Водород как топливо

Водород — топливо будущего

Проекты по использованию водорода в качестве топлива будущего в нашей стране, похоже, переходят из области научной фантастики в практическую плоскость. Россия, известная как крупный поставщик на международном рынке нефти и газа, в скором времени будет поставлять на европейские рынки водород. Продажи его сейчас только начинают набирать темпы роста. По расчетам специалистов, к 2050 году потребность в водороде увеличится в десятки раз и займёт 15−20% всего мирового рынка энергоресурсов. Начиная с 2040 года, в Великобритании и странах Европы планируют прекратить продажу машин с бензиновыми двигателями. Это решение должно простимулировать эволюцию водородной энергетики и всей её технической составляющей в целом.

Засучив рукава, за дело берутся российские атомщики. Так, в конце 2018 года госкорпорация «Росатом» заявила о своём решении включить водородную энергетику в состав своих «приоритетных направлений технологического развития в составе отраслевого национального проекта». А в роли основного заказчика технических решений для потребностей атомно-водородной энергетики выступает АО «ВНИИАЭС».

Тут важно будет пояснить, что для атомщиков водород – это скорее побочный продукт технологического процесса, как и попутный газ у нефтяников. Скапливаясь, он становится опасным, и его проще сжечь, чем найти какое-то практическое применение. Ох, не зря смесь водорода с кислородом называется «гремучий газ». Даже небольшая концентрация примеси кислорода в водороде делает его взрывоопасным. На АЭС типа ВВЭР в активной зоне реактора и в системе защитных оболочек происходит радиолиз воды с выделением водорода. Для нейтрализации этого опасного явления и обеспечения взрывобезопасности АЭС используют различные системы контроля и газоочистки. Разработкой таких систем занимается АО «ВНИИАЭС», с богатым опытом работы в направлении водородной энергетики и большим числом собственных наработок. Водород нейтрализуют различными способами, но чаще всего сжигают.

Системой «дожигания водорода» оснащены некоторые АЭС в европейской части России:
Кольская АЭС – 4 энергоблока;
Ростовская АЭС – 2 энергоблока;
Балаковская АЭС – 4 энергоблока;
Нововоронежская АЭС – 2 энергоблока;
Калининская АЭС – 3 энергоблока.

По всей видимости, светлые головы учёных-атомщиков решили эту проблему так же, как и известный персонаж фильма «Кавказская пленница»: «Тот, кто нам мешает, тот нам поможет!»

Зачем понапрасну сжигать водород, решили атомщики, когда можно зарабатывать на его продаже. Тем более что в Европе сейчас спрос на него возрастает год от года.

В течение 2019 года в АО «ВНИИАЭС» запланированы формирование заявок на аванпроекты и проработка технических требований технологии выработки, накопления и транспортировки водорода.

Планируются следующие инновационные разработки:
• металлогидридный термосорбционный компрессор с давлением водорода на выходе 80 МПа и производительностью 108 нм3Н2/час;
• электролизер-генератор водорода производительностью 108 нм3 Н2/час;
• установки производства сплавов (сорбентов) производительностью 500 кг/сут.;
• блок производства метилциклогексана гидрированием толуола и логистического центра транспортировки и доставки продуктов ВКЭК (водород/ кислород) к потребителям и водород-хабу.

Также следует отметить проблему, существующую в энергосистемах с неравномерным графиком нагрузок в течение суток. Пиковые нагрузки днём чередуются спадами потребления в ночное время. Переключая часть мощности АЭС на генерацию водорода в периоды спада потребления, можно будет уравнивать графики потребления мощности. Режим работы с равномерным распределением нагрузки является наиболее предпочтительным для всего генерирующего электрооборудования.

В одном из проектов прорабатывается возможная дозагрузка генерирующих мощностей части АЭС в европейской части России для производства товарного водорода под нужды потребителей. Для этих целей рассматривается Кольская АЭС и готовящаяся сейчас к вводу в эксплуатацию ПАТЭС (плавучая атомная теплоэлектростанция) «Академик Ломоносов». Летом 2019 года ПАТЭС планируют разместить у берегов Чукотского АО, в порту Певек. Планируется, что ПАТЭС сможет заменить собой два крупных энергообъекта – Билибинскую АЭС и Чаунскую ТЭЦ.

В заявлении сказано:

Что касается тепла, выделяемого при сжигании водорода с кислородом, то стоит отметить высокую температуру горения этой смеси (почти 3000 градусов Цельсия) с выделением большого количества энергии (до 24 000 Дж/Г). Это свойство применяется при плавлении тугоплавких металлов, кварца и т.п., для создания сплавов, резки и сварки металла. При сжигании водорода не происходит образование вредных веществ, а образуется лишь вода.

Остановимся отдельно на водородных топливных элементах, чтобы читателю было понятно, о чём идёт речь. Можете представить себе батарейку с «бесконечным» зарядом, в которой источником энергии являются не те компоненты, из которых состоит батарея, а постоянно протекающие через нее газы — водород и кислород. Внутри топливного элемента происходит окислительная реакция (2H₂ + O₂ → 2H₂O), а источником тока выступает движение электронов в ионной среде. В качестве катализатора здесь используется дорогостоящая платина, но в скором времени учёные её планируют заменить более дешевыми материалами на основе нанотехнологии.

Это не фантастика. Несколько лет назад начался первый серийный выпуск легкового автомобиля, работающего на водороде. Автомобиль имел гибридный электроводородный «двигатель». Энергия производится с помощью окислительной реакции водорода в электрохимическом генераторе. Вместо вредного выхлопа — вода.

Знакомьтесь, Toyota Mirai (что означает «будущее»). Мощность двигателя 154 л.с., крутящий момент 335 Нм. Время разгона машины от 0 до 100 км/ч всего 9 секунд. Заправка водородом занимает до 5 минут. В машине установлено 2 баллона высокого давления ёмкостью в 60 и 62,4 л водорода. Между прочим, сейчас практически каждый крупный производитель автомобилей ведет свои разработки на топливных элементах. Основным препятствием развития этого направления является отсутствие достаточного числа водородных АЗС, но это дело наживное.

Вот так это выглядит в реальности по всему миру.

Немцы даже выпустили детский набор H2-Sprinter, который представляет собой комплект: гоночный автомобиль с водородным топливным элементом, водородная заправка (электролизер) и солнечный модуль, вырабатывающий электроэнергию для электролиза.

Дети наливали из-под крана воду в «заправочную» станцию, ждали, пока солнце сделает всю работу, заправлялись и гоняли эту машинку на водородном топливе.

В Америке компания Hyundai в рекламных целях предлагает своим клиентам на Tucson FCEV заправляться водородом бесплатно.

А что, мы снова опоздали на этот «праздник жизни»? Где же наши разработки?

Об этом более подробно можно почитать здесь.

Автомобиль «Антэл»

Серия экспериментальных автомобилей «Антэл»: был такой отечественный проект с участием отечественных НИИ и предприятий (концерн «АвтоВАЗ», РКК «Энергия» и др.). При разработке «Антэл-1» на базе ВАЗ-2131 все основные компоненты, разработанные, между прочим, для «Буранов», разместили в багажном отделении. Кроме водородных, в машине располагались и кислородные баллоны, что делало её эксплуатацию небезопасной. Тем более что рядом с кислородом находилось ещё и масло, повышая опасность возгорания и взрыва.

Следующую машину разработали на базе ВАЗ-2111, но главное — избавились от взрывоопасных баллонов с кислородом, заменив их воздушным компрессором. Машина стала значительно легче и улучшила свои характеристики. Пробег автомобиля до 350 км, максимальная скорость до 100 км/ч. Общий объём водородных баллонов — 90 л. Максимальная мощность электрического двигателя — 90 кВт.

Скорее всего, противниками проекта выступили крупнейшие нефтяные компании или наши злейшие друзья — «западные партнёры», хотя формально финансирование этих разработок на ВАЗ в 2004 году было прекращено из-за «сложного финансового положения». А когда в 2005 году сменилось руководство автозавода, то проект «Антэл» полностью свернул свою деятельность.

Теперь мы с завистью смотрим на зарубежные автомобили с водородными топливными элементами, когда могли бы их опередить в своё время. В других странах уже созданы электропоезда, яхты и даже самолёты на водородных топливных элементах. Да, они снова нас обогнали.

Наш президент совсем недавно говорил о необходимости «технологического прорыва» в развитии страны — так вот же эти технологии! Если мы их не будем внедрять, то это всё равно не остановит прогрессирующее развитие водородных технологий по всему земному шару. И всё-таки хочется надеяться, что мы будем не только продавать в другие страны свои углеводородные ресурсы или водород, а ещё и сами сможем в полной мере пользоваться «высокими технологиями» собственного производства.

Пора переходить на водород

Мы живём в 21 веке, человечество развивается, строит заводы, ведёт активный образ жизни. Однако для полноценного развития и существования нам нужна энергия! Сейчас такой энергией является нефть. Из неё делается топливо для всех отраслей. Мы используем ее буквально повсюду: от маленьких авто, до огромных заводов.

Однако нефть не является бесконечным ресурсом, с каждым годом мы движемся к полному её уничтожению. Учёные говорят, что мы находимся на той стадии, когда нам нужно искать эффективную замену бензину, ведь уже сейчас цена на него очень высокая, а с каждым годом нефти будет всё меньше, а цены всё выше, и в скором времени, когда нефть закончится (а с существуюшем образом жизни человечества это произойдёт через 60 лет), наше развитие и полноценное существование попросту закончится.

Всем понятно, что нужно искать альтернативные виды топлива. Но какая замена самая эффективная? Ответ прост: водород! Вот, что заменит привычный всем бензин.

Кто придумал водородный двигатель?

Как и многие высокие технологии, данная идея пришла к нам с запада. Первый водородный двигатель разработал и создал американский инженер и учёный Браун. Первая компания, которая использовала данный двигатель, была японская «Honda». Но этой автомобильной компании пришлось на многое пойти ради воплощения в жизнь «автомобиля будущего». Во время создания авто были задействованы на несколько лет все лучшие инженеры и умы компании! Им всем пришлось приостановить производство некоторых автомобилей. И что самое главное, они отказались от участия в Формуле 1, так как все работники, которые были задействованы в создании болидов, стали разрабатывать автомобиль на водороде.

Плюсы водорода как топлива

• Водород является самым распространенным элементом во вселенной, абсолютно всё в нашей жизни состоит из него, все окружающие нас предметы имеют хоть маленькую, но частицу водорода. Именно этот факт очень приятный для человечества, ведь в отличие от нефти, водород не закончится никогда, и нам не придётся экономить на топливе.
• Он является абсолютно экологически чистым! В отличие от бензинового, водородный двигатель не выделяет вредных газов, которые негативно влияли бы на экологию. Выхлопами, которые выделяет такой силовой агрегат, является обычная пара.
• Водород, который используется в двигателях, очень воспламеняем, и автомобиль будет хорошо заводиться и передвигаться, независимо от погоды. То есть нам больше не потребуется зимой прогревать автомобиль перед поездкой.
• На водороде даже маленькие двигатели будут очень мощными и чтобы создать самый быстрый автомобиль, больше не потребуется строить агрегат размером с танк.

Конечно есть и минусы в этом топливе:

• Дело в том, что вопреки тому, что это безграничный материал, и он имеется повсюду, его очень тяжело добывать. Хотя для человечества это не проблема. Научились добывать нефть среди океана, пробурив его дно, научимся и водород брать с земли.
• Вторым минусом является недовольство нефтяных магнатов. Зразу после начала прогрессивного развития данной технологии, большинство проектов были закрыты. По слухам, всё это связано с тем, что если заменить бензин водородом, то самые богатые люди планеты останутся без дохода, а они этого позволить не могут.

Способы добычи водорода в качестве использования в виде энергии

Водород не является чистым ископаемым вроде нефти и угля, нельзя так просто взять выкопать и использовать его. Для того, чтобы он стал энергией, его нужно раздобыть и испоьлзовать некоторую энергию для его переработки, после чего этот самый распространенный химический элемент станет топливом.

Практикуемым на данный день способом добычи водородного топлива является так называемый «паровой риформинг». Чтобы переработать обычный водород в топливо, используются углеводы, которые состоят из водорода и углерода. При химических реакциях, при определенной температуре выделяется огромное количество водорода, который и можно использовать в качестве топлива. Данное топливо не будет выделять вредных веществ в атмосферу во время эксплуатации, однако во время его добычи выделяется огромное количество углекислого газа, который плохо влияет на экологию. Поэтому данный метод хоть и является эффективным, он не должен браться в основу по добыче альтернативного топлива.

Есть двигатели, для которых подойдёт и чистый водород, они сами перерабатывают данный элемент в топливо, однако, как и при предыдущем способе, здесь также наблюдается огромное количество выбросов углекислого газа в атмосферу.

Очень эффективным способом добычи альтернативного топлива в виде водорода является электролиз. Электрический ток пускают в воду, вследствии чего она распадается на водород и кислород. Данный метод является дорогим и хлопотным, однако экологически чистым. Единственным отходом от получения и эксплуатации топлива является кислород, который лишь позитивно повлияет на атмосферу нашей планеты.

А самым перспективным и дешёвым способом получения водородного топлива является переработка аммиака. При необходимой химической реакции аммиак распадается на азот и водород, при чём водорода получается в трижды больше, ежели азота. Данный метод лучше тем, что он немного дешевле и менее затратный. Кроме того, аммиак легче и безопаснее транспортировать, а по прибытию к месту доставки, следует запустить химическую реакцию, выделить азот и топливо готово.

Искусственный шум

Двигатели на водородном топливе практически бесшумны, поэтому на автомобилях, которые эксплуатируются или будут входить в эксплуатацию, устанавливается так называемый «искусственный шум автомобиля», — для предотвращения аварий на дорогах.

Ну что же, друзья, мы с вами стоим на пороге грандиозного перехода от бензина, который уничтожает всю нашу экосистему, до водорода, который наоборот её восстанавливает!

Водородное топливо

Стремительно увеличивающийся парк транспортных средств, использующих углеводородное топливо, с одной стороны, не менее стремительными темпами уменьшающиеся запасы сырой нефти, обуславливают активный поиск альтернативы топливу на основе углеводородов.

Не много правды о водородном топливе

Критерии, которым должно соответствовать топливо будущего

Биологическое топливо, производимое из растительного сырья и используемое в некоторых странах, не может полностью заменить углеводородное топливо. Его доля в современном количестве топлива для двигателей внутреннего сгорания (далее по тексту ДВС ) составляет менее 1% .

Перевод автомобильного транспорта на использование электроэнергии сопряжён с определёнными трудностями и ограничениями. В частности, пробег электромобилей без подзарядки не может удовлетворить даже нетребовательных автолюбителей. К тому же современная наука не в состоянии обеспечить электромобили малогабаритными и мощными аккумуляторными батареями.

Использование гибридных двигателей позволяет довольно-таки существенно уменьшить объёмы потребляемого бензина, но не избавляет полностью от его использования. Да и стоимость автомобилей с такими силовыми агрегатами не всем по карману.

Введение в водородную энергетику и топливные элементы

Новый вид топлива должен отвечать многим требованиям:

1. Иметь достаточные по объёму сырьевые ресурсы.
2. Его себестоимость не должна быть высокой.
3. Современные ДВС должны без доработок, или с их минимальным количеством, работать на новом топливе.
4. Выброс вредных веществ работающим двигателем должен быть минимальным.
5. Энергетическая полезность нового топлива должна быть выше существующего.

Перечислять требования можно и далее. Перебирая все известные на сегодня виды топлива, можно с уверенностью сказать, что наиболее подходящим будет водород.

Водородное топливо на автозаправке

История использования водорода в качестве топлива

Идея использования водорода как топлива для ДВС не нова. Ещё в 1806 году изобретатель Франсуа Исаак де Рива запатентовал во Франции первый двигатель на водороде. Но его изобретение не получило признания и не имело успеха. С середины XIX века в качестве топлива стал широко использоваться бензин. В блокадном Ленинграде, в условиях тотального дефицита бензина, более 600 автомобилей успешно работали на водороде. После войны этот опыт был успешно забыт.

Вернуться к водородному топливу и всерьёз заняться научными изысканиями в этой области заставил энергетический кризис второй половины прошлого столетия. Причём такими разработками занимались учёные практически всех развитых стран.

Нужно отметить определённые успехи, достигнутые в этой области. Такие известные производители, как Honda, Toyota, Hyundaiи другие выпускают свои модели водородных автомобилей.

Варианты использования водорода как топлива

Использовать водород как топливо для автомобилей можно разными способами:

1. Используя только сам водород.
2. Используя его в смеси с другими видами топлива.
3. Применение водорода в топливных элементах.

Самый доступным методом производства водорода является сегодня электролитический метод, при котором водород получают из воды, путём воздействия сильного электрического тока, возникающего между разнополярными электродами. Сегодня более 90% добываемого водорода производится из углеводородных газов.

Использование чистого водорода для питания ДВС давно опробовано. И не получает широкого применения, в частности, по целому ряду объективных причин. А именно:

1. Большой энергозатратности сегодняшних способов получения этого вида топлива.
2. Необходимости создания и использования сверхгерметичных ёмкостей для хранения полученного водорода.
3. Отсутствия сети станций для заправки автомобилей водородом.

Из дополнительного оборудования для сжигания водорода в ДВС автомобиля, устанавливается лишь система питания водородом и бак для его хранения. Такой метод допускает использование в качестве топлива, как водорода, так и бензина. Его используют в своих водородных автомобилях такие автогиганты как BMW и Mazda.

Возможно использование водорода в смеси с традиционным углеводородным топливом. Использование такого метода обусловлено теми же проблемами, что и метод работы ДВС на чистом водороде, и даёт значительную экономию бензина или дизельного топлива.

Но самым предпочтительным многие специалисты и автопроизводители признают автомобили, работающие с использованием топливных элементов. Не вдаваясь в технические подробности этот процесс можно описать как соединение водорода и кислорода в устройстве, называемом топливным элементом, в результате которого образуется электрический ток, подающийся на электродвигатели, приводящие автомобиль в движение. Побочным продуктом этого процесса является вода, которая в виде пара выводится наружу. Такой метод активно используют такие производители автомобилей как Nissan , Toyota и Ford .

Преимущества использования водородного топлива. Самое главное достоинство водородных двигателей – это экологичность. Использование водорода избавит от огромного количества всевозможных вредных веществ, попадающих в окружающее пространство в виде выхлопов при использовании углеводородных видов топлива.

Привлекательным в сегодняшних реалиях является тот факт, что не утрачивается возможность использования того же бензина.

Отсутствие сложных и дорогостоящих систем подачи топлива также, несомненно, можно отнести к существенным преимуществам ДВС на водороде перед традиционными.

Ну и, конечно же, нельзя не сказать о существенно большем КПД водородного двигателя, по сравнению с классическими вариантами ДВС.

Недостатки автомобилей на водородном топливе. К ним можно отнести увеличение веса автомобиля за счёт установки водородного бака и другого дополнительного оборудования.

Довольно-таки низкая безопасность при сжигании чистого водорода в ДВС. Весьма велика вероятность его воспламенения и даже взрыва.

Дороговизна топливных водородных элементов, на использование которых делают упор многие автопроизводители.

Несовершенство нынешних ёмкостей для хранения водорода в автомобиле. До сих пор у учёных нет однозначного мнения по поводу материалов, из которых необходимо делать автомобильные баки для водорода.

Отсутствие сети станций для заправки автомобилей водородом делает эксплуатацию водородного автомобиля весьма затруднительной.

Как работает технология водордного топлива в автомобиле

Выводы

Несмотря на существенные технические проблемы и недоработки, использование в будущем водорода как основного вида топлива имеет многообещающие перспективы. Альтернативы ему, по крайней мере, сегодня, нет.

Переход на водород

Технологические решения для широкого использования самого эффективного топлива уже существуют

Экспериментальная установка Wendelstein 7-X для исследования управляемого термоядерного синтеза. Грайфсвальд (Германия)

Водород — это самое энергоемкое и легкое вещество из всех видов топлива. Его производство не относится к инновациям — он производился миллионами тонн еще в советские времена, когда его использовали для производства аммиака для получения азотных удобрений.

Водород и сегодня используют для производства удобрений, повышения качества бензина, улучшения свойств стали, а также в пищевой промышленности для производства маргарина и твердых кондитерских жиров методом гидрогенизации растительных масел. Без него не обходятся все процессы гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов. Его также широко применяют для охлаждения генераторов на электростанциях.

С тех пор как появилась перспектива перехода на водородную энергетику с углеводородной, потребность в водороде увеличилась на порядки. Сегодня эта перспектива стала реальностью, поскольку примерно десять лет назад была решена одна из основных проблем с его хранением для дальнейшего использования в качестве автомобильного топлива. Вместо тяжелых, дорогих и небезопасных стальных баллонов для сжатого под высоким давлением водорода стали применять легкие композитные емкости из углепластика, которые прекрасно помещаются в легковых автомобилях. Кроме того, стало возможным получать водород прямо по месту употребления. Появление таких технологий зажгло для водородной энергетики зеленый свет.

Около 20 лет назад во всем мире начали появляться автомобили на водороде, и бывшие выставочные центры пилотных моделей превратились в салоны-магазины серийных образцов. Количество автомобилей на водородном топливе сегодня исчисляется тысячами. Их стоимость составляет около $50–60 тыс. Серийные автомобили на водороде есть у Toyota, Hyundai, Honda. Предсерийные образцы тестируют Audi, Mercedes, BMW, Mazda, Ford и ряд других производителей. Все технические препятствия, столько десятилетий казавшиеся непреодолимыми, пройдены за считаные годы, и теперь вопрос только в экономической целесообразности для массового потребителя. В России такой автомобиль приобрел себе житель Красноярска, но в связи с отсутствием заправок в своем городе перевез машину в Москву и получает топливо в одном из научных институтов.

Как получить водород?

Для развития водородной энергетики нужно будет на государственном уровне решить вопрос, в каком виде доставлять водород к месту его получения. Дело в том, что водород содержится в очень многих видах ископаемых топлив.

«Наиболее дешевый водород получается методом паровой конверсии метана, — рассказывает заведующий отделом гетерогенного катализа Института катализа СО РАН Павел Снытников. — Другой способ — из аммиака. Для его транспортировки, как и для природного газа, в нашей стране даже существует трубопровод, так как аммиак сжижается всего при давлении 8,5 атмосферы. Третье решение — перевозка будущего водорода в виде метанола. В Китае метанол используют как автомобильное топливо. Но в России против метанола почему-то предубеждение, по-видимому, в связи с тем, что с давних пор у нас простой народ пил все, что горело, в том числе и метанол, и люди лишались зрения».

А вот получать его лучше всего там же, где будут потреблять, чтобы уйти от проблем транспортировки чистого водорода. Чтобы использовать водород, например, как автомобильное топливо, нужно закачать его в баллоны под давлением 700 атмосфер. Правда, на сжатие нужна дополнительная энергия. Не меньше энергии требуется на сжижение водорода, так что один из подходящих способов его транспортировки — это перевозка в химически связанном состоянии, например в виде метана, из которого водород должен производиться там же, где будет использоваться. То есть до заправки везут метан, а уже на самой заправке устанавливается небольшое производство, например, конвертер метана в водород. Но этот способ не очень хорош для экологии, поскольку на небольших производствах сложно обеспечить качественную очистку выбросов. Зато экономически он себя вполне оправдывает. Опыт Японии, Кореи и ряда других стран показал, что километр пробега на водороде выходит не дороже бензина. 4 кг водорода, закачанного в баллон, хватает примерно на 800 км пути обычного седана.

Получать водород можно практически из любого углеводородного топлива: из бензина, дизельного топлива или пропан-бутановых смесей. В Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН ведется работа по гранту РНФ по тематике получения водорода из дизельного топлива. Также разрабатываются методы получения водорода даже из органических носителей, например из бор-гидридов. Главные задачи на будущее развитие водородной энергетики — это не только получение водорода, но и его хранение. Жидкий водород можно хранить только при низких температурах, поэтому его использовали только в критически важных областях, например, как ракетное топливо.

Если отвлечься от автомобилей и обратить внимание на энергообеспечение более крупных стационарных объектов, например жилых или промышленных комплексов, то вся идеология водородной энергетики строится на ее связке с другими источниками энергии. Например, с возобновляемыми — гидро-, ветряными, солнечными электростанциями или с крупными атомными электростанциями. Производство такой энергии идет в одном режиме, а тратится потребителями она в другом, поэтому, когда есть излишки энергии, ее можно тратить на получение водорода даже из обычной воды методом электролиза.

Голубая мечта о зеленом водороде

Электролиз — это способ получения водорода из воды, который, к сожалению, требует больших энергозатрат, поэтому он оправдан только в тех случаях, когда вырабатываемую энергию необходимо запасти, пусть даже и с невысоким КПД. Лучше всего использовать для этого источники, где постоянно возникают достаточно большие излишки энергии. Емкости аккумуляторов для ее сохранения не хватает, кроме того, аккумуляторы быстро разряжаются, а полученный методом электролиза водород — это гарантированный запас энергии, можно сказать, воплощение мечты о чистой энергии, так называемом зеленом водороде. К сожалению, пока всего 2% общего объема водорода в мире производится методом электролиза. 75% водорода получают из природного газа и 25% — сжиганием угля. Цены топлива, полученного по этим технологиям, также несопоставимы: $1,7 за 1 кг водорода из природного газа и $5–10 за водород, полученный электролизом. Впрочем, стоимость зависит от источника энергии. Например, от энергии АЭС зеленый водород вдвое дешевле ($3–5), чем от возобновляемых источников энергии.

Основные организации в России, заинтересованные в получении водорода — это компании «Росатом» и «Газпром». Атомные электростанции нуждаются в сохранении избытка энергии в виде водорода и дальнейшего его использования. А добывающая компания хочет перерабатывать природный газ в водород, имея соответствующие установки непосредственно в местах использования, например на автомобильных заправках. Для решения проблемы транспортировки водорода можно переводить его в спирты — метанол, диметиловый эфир, чтобы получать из них водород, что называется, «по требованию» для дальнейшего использования на энергоустановках. Это химия получения водородсодержащих компонентов, и она достаточно хорошо освоена.

Как перестать сжигать топливо

Вообще, заявления о том, что водород — это экологически чистое топливо, не совсем справедливы. Из школьного курса химии мы помним, что после сжигания водорода получается вода. Но горит-то он в воздухе, где высокое содержание азота, и в результате реакции кислорода и азота при высоких температурах мы получаем те же токсичные оксиды азота, что и при сжигании бензина, только в меньшем объеме. Собственно, водород здесь ни при чем: любое высокотемпературное горение вызывает в воздухе реакцию взаимодействия кислорода и азота с образованием оксидов. По этой причине получать электричество с помощью сжигания любого топлива — это не самый экологичный способ. А тем более углеводородного, которое сгорает с выделением выбросов углекислого газа в атмосферу. Чтобы решить проблемы с выбросами в атмосферу, нужно прекратить сжигать топливо и снизить градус его потребления до комнатной температуры. В этом могут помочь топливные элементы.

Применение водорода в топливных элементах является самым экологичным. Разные топливные элементы используют водород при разных температурах и могут быть более или менее привередливы к его чистоте. Низкотемпературные топливные элементы работают на чистом водороде, а высокотемпературные вполне удовлетворяются синтез-газом. Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию водорода в электрическую (процесс, обратный электролизу) с достаточно высоким КПД. Институт катализа СО РАН сотрудничает с российскими производителями топливных элементов — ГК «ИнЭнерджи» и Институтом проблем химической физики РАН, где были разработаны и созданы сверхлегкие топливные элементы для беспилотных летательных аппаратов. В настоящее время там ведутся разработки более крупных топливных элементов для автомобильных передвижных платформ. Рынок топливных элементов еще только формируется, поскольку область их применения постоянно растет. Появляются новые возможности в разработке — осваивается новый экономический сектор. Вопросы могут быть самые разные — например, обеспечение дальних трасс или камер видеонаблюдения источниками связи или возможность установки автономных вышек сотовой связи. Источники водородной энергии всегда работают как тандем «топливный элемент на водороде плюс аккумулятор». Аккумулятор способен сглаживать пиковые нагрузки, а топливный элемент обеспечивает длительную выработку электроэнергии.

Сегодня в мире на топливных элементах работают тысячи небольших энергоустановок. В США, Японии и некоторых странах Европы они уже около 30 лет снабжают водородной энергией небольшие частные поселки, большие и удаленные от города супермаркеты или промышленные объекты. В отличие от дизель-генераторов это намного более бесшумные системы, так что их широко используют как запасные источники энергии в случае сбоев в работе основного источника энергообеспечения.

Сколько стоит чистый воздух

В качестве грантового финансирования на развитие индустрии водородной энергетики некоторые страны ЕС ежегодно выделяют сотни миллионов евро, США — сотни миллионов долларов. Совокупные вложения Европы и США в эту отрасль исчисляются миллиардами. Сейчас многие компании во всем мире делают попытки использовать источники энергии на топливных элементах в самых разных областях. В ближайшие десятилетия может измениться сама концепция человеческого энергопотребления.

В России развитие топливных элементов исторически связано с космическими программами в середине ХХ века. Щелочные топливные элементы использовались во многих космических проектах, где требовались автономные энергоустановки.

В 2020 году правительство России утвердило энергетическую стратегию Российской Федерации на период до 2035 года и ключевые меры развития водородной энергетики. В этом же году был создан консорциум по водородной энергетике, куда вошли ведущие научные институты: Томский политехнический университет, Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет. В программе развития водородной энергетики РФ намечено создание водородных кластеров и пилотных проектов по производству и экспорту водорода. Планируется развитие первых коммерческих проектов производства водорода. Сегодня в РФ появляются отдельные пилотные проекты с использованием водородной энергетики, но до массового внедрения пока не дошло: скорее производители демонстрируют свою готовность к реализации подобных проектов в случае выделения финансирования со стороны, например, госкорпораций. Так, в конце 2019 года в Санкт-Петербурге был запущен трамвай на водородном топливе, а ОАО «Газпром» и ОАО «РЖД» в качестве пилотного проекта обсуждают возможность запуска поезда на Сахалине на топливных водородных элементах.

Водород вместо метана: как Россия может встроиться в мировой тренд

Водород стал самой горячей темой «зелёной» энергетики этого года. Евросоюз опубликовал свою Водородную концепцию и план перехода на энергетику с нулевой эмиссией СО2 в 2050 году. За ним это сделала Германия. В конце октября российское правительство также приняло Дорожную карту по развитию водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года.

Чистый источник энергии

Водород – это энергоресурс, который производится из других источников энергии – электрической, либо из природного газа, угля. Но зато дальше его можно использовать либо как топливо, либо среда для хранения энергии. Если машина едет на водороде, то выбросов нет никаких. Вячеслав Кулагин, заведующий отделом исследований энергетического комплекса России и мира ИнЭИ РАН, говорит:

— Есть очень много вариантов и цепочек, в которые водород может встраиваться. Это цепочка производства электроэнергии, это цепочка хранения энергии, это цепочки на транспорте. Тема очень модная. Сейчас в нескольких странах ведутся достаточно активные работы по производству транспорта на водороде. В первую очередь – автотранспорт, но есть и поезда на водороде. Пока это всё на экспериментальной стадии, потому что с экономикой всё сложновато, и конкурировать с альтернативными ресурсами достаточно непросто.

Водород бывает разный – от серого до желтого. Сегодня он производится из ископаемого топлива и используется в промышленности. Однако не на него устремлены взгляды. Речь идёт о топливе будущего, которое будет произведено без углеводородного следа и будет сгорать, не оставляя его. Директор аналитического центра «Новая Энергетика» Владимир Сидорович объясняет:

— Это будет «зеленый» водород, который производится с помощью электроэнергии и электролиза. Это может быть «синий» водород, который производится из природного газа с улавливанием и хранением углекислого газа. Это может быть водород, который будет производиться с помощью электроэнергии на атомных электростанциях, и поэтому его иногда называют желтым. Есть много вариантов, но пока о каких-то больших инвестициях я не слышал в России.

Российские эксперты высказывают достаточный скепсис по поводу быстрого распространения водорода в энергетике будущего. Технологии производства недостаточно проработаны, считают они. Поскольку водород – вторичный источник энергии, расходы на его производство выше затрат на добычу и транспортировку природного газа. До перехода с углеводородного топлива на водород еще достаточно далеко, говорит Владимир Паршуков, член совета по альтернативным и возобновляемым источникам энергии:

— Если по каким-то причинам прекратится подача природного газа, то основной носитель, который заменит газ, будет сжиженный природный газ. Его транспортировка отработана, хранение и перевозка также отработана. Это будет более экономичный способ. Транспортировать водород – достаточно большая проблема как автомобильным, так и железнодорожным транспортом. Для этого необходима разработка достаточно наукоёмких и трудоёмких работ. Проще всего использовать водород как можно ближе к месту его производства.

Что делается в мире

Летом этого года Евросоюз принял концепцию, приоритет которой – возобновляемый водород, производимый на основе энергии ветра и солнца. Совокупные инвестиции в возобновляемый водород могут составить от 180 до 470 миллиардов евро до 2050 года. Деньги на выполнение программы будут выделяться уже сейчас. До 2024 года ЕС выделит финансирование на строительство 6 ГВт электролизеров для производства возобновляемого водорода. Будет произведен 1 миллион тонн чистого газа. К 2030 году производство возрастет до 10 миллионов тонн. Для этого Еврокомиссия собирается выделить субсидии на строительство 40 ГВт электролизеров.

В Европе понимают, что пока цена на «зеленый» водород выше любого другого вида топлива, но его стоимость быстро снижается. Страны ЕС занимают лидирующие технологические позиции в этом сегменте и намерены наращивать свое преимущество. До 2030 года в этом сегменте рынка будет создано порядка 1 миллиона рабочих мест.

Испанский нефтегазовый концерн Repsol объявил о начале строительства одного их крупнейших в мире заводов по производству чистого топлива и зеленого водорода. Первоначальные инвестиции составят 60 миллионов евро. Завод построят за 4 года.

В Голландии Shell и газораспределительная компания начинают строить мощности по производству водорода с использованием электричества 10 ГБт ветряных офшорных электростанций. Первый водород будет произведен в 2027 году. Через 20 лет консорциум произведет 800 тысяч тонн в год. Для этого ветряной парк удвоится. Только на него уйдут 30 миллиардов долларов. В этом году будет готов проект. Участники рассчитывают на европейские и национальные субсидии.

В Азии тоже не дремлют. В японской Фукусиме уже открылся крупнейший в мире завод по производству водорода. Водородная станция на солнечной энергии может производить газ для заправки 560 автомобилей на топливных элементах в день. Участники проекта Toshiba, Tohoku Electric Power и дистрибьютер природного газа Iwatani надеются, что смогут перенести свою технологию заграницу и поставлять топливо в Японию оттуда. Завод станет полигоном по развитию новых энергетических технологий. Стоимость проекта составила 189 миллионов долларов.

В Китае объем промышленного производства водородной промышленности в 2025 году составит 148 миллиардов долларов, а в 2035 – 740 миллиардов. В Шанхае планируется строительство «водородной энергетической гавани» с оборотом 7,23 млрд. долларов в год.

Водород в России

Эксперты в России прекрасно осведомлены о том, что практически все страны Евросоюза приняли программы, резко ограничивающие использование электроэнергии, полученной из углеводородного сырья. В энергетическом балансе Германии на первом месте находится производство электроэнергии от ветра, на втором – солнечная генерация, и только на третьем месте – энергия от источников углеводородного сырья. Через 10-15 лет большинство стран Евросоюза перейдут на безуглеродное сырье, поэтому поставки природного газа будут сокращаться. Владимир Паршуков говорит:

— Газ сейчас выигрывает у водорода. Но если в целом брать экономику, когда мы, помимо цены, должны платить штрафы за экологический вред, за невыполнение договоров по климату, под которыми подписалась Россия, беря на себя обязательства, то со временем, конечно, выгоднее будет использовать водород.

Дело в том, что надежных водородных технологий в России нет, признают все опрошенные «Новыми известиями» эксперты. Есть ассоциация разработчиков и производителей оборудования для использования в экономике водорода, имеются программы по отдельным регионам. Заместитель директора Ассоциации «Сообщество потребителей энергии» Валерий Дзюбенко рассказывает, что проекты, связанные с водородом в энергетической части, есть на уровне стартапов, используются топливные элементы, но это все сугубо теоретические описания. Каких-либо практических примеров использования водорода в сколько-нибудь значимом масштабе для энергетики назвать не смог никто. В Дорожной карте объявлено о разработке водородного проекта Росатомом на базе Кольской АЭС. Газпром поручил одному научно-исследовательскому институту подготовить проектное задание.

— Росатом, Газпром – это все только проекты. Никаких реальных производств по созданию водорода, его хранения, накоплению, использованию для энергетических нужд я не знаю. Есть многие перспективные проекты, прожекты и намерения этим заняться в будущем, наверное, может быть, об этом много разговоров. Что касается практических примеров, о них не известно. Может быть, они реализуются в не очень публичном формате, но даже о таких примерах неизвестно.

Когда-то наша страна была передовой в использовании водорода, напоминает Вячеслав Кулагин:

— У нас бегали машинки на водороде. Самое удивительное, что это было в годы войны в блокадном Ленинграде, где ездило пятьсот машин на водороде. Были большие сложности с поставками нефтепродуктов. Летали дирижабли на водороде. И, чтобы перевозить эти дирижабли к нужным местам, нашлись уникальные инженеры, которые в этих условиях из подручных средств собрали технологию, позволяющую машине передвигаться на водороде от дирижаблей. Тогда ещё эту программу планировали развивать, но после войны, когда сравнили экономику в условиях, когда не было сложностей с поставками нефтепродуктов, оказалось, что водород значительно дороже. И от развития этих программ отказались.

Пока в нашей стране водород рассматривают как интересное перспективное направление для будущего. Какую бы сферу применения не брать, водород оказывается в проигрыше. Он дороже, чем газовая генерация. Водород в автотранспорте дороже, чем бензиновая машина. Но главное слово здесь «пока».

В России существует проблема избыточного производства электроэнергии. На русском Севере потребители забирают на некоторых АЭС не более 50% электроэнергии. Для Росатома есть преимущества в производстве водорода, поскольку ему нужно поддерживать определенный уровень генерации электроэнергии. Атомные блоки сложно регулировать по мощности. На той же Кольской АЭС надо вырабатывать электроэнергию, а девать ее некуда. Сбрасывать ее можно, например, в производство запасов водорода. Это поможет сделать атомную энергетику более гибкой и позволит увеличить регулировочный диапазон, который сейчас у них весьма скромный.

В Газпроме, как говорит Вячеслав Кулагин, есть вариант, когда водород может добавляться в газ и в виде метановодородных смесей поставляться в Европу:

— Многое зависит от того, про какие именно трубы мы говорим. Пять процентов – достаточно безболезненно для системы. Если мы говорим про трубу, такую как «Северный поток», для неё можно прогонять газ и с куда большим содержанием водорода. Эти возможности есть. Но проблема в том, что трубы лежат разные, нужно смотреть, о каких идёт речь, и о каких направлениях поставки. И там возможно разное допустимое содержание водорода, чтобы не возникало проблем. И второй серьёзный вопрос: чтобы поставить в трубу, в её начале нужно произвести водород. И вопрос, что будет в конце трубы.

Если газ по трубе получают электростанции, то это не страшно. Но есть потребители, которые используют метан как сырье для производства удобрений. Не все так просто, говорят эксперты, вопрос более комплексный. Владимир Паршуков считает, что в настоящее время использование существующих трубопроводов для транспортировки водорода невозможно.

Несмотря на принятие Дорожной карты, эксперты затруднились ответить на вопрос, сколько государство готово выделить на водородную программу.

— В связи с тем, что идёт переформатирование всех федеральных целевых программ конкретно сказать, какие суммы будут выделяться на какие проекты – сложно, но суммы выделяются достаточные для реализации пилотных проектов и создания экспериментальных образцов. Программа рассчитана в ближайшей перспективе на три года и в дальнейшем – до десяти лет, — говорит Владимир Паршуков.

Формулируя национальные цели по использованию водорода в качестве энергоносителя, необходимо исходить из тех ресурсов, которыми страна располагает и что она в этой связи готова предложить с выгодой для себя и зарубежных партнёров. Валерий Дзюбенко напоминает:

— К сожалению, у нас есть пример возобновляемой энергетики, на которую тратятся огромные средства — удельно на один мегаватт существенно больше, чем в среднем в мире, но сколько-нибудь значимого прогресса в развитии отрасли мы не достигли. Это следствие череды ошибок в выборе механизмов, способов поддержки, распределении рисков и ответственности.

Эксперты говорят, что экономика водородной энергетики будет во многом схожа с экономикой природного газа: кто-то завоюет технологическое лидерство, кто-то на производстве в силу дешевизны электроэнергии, а кто-то займется поставками и транзитом.

Лидерство – это серьёзная цель, требующая не только больших, а, главное, эффективных вложений.

​​​​​​​Водород как топливо будущего и Россия

Вот уже которое десятилетие водород называют топливом будущего. Говорили об этом и на Международном экономическом форуме, проходившем в Петербурге 2-5 июня. Вице-премьер правительства РФ Александр Новак отметил, что правительство может утвердить концепцию развития водородной энергетики через один-два месяца. По его оценке, доля российского водорода в мире может составить 20 процентов – примерно столько же, сколько сейчас Россия занимает на рынке природного газа и нефти. Диапазон оценок общемирового спроса на водород к 2050 году колеблется в пределах от нескольких десятков до почти 700 млн тонн в год.

Оценки Новака подтвердил и генеральный директор Международного солнечного альянса Аджай Матур. В южных регионах России, сказал он, есть большой ресурсный потенциал для производства солнечной энергии и «зелёного» водорода, который образуется путем электролиза воды, заявил он.

Водород – самый распространенный элемент на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде отдельных молекул, ни в виде газа. Водород легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды. Поэтому его можно получить с помощью обратного процесса: из воды путем разделения её молекул электрическим током на кислород и водород, посредством электролиза.

По оценке Международного агентства по возобновляемой энергетике, самый оптимистичный сценарий развития отрасли – рост мирового рынка водорода до 470 млн тонн в год (рынок нефтепродуктов сегодня составляет 700 млн тонн в год, но водород в 2-3 раза более энергоёмкий). Сегодня Водородный совет (5 крупных автоконцернов) оценивает рынок водорода в 164 млн тонн в год.

«ЕС, – пишет Deutsche Welle, – провозгласил в конце 2019 года программу Green Deal (Зелёный пакт), предполагающую превращение Европы к 2050 году в первый климатически нейтральный континент планеты, что, по словам авторов концепции, может привести "к сокращению доходов России" (в связи с планируемым отказом от нефти, угля и газа). Сами европейцы не ставят в качестве первоочередной задачи сведение "на нет" энергосотрудничество с Россией, напротив, говорят о том, что оно необходимо, но с очевидным смещением в сторону возобновляемой энергетики и водорода» .

Министры финансов стран Евросоюза уже договорились, что прекратят давать деньги не только на угольные, но и на новые нефтегазовые проекты. Даже природный газ теперь не приветствуется, его место должен занять водород. В июне 2020 года правительство Германии опубликовало Национальную стратегию водородной энергетики, согласно которой на новое топливо будут переведены транспорт, металлургия и нефтехимическая промышленность. До 2023 года на эти цели Германия потратит 10 миллиардов евро. В целом на переход на водородное топливо к 2050 году ЕС намерен потратить 470 миллиардов евро.

К 2035 году Airbus собирается выпустить первый коммерческий самолёт на водородном топливе. А первый в мире самолёт с электродвигателем и системой водородных топливных элементов был создан в Германии ещё в 2016 году. В Германии стартует также эксперимент по частичному замещению водородом природного газа в отоплении жилья. Над тем же работают в Великобритании. В Нидерландах и Бельгии собираются протестировать речное судно на водородном топливе. А канцлер Себастьян Курц обещает превратить Австрию в мирового лидера в области водородных технологий.

Станция в Германии по производству зеленого водорода

Летом 2020 года Минэнерго представило программу «Развитие водородной энергетики в России» на 2020-2024 годы, в октябре была утверждена соответствующая дорожная карта. В документе указывается, что производством и экспортом водорода займётся «Газпром», который сейчас производит на своих объектах более 380 тысяч тонн водорода и с 2021 года готов продавать его третьим странам. Уже существуют планы переориентировать под водород газопроводы «Северный поток» и недостроенный «Северный поток-2».

Однако нефть, газ и даже уголь пока рано списывать со счетов. Глава «Роснефти» Игорь Сечин во время выступления на ПМЭФ-2021 предупредил, что мир может столкнуться с острым дефицитом нефти и газа из-за недоинвестирования этих отраслей. На фоне прогнозов о возможном дефиците оптимистично смотрится намерение России заместить до 70% поставок австралийского угля на рынки Китая и в целом увеличить экспорт этого энергоносителя в страны Азиатско-Тихоокеанского региона, заявил глава «Ростеха» Сергей Чемизов.

Ожидается, что поставки российского угля в восточном направлении к 2024 году вырастут на 30%. Среди покупателей угля есть и Индия. Она планирует скупать почти весь российский коксующийся уголь и антрацит, поставляемый на экспорт. Пока Россия экспортирует в Индию менее миллиона тонн металлургических углей, но Дели запросил объём до 40 миллионов тонн в год стоимостью около 4,5 миллиарда долларов, пишет «Коммерсантъ». Так что при любом раскладе с водородным топливом Россия не перестаёт быть энергетической державой.