Эра водорода

Как известно, к середине XXI века объединенная Европа и ряд других технологически развитых стран планируют совершить «энергетический переход» – практически полный отказ от ископаемых видов топлива в пользу возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и других альтернативных источников, в числе которых не последнее место отводится такому экзотическому пока еще энергоресурсу, как водород. Между тем, по мнению экспертов авторитетного информационного агентства Bloomberg, к 2050 году этот элемент будет покрывать более 20% всех мировых потребностей в энергии, а его стоимость на рынке снизится до сегодняшнего уровня цен на природный газ и даже ниже. Стоит ли верить таким прогнозам или это всего лишь следствие излишнего оптимизма?
Давайте попробуем разобраться.

Рождающий воду
Водород, как мы помним из школьного курса химии, – самый первый и самый легкий элемент в ряду известной периодической таблицы Д.И. Менделеева. Традиционно его обозначают латинской буквой Н, так как ученые-первооткрыватели дали ему научное наименование hydrogenium. Русское название «водород» предложил в 1824 году профессор химии Михаил Соловьев.
Несмотря на то, что этот элемент является самым распространенным во Вселенной, на нашей планете в свободном виде он практически не встречается. Из-за своей активности «гидрогениум» легко вступает в химические связи со всеми другими элементами. Самый известный пример такого союза – вода (Н2О).
Именно из воды методом электролиза и собираются добывать его для своих нужд европейские инженеры-технологи. Такой водород принято называть «зеленым». Отличают еще «желтый», «голубой», «серый» и «бурый» водороды. У каждого из них свой способ производства, экологическая репутация и отпускная цена на рынке. Самый дорогой вариант, вполне естественно, «зеленый». Сегодня он стоит около 1000 руб. за кг. Самый дешевый – «бурый», чуть меньше 200 руб./кг.

Экстенсивный рост
За последние 15 лет спрос на водород в мире вырос на 300%. По прогнозам Bank of America, в ближайшее время совокупный объем инвестиций в эту отрасль выйдет на уровень в $10 млрд ежегодно. Ключевыми игроками этого рынка традиционно считаются Канада, США, Китай, страны ЕС, Южная Корея, Австралия и Япония.
В Стране восходящего солнца техническими разработками, связанными с этим видом топлива, серьезно занимаются с конца прошлого века. Свой первый серийный автомобиль на водороде в 2013 году выпустил автоконцерн Toyota. Вслед за ним свои модели на рынок выставили Honda и южнокорейская Hyundai. Для обслуживания постоянно увеличивающегося «гидрогенного» автопарка в Японии сегодня действуют уже более 100 водородных заправочных станций. Через восемь лет их количество планируется увеличить в десять раз. В 2020 году рядом с печально знаменитым городом Фукусима, где в 2011 году произошла авария на АЭС, запустили крупнейший в мире завод по производству «зеленого» водорода, работающий на солнечной энергии. Его мощность – 30 000 кг в сутки. Этого достаточно, чтобы полностью обеспечить водородным топливом более 40 тысяч экологически чистых автомобилей.
К 2030 году страны ЕС также планируют построить и запустить на полную мощность сразу несколько больших предприятий по производству «зеленого» и «желтого» водорода во Франции, Норвегии, Бельгии и Дании.
О своих национальных планах по переводу на водород к 2050 году всех сфер экономики, включая тяжелую промышленность и нефтехимическое производство, объявила Германия. Вложив десятки миллиардов евро в новые технологии, она рассчитывает стать недосягаемым лидером в данной сфере.
Если учесть, что ключевая роль в немецкой стратегии отводится получению «голубого» водорода из российского природного газа, то вся история с борьбой вокруг строительства «Северного потока-2» начинает сиять совершенно новыми красками.

Догнать и перегнать
В утвержденной летом 2020 года «Энергетической стратегии Российской Федерации до 2035 года» отдельно упоминается работа по развитию водородной энергетики. В частности, планируется наладить стабильное производство этого вида топлива как для отечественных нужд, так и на экспорт в объеме не менее 2 млн тонн.
Водородной энергетикой у нас уже давно и серьезно занимаются «Газпром» и «Росатом». Правительство поручило этим компаниям нарастить получение водорода на профильных объектах – атомных электростанциях и предприятиях по добыче и переработке природного газа.
К 2024 году «Газпром» должен будет полностью отработать технологии применение водорода и его смеси с метаном в качестве моторного топлива для самых разных видов транспорта. Тогда же в нашей стране начнут появляться первые гидрогенные АЗС. А «Росатом» к этому времени должен будет завершить испытание на Сахалинском опытном полигоне водородных топливных элементов для нужд железнодорожного транспорта.
Кстати, «Росатом» в планах стратегии развития отечественной атомной энергетики ставит себе еще более масштабные цели – выйти к 2050 году на ежегодное производство с помощью АЭС более 50 млн тонн водородного топлива.
Для примера, входящая в топ-5 мировых лидеров по производству водорода Канада сегодня производит только 3 млн тонн этого газа в год.
Простой и сложный элемент
Возникает вопрос: почему такое ценное во всех смыслах вещество до сил пор не приспособили для человеческих нужд? Ответ прост: при всех своих явных плюсах есть у «первого элемента» и целый ряд серьезных недостатков. Главный из них – взрывоопасность. В соотношении «два объема водорода к одному объему кислорода» образуется так называемый «гремучий газ», с разрушительной силой которого многие европейские химики познакомились еще в начале XX века.
Серьезные проблемы с этим капризным элементом оказались связаны с его хранением и транспортировкой. Наиболее стабильное состояние водород приобретает только при глубоком охлаждении (ниже –259°C). Для поддержания такой температуры требуется очень много энергии. Кроме того, из-за своей активности этот элемент постепенно делает хрупкими стенки контейнеров, в которых находится, даже если они сделаны из высокопрочных титановых или никелевых сплавов.
Только к началу XXI века ученым удалось нащупать технологию, которая позволила преодолеть все эти трудности. От хранения и транспортировки чистого водорода в большинстве случаев решено было полностью отказаться, разработав очень сложные технологии генерации и потребления. Топливо для модернизированных двигателей внутреннего сгорания и электрогенерирующих установок додумались производить прямо перед самым его применением, добывая его из метана или воды хорошо известными методами паровой конверсии или электролиза. Также на помощь гидрогенным установкам пришло создание новых видов высокопрочных керамических материалов, способных противостоять активности даже хорошо разогретых водородных молекул.
Кроме того, со временем выяснилось, что для переброски водорода на большие расстояния прекрасно подходят уже существующие газопроводы. В составе поставляемого метана долю водорода можно увеличивать до 15–20% без какой-либо угрозы для работы транспортной системы. Главное, чтобы у получателя топлива были отработаны технологии по разделению обогащенного газа на составные элементы.
Многие производители бытовой техники уже готовят свою продукцию к переходу на водород. Первым городом в мире, готовым полностью трансформировать свое жилищно-коммунальное хозяйство под водородное топливо, собирается стать британский Лидс. Сейчас большинство его населения (около 750 000 человек) отапливают свои дома и готовят еду с помощью природного газа, поставляемого из месторождений в Северном море. По расчетам администрации города, техническое переоснащение будет стоить чуть больше 1 млрд фунтов и займет примерно пять лет. При этом ожидаемое снижение теплопотерь составит более 70% в год, а к 2050 году весь город планирует выйти на полный «углеродный ноль».

Цена вопроса
И все же самым главным препятствием на пути всеобщей «водородизации» остается цена этого топлива. Для примера, сегодня в Японии владельцы автомобилей на водороде платят около $2,5 за каждый эквивалент литра жидкого топлива. В пересчете на наши деньги по текущему курсу выходит примерно 195 руб. И это с учетом серьезной программы господдержки японской водородной энергетики.
Десятки научных центров и производственных компаний по всему миру сейчас активно трудятся над сокращением стоимости водородных технологий. Ожидается, что в 2030 году данная цена опустится до уровня $0,8 (62,5 руб.), а к заветному 2050-му снизится до $0,5 (39 руб.).
Очевидно, что если эти цифры станут реальностью, наша цивилизация немедленно вступит в совершенно новую энергетическую эру. 

Андрей Пучков