Нужна ли России водородная энергетика

О глобальных возможностях водорода в интервью "РГ" еще в феврале 2009 года увлекательно рассказал академик РАН, директор Института перспективных исследований Владимир Накоряков. "Убежден, развитие водородной энергетики - это стратегическое будущее всего мира", - подчеркнул тогда ученый. Как показало обсуждение за круглым столом, прогнозы академика в целом сбываются, как остаются актуальными и проблемы, о которых он говорил - в частности, дороговизна получения водорода. А главное, водородные технологии действительно развиваются и со временем станут определяющими для целых отраслей.

Парижские тайны: куда ведут глобальные перемены

По мнению первого вице-премьера РФ Андрея Белоусова, в ближайшие десятилетия экономике России предстоит столкнуться с необходимостью перехода на новые источники энергии, и в первую очередь это водород. В недавнем интервью ТАСС он назвал водородную энергетику следующим шагом на пути к "зеленой" экономике после отказа от угольной генерации в пользу природного газа.

Напомним, что в 2016 году было подписано Парижское соглашение, цель которого - противодействие глобальному потеплению, основной причиной которого считаются выбросы парниковых газов. В свою очередь, главным виновником антропогенных выбросов объявлена энергетика на органическом топливе. При выполнении требований Парижского соглашения структура мировой энергетики в ближайшие десятилетия должна претерпеть радикальные изменения в результате вытеснения угля и замещения его газом и безуглеродными источниками.

Почему ученые говорят о водороде как об источнике энергии будущего?

- Водород является вторичным энергоносителем, но он заслуживает особого внимания как наиболее емкий и экологически чистый энергоноситель из всех существующих химических веществ, ведь единственный продукт реакции - это вода, - поясняет научный руководитель Института теплофизики СО РАН академик Сергей Алексеенко. - Для сравнения: высшая теплота сжигания водорода составляет 142 мегаджоуля на килограмм, а природного газа - от 28 до 46 мегаджоулей. Поскольку водород может широко применяться не только в энергетике, но и в химической индустрии, то более правильно употреблять понятие водородная экономика.

Наиболее активно, по словам академика, внедряет водородные технологии Япония, где еще в 2014 году была принята дорожная карта по построению "общества, базирующегося на водороде". Уже сейчас в этой стране насчитывается около 2,5 тысячи автомобилей с водородным двигателем.

Крупнейшим мировым рынком водорода собирается стать Евросоюз, который к 2050 году намерен инвестировать от 180 миллиардов до 470 миллиардов евро в сегмент возобновляемого водорода.

Россия, согласно недавно принятой энергетической стратегии, планирует к 2024 году экспортировать 200 тысяч тонн водорода, а к 2035-му - в десять раз больше.

Однако Сергей Алексеенко не рассматривает перспективы водородной энергетики вне рамок решения проблемы карбонизации:

- Как мы можем перестраивать нашу промышленность или энергетику на водород, если у нас гигантская инфраструктура, рассчитанная на уголь и газ? По атомной энергетике Россия безусловный лидер в мире. Но дело в том, что, например, Норвегия, планирует в ближайшее время на сто процентов перейти на электротранспорт, и туда просто не будут пускать автомобили на других видах топлива. Поэтому мы вынуждены будем именно по этой причине развивать водородный транспорт.

Проректор по технологическому развитию и предпринимательству Томского политехнического университета Артем Боев согласен с Сергеем Алексеенко в том, что водородная тематика стала вопросом "климатической политики". Причем уже сегодня очевидны проблемы, которые возникнут на пути стран, сделавших выбор в пользу водорода. Так, например, ставка исключительно на "зеленый" водород приведет к необходимости идентификации происхождения продукта, а как отличить его от "серого", если это один и тот же химический элемент?

А вот оптимизм старшего научного сотрудника Института катализа СО РАН Павла Снытникова в отношении водородных перспектив России связан с тем, что в стране много относительно дешевого углеводородного сырья. Дальше все зависит от взаимодействия ученых, бизнеса и государства. Создавая технологические цепочки переработки сырья с получением высокомаржинальных продуктов и обязательной утилизацией CO2, Россия может получать высокие доходы.

Похоже, что закономерный и предсказуемый скептицизм по поводу водородных технологий в России начнет исчезать только тогда, когда какая-нибудь из них ("водородная батарейка" для гаджетов или автомобиль на водородном топливе) получит относительно широкое применение. И ее смогут оценить в действии не только ученые, бизнесмены и чиновники, но и обычные люди, для которых водородная экономика как раз и создается. Ведь искушенного в этих вопросах академика Алексеенко, по его собственному признанию, действительно поразил проект водородного отопления в Шотландии: "Представьте, уже в этом году там планируют применять для отопления 300 зданий водород, полученный путем электролиза от ветряков, которых полно в Шотландии. А потом вся газовая инфраструктура будет использована для подачи водорода. То есть это реально и просто удивительно".

PRO и CONTRA

Артем Боев, проректор по технологическому развитию и предпринимательству Томского политехнического университета:

- ТПУ занимается водородным направлением с 2005 года, когда мы начали готовить таких специалистов. Тогда они оказались невостребованными. Наверное, мы опередили время. Сейчас это научное направление в университете развивается, и есть хороший задел.

Мы понимаем, что в целом потребление и добыча нефти и газа не изменится принципиально еще много лет. Но это вопрос перспективы, так как развитые страны мира намерены сокращать потребление углеводородного сырья в качестве энергоносителя, и России рано или поздно предстоит решить, будет ли она встраиваться в изменение мирового энергобаланса.

Европа создает все условия для того, чтобы отказываться от нашего углеводородного сырья. Если мы не будем изменять свою энергетику, то в водородную экономику Европы мы не встроимся. Речь идет не о том, что стать водородной державой. Скорее, нужно иметь в виду, что, поставляя меньше газа и нефти, мы сможем заменить их поставками водорода или аммиака.

В пользу развития водородных технологий в России говорят и ценовые факторы. У нас довольно низкая стоимость газа, а на его долю приходится от 45 до 70 процентов затрат на производство водорода. Кроме того, у нас дешевая электроэнергия. Так что в России водородные технологии все равно будут экономически эффективнее, чем, например, в Европе.

Водород - это перспективная ниша. Уже многие страны приняли водородные стратегии и дорожные карты. В Европе осуществляют достаточно серьезные финансовые вливания в это направление.

В мире создано уже 23 международных консорциума водородной тематики. В Германии, Нидерландах, Японии появились Водородные долины. Изучив лучшие практики, мы в июне этого года стали заниматься организацией первого в России консорциума водородных технологий. Кроме Томского политехнического университета, в него вошли Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет. Мы ожидаем, что в дальнейшем к нам присоединятся другие вузы и академические институты.

Консорциум "Технологическая водородная долина" нацелен на совместные исследования и разработки технологий для получения водорода, его транспортировки, безопасного хранения и использования в энергетике. Мы уже подготовили документы для создания в Томске инжинирингового научно-технического центра, в котором будет сконцентрирована эта работа. Консорциум планирует тесное сотрудничество с крупнейшими компаниями РФ, заинтересованными в развитии водородной энергетики. В ближайшее время участники подготовят дорожную карту для дальнейшей работы. Индустриальные партнеры войдут в наблюдательный совет консорциума для обеспечения трансфера технологий и создания промышленных образцов.

Сибирь представлена колоссальным научным потенциалом и серьезным заделом в этом направлении. Именно поэтому инициатива организации консорциума родилась в Томске. Задача изменения энергетического баланса в мире еще только начинает решаться. Здесь такая "поляна", что места хватит всем. Толкаться бессмысленно.

Сергей Алексеенко, академик РАН, научный руководитель Института теплофизики СО РАН:

- Я не верю в глобальную энергетику на водороде. По прогнозам Международного энергетического агентства, даже к 2070 году на долю энергетики будет приходиться всего около четырнадцати процентов общего потребления водорода в мире. Ничего удивительного - нет никакого смысла перестраивать сложившуюся энергетическую инфраструктуру.

Конечно, в водороде привлекает высокая энергоемкость - в три-четыре раза больше, чем у природного газа.

Но главный довод заниматься водородом, это, конечно, Парижское соглашение. Нужно уходить от выброса СО2, поэтому звучат призывы вообще отказаться от угля. С моей точки зрения, это абсолютная глупость. Тем более что наши ученые, в частности, член-корреспондент РАН Владимир Клименко, пришли к выводу: при любых сценариях развития энергетики, даже если мы вообще перестанем сжигать органическое топливо, глобальное потепление не остановится. В этом смысле не нужно совершать никаких масштабных резких изменений в структуре энергетики. Это просто крах для всей экономики.

К тому же есть технологии, которые позволяют не отказываться от угля, сведя к нулю выбросы углерода и CO2. Можно провести аналогию с природным газом. Цикл Аллама предполагает сжигание природного газа в кислороде. На выходе получается смесь СО2 и воды, которая в конденсированном виде позволяет стопроцентно улавливать углекислый газ. Такой же результат будет, если цикл Аллама применить к синтез-газу, получаемому путем газификации угля.

Ближайшая перспектива энергетики - это органическое топливо и связанные с ним парогазовые технологии и глубокая переработка угля. Более дальняя - возобновляемые источники энергии. Здесь наиболее перспективное, конечно, солнце. А также геотермальная энергетика. Конечно, не стоит забывать и про ядерную энергетику.

Кстати, наряду с дороговизной у водородной энергетики есть еще одна большая проблема - безопасность. Мы не можем справиться с природным газом - непрерывные взрывы. А тут водород - это уже бомба.

Вместе с тем, вне всякого сомнения, водород очень актуален для создания химических генераторов тока. Это имеет важнейшее значение и для транспорта, и для распределенной энергетики, и для ряда других направлений.

Перед выбором

Дорожная карта "Развитие водородной энергетики в России" предусматривает, что первыми производителями водорода в стране станут "Газпром" и "Рос-атом" - в 2024 году они должны пустить пилотные водородные установки, в том числе на атомных электростанциях. Тогда же "Росатом" планирует ввести в эксплуатацию опытный полигон для железнодорожного транспорта, работающего на водородных топливных элементах, - этот совместный проект намерены реализовать на Сахалине "Российские железные дороги", "Росатом" и "Трансмашинхолдинг".

Новосибирский завод химконцентратов, который через головную компанию "ТВЭЛ" входит в госкорпорацию "Рос-атом", сейчас рассматривает возможности своего участия в программе развития водородной энергетики. На предприятии создана рабочая группа.

- Речь идет не о получении водорода в промышленных объемах, потому что потребителей сейчас в Новосибирске будет сложно найти, а об изготовлении топливных элементов и их составляющих - в частности, катализаторов, - сообщил руководитель рабочей группы, главный специалист НЗХК Алексей Грушко. - Эта продукция найдет применение в автомобилестроении, авиационной промышленности и так далее.

"Мы ориентированы на развитие, ищем новые направления, новые продукты, и водородная энергетика нас заинтересовала", - отметил заместитель генерального директора - главный инженер НЗХК Сергей Буймов. Он напомнил, что на предприятии несколько лет идет компактизация - технологические линии размещаются более эргономично. Это позволило высвободить производственные площади, оснащенные инженерными коммуникациями. Здесь НЗХК может развивать собственные производства. Завод сегодня заинтересован в выпуске инновационных и высокомаржинальных продуктов.

По словам Сергея Буймова, рабочая группа ставит целью рассмотреть все возможные варианты деятельности, связанной с водородной тематикой. К середине следующего года должно быть принято решение.

- Сейчас мы активно ищем контакты, партнеров. Прежде всего это Сибирское отделение Российской академии наук и Томский политехнический университет. Разумеется, мы координируем свою работу с нашей материнской компанией и находим там поддержку. Работаем всего чуть больше месяца и пока предварительно определили продукцию, которую можем выпускать в данной сфере, - это катализаторы. Наверное, это будут и накопители энергии - условно говоря, "водородные батарейки". Мы еще в начале пути и готовы сотрудничать c коллегами из институтов, подключать все свои ресурсы и двигаться дальше, - добавил Сергей Буймов.

Ноу-хау из Израиля

Одно из направлений, которым занимается Институт теплофизики СО РАН, - электрохимические генераторы тока.

Израильская компания More Energy совместно с компанией Medis Technologies открыла первое в мире промышленное производство топливных элементов на основе экологически чистых боргидридов - это совместная с новосибирскими учеными разработка. Мощность таких элементов - всего один ватт, они служат для подзарядки мобильных телефонов и других портативных электронных устройств и пользуются спросом - их выпуск достиг 1,5 миллиона штук в месяц.

Другой топливный элемент - алюминиевый - в сто раз мощнее, но, как отмечает научный руководитель Института теплофизики Сергей Алексеенко, принципиальной разницы с водородом здесь нет. Создана серия опытных образцов, они полностью готовы для промышленного производства.

Еще с одной израильской компанией GenCell разработано два стационарных топливных элемента - на водороде и на аммиаке. Второй вариант Сергей Алексеенко называет самым перспективным: "С сырьем проблем нет. А самое интересное - для топливных элементов нужен чистый водород, а здесь подается смесь водорода и азота, но установки прекрасно работают".

По словам академика, израильская сторона готова передать России эти технологии на льготных условиях для внедрения в производство. Партнером может стать Новосибирский завод химконцентратов.

"Глобальным" Сергей Алексеенко называет проект, разработанный коллегами на Новосибирском заводе полупроводниковых приборов совместно с "НЭВЗ-Союз". Это новые типы твердооксидных топливных элементов, которые могут эффективно применяться для выработки электроэнергии из угля с промежуточным получением синтез-газа и водорода. Причем технологический процесс предложено организовать прямо на месте угледобычи. "У них уже есть инвестор, они предлагают нам сотрудничество, и как раз сейчас идет обсуждение этого предложения", - отметил ученый.

Энергия по требованию

В Институте катализа СО РАН разработан ряд технологий применения водорода в качестве энергоносителя "по требованию". По словам старшего научного сотрудника института Павла Снытникова, эти технологии близки к промышленной реализации.

Например, водород можно использовать для выработки электроэнергии, получая его в топливных процессорах из углеводородов. Так, если оснастить вспомогательной энергоустановкой электромобиль, то при поездке на дальние расстояния, когда нет возможности оперативно зарядить аккумулятор от сети, двигатель сможет работать на электроэнергии, полученной из водорода, который, в свою очередь, образуется в результате химической реакции из бензина или дизельного топлива в бортовом топливном процессоре. Эти исследования ведутся при поддержке Российского научного фонда, но уже есть инвесторы, заинтересованные в результатах разработок.

По такому же принципу можно создавать и стационарные водородные заправки, которые будут работать на углеводородном сырье (том же природном газе), спирте или эфире, получая водород для питания протонобменных мембранных топливных элементов. Учитывая относительно развитую систему газоснабжения, это довольно перспективное направление. По мнению Павла Снытникова, уже в ближайшие три года первые водородные заправки в качестве пилотного проекта могут появиться в Москве, Санкт-Петербурге, Новосибирске и некоторых других крупных городах России.

"Водород по требованию" можно получать и из "водородных таблеток" на основе боргидрида натрия.

Водородные технологии сегодня уже находят применение и в сфере традиционной энергетики. Например, с помощью катализаторов можно получать синтез-газ, добавление которого к обычному голубому топливу снижает выбросы газовых турбин.

Институт катализа СО РАН ИК активно сотрудничает с московским Научно-исследовательским центром "ТОПАЗ", применяя каталитические технологии для создания энергоустановок на основе топливных элементов, работающих на углеводородном топливе, для малой распределительной энергетики, робототехники, гаджетов, электротранспорта и так далее.

Отходы идут в дело

В Томском политехническом университете сегодня работают над методами получения водорода, технологиями его хранения и транспортировки, а также возможностями применения в экономике.

В частности, ученые предлагают извлекать водород из природного газа без выделения CO2 в закрытом плазмохимическом реакторе, из воды с использованием солнечного света и нанорешетки из золота и палладия, из низкосортного ископаемого твердого топлива методом подземной электрофизической конверсии. Весьма актуальны способы получения водорода из твердых бытовых отходов и биомассы.

Особую перспективу представляет последовательная двухстадийная переработка отходов, позволяющая проводить более полное разложение органических веществ (на первой стадии образуется биоводород, а на второй - биометан). А при помощи микробиологического конвертирования биомассы в анаэробных условиях содержащиеся в ней целлюлозу, гемицеллюлозу, жиры, белки, углеводы и прочие компоненты можно преобразовать в газообразные энергетические носители - водород и метан. Такая технология отличается дешевизной и экологичностью.

Также в ТПУ работают над повышением эффективности топливных элементов для электростанций, работающих на природном газе или водороде. Ряд исследований связан с транспортировкой и хранением водорода - в частности, со снижением потерь и защитой конструкционных материалов водородной энергетики.