Материал: арьеры реализации водородных инициатив

02.04.2008 15.08.2009 28.12.2012 11.05.2012 23.09.2013 05.02.2015 19.06.2016 01.11.2017 16.03.2019

Рис.1. Средняя ставка налога на выбросы углерода в Европе, евро/т CO2 [31]

В качестве одного из перспективных энергоносителей, способных решить эту проблему, предложен водород. Водород является потенциальным решением нескольких проблем энергогенерации, присущих как ВИЭ, так и углеводородным ресурсам. С одной стороны, его производство теоретически позволит преобразовывать, накапливать и сохранять энергию, произведенную из любого первичного ресурса [15]. С другой стороны, водород признан экологически чистым вторичным энергетическим ресурсом в связи с отсутствием каких-либо выбросов загрязняющих веществ на этапе его сжигания [16]. Несмотря на это, водородная энергетика находится на начальном этапе развития и еще не готова к масштабному и повсеместному внедрению в глобальную энергетическую систему. Следует четко понимать, что, если ВИЭ являются обсуждаемой, обширной применяемой группой технологий, то кластер технических решений водородной энергетики находится на самом начальном этапе развития, хотя первые работы в области использования водорода для обеспечения процессов устойчивого развития были начаты еще в середине прошлого века [10], а сам элемент изучается не одно столетие. Дискуссия о судьбе водорода в качестве энергоносителя в современных научных работах, как правило, проводится в одном из следующих направлений.

•В настоящее время не существует экономически эффективных способов получения водорода в промышленном масштабе, несмотря на наличие более 100 различных способов его получения (комбинации сырья и технических методов) [11].

•Отсутствует необходимая инфраструктура для масштабного развития водородной энергетики, как мобильной, так и стационарной [25]. При этом вопросы инфраструктурного развития во многих современных работах [22] ограничиваются отдельными этапами производственнологистической цепочки (производство, транспортировка, хранение или потребление), либо их комбинациями. Это связано с тем, что, несмотря на наличие в мире порядка 3000 км водородных газопроводов [34], до сих пор затруднены оценки того, какие ресурсы должны быть привлечены для модернизации уже сложившихся энергораспределительных систем.

•Исследования в области влияния водорода на металлы проводятся уже не одно десятилетие. Еще в 1967 г. в СССР было сделано научное открытие «Водородный износ металлов» (№ 378), но реакционная способность водорода до сих пор недостаточно изучена, хотя ее негативные проявления уже являются большой технической проблемой (стресс-коррозия). Так, например, негативное воздействие водорода на металл оказало влияние на перспективы его использования в качестве топлива для современных космических кораблей. Аналогичные негативные последствия наблюдаются и в действующих трубопроводных системах, особенно это касается мест стыков конструктивных частей. Из-за стресс-коррозии Газпром заменил более 5 000 км трубопроводов большого диаметра. В каждом конкретном случае необходимо комплексное изучение про- странственно-энергетического распределения водорода в металле, возникающего в процессе эксплуатации технических систем с целью оценки срока службы элементов с учетом усталостного разрушения [23].

429

Учитывая все это, водород следует рассматривать комплексно: как химический элемент, как энергоноситель, как сырьевой ресурс и, в целом, как источник возможностей и рисков. Рассмотрение водорода в контексте одной научной дисциплины приводит к потере существенной части информации и, как следствие, необоснованным выводам о его потенциале и барьерах для реализации.

Таким образом, цель данной статьи – интегральный анализ жизнеспособности идей о широкомасштабном развитии водородной энергетики в краткосрочной перспективе, развиваемых в рамках стратегических программ снижения углеродоемкости ряда ведущих мировых экономик.

Технологические аспекты производства, транспортировки и хранения водорода. В от-

личие от углеводородных ресурсов, водород, как правило, является вторичным энергетическим ресурсом, так как его добыча из природной среды крайне трудна, хотя примеры таких проектов имеются в международной практике [38].

Для производства водорода разработано множество концепций и технологий [8], которые условно можно разделить на две ключевые группы – основанные на ВИЭ («зеленый» водород) и на углеводородах («синий» и «серый» водород). Первая группа использует термохимические либо биологические процессы, вторая – процессы риформинга и пиролиза углеводородов,. Основная проблема заключается в том, что большинство доступных технологий еще не имеют достаточной апробации для их промышленного внедрения.

Производство водорода. Сегодня мировое производство водорода превышает 85 млн т. Основными потребителями являются химическая промышленность – до 70 %, нефтепереработка – более 20 %, металлургия – порядка 7 %, доля транспортной энергетики не превышает 1 % в общей структуре потребления [11].

Существует более 100 перспективных технологий производства водорода, из которых наибольшее распространение получили химические технологии конверсии углеводородного сырья (природного газа и угля) [28]. Основной промышленной технологией является паровая конверсия природного газа (SMR), хотя применяют также углекислотную конверсию (DRM), некаталитическое парциальное окисление (POX) и комбинации названных способов, среди которых крайне распространен автотермический риформинг (ATR) [17, 32].

В зависимости от источника водород условно разделяют на «зеленый», «серый», «синий» и «желтый». Это разделение не связано с цветом газа, а упрощает восприятие различий у общественности. «Зеленый» водород образуется наряду с кислородом при электролизе обычной воды. Этот процесс прост с технической точки зрения, но является крайне энергоемким. «Серый» водород получается за счет риформинга углеводородов, в результате которого также выделяются парниковые газы. Если параллельно с этим процессом реализуются цепочки захвата CO2 [35], то полученный водород называют «синим». Он же может быть получен за счет использования технологий пиролиза углеводородов. «Желтый» водород ассоциируются с атомной энергетикой. Но, учитывая объективные проблемы с общественным восприятием этих объектов, а также их ограниченную роль в глобальном энергетическом балансе, этот водородный ресурс является незначительным [36].

Следует остановиться на крайне перспективных технологиях получения водорода из метана без доступа кислорода (прямой пиролиз, низкотемпературная плазма и др) и, соответственно, без выбросов CO2 [2]. Подобные работы по созданию реакторов ведутся европейскими компаниями в рамках государственного и частного финансирования в BASF New Business GmbH, BASF SE, VdEh Betriebs Forschungs Institut, HTE GmbH, Linde AG, Thyssenkrupp Industrial Solutions AG, TU Dortmund, Verbundnetz Gas и других компаниях, входящих в число мировых лидеров в области снижения выбросов парниковых газов. Теоретически технологии пиролиза способны обеспечить не только нулевой, но и отрицательный углеродный след, в случае использования отходов и продукции сельского хозяйства [18]. Не углубляясь в детали технологических процессов, приведем только общую информацию о них (рис.2).

Хранение и транспортировка водорода. Транспортировка и хранение также являются слабыми звеньями водородных энергетических систем [9]. Повышение эффективности этих процессов связано с решением двух ключевых проблем: перевод водорода в форму, имеющую большую плотность (например, сжижение); повышение безопасности резервуаров и транспортных систем. Если первая проблема уже имеет некоторые практические решения, то вопросы безопасного обращения с водородом еще практически не изучены [21].

430

Рис.2. Сравнительный анализ способов получения водорода

Объемные и физические характеристики. В качестве примера потенциального проекта транспортировки водорода приведем «Северный поток-2» – один из наиболее обсуждаемых сегодня газотранспортных проектов.

В целях сохранения своих позиций на европейском рынке ПАО «Газпром» необходимо снизить углеродоемкость поставляемых энергетических ресурсов, чтобы соответствовать внедряемым экологическим стандартам, что подразумевает необходимость модернизации действующих и плановых технологических процессов. Под давлением Европейского Союза (ЕС) в качестве меры реагирования специалисты ПАО «Газпром» рассматривают возможность перевода турбин магистральных компрессоров на смесь метана с водородом (20 %), тогда выбросы углекислого газа ориентировочно уменьшатся на 30 %. Для этого на каждой компрессорной станции (более 250 в России) необходимо будет установить оборудование для производства водорода, либо необходимо транспортировать в ЕС природный газ уже в смешанном с водородом виде, с постепенным увеличением доли водорода по мере перехода ЕС к «углеродонейтральной» экономике.

При этом существует ряд сложностей в переводе трубопроводов на подобную смесь, связанных с физико-химическими свойствами водорода, создающими при их детальном рассмотрении нетривиальные проблемы, с которыми могут столкнуться газотранспортные системы. В частности, эффективность трубопроводной транспортировки газа напрямую зависит от объема продукции, а значит и от плотности газа. На рис.3, a представлена зависимость плотности смеси водорода и метана, из которой видно, что с увеличением концентрации водорода от 10 до 90 % плотность смеси снижается более чем в четыре раза.

При обосновании преимуществ водорода отмечается высокая энергоемкость этого газа, но при этом рассматривается теплота сгорания единицы массы, что не позволяет оценить реальную картину. На рис.3, б представлена зависимость теплоты сгорания смесей с различной концентрацией. Из рис.3 видно, что энергия, получаемая из одного объема водорода, в 3,5 раза меньше энергии, получаемой из метана.

На рис.4, а представлено увеличение требуемой энергии на сжатие 1 кг смеси для повышения давления на 1 МПа по мере увеличения доли водорода. Можно сделать вывод, что энергозатраты увеличиваются примерно в 8,5 раза, что делает процесс трубопроводной доставки водородосодержащих смесей менее энергоэффективным. Связано это с тем, что кинематиче-

431