Ажиотаж вокруг водорода объясняется его потенциалом в качестве источника чистой энергии, топлива и накопителя электроэнергии. В основе дискуссий о траектории развития водородной индустрии лежит высокая цена производства зеленого водорода и инфраструктуры для его транспортировки. Это происходит на фоне прогнозов профильных экспертов по поводу формирования глобального рынка водорода, на котором Россия должна занять до 20%.

О производстве водорода и его применении в новых направлениях «ЭПР» рассказал доцент кафедры физической химии СПбГЭТУ «ЛЭТИ», заведующий лабораторией материалов и процессов водородной энергетики Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН Вадим Попков.

— Сегодня водород обрел цвет. Он зависит от процесса производства, экологичности или цены?

— Зеленый водород получают электролизом воды с использованием ВИЭ. Он экологически чистый, но дорогой из-за больших затрат на электроэнергию, если она не от ВИЭ. Если с использованием возобновляемой энергии — это перспективный способ.

Серый — получают из природного газа методом парового риформинга (реакцией с водяным паром при высокой температуре и давлении), при котором выделяется углекислый газ. Наиболее распространен и экономически выгоден, но загрязняет атмосферу большими объемами углекислого газа.

Голубой — производят также из природного газа, но с улавливанием и хранением углекислого газа. Считается допустимым вариантом, поскольку менее вреден для природы, чем серый. Однако в этом случае встает вопрос утилизации углекислого газа, который считается отложенным. «Голубой» водород экономически сильно менее привлекателен, чем серый.

Белый — природный водород, который находится в земной коре так же как природный газ. Его добыча пока находится на стадии исследований, а точные запасы не определены.

Кроме того, водород получают из угля методом газификации — дешево, но очень вредно для экологии, поскольку кроме углекислого могут выделяться и другие нежелательные газы: сероводород, аммиак, оксиды азота. Их улавливать экономически нецелесообразно.

А также водород получают из нефти методом термического или парового крекинга — умеренно по стоимости, так как используется побочный продукт нефтепереработки. Однако это производство сопровождается значительными выбросами углекислого газа и токсичных соединений: оксидов серы и углеводородов. Применяется в основном на нефтехимических предприятиях, масштабирование и перспектива более широкого применения под вопросом.

— Что представляют собой устройства по производству водорода?

— Генераторы водорода различаются по принципам работы и областям применения.

Во-первых, это электролизеры, в которых водород получают путем электролиза воды. Они в свою очередь делятся на:

• щелочные, надежные и относительно недорогие, однако медленно реагируют на изменения нагрузки;
• PEM-электролизеры (с протон-обменной мембраной), более компактны, быстро адаптируются к переменной мощности, но дороже в производстве;
• твердооксидные электролизеры (SOEC), самые эффективные, работают при высоких температурах, но сложные и дорогие.

Во-вторых, водород производят паровые риформеры из метана в реакции с водяным паром на твердом катализаторе. Это наиболее распространенный метод благодаря низкой стоимости, однако он сопровождается высокими выбросами углекислого газа.

В-третьих, газификаторы угля вырабатывают синтез-газ — смесь водорода и угарного газа. Метод экономичен, но наносит большой вред экологии из-за выбросов углекислого газа, сероводорода и оксидов азота.

И наконец, пиролизеры метана разлагают метан на водород и твердый углерод (сажу). Этот метод перспективен, поскольку не сопровождается выделением углекислого газа, а сажа может быть использована в других областях, например, в качестве наполнителя для полимерных материалов.

В России производством электролизеров занимаются, например «Росатом» и «Уралэлектротяжмаш», которые уделяют особое внимание развитию технологий получения «зеленого» водорода. Также ведутся проекты по созданию установок пиролиза метана.

В мире лидирующие позиции занимают компании Siemens Energy, Plug Power и Nel Hydrogen, активно внедряющие инновации в производство электролизеров, особенно PEM и твердооксидного типа. Китай также наращивает объемы производства, делая акцент на масштабных установках для промышленного производства водорода.

Сегодня путь в 100 км обходится в 17 евро, а завтра — в 12 евро.

— Водород вместо бензина и дизеля для транспорта. Сравним цены?

— Водород, как топливо для транспорта — перспективный путь снижения углеродного следа и эксплуатационных затрат. На 100 км пути водородный автомобиль потребляет около 1 кг водорода стоимостью 10–12 евро, тогда как бензиновый — 8–10 литров бензина стоимостью 13–17 евро. Правда, стоимость водородных автомобилей сегодня высока, а водородной инфраструктуры для заправки машин недостаточно.

Водород особенно выгоден для грузовиков и спецтехники благодаря быстрой заправке и высокой автономности.

— Посмотрим на водород как транспорт для передачи энергии взамен электросетей в места, далекие от генерации. Удобно и экономно или только удобно?

— Удобно благодаря высокой энергоемкости водорода и возможности длительного хранения, но с экономической точки зрения менее эффективно. Дело в высоких затратах на производство, сжижение или компрессию, транспортировку и последующее преобразование обратно в электричество.

Потери энергии на каждом этапе цепочки значительны, поэтому водород чаще рассматривается как резервный или балансирующий носитель энергии, чем как основное решение для передачи.

Еще одна отрасль, где используют водород, — металлургия. Здесь с помощью водорода сокращают суммарные выбросы углекислого газа более чем на 90%. В России этот подход развивают ведущие компании, включая «Северсталь» и «НЛМК», а за рубежом — ArcelorMittal и SSAB.

Плюс к этому водород необходим для производства удобрений.

Он является ключевым компонентом при получении аммиака — основы азотных удобрений. К сожалению, сегодня большинство предприятий используют водород, полученный из природного газа методом парового риформинга, что сопровождается большими выбросами углекислого газа. Переход на зеленый, белый или, по крайней мере, голубой водород, позволяет сделать производство аммиака более экологичным.

В России крупные производители удобрений, такие как «Акрон», «Еврохим» и «ФосАгро», исследуют способы снижения углеродного следа, а на мировой арене в этом направлении преуспели компании Yara International и CF Industries.

— В России еще в 2021 году была принята программа развития водородной энергетики, а в 2023-м Александр Новак говорил, что в проекте «Чистая энергетика» на развитие водородных технологий предусмотрены средства федерального бюджета в размере 9,3 млрд руб. на период до 2024 года. Создали Национальный Союз по развитию этих самых технологий. И что теперь?

— Проекты, которые реализуются в рамках этой программы, остаются на стадии разработки и пилотного запуска.

В нашей стране интерес представляют проекты «Белый водород» в ХМАО, «Транссибирская магистраль водорода» и инициатива по производству Н₂ в Краснодарском крае, но им еще предстоит доказать свою экономическую эффективность и выйти на мировой рынок*.

«КамАЗ» работает над водородными грузовиками, и при снижении стоимости производства водорода они могут стать экономически выгоднее бензиновых.

Трансмашхолдинг презентовал концепцию первого российского водородного поезда и продемонстрировал его макет. Планируется, что на Сахалине пойдут первые составы на водороде, а в 2028 году начнутся регулярные перевозки.

— Какие международные проекты можно выделить?

— Международные инициативы, такие как HyDeal Ambition в Европе и H2 Australia по производству и экспорту водорода из Австралии в Южную Корею, продвинулись значительно дальше, чем российские аналоги**.

В Европе появились водородные поезда, а Южная Корея даже создала водородный танк.

— Международный Совет по водороду прогнозирует,, что к 2050 году доля зеленого водорода в глобальном энергобалансе составит 18 % и мир будет потреблять 550 млн тонн водорода в год. Насколько это близко к реальности?

— Прогнозы Hydrogen Council выглядят амбициозно, но достижимы при условии снижения стоимости зеленого водорода.

В целом, глобальный водородный рынок может существенно вырасти, если главным драйвером станет не только достаточное финансирование, но и технологические инновации.

Подготовила Елена МИШИНА

PS

* Проект «Белый водород» в Ханты-Мансийском автономном округе — создание комплексной системы по производству водорода на основе метана с использованием новой технологии парового риформинга и улавливания вредных выбросов.

Проект «Транссибирская магистраль водорода» — создание инфраструктуры для транспортировки водорода по железной дороге. Предполагает наличие заводов по производству водорода возле железнодорожных магистралей.

Проект в Краснодарском крае — производство водорода с использованием солнечной энергии. Включает в себя установку электролизеров и системы для хранения водорода.

** Проект «H₂ Australia» — производство зеленого водорода в Австралии с помощью ВИЭ и его транспортировку в сжиженном виде или в виде аммиака в Южную Корею. Считается, что переправлять водород в виде аммиака предпочтительно, поскольку при этом можно использовать существующую транспортную инфраструктуру, включая морские контейнеры и танкеры.

Проект H2U (Австралия) — производство водорода с использованием ВИЭ, строительство заводов по электролизу и транспортировка водорода в Новую Зеландию и на другие рынки.

Проект HyDeal Ambition — производство зеленого водорода с помощью солнечной энергии Южной Испании, электролиз воды, создание инфраструктуры для хранения и распределения водорода.