В последние десятилетия мир прочно ступил на тропу глобальной декарбонизации. К 2050 году Евросоюз планирует сделать свою экономику углеродно-нейтральной. Необходимость радикального сокращения выбросов СО2 и достижения климатической нейтральности предопределяет поиск нового энергоносителя. На сегодняшний день эксперты отдают эту роль водороду. Это самый распространенный элемент на земле. Он может использоваться в качестве экологически чистого топлива в электроэнергетике и транспорте. В отличие от прочих видов топлива водород при сжигании не выделяет вредных веществ – только воду, а теплота его сгорания почти в 3 раза выше, чем у бензина 120 кДж против 45 кДж соответственно. Он применяется в качестве сырья в нефтеперерабатывающем комплексе и многих отраслях промышленности, таких как металлургическая, химическая, пищевая, стекольная и т.д. Также водород отлично подходит для накопления энергии и отсроченного диспетчерского управления электрогенерацией, что особенно актуально в труднодоступных для традиционной электрификации регионах.
Проблема водорода заключается в том, что на земле его не существует в чистом виде, а значит его нужно производить. По данным исследования Global Gas Report 2020 объем производства водорода находится на уровне 105 млн. тонн в год, а ежегодный прирост составляет около 1,6%. Около 90% водорода производится на месте его потребления, а значит, как таковой рынок водорода на данный момент еще не сформировался. Несмотря на это, перспективы увеличения доли водорода в мировом энергетическом балансе весьма радужные – по различным прогнозам спрос на водород увеличится от 250 до 450 млн. тонн к 2050 году.
Очевидно, что для увеличения роли водорода в мировом энергетическом балансе понадобится беспрецедентная модернизация инфраструктуры для производства, транспортировки и хранения водорода. Сегодня еще во многих областях применения водород не может конкурировать по себестоимости с традиционными энергоносителями, а его транспортировка и хранение заключают в себе множество технологических трудностей. На данный момент США, Канада и наиболее развитые страны ЕС и АТР уже разработали и приняли стратегии по развитию водородных технологий, реализуют пилотные проекты в этой области, работают над созданием нормативно-правовой базы и проработкой мер государственной поддержки водородной экономики.
В России вопросом водорода занимается Комитет по энергетике Государственной Думы и Российское газовое общество. В 2020 годы была утверждена «дорожная карта» по развитию водородной энергетики до 2024 года, а в Энергетической стратегии России на период до 2035 года водородная энергетика выделена как один из приоритетов национальной политики. Главными задачами в краткосрочной перспективе являются: увеличение объемов производства водорода, стимулирование спроса на водород на внутреннем рынке и создание нормативно-правовой базы водородной энергетики. Наличие больших объёмов природного газа, а также значительные мощности атомной и гидроэнергетики открывают для России блестящие перспективы в области производства водорода. В тоже время близость к крупным потребителям водорода и развитая газотранспортная инфраструктура дают широкие возможности для экспорта.
Водород принято классифицировать методу его производства и по углеродному следу, который остается в его процессе. В рамках проекта CertifyHy водород разделен на: серый, голубой, желтый и зеленый цвета, в последнее время к ним добавили еще бурый и бирюзовый. Рассмотрим их в порядке уменьшения выбросов СО2. Самые грязные виды водорода это бурый и серый – они производятся путем газификации угля и парового риформинга метана соответственно. Далее идет голубой водород – это те же технологии, что при производстве бурого и серого водорода, только с добавлением установки по улавливанию СО2. Жёлтый и зеленый водород подразумевают применение технологии электролиза воды. Они различаются источниками электроэнергии – для желтого это энергия АЭС, а для зеленого – ВИЭ. Бирюзовый водород – самый новый и перспективный в данной классификации, добывается с помощью технологии пиролиза метана.
Главным приоритетом в использовании водорода для декарбонизации экономики является производство экологически чистого водорода с минимальным углеродным следом. Для развития водородной экономики требуется правильный баланс экологичности и стоимости произведенного водорода. Большинство технологий на данный момент подразумевают значительные выбросы СО2, что лишает такой водород смысла с точки зрения декарбонизации. Имеющиеся же на данный момент технологии производства чистого и экологичного водорода в большинстве своем экономически неэффективны.
Сегодня наиболее освоенной и распространенной технологией производства водорода является паровой риформинг природного газа (SMR). Как правило эта технология применяется на больших промышленных установках на крупных предприятиях с высокой потребностью в водороде. Она позволяет получать водород по привлекательной цене $1–2,5 за 1 кг. Водород добывается при помощи высокотемпературного каталитического процесса конверсии природного газа в присутствии сжатого и разогретого до 820–920 Со пара. Таким образом вырабатывается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Главным недостатком тэтой технологии являются значительные объемы выбрасываемого в атмосферу СО2 - 10,7–16,0 кг на 1 кг вырабатываемого водорода.
Так же широко применяется технология газификации угля. По принципу получения водорода она очень близка к SMR, главным отличием является сырье. Бурый уголь это – сравнительно дешевое и легкодоступное сырье. Технология основана на реакции угля с воздухом и разогретым до высокой температуры паром при высоком давлении. Газификация позволяет получать водород стоимостью $1–2 за килограмм, при этом выбросы СО2 еще выше, чем в установках SMR – 14,5–25,5 за 1 кг водорода.
Очевидно, что при таком высоком уровне выбросов углекислого газа, бурый и серый водород не подходит под амбициозные цели декарбонизации. Для того чтобы уменьшить углеродный след созданы технологии улавливания СО2 (CCUS - сarbon capture, utilisation and storage и CCS - сarbon capture and storage). Применение технологии CCUS на установках риформинга метана и газификации угля позволяет улавливать до 90% СО2. С другой стороны, применение данной технологии значительно увеличивает капитальные затраты на строительство установки, а также стоимость производимого водорода за 1 кг примерно на 70% в дополнение к колебаниям стоимости сырья. Тем не менее, с учетом невысокой первоначальной стоимости водорода, производимого на SMR установках и их высокой производительности голубой водород, остается рентабельным в большинстве случаев. Еще одна технологическая преграда, с которой столкнулись пилотные установки CCUS - улавливаемый установкой газообразный СО2 нужно где-то хранить. Для захоронения отлично подходят истощённые месторождения нефти и газа, как например на норвежском проекте Northern Lights. Но обустройство и модернизация такого хранилища требует огромных капитальных и временных затрат, а также подразумевает большие объемы утилизируемого СО2.
Следующей хорошо известной и широко распространенной технологией является электролиз воды. Электролизные генераторы значительно меньше и проще по своему устройству чем установки риформинга и газификации. Они имеют меньшую производительность, но гораздо более высокую чистоту получаемого водорода – установка системы доочистки позволяет получить водород концентрации до 99,9999%. Это делает электролиз незаменимой технологией в отраслях, где требуется водород высокой чистоты, например в электроэнергетике, где водород применяется для охлаждения роторов турбогенераторов высокой мощности. Электролизный генератор требует значительных объемов воды и электрической энергии для производства водорода. Сама по себе технология является чистой (около 0,5 кг СО2 за весь цикл), однако, если подключить электролизную установку к обычным сетям, в которые поступает электричество, выработанное на ТЭЦ и ТЭС – совокупный углеродный след всего процесса будет сравним с SMR установками.
Именно этой причине сейчас рассматривается исключительно электролиз с применением энергии из ВИЭ (солнечные, ветряные и гидроэлектростанции), а также атомных электростанций. Стоимость энергии из этих источников сравнительно высока, что вкупе с небольшим масштабом большинства электролизных установок делает водород, полученный этим способом крайне дорогостоящим – $3,7–17,3 за 1 кг, в зависимости от источника. Тем не менее, увеличение мощности установок и перспектива снижения стоимости от энергии из ВИЭ дают основание предполагать, что в ближайшие 30 лет стоимость зеленого и желтого водорода значительно снизится.
Наиболее современной и перспективной является технология получения водорода с помощью пиролиза метана в плазме без доступа кислорода. Такой водород относят либо к голубой категории, так как он произведен из природного газа, либо выделяют в отдельную категорию – бирюзовый. В процессе пиролиза метан разделяется на газообразный водород и твердый углерод. Такой углерод является ценным сырьем для промышленности, а также может безопасно храниться.
Данная технология позволяет получать водород по цене от 0,5 до 1$ за 1 кг, при этом расход электроэнергии в 2,5 раза ниже по сравнению с электролизом воды. Важным с точки зрения декарбонизации преимуществом является полное отсутствие прямых выбросов СО2 в атмосферу.
На данный момент эта технология находится в стадии научных исследований и опытного производства. Несколько пилотных проектов уже запущены в Европе, а частности — это совместный проект компаний Wintershall Dea и VNG AG, а также британский стартап HiiROC. В России НИОКР в данной области осуществляют компании Газпром и Адсорбционные Газовые Системы.
На данный момент спроектирован реактор для осуществления пиролиза метана в СВЧ плазме мощностью до 3 кВт. Проектная мощность планируемого опытного образца составляет 1-1,5 нм3 в час газообразного водорода в час, при этом расход метана составляет около 2 м3 в час. На выходе из реактора получается водородно-метановая смесь, из которой при помощи КЦА установки выделяется водород до требуемой концентрации, вплоть до 99,9999%.
