Водород уже не тот

Одной из излюбленных тем, обсуждавшихся в деловом и медийном сообществах в 2020–2021 годах, был ожидаемый переход на использование водорода. Шли бурные дискуссии о целесообразности того или иного метода его получения, способах хранения и транспортировки, направлениях применения.

И, естественно, о сроках практического воплощения в жизнь тезиса «чистый водород — в каждый дом». Одни ожидали, что водородный переход произойдет лет эдак через 30-40 и от природного газа, угля и нефти быстро отказаться не получится, другие допускали, что водородная энергетика уже не за горами. Публикации, посвященные элементу № 1 (к слову сказать, самому распространенному во Вселенной), в интернет-изданиях множились из месяца в месяц.

После начала специальной военной операции России на Украине и введения властями США, Европейского союза и их сателлитов беспрецедентных по жесткости санкций против нашей страны информационный бум вокруг светлого водородного будущего всего прогрессивного человечества быстро утих. Даже стало создаваться впечатление, будто интерес к водороду полностью угас и благоприятных перспектив у него нет — цены на углеводородное сырье на мировом рынке рванули вверх, заставив его крупнейших игроков пересмотреть ранее намеченные планы, инвестиционные программы и стратегии по поводу отказа от добычи нефти и природного газа и масштабных вложений в альтернативную энергетику.

Действительно, стоимость углеводородов сегодня находится на высоких уровнях, не наблюдавшихся уже много лет. Нефть торгуется выше $100 за баррель, и никого уже не удивляют прогнозы по поводу подъема ее стоимости до $150 в случае прекращения Россией ее экспорта в результате санкционного давления. Цена голубого топлива в Европе, равная $2,5 тыс. за 1 тыс. кубометров, тоже не вызывает возгласов изумления (равно как и восторга) ни у аналитиков, ни у жителей Германии или Франции — все отлично понимают, что «Северный поток-1» может работать с 20%-процентной загрузкой сколь угодно продолжительное время и «Газпром» компенсирует провал прокачки в Европейский союз за счет роста доходов от продажи дорогого природного газа в Азию — там не прочь его покупать, особенно если по старой дружбе им дадут хорошую скидку (на худой конец, можно уделить более пристальное внимание газификации регионов России, например, в Мурманской области о ней в буквальном смысле слова мечтают).

Но проблематика перехода на водород никуда не исчезла ни в мире, ни в России. Скорее даже наоборот, она постепенно становится гораздо к актуальнее, чем прежде.

Не мудрено-то при подобных ценах на нефть и природный газ и западных санкциях, которые однозначно надолго и всерьез. И вот тут-тот снова возникают подзабытые вопросы: как лучше получать водород, как его транспортировать и где использовать.

Давайте разберемся с ними по порядку. Генерировать водород, как известно, можно несколькими способами: газификацией угля, паровой конверсией и пиролизом метана, электролизом воды. Можно получать его из твердых бытовых отходов или из водорослей.

Газификация угля не очень подходит, хотя она считается старейшим способом извлечения угля, — слишком много будет вредных выбросов. Тем не менее, ее не стоит сбрасывать со счетов — по имеющимся оценкам 25% водорода на планете производится за счет угля. С твердыми же бытовыми отходами намучаешься, с водорослями тоже. Тогда остаются лишь два вида сырья — вода и метан.

Именно на метан, содержащийся в природном газе и нефти, приходится сегодня 75% выработки аммиака. Используют же его в основном там, где он генерируется, — на нефтеперерабатывающих и химических заводах. На первых он «задействован» в каталитическом крекинге и гидроочистке бензина и дизеля, на вторых — в синтезе аммиака, необходимого для выпуска азотных удобрений и выступающего в качестве самостоятельного продукта, востребованного во многих отраслях.

Ключевое преимущество водорода, извлекаемого из метана, — дешевизна: $1,7-2 за килограмм водорода из метана против $5-10 при электролизе воды.

Многое зависит от того, какой источник электричества (атомная энергия, сила воды или ветра, солнечный свет) и сколько стоит на рынке природный газ.

У России имеется неоспоримое преимущество по сравнению с США и Европейским союзом — у нас в стране тарифы на электроэнергию и природный газ регулируются государством, и оно не намерено допускать их скачков. За кордоном энергетический рынок либерализован, и поэтому тамошнему населению и промышленности в настоящее время приходится несладко.

Вырабатывать водород в России лучше в потенциально крупных центрах его потребления — либо создавая установки паровой конверсии и пиролиза на существующих нефтеперерабатывающих предприятиях, либо размещая отдельно в промышленных зонах, либо организовывая электролиз воды на атомных и гидроэлектростанциях (ряд их находится недалеко от больших городов).

Как раз сегодня «Росатом» создает испытательный комплекс электролиза воды на Кольской атомной электростанции, комплекс должен заработать в 2025 году. Входящее же в состав «Росатома» конструкторское бюро «Африкантов» проектирует ядерный ректор для синтеза водорода без эмиссии углекислого раза в атмосферу, он надежный и безопасный в эксплуатации.

Следующий момент — способ транспортировки. Частично водород можно будет применять в местах его генерации, частично — отправлять в другие районы. Здесь можно будет использовать существующую в России газотранспортную систему, правда, не стоит забывать: водород менее плотен относительно метана и взрывоопаснее его. Возможно, потребуется серьезная модернизация существующих газопроводов и связанной с ними энергетической инфраструктуры.

Есть и другой вариант — доставлять водород до места назначения в сжатом и сжиженном виде в цистернах. Тут есть ограничения по расстоянию транспортировки: для сжатого водорода — 300 километров, для сжиженного — 4 тыс. километров. Плюс надо понять, каким же образом хранить водород — под землей или в специальных емкостях.

Между тем существует метод, позволяющий избежать значительных издержек, связанных с доставкой и сохранением водорода, — применить палладий, обладающий интересным свойством, а именно способностью впитывать водород в объеме в 90 раз больше собственного объема.

Аргументы против этого метода — мол, палладий дорог и тяжел — несостоятельны. Тонна алюминия не легче тонны палладия, дороговизна — понятие относительно (бывают сплавы алюминия, не уступающие по стоимости палладию). Зато диффузия водорода в палладии приводит его в квазижидкое состояние, обеспечивающее легкую отдачу газа при сравнительно невысокой температуре (не считая его эффективности в ходе термокатализа метана).

Любопытная деталь: в США и ЮАР добыча палладия на протяжении нескольких лет падает быстрыми темпами. В России ее снижение идет не столь стремительно, и вот почему: наш «Норильский никель» корректирует добычу и выпуск палладия в зависимости от спроса на этот металл (ослабленного в 2020–2022 годах пробуксовкой глобального автопрома), не желая рушить цены на него на глобальном рынке. Одновременно «Норникель» существенно прирастил запасы палладия. Его конкуренты Anglo American Platinum, Lonmin, Royal Bafokeng Platinum, наоборот, не смогли расширить собственную сырьевую базу из-за неудачных геологоразведочных работ, поэтому у них добыча сильно просела.

Данные факты закладывают основу для водородного перехода, и его драйвером может выступить автомобилестроение.

Недаром разработкой водородных машин занимаются Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler, Honda и даже КамАЗ. Конечно, неудачи неизбежны. Основные аргументы против водорода — его взрывоопасность и отсутствие достаточного числа зарядных станций.

Однако взрывоопасны не только водород, но и метан, бензин и дизельное топливо, — взлететь на воздух могут и машина, и целый дом. Создание сети зарядный станций — вопрос времени. Главный вопрос будет лежать в плоскости экономики: необходимо уменьшить стоимость автомобилей, ездящих на водороде. И это реально, ведь технологии неуклонно прогрессируют — достаточно вспомнить, сколько стоили мобильные телефоны 20 лет назад, а сколько в наши дни.

Не мешало бы приступить к подготовке правовой базы по применению водорода, пока дело ограничивается утвержденным в 2020 году планом мероприятий по развитию водородной энергетики до 2024 года. В Южной Корее в 2021 году был принят закон, регулирующий его оборот по трем направлениям: достижение прозрачного ценообразования на водород, формирование инфраструктуры для хранения и заправки водородом автомобилей и обеспечение должной безопасности водителей и пассажиров. Он нацелен на реализацию амбициозных задач — строительство в Южной Корее 1,2 тыс. зарядных станций, вывод на маршруты 80 тыс. водородных такси, 40 тыс. автобусов и 30 тыс. грузовиков к 2040 году.

Принятие аналогичных законов в разных государствах может быть не за горами. В Польше до конца 2022 года планируется утверждение «Конституции о водороде». И даже без законов процесс двигается — в Осло и Роттердаме катаются водородные автобусы, в Париже есть парк такси.

Нельзя сбрасывать со счетов перспективы использования водорода в рельсовом транспорте.

Еще в 2018 году французский Alstom отправил курсировать в порядке эксперимента водородный пассажирский поезд Coradia iLint по маршруту между городами Букстехуде и Куксхафеном, находящимися на северо-западе Германии. На его крыше была установлена цистерна с водородом и топливный элемент, преобразующий его энергию в электрический ток. Образующиеся в процессе движения излишки электроэнергии передаются на литий-ионные аккумуляторы, которые можно включить в случае полного истощения запаса водорода в баке.

Испытания прошли успешно, и в июле текущего года 14 штук Coradia iLint стали ездить между двумя городами на регулярной основе. Coradia iLint разгоняется до 140 километров в час и на одной зарядке бесшумно пролетает 1 тыс. километров. Они обошлись в 86 млн долларов (включая контракт на 30-летнее обслуживание) и были переданы железнодорожному оператору Eisenbahn und Verkehrsbetriebe Elbe-Weser (EVB), приобретшему их частично за счет собственных средств, частично за счет субсидий, предоставленных правительством Германии.

В ближайшие годы в Германии должно заработать двое парков водородных поездов. До конца 2022 года 27 Coradia iLint приступят к перевозке пассажиров к западу от Франкфурта-на-Майне, заряжаясь водородом на станции, построенной в его пригороде. Пару лет спустя семь поездов Mireo Plus-H, созданных Siemens, будет ездить на линии к северу от Берлина. Их скорость выше, нежели у Coradia iLint, — 160 километров в час.

В России машиностроительные компании тоже не сидят сложа руки. «Трансмашхолдинг», «Росатом» и администрация Сахалинской области намерены к 2024 году выпустить и обкатать собственный водородный пассажирский поезд. «Газпром» и РЖД прорабатывают вопрос об их курсировании на железной дороге «Обская — Бованенково — Карская» (самой северной в мире) для перевозки грузов, предназначенных для освоения углеводородных месторождений Ямало-Ненецкого автономного округа, «РусГазКрио» и «Криомаш БЗКМ» проектируют «Голубой вагон» — прицепной энергетически тендер к действующим локомотивам.

Так что прогресс не остановить. К 2030 году можно прогнозировать потребление водорода в мире в пределах 150-200 млн тонн, из них в Китае -35-40 млн тонн (в целом в дружественных России странах — до 50 млн тонн). У нас есть шанс занять в нем достойную нишу, доведя экспорт водорода до 5-10 млн тонн.

Предпосылки очевидны — огромная минерально-сырьевая база углеводородного сырья, наличие атомных и гидроэлектростанций, квалифицированные инженерные кадры, фундаментальная наука, не потерявшая накопленных знаний за бурные 1990-е годы, поддержка на государственном уровне. И как бы ни было тяжело, овчинка выделки стоит.