В современном мире все большую популярность обретает, так называемый, зелёный водород, как один из методов снизить количество выбросов вредоносного углекислого газа в процессе производства.
Зелёный водород производится путём химических воздействий из возобновляемых источников. После чего водород может быть преобразован в синтетическое топливо или аммиак и в том или ином виде подвержен транспортировке кораблями, фургонами или по трубам на завод. Используется экологически чистый водород в промышленности (стальной, химической, нефтеперерабатывающей), транспортной отрасли(кораблестроении, самолётостроении, автомобилестроении, для автобусов, грузовых автомобилей и железных дорог). Также зелёный водород используется в качестве искусственного нагревателя и для выработки энергии.
Для развития водородной энергетической отрасли требуется соблюдение следующих условий:
· Исключение токсичности производства
Проблема:
Электроэнергия для получения водорода зачастую производится из углеводородного сырья, в случае чего чистота водорода теряет своё значение перед вредоносным процессом производства на начальном этапе. Сейчас основной способ производства H2 – паро-газовая конверсия или реформинг природного газа, в результате чего в атмосферу выбрасывается CO2.
Решение :
o Электролиз. Реакция подразумевает под собой разложение воды на водород и кислород при помощи электрического тока, в результате чего H2 получается чистым.
o Реформинг биогаза (-газ, получаемый водородным или метановый брожением биомассы)
o *Метод производства грязного водорода + CCUS или пиролиз (технологии улавливаниях и захоронения CO2). Однако в некоторых источниках приведённый случай рассматривается как средство получения голубого или бирюзового водорода, т.к. полностью избежать утечек не удаётся.
Реализация:
На стадии лабораторного тестирования у российских разработчиков находятся такие технологии, как:
•получение водорода окислением алюминия в воде (Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, ОИВТ РАН)
• топливные процессоры для конверсии природного газа и дизельного топлива в обогащенную водородом топливную смесь и выделения из нее чистого водорода (Филиал «Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии» («ЦНИИ СЭТ») ФГУП «Крыловский государственный научный центр»)
Научными разработками в сфере электролиза занимаются Курчатовский институт и исследовательские центры Российской академии наук, например, Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН.
· Снижение стоимости продукции
Проблема:
Зелёный водород остаётся на сегодняшний день самым дорогостоящим в производстве и распространении.
Решение:
1. Вывод капиталовложений из загрязняющего производства для перенаправления расходов на экологически чистое
2. Как и с любой другой новой отраслью, для того чтобы на будущее снизить эксплуатационные затраты, необходимо вложить большие инвестиции в развитие отрасли уже сейчас с расчётом на то, что впоследствии расходы окупятся. С намного большей вероятностью спонсорами смогут стать газовые и нефтяные магнаты, которые располагают достаточным количеством сбережений и в силу своей специализации смогут быстро переориентироваться на схожий курс деятельности.
Реализация:
Есть тенденция к удешевлению зеленого водорода. ВИЭ дешевеет, поэтому за 10 лет стоимость кВт⋅ч упала в 10 раз, плюс совершенствуется оборудование для электролиза. Постепенно, к 2040-2050 гг. они станут одинаковыми по цене. Энергопереход влияет также на экономию средств на тот же серый водород. В частности, примером воздействия на цены может послужить тот факт, что на сегодняшний день уже начинается выпуск трамваев на водородной энергии. В результате серийного производства прокладка новых путей будет обходиться в разы дешевле. Тяговая подстанция стоит 100-120 млн. На линии в 15 км находится, как правило, 4-5 тяговых подстанций. 1 км контактной сети стоит от 14 до 20 млн в зависимости от вида подвешивания. Порядка 8-10 млн необходимо, чтобы провести 1 км кабеля. Таким образом, ходовой выпуск трамваев на водородной тяге поможет сэкономить огромные суммы.
Преимущества:
Имея огромный потенциал на экспорт, за счёт высокой стоимости зелёного водорода на мировом рынке Россия смогла бы обогатиться.
· Большое количество потребляемой энергии при электролизе
Проблема:
На фоне остальных источников энергии возобновляемые источники в России составляют лишь 1 %. Более того, возобновляемых источников немало и за рубежом, в то время как Россия продолжает быть мировым нефтяным магнатом. Этот факт оставляет повод для того чтобы отдавать предпочтение отходному производству.
Решение:
§ Использовать избыточную энергию от электростанций (снижает расходы)
§ Расширение использования ВИЭ
§ Очищение производства на старых электростанциях
Реализация:
Россия планирует в 10 раз нарастить долю возобновляемых источников энергии в энергобалансе страны - с текущих 1% до 10% в 2040 году. Акцент будет сделан на развитие новых источников: ветра, солнца, водорода и атома. Однако в по большей части рост произойдет за счет сильного сокращения доли угольной генерации с текущих 15% - до 7%. Нефтяные и газовые электростанции подвергнутся модернизации.
Проекты по применению избыточной энергии:
1. Еще в 1997 году в СССР Московским НИИ и институтом «Гидропроект» был разработан план «производства водорода из морской воды», который заключался бы в том, чтобы использовать в качестве источника энергии гигантские приливы и отливы в Пенжинской губе на Камчатском крае. В июле 2021 стало известно о планах генерального директора одной из крупнейших российских компаний по добыче золота «Полюс» Павла Грачева заняться проектом по созданию приливной Пенжинской ПЭС для экспорта водорода. Для реализации этого и других водородных проектов бизнесмен создал компанию «Н2 Чистая энергетика».
2. В 2013 году была озвучена идея строительства в Магаданской области Российско-японского завода по производству водорода за счёт дешевой избыточной электроэнергии Колымской и Усть-Среднекамской ГЭС. В июне 2021 года правительство Колымы опубликовало план развития региона до 2040 года, в котором
Преимущество: В абсолютных значениях на территории РФ содержится огромное количество неисчерпаемых ресурсов.
· Трудности хранения и транспортировки
Водород имеет очень низкую плотность, поэтому для его транспортировки в большем объёме требуется искусственно её повышать, подвергая газ физической или химической обработке. Более того, как известно, H2 взрывоопасный, в связи с чем баллоны должны создаваться из материалов, не пропускающих утечек.
Решение:
Виды хранения и перевозки:
§ Физическое
o В сжатом виде
o В охлажденном виде
o В сжиженном виде
§ *Основанное на использовании материалов*
Реализация:
Сфера транспорта и хранения водорода развита в меньшей степени, поскольку он потребляется в месте производства. «Газпром», владелец и оператор газотранспортной системы России, провел исследования, показывающие возможность добавления водорода в транспортируемый природный газ в диапазоне 20-70%92 - но реальные эксперименты еще предстоит провести. Научные и опытные разработки в сфере сжижения и транспорта водорода в сжиженном состоянии выполнило НПО «Гелиймаш» для космической программы России и ПАО «Криогенмаш». Научные разработки в сфере хранения водорода на основе гидридов металла проводит Институт проблем химической физики РАН.
Преимущества:
Если новые магистральные трубопроводы теоретически могут выдержать плотность водорода при высоком потоке мощности, то старые европейские подводящие пути — скорее нет. Поэтому нашим поставщикам природного газа будет выгодно оказывать услуги «водородного сервиса»: транспортировать метан в Европу, на месте производить из него водород и отдавать его покупателю.
§ Использование
Реализация:
Несколько исследовательских центров и компаний развивают технологии топливных элементов:
• Институт проблем химической физики РАН (водородно- воздушные топливные элементы с протонообменной мембраной)
•Центр автономной энергетики Московского физико- технического института (твердооксидные топливные элементы)
• Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения академии наук (твердооксидные топливные элементы)
• Топливная компания Росатома «ТВЭЛ» (в том числе «Завод электрохимических преобразователей, НПО «Центротех», Свердловская обл.) – твердооксидные топливные элементы для автономного энергоснабжения удаленных от инфраструктуры объектов.
· Административное регулирование
Реализация:
На данный момент Россия утвердила некоторые стратегии развития водородной энергетической отрасли. И одна из них, «дорожная карта», принятая 12 октября 2020 года, предполагает под собой в том числе и достижение и поддержание экологичности производства. Документ раскрывает следующие основные направления работы для непосредственной реализации этой цели:
Ø разработка отечественных низкоуглеродныхтехнологий производства водорода методами конверсии, пиролиза метана, электролиза и других технологий, в том числе с возможностью локализации зарубежных технологий
Ø увеличение масштабов производства водорода из природного газа, а также с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ), атомной энергии
Ø создание нормативной базы в области безопасности водородной энергетики
Ø обеспечение законодательной поддержки производства водорода
Ø создание пилотных установок низкоуглеродного производства водорода
· Сотрудничество производственных компаний
Реализация:
Ø В сентябре 2019 г. подписано соглашение между ГК «Росатом», ОАО «РЖД» и ОАО «Трансмашхолдинг» о сотрудничестве и взаимодействии по проекту организации железнодорожного сообщения с применением поездов на водородных топливных элементах. В рамках проекта ГК «Росатом» может выступить в качестве поставщика водорода, топливных элементов и другого ключевого оборудования проекта.
Ø В сентябре 2019 г. АО «Русатом Оверсиз» и Агентство по природным ресурсам и энергетике Министерства экономики, торговли и промышленности Японии подписали соглашение о сотрудничестве в сфере совместной разработки в 2020-2021 годах ТЭО пилотного проекта экспорта водорода из России в Япони. Рассматривается возможность производства водорода методом электролиза.
Ø В августе 2018 г. ОАО концерн Росэнергоатом заключила контракт с АО «ОБКМ Африкантов» на обоснование разработки проектных предложений по энергоэффективному экологически чистому промышленному производству водорода на АЭТС. Сооружение головной АЭТС может быть завершено к 2030 году.
Ø Группа Газпром реализует международный научно технический проект совместно с немецкими и австрийскими компаниями по проверке возможности безопасного хранения метано-водородных смесей в ПХГ.
Преимущества:
1. Россия находится близко к основным рынкам сбыта, причем не только к странам Евросоюза, но и к странам АТР.
2. Многие страны хотят видеть Россию своим поставщиком в связи с её огромным ресурсным потенциалом.
Актуальность декарбонизации:
Годовой пик глобального тепловыделения углекислого газа в воздухе достиг еще одной опасной вехи: за последнее время он оказался на 50 процентов выше, чем в начале индустриальной эпохи. Ученые сообщили , что средняя скорость выбросов в атмосферу в настоящее время выше, чем когда-либо в истории наблюдений.
Вывод:
Основная проблема сейчас в том, что вся водородная энергетика пока состоит в основном из деклараций, стратегий и отдельных разработок. Реализация проходит крайне медленными темпами и в моей интерпретации представляет из себя лишь планы или очертания того, что в идеале должно быть в будущем. Однако потенциал России в ресурсах, технологии, местоположении и, в связи с этим, в международной дипломатии даёт неоспоримый повод полагать, что производство зелёного водорода в России будет рентабельным, т.к. выручка будет исходить отовсюду, выведенные из «грязной» промышленности деньги и накопленная энергия сможет на первое время подстраховать производство, технологии будут активно развивать отрасль, автоматически снижая себестоимость товара, а нефтяные и газовые магнаты смогут инвестировать свои вложения, будучи заинтересованными в монопольном контроле.
Боярская Яна Павловна.