От водородной энергетики к водородной экономике
Парижское соглашение, принятое в 2021 году, направлено на противодействие глобальному потеплению, основной причиной которого считаются выбросы парниковых газов. Главным виновником антропогенных выбросов в итоге была объявлена энергетика на органическом топливе. Чтобы выполнить требования Парижского соглашения, структура мировой энергетики в ближайшие десятилетия, очевидно, должна претерпеть радикальные изменения. Многие страны мира всерьез говорят о полном отказе от традиционного сырья в пользу водорода. А что Россия? Сегодня научно-образовательные организации и представители промышленного и энергетического секторов пытаются развивать сферу, на которую в России — сырьевой державе, пока смотрят с недоверием. Водород — угроза или новая возможность для нашей страны? Отвечает Юрий Добровольский.
Название изображения
Юрий Анатольевич Добровольский — доктор химических наук, профессор, руководитель Центра компетенций национальной технологической инициативы «Новые и мобильные источники энергии» при Институте проблем химической физики РАН в Черноголовке.
— Каковы цели и задачи Центра компетенций?
— Наш Центр в числе прочих был образован в конце 2021 года. Его задачи были сформулированы специальной программой — Национальной технологической инициативой. Центр создан с целью преодоления ряда технологических барьеров в рамках «сквозной» технологии для таких рынков НТИ, как Автонет, Аэронет, Маринет и самый «профильный» для нас — Энерджинет. Задача сотрудников — разрабатывать новые технологии, создать консорциум из научных, образовательных и технологических партнеров, а также довести до опытных образцов те источники энергии — электрохимические и фотовольтаические, которые сегодня наиболее востребованы.
Когда Центр только создавался, мы уже понимали, что не сможем осваивать те рынки, которые давно заняты на Западе. Нам предстояло сделать сразу несколько шагов вперед и заняться разработкой принципиально новых технологий. Оценив собственные возможности, сотрудники Центра дали прогноз, что в 2021 году самой актуальной тематикой в энергетике и транспорте станет водородная. Как видите, мы не ошиблись.
Поэтому одну из задач — предсказывать новые тенденции — мы реализовали в полном объеме. Сейчас мы должны следовать актуальным направлениям в энергетике и создавать технологии, которые будут популярны в ближайшее время.
— Что входит в понятие «водородная энергетика»? Насколько данный вид энергетики востребован сегодня?
— Я бы шире смотрел на этот вопрос. Речь идет не столько о водородной энергетике как таковой, сколько вообще о водородной экономике. Чем объясняется возросший интерес? Эта тематика напрямую связана с проблемой изменения климата, а также уменьшением выбросов углекислого газа. Если согласиться с теорией антропогенного воздействия, то этой проблематикой, безусловно, надо заниматься. Для меня мотивация вполне ясна.
Решит ли водород все наши проблемы? Сразу скажу, что для энергетики в нынешнем ее понимании, когда ископаемое топливо сжигается, а тепло превращается в электроэнергию, водород — не лучший электроноситель. Между тем, это химический продукт, который активно используется в металлургии, химической и нефтехимической промышленности. Большинство азотных удобрений производится из водорода.
Для нас это шанс «озеленить» не только энергетику, но и всю экономику.
Но, конечно, тема неоднозначна: водород, который мы используем сегодня, нельзя назвать чистым и «зеленым». Что это значит? В свое время международное сообщество для более упрощенного восприятия разделило водород по типу источника на несколько условных цветов. Самый чистый водород, к которому мы сегодня стремимся, — «зеленый». Это водород, получаемый только от возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Данный цикл не предполагает никаких выбросов парниковых газов. Как ученый, оговорюсь, что в мире нет продукции без углеродного следа. При производстве на каком-то из этапов все равно выделяется углекислый газ. Но «зеленый» водород больше всех приблизился к передовым технологиям, исключающим выбросы. Впрочем, нельзя забывать, что водород, полученный путем электролиза, самый дорогой.
Название изображения
«Оранжевый» водород — это водород, полученный с использованием электроэнергии атомных электростанций. И помимо этого существует «серый» и «голубой» водород. Основная часть самого дешевого водорода, производимого сегодня, — это «серый» водород. Его получают из природного газа методом парогазовой инверсии. Вода смешивается с природным газом, нагревается на катализаторе, и на выходе получается смесь водорода и углекислого газа (с которым мы боремся). «Голубой» водород — это водород, который получен так же, как и «серый», но в данном случае углекислый газ тем или иным способом захоранивают, чтобы не допустить его выделения в атмосферу.
Существует еще «бирюзовый» водород, также полученный из углеводородов, когда на выходе вместе с водородом получается не углекислый газ, а те или иные формы чистого углерода: например, угольная сажа. Это для нас привычный продукт. Мы знаем, где и как его использовать, а главное хранить.
Сегодня водородная энергетика вошла в повестку политиков и экономистов. Во многих странах мира приняты программы по ее развитию. Водород может обеспечить всю цепочку создания разных продуктов.
И пусть водород — не самое лучшее топливо для энергетики, он очень удобно сочетается с возобновляемой энергетикой — солнечной и ветровой. Цикл производства у возобновляемых источников энергии всегда прерывистый. Поэтому избыток энергии необходимо где-то накапливать, чтобы расходовать его тогда, когда ее не хватает. Пока существующие технологии достаточно дорогие. А водород можно хранить практически бесконечно, и в рамках «зеленой» электроэнергии — использовать как источник энергии для транспорта. Над этим мы сегодня активно работаем.
— Прежде чем использовать водород, его необходимо произвести. Какой опыт наработан в этой сфере?
— Мы как консорциум ведущих научно-образовательных организаций действительно накопили большой опыт в производстве и использовании водорода. Нам удалось наладить разработку и передачу модельных образцов индустриальным партнерам на производство. Здесь, на территории Института проблем химической физики в Черноголовке расположен центр, который традиционно занимается получением водорода и переработкой углеводородов. В нашем институте этой тематикой занимаются на протяжении многих десятилетий. Поэтому, когда сформировался Центр компетенций НТИ, нам было легко начать исследования и разработки, поскольку необходимые навыки в водородной тематике уже были получены.
Мы продолжаем работать над производством «голубого» водорода. Помимо этого, мы сотрудничаем с коллегами из Томска и Москвы в рамках работ по получению пиролизного или «бирюзового» водорода. Кстати сказать, подобные разработки представлены только в нашей стране. Первый прототип уже готов.
Когда речь идет о транспорте — самолете, автомобиле, поезде, необходимо создавать и заправочные системы, желательно дешевые, иначе идея не получит прикладной реализации. И такая заправка у нас есть. С помощью электролизного блока мы пытаемся получить тот самый «зеленый» водород. Правда, пока о его исключительной экологической чистоте речи не идет, поскольку электричество мы все равно получаем из розетки, а не от ветряков или солнечных панелей.
Сейчас наша цель — создать установку для промышленности, на которой можно получать дешевый водород разными способами в зависимости от сырья.
Детали электролизера для получения водорода
Фото: Николай Малахин / Научная Россия
Электролизер для получения водорода
Фото: Николай Малахин / Научная Россия
— Какими результатами уже можно похвастаться?
— За последние полгода мы создали работающий электролизер для заправочной станции. И это очень короткий срок. Считается, что приемлемый цикл от начала разработки до ее первого образца — от 3 до 5 лет.
Перед фирмой, которую возглавляют выпускники аспирантуры нашего института, была поставлена задача сделать первый российский большой электролизер для заправочной станции. Уже этой весной он будет подключен к установке. Буквально за 6 месяцев нам удалось довести технологию до опытного образца с работающей заправкой. Кстати, недавно к нам приезжали зарубежные коллеги для переговоров об испытании водородного транспорта с использованием нашей заправки.
— Есть ли интерес со стороны государства к экспертным прогнозам и технологиям, которые создаете вы и ваши коллеги?
— Интерес очень большой. Но пока словесный. Прошло еще слишком мало времени с тех пор, когда была инициирована программа на государственном уровне. В декабре 2021 года президент Владимир Путин сказал, что в 2023 году в Москве появятся автобусы на водородном топливе. Конечно, в 2023 году таких автобусов в массовом производстве точно еще не будет. Возможно, к этому времени разработают первый опытный экземпляр. Но это слишком короткий срок для строительства необходимой инфраструктуры. Тем не менее, хорошо, что эта тематика появилась в повестке государства.
Помимо этого, Минэнерго положило начало реализации программы развития водородной энергетики в России. Совсем скоро будет готова «дорожная карта». Я вхожу в рабочую группу по ее разработке, а наша аналитика лежит в основе создаваемых сопроводительных документов. Сотрудники центра компетенций реализовали аналитический проект по ситуации с водородной энергетикой в России. Другой схожий проект в очень короткий срок мы выполнили для «Росатома». Кто бы мог подумать, что именно «Росатом» подключится к этой тематике по производству и использованию водорода.
— Россия, будучи сырьевой державой, уже нацелена на развитие водородной энергетики: разработана программа до 2050 года.
— Пока до 2035 года. Но программа до 2050-го также появится в ближайшее время.
— Сможем ли мы перейти к этому источнику энергии и уйти от добычи нефти и газа?
— Вопрос, конечно, сложный. Почему ведутся бурные дискуссии по водороду в России? Во-первых, Россия, надо признать честно, больше не технологическая, а сырьевая держава, и большая часть нашего бюджета основана на экспорте углеводородов. Если внимательно посмотреть на прогнозы европейских компаний, то доля экспорта газа будет уменьшаться за счет возрастающего экспорта водорода. Поэтому возникает логичный вопрос, а надо ли нам в этом участвовать? Не потеряем ли мы часть доходов?
Ясно, что риски существуют, особенно при условии, что Россия станет производить только «голубой» водород. По самым оптимистичным прогнозам, лишь половина водорода будет «зеленым», а вторая половина — «голубым». Другие виды и вовсе не рассматриваются в существующих программах развития, принятых в разных странах.
Плюс ко всему, стремясь к водородной энергетике, мы упираемся в проблему, связанную с транспортировкой водорода: его тяжело хранить и транспортировать. На самом деле, производство водорода оценивается в миллиардах тонн. Но его производят и потребляют в одном месте.
Вопрос экспорта стоит остро и для Европы. Они не смогут произвести столько водорода, сколько планируют использовать в рамках утвержденных программ. А значит, они будут зависимы от импортируемого водорода. Будет ли это Россия, африканские страны или государства Южной Америки — зависит от многих причин, в том числе и от нашей готовности поставлять водород. При этом мы говорим о водороде, который к 2050 году должен сильно «позеленеть».
Название изображения
Очевидно, что потребление природного газа уменьшится. Заменим ли мы его водородом или нет, пока неясно. Хотя вопрос транспортировки частично решен, поскольку трубопроводный способ доставки водорода — самый дешевый.
Основная идея, которую я (и некоторые политические деятели) продвигаю, заключается в том, что без внутреннего потребления водорода и необходимой инфраструктуры Россия сильно отстанет. Мы можем построить ветряки, электролизеры и прочее, но они будут бесполезны без экспорта и внутреннего потребления. Для России наиболее правильным направлением для внутреннего потребления водорода можно считать транспорт. Существующие электромобили на аккумуляторах непригодны для больших расстояний и порой суровых погодных условий нашей страны. Водородные топливные элементы, а также производимое ими избыточное тепло, которое можно использовать для нагрева, — замечательная альтернатива. Это и есть то самое преимущество водородной энергетики конкретно для России или других холодных стран.
Это направление может стать драйвером нашей экономики. Есть шанс спасти отечественный автопром от отставания. Большой интерес проявляют «КамАЗ», «ГАЗ» — ведущие объединения машиностроительной группы. Даже РЖД планирует перевести локомотивы на водород.
Второе интересующее нас направление связано с экспортом металлов, азотных удобрений и других продуктов химической промышленности. При введении углеродного налога, производство «зеленого» водорода станет значительно выгоднее, а у нас появится новое конкурентное преимущество.
В конце концов, водородное топливо наиболее экологически чистое. В процессе его использования остается только вода. И единственный способ решения экологической проблемы напрямую связан с введением электрического, а для России — водородного транспорта.
Совсем скоро выйдет статья, основанная на нашем расчете показателей экономики и выбросов углекислого газа разных видов автобусов, из которого следует, что для московского региона водородный автобус — это уже сегодня экологически оправданное явление.
Название изображения
— Какие научные задачи необходимо решить в первую очередь? Вы много говорили о технологиях, о создании мобильных источников энергии и аккумуляторов к ним. А что насчет фундаментальных задач?
— Их фантастически много на каждой стадии получения, хранения, транспортировки и переработки в электроэнергию или любой другой продукт. Одна из наиболее актуальных задач связана с получением водорода более дешевым, чем электролиз, способом. Например, фотокатализом — фотобиологическое получение водорода буквально из грязи.
Вторая фундаментальная задача связана с хранением водорода. Пока мы до конца не научились правильно транспортировать и хранить водород. Именно поэтому стоимость водорода по большей части складывается из цены логистики: хранения и передачи. Есть много интересных работ в этом направлении: например, хранение водорода в различных органических соединениях.
Третью задачу пытаемся решить в том числе и мы. Речь идет о создании топливных элементов. Сегодня активно используется только два типа топливных элементов: твердополимерные и твердооксидные. Самая перспективная область развития связана со среднетемпературными топливными элементами. Опытные образцы уже существуют. Однако их эффективность гораздо хуже, чем у тех, которые мы уже используем. Я надеюсь, что в дальнейшем эти технологии продвинутся вперед и обеспечат нас новыми видами экологически чистого транспорта и другими передовыми решениями.
— Что ждет водородную энергетику в будущем?
— Ближайшие пять лет нас ждет множество новых способов получения водорода и отдельные работы по транспортировке: из Австралии в Японию морем, по трубопроводам европейских государств, внутренняя транспортировка по стране, в органических и неорганических носителях и так далее. Мы точно не знаем, какой из способов в итоге будет предпочтительным, но экспериментировать в этой области точно продолжат в ближайшие годы.
Помимо этого, ожидается всплеск интереса к водородной технике. В Европе он уже происходит прямо сейчас. Совсем недавно к нам приезжали сотрудники одного из крупнейших автобусных производителей — фирмы Solaris. По их сведениям, заказы на водоробусы уже полностью сформированы до 2022. При этом на электробусы, которые они также массово выпускают — только до середины 2021-го.
Отдельная история для России: локомотивы нового поколения. Расчеты указывают на то, что водородный локомотив будет востребован. Опытный образец появится в России уже в следующем году.
Активно будет развиваться и водный транспорт. Уже сегодня экологические нормы на каботажные суда (те, которые ходят между морскими портами одного и того же государства) предполагают нулевое загрязнение окружающей среды. А этого можно достичь только двумя способами: использовать аккумулятор либо водород.
И, конечно, нельзя забывать об авиации. К сожалению, в России слабо развита сфера гражданского авиастроения. При этом, на Западе это направление активно развивается. Прогнозы предполагают, что короткие рейсы на малых самолетах точно перейдут на водород, а в крупных самолетах появятся вспомогательные силовые установки на водороде. Такие гиганты, как «Boeing» и «Airbus» заявили, что в 2035 году их самолеты будут летать на водородном топливе. Скажу честно, я скептически к этому отношусь. Напомню, что один из первых самолетов на водородном топливе — «Ту-155» — летал в СССР еще в прошлом веке. «Boeing» и «Airbus» пытаются по-новому спроектировать что-то подобное.
Конечно, использование водорода иногда может быть не оправдано. Но мы все чаще говорим о переходе от углеводородной экономики на экономику возобновляемых источников энергии, и водород — один из ключевых компонентов.
Название видео
