Предполагается, что водород наряду с возобновляемыми источниками энергии вытеснит «традиционные» углеводородные энергоносители. Водород активно позиционируют в качестве экологически безопасного «углеродно-нейтрального» источника энергии, а планируемый рост его производства и использования — как движение по пути декар-бонизации мировой экономики и снижения потребления ресурсов. Под декарбонизацией понимается прекращение выбросов углерода и его соединений, прежде всего углекислого газа CO2, антропогенную эмиссию которого рассматривают в качестве одной из ключевых причин глобального потепления. Но с возможностью перевода энергетики на водород не так всё просто.
Лёгкий, горючийи очень теплотворный
Наверное, каждому из школьного курса химии известно, что водород — первый химический элемент таблицы Менделеева. Есть ряд изотопов водорода, но основной из них — протий (1H), на который приходится примерно 99,99% атомов водорода на Земле и во Вселенной. Ядро протия состоит всего из одного протона. Как следствие, это самый лёгкий химический элемент. Для сравнения, при нормальном атмосферном давлении 1 м3 воздуха имеет массу около 1,2 кг, 1 м3 природного газа (метана CH4) — 700 г, а 1 м3 газообразного водорода (химическая формула H2) — всего 90 г. То есть водород почти в 8 раз легче природного газа и в 13 раз легче воздуха.
Водород бесцветен, не имеет запаха, при этом он химически активен, горюч и взрывоопасен. Но его горение действительно не даёт выбросов загрязнителей атмосферы. Реакция горения водорода идёт с образованием воды, с выделением большого количества энергии E (тепла): 2 H2 + O2 =>2H2O + E. То есть это тепло — экологически чистая энергия.
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной, на него приходится почти 89% общего числа её атомов и около 75% её массы, поскольку этот газ — основное вещество звёзд и топливо для их «работы». Отметим, что остальные 11% атомов Вселенной приходятся на гелий — собственно, продукт «горения» звёзд, и только 0,1% — на все остальные химические элементы.
Однако в обитаемом и доступном нам мире водорода на порядки меньше. Например, в земной коре его содержание оценивается всего в 1% по массе и около 17% — по общему количеству атомов. В земной атмосфере водород также выглядит исчезающе малой величиной — 5•10-5% (0,00005%) общего объёма атмосферы и 3,5•10-6% (0,0000035%) её массы. При этом свободного водорода на Земле мы почти не видим. Слишком лёгкий элемент в атмосфере плохо удерживается земным притяжением, но охотно вступает в химические реакции, образуя разные соединения, в которых он в основном и присутствует в географической оболочке.
Самое распространённое соединение водорода — вода, а самый большой на Земле резервуар этого газа — Мировой океан, на который приходится 96% воды на планете. Объём и масса вод Мирового океана — огромные величины: более 1,3 млрд км3 и, соответственно, 1,3•1018 т. На водород в массе воды приходится 11%, то есть, в океанической воде его содержится примерно 1,4•1017 т, и ещё приблизительно 5,6•1015 т — в остальных водах Земли. Это в совокупности очень немного относительно массы земной коры, составляющей 2,8•1019 т, — примерно полпроцента.
Оценим это количество водорода в энергетических единицах, сопоставляя с потребностями человечества. Теплотворная способность данного газа — 3,6 кВт•ч/м3, или 40 кВт•ч/кг и 40 МВт•ч/т. Это примерно в три раза выше, чем у природного газа. Иными словами, только в пресных водах Земли (это всего 4% от всей земной воды) содержится 2,24•1017 МВт•ч, или 2,24•1011 ТВт•ч потенциальной водородной энергии. Для сравнения, вся энергия, потребляемая человечеством в течение года, менее 2•105 ТВт•ч1 — в миллион раз меньше. И нужно «всего» 5 млрд тонн водорода в год, чтобы обеспечить энергией всё человечество на текущем уровне. При этом в пресной воде Земли его больше в 1 млн раз, а в океанической — в 25 млн раз.
Огромное по сравнению с нуждами мирового энергопотребления количество водорода в виде его соединений содержится в запасах угля, нефти и газа, собственно, и называемых углеводородным сырьём. Дать точную цифру мировых ресурсов ископаемых углеводородов невозможно, но на данный момент только разведанные запасы в совокупности превышают 1 трлн тонн, и водорода в них не менее 100 млрд тонн, при этом на Земле разведано далеко не всё и ресурсная база постоянно пополняется.
Иными словами, теоретически, если мы начнём использовать водород в качестве топлива для выработки тепловой и электрической энергии, извлекая его только из воды, нам хватит его как энергоносителя на десятки миллионов лет, то есть навсегда.
Желанный,но такой дорогой
Почему же до сих пор водород не стал энергоносителем номер один?
Два главных способа получения этого газа в настоящее время — конверсия углеводородного сырья и электролиз воды. Но извлечение водорода из его соединений означает разрыв химических связей между водородом и кислородом в случае воды или между углеродом, кислородом и водородом в случае углеводородов. И оба процесса сопряжены с очень большими затратами энергии, с дорогостоящим оборудованием и, заметим, с загрязнением окружающей среды.
В настоящее время в мире производится около 75 млн т водорода в год, и пока его производство растёт невысокими темпами — менее 2% в год. При этом из углеводородного сырья добывается более 90% всего производимого водорода, в том числе 70% — с помощью конверсии природного газа, самого доступного способа. В основе процесса — подвод к природному газу тепла (нагрев печи до 600—1000°С) и водяного пара в присутствии металлического катализатора — кобальта, никеля, железа. Это самый дешёвый, но экологически грязный способ, оставляющий большой углеродный след, то есть выбросы CO2 в атмосферу. Он описывается химическими реакциями:
CH4 + H2O = CO + 3H2
СО + H2O = CO2 + H2
На выходе, как можно видеть, — большое количество углекислого газа. Кроме того, при расчёте стоимости процесса надо учитывать не только затраты собственно на работу печи, но и на добычу и транспортировку газа. И если рассматривать водород как топливо, то дешевле и экологически чище просто добывать и сжигать природный газ.
Есть и другие способы углеводородной конверсии — например, газификация и пиролиз угля и даже получение водорода из биомассы, но углеродный след и высокие затраты присущи всем этим решениям.
Если слегка коснуться цифр, то стоимость производства водорода методами углеводородной конверсии оценивается от $2 за 1 кг. Один лишь расход метана на производство 1 кг водорода составляет 5 м3, а при угольной конверсии производство 1 кг водорода потребует более 6 кг угля. Цена, очевидно, высока, при этом использование водорода как энергоносителя с КПД, равным 100%, невозможно, и количество полученной энергии в данном случае надо делить примерно на два—три. Добавим ещё затраты на создание и поддержание инфраструктуры для транспортировки и хранения водорода и получим исключительно дорогое топливо, производство которого далеко не безупречно с экологической точки зрения.
Остаётся единственный экологически чистый способ получения водорода — извлечение его из воды, которой на Земле намного больше, чем углеводородного сырья, и она, очевидно, доступнее. Самый распространённый способ получения водорода из воды — электролиз, то есть разложение воды под действием электрического тока:
2H2O = 2H2 + O2
Побочный продукт электролиза — только кислород, однако этот процесс исключительно энергоёмкий. Для получения 1 кг водорода (напоминаем, теплотворная способность такого количества газа при 100%-ном КПД составит около 40 кВт•ч) нужно затратить 40—50 кВт•ч электроэнергии. Таким образом, расход энергии оказывается больше (а с учётом реальной эффективности использования конечного продукта — минимум вдвое больше), чем энергия, полученная на выходе. Что касается денежного эквивалента, то затраты на производство водорода путём электролиза оцениваются в $3—7 за 1 кг, что существенно выше, чем при конверсии углеводородов. И электролизом воды получают лишь 2% производимого водорода.
Другая проблема — собственно, источник электроэнергии для ведения электролиза. Пока около 63% всей производимой в мире электроэнергии вырабатывается на угольных и газовых теплоэлектростанциях. Причём это соотношение не изменилось за последние 30—40 лет. Да, доля таких возобновляемых источников энергии, как ветер и солнце, ощутимо растёт, но происходит это в большей степени за счёт снижения доли атомной и гидроэнергии, а не ТЭС. Поэтому на данный момент использование водорода в качестве топлива, полученного посредством электролиза воды, не приводит к снижению выбросов углерода в атмосферу, просто эти выбросы идут не с электролизных установок, а с электростанций, поставляющих им энергию.
По-настоящему «зелёным» водородом можно считать только тот, производство которого не связано с выбросами углерода, то есть если для его получения используется электроэнергия от возобновляемых источников: гидростанций, ветровых, солнечных, приливных, геотермальных станций. Однако и этот водород остаётся дорогим.
Но, несмотря на комплекс проблем — экономических, энергетических, экологиче-ских, — в последние годы в мире активно заговорили об использовании водорода в качестве транспортного топлива, источника тепловой и электроэнергии. Сейчас примерно половина производимого водорода идёт на получение аммиака, расходуемого большей частью для производства азотных удобрений. Кроме того, водород используется для получения метанола, в нефтепереработке, пищевой и косметической промышленности. И всего доли процента этого газа идут на энергетическое обеспечение.
Строительствоводородной утопии?
В 2017—2020 годах ряд стран приняли масштабные водородные программы (которые, правда, пока носят декларативный характер), предполагающие многократный рост потребления водорода с перспективами его использования в энергетических целях и, соответственно, с кардинальным увеличением его доли в энергобалансе.
В частности, Евросоюз в 2019 году опубликовал дорожную карту развития водородной экономики (Hydrogen Roadmap Europe). Согласно изложенному в ней сценарию, общее потребление водорода в качестве энергоносителя в странах ЕС должно к 2050 году вырасти почти в 8 раз с нынешних примерно 300 ТВт•ч (это 2% в общей структуре потребления энергии) до 2250 ТВт•ч, или 24%.
В Японии аналогичная дорожная карта (Strategic Roadmap for Hydrogen and Fuel Cells) предполагает рост объёмов использования водорода к 2050 году до 10 млн т в год.
Всего в мире заявлено уже более 200 водородных проектов на всех континентах, большей частью в Западной Европе и Восточной Азии.
По самым смелым прогнозам (вероятно, ориентирующимся на европейскую дорожную карту развития водородной экономики), к 2050 году в мире на водород придётся 24% всей потребляемой энергии — это около 40 000 ТВт•ч, что потребует производства до 2 млрд т этого газа в год — примерно в 20 раз больше, чем в настоящее время.
В России в августе 2021 года также была принята Концепция развития водородной энергетики, предполагающая создание трёх-четырёх водородных кластеров, или центров производства и использования водорода: Северо-Западного, Восточного, Арктиче-ского и, возможно, Южного. При этом три из них — Северо-Западный, Восточный и Южный — ориентированы главным образом на внешние рынки. Предполагается увеличение экспорта водорода до 0,2 млн т к 2024 году и до 2 млн т — к 2035 году. Из конкретных проектов пока можно назвать только создание Сахалинского водородного кластера.
По данным, приведённым в Концепции, текущий ежегодный мировой спрос на водород составляет 116 млн т, в том числе на чистый водород — 74 млн т и 42 млн т — на водород в смеси с другими газами в качестве сырья или топлива для производства тепловой и электрической энергии.
У России есть конкурентные преимущества: наличие энергетического потенциала в сочетании с большим объёмом недозагруженных мощностей; большой опыт производства водорода и развитая научно-техническая база; выгодное географическое положение — близость территорий с высоким энергетическим потенциалом (в том числе — возобновляемых источников энергии) к западноевропейскому и восточноазиатскому рынкам сбыта. Тем не менее принятая Концепция выглядит как реакция на мировой водородный тренд и стремление встроиться в него главным образом в качестве экспортёра — по аналогии с экспортом других энергоносителей, которые мы в настоящее время поставляем на мировой рынок. Действительно, обнародованные Западной Европой и Японией грандиозные водородные планы потребуют импорта водорода, поскольку собственных мощностей для его производства в заявленных объёмах у них просто не хватит. Чтобы убедиться в этом, можно обратиться к некоторым цифрам.
По данным Международного энергетического агентства и других организаций, ведущих энергетическую статистику, годовой объём производства электроэнергии сейчас в странах ЕС — менее 4000 ТВт•ч, из которых на возобновляемые источники, включая гидроэнергию, в 2019 году приходилось около 1500 ТВт•ч, или 38%. При этом, как сказано выше, к 2050 году, согласно амбициозным планам ЕС, водород должен давать более 2000 ТВт•ч энергии. То есть, если даже все электростанции ЕС, работающие на возобновляемых источниках, будут задействованы исключительно для производства водорода, их мощностей не хватит для реализации подобных планов. Аналогичная ситуация в Японии. Производство заявленных 10 млн т водорода в год потребует более 400 ТВт•ч электроэнергии. Но сейчас в Японии вырабатывается всего чуть более 1000 ТВт•ч, из них 200 ТВт•ч, или около 20%, на основе возобновляемых источников, включая ГЭС. Что касается газа и угля, то достаточных запасов у Европы и Японии тоже нет. Кроме того, как использование ископаемого горючего для производства водорода согласуется с курсом на декарбонизацию? Выходит, странам с большими водородными планами надо многократно наращивать мощности электростанций, работающих на возобновляемых источниках (что вряд ли возможно в случае Западной Европы или Японии), или импортировать водород. Второй вариант уже задействован в Японии. С 2019 года осуществляется проект поставок туда сжиженного водорода танкерами из Австралии. Но этот водород производится в Австралии из бурого угля. Вопрос тот же: а как же декарбонизация и борьба с глобальным потеплением?
Получается, что строительство водородной экономики возможно благодаря странам с богатыми углеводородными ресурсами и с менее жёстким подходом к экологии. Но в таком случае нет смысла говорить о сокращении эмиссии углерода и нельзя рассматривать переход на водородное топливо как путь к декарбонизации: в лучшем случае декарбонизация в одних точках земного шара будет следствием «карбонизации» на других территориях.
В России возможности для налаживания производства и экспорта водорода связаны не только с угольными и газовыми ресурсами, но и с развитой гидро- и атомной энергетикой, а также растущими мощностями солнечной и ветровой энергетики. В отдалённой перспективе возможна выработка водорода и на приливных электростанциях.
Добавим, что обсуждается целесообразность строительства трёх мощных приливных электростанций — Мезенской на Белом море, Тугурской и Пенжинской в заливах Охотского моря. Речь идёт об активизации работы над проектами приливных станций, начатой ещё в советское время. Сейчас они рассматриваются в контексте дешёвой и экологически чистой выработки водорода и аммиака и их экспорта в Западную Европу и Восточную Азию.
В то же время хотелось бы, чтобы увеличение производства водорода у нас было ориентировано в большей степени на соб-ственное технологическое и экономическое развитие, нежели чем на появление новой статьи экспорта энергоресурсов.
В мире, как мы видим, в отношении строительства водородной экономики, тем более под флагом декарбонизации и вообще заботы об экологии, есть ряд нерешённых вопросов и противоречий, связанных и с технологиями, и со стоимостью производ-ства водорода. По-видимому, в связи с этим в последние несколько лет заговорили об аммиаке как потенциальной замене водорода в качестве топлива. Анонсировано несколько проектов масштабного производства аммиака, например, в Саудовский Аравии и Австралии. В качестве топлива аммиак действительно имеет ряд преимуществ по сравнению с водородом. Прежде всего, этот газ «компактнее»: плотность газообразного аммиака при нормальных температуре и давлении — 0,78 кг/м3, что почти в девять раз выше, чем у водорода. Также аммиак проще хранить и в жидком виде: температура кипения аммиака 33°С, тогда как у водорода -252°С. Аммиак может выступать и в качестве самостоятельного топлива, и как своего рода аккумулятор, хранилище водорода. Однако получение аммиака сложнее, дороже и связано с ещё большими экологическими издерж-ками, чем производство водорода, — хотя бы потому, что для его производства сначала надо извлечь водород, а уже потом — соединить его с азотом.
Таким образом, ожидания быстрого перехода на водородное топливо выглядят явно завышенными. В то же время у водорода действительно есть энергетические перспективы. Прежде всего, он интересен как аккумулятор энергии, поэтому водородная энергетика может помочь развитию энергетики, основанной на возобновляемых источниках. Их главная (хорошо известная) проблема — нестабильность, с чем уже сталкиваются страны, где возобновляемые источники энергии заняли достаточно большую долю в энергобалансе. При этом аккумуляция энергии в пиковые периоды с тем, чтобы расходовать её во время энергетического дефицита, — задача пока не решённая, тем более на длительных временных интервалах, на уровне сезонов. Например, в высоких широтах, даже на широте Москвы, поступление солнечной энергии летом не уступает таковому в тропических и экваториальных широтах, да и у Полярного круга в середине лета солнечной энергии почти столько же, сколько в тропиках. Но зимой её в десятки раз меньше в средней полосе, тем более — в полярных зонах, где она практически отсутствует и солнечные батареи бездействуют. Очевидно, что в данном случае для эффективной работы солнечной энергетики необходимы системы её аккумуляции. Примерно то же можно сказать и о гидроэнергии, и о ветровой энергии — сила их энергетических потоков меняется на порядки в зависимости от сезона. Преобразование энергии в водород путём электролиза в период, когда её «некуда девать» и она, условно говоря, бесплатна, и последующее использование запасённого водорода в период недостаточного поступления энергии из возобновляемых источников выглядит эффективным и экологически чистым решением проблемы.
Системы аккумуляции водорода могут быть различными. Помимо упомянутого выше аммиака очень удобный, недорогой и компакт-ный способ хранения — в форме гидридов. Подобными разработками активно занимается, в частности, Лаборатория водородных энергетических технологий Объединённого института высоких температур РАН.
Другой перспективный вид использования водорода — топливные водородные элементы для транспорта. Они обладают высоким КПД, существенно превосходящим КПД двигателей внутреннего сгорания, а их стоимость с развитием технологий снижается, хотя пока автомобили на водороде остаются слишком дорогими для потребителей. Кроме того, может возникнуть конкуренция между водородным и электротранспортом. Уже сейчас проводятся сравнения целесообразности того и другого с технологической, экономической и экологической позиций.
В поисках свободного водорода
Выше мы говорили о том, что главная проблема становления водородной экономики — почти полное отсутствие в зоне нашей досягаемости свободного водорода. Но так ли это на самом деле?
Чтобы ответить на этот вопрос, начнём с фундаментального и, на первый взгляд, лишённого явной практической значимости вопроса о составе земного ядра. Согласно хрестоматийной схеме, оно железное, но достаточно давно высказывались предположения, в том числе В. И. Вернадским и другими исследователями ещё прошлых веков, о росте количества водорода с глубиной и, как следствие, возможностях выходов свободного водорода на земную поверхность. Предполагается, что наиболее активные выходы водорода — в рифтовых зонах. Также существует концепция гидридного, то есть состоящего из соединений водорода с металлами, ядра Земли, которую обосновал советский геолог Владимир Николаевич Ларин ещё в1970-е годы. Он провёл сравнительный анализ распространённости разных химических элементов на Солнце — в его фотосфере, во внешних геосферах Земли, на Луне и метеоритах. Согласно господствующему представлению, распределение элементов в Солнечной системе от центра к периферии определяется их массами: под действием солнечного ветра лёгкие элементы «выдуваются» на периферию, а тяжёлые остаются в центре. Однако анализ, проведённый Лариным, показал, что это распределение зависит не от массы, а от потенциала ионизации элемента (элемент тем дальше находится от Солнца, чем этот потенциал выше), и, исходя из этого, водорода в Земле должно быть существенно больше, чем принято считать. При этом гидриды в процессе сепарации вещества Земли оказались в её центральных областях. Далее Ларин предположил, что в результате радиоактивного распада химических элементов в глубинах Земли и, возможно, под влиянием других факторов происходит высвобождение водорода из гидридов, выход его на земную поверхность — и далее в атмосферу и за её пределы.
Эту концепцию В. Н. Ларин изложил в своей докторской диссертации2 на тему «Земля: состав, строение и развитие (альтернативная глобальная концепция)», которая в 1993 году была опубликована под названием «Hydridic Earth: the New Geology of Our Primordially Hydrogenrich Planet»3 («Гидридная Земля: новая геология нашей первоначально богатой водородом планеты»). А в более популярной форме идеи Ларина изложены в его книге «Наша Земля»4.
Если концепция Ларина подтвердится, дело останется за малым — найти места выхода свободного водорода на земную поверхность. И такие выходы нашли, в ряде случаев — с высокой концентрацией водорода — во многих точках земного шара, привязанные к определённым геологическим структурам, в том числе на территории России, также в Омане, Австралии, США и других странах.
В целом в мире опубликовано порядка сотен сообщений исследователей из разных стран о нахождении выходов водорода. В большинстве случаев выходы были обнаружены случайно, как, например, в 1987 году в Мали у села Буракебугу5.
Большой вклад в исследование водородной дегазации Земли внёс также российский геолог, доктор геолого-минералогических наук Владимир Леонидович Сывороткин. Результаты своих исследований он изложил в докторской диссертации, в книге «Глубинная дегазация Земли и глобальные катастрофы»6 и в других, более поздних публикациях. Выходы водорода Сывороткин связывает прежде всего с рифтовыми зонами. Согласно его исследованиям, рифтовые зоны также совпадают с зонами отрицательных озоновых аномалий в стратосфере. Отметим, что, когда рассматриваются возможные экологические побочные эффекты водородной экономики, упоминается опасность утечек водорода из систем производства и транспортировки, в том числе, риск попадания водорода в стратосферу и разрушения озонового слоя. Согласно же исследованиям Сывороткина, периодическое разрушение озонового слоя носит природный характер — через водородную дегазацию. Владимир Леонидович, среди прочего, обращает внимание на феномен серебристых облаков — дело в том, что механизмы доставки воды на высоты, где они образуются (выше 70 км), до сих пор непонятны, а водородная дегазация и далее химическая реакция водорода с кислородом на этих высотах может дать адекватное объяснение данному явлению.
Есть предположение, что водородная дегазация свидетельствует о постоянном воспроизводстве месторождений углеводородов. Газ и нефть слагают два основных элемента — углерод и водород. И если углерода в земной коре очевидно много, то вопрос, откуда, собственно, взялся водород для формирования этих месторождений, в геологии остаётся открытым. Между тем, есть свидетельства вторичного пополнения уже исчерпанных нефтяных месторождений. Этот эффект известен и описан, в частности, для месторождений Поволжья (Алексеевское, Малышевское, Ромашкинское), Северного Кавказа, ряда месторождений в США. И если концепция водородной дегазации Земли верна, она даёт объяснение и этому феномену.
Хотя вопрос о составе глубинных слоёв Земли остаётся дискуссионным и делать однозначные выводы о возможностях добычи в промышленных масштабах свободного водорода, исходящего из глубин Земли, пока рано, имеющиеся данные обнадёживают, так что поиск свободного водорода, выходящего на земную поверхность, может иметь перспективы.
***
Потенциал ионизации элемента, или энергия его ионизации — минимальная энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома.
Рифтовые зоны — протяжённые полосы (длиной в сотни и тысячи километров) тектонических зон, в которых происходит подъём мантийного материала. Этот подъём сопровождается распространением в стороны, что вызывает поперечное растяжение в верхних этажах земной коры. Рифтовые зоны пролегают через континенты и океаны.
Фотосфера Солнца — нижний слой его атмосферы, в котором формируется непрерывный спектр излучения Солнца в видимом диапазоне. Отметим, что у звёзд под атмосферой понимается не газовая оболочка, а её внешние слои.
Комментарии к статье
1 По данным International Energy Agency.
2 Ларин В. Н. Земля: состав, строение и развитие (альтернативная глобальная концепция): дисс. док-тора геол.-минер. наук, 1991.
3 Edited by C. Warren Hunt//Polar Publishing, Canada. 1993, 242 p.
4 Ларин В. Н. Наша земля. — М.: Агар, 2005. — 244 с.
5 Prinzhofer A., Tahara Cissé C. S., Diallo A. B. Discovery of a large accumulation of natural hydrogen in Bourakebougou (Mali) // International Journal of Hydrogen Energy, V. 43, Is. 42, 2018, pp. 19315—19326.
6 Сывороткин В. Л. Глубинная дегазация Земли и глобальные катастрофы. — М.: Геоинформцентр, 2002 (ЗАО Астра семь). — 250 с.
