Оборудование для обогащения
Узнать больше Свернуть
Развернуть

HAVER & BOECKER NIAGARA - специалист в области конструирования и производства машин для обогащения минерального сырья горнодобывающей промышленности, строительных и вторичных материалов.
Телефон: +49 251 97 91 57
email: info@haverniagara.com

Подробнее Свернуть
Нашли ошибку? Выделите ее мышкой
и нажмите
Ctrl + Enter
Поделиться:
Вы уже голосовали

Водород: в борьбе за звание топлива будущего

07.04.2022

В мировой энергетике проходит «кастинг» на звание топлива будущего. Один из перспективных участников — водород. Первый элемент таблицы Менделеева имеет самое высокое значение энергии на единицу массы среди всех других видов топлива.

И, что в условиях глобального потепления особенно важно, при его сжигании не выделяется углекислый газ. Россия и другие страны строят планы развития водородной энергетики. Каковы перспективы нового топлива, и удастся ли нашей стране захватить новый рынок?

Водород: в борьбе за звание топлива будущего

Выбираем «цвет» водорода

Начать следует с того, что водородное топливо может быть «серым», «голубым» и «зелёным» в зависимости от способа его получения. По мнению директора Инженерной школы природных ресурсов Томского политехнического университета Артёма Боева, у каждого из них есть свои преимущества и недостатки.

«Голубым» водородом называют тот, что производится из природного газа без выбросов углекислого газа, то есть используются технологии его улавливания и хранения. Основные преимущества «голубого» водорода — это относительная проработанность технологий получения такого водорода по сравнению с другими, и возможность производить его в больших объёмах.

Да и само производство «голубого» водорода менее энергозатратное, чем, например, «зелёного» водорода. Но его основной недостаток — его производят из востребованного углеводородного сырья, кроме этого, есть необходимость бороться с выбросами углекислого газа при его производстве.

«Для этого нужны технологии его улавливания, хранения. Без них это «серый» водород. А дополнительные технологии всегда увеличивают стоимость получаемого продукта», — отмечает Артём Боев.

В то же время стоит отметить, что экологичность «зелёного» водорода сильно зависит от источника энергии, которая требуется для электролиза воды. И если просчитать весь углеродный след конечной продукции, то полученный водород может на выходе оказаться не таким «зелёным», ведь для его производства могут сжигать тот же уголь.

Россию, как и других экспортёров углеводородов, по понятным причинам интересует производство «голубой» разновидности топлива. Как именно выглядит процесс производства водорода из природного газа? По словам Артёма Боева, существует несколько способов: метод парциального окисления, паровой риформинг, углекислотная конверсия и пиролиз.

«Сейчас наиболее промышленно распространённым методом является паровой риформинг метана. Исходное сырьё проходит глубокую очистку от сернистых соединений, сам процесс проходит в трубчатых реакторах при давлениях 2–4 МПа и температурах выше 800–900 °С.

В качестве катализаторов выступают оксиды никеля и алюминия. Затем происходит стадия очистки и разделения продуктов реакции — смеси водорода, оксида углерода, диоксида углерода, не прореагировавшего метана.

Этот процесс может проводиться различными способами, например, при помощи мембранных технологий, селективной адсорбции, низкотемпературного разделения», — рассказывает представитель ТПУ.

Производство водорода

В поисках экономически выгодной технологии

Научным обоснованием производства водорода из природного газа в Томском политехническом университете занимаются более 40 лет. Сейчас в этом направлении работают порядка 150 учёных
и инженеров, усилиями которых разработано 15 технологий в различных направлениях водородной энергетики. Речь идёт не только о производстве водорода, но и о создании материалов-накопителей для его хранения и транспортировки водородных топливных элементов.

В 2020 году, когда энергопереход из категории «прогнозов» уже уверенно перешел в «тренды», к процессу активно подключилось государство. Минэнерго разработало и утвердило план развития в России водородной энергетики на 2020–2024 годы, причём новая отрасль изначально задумывается как экспортно ориентированная.

В роли непосредственных исполнителей проекта были выбраны крупные корпорации: «Росатом», «Газпром» и «НОВАТЭК». По инициативе ТПУ и институтов Академии наук был создан Консорциум водородных технологий. В нём насчитывается уже более 60 участников во всех регионах страны, которые обладают различными компетенциями в области водородных технологий.

Важно, что сама технология производства водорода для российских компаний не является тайной за семью печатями. Так, на предприятиях ПАО «Газпром» производится более 350 тыс. тонн водорода, который используется для получения различных видов продукции, сообщал официальный сайт компании в марте 2021 года. Однако пока промышленное производство этого газа привязано к месту его потребления. Речь идёт о нефтеперерабатывающих заводах, где водород используют в процессах гидроочистки топлива.

«Чтобы использовать эти технологии для сторонних потребителей, применяющих водород в качестве топлива, нужны опять же готовые к внедрению в производство технологии улавливания и захоронения диоксида углерода (СО2). А их нет.

Снизить себестоимость водорода, получаемого из природного газа, могут помочь альтернативные технологии производства. Например, пиролиз углеводорода для снижения затрат на улавливание и захоронение побочных продуктов, либо полное исключение диоксида углерода из цепочки производства», — констатирует Артём Боев.

Конечно, в этом направлении ведутся разработки, в том числе и в самом ТПУ. Прорабатывается создание пилотной установки по производству «чистого» водорода методом пиролиза при давлении газа от низкого (0,1 Мпа) до высокого (10 Мпа).

«Процесс пиролиза будет происходить в закрытом реакторе проточного типа в сверхвысокочастотном поле без вредных выбросов в атмосферу. При низком давлении пиролиз газа происходит в неравновесной низкотемпературной плазме, возникающей в реакционной зоне реактора за счёт СВЧ-разряда.

Особенностью технологии является то, что природный газ одновременно является и плазмообразующим газом. Поэтому СВЧ-разряд в процессе пиролиза будет поддерживаться самостоятельно — без дополнительных газов и инициаторов разряда. В результате мы сможем получить водород и мелкодисперсный углерод, то есть не один, а два полезных продукта.

Такой углерод может найти применение, например, в электротехнической и химической отраслях промышленности, энергетике и металлургии», — рассказывает руководитель стратегической ставки ТПУ «Энергия будущего», заместитель директора по развитию Инженерной школы энергетики ТПУ Владимир Губин.

Радикально решить проблему себестоимости предложил экс-советник президента России Серей Глазьев. Речь идёт о непосредственной добыче водорода из недр Земли. Однако научное сообщество отнеслось к этой идее скептически.

«Гипотеза о наличии свободного водорода в недрах земли не раз возникала в научной литературе, но никогда не подтверждалась экспериментальными исследованиями. Во-первых, молекула водорода является самой маленькой, и, соответственно, водород является крайне текучим и подвижным веществом. Поэтому говорить о том, что в недрах земли есть области, в которых сконцентрирован водород, нельзя.

Благодаря своим свойствам с течением времени он равномерно распределился в большом объеме горных пород. Во-вторых, водород является крайне активным веществом и в свободном виде в земной коре практически не встречается.

В-третьих, даже если предположить, что свободный концентрированный водород находится в недрах, а согласно этой гипотезе, он находится на глубине около 100 км, говорить о добыче водорода нельзя. Так как современные технологи бурения позволили разбурить Кольскую сверхглубокую скважину на глубину 12 км, при этом эта скважина не предназначалась для добычи нефти или газа, а создавалась в научных целях.

Скважины, предназначенные для добычи углеводородов, разбурены на значительно меньшую глубину. Человечество на миллионы километров заглянуло в космос, а вот когда будут созданы технологии для бурения скважин на глубину более 20 километров, неизвестно», — даёт ответ о перспективах этого метода Артём Боев.

Таким образом, основной вектор поисков остаётся прежним — снижение себестоимости существующих технологий.

Технология «голубого» водорода пока является наиболее рентабельной. Неслучайно более 68% водорода сегодня получают из природного газа. Для сравнения, из воды с помощью электролиза — только 5%.

Лаборатория по производству водорода

Сколько водорода нужно мировой экономике?

Планы развития водородной энергетики строятся на ожидании, что объёмы этого рынка серьёзно вырастут. Ключевой вопрос — насколько? По этому поводу нет единого мнения, разброс мнений от нескольких десятков до почти 700 млн тонн в год.

То есть всё ещё непонятно: сформируется ли глобальный рынок с поставками водорода от центров производства к местам потребления, как это происходит сейчас с нефтью и газом; или производство и потребление водорода будет сосредоточенно в рамках локальных регионов. В пользу каждого из этих сценариев можно привести свои доводы.

Сейчас спрос на чистый водород в мире невысок и находится на уровне 75 млн тонн в год, приводит цифры заместитель председателя правительства РФ Александр Новак в своей статье «Водород: энергия «чистого» будущего» в журнале «Энергетическая политика». При этом основными потребителями являются (около 95% всего спроса) нефтеперерабатывающая и химическая промышленность.

В качестве сырья или топлива водород используется в смеси с другими газами — это ещё около 42 млн тонн водорода. А если взять именно транспорт и энергетику — сферы, с которыми обычно и связывают применение водорода, то здесь объём потребления будет менее 0,01 млн тонн в год, продолжает Александр Новак.

Член наблюдательного совета Института развития технологий ТЭК Александр Лопатников в своей статье «Водородная энергетика: как широко, как скоро» отстаивает точку зрения, что серьёзным стимулом к развитию альтернативных источников энергии, в том числе водорода, станут высокие цены на углеводороды.

Доля нефти в мировом энергобалансе уже снизилась с 50% в 1970-е годы до 29% в наши дни, в основном за счёт роста потребления газа. Учитывая, что ряд крупнейших экономик поставили задачу добиться углеродной нейтральности, эта тенденция получит дальнейшее развитие.

В случае, если стране удастся достичь поставленных целей, потребление нефти к 2030 году снизится до 28%, а к в 2050-му до 22%. Параллельно доля возобновляемых источников вырастет с нынешних 12% до 19% в 2030 году, и 37% в 2050 году, прогнозирует Международное энергетическое агентство.

В свою очередь, Артём Боев считает, что водород сможет выйти на мировой рынок уже в ближайшее десятилетие. Однако, по мнению эксперта, он никогда не сможет полностью заместить природный газ, а лишь займёт свою нишу в мировом энергетическом балансе.

Но при этом, даже если оптимистичные прогнозы сбудутся, водороду всё равно придётся выдержать жёсткую конкуренцию с другими источниками «зелёной» энергии, отмечают аналитики агентства Argus в своём обзоре «Водород — новая надежда или хайп?».

Например, в сфере перевозок водород конкурентоспособен при использовании в большегрузных транспортных средствах, но если рассматривать «гражданский» автопром, то здесь эффективнее электрокары на батареях, считают в Argus. Так что путь водорода к господству на топливном рынке отнюдь не устлан розами, лидирующие позиции придётся завоёвывать в острой конкуренции.

Лаборатория по производству водорода

Продвигаем «голубой» водород

Какова бы ни была структура топливного рынка в будущем, «голубому» водороду предстоит ещё выдержать конкуренцию со своими «собратьями». Основными факторами в этой борьбе будут экономичность и экологичность. С первым у «голубого» водорода всё в порядке.

Косвенным подтверждением того, что эта технология пока обладает самой низкой себестоимостью, является статистика, которую приводит портал DelovoyProfil. Согласно этим данным, более 68% водорода получают сейчас из природного газа, 16% из нефти, 11% — из угля и только 5% — из воды с помощью электролиза.

Да, по прогнозам, себестоимость «зелёного» водорода будет последовательно снижаться по мере развития технологии и достижения большей энергоэффективности. Однако на это уйдёт время, возможно, счёт будет идти на десятилетия. В связи с этим можно услышать тезис о том, что если мы хотим добиться углеродной нейтральности максимально быстро, то не должны так придираться к «цвету» топлива.

Убедить в экологичности «голубого» водорода нужно прежде всего ЕС. Именно страны Европы в последние годы выступают в роли ориентира для всех остальных в деле борьбы с изменением климата.

«В настоящий момент у европейского потребителя нет четкого представления касаемо экологичности отдельных видов водорода. В ЕС «голубой» водород является вполне экологичным, при этом Германия, на примере проекта H2Global, «голубой» водород рассматривает только как переходный этап к «зеленому» водороду и неохотно поддерживает процессы получения водорода на основе природного газа.

При должном уровне развития технологий улавливания диоксида углерода или технологии пиролиза метана европейский потребитель будет ориентирован на «голубой» водород, так как в данных процессах углеродный след будет фактически отсутствовать», — предполагает Артём Боев.

Будущим «голубого» водорода озабочены не только в России. Как пишет в своём традиционном обзоре рынков Argus, власти США выделили 9,5 млрд долларов на развитие чистой водородной экономики. Примечательно, что большая часть этих денег пойдёт на изучение вопросов сокращения выбросов углерода при производстве водорода с помощью парового риформинга метана.

Серьёзный урон позициям «голубого» водорода нанесли результаты исследования, опубликованного летом 2021 года, в котором утверждается, что получение голубого водорода в процессе парового риформинга метана может привести к более существенным выбросам углерода, чем при простом сжигании природного газа, поскольку производство пара требует большего количества газа. В США рассчитывают, что новые данные позволят опровергнуть этот тезис и вновь «обелить» имидж «голубого» водорода.

Так что шансы получить экологичный статус у топлива, произведённого из природного газа, безусловно, есть. С другой стороны, имеется серьёзный аргумент «против» — это желание стран ЕС добиться энергетической независимости. И здесь из области технологий и экономической целесообразности мы переходим в сферу политики и национальных интересов, где прогнозы становятся крайне неблагодарным делом.

Идее использовать водород в качестве топлива для машин уже больше 200 лет.
• Впервые её озвучил в докладе Кембриджскому философскому обществу В. Сессил ещё в 1820 году. А в 1841 в Англии был выдан первый патент на двигатель, работающий на смеси водорода и кислорода.

Лаборатория по производству водорода

Водород с доставкой на дом

Помимо вопросов продвижения нового топлива, развитие рынка водорода сдерживает отсутствие экономической целесообразности его применения на сегодняшний день. Впрочем, эту ситуацию может изменить введение ограничительных мер к традиционным видам топлива в рамках политики по достижению углеродной нейтральности, считают в ТПУ. Также к барьерам следует отнести неопределённость цепочек создания стоимости водорода.

«Существует определённое представление об отдельных этапах производства, хранения и транспорта водорода, но при этом нет целостной картины всей инфраструктуры. До сих пор до конца не изучено влияние водорода на различные сплавы и композиты, а следовательно, отсутствуют российские и частично международные стандарты безопасности и правила использования водородной инфраструктуры», — рассказывает Артём Боев.

Водород можно хранить и транспортировать во всех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и даже твёрдом. В газообразном состоянии используются специальные накопители, где водород находится под высоким давлением (350–700 Бар). Также его можно накапливать как на поверхности (адсорбция), так и внутри твёрдых веществ (абсорбция), отмечает Александр Лопатников.

Наконец, этот газ можно сжижать, но это достаточно энергоёмкий процесс, учитывая, что точка кипения водорода при атмосферном давлении -252,8 °C. То есть в жидком состоянии он может находиться только при экстремально низких температурах. А это серьёзно увеличивает углеродный след продукции, понижая тем самым её конкурентоспособность.

В этих условиях логично переключение фокуса внимания на транспортировку газа через трубопроводы. Да, строительство новой инфраструктуры в данном случае потребует серьёзных капитальных вложений, но ведь есть «соблазн» для перекачки водорода использовать уже действующие нефте- и газопроводы.

«По мнению специалистов, имеющаяся в России транспортная инфраструктура способна уже сейчас перекачивать смеси природного газа и водорода с содержанием водорода до 15%. Однако это необходимо предварительно проверять в каждом конкретном случае и проводить лабораторные испытания. При увеличении содержания водорода в смеси возникнут проблемы с трубопроводами низкого давления, это потребует их модернизации или замены на полимерные трубопроводы», — комментирует Артём Боев.

Такие возможности всерьёз рассматривают во многих странах. Например, в Конгрессе США уже заслушали доклад «Транспортировка водорода трубопроводным транспортом: регулирование, исследования и государственные программы», где отдельно отмечались возможности использования существующих газо- и нефтепроводов для транспортировки водорода.

Ясно, что сразу закачать новое топливо в трубу не получится, сначала нужно будет изменить конструкцию компрессоров, клапанов, уплотнителей, приборов измерения.

Лаборатория по производству водорода

Возможно, потребуется частичная замена труб, укрепление сварных швов, изменение системы контроля утечек, установка новых систем контроля и управления транспортировкой, цитирует американских экспертов Александр Лопатников.

Впрочем, в США уже есть успешный опыт подобной диверсификации, когда компания AirLiquide переделала два нефтепровода в Техасе для транспортировки водорода.

В ЕС, обсуждая создание специализированной опорной водородной инфраструктуры, предполагают, что она на 69% (около 40 000 км) будет состоять из конвертированных существующих газопроводов. Остальные 31% планируется построить «с нуля».

Размер инвестиций в подобный проект оценивается величиной от 43 до 81 млрд евро. Затраты на прокачку одного килограмма водорода оцениваются в 0,11–0,21 евро на 100 км трубопровода; затраты на производство составляют примерно 1–2 евро/кг.

Впрочем, по этому вопросу не замедлили высказаться и скептики. Так, глава подразделения новой энергетики на Ближнем Востоке и в Африке Siemens Energy Мануэль Кун в интервью Argus отметил, что вариант с перепрофилированием газопроводов, учитывая имеющуюся инфраструктуру, актуален только для Европы и Северной Африки. В остальных случаях всё равно речь пойдёт о новом строительстве.

Таким образом, просто воспользоваться имеющейся инфраструктурой для транспортировки газа не получится, всё равно потребуются серьёзные инвестиции в модернизацию имеющихся трубопроводов. Рентабельность этих вложений целиком будет зависеть от спроса на водород.

Если реализуются наиболее оптимистичные сценарии, тогда возможным станет и строительство новых трубопроводов. С другой стороны, если место водорода в общей структуре энергопотребления останется небольшим, то даже переоборудования имеющей инфраструктуры ждать не стоит.

Подводя итоги, следует сказать, что большинство экспертов не видят в водороде потенциального монополиста на энергетическом рынке. Однако говорить о провале на «кастинге» за право называться топливом будущего тоже не приходится. Скорее всего, водород найдёт своего покупателя, правда, на пути к нему новому топливу ещё предстоит решить вопросы себестоимости
и транспортировки.

Если же рассуждать о перспективах России на новом рынке, то здесь есть основания для сдержанного оптимизма. Для достижения успеха в нашей стране есть научная база, опыт промышленного производства водорода, запасы сырья, внимание со стороны государства
и крупных корпораций.

Применимо именно к «голубому» водороду, многое будет зависеть от того, как быстро будут разработаны и внедрены промышленные технологии улавливания углерода при его производстве из природного газа. Если эта задача будет решена в ближайшие годы, появляются хорошие шансы захватить большую часть рынка до того, как снизится себестоимость получения «зелёного» водорода.

Лаборатория по производству водорода

Более 120 стандартов по водородным технологиям, а также по улавливанию и закачке СО2 должны быть разработаны в ближайшие три года.

Такую цель поставил вице-премьер Правительства РФ Александр Новак на совещании по развитию водородной энергетики 17 февраля 2022 года.

Спрос на чистый водород в мире находится на уровне 75 млн тонн в год, отмечает вице-премьер РФ Александр Новак. Основными потребителями (95% от общего объёма спроса) являются нефтеперерабатывающая и химическая промышленность, в то время как в сфере транспорта и энергетике объём потребления пока составляет менее 0,01 млн тонн в год.


Текст: Андрей Халбашкеев
Фото предоставлены пресс-службой ФГАОУ ВО НИ ТПУ
(Томский политехнический университет)


Поделиться:
Статья опубликована в журнале Нефтегазовая Промышленность №1 2022
Еще по теме

Подпишитесь
на ежемесячную рассылку
для специалистов отрасли

Спецпроекты
Уголь России и Майнинг 2022
Спецпроект «Уголь России и Майнинг – 2022» глазами dprom.online. Обзор XXX Международной специализированной выставки в Новокузнецке: обзоры техники,...
MiningWorld Russia 2022
Обзор технических решений для добычи, обогащения и транспортировки полезных ископаемых, представленных на площадке МВЦ «Крокус Экспо» в Москве....
Рудник Урала 2021
Главные события выставки «Рудник Урала-2021» в рамках спецпроекта dprom.online. Полный обзор мероприятия: «живые» материалы об участниках и их...
В помощь шахтёру
Путеводитель по технике и технологиям, которые делают работу предприятий эффективной и безопасной.
Уголь России и Майнинг 2021 | Обзор выставки
Спецпроект dprom.online, посвящённый международной выставке «Уголь России и Майнинг 2021» в Новокузнецке. Репортажи со стендов компаний-участников,...
Mining World Russia 2021 | Обзор выставки
Спецпроект MiningWorld Russia 2021: в прямом контакте. Читайте уникальные материалы с крупной отраслевой выставки международного уровня, прошедшей...
День Шахтёра 2020
В последнее воскресенье августа свой праздник отмечают люди, занятые в горной добыче. В День шахтёра 2020 принимают поздравления профессионалы своего...
Уголь России и Майнинг 2019
Спецпроект dprom.online: следите за выставкой в режиме реального времени.

Ежедневно: репортажи, фотоотчеты, обзоры стендов участников и релизы с...

COVID-2019
Спецпроект DPROM-НОНСТОП. Актуальные задачи и современные решения. Достижения и рекорды. Мнения и прогнозы. Работа отрасли в условиях новой...
Mining World Russia 2020 | Репортаж и обзор участников выставки
Международная выставка в Москве Mining World Russia 2020 – теперь в онлайн-режиме. Показываем весь ассортимент машин и оборудования для добычи,...
популярное на сайте
Ежедневные новости. Актуально и кратко. Присоединяйтесь к телеграм-каналу Свернуть

Подпишитесь
на ежемесячную рассылку
для специалистов отрасли

Спасибо!

Теперь редакторы в курсе.