- Алексей, в России в августе правительство утвердило концепцию развития водородной энергетики до 2050 года. Почему так важно развивать именно это направление? Чем оно лучше традиционных источников энергии?
— Нельзя принципиально говорить, что водородная энергетика заменяет традиционную, атомную или гидрогенерацию. Это совершенно другая история.
Начнем с того, что сейчас во всем мире есть общий тренд на декарбонизацию, то есть на уменьшение выбросов углекислого газа как одного из основных парниковых газов, вызывающих глобальное потепление.
Многие государства приняли на себя обязательства избавиться полностью от выбросов двуокиси углерода — кто к 2050, кто к 2060 году. Это означает отказ от тепловых электростанций.
- Но что делать с остальными источниками энергии и при чем тут водород?
— Естественно, никто использовать водород как горючее для электростанций не собирается: ведь для того, чтобы водород получить, нужно сначала энергию затратить — в чистом виде в природе он не встречается.
Поэтому на данном этапе водород — это источник энергии для разного рода мобильных устройств, в первую очередь транспорта. Ведь один из главных источников выбросов CO2 — это автомобили.
Сейчас все стараются заменять их на электромобили, но у них есть два огромных недостатка — помимо того, что у производства литий-ионных батарей есть собственный углеродный след, они дороги, и они прекрасно горят.
Пробег электромобиля в реальных, подчеркиваю, реальных условиях, а не заявленных производителем — это 100, 150, максимум 200 км. Это нормально для города, но для российских расстояний совсем мало.
Я недавно за десять дней проехал по стране 6,5 тыс. километров. На электромобиле я бы этого не сделал никогда. Российские просторы огромны.
Еще один недостаток: электромобиль заряжается очень медленно. Если вы заряжаете его от обыкновенной розетки, вы тратите на это восемь часов. Если заряжаете ускоренно, это все равно полчаса, что превращается в большую проблему.
Условно говоря, вы, конечно, можете проехать на электромобиле из Москвы в Петербург 800 км по скоростной трассе, но каждые 200 км вы будете останавливаться и ждать зарядки.
Добавьте к времени в пути эти два часа — и зачем тогда нужна эта скоростная трасса? Это если исключить то, что пока скоростных зарядок на этой трассе просто нет. И это проблема.
Но электричество можно хранить не только в аккумуляторах. Еще с первой половины 19 века мы знаем такое устройство, как водородный топливный элемент.
Это химический источник тока, в котором электричество вырабатывается благодаря электрохимической реакции между кислородом и водородом. Фактически, если мы запишем уравнение реакции, оно выглядит таким же, что при горении.
Только собственно горения не будет. Водород соединяется с кислородом при невысоких температурах — около 70-80 градусов. На выходе получается вода и электрический ток.
То есть мы в электромобиль вместо большой литий-ионной батареи ставим более легкий, более энергоемкий в пересчете на единицу массы топливный элемент.
Таким образом, мы получаем автомобиль, который может проезжать уже не 200 км, а 600-800, до тысячи километров. При этом он заправляется как обычный автомобиль — за несколько минут на заправке, только заправка у нас водородная.
Это одно из направлений, в котором развивается водородная энергетика: разработка источников энергии для разных устройств — в первую очередь автомобилей, поездов и даже самолетов.
По Германии и Австрии уже ездят первые поезда на водороде. В России уже есть контракт на постройку таких поездов для Сахалина.
Второе направление — использование водорода для того, чтобы запасать энергию возобновляемых источников энергии, — это ветрогенерация и солнечная генерация.
У них существует общая проблема: неравномерная выработка энергии. Солнечная в полдень дает максимум, ночью не дает совсем. В самый яркий день — избыток электроэнергии, в пасмурный день или ночью ее недостаток.
Та же самая история с ветрогенерацией. Когда ветер есть, энергии много, когда его нет, нет и энергии. Соответственно, на пиках эту энергию нужно запасать, а когда ее не хватает — отдавать.
Хранить эту электроэнергию в литий-ионных аккумуляторах невыгодно экономически, потому что они очень дорогие. Один из вариантов хранения такой энергии — это водород.
На пике выработки подаем энергию на электролиз воды — разложение на водород и кислород, — а когда энергии не хватает, подаем этот водород в топливный элемент и вырабатываем из него электричество.
Этот способ применим и для накапливания избыточной энергии атомных электростанций.
- С точки зрения экономики водородные топливные элементы могут конкурировать с бензином или природным газом?
— Все, безусловно, зависит от масштабов производства. Еще 10 лет назад говорили, что солнечная энергетика никогда не будет выгодной, так как солнечные панели — это очень дорого.
Сейчас же их производят массово и сверхмассово, и стоимость выработки солнечной электроэнергии чуть ли не ниже традиционной. Та же самая история будет и с топливными элементами.
Даже сейчас, если мы не считаем всю экономику, километр пробега на водороде получается дешевле километра на бензине — и намного дешевле.
Недавно ученые Центра компетенции НТИ «Новые и мобильные источники» при ИПХФ РАН, в котором я работаю заместителем руководителя и который занимается проблемами водорода и топливных элементов для всех мобильных источников энергии, опубликовали вместе с коллегами научную статью, в которой как раз рассматривалась экономика жизненного цикла автобусов на водороде, на газе и электробусов.
Получилось, что если считать полный цикл эксплуатации (с учетом утилизации транспортного средства), то единственный автобус, который сейчас будет выигрывать у водородного, это автобус на природном газе, поскольку газ сейчас очень дешевый. Остальные уже проигрывают.
Сейчас пока использование водорода в качестве энергоносителя не очень выгодно, однако совсем скоро, возможно, уже в этом или следующем году, в мире начинают вводить так называемый углеродный налог.
Это налог на товары с учетом того, какой углеродный след они оставляют. И вот в зависимости от величины этого налога (а то, что он будет принят, уже не вопрос) мы и будем понимать, насколько выгодна водородная экономика в целом.
Если этот налог будет очень высокий, то вся традиционная экономика вообще может перестать быть выгодной.
- Сомнительно, что этот налог сразу повысят до того уровня, который «убьет» традиционные энергоносители.
— Я не знаю. Все как раз на эту тему волнуются и ждут. Тут мы ничего не можем предсказать. Это все зависит от регулирующих организаций.
- Какими вы видите перспективы развития водородной энергетики? Какой она может быть лет через 20?
— Масштабное внедрение водородной энергетики — это четвертый энергопереход, следующий после угля, нефти и газа. Сейчас все только начинают пользоваться водородом, и к 2050 году мы постепенно будем переходить на водород. Причем не просто на водород, а на «зеленый» водород.
Водороду присваивают «цвет» в зависимости от того углеродного следа, который он оставляет при получении.
Мы можем получать водород путем электролиза воды при помощи солнечной или ветряной энергии, и это будет «зеленый водород», самый экологичный.
Если мы используем атомную энергию, он считается несколько менее экологичным — это «оранжевый» водород. Есть водород «серый» — самый неэкологичный. Сейчас такого водорода примерно 95% в мировой экономике.
Он получается парогазовой конверсией метана: мы берем метан, нагреваем его с водяным паром и получаем на выходе СО2 и водород. Углекислый газ уходит в воздух, и получается «серый» водород, от использования которого все же собираются отказаться.
Однако есть возможность сделать этот «серый» водород более экологичным, «голубым», если полученный в результате реакции углекислый газ не выбрасывать в атмосферу, а улавливать и получать из него уксусную кислоту, формальдегид или «сухой лед». То есть углекислоту можно использовать или захоронить.
Есть еще вариант прямого разложения природного газа на углерод, который легче утилизировать, и водород, который тогда называют «бирюзовым».
Если говорить о транспорте, то первыми на водород массово перейдут не легковые автомобили, хотя сейчас и производят несколько типов серийных легковых автомобилей на этом энергоносителе. Первыми на водород массово переведут тяжелую технику. Это коммунальное хозяйство, грузовики и автобусы.
Буквально на днях, 6 сентября, на выставке Comtrans'21 в Москве представили два первых водоробуса — от групп ГАЗ и КАМАЗ. В Европе и Китае такие автобусы уже эксплуатируются вовсю.
Также будут постепенно переходить на водород поезда в неэлектрифицированной части сети железных дорог.
К 2030-35 году появятся и будут массово применяться пассажирские самолеты на водороде. Сейчас уже готовятся перевести на водород первые ближнемагистральные самолеты.
Airbus обещал к 2035 году запустить свои аналоги дальнемагистральных самолетов, которые будут летать на водороде, сжигая его как топливо. Такое тоже в принципе возможно.
Также водород может массово использоваться для резервирования энергии солнечных батарей и ветряков.
Что будет дальше, я прогнозировать не стану, потому что очень многое зависит от решения главной технологической проблемы водородной энергетики, а именно хранения и транспортировки водорода.
Пока что большая часть водорода вырабатывается на месте его дальнейшего использования — где потребляют, там и вырабатывают.
Транспортировать его можно разными способами, самый дешевый и простой из которых — трубопроводный. Современные трубопроводы это позволяют, как, например, «Северный поток». По нему можно качать не метан, а чистый водород.
Старые водопроводы это не позволяют. Там используются неподходящие сорта стали. При прокачке водорода эта сталь будет становиться все более хрупкой, будут утечки.
Есть и другие способы транспортировки водорода, например, в связанном виде, в сжатом, сжиженном вариантах. У всех способов есть свои достоинства и недостатки, но место для технологических прорывов тут еще остается.
Пока что это самый «узкий» технологический момент в развитии водородных технологий.