Знакомьтесь, элемент будущего: для чего открыли зелёный водород

От изменения климата до постоянно растущего потребления можно выстроить длинную цепочку событий. Среди её звеньев окажутся разные по смыслу факторы. Например, «хороший» технический прогресс и «плохое» сжигание ископаемых ресурсов. Оба приводят к тяжёлым для планеты последствиям с наводнениями, засухами, таянием полярных льдов и, как следствие, к сокращению биоразнообразия. 

Для того чтобы избежать экологической катастрофы у человечества есть всего два пути: резко урезать возможности потребителей, что вряд ли понравится большинству, или перейти на чистую энергетику. В этой статье поговорим о том, для чего открыли зелёный водород, и к каким изменениям может привести новая технология. 

Сколько у водорода цветов

С точки зрения производства у знакомого всем элемента довольно богатая палитра:

• Коричневый (газификация угля): в процессе синтеза образуются парниковые газы.

• Серый (конверсия метана): производство сопровождают вредные отходы, попадающие в атмосферу.

• Голубой (синтез из природного газа): углеродосодержащие примеси улавливают и отправляют на вторичную переработку.

• Жёлтый (электролиз воды с применением энергии АЭС): несмотря на безуглеродный метод технология не считается полностью экологичной.

• Зелёный (электролиз воды через возобновляемые источники энергии (ВИЭ)): это чистый водород без выбросов CO₂ в атмосферу.

Помимо приведённых вариаций можно встретить и другие цвета, например, красный и бирюзовый. Мы сосредоточим своё внимание на зелёном. 

Для чего понадобилось безуглеродное топливо 

Перед человечеством стоит задача к 2050 году декарбонизировать планету. Но почему так опасен CO₂? Знакомый со школьного курса газ создаёт парниковый эффект. Глобальная теплица, которую мы сами и построили, быстро превращается в ловушку с разнообразным набором природных катаклизмов. 

Учёные показали, что для сохранения пригодной для жизни среды среднюю температуру нужно ограничить уровнем, превышающим доиндустриальный всего на 1,50 °C. Сегодня температура уже на 1,10 °C теплее, чем была зафиксирована в конце XIX века. Понятно, что это не порог, поскольку выбросы продолжают расти.

Согласно Парижскому соглашению к 2030 году объём выбрасываемого углекислого газа должен сократиться на 45 %, а к 2050–му достигнуть чистого нуля.

Растущая коалиция из более чем 140 стран, включая «главных загрязнителей» в лице Китая, США, Индии и Европейского Союза установила нулевую цель — это сокращение 88 % мировых выбросов. Взятые обязательства будут контролироваться Экспертной группой — межгосударственный орган учреждён под эгидой ООН в марте 2022 года.

Сможем ли мы достичь чистого нуля к 2050 году 

Пока действия стран по продвижению в «нулевом направлении» не соответствуют требованиям времени — его просто не хватает. Текущие национальные климатические планы 195 государств  Парижского соглашения позволят к 2030 году снизить выброс всего на 9 % против необходимых 45 %. Совместные усилия нужно увеличить как минимум в 5 раз, и сделать это следует уже сегодня.

Пока температурный предел сдвинули с 1,5 до 2,0 °C, однако расчёты показывают, что если к 2030 году мы не уменьшим загрязнения как минимум вдвое, то перейдём и эту грань. Решение проблемы учёные видят в сокращении использования ископаемого топлива — этот шаг приведёт к стабильной и сравнительно быстрой декарбонизации планеты. Одновременно нужно повысить эффективность всех звеньев, зависимых от источников энергии, — это здания, производство пищевой и непищевой продукции, технологические процессы.

При современном состоянии дел «нулевая цель» кажется недостижимой, поскольку требуется полная трансформация привычного уклада жизни. Сегодня более 75 % выбросов CO2 происходят в результате сжигания газа, угля, нефтепродуктов, остальной вклад даёт ошибочное землепользование, в частности сокращение площади лесов. Зелёный водород, как главная альтернатива ископаемому топливу, должен стать драйвером в решении глобальной проблемы. 

Производство на уровне чистого нуля уже доступно

Сегодня зелёный водород рассматривают как условие перехода к устойчивой энергетике и экономике с нулевым уровнем выбросов. Это средство для декарбонизации тяжёлого машиностроения, химической и энергетической промышленности, дальнемагистральных грузоперевозок, судоходства и авиации, других секторов экономики. Задача мирового сообщества — как можно быстрее реализовать потенциал водорода как экологически чистого энергетического решения.

Как производят зелёную альтернативу

У экологически чистого топлива есть собственная формула — H₂V. Газ получают методом электролиза воды с использованием только возобновляемых источников энергии (ветер, солнце). Таким образом, в процессе производства не образуется парниковых газов — только водород (H₂) и кислород (O₂). Это важное условие перехода к нулевой энергетике, поскольку все те процессы, которые мы уже используем, вредят планете, поднимая среднюю температуру.

Только синтез серого и коричневого водорода методом конверсии метана и газификации угля даёт более 900 млн тонн CO2. Казалось бы, имеем полезный конечный продукт, но сколько побочного вреда. Именно поэтому нужен масштабный переход на технологию с нулевой эмиссией — это обеспечит необходимую энергию без вреда для атмосферы.

Испания готовится стать всеевропейским поставщиком H2V  

Электролизёр мощностью 2,5 МВт запущен нефтегазовой компанией Repsol. Производственная площадка способна выдавать 350 тонн H2V ежегодно. В планах снабжать чистым топливом промышленный комплекс, а кроме того, перевести на экологичную альтернативу автобусы и грузовики технопарка Абанта–Зирбена (Abanto Zierbena). Сюда уже проложен трубопровод для транспортировки.

В списке нефтегазовых компаний Repsol была первой, взявшей обязательство перейти к нулевому балансу к 2050 году. Электролизёр — только первый шаг на длинном пути. Очередными вехами станут комплексы на 10, 100 и 150 МВт — последние два проекта будут иметь уже общеевропейское значение. Самая крупная установка в Таррагоне выбрана комиссией ЕС для получения инвестиционных средств из европейского Инновационного фонда.

Россия планирует наращивать мощности за счёт голубого и бирюзового водорода 

В этом процессе зелёное топливо получают с помощью паровой конверсии природного газа. Для того чтобы конечный продукт приобрёл статус голубого, необходимо улавливать углеродсодержащие примеси — это сокращает вредные выбросы примерно в 2 раза. Напомним, что в серых процессах все побочные вещества попадают в атмосферу. Понятно, что компенсационные мероприятия удорожают целевой продукт, однако он всё ещё остаётся рентабельным. 

Зелёный водород обходится ощутимо дороже конкурента. Сегодня он стоит более $10 за 1 кг в сравнении с $2,0–2,5 на голубой. В условиях изобилия природного газа в России развивать эту технологию нерентабельно, однако альтернативное производство с улавливанием вредных выбросов уже вошло в план Энергетической стратегии РФ, охватывающей период до 2035 года. По мнению разработчиков, к 2050–му страна может получить прибыль порядка $100 млрд ежегодно, поставляя на мировой рынок 33,4 млн тонн голубого водорода.

Кроме того, «Газпромнефть» работает над технологией получения бирюзового топлива методом пиролиза метана. В этом случае нежелательный углеродный след получается не в виде парникового газа, а в форме твёрдого остатка — угля. Этот уже не побочный, а ещё один целевой продукт, который в полном объёме можно использовать в промышленном производстве.

США на пути перехода от голубого топлива к зелёному 

Первый завод по производству экологичного водорода уже работает в Соединённых Штатах. Чистое топливо получают по технологии плазменного нагрева, разработанной в NASA.

Всего водородные проекты планируют развивать в 24 штатах. К 2030 году в планах Национальной стратегии должно вырабатываться не менее 10 млн тонн H2V. Благодаря целевому финансированию и грантам в стране появится водородный хаб, на создание которого заложено $7 млрд.

Индия стремится войти в пул главных поставщиков 

Проект мощностью 25 МВт реализует компания JSW Energy для JSW Steel. Пилотную установку планируют ввести в строй к концу 2024–2025 финансового года.

Первая ласточка строится на площадке завода, что позволит сократить расходы на транспортировку и хранение — сегодня это 20–25 % от стоимости зелёного водорода. В ближайшем будущем JSW Energy намерена масштабировать производство зелёного топлива за пределы региона. 

Ещё одна энергетическая компания NTPC запланировала увеличить объёмы до 1 200 тонн H₂V в день. Чтобы выдать такое количество, понадобится задействовать мощности 4 ГВт электролизёров и 8 ГВт от ВИЭ. В настоящее время государственное предприятие располагает 3,4 ГВт возобновляемых источников по всей территории Индии. К 2032 году объём возрастёт до 60 ГВт, и это выведет страну в пул поставщиков.

Китай нацелен на мировое лидерство 

Пока другие страны ведут речь о перспективах, в Поднебесной к 2025 году не просто достигнут, а с запасом перекроют задачи национальных программ. Цель в 200 000 тонн будет превышена на 10 %. 

Результат превзойдёт ожидания благодаря дополнительным электролизёрам на 2,5 ГВт. В 2023–м страна располагала «всего» 1 ГВт мощностей по электролитическим водородным установкам. Придерживаясь взятых обязательств по переходу к нулевому выбросу, Китай продолжает стремительно наращивать производство, несмотря на проблемы. 

В отличие от других стран в КНР жизненно важна транспортировка. И это вопрос настоящего, а не будущего. Дело в том, что ветровая и солнечная генерация располагаются в неэнергозатратных областях на севере, а потребители сосредоточены на востоке и юге.

Огромные расстояния оказались преодолимы для компании Sinopec. Крупнейшая химическая и нефтегазовая корпорация ввела в строй завод с ежегодной мощностью 20 000 тонн H₂V. Парк хранения рассчитан на запасы до 210 000 м³, инфраструктура для транспортировки способна перемещать не менее 28 000 м³ в час. Такие объёмы зелёного водорода призваны полностью заменить ископаемое топливо. В компании ожидают, что новые производственные мощности снизят выбросы парникового газа на 485 тысяч тонн в год.

О своих планах превратить экономики регионов в полностью «водородные» уже заявили Япония, Южная Корея, Европейский Союз. Однако пока амбициозные цели не достигнуты из–за проблем, связанных с получением чистого топлива. Для сравнения: к 2030 году ЕС планировал производить 10 млн тонн H₂V, но в 2022 году отметка едва превысила 20 тысяч тонн.

Производство: синтез H2V поставлен на паузу

Несмотря на предсказания аналитиков, что зелёный водород буквально к 2030 году окажется дешевле всех прочих цветов, резкого падения стоимости пока не происходит. Сырьё для экологичного топлива простое и доступное — вода.  Но чтобы её «правильно» разложить на составные элементы (кислород и водород), требуется чистая энергия, то есть ветровая станция или солнечная ферма. Именно этот фактор и увеличивает цену за килограмм.

Для того чтобы зелёный водород оказался рентабельным, нужно всего два условия:

• Снижение расходов на ВИЭ.

• Увеличение производственных затрат на конкурентный голубой водород.

Эксперты ставили на первую возможность, но прогнозы не сбылись. К сожалению, затраты на солнечные и ветровые установки пока растут. Чуть менее важная, но всё же значимая проблема — расходы на электролизёры. Оборудование относится к металлоёмкому и металлоценному. Для того чтобы совместить подобный агрегат с ВИЭ, требуются протонообменные мембраны с катализаторами из драгоценных металлов — это дорого.

С точки зрения коммерческого успеха зелёный водород остаётся недостижимой мечтой, но если принимать во внимание перспективы нашей дальнейшей жизни на Земле, деньги всё–таки придётся изыскать.

Хранение и транспортировка: пока не получается прийти к общему решению

До сих пор ни один из предложенных методов обращения произведённого водорода не считается универсальным. Если газ вырабатывается прямо на площадке потребителя — проблем нет, однако по технологиям сохранения и доставки у специалистов нет единой позиции, а это важно для будущей «водородной экономики».

Вот что мы имеем сегодня в качестве «складских» опций:

• Чистый H₂V.

• Гидриды, в том числе металлов.

• Синтетические углеводороды.

• Органические носители водорода в жидкой форме.

• Пористые материалы.

Пока не найдена унифицированная система хранения и транспортировки, нет смысла в масштабном производстве, удалённом от мест потребления. В том числе и по этой причине не финансируются крупные водородные проекты, нацеленные на коммерческое использование.

Заключение

Несмотря на сложности с производством, хранением и транспортировкой зелёного водорода, технология продолжает развиваться, сохраняя статус приоритетной для перехода к экологичному будущему. Ведущие страны вкладывают значительные средства в совершенствование методов синтеза и доставки. Главная цель — «оторвать» заводы–доноры от потребляющих предприятий и распространить топливо с нулевым выбросом по всему миру. 

Пока зелёный водород оказывается слишком дорогим для масштабного использования, но его бирюзовая и голубая альтернативы уже вытесняют ископаемые углеводороды из технологических процессов. Остаётся надеяться, что прорыв успеет состояться до того, как климатические изменения станут необратимыми.