты в этой области уже проводятся.
Так, ThyssenKrupp в ноябре 2019 года запустила серию испытаний по использованию водорода в доменной печи: на первом этапе водород впрыскивался в одну из 28 фурм доменной печи №9 в Дуйсбурге, потом компания планирует задействовать водород на всех фурмах этой печи, а затем распространить опыт на все остальные. Благодаря такому решению компания ожидает прийти к сокращению выбросов CO2 на 20%.
В мае шведская Ovako провела эксперимент по замене водородом сжиженного нефтяного газа при повторном нагреве стали перед прокатом и объявила, что результаты свидетельствуют об отсутствии падения качества стали. По оценкам специалистов компании, даже на начальной фазе переход на эту технологию позволит сократить выбросы на 20 тыс. тонн в год. Далее компания собирается внедрить ее на своем заводе в Хофорсе, а потом — на других своих предприятиях.
Но пока, отмечает Максим Худалов, мощность опытных установок на фоне мирового производства стали в 1,7 млрд тонн — это очень незначительная величина. «Ждем, когда из демонстраторов появится промышленная технология»,— говорит он.
Несмотря на то, что интерес к водородным технологиям в последнее время значительно вырос, первые опыты использования водорода были более 200 лет назад, а сам водород играет значительную роль в жизни человека на протяжении более чем 100 лет (как сырье для производства удобрений, хладагент в электроэнергетике, на нефтеперерабатывающих и химических производствах, в пищевой промышленности и микроэлектронике).
Ожидается, что важную роль в производстве водорода будут играть низкоуглеродные технологии, такие как электролиз воды с использованием возобновляемой электроэнергии, применение традиционных технологий (такие как паровая конверсия метана и газификация угля) с улавливанием и захоронением СО2. Хранение и транспортировка водорода осуществляется и будет осуществляться по трубопроводам, а также в сжатом, сжиженном и связанном (металлогидриды, органические носители) состояниях.
Далее по тексту будут рассмотрены основные технологии производства, транспортировки, подземного хранения и использования водорода.
Углеродные выбросы можно оценить в 10–16 кг СО2 на 1 кг Н2 без улавливания и захоронения углекислого газа и 3–6 кг СО2 на 1 кг Н2
при улавливании и захоронении углекислого газа. Стоимость 1 кг полученного паровой конверсией метана водорода в России можно оценить в 40–60 рублей за 1 кг.
В отличие от паровой конверсии промышленные пиролизные установки для метана (рисунок 3, формула 2) сегодня отсутствуют, а сама технология больше распространена для переработки отходов (резины, пластика, активного ила водоканалов и т. д.) или для получения из метана ацетилена и этилена. В то же время, учитывая наличие у технологии явных преимуществ (например, отсутствие необходимости улавливания и утилизации/захоронения СО2) было принято решение включить ее в статью.
При пиролизе метана под при высокой температуре разлагается на твердый углерод и газообразный водород, СО2
при этом не выделяется. Однако при пиролизе метана необходимо решить вопрос с утилизацией получаемого при процессе углерода. Углеродные выбросы при пиролизе метана обусловлены выбросами на производство потребляемой в процессе пиролиза электроэнергии и, по оценкам авторов, составляют до 2,5 кг СО2 на 1 кг Н2.
Одной из наиболее перспективных технологий является производство водорода методом электролиза воды (рисунок 4). По данным МЭА, в 2020 году в мире эксплуатировалось 286 МВт электролизеров, из которых на щелочные электролизеры приходилось более 60 %, еще 31 % – на электролизеры с твердополимерной мембраной
На рисунке 4 показаны три типа низкотемпературных электролизных ячеек: популярный в мире и в России щелочной вариант, а также электролизные ячейки с протон-обменной и анион-обменной мембранами (рисунки а, б и с соответственно). В зависимости от типа ячейки на аноде и катоде происходят разные химические реакции. Для ячеек с протон-обменной мембраной деление воды на ионы водорода и кислород происходит на аноде, формирование молекул водорода происходит на катоде (3а), куда ионы водорода попадают через мембрану. В щелочных ячейках (к ним также можно отнести и ячейки с анион-обменной мембраной) вода поступает на катод, где распадается на гидроксид-ионы и водород (3б). Гидроксид-ионы через электролит попадают на анод, где из них образуются кислород и вода. Щелочные электролизеры дешевле чем электролизеры с протон-обменной мембраной и менее прихотливы к качеству воды (для щелочных электролизеров электрическая проводимость воды может быть до 20 мкСм/см, в то время как для электролизеров с протон-обменной мембраной электрическая проводимость воды не должна превышать 1 мкСм/см), в то время как электролизеры с протон-обменной мембраной более долговечны (до 40000 часов и и до 30000 часов работы у щелочных) и в них отсутствуют щелочные растворы, которые необходимо периодически менять и наличие которых усложняет эксплуатацию.
Обычно, кроме электролизных ячеек, в электролизе (или генератор водорода) также входят блоки водоподготовки, очистки и осушки водорода (например, на рисунке 5 показана схема электролизера на протон-обменных мембранах производства ООО «Поликом»). Требования по электрической проводимости электролизеров озвучены выше и устанавливаются их производителями, водород после очистки может выходить с давлением до 40 бар и чистотой 99,9 % и выше.
В зависимости от модели низкотемпературного электролизера потребление электроэнергии на выработку 1 м3 водорода составляет от 4 до 7 кВт*ч, на высокотемпературном электролизере с твердооксидной мембраной (принцип работы похож на щелочной электролизер, но на вход подается не вода, а пар) потребление электроэнергии на выработку 1 м3 водорода может быть значительно ниже и зависит от параметров пара (в теории возможно полностью термическое разложение воды на кислород и водород).
В России и сегодня в эксплуатации находятся несколько сотен электролизеров, которые производят водород для собственных нужд химических предприятий (например, Ставролен, ПАО «Лукойл»), нефтеперерабатывающих заводов (например, Московский НПЗ, ПАО «Газпром нефть»), на объектах электроэнергетики (стоят практически у всех генерирующих компаний), микроэлектроники и пищевой промышленности. Только на АЭС Росатома их общая номинальная производительность составляет 5500 м3/час, или 4200 тонн/год. Вместе с тем для производства или хранения энергии водород в стране сегодня не используется, хотя можно говорить о появлении пилотных проектов (например, водородная система хранения энергии или водородная СНЭ) будет стоять на арктической станции «Снежинка», которая в 2024 году должна быть построена в Нефритовой долине в ЯНАО. Также водородные СНЭ рассматриваются на нескольких реализуемых проектах по строительству водородных автозаправочных станций (рассматриваются варианты заправки водородных автомобилей под давлением 350 и 700 бар). Стоимость водорода с применением технологии электролиза воды, по данным авторов, начинается от 250 рублей за 1 кг (при использовании электроэнергии АЭС) и может превышать 600 рублей за 1 кг при использовании возобновляемой электроэнергии.
Кроме рассмотренных в разделе технологий большой популярностью в мире также пользуются газификация угля (более 50 % производства водорода в Китае), получение водорода как побочного продукта (до 20 % водорода, получаемого в Нидерландах).
Транспортировка и хранение
В таблице 1 представлены основные направления транспортировки и хранения водорода. Большинство представленных технологий, за исключением трубопроводного транспорта и подземного хранения, могут использоваться как для хранения, так и для транспортировки водорода.
В отличие от стран Европы и Северной Америки, где были традиционно развиты водородопроводы, соединяющие предприятия по производству водорода с его потребителями, в России этот вид транспортировки отсутствует, а водородопроводы обычно ограничиваются внутренними сетями на промышленных предприятиях или электростанциях. Строительство водородопроводов регламентируется разделом Требований к трубопроводам, арматуре и соединениям Правил безопасности процессов получения или применения металлов (утверждены Приказом Ростехнадзора от 09.12.2020 № 512): при прокладке водородопроводов применяются бесшовные стальные трубы или трубопроводы из нержавеющей стали, соединенные с применением сварки.
Небольшие объемы водорода можно хранить и транспортировать в сжатом виде в баллонах. В России наиболее часто встречаются стандартные баллоны по 40 литров, в которые водород закачивается под давлением 150 бар, следовательно, объем водорода в баллоне составляет 6 м3. Зарубежные баллонные накопители водорода в зависимости от типа способны, как правило, хранить водород объемом от 30 до 120 литров при давлении до 700 бар. В автомобильном транспорте, например, используют композитные баллоны давлением до 350 бар для легкового автотранспорта и автобусов и до 700 бар для грузового автотранспорта. Емкость ресиверов для хранения и транспортировки водорода (исключая автотранспорт, где объемы хранения водорода невелики) обычно составляет до 200 м3 с давлением до 250 бар, на водородных заправках для автотранспорта давление в ресиверах может достигать 900 бар.
Если раньше сжиженный водород в основном использовали в космической промышленности (например, на сжиженном водороде, произведенном дросселированием сжатого водорода с двумя ступенями предварительного охлаждения, работала вторая ступень ракетоносителя «Энергия», который вывел на орбиту шаттл «Буран»; на сжиженном водороде летали американские космические корабли «Аполлон» и китайские космические корабли «Чанжень»), то в последнее время рассматривается транспортировка сжиженного водорода морским и сухопутным транспортом. В 2021 году с верфи сошел японский водородовоз Suisi Frontier, первое в мире судно для транспортировки сжиженного водорода. В 2022 году состоялся первый коммерческий рейс, который доставил сжиженный водород из Австралии в Японию.
Одним из перспективных направлений хранения водорода является его хранение в связанном состоянии: в виде металлогидридов или в составе жидких органических носителей (ЖОН). Принцип хранения и транспортировки водорода в виде металлогидридов построен на том, что некоторые соединения способны поглощать и удерживать в себе водород при небольшом избыточном давлении (формула 4). Принцип технологии ЖОН заключается в том, что водород может быть достаточно легко помещен в молекулу органического носителя, в связанном виде он может храниться и транспортироваться при нормальных атмосферных условиях и дегидрироваться в месте его применения.
В настоящий момент в мире рассматривается подземное хранение водорода, как в чистом виде, так и в составе метано-водородных смесей. Обычно речь идет о соляных кавернах и куполах, также применительно к подземному хранению водорода упоминаются каверны в скалистых породах и истощенные месторождения нефти и газа. Технология впервые была применена в Техасе (США) в 80-е годы: соляная каверна располагалась на глубине 850 метров, а емкость хранилища составляла 30,2 млн м3, или 2520 тонн водорода. В случае подземного хранения водорода обычно идет речь об объемах до 300 млн м3 газа при давлении до 200 бар. В случае с подземным хранением метано-водородной смеси можно отметить пилотный проект Underground Sun Storage в Австрии: емкость хранилища составляет 1,2 млн м3, объемная доля закачанного водорода – 10 %.
Несмотря на то, что в некоторых публикациях аммиак и метанол рассматривают в качестве технологий хранения и транспортировки энергетического водорода, на наш взгляд, более правильно относиться к ним как к конечным продуктам, полученным из водорода. Это связанно с высокой востребованностью аммиака и метанола в мире, что делает малоцелесообразным выделение из них водорода. В данной статье эти технологии рассмотрены в разделе по использованию водорода.
На перерабатывающие производства в мире в 2021 году было направлено 40 млн тонн водорода, или 42,6 % от его мирового потребления. В России этот показатель составляет 27 %. На нефтеперерабатывающих заводах водород используется в процессах гидроочистки, гидроизомеризации и гидрокрекинга.
Примерно 5 млн тонн водорода в год идет на металлургию, где водород используется на прямое восстановление железа из железной руды (формула 4). Процесс протекает при температуре 1000 ℃ и позволяет избежать альтернативного восстановления с использованием кокса и доменных печей. Кроме того, высокая температура горения водорода (2048 ℃ при его сжигании в воздухе) позволяет использовать водород в качестве топлива для литейных печей.
Одним из перспективных направлений развития водородной энергетики является использования водорода в системах накопления энергии (СНЭ). В этом случае в период низкого спроса электроэнергия через промежуточный литий-ионный накопитель попадает на электролизер и идет на выработку водорода. В период высокого спроса на электроэнергию водород подается на электрохимических генератор, на топливных элементах которого из водорода получают электроэнергию и тепло. Современные электрохимические генераторы позволяют получать из 1 м3 водорода до 2 электроэнергии и до 1 кВт тепла температурой до 120 ℃, а общее КПД СНЭ при использовании тепла может достигать 70 % (электрический КПД составляет до 40 %). Этот показатель уступает литий-ионным батареям и сопоставим с воздушно-аккумулирующими (с учетом использования тепла и холода) и гидроаккумулирующими электростанциями.
Отдельным направлением использования водорода являются водородные котлы, которые целесообразно использовать в те моменты времени, когда потребность в тепле есть, а потребность в электроэнергии отсутствует. В рамках проведенного авторами исследования попадались как котлы с прямым сжиганием водорода, так и котлы с каталитическим горением водорода.
По мнению авторов, наиболее перспективным водородным направлением для России является развитие химической промышленности (производство аммиака, азотных удобрений и метанола), где страна является одним из ведущих мировых экспортеров. Это связано как с растущим спросом на водородосодержащую продукцию, так и наличием среди крупных импортеров стран БРИКС.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-00700, https://rscf.ru/project/22-29-00700/.
Статья «Технические аспекты производства, логистики и использования водорода» опубликована в журнале «Neftegaz.RU» (№10, Октябрь 2022)