Водород: климатическая надежда энергетики или навязанная мода?

Примерное время чтения: 10 мин.

Наблюдаемые процессы климатических изменений на планете Земля заставляют экономики мира искать новые модели производства и перестраивать привычные модели потребления во избежание превышения потепления климата на критичные 1,5-2 С относительно доиндустриальных уровней.

Такая цель по удержанию глобальной температуры была определена перед принятием в 2015 году членами Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК ООН) Парижского соглашения по изменению климата. Превышение температурной границы потепления в 1,5-2°C по отношению к климатическим характеристикам периода 1850-1900 годов влечет за собой необратимые последствия для естественных экосистем и регионов экономической деятельности. Ограничение глобального потепления позволит снизить риски для здоровья человека, сельского хозяйства, инфраструктуры, а также обеспечить устойчивое развитие в условиях меняющегося климата.

Этот сценарий предполагает достижение состояния «чистого нуля» уже в этом столетии. «Чистый ноль» или «нулевые выбросы парниковых газов» — понятие, которое означает, что антропогенные выбросы парниковых газов полностью нивелируются их поглощением с помощью природных решений (климатические лесные и сельскохозяйственные проекты, поглощение водными объектами и почвами) или технологических решений улавливания и хранения углекислого газа — основного парникового вещества в атмосфере. Важно помнить, что состояние «чистого нуля» относится, прежде всего, к выбросам парниковых газов, вызванных деятельностью человека. Естественный углеродный цикл, включающий «дыхание» почв, извержение вулканов, разрушение карбонатных пород, не входит в баланс «нулевых выбросов».

Задача сокращения выбросов парниковых газов прежде всего актуальна для энергетического сектора, ответственного за более чем 70% всех глобальных выбросов. Наряду с повышением энергоэффективности, развитием возобновляемых источников энергии (ВИЭ), развитием технологий хранения и накопления энергии в последние годы особенно активно упоминается идея развития водородной энергетики, т.е. использования водорода в качестве альтернативы ископаемому топливу.

Появление идеи водородной экономики связано с особенными свойствами водорода, выгодно отличающими его от иных источников энергии:

1. Вещество представляет собой молекулу, состоящую из двух атомов водорода (Н₂). В молекуле отсутствуют атомы углерода (С), азота (N), которые при окислении могли бы реагировать с образованием парниковых газов. То есть водород — климатически чистый источник энергии, так как при его сжигании образуется только вода.
2. Водород имеет высокую энергетическую плотность. При его сжигании образуется больше энергии, чем при использовании традиционного природного газа той же массы.
3. Водород универсален: он может использоваться как топливо в транспортной отрасли, металлургии, ЖКХ, как реагент и катализатор в химической промышленности и нефтепереработке.

Тем не менее, наибольшая доля спроса на водород сейчас приходится не на энергетический сектор, интерес к веществу проявляет нефтехимия и нефтепереработка, где водород используется для удаления примесей.

Помимо наиболее изученных практик, представленных в таблице, водород может служить топливом для судов, железнодорожной и авиационной техники. Однако доступные решения для экономически обоснованного внедрения таких технологий сейчас находятся на стадии испытаний.

Почему при бесспорных преимуществах и климатической «чистоте» водорода его доля в энергобалансе составляет менее 0,3%? Дело в технологической сложности производства чистого водорода: это энергоноситель, который, в отличие от ископаемого топлива или возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, вода), не присутствует в природе в готовом к получению из него тепла или электроэнергии состоянии (т.е. в форме однородного вещества). Следовательно, чтобы преобразовать водород в энергию, сам водород необходимо изначально получить.

Производство водорода — сложный и многоэтапный процесс, который может осуществляться различными способами. Сложности производства водорода включают:

1. Высокие затраты энергии. Производство водорода требует больших затрат энергии, что делает его дорогим источником энергии.
2. Сложности с инфраструктурой. В настоящее время в мире не существует развитой инфраструктуры для производства, транспортировки и использования водорода.
3. Экологические последствия (климатическая «нечистота»). Производство водорода может сопровождаться выбросами углекислого газа и других загрязняющих веществ.

Производство водорода принято рассматривать по цветовой классификации, для удобства ориентирования в способах генерации водорода и их понимании более широкому кругу людей: зеленый, голубой, серый, черный/коричневый, бирюзовый, фиолетовый/желтый/розовый.

Абсолютное большинство (98%) водорода сейчас в мире производится с использованием ископаемого топлива, что совсем не делает водородное сырье продуктом, способным содействовать решению проблем изменения климата. Тем не менее, потенциал к расширению использования низкоуглеродного (зеленого и голубого) водорода в климатических целях, по оценкам Министерства энергетики РФ, будет возрастать с увеличением генерации электроэнергии с помощью возобновляемых источников энергии, а также при условии развития производства доступных и эффективных электролизеров.

В России действует план по развитию водородной энергетики, который описан в актуализированной Энергетической стратегии Российской Федерации до 2035 года.

В 2023 году Правительство РФ также утвердило «дорожную карту» по развитию этой отрасли до 2030 года. Цель этих документов — расширить применение водорода в качестве экологически чистого энергоносителя, увеличить его производство и помочь России стать одним из мировых лидеров по производству и экспорту водорода.