Водородное озеленение: экологичные технологии для нового топлива

Одной из ключевых тем Летней энергетической школы «Сколково» стало будущее водорода. Судя по всему, в ближайшие 10–15 лет основными его производителями будут нефтегазовые компании. Но с точки зрения экологии перспективнее водород, произведенный за счет безуглеродной электроэнергии.

Водород в основном используется для производства аммиака, обессеривания нефти и получения легких нефтепродуктов. Спрос на мировом рынке — ​около 80 млн т в год, но предполагается, что скоро картина радикально изменится. Дело в том, что водород рассматривают в качестве нового энергоносителя — ​для транспорта, промышленности и отопления. Это секторы, в которых до недавнего времени декарбонизация не была императивом.

Большой переход

В мировую энергетическую повестку водород вошел, когда стало понятно, что простым наращиванием генерации на возобновляемых источниках углеродный след не сократить. Тогда же возникло понятие «энергопереход». Его часто трактуют как переход от ископаемых источников к возобновляемым, что, по мнению профессора Гронингенского университета Махтельд ван ден Брук, неверно. Правильнее говорить о такой трансформации ТЭКа, чтобы через 30 лет выбросы были нулевыми и даже отрицательными — ​с изъятием углерода из атмосферы.

Пара слов о «водородных цветах». При производстве «серого» (паровой риформинг без улавливания углекислого газа) выбросы СО2, по разным оценкам, составляют 9–15 кг на килограмм водорода. «Голубого» (паровой риформинг с улавливанием СО2) — ​1 кг СО2. «Бирюзовый» получают пиролизом, продукты реакции — ​водород и твердый углерод. У «зеленого» (электролиз на установках, работающих от ВИЭ) выбросы нулевые. Гендиректор компании — ​производителя промышленных газов «Н2 Чистая энергетика» Алексей Каплун обращает внимание на то, что в экспертном сообществе не выработана единая позиция по статусу водорода, полученного с использованием атомной энергии. Его называют то «желтым», то «пурпурным», хотя правильнее было бы — ​«зеленым»: на АЭС парниковые газы не образуются.

Технология парового риформинга метана у нефтегазовых компаний давно отлажена, поэтому им, говорят эксперты, проще, чем остальным потенциальным участникам рынка, развернуть массовое производство водорода.

Что делать с углеродом?

Хотя основных технологий производства водорода три (паровой риформинг, электролиз и пиролиз), у каждой много подвидов, которые отличаются оборудованием, реагентами, катализаторами, физическими и химическими параметрами. Директор Института нефтехимического синтеза им. Топчиева РАН Антон Максимов описал в своей лекции даже смешанный вариант — ​риформинг с электролизом: для разогрева используется электроэнергия, а выделяемый кислород возвращается в процесс для дополнительного повышения температуры.

Антон Максимов рассказал о технологии пиролиза метана (разложении на углерод и водород с помощью нагрева) в расплавленном металле. Одними из первооткрывателей технологии были исследователи из ФЭИ им. Лейпунского. В 1990‑е появилась статья на эту тему, технологическая схема была опубликована в 2008 году. «Процесс выглядит очень привлекательно, хотя управлять таким необычным растворителем довольно сложно. Пока промышленной технологии нет, но она может появиться в России», — ​отметил Антон Максимов.

Один из ключевых вопросов пиролиза — ​что делать с углеродом, который остается после выделения водорода. Можно захоронить, как углекислый газ. Если сравнить затраты на улавливание и захоронение СО2 (риформинг), то хранение углерода проще и дешевле. По словам Сергея Потехина, гендиректора компании «Грасис», которая специализируется на разделении газов, — «раз в сто». Но просто закапывать углерод жалко, это продукт, на который есть спрос. Правда, рынок дешевого углерода (сажи) сравнительно небольшой. Можно пойти на другие рынки — ​делать из углерода графит, углеродное волокно и нанотрубки, добавки для строительных материалов, композиты на основе керамики, карбиды и проч. На них цена выше, но, как отмечает Антон Максимов, она неизбежно упадет при появлении большого объема продукции.

Для экологизации (читай легитимизации) парового риформинга необходим захват, утилизация и хранение углекислого газа (carbon capture, utilisation and storage, CCUS). Захоронение СО2 делает производство 1 кг водорода дороже примерно на один доллар. Хотя, по словам директора по альтернативной энергетике и шельфовым технологиям «Новатэка» Дмитрия Акимова, экономическая эффективность проектов декарбонизации производства водорода возрастает за счет их масштабирования.

Закачка СО2 в пласт для увеличения дебита нефтегазовых скважин, захоронение в геологических полостях, добавление в бетон — ​давно известная практика. Есть и новые предложения: соединять углекислый газ с водородом, уже «зеленым», чтобы получить «озелененный» синтез-газ, или в реакции с водой получать этилен. И синтез-газ, и этилен — ​сырье для многих видов химической продукции.

Главная проблема технологии электролиза, особенно с использованием электроэнергии из возобновляемых источников, — ​себестоимость такого водорода в пять и более раз выше по сравнению с водородом, полученным паровым риформингом без улавливания СО2.

Миллионы на стратегию

Многие страны принимают водородные стратегии, запускают разные схемы господдержки водородных проектов. Так, по данным Колумбийского университета, в 2020 году правительство Японии направило 664 млн долларов на поддержку водородной инфраструктуры и проектов с Австралией, Брунеем, Саудовской Аравией. Евросоюз субсидировал расширение производства электролизеров в том же году на 609 млн долларов. В Великобритании на исследования и инжиниринг в рамках создания «зелено-голубых» промышленных узлов потратили 238 млн долларов. У США есть демонстрационные водородные проекты. С их помощью в Штатах планируют создавать рабочие места в экономически неблагополучных регионах. В России пока водородной стратегии нет, есть только дорожная карта.

Старший аналитик Центра энергетики Московской школы управления «Сколково» Юрий Мельников привел примеры зарубежных водородных проектов. Так, в Великобритании консорциум энергокомпаний разрабатывает кластер Zero Carbon Humber — ​установку риформинга с закачкой СО2 в пласт под шельфом Северного моря. Окончательное инвестиционное решение по Zero Carbon Humber должно быть принято в 2023 году. Проект NortH2 норвежской Equinor при участии Shell, Groningen Seaports, Gasunie и RWE — ​производство «зеленого» водорода в офшорном ветропарке возле побережья Нидерландов, мощность которого достигнет почти 1 ГВт к 2027 году, 4 ГВт к 2030‑му и превысит 10 ГВт к 2040‑му. В Equinor надеются, что NortH2 сможет обеспечивать энергией основные промышленные кластеры Северо-Западной Европы. В Китае Sinopec строит сеть водородных заправок: 27 уже есть, план до 2026 года — ​1 тыс. Водород «серый», зато, если использовать водородные топливные элементы вместо бензиновых и дизельных двигателей, количество выхлопов сократится. В США планируют масштабный для новой отрасли проект: построить IPP Renewed — ​водородную ТЭС мощностью 840 МВт на месте угольной станции.

Перспективные эксперименты

Водород признан перспективным источником энергии для транспорта, но Махтельд ван ден Брук считает, что это не так, и приводит свои подсчеты. 100 кВт·ч в автомобиле на литий-ионных аккумуляторах сразу поступают в батарею. В автомобиле на водороде они проходят долгий путь от электролизера до топливного элемента. Энергия теряется при работе оборудования, транспортировке, хранении — ​в общей сложности 70 %. У литий-ионных аккумуляторов потери — ​менее 30 %. При прочих равных энергии, «дошедшей» до аккумулятора, хватит на 365 км, до водородных элементов — ​на 120 км.

Оригинальный способ перемещать водород предложил директор научного направления, заведующий отделением «Сверхпроводящие и криорезистивные провода и технологии их производства» ВНИИ кабельной промышленности Виталий Высоцкий — ​транспортировать водород в жидком виде по трубопроводам, а внутрь трубы вкладывать сверхпроводящий кабель. Дело в том, что для приобретения материалом сверхпроводящих свойств необходима температура не более 100 К, а лучше — ​около 20, как раз как у жидкого водорода. Виталий Высоцкий и его коллеги впервые в мире провели два натурных эксперимента. В первом кабель длиной 10 м из диборида магния просто уложили в криостат. Водород передавал мощность 30 МВт, кабель — ​еще 50. Второй эксперимент провели на линии из трех сегментов. Первая секция в криостате была идентична первому эксперименту. Во второй был дополнительный путь для откачки водорода, чтобы за счет снижения давления снижать температуру. Третий участок — ​криостат «труба в трубе»: внутри — ​жидкий водород, снаружи — ​жидкий азот. Передаваемая водородом мощность достигала 60 МВт, кабелем — ​75 МВт. Плотность потока мощности составила 2 МВт/см2 при относительно небольшом токе — ​параметры, сопоставимые для перекачки нефти или газа.

Эксперименты научные, поэтому выкладок о себестоимости транспортировки энергии таким способом пока нет.

Что дальше?

Главное условие для развития водородной энергетики сформулировал вице-президент «Шлюмберже Россия и Центральная Азия» Артем Карапетов: «Должен быть рынок для подобного рода инвестиций». Оценки эксперты Летней школы делали, ориентируясь на мировой рынок энергоносителей. А он — ​прежде всего, в Германии и странах Азиатско-Тихоокеанского региона, по словам Алексея Каплуна, после 2035 года намерен сконцентрироваться на водороде, производимом с помощью электролиза на ВИЭ.

Пока водород, произведенный электролизом с использованием безуглеродной атомной энергетики, не признан зеленым. Споры о том, что энергию атома, используемую для электролиза, с помощью которого производят водород, можно признать столь же зеленой, как и ВИЭ, идут, и точка в них еще не поставлена.