Один із варіантів періодизації історії людства пов’язаний із застосуванням технологій. Бронзова доба змінилася залізною, а з ними і використання енергії. Відповідний енергетичний перехід завжди був пов’язаний із великими змінами у житті людства. У тому числі і призводив до суттєвих політичних змін. Боротьба за джерела енергії була не менш гострою, ніж за території чи торгові преференції.

Одному з міністрів нафти Саудівської Аравії приписують висловлювання, що «Кам’яна доба закінчилася не тому, що скінчилося каміння, і нафтова доба завершиться не тому, що скінчиться нафта». Звісно. Нафти та газу у відомих родовищах досить багато, а нові постійно відкриваються. За умов сучасного споживання вуглеводнів їх вистачить більш ніж на 100 років. Втім, епоха їх використання завершується. Тому є кілька причин. Об’єктивна полягає в тому, що спалювання вуглеводнів, зокрема, для виробництва електроенергії негативно відбивається на стані клімату та викликає глобальне потепління.

Запаси та родовища вуглеводнів розподілені по планеті вкрай нерівномірно, що викликає проблеми між їх видобуванням, виробництвом та споживачами. За часів Другої світової війни та подальші збройні конфлікти, нафта та продукти її переробки мали стратегічне значення. Тому володіння нафтою, а потім і газом, перетворилося на фактор геополітики.

Першу нафтову свердловину сучасного типу пробурили в Баку 1848 року. За 9 років у США почали отримувати гас із нафти. Енергетичний перехід від розповсюдженого використання вугілля до нафти відбувався еволюційно та зайняв кілька десятиліть ХХ століття. Зараз ми є свідками радикального, навіть революційного, енергетичного переходу, який визначається не лише об’єктивними технічними та технологічними причинами, але й політичними.

Водень шести кольорів

Людство потребує дедалі більшої кількості енергії, насамперед у вигляді електроенергії. З об’єктивних причин необхідний перехід до виробництва без значних, а в ідеальному випадку нульових викидів вуглекислого газу та інших забруднювачів атмосфери. Процеси виробництва та перетворення енергії ідеальними не бувають, але домогтися їхньої більшої безпеки цілком можливо. Зокрема, переходячи до водневої енергетики.

Зараз у це важко повірити, але освітлення вулиць Лондона, а потім інших європейських міст здійснювалося газовими ліхтарями. Світло було за рахунок спалювання суміші водню, що отримується в процесі високотемпературного спалювання вугілля з метаном та іншими газами. На водень у таких ліхтарях припадало 30-40%.

Воднево-метановий газ був настільки дешевий, що до початку ХХ століття мав конкурентні переваги перед електрикою та гасом для освітлення. Однак, кіптява від газових пальників і гасових ламп була такою сильною, що зрештою у Лондоні віддали перевагу використанню електричного освітлення. Це невелика ілюстрація першого застосування водню.

Сьогодні водень використовують для виробництва добрив, підвищення якості бензину, покращення властивостей сталі, а також у харчовій промисловості для виробництва маргарину та твердих кондитерських жирів методом гідрогенізації рослинних олій. Без нього не обходяться всі процеси гідроочищення, гідрообессерювання, гідрокрекінгу, регенерації каталізаторів. Водень також широко застосовують для охолодження генераторів електростанцій.

Фізичні властивості водню дуже привабливі. У нього висока теплота згоряння, 120-140 МДж/кг проти 50 МДж/кг у метану, малий гідродинамічний опір, майже в 7 разів більша теплопровідність порівняно з повітрям та у 14 разів більша теплоємність. Водень легший за повітря у 14,5 разів і тому його застосовували в повітряних кулях і дирижаблях.

Важливою перевагою є те, що водень також має набагато більшу щільність енергії (33 кВт-год/кг), ніж акумуляторні батареї (близько 1 кВт-год/кг), бензин та дизельне паливо (близько 12 кВт-год/кг), що робить його вигідним для транспорту та в якості мобільного енергоносія.

Є й суттєві недоліки. Водень пожежо- та вибухонебезпечний, його складно передавати трубами. Рідкий водень існує у дуже вузькому інтервалі температур від -252,76 до -259,2 °C. У нього дуже висока плинність. Саме цим пояснюються труднощі при зрідженні водню та складності у передачі металевими трубами.

З розвитком техніки та технологій переваги водню як джерела енергії стали переважувати його недоліки. Виробництво водню класифікується за екологічними критеріями. Чим більше оксидів вуглецю виділяється при виробництві, тим менш екологічним воно вважається. Для простоти кожному методу надано свій колір.

Зелений водень

Водень отримують електролізом води, у результаті якого видобувається як необхідний газ, так і кисень. Цей спосіб є найбільш екологічним. Якщо електроенергія надходить від відновлюваних джерел (далі – ВДЕ), таких як вітер, сонячне світло або гідроенергія, викиди СО2 відсутні.

Жовтий (помаранчевий) водень

Як і зелений, його одержують шляхом електролізу, але джерелом електроенергії є атомні електростанції (АЕС). Викиди СО2 відсутні, але метод не є абсолютно екологічним через можливість радіоактивного забруднення у разі аварії. Хоча сучасні АЕС незрівнянно безпечніші, проте існує громадське упередження щодо отримання електроенергії від АЕС.

Бірюзовий водень

Цей водень одержують розкладанням метану на водень та твердий вуглець (сажа) шляхом піролізу. Виробництво бірюзового водню дає відносно низький рівень викидів вуглецю, який може бути похований, або використаний у промисловості, наприклад, у виробництві сталі, батарей і хімічній промисловості. Таким чином він не потрапляє в атмосферу. Однак метод поки що існує лише у вигляді дослідно-промислових установок.

Блакитний водень

Отримується шляхом парової конверсії метану, але за умови уловлювання та зберігання вуглецю, що дає приблизно дворазове скорочення викидів вуглецю. Цей вид отримання водню є дуже дорогим.

Сірий водень

Виготовляється шляхом парової конверсії метану. Цей процес легко виконати з практичної точки зору, проте в ході хімічної реакції виділяється вуглекислота, причому в таких саме обсягах, що і при згорянні газу. Крім цього, витрачається значна енергія на конверсію.

Коричневий (бурий) водень

Для отримання коричневого водню в якості вихідної сировини використовується буре вугілля. Далі за допомогою його газифікації утворюється синтез-газ (сингаз): суміш вуглекислого газу (CO2), окису вуглецю (CO), водню, метану та етилену, а також невелика кількість інших газів. Перші два з цих газів марні у виробництві електроенергії. Усе це робить процес дуже неекологічним у порівнянні з іншими методами.

На сьогодні комерційно вигідним є виробництво сірого водню (близько $1,85/кг), але з урахуванням витрат на вловлювання та зберігання вуглекислого та інших парникових газів його вартість збільшується мінімум на 40-45%, а за даними Водневої стратегії ЄС – майже в два рази. Тож комерційні переваги методу практично втрачаються.

Головна увага зараз зосереджена на виробництві зеленого та жовтого водню. Хоча, поки що вартість першого набагато вище, ніж інших варіантів, але він є найбільш перспективним.

Вартість електроенергії від відновлюваних джерел енергії постійно знижується. Так, за останні 10 років вартість вітрогенерації скоротилася в 4 рази, а сонячної — у 18 разів. Темпи розвитку ВДЕ за цей же період були вищими, ніж швидкість продажу мобільного зв’язку. У зв’язку з різким падінням витрат на виробництво відновлюваної енергії, швидким підвищенням ефективності електролізерів та очікуваними економічними вигодами від збільшення виробництва, електролізери зможуть виробляти зелений водень за вартістю на рівні сірого до 2025 року.

Норвезька компанія Nel планує до 2025 виробляти зелений водень за ціною $1,5/кг. Японія намагається знизити собівартість виробництва зеленого водню до $3,3/кг, а Австралія – до $1,57/кг. Чилійські компанії обіцяють виробляти до 2030 зелений водень за ціною $1,5/кг. Такі саме орієнтири й у Канади.

Промислова група Hydrogen Europe у своєму нещодавньому фундаментальному дослідженні, відомому як "Ініціатива 2x40 ГВт", обґрунтовує необхідність масованого розвитку системи електролізерів гігаватної потужності як у середині самого ЄС, так і в сусідніх із ЄС країнах (Україна та ін.) для підтримки виробництва зеленого водню.

У доповіді стверджується, що електролізери гігаватної потужності, встановлені поблизу вітрових та сонячних електростанцій, матимуть змогу конкурувати з виробниками низьковуглецевого водню (€1,5-2/кг) до 2025 року та сірого водню, що виробляється з органічного палива без уловлювання CO2 (€1- 1,5/кг) - до 2030 року.

Водень як інструмент геополітики

На наших очах відбувається перехід автомобільного транспорту з теплових двигунів (внутрішнього згоряння та дизельних) на електропривод. Легкові електромобілі завойовують дедалі більшу частку ринку. Настає електропривод й у вантажному автотранспорті.

Тут існує одна глобальна проблема – недостатня щільність енергії в сучасних акумуляторах, а також їх швидка деградація в процесі експлуатації. Хоча параметри акумуляторів істотно покращуються, але все ж не встигають за зростаючими вимогами до пристроїв накопичення та зберігання енергії.

У цьому сенсі водень дозволяє вирішити таку проблему. Його характеристики при використанні в якості палива або у вигляді паливних елементів в електромобілі вже в наш час майже вирішують проблему. Сучасний автомобіль із використанням 4 кг водню здатний покрити відстань 1000-1200 км. Є всі підстави вважати, що поліпшення параметрів, наприклад, паливних елементів дозволить збільшити відстань пробігу у 1,5-2 рази.

У Німеччині у федеральних землях Нижня Саксонія та Гессен вже експлуатуються потяги Coradia iLint французької фірми Alstom на водневих паливних елементах. У країні 13 тис. км залізничних колій, приблизно 39% залишаються неелектрифікованими. Саме на них передбачають насамперед експлуатувати водневі потяги. Спершу пасажирські, а потім і вантажні.

Застосування водню вирішує проблему накопичення та зберігання енергії. Навантаження електроенергетичних систем дуже нерівномірні. Надмірне виробництво електроенергії при малому навантаженні, наприклад, уночі може бути спрямоване на виробництво водню методом електролізу. Вироблений водень технічно нескладно запасати, зберігати довгий час, а потім використовувати у разі зростання навантаження. Це забезпечить постійний режим генерації та покращить фінансові показники електростанцій. Причому, як традиційних, так і на основі ВДЕ.

Нові технології виробництва та використання енергії мають далекосяжні політичні наслідки, оскільки створюють водневу енергетичну дипломатію. Виникають нові галузі: воднева економіка, воднева енергетика, водневий бізнес, водневі технології, воднева торгівля, водневі ринки, водневий маркетинг, воднева геополітика, водневе право, навіть воднева філософія тощо. Нові галузі енергетики та транспорту залучають величезні інвестиції, виникають нові галузі машинобудування, хімічної промисловості, змінюється потреба у металах.

Питання видобутку, транспортування та зберігання водню стає питанням політики.

Питання видобутку, транспортування та зберігання водню стає питанням політики. Способи одержання водню та його використання на противагу традиційній енергетиці ставить питання щодо доцільності використання інфраструктури сировинного палива. Як пише агентство Bloomberg, водень може зробити непотрібними американські газопроводи загальною довжиною 3 млн миль (або 4,8 млн км). У Росії протяжність газопроводів становить майже 182 тис. км. Додамо до цього експортні газові магістралі та отримаємо майже 200 тис. км.

Наразі обговорюється питання про використання існуючих газопроводів для транспортування водню. Але тут є технічні проблеми. Компресори, призначені для перекачування газу, погано працюють з воднем, і, ймовірно, їх доведеться замінити. Сталеві труби стають крихкими та розтріскуються під впливом водню. Їх доведеться замінювати на полімерні, але тут виникає проблема тиску, при якому економічно робити прокачування.

Є ще один технічний фактор, який має політичне значення. При виробництві зеленого водню використовується вода та електроенергія, найчастіше вироблена ВДЕ. Вона на відміну вуглеводнів і вугілля розподілена планетою набагато рівномірніше. Зараз для електролізу використовується прісна вода з додаванням лугу для покращення провідності електроліту. Однак вже є установки, де для таких цілей використовується морська вода, а це вирішує питання виробництва зеленого водню поблизу місць його споживання.

Відпадає потреба в довгих мережах і витратах енергії на перекачування. Тим паче, що у чистому вигляді водень можна транспортувати лише у суміші з метаном, у якій водень становитиме від 10 до 30%. Тому на місці споживання необхідно суміш розділити, а це додаткове обладнання та витрати енергії.

Не випадково Євросоюз та США ставлять завдання максимально швидкого розвитку водневої зеленої енергетики. Це не лише економічна та технічна проблема, а й політична. Саме воднева енергетика дозволить найбільш розвиненим країнам, які в основному є імпортерами вуглеводнів, уникнути залежності від виробників схильних до картельних змов і часто шантажують припиненням поставок або захмарними цінами на них.

Сучасна, так звана, енергетична криза в Європі зіграла в цьому випадку з Росією злий жарт. Він буквально змусив Євросоюз виділити просто гігантські кошти на впровадження зелених водневих технологій і в такий спосіб вирішити дуже складне завдання усунення спроб Москви використати, зокрема, газ як політичну зброю.

Загалом геополітичні позиції нафто- та газовидобувних країн вже найближчим часом слабшатимуть. Це об’єктивний процес і для нас дуже важливим є питання про місце України в такому світі, що стрімко змінюється. Вже зараз потрібно займатися питанням максимального розвитку електроенергетики від ВДЕ та створення індустрії виробництва, накопичення та зберігання водню. Не останню роль відіграватиме переведення транспорту на водневе паливо та електропривод.

Якщо Україна зможе застрибнути на експрес водневої енергетики, що набирає швидкість, то вона вирішить дуже багато економічних і фінансових проблем. І найголовніше, геополітичні. Останнє з таким сусідом надзвичайно важливе!

(Visited 346)