Возможен ли эффективный переход к водородной экономике?

Академик РАН С.Ю.Глазьев
Д.т.н. А.В.Долголаптев

Научный Совет РАН по комплексным проблемам Евразийской экономической интеграции, модернизации, конкурентоспособности и устойчивому развитию

Утвердительный ответ на заданный в названии статьи вопрос крайне необходим и для России, и для других стран ЕАЭС не только вследствие принятых международных обязательств по декарбонизации экономик, но и по ряду актуальных причин:

• — неизбежности водородного перехода уже в ближайший перспективе для сохранения конкурентоспособности в ряде значимых отраслей (металлургия, производство удобрений, нефтехимия) в силу попадания уже с 2026 года под «углеродное» налогообложение в ЕС (50 евро за 1 т углекислого газа);
• — критически (в отличие от «развитых» экономик) обременительных капитальных и эксплуатационных затрат при реализации водородного перехода;
• — возможности появления нового вида санкционного давления – «углеродного».

Следует отметить, что со времени закончившегося провально водородного ажиотажа в начале 21-го века несмотря на предпринятые значительные усилия не достигнуто существенных технологических и ценовых положительных изменений в традиционных технологиях производства, хранения, транспортировки и использования водорода. По этой причине оценки затрат на переход к массовому применению водорода в народном хозяйстве на основе современных водородных технологий по-прежнему не дают оснований для оптимистических прогнозов перспектив водородной экономики:

• — в чёрной металлургии РФ – инвестиции в 10 трлн. руб. + строительство 110 ГВт «зелёной» электрогенерации для производства «зелёного» электролизного водорода;
• — «водородизация» локомотивной тяги железных дорог – строительство мощностей «зелёной» электрогенерации в 3 раза больших объемах, чем необходимо для электрификации. Рост себестоимости перевозок на 10 – 15%;
• — 11 трлн. USD – объем инвестиций для «водородного» покрытия 1/4 мирового энергопроизводства. Остаются также непреодоленными ряд важных технологических и ценовых ограничений массового применения водорода:
• — высокая себестоимость экологически чистого производства водорода (требуется снижение в 3-4 раза – Департамент энергетики США);
• — высокая опасность и себестоимость хранения и транспортировки молекулярного водорода в сжиженном (температура: – 253 °C) и сжатом (давление: несколько сотен атмосфер) состоянии;
• — интенсивное разрушение молекулярным водородом традиционных конструкционных материалов;
• — неприемлемо высокая для современных теплогенераторов температура горения водорода и образование при этом окислов азота;
• — неприемлемо высокая стоимость, недостаточные временной ресурс и коэффициент полезного действия электрогенерирующих топливных элементов.

Потребность в преодолении упомянутых ограничений развития водородной экономики побудило ряд российских научных и инженерных школ начать поиск альтернативных традиционным технологических решений, два из которых, по мнению Научного Совета РАН, готовы к опытно-промышленной проверке:

• — Добыча природного водорода с себестоимостью не менее, чем в 5 раз ниже, чем промышленно произведённого;
• — Безопасные и малозатратные хранение и транспортировка водорода, химически связываемого в промышленно производимых ароматических углеводородах.

Применение этих двух технологий позволяет прогнозировать впервые в мировой практике безубыточность (в ряде отраслей – прибыльность) перехода и применения водорода в народном хозяйстве. При этом, также впервые, обеспечиваются высокая безопасность при хранении и транспортировке водорода.

I. ТЕХНОЛОГИЯ ПОИСКА И ДОБЫЧИ ПРИРОДНОГО ВОДОРОДА

Предсказанные в последней четверти 20-го века известным российским геологом В.Н.Лариным (на основе разработанной им теории водородной Земли) наличие, локализация (под литосферой – в центральной части Земли) и механизмы миграции природного водорода (ПВ, общей массой 3x10*19 тонн) эмпирически подтверждены:

• — измерениями в 56 регионах Земли потоков ПВ, исходящих из кольцевых структур на земной поверхности, оптически дешифрируемых на космических и аэро-изображениях (рис.1, 2);
• — полученными (случайно) фонтанными истечениями ПВ из геолого-разведочной скважины вблизи трубки «Удачная» (Якутия, РФ) и из пробуренной на воду скважины в Мали;
• — установлением корреляции между интенсивностью изменения содержания озона в верхних слоях атмосферы и ПВ-дегазационной активностью земной поверхности (локализация озоновых «дыр» над разломами земной коры),
• а также множеством других природных явлений, получивших объяснение только благодаря этой теории.

Рис.1. Космический снимок выходов природного водорода в северном Казахстане

Рис.2. Космический снимок выходов природного водорода в Воронежской области РФ

Развитые на основе теории В.Н.Ларина представления о миграции ПВчерез литосферу впервые в мировой практике позволили эффективно изыскивать выходы ПВ, а также определять местонахождение и параметры буровых скважин для добычи ПВ (российские ноу-хау).

На территории стран постсоветского пространства обнаружено большое число провинций с интенсивным истечением ПВ (например, на территориях расположения крупных металлургических производств в северном и центральном Казахстане, Центрально-черноземном районе РФ) Себестоимость ПВ при его скважиной добыче будет в определяющей степени складываться из затрат на геофизическую разведку и бурение (адаптированными технологиями добычи природного газа) и прогнозируется не более, чем 0,3USD за кг – не менее, чем в 5 раз дешевле самого дешёвого «серого» водорода, производимого из природного газа.

Наиболее эффективной представляется первоочередная организация скважиной добычи ПВ для использования на предприятиях чёрной металлургии, поскольку при переходе от углеродного (коксового) к ПВ – водородному восстановлению и энергообеспечению прогнозируется снижение расходов на сырье/энергоносители до 12 000 руб. на тонну стали, а также в перспективе уход от углеродного налога при экспорте в ЕС (100 евро на т стали).

Следует отметить особо, что обнаружения ПВ по российским методикам на территории Австралии привели впервые в мире в 2021-м году к решению властей о признании ПВ полезным ископаемым и выдаче лицензий на поисковые работы на ПВ. Например, в штате Южная Австралия к февралю 2022 г. выдано 18 лицензий (на суммарной площади – 570 000 кв. км).

Реализация скважинной добычи природного водорода позволит считать водород не только энергонакопителем, как общепринято считать сегодня, но энергоносителем.

II. ТЕХНОЛОГИИ ХИМИЧЕСКОГО ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ВОДОРОДА (ХХВ)

Технологический процесс ХХВ включает следующие основные операции (рис. 3):

• 1 – аккумуляция водорода (каталитическое гидрирование) в молекулах носителя (производство гидрированного носителя – ГН) в стационарных, технически неэкстремальных условиях (200оC /20 атмосфер) с выделением тепла;
• 2 – хранение / транспортировка жидкого ГН (с температурой и давлением окружающей среды) с помощью существующих средств хранения, транспортировки, перевалки и заправки жидким (моторным) углеводородным топливом;3 – извлечение водорода из ГН (300оC / давление окружающей среды / потребление тепла). Выходной продукт, кроме водорода, – дегидрированный носитель (ДГН);
• 4 – транспортировка ДГН (аналогично операции 2) для гидрирования (операция 1).

Рис.3. Технологическая схема ХХВ

При применении ХХВ на транспортных средствах или в автономных системах энергогенерации необходимо использование части (23 %) получаемого водорода на поддержание эндотермической реакции извлечения водорода (операция 3).

Высокая безопасность применения ХХВ определяется тем, что носитель водорода при хранении и транспортировке:

• — имеет температуру и давление окружающей среды – в отличие от хранения жидкого (-253 °C) и сжатого (сотни атмосфер) водорода;
• — не содержит водород в свободном виде, что исключает его агрессивно-разрушающее воздействие на конструкционные материалы оборудования ХХВ.

Кроме того, носитель водорода имеет значительно более высокую температуру вспышки по сравнению с моторным топливом, что значительно снижает пожароопасность применения ХХВ.

Наиболее перспективно применение ХХВ на любом виде крупногабаритного экологически чистого транспорта, при этом обеспечивается:

• — возможность компоновки в габаритах техники с ДВС (сжатый водород требует в 3 раза больший объем);
• — в 10 раз меньшая стоимость оборудования, чем для сжатого водорода; – безубыточность перевозок в сравнении с транспортом на ДВС (15% – убыточность при сжатом водороде);
• — самая высокая безопасность.

Себестоимость железнодорожной перевозки водорода по ХХВ – технологии прогнозируется ниже в 2,5 раза по сравнению с сжиженным, и в 1,5 – со сжатым водородом, а складского хранения, соответственно, в 25 и 30 раз.

Столь высокие экономические показатели технологии ХХВ являются следствием мирового уровня разработок каталитических систем (Институт органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН), позволивших:

• — снизить содержание благородных металлов в катализаторах в 30 раз;
• — снизить расход ароматических углеводородов путём их многократного использования в циклах «гидрирование – дегидрирование», ставшего возможным вследствие достижения высоких показателей качества химических реакций.

Создание систем ХХВ позволит производителям ЕАЭС занять лидирующие позиции в разработке высокобезопасной экологичной транспортной и строительной техники, впервые экономически конкурентной с традиционной:

• — локомотивов всех размерностей (производители – Синара; Трансмашхолдинг);
• — карьерных самосвалов и тяжелых тягачей (БЕЛАЗ; Минский ЗКТ; КАМАЗ);
• — грузовых, коммунальных автомобилей, самосвалов и пассажирских автобусов большой и средней размерности (КАМАЗ, ГАЗ, МАЗ).

Представляется наиболее перспективным создание систем обеспечения ХХВ-техники носителем водорода, производимым при использовании природного водорода, добытого в районах расположения:

• — рудо – и угле – добывающих разрезов;
• — железных дорог с водородной локомотивной тягой (пилотный проект – Сахалинская ж. д.);
• — автономных центров энергопроизводства (Арктика, Сибирь, Якутия, Казахстан).

В этих случаях помимо прогнозируемых безуглеродности и рентабельности могут быть также решены острые проблемы загазованности горнодобывающих разрезов или завоза энергоносителей в удалённые регионы.

По мнению Научного Совета, скорейшее организация опытно – промышленной проверки предлагаемых технологий позволит странам ЕАЭСзанять лидирующие позиции в общемировом процессе декарбонизации экономик.

Информация последних дней: завершено согласование предложения Научно-технического совета Федерального агентства по недропользованию РФ о включении природного водорода в Перечень полезных ископаемых.

Авторы благодарят за возможность использования материалов, предоставленных: Н.В.Лариным; Центральным научно-исследовательским институтом чёрной металлургии им. Бардина; Институтом народнохозяйственного прогнозирования РАН.