Водородная революция. Почему в мире столько говорят о новом виде топлива и причём здесь Украина
Дождались: до Украины, похоже, докатилась всемирная волна интереса к развитию водородной энергетики, которая вот уже много лет широко обсуждается в мире.
Ещё летом СМИ сообщили о том, что министр иностранных дел Кулеба предложил США инвестировать в создание на Украине инфраструктуры по производству водорода и его транспортировки в западную Европу. А 6 июля глава украинской ГТС Сергей Макогон заявил, что газотранспортная система Украины не останется без дела даже в случае, если Россия откажется использовать её для транспортировки газа в ЕС. А в качестве одной из альтернатив была предложена именно транспортировка водорода.
Почему именно водород и зачем вообще Европе водород, да ещё в таких количествах, что его надо качать через ГТС? Давайте разберёмся.
В чём суть?
Идея предельно проста. Большая часть современной энергетики до сих пор основана на сжигании углеводородов. Причём даже если опустить вопрос неизбежного исчерпания запасов ископаемых углеводородов (его вроде бы можно решить, по крайней мере, в теории, посредством разных биогазов и биодизелей), одна проблема остаётся нерешаемой: при сжигании углевдородов неизбежно выделяется углекислый газ. А это парниковый газ, загрязнение атмосферы которым считается одной из главных причин изменений климата.
Альтернативой углеводородной энергетике стала зелёная (солнечные и ветровые станции), а также атомная и гидроэнергетика. Однако это не решает проблемы.
Альтернативные источники энергии имеют массу собственных слабых мест. Так, солнечные станции по определению работают только днём. Ветровые сильно зависят от капризов погоды: из-за безветренной погоды в 2021-м году в Британии разразился неслабый энергетический кризис. Плюс — «зелёная» энергетика, хоть и сильно подешевевшая за минувшие годы, всё равно пока остаётся весьма недешёвой.
«Мирный атом» этими недостатками не страдает, но у него свои проблемы — и мы сейчас не о риске аварий, а о том, что АЭС эффективно работают лишь в стабильных режимах. То есть реактор выдаёт одну и ту же мощность с утра до вечера, 24 часа в сутки, семь дней в неделю, 12 месяцев в году. Потребление электроэнергии той же стабильностью не отличается: зимой потребление выше, чем летом, днём выше, чем ночью, в будние дни выше, чем в выходные.
В теории можно, конечно, строить т.н. компенсационные станции, запасающие энергию в периоды, когда потребление низкое, и выдающие её тогда, когда оно возрастает. Чаще всего это гидроаккумулирующие станции вроде Киевской ГАЭС: в периоды, когда энергия в избытке, ею запитывают насосы, которые закачивают воду в водохранилище.
Когда же возникает дефицит, воду из водохранилища выливают, и по пути она вращает турбины электрогенераторов. Вариант рабочий, но недешёвый, требующий много места и приводящий подчас к уничтожению экосистем.
Киевская ГАЭС
А что хуже всего — все «альтернативные» способы генерации решают лишь проблемы с энергоснабжением. Для транспорта углеводородная энергетика альтернатив практически не имеет. Да, электромобили в моде, но уже сейчас понятно, что их использование будет ограниченным. Для перевозок на дальние дистанции они годятся плохо, об авиации и вовсе можно забыть: самолёты с электромотором долго останутся причудой небедных энтузиастов.
Так вот: водород, по крайней мере в теории, позволяет решить все эти проблемы, причём одним махом.
Действительно, сжигать водород не многим труднее, чем тот же природный газ, причём в результате никакого углекислого газа и никаких вредных выборов не образуется — один чистый водяной пар. Заменив углеводороды просто водородом, проблему углеродного следа можно решить раз и всегда — и без существенных потерь в качестве. Хоть автомобиль им заправляй, хоть в газовую конфорку запускай...
Правда, природный газ — на то и природный, что его можно взять и добыть из-под земли в готовом виде. С водородом этот фокус не выйдет: в природе в чистом виде он в товарных количествах не встречается: его надо производить искусственно, затрачивая на это энергию.
Способы производства есть разные, и многие из них тоже порождают пресловутый углеродный след, а также — и это главное! — сильно различаются по стоимости.
Больше водорода, хорошего и разного
Самый очевидный способ — это электролиз воды: именно так получают водород на уроках химии в школе. Под действием электрического тока молекулы воды разделяются на атомы водорода и кислорода, которые затем попарно соединяются в молекулы этих газов. Осталось только выделить из смеси водород — и готово! Плюс этого метода — полное отсутствие вредных отходов. Минус — высокая цена. Даже при использовании дешёвой атомной энергии стоимость 1 килограмма водорода составляет около 4—6 долларов, тогда как, по оценкам американских экономистов, стать реальной альтернативой углеводородной энергетике водородная сможет при цене не выше 4 долларов.
А если использовать «чисто зелёные» методы, в которых электричество поставляют солнечные или ветровые электростанции, то стоимость килограмма водорода взлетает до космических 13—15 долларов за килограмм!
Можно получать водород и более дешёвыми способами, например, с помощью паровой конверсии углеводородов: уголь или газ смешивают с водяным паром и нагревают до 1000 градусов Цельсия без доступа кислорода. При таком методе стоимость килограмма водорода падает до 2—3 долларов за килограмм, что уже на границе окупаемости.
Но в процессе помимо водорода выделяется тот же углекислый газ или его родственник — газ угарный, монооксид углерода. То есть, с чем боролись, за то и напоролись. Тем же недостатком обладает получение водорода сходным способом из биомассы: ископаемый уголь тут не используется, но с углеродным следом тоже проблемы.
Теоретически, конечно, выделяющиеся в процессе соединения углерода можно улавливать и утилизировать. Но это повышает стоимость процесса.
Наиболее перспективными считаются методы, связанные с биологическими процессами: водород производят в ходе своей жизнедеятельности некоторые бактерии и водоросли. В этой области сегодня ведутся активные исследования в США, Японии и других странах.
Способы использования
Как мы уже говорили выше, по сути, водород можно использовать в тех же целях, что и природный газ, только лучше (у него выше удельная теплота сгорания).
Транспорт? Не вопрос. Автомобили с двигателями на водороде уже разработали многие автомобильные концерны, такие как Toyota, Nissan, Hyundai, BMW, Audi, Ford и другие. Например, выпускается водородный вариант Ford E450, а у BMW есть двухтопливный (водород или бензин) Hydrogen 7.
По улицам Лондона уже бегают водородные автобусы Mercedes Benz Citaro, а водородные автобусы от КамАЗ собираются выпустить на улицы Москвы в 2022-м.
В Дании водородный поезд курсирует между городами Вемб, Лемвиг и Тюборон с 2011-го. В Германии первый водородный поезд запущен в 2018-м, Франция планирует запустить 12 водородных поездов в регионах Бургундия, Франш-Конте и Окситания. А Airbus намерен в 2035 году начать выпуск самолётов с водородными двигателями на 100—200 пассажиров и с дальностью полёта без дозаправки в 3700 км.
Линейка водородных самолётов Airbus Zero
Отопление? Водород можно сжигать в водогрейных и тому подобных котлах точно так же, как природный газ. Соответствующие установки уже производят в США, Китае, Японии, Канаде и России. Как правило, такие установки вырабатывают не только тепло, но и электричество. В настоящее время основной упор делается на установки малой мощности, предназначенные для отопления и энергоснабжения частных домов, в том числе и в сельской местности.
На пути к водородному будущему
Эксперты Hydrogen Council полагают, что к 2050 году при сжигании водорода будут получать 18% всей энергии в мире, причём его годовое потребление возрастёт с нынешних 100 миллионов тонн до 370, а 2100 году — до 800 миллионов тонн.
Путь этот будет непростым. Потребуются не только технологии как можно более дешёвого производства водорода, но и создание инфраструктуры по его транспортировке: трубопроводы, танкеры, водородные терминалы, АЗС и многое другое.
Существуют и чисто технические проблемы. Водородному транспорту ввиду низкой плотности данного газа потребуются существенно большие баки. Кроме того, водород горит при гораздо большей температуре (2800), чем метан (2000 градусов), что потребует массового использования более жаропрочных материалов. Также из-за высокой взрывоопасности водорода при обращении с ним требуется существенно более высокий уровень безопасности. Над решением этих и других проблем инженерам ещё предстоит поломать головы.
Всё это требует денег, и немалых. Но правительства многих стран мира готовы вкладывать их уже сейчас. Государственные программы развития водородной энергетики имеются в США, ЕС, Китае, Японии, Индии и России.
Россия, к примеру, планирует к 2024 год поставлять на экспорт до 33,4 миллионов тонн водорода, а к 2030 году занять не менее 20% мирового рынка данного вида топлива. Развивать водородную энергетику планируют в первую очередь на Дальнем Востоке: в Хабаровском крае, на Камчатке и Сахалине.
Евросоюз планирует увеличить мощность установок по производству водорода с нынешних 0,1 до 6 гигаватт уже к 2024 году, к 2030-му выйти на показатель в 40 гигаватт, а в 2050 иметь в распоряжении до 500 гигаватт мощности.
В целом объём инвестиций в водородную энергетику в мире до 2050 года оценивается примерно в 500 миллиардов долларов.
Как водород изменит мир
Учёные уже называют происходящие процессы предвестником новой энергетической революции, которая изменит мир не меньше, чем переход с угля на нефть в первой половине XX века или массовое распространение атомной энергетики во второй его половине. И не исключено, что изменения будут даже более масштабными.
Наиболее перспективные электролизные технологии производства водорода делают его возможным практически где угодно, где есть вода, причём даже её не требуется какое-то запредельное количество, и эта вода может быть как пресной, так и солёной. А если предположить, что водородные электролизёры будут питаться от солнца и ветра либо от компактных ядерных установок (их разработка — ещё один мировой тренд, о котором мы расскажем в другом материале), то вопрос обеспечения энергии вообще утратит или, по крайней мере, существенно ослабит свою привязку к географии. Существующее сегодня положение вещей, когда вся мировая геополитика во многом крутится вокруг месторождений углеводородов и путей их доставки, уйдёт в прошлое.
Что придёт ей на смену? Некоторые футуристы уже высказывают опасения относительно возможной атомизации человечества, распада современного глобального общества, связанного воедино энергетическими артериями, на множество практически автономных в энергетическом смысле коммун.
Водород и Украина
На фоне вышеизложенного разговоры о том, что украинскую ГТС можно будет использовать в качестве средства транспортировки водорода в случае, если введение в строй «Северного потока-2» лишит Украину транзита газа, на полном серьёзе, пожалуй, воспринимать не стоит. Тот же глава ГТС Сергей Макогон сравнил переоборудование ГТС под транспортировку водорода с пересборкой самолёта прямо в полёте, а расходы, связанные с таким перепрофилированием украинской трубы, оцениваются в 500 миллионов долларов.
Как бы там ни было, вряд ли миру понадобятся подобные мощности по транспортировке данного энергоносителя до 2050 года, а до этого времени без эксплуатации украинская ГТС, лишись она работы, может попросту не дожить. Так что всё следует воспринимать исключительно как попытку в отчаянии запрыгнуть на подножку уходящего водородного поезда. И это притом, что поезд этот пока спокойно стоит у перрона, а билеты на него свободно продаются в кассе — надо их лишь купить!
По сути же у Украины есть всё для того, чтобы стать если не одним из лидеров рынка водородной энергетики, то, по крайней мере, видным его игроком. 15 энергоблоков АЭС общей мощностью в 13,8 гигаватта, из которых реально используются не более 9. Плюс — 10 гидроэлектростанций общей мощностью в 4,5 гигаватта, из которых на практике используется лишь порядка 3,5. Вот вам уже около 5 гигаватт электроэнергии, которые можно было бы, грубо говоря, хоть сегодня пустить на производство водорода.
Плюс — те самые многочисленные солнечные и ветровые станции, которые сегодня по факту нелёгким грузом легли на украинский бюджет: как источник «обычной» электроэнергии они слишком дороги, но что если произведённое ими электричество использовать для производства водорода, который затем поставлять в ту же Европу? Ведь упомянутая выше стратегия ЕС отдаёт приоритет именно «зелёному» водороду перед «красным», произведённым с помощью «мирного атома», или «голубым», полученным из углеводородов! К тому же европейская стратегия прямо предусматривает поставки водорода из других стран в таких же объёмах, что и собственное европейское производство.
Кое-что в этом смысле уже делается. Так, компания «Водород Украины» заявила о строительстве в следующем году завода по производству водорода в Рени. Однако это, пожалуй, тот самый случай, когда частными инициативами ограничиваться не стоит, и если Украина действительно хочет принять участие в водородной гонке, то развитие этого сектора экономики должно получить государственную программу по поддержке, координации и субсидированию.
Тем паче, что возможности для реальной, а не показушной интеграции в мировую экономику в нашей новейшей истории открываются нечасто. И упускать одну из них попросту непростительно.
Юрий Ткачев
