Водородная энергетика. Планы России на «чистое» топливо

Российская водородная энергетика стабильно ассоциировалась с выражениями вроде «производим только для собственных нужд» и «прорабатываем возможность создания технологии». До тех пор, пока ослабевающие позиции нефти, газа и угля на фоне перепадов спроса и ужесточения экологической политики не выдвинули на первый план альтернативные источники энергии.

Кажется, на этот раз в России подошли к развитию направления с бóльшим размахом. Во-первых, производство водорода соответствует последним веяниям глобальной декарбонизации, а во-вторых, более-менее вписывается в бизнес нефтегазовых компаний.

Перспективы водородной энергетики

Почему водород набирает популярность в отрасли ТЭК? Будучи производной природного газа, он является самым ёмким и экологически чистым энергоносителем из всех известных миру химических веществ. Теплотворная способность водорода действительно высокая. При сжигании 1 кг H выделяется порядка 140 МДж энергии, в то время как 1 кг бензина или того же пропан-бутана даёт примерно 50 МДж, а уголь — вообще около 20-25 МДж.

Технически данная отрасль энергетики базируется на сжигании водорода в качестве топлива или его преобразовании в электро/тепловую энергию. Казалось бы, нет никаких преград для его использования. Вся сложность получения «рождающего воду» кроется в том, что существующие способы производства в промышленных масштабах требуют больших затрат.

Профессор и советник главы «Газпром экспорт», д-р экон. наук Андрей Конопляник выдвинул три основных способа производства водорода: электролиз воды, паровой риформинг метана и пиролиз.

Электролиз воды

В Европе данную технологию считают наиболее перспективной из-за очень низкого показателя углеродности. Суть метода достаточно проста: вода помещается в электролизёр, где под действием постоянного электрического тока разлагается на кислород и водород.

Электролиз воды — экологически чистый, но при этом очень энергоёмкий и, следовательно, затратный процесс. Для производства 1 м³ расходуется 2,5-8 кВт‧ч — это в 3 раза больше, чем, например, требуется при пиролизе (о нём чуть позже).

Чтобы снизить издержки, г-н Конопляник предложил задействовать для энергоснабжения электролизёров «избыточную» энергию от возобновляемых источников энергии — по нулевым или даже отрицательным ценам. Другой вариант — наладить производство электролизного оборудования, мощность которого измерялась бы мегаваттами, а в будущем и гигаваттами. Таким образом, с одновременным получением крупных объёмов водорода есть шанс перекрыть расходы на электроэнергию. Но до таких проектов всему миру ещё очень далеко.

Паровой риформинг метана

По-другому этот метод именуется автотермическим риформингом. Процесс подразумевает выделение водорода в результате реакции воды с углеводородными соединениями. Как правило, в качестве сырья используется «прародитель» природный газ.

На данный момент риформинг метана является самой распространённой технологией производства H2. Он гораздо дешевле «зелёного» водорода, получаемого посредством электролиза, но из-за высокого углеродного следа не отвечает требования полностью декарбонизированного будущего.

Пиролиз

Пиролиз — это процесс разложения метана на водород и чистый углерод, но только не в виде газа, а в твёрдом состоянии. Соответственно, углекислый газ не выбрасывается в атмосферу, а складируется в твёрдом состоянии.

Данный метод не требует улавливания и подземного хранения, поэтому может применяться в качестве промышленного материала для производства углеродных материалов. Пиролиз может побороться с электролизом воды благодаря относительно недорогой технологии.

Итак, на повестке дня у промышленных гигантов стоит задача наладить производство максимально экологически чистого, так называемого «зелёного» водорода. В идеале топливо будущего будут получать только с использованием таких же безуглеродных возобновляемых источников энергии.

Ставки на новое направление в энергетике делают высокие. По оценке Водородного совета (Hydrogen Council), к 2050 году водородное топливо будет обеспечивать около 18% всех энергетических потребностей мира. Другими словами, общее потребление на планете вырастет до 370 млн т в год.

Некоторые страны уже значительно продвинулись в развитии водородной энергетики. К примеру, недавно в Великобритании и Шотландии одобрили инвестиции в размере $24 млн на первое в мире тестирование экологически чистой водородной сети отопления. По проекту, водород будут получать путём электролиза от морских ветряных электростанций. Полученную энергию будут направлять на обеспечение теплом трёхсот шотландских домов.

В России водород выпускают, но не в промышленных масштабах, да и применяется он только для местного потребления в химии/нефтегазохимии, металлургии. В уходящем 2020 году крупные концерны огорошили отрасль своими проектами, которые в идеале должны открыть двери перед «водородным будущим».

«Газпром» уходит в водород

«Газпром», который, к слову, уже получает по 360 тысяч т водорода в год, систематически рассказывает о своих возможностях как минимум с 2013 года. Однако конкретных результатов грандиозные планы не приносили.

Из последнего: зимой 2020 года «Газпром» объявил о проекте по созданию собственной технологии производства водорода из природного газа без выбросов углерода. Весной компания лишь «вскользь» упомянула о создании для собственных нужд опытных образцов газовой микротурбины, которые позволят получать водородное топливо. Нахлынувшая пандемия коронавируса, судя по всему, притормозила водородные проекты. Негласная «заморозка» продлилась до середины лета, а затем Минэнерго неожиданно представило стратегию развития водородной энергетики в России до 2035 года.

Надежды на экологически чистый вид топлива вернулись с новой силой ввиду падающих в спросе традиционных источников энергии. «Дорожная карта» должна была пробудить российских энергетических гигантов на новые низкоуглеродные свершения, правда, за счёт не до конца определённых «стимулов».

Как комментировал глава Минэнерго Александр Новак, стратегия должна построить «принципиально новую индустрию низкоуглеродного производства», которая в том числе позволит завоевать экспортные рынки.

Зато целевые показатели в министерстве энергетики обрисовали чётко: к 2035 году российские атомные электростанции должны нарастить годовые объёмы экспорта до 2 млн т.  

Основную ответственность за выполнение программы правительство возложило на «Газпром» и «Росатом». Газовый холдинг обязали уже в 2021 году разработать и протестировать газовую турбину на метано-водородном топливе.

«Газпрому» поручение Минэнерго только сыграло на руку. Водородная стратегия была представлена общественности на фоне теряющих рейтинги российских газопроводов — «Силы Сибири», «Турецкого потока» и «Голубого потока». И уж тем более многострадального «Северного потока-2», который до сих пор рискует остаться недостроенным из-за ожесточённых попыток блокировки со стороны Запада.

И в самой России, и за рубежом не умолкает молва о том, что водород может стать перспективной заменой всё менее популярному природному газу, поскольку его можно с тем же успехом прокачивать по «невостребованным» и «малоэффективным» ниткам. А внешние рынки будут только рады покупать новый энергоноситель, который вписывается в общемировую политику по достижению углеродной нейтральности.

Действия «Газпрома» подтверждают этут теорию. В начале декабря 2020 года холдинг анонсировал открытие специализированного дочернего подразделения «Газпром водород» (Gazprom hydrogen) для производства низкоуглеродного водорода методом пиролиза метана.

Завод компания планирует разместить на севере Германии, в точке выхода газопроводов «Северный поток» и «Северный поток-2». Вместе с созданием предприятия «Газпром» задумывается о реализации проекта по «реверсу», то есть обратной транспортировке углерода в Россию для производства водорода по более дешёвой технологии — например, посредством конверсии метана.

Водород от «Росатома»

«Росатом» будет двигаться своей дорогой. Минэнерго поручило холдингу построить опытный полигон для испытаний ж/д поездов на водороде. В основе стратегии — соглашение, которое корпорация ещё в 2019 году подписала на ВЭФе с «РЖД», «Трансмашхолдингом» и правительством Сахалинской области. Главная цель проекта — разработать и внедрить технологическое решения для перевода поездов на водородные топливные элементы.

Кроме того, «Росатом» продолжает двигаться в сторону создания «глобальной цепочки поставок водорода» в Японию. В том же 2019 году «Русатом Оверсиз» заключил партнёрский договор о совместной разработке ТЭО «зелёного» проекта с японским Агентством природных ресурсов и энергетики.

Параллельно «Росатом» ищет возможные варианты участия в водородных проектах как в России, так и за рубежом — в частности, в роли инвестора или девелопера. Одна из идей — создание «западного» и «восточного» водородных кластеров, которые будут обеспечивать водородом Россию, а также европейский и азиатский рынки.

За водородом поспешил и «НОВАТЭК»

Большую заинтересованность к водородной энергетике проявлял конкурент «Газпрома» — «НОВАТЭК». В октябре этого года глава компании Леонид Михельсон официально объявил о готовности сотрудничества в данном направлении.

Поиски единомышленников длились недолго. В начале декабря «НОВАТЭК» презентовал мощный водородный проект: компания вознамерилась использовать для производства СПГ и электроэнергии экологически чистое водородное топливо вместо классического природного газа. 

Вместе со своим давним партнёром «Сименс Энергетика» «НОВАТЭК» хочет переоборудовать одну из газотурбинных установок ТЭС, входящих в контур «Ямал СПГ». По предварительным оценкам, доля водорода, используемого турбиной в качестве топлива, сможет дорасти до 60%.

Российские корпорации явно взяли курс на передел топливного рынка. Пока что трудно представить, что водород заполонит российские газопроводы, тем более если это поможет удержать крупнейших импортёров.

В особенности это касается Европы, которая, кстати, руководствуется собственной энергетической стратегией. А там — практически ни слова о вероятных закупках «зелёного» топлива. Европейцы пообещали «способствовать развитию международного водородного рынка» с расчётом на получение статуса ключевого регулятора нового торгового сегмента.