Зеленый элемент
Водород — один из самых перспективных и чистых источников энергии. Разговоры о «водородной революции» ведутся уже много лет, мировые эксперты даже объявили, что 2020-е годы станут «десятилетием водорода». Какие препятствия существуют на пути к светлому водородному будущему и сможет ли российская энергетика их преодолеть? Об этом корреспондент «Энергии Северо-Запада» поговорил с доктором технических наук, профессором Николаем Кулешовым, заведующим кафедры химии и электрохимической энергетики НИУ «МЭИ».
Легкий, эффективный и экологичный
Само понятие «водородная энергетика» стало широко использоваться в развитых странах еще в начале 70-х годов прошлого века — в период так называемого энергетического кризиса, когда стало ясно, что запасы органического топлива на Земле ограничены, а водород является хорошей альтернативой. Водород — самый легкий элемент и содержит в 2,5 раза больше энергии на единицу массы по сравнению с природным газом и бензином. Кроме того, водород распространен повсеместно, его запасы практически безграничны. Проблема в том, что в чистом виде водород на Земле не встречается, его нужно извлекать из других химических соединений различными способами.
— Водородная энергетика охватывает многие аспекты экономики, поэтому в высокоразвитых странах, вкладывающих значительные средства в развитие водородной энергетики, появилось даже понятие «водородная экономика», — объясняет Николай Кулешов. — В последние годы в мировой водородной энергетике преобладает экологический аспект, появились понятия «безуглеродная энергетика», «зеленый водород».
Зеленый водород — это тот, который получен с нулевым выбросом СО2 с помощью электролиза воды. Причем электричество, необходимое для этого процесса, должно вырабатываться с помощью возобновляемых источников энергии. К добыче и использованию зеленого водорода стремятся все, но проблема в его цене: получение килограмма зеленого водорода оценивается в размере 10 долларов за килограмм. Самым распространенным и наименее дорогим на данный момент является серый водород, который получают с помощью конверсии метана, но он имеет высокий углеродный след.
По словам Николая Кулешова, в России интерес к водородной энергетике, особенно в плане использования водорода в повседневной жизни, не всегда был однозначным и переживал свои взлеты и падения: интерес и советские лозунги про приближение «водородной эры» сменялись скептицизмом.
— Основная причина этого — большие собственные запасы углеводородного сырья, — считает Николай Кулешов. — Кроме того, скептики всегда указывают на высокую стоимость производимого водорода и некоторые его физико-химические свойства. Тем не менее в последние годы в правительстве России приняли ряд взвешенных в отношении водородной энергетики документов, направленных в первую очередь на создание водородных энергоустановок, для реального сектора экономики. Так, в 2020 году была утверждена Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года, где подчеркнута особая роль водородных энергетических технологий в низкоуглеродном развитии энергетики.
На благо отечественного электролиза
Электролиз воды — самый короткий путь к получению «зеленого водорода». Проблема в том, что в нашей стране производство щелочных электролизеров воды типа СЭУ и ФВ, разработок 1950-х годов, велось до 1990-х годов на единственном предприятии — Уральском заводе химического машиностроения. Естественно, что эта продукция потеряла конкурентоспособность и, начиная с 2000-х годов, производство электролизеров в России прекращено. В настоящее время на территории Российской Федерации используются уже сотни установок зарубежных компаний в различных областях промышленности, включая энергетику и другие стратегические области, при этом полный цикл их технического обслуживания также выполняют иностранные специалисты. С другой стороны, в России имеется достаточно ресурсов для возобновления производства щелочных электролизеров, для чего требуется создать электрохимическую элементную базу на основе новых электродов и разделительных сепараторов. Исследования в данном направлении ведутся. Так, коллектив кафедры химии и электрохимической энергетики (входит в состав института Энергоэффективности и водородных технологий НИУ «МЭИ») создал собственный прототип щелочного электролизера воды, который позволит отказаться от зарубежных технологий. Щелочной электролизер воды не имеет аналогов в России и может полноценно покрыть запросы по его применению без использования зарубежных комплектующих. Отличительная особенность установки — максимальное рабочее выходное давление водорода, которое на данный момент составляет 150 атмосфер и значительно превышает рабочие давления существующих электролизеров, находящиеся на уровне 30–40 атмосфер, что обеспечивается особой конструкцией электролизного модуля разработки НИУ «МЭИ».
Перспективы водорода в России и в мире
Согласно докладу Международного экономического агентства (МЭА), спрос на водород в мире увеличится более чем в пять раз к 2050 году — по прогнозам, он достигнет 528 млн т в год (в 2021 году эта цифра составляла 94 млн т). Пока что самый популярный способ производства водорода — серый: в 2022 году углеводородами обеспечено 82% производства водорода. Менее 1% из них используют «ловушки СО2». Тем не менее шансы у «зеленого водорода» тоже есть: по мнению экспертов, чем заметнее роль водорода (особенно в химическом секторе промышленности и перегонке нефти), тем больше мотивации производить его более чистыми способами.
— В мире постепенно появляются примеры транспорта на водороде, отопления городов водородом и так далее, — считает Николай Кулешов. — В нашей стране водород уже достаточно широко используется в реальном секторе экономики, при этом вид водорода зависит от сектора промышленности, в котором он должен применяться. У нефтяной отрасли — свой водород, у энергетики — свой, универсального способа производства водорода нет. Да, конверсионный способ (серый) — более крупномасштабный и дешевый для тех отраслей, где высокая чистота газа не нужна. Но, например, для охлаждения турбогенераторов или для питания низкотемпературных топливных элементов необходим водород именно электролизный — «зеленый».
По мнению Николая Кулешова, у российского водорода есть перспективы в большой энергетике. Это паросиловые энергоблоки с водородным перегревом пара, водородное аккумулирование энергии на АЭС, газотурбинные установки на метан-водородных смесях и парогенераторные установки на их основе.
В «малой энергетике» водород тоже может стать перспективным источником энергоснабжения. Например, автономные объекты с водородным циклом накопления энергии, в том числе полярные станции, вахтовые поселки в тайге или за полярным кругом, небольшие фермерские хозяйства. Подобная энергосистема конкурирует со стоимостью прокладки электрической сети на сотни, а иногда тысячи километров или сезонным завозом дизельного топлива.