Самое экологически чистое топливо — это водород. Но все продолжают активно использовать нефть, уголь и метан. И на то были свои причины: производство водорода было гораздо дороже и требовало тех же ископаемых ресурсов. А технологии безуглеродного производства были настолько трудоемки и ресурсозатратны, что о массовом использовании речи и не шло.
Но сейчас ситуация другая: «экологически чистый водород» дешевеет, появляются новые способы его получения, и инвестиции в эту сферу, соответственно, растут. В Китае и в Шотландии уже ездят «водоробусы» — автобусы на водородном топливе.
Скоро ли ожидать наступления водородной эры? Или на нашем пути все еще лежат какие-то препятствия? В статье читайте о видах водорода и реальных перспективах отрасли.
На любой вкус
Водород неспроста называют самым экологически чистым топливом. Основной побочный продукт его сгорания — вода или водяной пар. Куда уж чище! Другое дело, что при любом высокотемпературном горении в воздухе образуются вредные окиси азота. Но и тут есть свои оговорки. Во-первых, такого рода выбросы все же существенно ниже, чем при горении ископаемого топлива, а во-вторых, этот недостаток технически устраняется, если не просто жечь водород, а использовать его в низкотемпературных топливных элементах.
Востребован водород не только как способ генерации энергии, но и сам по себе: его давно применяют для создания удобрений, выработки улучшенной стали и гидрогенизации растительных масел. На электростанциях газом охлаждают генераторы, а в нефтехимии — им очищают бензин. Именно поэтому, кстати, получение H² часто идет рука об руку с переработкой нефти и газа.
Но и как топливо он известен уже давно. Первый водородный двигатель изобрели в начале XIX века, хотя запатентовали такое устройство только в 1841 году. Увы, впоследствии для производства автомобилей он не слишком подошел, зато стал повсеместно использоваться в космической промышленности — именно этим газом заправляют ракеты. Выбор пал именно на него, поскольку такое топливо самое легкое и энергоемкое.
По своему происхождению водород бывает более и менее чистым. И львиная доля производимого в мире водорода, к несчастью, грязная.
Грязный водород получается с помощью газификации угля — он называется коричневым — или конверсии метана — серый. Эти типы производства генерируют вредные выбросы. Зато они сравнительно недороги и доступны топливным компаниям, которым нужен водород для нефтехимии. Хотя вообще-то есть в среднем чуть более дешевые и чуть более экологичные варианты производства. Например, когда природный газ разлагается в атомном реакторе. Или когда отходы в процессе конверсии метана улавливаются и используются вторично.
Экологически чистый водород заслуженно прозвали зеленым. И с ним все куда сложнее.
Зеленый — дозревает
Выработка зеленого водорода пока что стоит очень дорого. Он получается путем электролиза воды, если энергия берется из возобновляемых источников. Энергия солнца, и ветра, и гидроэлектростанций пока поступает менее стабильно и стоит больше, чем сжигание угля. Но бывает и так, что по ночам турбины на ГЭС или ветряки крутятся активно, а электроэнергия расходуется потребителями не вся. Получается избыток, который можно потратить на разложение воды. Нередко так и получают водород: попутно, на других энергетических предприятиях. Точно так же используются «излишки» нагрева на АЭС. Но такой тип производства сложно сделать массовым. К счастью, в последнее время ВИЭ обходятся все дешевле: особенно резкий скачок произошел в стоимости солнечных батарей. Но сами электролизеры все еще остаются очень дорогими. Так что сейчас основной тренд промышленности — удешевление электролиза воды.
И буквально в начале января в Nature вышла новая статья — оказывается, ученым удалось совершить прорыв и создать новый тип электролизера. Он получился существенно более дешевым, чем классический вариант. Научная команда убрала из устройства самый дорогой его компонент — мембрану — придумав, как без нее обойтись. Прибор все еще требует доработки, но начало положено.
Однако некоторые энергетические компании уже сейчас готовы работать с водородом, даже используя обычные электролизеры с высокой стоимостью. Так, американская компания Duke утвердила проект полностью зеленой водородной электросети. Энергия, поступающая от солнечных батарей, будет храниться в аккумуляторе, питающем два мощных электролизера. Затем полученные из них кислород и водород направляются в отдельные хранилища и становятся топливом для электрической турбины.
Установка будет построена в конце 2024 года и размещена на заводе Duke Energy во Флориде. Запускаться она будет от избыточной солнечной генерации в период низкого спроса на электроэнергию. Затем в часы пик, когда потребительский спрос повышен, водород из резервуара будет перерабатываться в электричество. Проект пока небольшой, но амбициозный. Он продемонстрирует возможности нового вида топлива и станет отправной точкой для модернизации следующих электростанций.
Надо сказать, атомный водород тоже может быть безуглеродным — если производится в высокотемпературных реакторах, работающих не на метане, а, например, на гелии или на быстрых нейтронах. Такие реакторы сейчас функционируют и строятся в Китае и в России.
Белое золото
Помимо зеленого водорода существует еще и белый. Его открыли совсем недавно, в 2012 году, по чистой случайности. До этого считалось, что в природе чистый водород не встречается. Но оказалось, что у него тоже есть свои месторождения. Они находятся во многих странах мира, в том числе и в России. Фишка этой разновидности в том, что производить его не надо вовсе. Только добывать и хранить — а это намного проще.
Но самое прекрасная новость заключается в том, что эти природные месторождения постоянно и быстро пополняются — в отличие от ископаемых газа и нефти, на образование которых уходят миллионы лет. Так что это настоящее золото. Правда, в отличие от него стоит куда дешевле. Для сравнения, стоимость зеленого водорода пока что составляет 5 евро за килограмм, а белого — всего 0,50 евро.
В начале 2023 года в Европе был обнаружен ряд крупных естественных резервуаров. Особенно повезло Франции: по оценкам, в одной из скважин Лотарингии может залегать примерно 46 миллионов тонн. Это больше половины от годового производства серого водорода в мире.
Европейцы полны энтузиазма. Водородом они собираются замещать поставки природного газа. К 2030 году ЕС планирует производить 10 миллионов тонн в год. А мировые залежи, по оценкам экспертов, располагают таким количеством «белого золота», что можно полностью им заменить все прочие источники топлива. В качестве бонуса, заодно с H² попадается и гелий, который формируется в схожих условиях и тоже весьма высоко ценится.
За и против
Водородное топливо может похвастаться множеством преимуществ. И главное из них — оно не выделяет парниковых газов в процессе расхода. При этом обладает основным достоинством топлива — автономностью от сети.
КПД у водородного двигателя очень высокий: выше, чем у других двигателей внутреннего сгорания. Если одинаково заправить бак водородного автомобиля и бензинового, водородный проедет почти в три раза больше. Более того, водород еще и весит очень мало, поэтому практически не утяжеляет конструкцию. Такое топливо крайне выгодно для массивного транспорта и дальних расстояний. Перевести судоходство и авиацию на электрические аккумуляторы пока сложно.
К тому же, водородный двигатель работает почти бесшумно и не загрязняет акустическую среду. А еще он быстро заправляется, в отличие от электрического.
Недостатков у водорода, увы, тоже хватает. Во-первых, он крайне взрывоопасен и очень легко утекает через мельчайшие щели. Работа с ним требует повышенных мер предосторожности, а на стандартных АЗС, и уж тем более в руках обычных потребителей, безопасность сложно обеспечить. Правда, и рассеивается в атмосфере Н² довольно быстро, что несколько смягчает риски.
Во-вторых, для хранения водорода требуются огромные емкости, потому что он легкий и неплотный. Одно дело — промышленные резервуары для хранения на месте, и совсем другое — топливные баки и цистерны. Поэтому его сжижают или сжимают под высоким давлением: правда, последний метод особенно повышает риск возгорания. Сейчас эти методы обработки тоже совершенствуются.
Так что транспортировка водорода — задача непростая. Не зря его активнее всего потребляют там же, где и добывают. Оптимальных методов дальней перевозки все еще не разработано. Пока водород грузят в ограниченных объемах в специальные низкотемпературные цистерны или прицепы и отправляют в путь по воде — на грузовой барже — или по железной дороге.
Подавать Н² по трубам, как делают с природным газом, тоже весьма рискованно. Существующие трубопроводы не вполне подходят для этой цели: водород будет их быстро окислять и утекать при малейших повреждениях. Да и объем труб лучше расширить. В общем, повсеместный переход на водородную энергетику потребует обновления существующей инфраструктуры.
Путь водорода
Так ждать ли нам водородной эры? Или неудобства водорода существенно перевешивают его достоинства?
Как бы ни были серьезны проблемы в этой отрасли, все они решаются: временем, изобретениями и государственными инвестициями. И рынок чистого водорода все-таки расширяется. По оценкам Мирового энергетического агентства, к 2030 году производство зеленого водорода возрастет до 38 миллионов тонн в год, а общий объем рынка составит более 230 миллиардов долларов. В 2022 году в развитие водородной энергетики инвестировали не так уж много — чуть больше миллиарда долларов — но уже в 2023 году ситуация резко изменилась, и заинтересованность инвесторов повышается. Эксперты предсказывают, что к 2040–2050 годам стоимости «грязного» и «чистого» Н² практически сравняются — в связи с удешевлением возобновляемой энергии и оборудования для электролиза.
Притом потребность в водородном топливе будет только расти, потому что экологическая сознательность общества поднимается, а глобальное потепление уже жжет пятки. Водородное топливо — именно то, чего не хватает для экологизации транспорта: оно прекрасно подходит для авиации, судоходства и наземных грузоперевозок. А еще отлично дополняет нестабильные ВИЭ: избытки энергии солнца или ветра превращаются в водород и хранятся в таком виде до тех пор, пока в них не возникнет необходимость. Да и часть электромобилей уже делают гибридными, чтобы они могли ехать на водороде, если внезапно закончится зарядка.
Поэтому можно с чистой совестью утверждать, что за водородом будущее. И такое будущее выглядит весьма оптимистично.
Автор: Екатерина Доильницына