Один из вариантов периодизации истории человечества связан с применяемыми технологиями. Бронзовый век сменился железным, а с ними и использование энергии. Соответствующий энергетический переход всегда был связан с большими изменениями в жизни человечества. В том числе и приводил к существенным политическим изменениям. Борьба за источники энергии была не менее острой, чем за территории или торговые преференции.

Одному из министров нефти Саудовской Аравии приписывают высказывание, что «Каменный век закончился не потому, что кончились камни, и нефтяной век закончится не потому, что кончится нефть». В самом деле. Нефти и газа в известных месторождениях достаточно много, а новые все время открываются. При нынешнем потреблении углеводородов их хватит более чем на 100 лет. И, тем не менее, эпоха их использования, очевидно, приходит к завершению. Тому есть несколько причин. Объективная состоит в том, что сжигание углеводородов, в частности, для производства электроэнергии негативно отражается на состоянии климата и вызывает глобальное потепление.

Запасы и месторождения углеводородов распределены по планете крайне неравномерно, что вызывает проблемы между их добычей, производством и потребителями. В годы Второй мировой войны и последующие вооруженные конфликты, нефть и продукты ее переработки имели стратегическое значение и обладание нефтью, а затем и газом, превратилось в фактор геополитики.

Первую нефтяную скважину современного типа пробурили в Баку в 1848 году. Через 9 лет в США начали получать керосин из нефти. Энергетический переход от повсеместного использования угля к нефти происходил эволюционно и занял несколько десятилетий ХХ века. Сейчас мы являемся свидетелями радикального, если хотите революционного, энергетического перехода, который определяется не только объективными техническими и технологическими причинами, но и политическими.

Водород шести цветов

Человечество нуждается во все большем количестве энергии, в первую очередь в виде электроэнергии. По объективным причинам необходим переход к производству без значительных, а в идеальном случае нулевых, выбросов углекислого газа и других загрязнителей атмосферы. Процессы производства и преобразования энергии идеальными не бывают, но добиться их большей безопасности вполне можно. В частности, переходя к водородной энергетике.

Сейчас в это трудно поверить, но освещение улиц Лондона, а затем и других европейских городов осуществлялось газовыми фонарями. Свет получался в них сжиганием смеси водорода, получаемого в процессе высокотемпературного сжигания угля с метаном и другими газами. На водород в таких фонарях приходилось 30-40%. Водородно-метановый газ был настолько дешев, что до начала ХХ века имел конкурентные преимущества перед электричеством и керосином для освещения. Однако, копоть от газовых горелок и керосиновых ламп была такой сильной, что все-таки в Лондоне предпочли использовать электрическое освещение. Это небольшая иллюстрация первого применения водорода.

Сегодня водород используют для производства удобрений, повышения качества бензина, улучшения свойств стали, а также в пищевой промышленности для производства маргарина и твердых кондитерских жиров методом гидрогенизации растительных масел. Без него не обходятся все процессы гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов. Водород также широко применяют для охлаждения генераторов на электростанциях.

Физические свойства водорода весьма привлекательны. У него высокая теплота сгорания, 120-140 МДж/кг против 50 МДж/кг у метана, малое гидродинамическое сопротивление, почти в 7 раз большая теплопроводность по сравнению с воздухом и в 14 раз большая теплоемкость. Водород легче воздуха в 14,5 раз и поэтому его применяли в воздушных шарах и дирижаблях.

Важным достоинством является то, что водород также имеет гораздо более высокую плотность энергии (33 кВт-ч/кг), чем аккумуляторные батареи (около 1 кВт-ч/кг), бензин и дизельное топливо (около 12 кВт-ч/кг), что делает его выгодным для транспорта и в качестве мобильного энергоносителя.

Есть и существенные недостатки. Водород пожаро- и взрывоопасен, его сложно передавать по трубам. Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. У него очень высокая текучесть. Этим объясняются трудности при сжижении водорода и сложности в передаче по металлическим трубам.

С развитием техники и технологий преимущества водорода как источника энергии стали перевешивать его недостатки. Производство водорода классифицируется по экологическим критериям. Чем больше оксидов углерода выделяется при производстве, тем менее экологичным оно считается. Для простоты каждому способу присвоен собственный цвет.

Зеленый водород

Водород получается электролизом воды, в результате которого извлекается как необходимый газ, так и кислород. Данный способ является самым экологичным. Если электроэнергия поступает от возобновляемых источников (ВИЭ), таких как ветер, солнечный свет или гидроэнергия, то выбросы СО2 отсутствуют.

Желтый (оранжевый) водород

Как и зеленый, его получают путем электролиза, но источником электроэнергии являются атомные электростанции (АЭС). Выбросы СО2 отсутствуют, но метод не является абсолютно экологичным из-за возможности радиоактивного загрязнения в случае аварии. Хотя современные АЭС несравненно безопаснее, но все-таки существует общественное предубеждение в отношении получения электроэнергии от АЭС.

Бирюзовый водород

Этот водород получают разложением метана на водород и твердый углерод (сажу) путем пиролиза. Производство бирюзового водорода дает относительно низкий уровень выбросов углерода, который может быть либо захоронен, либо использован в промышленности, например, в производстве стали, батарей и химической промышленности. Таким образом, он не попадает в атмосферу. Однако метод пока существует только в виде опытно-промышленных установок.

Голубой водород

Извлекается путем паровой конверсии метана, но при условии улавливания и хранения углерода, что дает примерно двукратное сокращение выбросов углерода. Данный вид получения водорода является весьма дорогостоящим.

Серый водород

Производится путем паровой конверсии метана. Этот процесс легко осуществим с практической точки зрения, однако в ходе химической реакции выделяется углекислота, причем в тех же объемах, что и при сгорании природного газа. Кроме того, расходуется значительная энергия на конверсию.

Коричневый (бурый) водород

Для получения коричневого водорода в качестве исходного сырья используется бурый уголь. Далее с помощью его газификации образуется синтез-газ (сингаз): смесь углекислого газа (CO2), окиси углерода (CO), водорода, метана и этилена, а также небольшое количество других газов. Первые два из этих газов бесполезны в производстве электроэнергии. Все это делает процесс очень неэкологичным по сравнению с другими методами.

На сегодняшний день самым коммерчески выгодным является производство серого водорода (около $1,85/кг), но с учетом затрат на улавливание и хранение углекислого и других парниковых газов его стоимость увеличивается минимум 40-45%, а по данным Водородной стратегии ЕС — почти в два раза. Тем самым коммерческие преимущества метода практически теряются.

Основное внимание сейчас сосредоточено на производстве зеленого и желтого водорода. Хотя пока стоимость первого гораздо выше, чем других вариантов, но он является наиболее перспективным.

Стоимость электроэнергии от возобновляемых источников энергии постоянно снижается. Так за последние 10 лет стоимость ветрогенерации сократилась в 4 раза, а солнечной — в 18 раз. Темпы развития ВИЭ за тот же период были выше, чем скорость продаж мобильной связи. В связи с резким падением затрат на производство возобновляемой энергии, быстрым повышением эффективности электролизеров и ожидаемыми экономическими выгодами от увеличения производства, электролизеры смогут производить зеленый водород по стоимости на уровне серого к 2025 году.

Норвежская компания Nel планирует к 2025 году производить зеленый водород по цене $1,5/кг. Япония пытается довести себестоимость производства зеленого водорода до $3,3/кг, а Австралия — до $1,57/кг. Чилийские компании обещают производить к 2030 году зеленый водород по цене $1,5/кг. Схожие ориентиры и у Канады.

Промышленная группа Hydrogen Europe в своем недавнем фундаментальном исследовании, известном как «Инициатива 2x40 ГВт», обосновывает необходимость массированного развития системы электролизеров гигаваттной мощности как внутри самого ЕС, так и в соседних с ЕС странах (Украина и др.) для поддержки производства зеленого водорода.

В докладе утверждается, что электролизеры гигаваттной мощности, установленные вблизи ветровых и солнечных электростанций, смогут конкурировать с производителями низкоуглеродного водорода (€1,5-2/кг) к 2025 году и серого водорода, производимого из органического топлива без улавливания CO2 (€1-1,5/кг), — к 2030 году.

Водород как инструмент геополитики

На наших глазах происходит переход автомобильного транспорта с тепловых двигателей (внутреннего сгорания и дизельных) на электропривод. Легковые электромобили завоевывают все большую долю рынка. Наступает электропривод и в грузовом автотранспорте.

Здесь существует одна глобальная проблема — недостаточная плотность энергии в современных аккумуляторах, а также их относительно быстрая деградация в процессе эксплуатации. Хотя параметры аккумуляторов существенно улучшаются, но все равно не успевают за все возрастающими требованиями к устройствам накопления и хранения энергии.

В этом смысле водород принципиально позволяет решить такую проблему. Его характеристики при использовании в качестве топлива или в виде топливных элементов в электромобиле уже в настоящее время в основном решают проблему. Современный автомобиль с использованием 4 кг водорода способен покрыть расстояние 1000-1200 км. Есть все основания полагать, что улучшение характеристик, например, топливных элементов позволит увеличить расстояние пробега в 1,5-2 раза.

В Германии в федеральных землях Нижняя Саксония и Гессен уже эксплуатируются поезда Coradia iLint французской фирмы Alstom на водородных топливных элементах. В стране 13 тыс. км железнодорожных путей, примерно 39% остаются неэлектрифицированными. Именно на них предполагают в первую очередь эксплуатировать водородные поезда. Сначала пассажирские, а потом и грузовые.

Применение водорода решает проблему накопления и хранения энергии. Нагрузки электроэнергетических систем крайне неравномерные. Избыточное производство электроэнергии при малой нагрузке, например, ночью может быть направлено на производство водорода методом электролиза. Произведенный водород технически несложно запасать, хранить долгое время, а потом использовать при возрастании нагрузки. Это обеспечит постоянный режим генерации и улучшит финансовые показатели электростанций. Причем как традиционных, так и на основе ВИЭ.

Новые технологии производства и использования энергии имеют далеко идущие политические последствия, так как создают водородную энергетическую дипломатию. Возникают новые области: водородная экономика, водородная энергетика, водородный бизнес, водородные технологии, водородная торговля, водородные рынки, водородный маркетинг, водородная геополитика, водородное право, даже водородная философия и т.д. Новые отрасли энергетики и транспорта привлекают огромные инвестиции, возникают новые отрасли машиностроения, химической промышленности, меняется потребность в металлах.

Вопрос добычи, транспортировки и хранения водорода становится вопросом политики.

Вопрос добычи, транспортировки и хранения водорода становится вопросом политики. Способы получения водорода и его использование в противовес традиционной энергетике ставит вопрос о целесообразности использования инфраструктуры сырьевого топлива. Как пишет агентство Bloomberg, водород может сделать ненужными американские газопроводы общей протяженностью в 3 млн миль (или 4,8 млн км). В России протяженность газопроводов составляет почти 182 тыс. км. Добавим к этому экспортные газовые магистрали и получим почти 200 тыс. км.

Сейчас обсуждается вопрос об использовании существующих газопроводов для транспортировки водорода. Однако тут есть технические проблемы. Компрессоры, предназначенные для перекачки природного газа, плохо работают с водородом, и, вероятно, их придется заменить. Стальные трубы становятся хрупкими и растрескиваются под воздействием водорода. Их придется заменять на полимерные, но тут возникает проблема давления, при котором экономично производить прокачку.

Есть еще один технический фактор, который имеет политическое значение. При производстве зеленого водорода используется вода и электроэнергия, чаще всего производимая ВИЭ. Она в отличие от углеводородов и угля распределена по планете гораздо более равномерно. Сейчас для электролиза используется пресная вода с добавлением щелочи для улучшения проводимости электролита. Однако уже имеются установки, где для таких целей используется морская вода, а это принципиально решает вопрос производства зеленого водорода вблизи мест его потребления.

Отпадает необходимость в длинных сетях и затрат энергии на перекачку. Тем более, что в чистом виде водород можно транспортировать только в смеси с метаном, в которой водород составит от 10 до 30%. Тем самым на месте потребления необходимо смесь разделить, а это дополнительное оборудование и затраты энергии.

Не случайно Евросоюз и США ставят задачу максимально быстрого развития водородной зеленой энергетики. Это не только экономическая и техническая проблема, но и политическая. Именно водородная энергетика позволит наиболее развитым странам, которые в основном являются импортерами углеводородов, уйти от зависимости от производителей склонных к картельным сговорам и часто шантажирующих прекращением поставок или заоблачными ценами на них.

Нынешний, так называемый, энергетический кризис в Европе сыграл в данном случае с Россией злую шутку. Он буквально заставил Евросоюз выделить просто гигантские средства на внедрение зеленых водородных технологий и тем самым решить весьма сложную задачу купирования попыток Москвы использовать, в частности, газ в качестве политического оружия.

В целом геополитические позиции нефте- и газодобывающих стран уже в самом ближайшем будущем будут ослабевать. Это объективный процесс и для нас очень важным является вопрос о месте Украины в столь стремительно изменяющемся мире. Уже сейчас нужно заниматься вопросом максимального развития электроэнергетики от ВИЭ и создания индустрии производства, накопления и хранения водорода. Не последнюю роль будет играть перевод транспорта на водородное топливо и электропривод.

Если Украина сумеет запрыгнуть на набирающий скорость экспресс водородной энергетики, то она сумеет решить очень многие экономические и финансовые проблемы. И самое главное, геополитические. Последнее с таким соседом исключительно важно!

(Visited 942)