Водородная перспектива

В Энергетической стратегии Российской Федерации до 2035 г. отмечается, что «…К технологиям, которым отводится особенная роль в низкоуглеродном развитии, относятся водородные энергетические технологии. Прогнозируется, что водород, используемый сегодня в основном в химической и нефтехимической промышленности, в перспективе способен стать новым энергоносителем, замещающим углеводородные энергоносители, и сформировать «водородную экономику». Российская Федерация обладает значительным потенциалом производства водорода….». Помимо Энергетической стратегии у нас приняты и другие нормативные документы в области водородных технологий. Так в 2020 г. утвержден план развития водородной энергетики, а в 2021 г. появилась концепция ее развития в Российской Федерации. Подобные документы ранее были приняты в ряде других технологически развитых стран, мы в целом соответствуем мировым трендам. Хотя конечно нельзя говорить о том, что наша страна выступила драйвером развития этого направления на глобальном уровне. Вопрос развития водородной энергетики сейчас актуален как в РФ, так и в мире.

Говорят, что история движется по спирали, развитие техники и технологий иногда тоже. Водородные технологии существуют давно, например, электролиз воды известен еще с начала восемнадцатого века, но масштабное повышение интереса к ним происходило периодически. Так в 1970-х годах в СССР появилась концепция атомно-водородной энергетики, активно развиваемая и в настоящее время при участии академика РАН Н.Н. Пономарева-Степного, также разрабатывались  пилотные проекты по использованию водорода в качестве топлива (самолет Ту-155 в конце 1980-х совершил несколько полетов на водороде). Сейчас всплеск интереса повторяется. Новый виток развития водородных технологий – это конечно не полное повторение того, что было. Благодаря развитию технологий мы поднимаемся на ступеньку выше, движемся к тому, что называют «водородной экономикой». Нельзя говорить, что мы стоим на ее пороге, но продвигаемся к ее созданию. Буквально в начале 2023 г. в РФ принята новая «дорожная карта» развития высокотехнологичного направления водородной энергетики до 2030 г., соглашение о реализации которой подписали ПАО «Газпром» и ГК «Росатом». 

Водород рассматривается в первую очередь как экологически чистый энергоноситель. Известно, что Российская Федерация является ведущим в мире экспортером различных энергоносителей. Поэтому и водород также во многом рассматривался с точки зрения его экспортного потенциала. Планировалось к 2024 г. экспортировать около 0,2 млн т водорода, а к 2035 г. до 2 млн т. У России есть уникальные возможности развития экспортных поставок как в Европу, так и в азиатские страны, при размещении производств водорода на Дальнем Востоке. Географические преимущества в теории позволят РФ занять значительную долю на  мировом водородном рынке. Но пока глобального водородного рынка еще не сложилось, что связано, прежде всего, с технологическими сложностями. Водород очень сложно и дорого перевозить. Поэтому традиционно крупное производство водорода всегда географически совмещено с его потреблением, например, в рамках одного промышленного предприятия. 

Водородная энергетика включает в себя большой спектр технологий. И вид технологической цепочки (производство – хранение и транспортировка – потребление водорода) во многом будет определяться типом потребителя, в первую очередь объемами потребления водорода и требованиями к степени чистоты водорода.

Еще долгое время, вероятно, крупнейшим потребителем водорода будет оставаться промышленность, прежде всего, химическая и нефтехимическая. Вообще крупнейшие потребители водорода сегодня в мире – это производства аммиака (из аммиака в частности производятся азотные удобрения, крайне востребованные в сельскохозяйственной отрасли). Нельзя не отметить, что сейчас очень много говорят о «зеленом» аммиаке, который получается за счет использования «зеленого» водорода, а получение большого количества такого водорода –  это уже задача, требующая развития водородных технологий.

Современным направлениям использования водорода является частный и коммерческий электротранспорт (к которому также относится водородный транспорт). Водородные топливные элементы, которые как раз вырабатывают электроэнергию для электродвигателя, можно применять на автотранспорте, железнодорожном транспорте, самолетах или дронах. Проблемы, связанные с безопасностью и хранением требуемого количества водорода для передвижения на большие расстояния в целом уже успешно решаются.

Еще одной перспективной областью для внедрения водородных технологий может стать тепловая энергетика. Производства водорода на ТЭС и АЭС в первую очередь может рассматриваться как способ временного хранения энергии для сглаживания пиков потребления. Это позволит как повысить эффективность использования основного оборудования, так и заместить часть ископаемого топлива, что сократит выбросы.

Однако водород сейчас – это один из самых дорогих энергоносителей, поскольку его производство любым способом само по себе требует больших затрат энергии. Кроме того, его хранение гораздо сложнее, а значит и дороже, чем у других энергоносителей. Самыми дешевыми способами производства водорода являются конверсия природного газа и газификация угля, самым дорогим – электролиз при использовании энергии ВИЭ. Если рассматривать существующий диапазон цен, то обычно говорят о себестоимости равной 1-10 долларам США за 1 кг водорода, понятно, что выходит гораздо дороже использования природного газа в качестве энергоносителя, даже при самой оптимистично низкой себестоимости водорода.  

К развитию водородных технологий привело, прежде всего, растущее «давление» климатической повестки и тренда на декарбонизацию. Страны, стремящиеся увеличивать потребление водорода, рассматривают либо экологически чистые способы его производства у себя, либо импорт. Если водород импортировать,  то выбросы соединений углерода,  получаемые в процессе его производства, будут осуществлены страной производителем, а потребитель будет обеспечен «чистым» топливом. Существует целая цветовая градация водорода. «Зеленый» производится электролизом на основе возобновляемых источников энергии, «голубой» из природного газа (с улавливанием соединении углерода), «бурый» из угля, существуют и другие «цвета», которые определяются способом производства водорода. 

Новые технологии обычно дороги в применении, где-то не хватает конкуренции и масштабного производства, где-то решения недостаточно оптимизированы. Технологические барьеры со временем снимаются, применение технологий становится дешевле. Да, сейчас водородные технологии – это дорого, но вероятно станет дешевле. Этот вопрос может решаться также с помощью государственного регулирования (налоговые льготы, например), при этом не исключено масштабное введение так называемого углеродного налога, который может сделать использование водорода более привлекательным.  

В составе МЭИ ведет работу Институт энергоэффективности и водородных технологий (ИЭВТ). Студенты обеспечиваются знаниями и компетенциями в том числе и в области водородной энергетики. В институте сейчас четыре кафедры. Прием студентов на первый курс составляет около 150 человек в год. В 2021 г. специалистами ИЭВТ издан базовый учебник по водородной энергетике, который охватывает все необходимые вопросы. Реализуются программы по профессиональной переподготовке в области водородных технологий для сотрудников организаций-партнеров, недавно программа профессиональной переподготовки «Водородная энергетика» прошла общественную аккредитацию. 

В 2023 г. у нас создано студенческое конструкторское бюро (СКБ) «Водородной энергетики». СКБ ведет свою деятельность в интересах организации-партнера АНО «Водородные технологические решения». Я считаю, что в формате СКБ реализуется одна из лучших из возможных траекторий подготовки высококвалифицированных специализированных кадров. Происходит это следующим образом. На конкурсной основе выбираются заинтересованные студенты, они трудоустраиваются в компанию-партнер и, работая в СКБ, проходят углубленное обучение по специальным вопросам (в данном случае конечно в области водородной энергетики и водородных технологий), решают актуальные задачи, формируемые организацией-партнером. Партнер естественно заинтересован в этих студентах после выпуска, поскольку они уже имеют опыт решения актуальных для него задач и знакомы с корпоративной культурой и внутренними процессами организации. Конечно, при этом студенты в полном объеме осваивают и основную образовательную программу. Работа СКБ помимо прочего позволяет выстроить эффективное взаимодействие университета с компанией и объединить усилия для решения актуальных вопросов отрасли. 

Кроме того МЭИ является участником государственной программы «Приоритет 2030», в число стратегических проектов университета, реализуемых в рамках программы, входит проект «Водородная энергетика». Его цель состоит в разработке востребованных наукоемких технических и технологических решений, которые могли бы быть внедрены нашими партнерами и обеспечили возможность формирования полных цепочек преобразования энергии от производства до потребления водорода в различных энергетических системах. Также внутри нашего вуза для формирования перспективных научно-технических заделов действует собственная программа научных исследований «Технологии будущего», в рамках этой программы есть и секция водородной энергетики. 

Сейчас научно-технические разработки МЭИ для водородной энергетики, реализуемые в рамках выше обозначенных программ, сосредоточены на нескольких конкретных направлениях. В области производства водорода методом электролиза ведется разработка решений по созданию мембран, диафрагм, технологий нанесения катализаторов, обеспечивающих пониженный расход благородных металлов, и прочих критически важных элементов электролизеров. Например, формируется задел в области технологии синтеза полимерных мембран для электролизеров PEM типа (proton exchange membrane – протонообменная мембрана) и PEM топливных элементов. Конечно все решения, которые я перечислил, уже присутствуют на рынке, но это все импортное, мы поставили перед собой задачу импортозамещения, обязательно нужно развивать свои технологии. Конечно, в рамках вуза на мы не можем создать полную технологическую линию, но мы нацелены на получение опытных образцов, которые могут быть интересны партнерам. 

Для решения проблемы транспортировки водорода ведется разработка основ технологии защиты трубопроводов от водородного «охрупчивания». Существующие трубопроводы для транспортировки чистого водорода использовать нельзя, только в небольших концентрациях – до 20% в смеси с природным газом, но при этом трубопроводы остаются самым дешевым и эффективным способом транспортировки энергоносителей на большие расстояния, без их использования не обойтись. 

Также прорабатываем варианты использования метано-водородных смесей в энергетике. Эти смеси могут применяться в качестве топлива для энергетических установок: котлов, газовых турбин. И как раз существующие газовые сети можно использовать для транспортировки смесей метана и водорода в небольших концентрациях, при этом при использовании такого топлива не требуются серьезные изменения в конструкции существующих энергоустановок, но некоторые узлы все же нужно перерабатывать и этими вопросами мы занимаемся. Естественно оцениваем перспективы и прорабатываем решения для создания крупных энергетических комплексов, совмещающих производство электроэнергии и водорода, с минимальными выбросами вредных веществ в атмосферу. 

Изучаются и вопросы повышения эффективности энергоемких промышленных процессов, например, получение водорода из природного газа при использовании вторичных энергетических ресурсов металлургических и нефтеперерабатывающих установок, использование водорода для повышения эффективности процесса восстановления железа при производстве стали. 

В перспективе, конечно, будут формироваться и новые научные группы, занимающиеся новыми направлениями. Использованием водорода именно в энергетических и энерготехнологических системах у нас в стране мало кто занимается, мы считаем, что могли бы занять в этой области лидирующие позиции.

Алексей Маленков,
кандидат технических наук,
доцент кафедры промышленных теплоэнергетических систем,
руководитель стратегического проекта МЭИ «Водородная энергетика».