Вездесущий «аш-два»: как водород постепенно превращается в ключевой источник энергии на Земле
Мир — медленно, плавно, но неотвратимо — вплывает в следующую технологическую эпоху. Отличительным признаком этой эпохи станет не только всеобъемлющее использование искусственного интеллекта, но и энергетика, в которой важнейшую роль будет играть водород (H2) — самый простой химический элемент. О том, как будет выглядеть водородная энергетика, и какие проекты в этой сфере реализуются в России, Vokrugsveta.ru рассказал директор аналитического направления АНО «Центр энергетических систем будущего „Энерджинет“» Игорь Чаусов.
Будущее стучится в дверь
Водород — это топливо с низким или нулевым углеродным следом. Однако достоинства H2 как топлива заключаются не только в том, что он гораздо более «чист», чем привычные нам бензин или солярка, и доступен в огромных количествах — при наличии рентабельных технологий его добычи. Электрохимические установки, работающие на H2, способны обеспечить куда больший КПД, чем традиционные тепловые машины: 60% и выше против 40%. Поэтому неудивительно, что сейчас во всем мире ученые и инженеры активно экспериментируют, пытаясь, в частности, «подружить» с водородом различные транспортные средства.
Специалист по новой энергетике Игорь Чаусов говорит, что в настоящее время инженеры изучают разновидности наземного транспорта на предмет лучшего выбора новых типов двигателей и энергоустановок. Понятно, что традиционные моторы внутреннего сгорания, отравляющие атмосферу вредными веществами, будут уходить в прошлое.
«При этом признано, что оптимальным решением для легковых автомобилей является электродвигатель и батареи. На водород же, как предполагается, перейдут железные дороги и тяжелый колесный транспорт: колесящие по асфальтовым шоссе грузовые фуры, автобусы, мусоровозы, уборочные и поливальные машины и т. д.», — объясняет Чаусов.
Водородное будущее стучится в дверь прямо на наших глазах. Один из свежих примеров: в этом году «КАМАЗ» анонсировал разработку водородных грузовиков, автобусов, и складской техники, а также предназначенных для них заправочных станций. Пилотный экземпляр грузового автомобиля КАМАЗ-53193 на водородных топливных элементах (грузоподъемность — более 9 тонн) уже существует. Он может принять в свои резервуары 12,5 кг H2, на которых проедет не менее 500 километров. По сути, это электромобиль — он получает энергию посредством электрохимической реакции в топливном элементе, происходящей с участием водорода. Эта энергия аккумулируется в тяговой батарее, откуда поступает на электродвигатели.
Еще один пример: в октябре 2024-го на Волге состоялись испытания судна на водородном топливе. Это прогулочный катер, разработанный при участии петербургского Политеха и сошедший со стапеля Зеленодольского судостроительного завода имени Горького. Суденышко, оснащенное отечественным электрохимическим генератором на водородном топливе, может брать на борт дюжину человек.
«Я думаю, что в первую очередь на водород будут переводить именно пассажирское речное судоходство в крупных городах — дабы снизить степень загрязнения воды и улучшить экологию. В ближайшие годы должны появиться первые образцы российских пассажирских речных судов на водородных топливных элементах. На Неве, в частности, еще с прошлой осени испытывают водородный катамаран. Потом водородными установками станут оснащать и крупные морские корабли. Но там нужно будет решать вопросы бункеровки, а также того, как именно хранить судовое топливо», — поясняет Игорь Чаусов.
Также водород займет определенную место в сфере энергетики — например, в нише автономного энергоснабжения.
«Технология энергоснабжения с помощью водорода окажется незаменима в труднодоступной местности — например, на островах. По всему миру на подобных территориях, для снабжения которых необходимо привлекать автономные энергокомплексы мощностью до 10 МВт, проживает не менее 300 млн человек. В России — это 700 тысяч человек. Речь идет о жителях небольших удаленных поселков или работниках промышленных объектов, находящихся вдали от городов. Вот там водородные технологии могут оказаться востребованными даже сейчас, при нынешних высоких ценах на оборудование — ибо позволят обеспечить светом и теплом поселок, не подключенный ни к какой теплоцентрали и линиям электропередачи. Это уже сейчас может быть экономически оправдано», — подчеркивает специалист.
Сахалинский водородный кластер
Игорь Чаусов знает, о чем говорит: в настоящее время он занимается проектом автономного энергоснабжения в селе Новико́во — самом труднодоступном населенном пункте на Сахалине. Расположенное на юге острова село названо в честь российского крейсера «Новик», затонувшего в 1904 году в заливе Анива во время сражения с японскими кораблями.
«На острове это единственное село, имеющее изолированный энергоузел. Все остальные населенные пункты Сахалина — во всяком случае те, где люди живут круглый год, — подключены к централизованным электросетям», — объясняет выбор села для реализации проекта Игорь Чаусов.
Осенью этого года РусГидро и МФТИ запустили здесь пилотный проект так называемого «водородного полигона» и напрямую связанный с ним автоматизированный гибридный энергокомплекс (АГЭК). В состав АГЭК вошли современные дизель-генераторы и ветроустановки. Водородный же полигон включает в себя электролизный модуль для выработки H2, ресиверы для его хранения, электрохимический генератор на базе топливного элемента и ванадиевую редокс-проточную батарею. Автоматизированная система управления этим оборудованием была создана в научно-исследовательском центре РусГидро во Владивостоке.
Инновационный энергокомплекс с водородной генерацией в Новиково позволил эффективно использовать излишки электроэнергии, поступающей с ветрогенераторов. Благодаря ему в часы пиковой нагрузки используется накопленная «чистая» энергия — что значительно снижает или вовсе исключает расход дизельного топлива.
Однако объект в Новиково представляет собой лишь часть создаваемого на Сахалине водородного кластера. Водород теперь производится и в крупнейшем городе этого острова — в Южно-Сахалинске, на территории Специального конструкторского бюро средств автоматизации морских исследований (СКБ САМИ) Дальневосточного отделения РАН. Там теперь действует Центр водородного инжиниринга с собственным опытным полигоном — на нем смонтированы солнечные панели на 300 кВт и электролизеры для выработки H2. Этот водород используется для нужд электроснабжения полевых объектов на аэродроме МЧС «Пушистый» (Корсаковский район) и вышки сотовой связи в селе Огоньки (Анивский район).
Но этим дело не ограничивается. «Южно-Сахалинск намечен для эксперимента по внедрению водородного транспорта — видимо, это будут мусоровозы и, возможно, автобусы. Также есть идея использования тяжелых карьерных грузовиков „БеЛАЗ“, модифицированных для работы на водородном топливе — им могут найти применение на угольных карьерах вблизи поселка Шахтерск (Углегорский район на западном побережье Сахалина. — Прим. авт.). Скорее всего, предназначенный для этих грузовиков водород будет производиться из природного газа на специальной станции на востоке острова и доставляться в Шахтерск», — рассказывает Чаусов.
И, наконец, самое интересное: возможно Сахалин станет первым российским регионом, по железным дорогам которого побегут водородные локомотивы.
«Этот проект обсуждают Росатом, Трансмашхолдинг и РЖД. Предполагается в ближайшие годы поставить на сахалинскую железнодорожную линию шесть локомотивов, работающих на водороде, — задачу их создания взял на себя Трансмашхолдинг. Росатом возведет для них несколько заправочных комплексов. Скорее всего, производство водорода будет осуществляться непосредственно на этих комплексах. РЖД же должна будет обучить персонал, который станет обслуживать всю эту машинерию. Проект, насколько мне известно, на данный момент несколько пробуксовывает. Он, видимо, будет умеренно убыточный, а может и выйдет в ноль. Все зависит от того, насколько дорогостоящей окажется выработка водорода для этих локомотивов и сами поезда», — объясняет эксперт.
Именно дороговизна оборудования — главный бич водородной энергетики вообще, а в России — особенно. Пока что в нашей стране не производятся водородные топливные элементы необходимой для локомотивов мощности — их приходится закупать на внешних рынках в условиях санкционного давления. Вообще, санкции ощутимо сдвинули сроки воплощения всех водородных проектов вправо.
«Оборудование, используемое в этих проектах, — частично российское, частично — китайское. Вместо западной техники мы теперь покупаем китайскую. Та же, которую мы производим сами в России, пока еще не крупносерийная, поэтому очень дорогая и не всегда уверенно работает. Сахалинский водородный полигон тем и полезен, что там можно „набить шишки“ и набраться необходимого опыта»
Игорь Чаусов
Вперед к чистому воздуху
На данный момент главным драйвером развития водородных технологий является промышленность. Во-первых, водород применяется в качестве сырья для производства так называемого «зелёного» аммиака (NH3), являющегося перспективной альтернативой «газовому» аммиаку, используемому при производстве азотных удобрений. Во-вторых, водород скоро станет незаменимым в сталелитейной промышленности — там он будет использоваться в качестве источника тепловой энергии и восстановителя, требуемых в процессе выплавки. В-третьих, водород нужен в так называемой порошковой металлургии — технологии получения металлических порошков и изготовления изделий из них. Высокочистые порошки металлов без использования водорода получить порой невозможно. В-четвертых, водород необходим в цементной промышленности — для получения клинкера, промежуточного вещества при производстве высокопрочного цемента.
Впрочем, и вне промышленной сферы «аш-два» находит себе самое разное применение. Скажем, водород можно будет использовать и в энергетическом обеспечении коммерческой недвижимости, и в складских и логистических комплексах, и в портовой инфраструктуре — везде, где нужно получать одновременно и электрическую и тепловую энергию или электричество и холод. Там нужны сравнительно небольшие мощности — от 0,5 до 10 МВт на объект. Группу таких объектов сможет обеспечить энергией одна мощная водородная установка.
Когда же мы увидим все эти технологические чудеса? Энергетик Чаусов полагает, что изменения не произойдут в одночасье — они будут накапливаться постепенно.
«В течение следующих десяти лет водородные технологии все еще будут находиться в зоне инвестиций высокого риска. Уже в ближайшие пять лет мы увидим рост количества пилотных проектов — но лишь некоторые из них покажут нулевой, а то и положительный экономический эффект. А через десять лет скажется эффект накопления: технологии достигнут такой степени дешевизны и качественности, что водородная энергетика во многих сферах станет безальтернативной», — предрекает эксперт.
Что ж, такой прогноз можно только приветствовать. Переводя промышленность, транспорт и отопление на экологически чистый водород, мы оказываем себе большую услугу и приближаем тот момент, когда даже жители крупных городов смогут без опаски дышать полной грудью.
Владимир Веретенников, Вокруг Света.