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:
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.
Водород имеет высокую энергетическую плотность. При его сжигании образуется больше энергии, чем при использовании традиционного природного газа той же массы.
Водород универсален: он может использоваться как топливо в транспортной отрасли, металлургии, ЖКХ, как реагент и катализатор в химической промышленности и нефтепереработке.
Отрасль промышленности
Использование водорода
Преимущества метода
Недостатки метода
Транспорт (преимущественно автомобильный
Использование водородных топливных элементов взамен двигателя внутреннего сгорания
• Отсутствие выбросов парниковых газов и загрязняющих, в том числе токсических, веществ
• Емкость водородного топливного элемента в десять раз больше емкости литий-ионного аккумулятора электромобиля. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км
• КПД электромобилей на 10% выше, чем у водородных моделей, при этом также с отсутствием эмиссий в атмосферу
• Необходимость построения фактически с нуля сети водородных заправочных станций
• Дороговизна, повышенные требования к безопасности эксплуатации самих автомобилей и заправочных пунктов
Черная металлургия
Восстановление железа газообразным водородом из железной руды (альтернатива доменной плавки)
• Возможность замены кокса (фактически представляющего собой чистый углерод), при сжигании которого в доменной печи образуются выбросы углекислого газа • Возможность производства первичной стали, не уступающей по стандартам и качеству образцам из доменной печи
• Необходимость фактически полного технологического переоборудования на металлургических комбинатах
• Потребность в водороде возрастает в 15 раз, что приведет к удорожанию стали
Цементная промышленность
Нагревание карбонатной смеси, из которой производятся цементные смеси, водородом вместо ископаемого топлива
• Достижение необходимых высоких температур без осуществления выбросов
• Необходимость полного переоборудования цементных печей, дороговизна, отсутствие успешных апробаций в промышленных масштабах
Отопление зданий
Добавление («подмешивание») водорода к привычному природному газу, сжигаемому для отопления и горячего водоснабжения объектов недвижимости
• Возможность использовать имеющуюся газотранспортную и теплоэнергетическую инфраструктуру
• Добавление водорода к природному газу ограничено значением 20% от общего объема топливной смеси
• Дороговизна метода, распределение затрат на конечных потребителей тепла и горячей воды (население, в том числе социально незащищенные слои)
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:
Высокие затраты энергии. Производство водорода требует больших затрат энергии, что делает его дорогим источником энергии.
Сложности с инфраструктурой. В настоящее время в мире не существует развитой инфраструктуры для производства, транспортировки и использования водорода.
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 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.
Москва
