16/03/2021

H2 cерый и зеленый

Производство водорода в мире превышает 85 млн тонн. Наиболее распространенным методом получения водорода является паровой риформинг метана, который, в свою очередь, извлекается из природного газа или получается процессом Фишера-Тропша из угля. На природный газ приходится ¾ мирового производства водорода, на газификацию угля — около ¼ мирового объема.

Паровой риформинг — самый дешевый способ получения водорода, однако он связан со значительной эмиссией CO2. На каждый килограмм водорода выделяется десять килограммов углекислого газа, в пересчете на весь мировой объем — более чем 830 млн тонн СО2 в год. Источником углеродных выбросов является как сам процесс, так и получение энергии для него с использованием ископаемого сырья.

Источник энергии

Водород — наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе. Теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода. Водород используется как средство аккумулирования, транспортировки, производства и потребления энергии. Недостатками водорода как энергоносителя являются высокая стоимость выработки и транспортировки. Так, по оценке Международного агентства по возобновляемой энергии (IRENA), в 2019 году стоимость 1 кг водорода на базе ветряной генерации достигла 4 $, на базе солнечной — почти 7 $, в то время как по классической схеме производство водорода из угля или газа обходится в 1,5–2,5 $.

Желтый, голубой, серый, зеленый

В 2008 году с целью стимулирования развития водородной энергетики в Евросоюзе была создана государственночастная организация «Объединенная технологическая инициатива по топливным элементам и водороду» (Fuel cells and hydrogen joint undertaking), предложившая три вида водорода в зависимости от способа снижения углеродного следа при его производстве:

• «голубой» — методом риформинга, но с улавливанием исходящего CO2,

• «серый» — по распространенной технологии риформинга, самый неэкологичный,

• «зеленый» — получаемый гидролизом воды с использованием «чистой» энергии ВИЭ.

Кроме того, различными экспертами и игроками рынка используется обозначение «желтый» для водорода, произведенного с использованием атомной энергии.

К производству «зеленого» водорода предъявляются два условия:

• процесс должен обеспечивать нулевую эмиссию CO2,

• при производстве должны использоваться только возобновляемые источники энергии (ВИЭ).

Союз машиностроителей Германии (VDMA), Немецкая ассоциация водородных и топливных элементов (DWV) и Немецкая ассоциация по газу и воде (DVGW) весной 2020 года обратились в Министерство экономики и Министерство окружающей среды Германии с призывом включить в новую энергетическую стратегию «голубой» водород, полученный из природного газа в сочетании с полным улавливанием и хранением или переработкой углерода.

Со своей стороны, Министерство окружающей среды настроено включить в стратегию только «зеленый» водород. Выступая на конференции по водороду, организованной в 2020году Wirtschaftsforum SPD, министр окружающей среды Свенья Шульце заявила: «Я не буду настаивать на запрете импорта “голубого” водорода», но добавила, что единственный вариант в будущем — это производство и применение именно «зеленого» водорода.

Новая климатическая конвенция «Зеленая сделка» (European green deal), стартовавшая в 2020 году, переняла принятую классификацию чистых видов водорода и поставила целью отказ от всех способов получения водорода, приводящих к попаданию свободного CO2 в атмосферу.

Между тем, индустриальные решения, призванные снизить себестоимость водорода, повысив его безопасность и экологичность, разрабатываются при поддержке правительств развитых стран не первый десяток лет.

Водородная отрасль подошла к моменту принятия новой директивы с ненулевым багажом. И первыми на пути к «зеленому» водороду оказались крупнейшие мировые производители «серого» водорода — Air Liquide, Linde AG, Praxair. Еще пять лет назад, когда странами мира ратифицировалось Парижское соглашение, преодоление разрыва в себестоимости килограмма безэмиссионного «зеленого» и грязного «серого» водорода ожидалось к 2030 году.

Однако уже в 2020 году было объявлено о появлении решений, обеспечивающих сопоставимые издержки при производстве старым и новым методом — риформингом и на базе ВИЭ.

Электролиз

К 2019 году только 0,1 % (~100 тыс. тонн) от годовой выработки водорода в мире было получено электролизом. Этот метод требует затрат энергии в три раза больше, чем паровой риформинг метана. Если бы для производства можно было использовать дешевую или лишнюю электроэнергию, это оправдало бы энергозатраты процесса. И такое решение нашлось.

По мере развития ВИЭ на первый план вышла проблема хранения избытков энергии и создания систем хранения, выравнивания нагрузки, обусловленной как сезонными, так и суточными изменениями. Направление избытков энергии на нужды электролиза с получением водорода является идеальным методом выравнивания нагрузок на энергоустановках любого типа. Схема позволяет депонировать избыточные объемы электричества, получаемые солнечными или ветровыми установками, и решить проблему пиковых загрузок.

Фактически, воду и электричество преобразуют в водород, чтобы затем снова преобразовать в электричество. На рынке появляется все больше серийных решений. Крупнейшая установка по производству «зеленого» водорода Siemens Silyzer 300 от Siemens AG и производителя топливных водородных элементов Fch Ju находится сейчас на площадке металлургического холдинга Voestalpine в Линце (Австрия). Процесс получил название H2Future. Мощность установки — 6 Мвт, или 1200м3 «зеленого» водорода. Технологию планируется внедрить на 500 предприятиях холдинга по всему миру, что позволит сократить выбросы CO2 металлургического производства примерно на треть в период с 2030 по 2035 год и более чем на 80% к 2050 году. Siemens планирует поставлять технологию на предприятия сталелитейной промышленности, в нефтепереработку, производство удобрений, метанола, аммиака, другие химические производства, на транспорт, в частности для грузовых и железнодорожных перевозок — везде, где востребованы значительные объемы водорода.

Кроме того, электролизеры будут использоваться для стабилизации нагрузки в электросетях. В 2020 году в Германии на 14 электролизерах было добыто в пересчете на производимую энергию 14 ГВт водорода, в планах на 2030 год — производство 44 ГВт «зеленого» водорода на территории Германии и импорт из стран за пределами Евросоюза еще не менее 40 ГВт чистого водорода.

По планам Еврокомиссии, к 2030 году на территории ЕС будет производиться около 10 млн тонн (или примерно 92,6 ГВт) чистого водорода, в первую очередь методом электролиза. Пиролиз метана В 2020 году американский стартап Monolith Materials запустил завод техуглерода и водорода в Халламе (Небраска, США), плановой мощностью 194 тыс. т по техуглероду и 64 тыс. т по водороду в год, с использованием только возобновляемой энергии, объемом 800 МВт в год. Это первое в мире производство техуглерода и водорода, использующее плазменный процесс.

В основе производства — новая запатентованная технология пиролиза метана: природный газ разлагается на углерод и водород под действием высоких температур без участия кислорода. Технология позволяет получать три тонны техуглерода на каждую тонну водорода (о старой и новой технологической схеме производства читайте в № 10/2020 «Химического журнала»).

На втором этапе Monolith инвестирует около 1 млрд $ в строительство углерод-нейтрального аммиака мощностью 275 тыс. т в год, начало строительства — 2021 год, запуск намечен на 2024 год. Для получения аммиака будет применяться процесс Габера-Боша, при котором азот соединяется с водородом. Процесс имеет нулевую эмиссию CO2, позволяет снизить выбросы парниковых газов на 97 %, или на 1 млн т в год.

Улавливание CO2

Альтернативным подходом является строительство установок по улавливанию и хранению углекислого газа. Установки улавливания присоединяются к существующим или строящимся печам пиролиза метана. Если электролиз повышает энергозатраты при получении водорода в три раза, то схема улавливания CO2 приводит к росту капитальных затрат на 80 % и увеличению стоимости получаемого водорода в полтора раза.

В мире реализуется три проекта описанного типа в Порт-Артуре (США), Квесте (Канада) и Томакомаи (Япония). Немецкая Audi и швейцарская Climeworks представили свою технологию улавливания и утилизации СО2 с использованием геотермальной станции в Исландии. Особый адсорбент установки Climeworks связывает углекислый газ, содержащийся в атмосфере. Когда адсорбент насыщается, его нагревают до 100°С за счет отработанного тепла соседней геотермальной установки Хедлисхейди. Далее вода геотермальной электростанции вымывает CO2 из адсорбента и переносит его на глубину 2000 м в горные базальтовые породы, где углекислота в результате реакции с базальтовой основой образует твердые минералы, превращаясь в камень. Вода, освободившись от CO2, возвращается в тепловой цикл электростанции.

Установка в Исландии сможет удалять из атмосферы около 4 тыс. т углекислого газа в год. Neptune Energy, ведущая разведку нефти и газа, совместно с эмитентами выбросов CO2 готовит ТЭО морского проекта по улавливанию и хранению углерода (CCS) в голландском Северном море. Проект позволит безопасно хранить 120–150 млн т CO2, станет одним из крупнейших объектов CCS и сможет обеспечить более 50% сокращения выбросов CO2 голландской промышленности. Neptune на протяжении 14 лет реализовывала аналогичный проект на платформе K12–B голландского шельфа, закачивая CO2 в освобожденные от газа пустоты. Улавливание СО2 с закачкой в подземные горизонты решает одновременно две задачи — снижение эмиссии и сохранение орографии, рельефа территорий: как было сказано выше, смещение пластов в результате разработки угрожает проседанию 22 % суши на планете.

Переработка CO2

Крупными химическими производствами, использующими водород не в качестве энергоносителя, а как самостоятельное сырье, являются производство аммиака (NH4) и метанола (CH3OH). В случае принятия условий «Зеленой сделки» можно прогнозировать появление соответствующих производств около больших хабов ВИЭ. Заметный проект реализуется на полуострове Роденхьюз в порту Северного моря в Бельгии.

Вблизи офшорного парка ветроустановок, который продолжает строиться, к 2024 году будет пущен электролизер мощностью 65 МВт и плановой мощностью до 600 МВт к 2030 году, а получаемые значительные объемы водорода будут переработаны в аммиак и метанол. Для синтеза аммиака будет применяться процесс Габера-Боша. Помимо H2 вторым сырьевым компонентом станет CO2, собранный на расположенных неподалеку высокоэмиссионных производствах: ArcelorMittal, Alco Bio Fuel и Nippon Gases. Данная схема позволит трем названным производителям обойтись инвестициями в улавливание отходящего CO2, без замены базовых процессов.

Водород из синтез-газа

В Австралии готовится к пуску установка японской Kawasaki по извлечению водорода из синтез-газа, перед этим полученного процессом Фишера-Тропша из бурого угля. CO2 процесса будет улавливаться и закачиваться в пласт. Невысокая цена австралийского угля и простота его добычи позволяет сделать данный проект рентабельным. А кроме того, решается задача по сохранению стабильности подземных горизонтов и предотвращению затопления территорий, на которых ведется добыча угля шахтным способом. Произведенный в Австралии водород на специальных танкерах будут доставлять в Японию.

Танкеры

Проект танкера для перевозки до 2 тыс. т (23 млн м3 ) сжатого водорода, с защитным корпусом, выдерживающим давление 250 бар, и силовой установкой на водородных топливных элементах запатентован Global Energy Ventures (Австралия). Серийное производство танкеров начнется после одобрения детального проекта судна Американским бюро судоходства (ABS). Решение ABS ожидается в начале 2021 года.

Трубопроводы

Европейские сервисные компании планируют начать прокачку водородно-газовой смеси по трубопроводам, что потребует укладки труб из полиэтилена, т.к. прокачка водорода по стальным трубам невозможна. Интенсивно ведется планирование и согласование новыхтрубопроводных сетей. «Национальная водородная стратегия» Германии (tcj.ru/ h2-ge.pdf) запланировала перевод части германской газопроводной системы на транспортировку «зеленого» водорода.

Домашние электролизеры

В ЕС реализуется программа обеспечения компактными электролизерами домохозяйств, что позволит производить в домашних условиях более 250 кг водорода ежедневно, используя воду и электричество. Стоимость 1 кВт/ч электроэнергии на домашних установках от H2Energy Renaissance прогнозируется на уровне 3–10 евроцентов (без учета стоимости энергоустановки, приобретение которой, видимо, будет субсидироваться). Для сравнения, сейчас в Германии 1 кВт/ч обходится в 30 евроцентов, в Финляндии — в 15 евроцентов.

Водородные поезда

Первый в мире поезд на водородных топливных элементах Coradia iLint производства французской Alstom начал регулярно возить пассажиров между городами Бремерферде, Куксхафен, Бремерхафен и Букстехуде в федеральной земле Нижняя Саксония на северо-западе ФРГ в сентябре 2018 года. Федеральные земли Германии подписали несколько контрактов на поставку французских машин от Alstom, что позволит немедленно приступить к «зеленой» конверсии пассажирских и грузовых жд-перевозок, но германское правительство не намерено целиком отдавать данное направление дружественной стране ЕС. Отстав от французской Alstom на два года, немецкая Siemens приступила к разработке своих водородных поездов. В ноябре 2020 года Siemens и государственная Deutsche Bahn объявили о совместной программе перевода германских железных дорог на водородную тягу с применением отечественных немецких технологий. Серийное производство локомотивов Siemens на водороде начнется в 2024 году.

Смесь водорода с метаном

Создание инфраструктуры потребует серьезных инвестиций и времени. А пока в ряде европейских стран набирает обороты метод использования водорода в смеси с метаном, что снижает выбросы парниковых газов на 8–15 % по сравнению с использованием чистого метана, а также повышает КПД энергоустановок и двигателей внутреннего сгорания.

Некоторые виды современных промышленных газовых турбин способны сжигать топливную смесь, содержащую 50–60 % водорода. По данным «Коммерсанта», метаново-водородную смесь (50/50) планирует использовать «Новатэк» на своем ямальском заводе «Арктик СПГ-2», при эксплуатации газовых турбин моделей 7EA и LM9000 от американской Baker Hughes.

Мировые перспективы

По оценке Bloomberg, к 2050 году водород покроет 24% потребностей в энергии в мире, его стоимость составит от 0,8 $ за кг до 1,6 $ за кг в большинстве районов мира, стоимость хранения снизится до 2 $ за кг в 2030 г. и до 1 $ за кг в 2050 году. Переход на выпуск «зеленого» водорода с одновременным созданием инфраструктуры позволит сократить 34% глобальных выбросов парниковых газов.

Согласно принятой стратегии, в рамках идеологии «Зеленой сделки» должны будут перестроиться, а по сути — закрыться — все существующие установки парового риформинга метана. Подобная трансформация ожидает имеющиеся в Европе установки, а при определенной жесткости подходов — и установки в сопредельных странах, на которые Европа в силах распространить свои требования, введя соответствующие тарифные и другие ограничения.

Сертификация

В Евросоюзе становится обязательным использование сертификата происхождения для свободной торговли водородом (проект CertifHy, www certifhy.eu). Разработка проекта завершилась в 2019 году, а в декабре 2020 года началась третья, заключительная стадия запуска свободной торговли водородом. Гарантия происхождения — электронный сертификат, который подтверждает происхождение водорода и содержит информацию о некоторых других характеристиках, таких как состав и объем эмиссии, место производства.

К концу 2020 года выданы более 76 тыс. гарантий происхождения, из которых более 3,6 тыс. уже использованы. Реестр сертификатов чистого водорода ведет энергетическая биржа EEX через дочернюю компанию Grexel Systems Oy, расположенную в Хельсинки. Grexel — ведущий регистратор энергетических сертификатов в Европе с годовым объемом транзакций более 1 млрд МВт/ч. Система сертификации соответствует Европейской директиве о ВИЭ (RED II), стандарту CEN–EN 16325, который находится в процессе обновления, а также общим требованиям AIB к

Гарантиям происхождения и другим энергетическим сертификатам. Система CertifHy охватывает Европейский Союз, Европейскую экономическую зону и Швейцарию. Выпуск сертификатов для объектов за пределами этого географического региона пока невозможен. Система сертификации была разработана шестью участниками: Hinicio, EEX Grexel, Ludwig–Bölkow– Systemtechnik (LBST), Tüv Süd, Ассоциацией эмиссионных органов (AIB) и французским Комиссариатом по атомной и альтернативным видам энергии (CEA).

Экспортные горизонты

«Росатом», обладающий избыточными объемами энергии, которую можно трансформировать в «желтый» водород с помощью электролиза, выступил с инициативой создать в нашей стране к 2024 году новую экспортоориентированную отрасль. Инициатива была поддержана Минэнерго, и в июне 2020 года увидела свет «Энергостратегия России до 2035 года», в которой определены ключевые индикаторы развития водородной энергетики: до 2024 года экспортировать из России 0,2 млн т, к 2035 году — 2 млн т водорода. В октябре 2020 года распоряжением правительства № 2634-р была принята «Дорожная карта по развитию водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года», «направленная на увеличение производства и расширение сферы применения водорода в качестве экологически чистого энергоносителя, а также вхождение страны в число мировых лидеров по его производству и экспорту».

Докладчиком на заседании правительства выступил Владимир Литвиненко, ректор «Санкт-Петербургского горного университета», известный своей дружбой с президентом РФ. «В результате электрохимической реакции, которая происходит при эксплуатации H2 вместо дизеля или природного газа, никаких выбросов вредных веществ в окружающую среду действительно не происходит. Но во время его производства из метана образуется оксид углерода, а затем и сам СО2. Процесс электролиза, в свою очередь, требует большого объема электричества, далеко не всегда полученного без эмиссии парниковых газов. Поэтому говорить об экологических преимуществах водорода сегодня не вполне уместно», — считает Владимир Литвиненко.

Таким образом, ректор Горного университета считает, что при производстве «чистого» водорода используются «грязные» углеводороды. По всей видимости, он не знаком с последними европейскими и американскими проектами, а также документами, предполагающими использование при производстве чистого водорода только возобновляемых источников, либо он оправданно не считает возможным применение этих технологий в России.

Разработка новейших безэмиссионных технологий и использование ВИЭ для производства водорода озвучены российской «Дорожной картой» и «Энергостратегией», но даже специалистам «Росатома», инициировавшего работу, ясно, что создать промышленные решения в области гидролиза и транспортировки, особенно с применением энергии ВИЭ, в период до 2024 года в России невозможно. Цель таким образом и не ставится.

Товарные объемы водорода возможно получить в России к 2024 году только используя имеющуюся технологическую схему — с метаном в качестве сырья и на базе традиционных энергоносителей — газа, нефти, угля. Как раз об этом говорит дорожная карта: «Российская Федерация обладает достаточной ресурсной базой для развития водородной энергетики, а именно… природным газом, нефтью, углем». Среди направлений работ указано увеличение масштабов производства водорода из природного газа. Очевидно, что такой подход противоречит самой сути и идеологии «Зеленой сделки».

Европа планирует и производить, и импортировать чистый водород, сырьем и энергоносителем для которого не могут являться углеводородные источники. Какой смысл снижать выбросы CO2 в Людвигсхафене за счет увеличения CO2 в Нижнекамске, если речь идет об атмосфере Земли?

Такова логика «Зеленой сделки». Так или иначе, примерно с пятнадцатилетним опозданием государственная программа развития отрасли принята, и работа начнется с ревизии имеющихся отечественных наработок. Создать реестр технологий в области водородной энергетики поручено профильным ФОИВам и «Санкт-Петербургскому горному университету», ректор которого Владимир Литвиненко относится к водороду скептически, независимо от географии реализации проекта. «Использовать водород в обычной генерации — это утопия», — заявил он в декабре 2020 года на пленарном заседании форума «Газ России-2020».

Такой же утопией Алексей Миллер, глава «Газпрома», несколько лет назад называл сланцевую добычу в США и в мире. Как известно, сланцевую революцию в России прозевали. Грядущий отказ от ископаемого топлива, так же как ранее сланцевая экспансия, не рассматривается российской властью в качестве возможной перспективы. Идея эта воспринимается крайне болезненно и отвергается почти религиозно, т.к. ставит крест на ресурсной модели, которую СССР, а затем Российская Федерация строили десятки лет.

Пионеры экспорта

Первым на мировой рынок чистого водорода из российских производителей планирует выйти «Новатэк». В сентябре 2020 года компания сообщила о намерении производить «голубой» и «зеленый» водород, с планами возведения ветропарков в регионах присутствия компании — на Ямале, Гыдане, в Мурманской области, на Камчатке. Пилотная водородная установка появится на «Ямале СПГ», а наиболее выгодное расположение для организации экспорта — у завода СПГ на Балтике.

Коррективы

Произведя корректировку подходов и отказавшись от наращивания риформинга, наладить выпуск водорода, чистого в терминологии «Зеленой сделки», в России возможно в достаточно больших объемах. Согласно данным EnergyNet, при использовании имеющихся незагруженных электроэнергетических мощностей, в том числе АЭС и ГЭС, Россия может производить дополнительно до 3,5 млн т водорода в год (tcj.ru/h2-chausov).

Для организации экспорта помимо источников энергии понадобятся промышленные установки гидролиза, системы хранения и транспортировки — более эффективные, чем те, которыми располагает Россия. Недостающее «железо», вероятно, можно будет приобрести или арендовать у западных вендоров. Надо отметить, что «Энергостратегия» и «Дорожная карта» 2020 года предполагают среди прочего не покупку, а локализацию зарубежных технологий — для этого необходимо, чтобы зарубежные поставщики согласились построить свои производства на нашей территории. По состоянию на 2020 год рынок энергетического водорода в России отсутствует. РФ производит около 5 млн тонн «серого» водорода, главным образом в местах потребления — на металлургических, химических заводах и НПЗ.

Подробные материалы и дополнительные данные в «Химическом журнале».

Версия для распечатки

---

Другие новости этого раздела: