Водородная энергетическая бомба

Водородная энергетика наряду с таким понятием, как возобновляемые источники энергии (ВИЭ), уже признана панацеей в борьбе за климатическую нейтральность, о чем постоянно напоминают европейские политики. Экономисты практически завершили разработку параметров водородного рынка. При этом к робкому голосу инженеров, которые напоминают о нерешенности основных технологических проблем применения H2 (водорода), мало кто прислушивается. Впрочем, кому интересны эти скучные детали о сложностях хранения, транспортировки и применения газа, омрачающие саму идею декарбонизации?

Действительно, соблазн отказа от примитивных углеводородов очень велик, о чем свидетельствует нескончаемый поток новостей о проектах внедрения водородных технологий. Из последних стоит отметить намерение Shell, Mitsubishi Heavy Industries (MHI) и Vattenfall Wärme Hamburg совместно производить «зеленый» водород с помощью энергии ветра и солнца на электростанции в Марбурге. Компании собираются построить электролизер с начальной мощностью 100 МВт, а также создать хаб зеленой энергии.

Любопытно, что при этом на днях Shell объявила, что делает ставку на свой опыт в торговле электроэнергией и быстрый рост рынков водорода и биотоплива, поскольку она уходит от нефти. Но заниматься возобновляемыми источниками энергии не собирается. Получается, что компания объявила о своем нежелании «возиться» с ВИЭ и, в отличие от Total и BP, она намерена стать посредником между производителями чистой энергии и потребителями. При этом еще в прошлом октябре Shell объявила, что увеличит свои расходы на низкоуглеродную энергетику до 25% от общих капитальных затрат к 2025 году.

Возвращаясь к водороду, стоит отметить, что в Дании Orsted объединяется с компанией Green Hydrogen Systems в рамках крупного проекта H2RES по преобразованию энергии от ветропарков в зеленый водород, часть затрат на демонстрационный проект покроет правительство Дании.

Ирландия решила участвовать в проекте по исследованию возможности производства водорода Green Hysland за счет солнечной энергии в Средиземном море. Расчетная производительность проектируемой системы должна составить 300 тонн водорода в год.

Германия первой в ЕС приняла в июне 2020 года «Национальную стратегию развития водородной энергетики» и собирается инвестировать в отрасль €10 млрд до 2023 года. Еще около €310 млн будет направлено на исследования в области использования «чистого» водорода — его производства, хранения, транспортировки, распределения и применения. В стране уже запущена электричка французского производителя Alstom, которая работает на водороде. Министерство экономики, труда и транспорта Нижней Саксонии поддержало покупку еще 14 водородных поездов на €81 млн.

В шотландском Абердине вышел на линии первый в мире парк двухэтажных автобусов, которые используют водород.

Испанский нефтегазовый гигант Repsol заявил о своих планах реализовать проект по производству синтетического топлива из зеленого водорода.

Кроме того, в ЕС представили план газотранспортных компаний по строительству водородных сетей протяженностью 23 тыс. километров.

Тяга Евросоюза к альтернативной энергетике давно известна, однако о своем неравнодушии к водороду заявили и на Ближнем Востоке. На днях стало известно, что нефтяная госкомпания Абу-Даби Adnос и два государственных инвестиционных фонда Adu Dhabi Investment Holding и Mubadala Investment Co объединились в альянс, который будет производить водород из природного газа, а также возобновляемых источников энергии.

Не хотят отставать от модного направления и в Китае. Sinopec предложила центральному правительству КНР ускорить процесс внедрения водородных технологий в транспортной отрасли по всей стране.

Стоит отметить, что раньше всего к водороду стали присматриваться в Японии, особенно после землетрясения 2011 года и аварии на АЭС Фукусима. В настоящее время в префектуре Фукусима компания Toshiba создала самый крупный в мире опытный завод по производству водорода путем электролиза. А есть еще Toyota Mirai — серийный автомобиль на водородных топливных элементах, который успешно продается по всему миру. Однако, несмотря на острую необходимость этого островного государства в альтернативных источниках энергии, массовый переход на водородные технологии так и не произошел. Тем не менее, из последних новостей примечательным является организация Страной восходящего солнца совместно с Брунеем первой в мире сети поставок водорода с использованием жидкого органического водородного носителя. Промышленная группа Kawasaki Heavy Industries, Ltd. в декабре прошлого года завершила строительство в Кобе первого в мире терминала для приема сжиженного водорода, а в сентябре 2020 года в Японии на НПЗ компании Tao Oil заводская газотурбинная электростанция «Мидзуэ» заработала на водороде. В данном проекте водород образуется при паровой конверсии метана, поставляемого в Бруней танкерами в сжиженном виде.

Россия также старается не отстать от модного водородного тренда. В новой энергостратегии, принятой летом 2020 года, наша страна уже к 2024 году должна будет экспортировать 0,2 млн т водорода, а к 2035 — до 2 млн т. По планам Минэнерго Россия способна занять до 16% мирового рынка водорода. В ноябре прошлого года заместитель министра энергетики РФ Павел Сорокин сообщал, что Россия ведет переговоры с Министерством экономики, торговли и промышленности Японии, а также рядом японских компаний по вопросу заключения соглашения на поставки в Японию водорода.

Из технологических проектов можно отметить намерение «Газпрома» и «Росатома» к 2024 году запустить пилотные водородные установки, в том числе на атомных электростанциях. «Росатом» планирует ввести в эксплуатацию опытный полигон для железнодорожного транспорта, работающего на водородных топливных элементах. 29 января 2021 года НОВАТЭК и германская Uniper подписали соглашение о взаимопонимании в области производства и поставок водорода. Кроме того, НОВАТЭК планирует построить на полуострове Ямал установки паровой конверсии метана для производства водорода.

Кстати, у России давно существуют собственные водородные технологии, о которых сейчас начинают вспоминать. Так, еще в середине 1980-х годов в КБ А. Н. Туполева создали и успешно испытали самолет Ту-155 с турбореактивным двухконтурным двигателем НК 88, предназначенным для работы на водороде или природном газе. Двигатель был создан в КБ им. Н. Д. Кузнецова (Самара) на базе серийного двигателя для Ту154 (НК 8-2).

В ноябре 2019 года в Санкт-Петербурге был испытан первый в России водородный трамвай. Машина проехала по Московскому проспекту без пассажиров. Опытную модель создали специалисты государственного предприятия «Горэлектротранс» и Центрального НИИ судовой электротехники и технологии. В энергетической установке трамвая применен принцип, который ученые из ЦНИИ СЭТ в 1980-х годах разработали для неатомной подводной лодки. Однако когда этот трамвай «доедет» до пассажиров, неизвестно.

Среди новых разработок стоит обратить внимание на водородные топливные элементы для квадрокоптеров. Экспериментальные дроны на водородных топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Очевидно, что руководство РФ серьезно относится к перспективе внедрения водородных технологий. В декабре 2020 года президент РФ Владимир Путин дал поручение премьер-министру Михаилу Мишустину к 2023 году разработать отечественные автобусы и локомотивы на водородном топливе.

Озабоченность водородной повесткой вполне понятна: «зеленый курс» Евросоюза, а теперь еще и США (новый президент страны Джозеф Байден — активный приверженец «зеленого курса») и многочисленные прогнозы роста данного энергетического сектора заставляют всех игроков энергорынка «держать руку на пульсе».

Масла в огонь подливают и различного рода прогнозы: согласно докладу Bloomberg «Перспективы водородной экономики», к 2050 году 24% мировых потребностей в энергии будет покрывать водород, а его цена снизится до уровня сегодняшних цен на газ. При наиболее благоприятном сценарии развития, отмечают эксперты Bloomberg, за грядущие 30 лет отрасль привлечет около $11 трлн инвестиций, а ежегодные продажи водородного топлива по всему миру достигнут $700 млрд. По мнению аналитиков Bank of America, к 2050 году водород будет покрывать 25% спроса на нефть и газ.

Вместе с тем, если перейти от этих бодрых новостей и обнадеживающих прогнозов к цифрам и фактам, то радужные перспективы климатически нейтрального зеленого водорода становятся не такими определенными. Кстати, в настоящее время главными производителями и основными потребителями водорода в мире являются именно нефтегазовые компании.

Согласно статистике, в 2019 году в мире потреблялось 75 млн тонн водорода, более ¾ этого объема производилось из природного газа, для чего было потрачено более 205 млрд кубометров газа, все остальное получали из угля. Электролизом вырабатывалось только 0,1% водорода, так называемого зеленого. Себестоимость водорода, полученного из природного газа, оценивается в $1,5-3 за 1 кг, стоимость водорода, произведенного методом электролиза, — в $5-7 за 1 кг.

Структура мирового потребления водорода также пока не выглядит «зеленой». Так, более 50% идет на производство аммиака, 35% расходуется в нефтепереработке и химической промышленности, 6% забирает электроника, 3% — металлургия и 2% — пищепром. Не стоит также забывать, что водород применяется и в качестве ракетного топлива.

При этом основные технологии применения водорода в промышленности и транспорте были открыты очень давно. Например, еще в 1920-е гг. немецкий инженер Рудольф Эррен реконструировал двигатели внутреннего сгорания грузовиков, автобусов и подлодок так, чтобы они могли работать на водороде и его смесях. Британец Джон Холдейн впервые предложил использовать энергию ветра для производства водорода электролизом. Но решить проблему хранения и транспортировки этого газа эффективным и недорогим способом никто до сих пор не смог. Хранение водорода по-прежнему обходится дороже, чем его производство, поскольку системы должны выдерживать либо криогенные температуры, либо высокое давление, либо содержать активные материалы, которые взаимодействуют с водой или воздухом.

Ну, а что же с транспортировкой? Если не перевозить водород в сжиженном виде, то потребуются трубопроводы. Напомним, что группа из одиннадцати европейских газовых инфраструктурных компаний только представила план создания специальной инфраструктуры по транспортировке водорода «European Hydrogen Backbone». Их исследование показывает, что существующая газовая инфраструктура может быть модифицирована для транспортировки водорода с разумными затратами. Но из этого сообщения следует, что пока она просто отсутствует!

Не менее важная проблема применения водорода заключается в его крайней взрывоопасности. До сих пор большинство аварий на нефтехимических предприятиях связано в большом числе случаев с этим элементом. Аварии отмечаются и на объектах новой водородной инфраструктуры. В частности, летом 2019 в Норвегии на одной из водородных заправок города Сандвик произошел масштабный взрыв. Ранения получили два человека, но ударная волна была такой силы, что у проезжавших рядом автомобилей сработали подушки безопасности. Правда, все это прошло без выбросов СО2, то есть климат не пострадал!

Эксперты также подсчитали, что новейшая 112-метровая мега-яхта Aqua на жидком водороде, которую создала голландская компания Sinot Yacht Design, вообще может быть прекрасным оружием. Судно готово без дозаправки пройти около семи тысяч километров, но внутри него находятся два 28-тонных резервуара. Если они детонируют, то это будет эквивалентно бомбе в 1,6 килотонн или малому ядерному взрыву. Как раз хватит, чтобы разнести какой-нибудь портовый город — взрыв будет подобен тому, что произошел 4 августа 2020 года в Бейруте, когда сдетонировала аммиачная селитра на одном из складов в порту. В начале 20 века бороться с взрывоопасностью водорода пытались антидетонационными присадками, впрочем, это все равно не смогло уберечь от катастрофы крупнейший в мире дирижабль «Гинденбург», который взорвался в 1937 году.

Научный руководитель Института теплофизики СО РАН, академик Сергей Алексеенко напоминал, что пока технологически мы не можем справиться даже с природным газом, который часто взрывается, а тут водород — это уже бомба. Кстати, он открыто заявлял, что не верит в глобальную энергетику на водороде и приводил прогноз Международного энергетического агентства, согласно которому даже к 2070 году на долю энергетики будет приходиться всего около 14% общего потребления водорода в мире.

Опрошенные «НиК» эксперты в свою очередь подтвердили, что до сих пор водород является одним из главных «виновником» аварий на химических производствах. Касаясь европейской декарбонизации, они заметили, что пока объекты водородной энергетики ЕС в лучшем случае находятся на стадии опытно-промышленной эксплуатации, инфраструктуры для производства, транспортировки и хранения этого газа нет. Не говоря уже о правовой базе, в которую, например, должны входить нормативы по предельно допустимым объемам перевозки водорода транспортными средствами и т. д. Тем не менее, мировой политический истеблишмент переубедить очень сложно — он крепко уверен в своей водородной правоте и всем мировым нефтегазовым компаниям надо будет с этим жить.

Мейнстрим на уровне энергополитики

Главный директор по энергетическому направлению «Института энергетики и финансов» Алексей Громов напомнил, что водород стал одним из составляющих элементов стратегического развития ЕС в части ускоренного перехода к низкоуглеродной энергетике. «В июле 2020 года была опубликована европейская водородная стратегия, до этого была опубликована стратегия Германии, и мы понимаем, что водород сегодня — это мейнстрим на уровне энергополитики, а не дань технологической моде», — заявил эксперт.

При этом с экономической точки зрения производство «зеленого водорода» в заявленных Европой масштабах — это дорогое удовольствие: «Пока получается, что производство „зеленого“ водорода будет в 3-4 раза дороже традиционного способа, при котором выделяется СО2. Снизить себестоимость „зеленого“ водорода можно как раз за счет объединения технологических усилий нескольких игроков на рынке и за счет эффекта масштаба. Это принципиальная задача для реализации европейской водородной стратегии. Для этого компании уровня Shell и организуют совместные инициативы в этой области», — отметил Громов.

Он также указал, что в условиях разворота международной энергетической повестки в сторону низкоуглеродных технологий, который особенно наблюдался в 2020 году, мировые нефтегазовые компании вынуждены искать себе нишу для постепенной трансформации своего бизнеса, в том числе и в области производства водорода. «В ближайшие 10-15 лет большая часть международных компаний совершит разворот от нефтегазовой специализации в пользу более широкого спектра энергоносителей. После 2030 года именно низкоуглеродная энергетика будет определять развитие мировой энергосистемы», — резюмировал Громов.

Директор Российского газового общества Роман Самсонов в свою очередь отметил, что применение водорода в энергетике пока вызывает много вопросов. Однако, по его словам, в Евросоюзе на данное направление тратятся огромные средства и научные силы: «Европейцы все свои вопросы решат, это чисто технологические проблемы, а вот России надо поторопиться и начать уже серьезную самостоятельную работу в области водородной энергетики», — заметил Самсонов.

Водород приучит к скромной жизни

Президент фонда «Основание» Алексей Анпилогов напомнил, что идея перехода на водород старая: «Мы до сих пор не научились хранить электроэнергию. Водород, хотя и дорог в производстве, но является одним из самым доступных способов хранения электроэнергии», — пояснил эксперт. В то же время он рассказал, что пока в Европе водородная инфраструктура просто отсутствует. «Ее нужно будет создавать, причем существующую газовую инфраструктуру для этих целей переключить на использование водорода будет очень сложно. Водород летучий, для него не является преградой даже нержавеющая сталь. Он очень легкий, плотность этого газа составляет всего 10% от плотности воды. Эти физические свойства сильно осложняют его промышленное применение, хранение и транспортировку», — пояснил эксперт.

По его словам, европейцам никто не может запретить переходить на водородную энергетику, как не запрещали ветряки с солнечными батареями, но позеленение Европы привело к росту оптовой и розничной стоимости электроэнергии: «Например, в Германии уже полностью умерла такая простейшая операция как механическая обработка деталей даже на станке ЧПУ. Это произошло из-за высокой стоимости электроэнергии. Сейчас немецким предприятиям уже выгоднее заказать механическую обработку в Китае. В этом и заключается проклятье зеленой энергетики. После активного внедрения водорода и еще больше декарбонизации в такой же ситуации окажется металлургия, потому что для получения металла требуется использование коксовых батарей. Цемент — это обжиг клинкера из известняка, обжигать водородом будет очень дорого. Поэтому кроме металлургии умрет и европейское производство стройматериалов», — рассказал Анпилогов.

Ветряки и солнечные батареи — это инвестирование по неэкономическим мотивам, водород ускорит этот процесс, но в Европе к этому уже все привыкли, подчеркнул эксперт.

Нефтяники боятся повторить судьбу Polaroid

Ведущий аналитик Фонда национальной энергетической безопасности, эксперт Финансового университета при Правительстве РФ Игорь Юшков считает, что нефтегазовые компании просто вынуждены заниматься водородными технологиями, поскольку определенные банки либо вообще отказываются кредитовать добычные проекты, либо собираются это делать под более высокие проценты. «Компании вынуждены диверсифицировать свои направления работы. Они боятся повторить судьбу Polaroid (компании, которая в свое время считала, что дальше моментальных снимков технологии не пойдут, и пропустила развитие цифровых фотоаппаратов). Нефтяники хотят продолжать заниматься энергетикой и меняться вместе с ней», — заметил эксперт.

По его словам, водород как вариант сохранения энергии — тема очень модная. «Европейские идеологи зеленого пути объявляют, что в энергетике должно остаться только ВИЭ в связке с водородом. Ископаемое топливо должно уйти, атом неприемлем, термоядерный синтез — это история. Интересно, что в Европе научная дискуссия по вопросу целесообразности внедрения ВИЭ и водорода просто запрещена», — рассказал Юшков.

Резюмируя все выше сказанное, стоит отметить, что водородная энергетика в ближайшее время сможет аккумулировать значительную часть инвестиций, причем, судя по недвусмысленному посылу компании Shell, ветрякам и солнечным батареям придется с ней поделиться. Европейские потребители от этой чистой энергии еще сильнее обеднеют, поскольку нынешний энергопереход, в отличие от промышленных революций прошлых лет, ведет к ухудшению экономического качества жизни населения. Да и вопрос о быстром создании технологий, которые позволят водороду практически полностью вытеснить ископаемое топливо, остается открытым. Ведь до сих пор справиться с взрывоопасным газом никому не удавалось.

Екатерина Вадимова