(Размышления. «ХиЖ» 2023 №6)
Когда в августе 2021 года была принята Концепция развития водородной энергетики в РФ, предполагалось, что основную пользу от нее получат экспортеры водорода и технологий работы с ним. А основным потребителем виделись страны ЕС, ускоренно декарбонизирующие свои экономики в рамках Зеленой сделки. Отечественной экономике отводилась роль не пользователя, а, скорее, полигона для отработки водородных технологий. С началом СВО стало очевидно, что ЕС проводит не просто декарбонизацию, а освобождается от вполне конкретных источников любой энергии, поступающей из РФ. Потому надежда на перспективный западный рынок водорода исчезла. А как теперь идет отечественная водородная программа? Речь об этом шла на X форуме «Композиты без границ» в московском Экспоцентре в конце марта 2023 года.
Танцуем от сосуда
Казалось бы, какое отношение имеют композиты к водородной энергетике? А вот какое. Водород — один и самых легких и летучих газов. Поэтому возникает вопрос: если его использовать в качестве топлива для транспорта, то как его в этом транспорте хранить? Долгие годы ходили слухи, что использовать будут гидриды металлов, которые отдают водород при нагревании до высокой температуры. Однако, похоже, материаловеды так и не смогли подобрать вещества, способные удовлетворить запросы конструкторов.
Поэтому в повестке дня оказались сосуды высокого давления, которые выдерживают чудовищное давление в 700 атмосфер. Никакой металл на это не способен, поэтому приходится делать сложную оболочку для такого сосуда. Она состоит из слоя полимерных или углеродных волокон, намотанных в определенном порядке на тонкий алюминиевый или стальной сосуд и залитых пластиковым связующим: композит придает прочность, металл — герметичность. Если все сделать правильно, подобрать качественный металл и составляющие композита, такой сосуд способен выдерживать заявленное давление, в чем изготовители убеждаются, по много раз тестируя свои изделия.
В принципе, способ изготовления сосудов высокого давления по такой композитной технологии не нов, однако никогда прежде не требовалось массово выпускать сосуды, рассчитанные на столь высокие давления. А те технологии, что используют для специфических целей, вроде космических, никак не рассчитаны на рыночные условия, потому что уникальные сосуды выходят очень дорогими.
Однако на самом-то деле пока что массового рынка нет, по крайней мере, в РФ, как нет и массового производства водорода, разве что для нужд химической промышленности. В результате разработчики должны создавать рыночную технологию изготовления сосудов высокого давления, не имея рынка и не очень понимая, кто будет покупателем их продукции даже в ближайшем будущем, не то что в отдаленной перспективе.
Трудности проектирования
А в самом деле, кто он, этот покупатель сосудов с водородом? Если считать, что водородная энергетика призвана обеспечить безуглеродным топливом прежде всего транспорт (о применении водорода для отопления домов пока что говорят больше мечтатели), то в РФ имеется три ниши. Первая — это водородные поезда. Их создают в рамках проекта Сахалинского водородного кластера, формированием которого руководит компания «Росатом Оверсиз». Напомним суть истории.
На Сахалине и в Охотском море имеются большие запасы природного газа. Его сжижают и по большей части отправляют на экспорт в Корею, Японию, КНР, во Вьетнам. С началом зеленого перехода и всеобщей водородной энергетики возникла угроза этому экспорту. Тогда-то и появилась идея получать водород паровой конверсией метана, а образующийся при этом углекислый газ складировать в различных полостях земли, которых на Сахалине имеется изрядно. Такой водород можно попытаться выдать за «зеленый», поскольку при его производстве действительно нет выбросов углекислого газа в атмосферу. Водород, сделанный из метана, оказывается самым дешевым, менее 2 долларов за килограмм, да и потери энергии выходят меньше, чем если этот же природный газ сжечь, выработать электричество и получить водород электролизом воды. Сделать электролизный водород сейчас стоит 6 долларов за килограмм.
Однако хоть такой водород — предмет высокотехнологичного производства, все равно получается торговля сырьем, от чего страна хочет уйти. Поэтому придумали идею пустить водород на благо транспортной инфраструктуры острова. Если не использовать в качестве топлива для локомотива ни уголь, ни электричество от контактного провода, то водород оказывается не таким уж плохим выбором. В результате же удается убить одним выстрелом целых трех зайцев: обеспечить развитие региона, дать гарантированный сбыт для продукции водородного завода, отработать технические решения по водородному железнодорожному транспорту, которые можно будет продавать всем желающим приобщиться к зеленой повестке.
Как это было совсем недавно принято в рамках концепции энергетической сверхдержавы, в проекте Сахалинского кластера имелся западный партнер — одна из крупнейших мировых компаний по производству технических газов «Air Liquide» со штаб-квартирой в Париже. Однако после февраля 2022 года она вышла из проекта, и теперь отечественным участникам приходится обходиться своим силами с привлечением инженеров из дружественной КНР. С сентября 2022 года в разработке проекта завода участвует Китайская энергоинжиниринговая компания, которая в будущем станет этот водород покупать. Впрочем, специалисты считают, что замена стратегического партнера не скажется на сроках ввода проекта в действие: производство и отгрузка водорода начнется в 2025 году, тогда же пойдет и первая водородная электричка. Вот для локомотива этой электрички и понадобятся баллоны высокого давления с водородом.
Сложное сжижение
А почему не жидкий водород? Тут есть несколько нюансов. Первый из них — получить жидкий водород не просто. Дело в том, что при температуре —240°С и давлении 13,3 МПа он переходит в сверхкритическое состояние. То есть сколько его ни сжимай при комнатной температуре (а так получают жидкие углекислый газ, пропан, бутан, хлор, аммиак), в жидкость он не обратится. Поэтому надо водород охлаждать.
Однако охлаждают газ также за счет сжатия и последующего расширения в специальных устройствах — детандерах, которые в СССР разрабатывал академик, нобелевский лауреат П.Л. Капица. Для азота, наиболее часто используемого в технике, эту процедуру проводить относительно легко — у него критическая точка -147,1°С. А водород приходится охлаждать гораздо дольше азота, то есть использовать больше циклов работы детандера, и каждый новый градус дается со все большим трудом.
Сейчас промышленного производства жидкого водорода и готовых технологий для этого в РФ нет. Однако не все потеряно. Как оказалось, в СССР были созданы неплохие технологии по сжижению водорода для программы многоразового космического корабля «Буран». Более того, участвующие в этих разработках инженеры не только живы, но и находятся отнюдь не в преклонном возрасте. Их и хотят привлечь для создания коммерческой аппаратуры сжижения на водородном заводе Сахалинского кластера.
Другой нюанс — сам по себе состав водорода. Его молекула двухатомна, стало быть, у ядер составляющих ее атомов, в соответствии с принципом Мэрфи, может быть два состояния: спины направлены в одну сторону (ортоводород) и в противоположные (параводород). При комнатной температуре в природном водороде на последний приходится 20%. А в криогенном водороде его должно остаться не более 0,1%.
Так, казалось бы, достаточно абстрактное спиновое свойство стало предметом внимания инженеров-энергетиков: лишний параводород переходит в орто-, и при этом выделяется энергия перехода — жидкий водород сам собой нагревается и испаряется. Процесс превращение параводорода в орто- идет не быстро, со скоростью 1% в сутки. Для инженера это значит, что хранить водород в открытом сосуде Дьюара нельзя. Но и закрывать не просто, ведь по мере скопления газа в сосуде станет расти давление. В принципе, в технологическую цепочку сжижения можно встроить катализаторы, ускоряющие переход, и такие катализаторы имеются.
Как бы то ни было, пригодных для коммерческого использования емкостей для хранения жидкого водорода в РФ тоже нет, а те, которые может делать завод Криогенмаш, специализирующийся на разработках для космоса, оказываются совсем не дешевы.
Есть еще один способ, когда жидкий водород при не экстремальном давлении сжимают до высокой плотности. Такое устройство хранения выглядит как сосуд высокого давления, помещенный в термос. Очевидно, что ему не сильно угрожают последствия орто-пара перехода, поэтому отечественные разработчики сосудов высокого давления задумываются о такой технологии хранения.
Интерьер для баллона
Впрочем, жидкий водород, скорее всего, послужит не для прямого использования, а для длительного хранения и перевозки в больших объемах, например в огромных криогенных контейнерах для морских судов. А в технической реальности для конечного потребителя есть только баллонный водород. И в этом случае помимо самого баллона требуется арматура — вентили, насадки, гайки, трубочки, манометры и прочее. Все это должно быть предназначено именно для работы с водородом, который, во-первых, обладает фантастической способностью просачиваться сквозь любые преграды, а во-вторых, вызывает водородное охрупчивание металлов. То есть из абы какого сплава вентиль не сделаешь: его устойчивость к охрупчиванию должна быть доказана или хотя бы определен ресурс безопасной работы. Получается не товар широкого потребления, а специфический продукт маломасштабного высокотехнологичного производства.
Поставкой таких важных мелочей обычно ведает, так сказать, системный интегратор, инжиниринговая компания. Однако эта компания как раз ушла из проекта, и получается, что подбор, а то и изготовление таких деталей кто-то должен взять на себя. Непонятно кто: изготовитель баллонов, плохо знающий требования будущего потребителя, или разработчик транспортного средства, не очень понимающий специфику баллона. Эти проблемы: сжижение водорода, монтаж водородного источника в локомотив, организация заправки и хранения водородных баллонов, обеспечение взрывобезопасности всей системы — и станут решать создатели кластера в ближайшие два года. Ну и, разумеется, получение водорода из метана. Этот завод пока существует по большей части на бумаге. Еще в феврале 2022 года планировалось только начать предварительные проектно-инженерные работы, но делать это предполагалось силами компании «Air Liquide», а она из проекта вышла.
Помимо водорода будущему сахалинскому поезду потребуется топливный элемент, превращающий водород в воду и электричество. «Химия и жизнь» про такие элементы рассказывала не раз, но за последние два десятка лет, а то и больше, дело с места не сдвинулось. Как использовали в таких элементах дорогущую мембрану с платиной, так и не могут ее ничем заменить. Как надо было элемент выбрасывать (отправлять на утилизацию) через два года, так получается и сегодня: заявленный ресурс лучшего топливного элемента 5 тысяч часов, то есть 1,7 года при ежедневном использовании в течение 8 часов.
Создатели водородного транспорта живут мечтами, что ресурс элемента вот-вот достигнет 20 тысяч часов, а это как раз ресурс самого локомотива, но на чем строится их оптимизм, не очень ясно. А менять топливный элемент — занятие совсем не дешевое.
Впрочем, вся водородная энергетика не дешева. Более того, как говорят специалисты, с точки зрения бизнеса она кажется безумием и привычные подходы здесь не работают. По их мнению, гораздо дешевле, безопаснее и полезнее, раз уж нет возможности протянуть контактный провод, было бы установить на электричках высокотемпературный твердооксидный топливный элемент и пустить метановые поезда, все оборудование для этого имеется.
Однако задача состоит не в экономии средств, а в том, чтобы не отстать, принять участие в процессе водородной декарбонизации. А для такого участия нужно накапливать опыт работы именно с водородом, то, что ныне называют компетенциями. Понятно, что приобрести такой опыт можно только в реальной работе в рамках кластера. Вот и приходится создателям кластера идти против экономической логики, осуществляя длительные вложения в специалистов, технологии, оборудование с весьма туманной перспективой когда-нибудь покрыть затраты.
Полезный водород
А где может пригодиться водородный транспорт без нарушений законов экономики? В двух оставшихся нишах. Первая из них — места, где использование транспорта с двигателем внутреннего сгорания ведет к недопустимому загрязнению атмосферы. Речь идет о работе в закрытых помещениях или там, где есть трудности с вентиляций. Первый случай — это склады. Там сейчас используют электропогрузчики, которые работают на аккумуляторах. Аккумуляторы надо заряжать, а поскольку они не съемные, то погрузчик на время зарядки простаивает, зарядка же длится часы. Если склад работает круглосуточно, такие простои приносят убыток.
Вот здесь замена аккумулятора на топливный элемент и водородный баллон оказывается прекрасным выходом из положения: сменил баллон за несколько минут и нет никакого простоя. А выхлоп — чистейший водяной пар. Российская промышленность такие погрузчики не выпускает, а китайцы, да и не только, — вполне. Получается, что складской сектор оказывается неплохим рынком для сбыта водорода и устройств его хранения.
Второй же случай интереснее — это карьеры. В глубоком карьере скапливаются выхлопные газы работающей там техники, что никак не способствует соблюдению норм охраны труда. Однако проблему можно решить водородом, и за это дело взялся «КамАЗ». В этой компании разрабатывают водородный транспорт для таких работ, например карьерные самосвалы. Несомненно, эта техника будет востребована на рынке и создаст еще одно направление сбыта для отечественной баллонной промышленности. Конечно, если разработчики автомобилей пригласят к сотрудничеству создателей баллонов высокого давления.
Еще одно место, где нужно сокращать объем загрязнения выхлопными газами, — города, особенно крупные. На фоне миллионных потоков личных машин с двигателями внутреннего сгорания на их улицах не очень понятно, какой вклад в снижение уровня загрязнения воздуха вносят тысячи электробусов, но считается, что перевод общественного транспорта на зеленое топливо — дело полезное для здоровья горожан. Например, власти Москвы избавились от троллейбусов с их контактным проводом, который мешает движению автомобилей, и закупают электробусы, самая свежая покупка начала 2023 года — одна тысяча электробусов у КамАЗа. А инженеры КамАЗа считают, что электробусы — это лишь шаг в переходе к водородному общественному транспорту, и готовят проект водородного автобуса.
Логика тут такая. Во-первых, водород, полученный конверсией метана, относительно дешев и дает больше энергии в расчете на единицу массы, чем тот же метан, сгоревший на электростанции. Неудивительно, что если сжечь метан, превратить его энергию в электричество, а потом этим электричеством разложить воду, то такой водород выйдет гораздо дороже первого, конверсионного. Кстати, получение электроэнергии от возобновляемых источников сути дела не меняет: не секрет, что эта энергия дороже той, что получена на тепловой станции при сжигании все того же метана. Метана в РФ очень много, поэтому нет никаких проблем обеспечить всех дешевым водородом. В ЕС идеология не позволяет использовать водород, сделанный из российского метана, а отечественного потребителя волнует цена топлива, а не источник.
А во-вторых, удельная весовая плотность водородной энергии, особенно в баллоне 700 бар, заметно больше, чем таковая же у литиевого аккумулятора. При этом не надо тратить время на зарядку водоробуса: поменял баллон, и можно снова выходить на линию. Эти соображения, а также записанное в водородную программу решение обеспечить в стране одну тысячу водородных заправок к 2030 году, к которым должны прилагаться потребители водорода, делают неизбежным перевод части общественного электротранспорта не на аккумуляторное электричество, а именно на водород.
Почему общественного? Потому что личный водородный транспорт пока что отсутствует и к 2030 году вряд ли появится в сколько-нибудь заметном количестве. Хотя из соображений энергетической инфраструктуры распределять водород через систему складов водородных баллонов гораздо проще, чем размещать электрические зарядки для электромобилей на парковках с учетом дефицита парковочных мест в мегаполисах.
Водород в воздухе
Есть еще одна интересная ниша, о которой разработчики отечественной водородной энергетики в своих сообщениях не упоминают. Это беспилотная авиация как гражданского, так и боевого назначения. Так уж исторически сложилось, что значительная ее часть оснащена электрическими двигателями. Соответственно, дальность и длительность полета, а также вес переносимого груза определяются зарядом, который способен накопить аккумулятор. И если для электробуса не особенно важно, сколько весит аккумулятор, то для летательного аппарата этот параметр критичен: чем больше удельная энергия, приходящаяся на единицу веса аккумулятора, тем дольше полет или больше вес полезного груза. И вот тут водородный баллон оказывается вне конкуренции.
Водородные беспилотники уже имеются, от небольших, размером с огнетушитель (собственно, таков примерный размер небольшого водородного баллона), до значительных, с легкомоторный самолет. Такой беспилотник, номинально предназначенный для обслуживания аграриев или инспекции трубопроводов, может по полдня парить в небе и если не опрыскивать поля, то выполнять задачи по прямому назначению — проводить разведку позиций противника, наводить артиллерию, а то и самому доставлять боеприпас к цели. При этом каждый лишний час пребывания в воздухе, каждый лишний километр, преодолеваемый ударным беспилотником-камикадзе, существенно меняют ситуацию на линии фронта.
Не секрет, что начиная с азербайджанской кампании в Нагорном Карабахе 2020 года, применение боевых беспилотников растет невероятными темпами, а идущая СВО прямо-таки вызвала взрывной рост производства беспилотников всех размеров, которые тысячами, а по некоторым данным, уже сотнями тысяч направляют на фронт все противоборствующие стороны. Фактически на наших глазах созданы массовый рынок беспилотной авиации и новая отрасль промышленности, заполняющая рынок изделиями.
Отечественные материаловеды, глядя на этот рынок, уже потирают руки в предвкушении массовых заказов. Еще бы, ведь здесь очень важны легкие, прочные и жесткие материалы, а это именно те композиты, изготовители и разработчики которых лишились всего в 90-е годы в ходе краха советской авиационной промышленности. Очевидно, что беспилотники могут стать массовым потребителем не только композитов, но и водородных баллонов разного размера, равно как и немалых объемов самого водорода.
Интересно, что у дрона-камикадзе баллон с неизрасходованным за полет водородом может оказаться неплохой добавкой к разрушительной силе самого несомого боеприпаса. Все-таки, имея способность формировать гремучую смесь при разрушении беспилотника, водород оказывается мощной и недорогой взрывчаткой.
Сейчас на фронте нет водородных беспилотников, видимо, оттого, что нет водорода для их заправки в отличие от электричества для зарядки аккумуляторов. Однако походный электролизер — дело наживное, он появится, как только солдаты на передовой осознают преимущества водородного беспилотника над аккумуляторным. Появились же в частях боевые 3d-принтеры для изготовления оснастки к дронам, хотя совсем недавно никто бы не подумал, что этот прибор окажется востребован ничуть не меньше, чем тепловизор.
Бесполезный водород
По мере своего развития водородная энергетика привлекает все больше специалистов, которые хотят понять все нюансы водорода как нового вида топлива. Помимо уже перечисленных трудностей, порой исследования нюансов использования водорода как энергоносителя добавляют пессимизма. И речь идет вовсе не о пресловутой взрывоопасности.Оказывается, водороду можно нанести удар под дых именно как средству борьбы с парниковым эффектом. Суть рассуждения такова.
Водород обладает такой проникающей способностью, что при всех мерах предосторожности его утечки будут неизбежны. По имеющимся достаточно приблизительным расчетам, в атмосферу будет утекать от 2 до 10% от объема производства. А водород пусть не прямо, но косвенно участвует в глобальном потеплении. Исследователи пока не сошлись во мнениях о его потенциале глобального потепления. Например, в 2021 году его оценивали в 3,3 раза выше, чем у такого же количества углекислого газа, а в 2022 году оценка скакнула до величины аж в 11 раз больше. В результате, не исключена ситуация, что, кроме очистки атмосферы городов от выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, никакой другой пользы переход на водородное топливо не окажет, а глобальное потепление пойдет своей чередой.
Посчитаем. Возьмем автомобиль «Toyota Mirai», серийно выпускаемый с 2013 года. Он расходует 5 кг водорода на 350 км. На эти 5 кг, если исходить из оценок, приходится от 100 до 500 г утекшего в атмосферу водорода. Дизельный автомобиль при отечественном нормативе выбросов 132 грамма СО₂ на 100 км за путь в 350 км выбросит 462 грамм СО₂. Делим это число на 11 и получаем, что водородный эквивалент этого выброса всего 42 грамма. Выходит, что вклад в парниковый эффект у водородного автомобиля в лучшем случае в 2, а в худшем в 11 раз больше, чем у сравнимого автомобиля с дизельным двигателем. Даже если свежая оценка потенциала глобального потепления водорода, 11 раз, завышена и надо брать значение в 3,3 раза, то все равно ситуация качественно не меняется: водородный эквивалент выброса дизельного автомобиля будет 140 грамм и только при минимальных утечках водородный автомобиль окажется несколько лучше дизельного.
Такие соображения заставляют задуматься: а точно ли надо в рамках декарбонизации идти по тернистому пути именно водородной энергетики с ее проблемами взрывобезопасности, отсутствия рынка, инфраструктуры распределения, неэффективности производства зеленого водорода и его использования как энергоносителя? Ведь есть и другие пути.
Самый простейший, когда для топлива есть вся необходимая инфраструктура производства и распределения, а также есть массовый потребитель, — изъятие углекислого газа из атмосферы и превращение его в синтетическое топливо с использованием возобновляемых источников энергии. Этот путь не дешев, хотя затрат гораздо меньше, чем на создание с нуля водородной инфраструктуры, но углекислый газ гарантированно попадает в замкнутый цикл, и его содержание не растет.
Если речь идет о чистоте выхлопа, а возобновляемые ресурсы энергии избыточны, как в Восточной Сибири с ее каскадами ГЭС, то отличным энергоносителем оказывается алюминий (см. «Химию и жизнь» 2008 №3). Создание инфраструктуры для распределения алюминиевого топлива не требует особых затрат, а вот взрывоопасность отсутствует, что сводит на нет угрозу серьезных инцидентов прежде всего в крупных городах, где в случае взрыва водорода может быть много жертв.
Существует еще и довольно экзотический, но от этого не менее интересный транспорт на жидком азоте (см. «Химию и жизнь» 2017 №3). Интересен он тем, что вписан, так сказать, в криоазотную электроэнергетику, когда избыточная энергия возобновляемых источников хранится в виде жидкого азота, а сам этот азот идет не только на последующую выработку энергии, но и на обеспечение работы сверхпроводящих кабелей и других подобных устройств, качественно снижающих потери электричества и дающие другие интересные преимущества вроде возможности использования земли, на которой сейчас расположены высоковольтные линии, так называемая полоса отчуждения. Эта криосистема уже развивается, и появление такой азотной инфраструктуры делает возможным всерьез рассматривать азотный транспорт с вполне «чистым» выхлопом.
Не исключено, что, если бы в алюминиевую энергетику, в проекты по изъятию углекислого газа из атмосферы, криогенную энергетическую инфраструктуру вложили средства, сопоставимые с теми, что идут на водородную энергетику, прогресс в них был бы более заметен. Почему ЕС выбрал водородное направление, понятно — у его стран нет значительных источников углеводородов, но есть зеленая энергетика, с которой надо что-то делать. Зачем к этому проекту подключаются страны, обладающие избытком всех видов энергоресурсов, менее понятно. Конечно, идея не отстать от заданного ЕС мирового тренда и надеяться на будущие продажи технических решений имеет право на существование. Однако кто знает, не могли ли принести больше доходов альтернативы, упущенные при таком однобоком подходе.
С.М. Комаров
Благодарим за ваши «лайки», комментарии и подписку на наш канал.
– Редакция «Химии и жизни»