Все оттенки зелёного

На наследство «отменяемой» традиционной энергетики выстроилась целая очередь сильных соискателей. Производители водорода претендуют на большую часть пирога. Но у H2 есть поддерживаемые властями разных стран зеленые альтернативы, на разработку и продвижение которых уже потрачены миллиарды долларов.

Сложный товар

Водород при всех своих преимуществах далеко не самый удобный продукт для продвижения на глобальном рынке. К массовому переходу на чистый H2 в течение ближайших 10–20 лет мировая экономика не готова.

В мире не найдены крупные природные месторождения водорода. Весь используемый сейчас H2 производится искусственно с затратами энергии десятком способов, чаще всего электролизом воды или конверсией природного газа. НИУ «МЭИ» приводит данные, что себестоимость зеленого водорода, выделенного электролизом с помощью возобновляемых источников энергии, в зависимости от региона варьируется в диапазоне 5–10 долл. за кг. Синий H2, добытый из природного газа, заметно дешевле —
1–2 долл. за кг. Но производитель любого незеленого водорода должен нести дополнительные расходы по улавливанию углеродного следа, а они увеличивают себестоимость в 1,5–2 раза.

По мере распространения силовых установок с водородными элементами стоимость генерации будет дешеветь, а до этого момента компенсировать издержки поставщиков можно субсидиями. Но экспансию H2 сдерживают логистические проблемы. Сейчас многие промышленные предприятия используют или собираются использовать не чистый водород, а метано-водородные смеси (МВС). Часто они применяются в силовых агрегатах, рассчитанных на потребление природного газа. Таким образом, удается снизить число выбросов углерода в атмосферу и несколько повысить мощность силовых установок (обычно на 10–
15%). Однако только использование чистого водорода в перспективе поможет удовлетворить мировой спрос на энергию после вытеснения топлива, созданного на базе природных ископаемых.

Сотрудники работают над водородным топливным элементом при вводе в эксплуатацию завода Hydrogenics Cummins GmbH

Молекулярная специфика H2 позволяет ему просачиваться сквозь большинство материалов, которые сейчас используются для транспортировки газов и жидкостей. Так, даже при однократной заправке автоцистерны жидким водородом теряется до 15% вещества.

Чтобы избежать потерь, сейчас H2 чаще всего перевозят в сжатом виде в стальных цилиндрических контейнерах автомобильным и железнодорожным транспортом. Но существующие стандарты цистерн
позволяют транспортировать от 100 до 700 кг водорода. Это дорого. Но главное — существующих емкостей недостаточно, чтобы обеспечить рост поставок.

Большие надежды логисты сегодня связывают с использованием морского транспорта. Японская Kawasaki в мае 2022 года представила первый в мире танкер, предназначенный для перевозки сжиженного водорода. H2 будет путешествовать в резервуарах, построенных с использованием технологий хранения ракетного топлива. Но такой корабль пока существует в единственном экземпляре, а его цена — 368 млн долл. Прав-
да, Kawasaki обещает довести флотилию до 80 судов.

Также в необходимом количестве отсутствуют хранилища для водорода. Производители уже разработали специальные емкости, созданные с использованием полимеров, в том числе углеродного волокна, но до их промышленного производства далеко.

Корабль, спроектированный для перевозки водорода: Kawasaki представила первый в мире танкер для перевозки сжиженного водорода.

Кто на свете всех милее

Очевидно, что значительное госфинансирование может как минимум удешевить решение проблем, связанных с производством и транспортировкой водорода. Но цель «водородной революции» — декарбонизация атмосферы Земли. При этом в мире крупным компаниям и инженерам уже удалось раскрыть потенциал многих других зеленых способов генерации энергии.

У водорода достаточно альтернатив. В транспортном секторе можно выделить как минимум трех глобальных соперников. «Прямо сейчас» главный конкурент H2 — это литий, легкий металл, способный принимать участие в окислительно-восстановительной реакции. Он отличается низким электронным потенциалом, то есть является сильным восстановителем и высокой токовой нагрузкой.

Siemens Mireo Plus B.

Еще несколько лет назад ресурс работы без подзарядки литийионных батарей был низок. Плотность энергии одних из самых мощных на рынке аккумуляторов Tesla составляла 180 Вт•ч/кг. Как следствие, запас хода даже самых дорогих электромобилей редко превышал 300 км, а обычно был меньше.

Гибридные трамваи и поезда оборудовались этими источниками питания лишь для того, чтобы преодолевать короткие неэлектрифицированные участки. Например, один из самых мощных поездов данного типа 2010-х Bombardier Primove мог проехать без подзарядки до 41,6 км. Трамваи ездили на 10–20 км.

Литиевая аккумуляторная батарея электромобиля.

Но сегодня лучшие литийионные батареи имеют плотность энергии уже около 250 Вт•ч/кг. Чтобы повысить ресурс источников питания, производители постепенно увеличивают в их составе долю кремния. По недавнему прогнозу ABI Research, в ближайшие годы это позволит плавно увеличить плотность энергии до 300 Вт•ч/кг, а к 2030 году — до 500 Вт•ч/кг. Но возможен и взрывной рост уровня технологии. В компании Samsung уже сообщили о создании твердотельного литиевого аккумулятора с плотностью энергии
900 Вт•ч/л. Появление такого устройства позволит снизить размер батарей на 50%. Это увеличит пробег электрокаров вдвое.

Samsung сообщил о создании литиевого аккумулятора с плотностью энергии 900 Вт-ч/л

Как следствие, литийионные батареи находят все более широкое применение и на железной дороге. Главной премьерой этого сезона стал FLXdrive от Wabtec. Прототип оборудован источником питания мощностью 2,4 МВт•ч, состоящим из 20 000 литийионных аккумуляторных элементов (ячеек). FLXdrive также обладает функцией подзарядки аккумулятора за счет энергии торможения.

FLXdrive открывает новую эпоху для литийионных локомотивов. На демонстрационном заезде он развил скорость около 120 км/ч и преодолел 560 км. Еще в прошлом году самым мощным в данном сегменте счи-
тался поезд Mireo Plus B от Siemens, но он без подзарядки проходил лишь дистанцию около 80 км.

Будущие модификации FLXdrive смогут похвастаться улучшенными характеристиками. Их силовую установку обещают расширить до 50 000 литийионных элементов, то есть более чем в два раза.

Система заправок для электромобилей в западных странах достаточно развита, а для поездов вовсе не требуется.

Главная уязвимость транспорта данного типа — дорогая (сейчас оценивается в 1 евро за кг) и потенциально несущая угрозу экологии утилизация литийионных батарей. Если в соответствии с ожиданиями Международной энергетической ассоциации (IEA) к 2030 году автопарк пополнят 140 млн электрических машин, то придется утилизировать порядка 11 млн т потенциально опасных отходов.

Но производители уже предлагают перспективные решения, как упростить утилизацию. LiCycle анонсировала специальный химический процесс для выделения ценных металлов, в первую очередь лития, из старых батарей, а Toyota — особый вид переплавки. Одновременно чиновники готовят стандартизацию состава аккумуляторов, чтобы упростить переработку.

Солнечные фотоэлектрические батареи

Алексей Маленков

Начальник отдела инновационных разработок
и решений Центра инновационного развития
НИУ «МЭИ»:

«Первым этапом замещения газа водородом, вероятно, станет использование топливных водородосодержащих смесей. Рассматривается возможность приготовления метано-водородных смесей (МВС) и их транспортировка по существующим газораспределительным сетям. Уже есть успешно реализованные пилотные проекты.
МВС могут служить для экспорта водорода по уже существующим трубопроводам. По различным оценкам, максимально возможная доля H2 в такой смеси может достигать 20–25% при сохранении существующей газотранспортной инфраструктуры. Увеличение доли водорода приводит к появлению некоторых сложных на данный момент для решения проблем. Среди них — появление утечек водорода и так называемое водородное охрупчивание сталей, которое может привести к разрушению металла.

Переход же к использованию чистого водорода требует применения принципиально новых технологий. Несмотря на то что существует достаточно большое количество перспективных способов хранения водорода в виде металлогидридов, в составе жидких органических носителей, в структурах с развитой на микроуровне поверхностью и т.д., промышленно освоенными на данный момент, пожалуй, являются только два варианта:
в баллонах высокого давления и в сжиженном виде. Оба по удобству и экономическим затратам значительно уступают способам хранения традиционных видов топлива.

Это приводит к тому, что с большой долей вероятности в перспективе ближайших нескольких лет водород не сможет широко заместить органические топлива. Однако это не отменяет того, что требуется проведение фундаментальных и прикладных научных работ, направленных на развитие технологий водородной энергетики, для того чтобы иметь возможность использовать передовые решения в будущем. Начинать их разработку нужно уже сейчас, особенно в условиях снижения доступности в нашей стране зарубежной высокотехнологичной продукции».

Да будет свет!

Солнце еще один опасный конкурент водорода. Современные фотоэлектрические батареи уже вышли на новый уровень производительности. Многотерминальные ячейки, созданные с использованием титаната кальция, обеспечивают высокую устойчивость в момент изменения солнечного спектра. Если буквально несколько лет назад КПД серийных фотоэлектрических панелей был на уровне 20%, то сейчас он составляет 33–35%. Это уровень КПД современного автомобильного двигателя внутреннего сгорания, а КПД существующих силовых установок с водородными топливными элементами — 45%.

КПД серийных фотоэлектрических панелей: 33–35%

Теперь солнечные батареи больше не громоздкие. Раньше их компоновали из стекла, кремниевых элементов и алюминиевой рамки, а сейчас применяют композитные и полимерные материалы. Как следствие, такие панели не просто занимают меньше места, но также могут размещаться на различных поверхностях, например на стенах или крышах домов и транспортных средств.

За счет солнца можно электрифицировать 30% железнодорожной сети Великобритании

Как следствие, солнечные батареи все активнее используются для электрификации стационарных объектов: предприятий, станций, вокзалов. Более того, британский оператор Network Rail уже несколько лет ведет проект First Light. В рамках эксперимента фотоэлектрические панели установили вдоль путей, чтобы они подавали энергию прямо на рельс. На тестовом участке разместили 100 таких элементов. В Network Rail рассчитывают, что такая система питания рельсов потенциально может использоваться для электрификации 30% железнодорожной сети Великобритании.

Подобный план уже реализуют Indian Railways, где собираются построить мощности, которые будут генерировать порядка 20 гигаватт (ГВт) солнечной энергии. Ее направят не только для электрификации вокзалов и инфраструктуры, но и на обеспечение движения поездов по железным дорогам Индии.

Кроме того, в 2010-х годах появились первые гибридные поезда, которые проходили определенные участки трассы за счет солнечной энергии. Это Bayron Bay в Австралии или DEMU в Индии. Батареи устанавливают на крыше поезда.

Поезд DEMU Индия

Зеленый атом

На свой кусок энергетического пирога претендуют и атомщики. Ядерные станции эффективно применяют не только в промышленности и городском хозяйстве, но и на транспорте. Еще в 1970-х годах Франция использовала атомную энергию для питания сети высокоскоростных электрифицированных железных дорог TGV. Сейчас ядерный потенциал для организации движения поездов использует также Network Rail. EDF Energy поставляет британскому оператору порядка 3,2 ТВт•ч электроэнергии со своих атомных станций в год.

После аварии на Фукусиме в 2011 году во многих западных странах атомная энергетика попала в немилость. Большинство стран сохранили, но сократили и не афишировали свои ядерные программы. В ряде государств Европы встал вопрос о полной консервации таких объектов. Особенно усердствовали зеленые в Германии, Бельгии, Испании и Швеции.

После аварии на Фукусиме во многих западных странах атомная энергетика попала в немилость.

Но в прошлом году маятник качнулся в обратную сторону. В 2021 году на конференции по климату в Глазго COP26 Китай, США, Франция и еще ряд стран прямо выступали за то, чтобы признать ядерную энергетику зеленой. Пока решение не принято. Страны — противники зеленого атома, в первую очередь Германия, настаивают, что необходимо решить вопрос эффективной утилизации ядерных отходов. Но негласный запрет на развитие атомной энергетики, похоже, снят. По оценкам аналитиков world-nuclear.org, на май 2022 года как минимум 30 стран готовятся начать новые ядерные программы или расконсервировать старые. Среди них — Польша, Ирландия, Турция, Хорватия, Австралия, Саудовская Аравия и Катар.

30 стран готовятся начать новые ядерные программы или расконсервировать старые

Дополнительный аргумент в пользу реабилитации атома — возможность его использовать для производства иной зеленой энергии, в частности водорода. Как правило, стоимость генерации на АЭС ниже, чем на ВИЭ-станциях. При этом сама АЭС — стабильный источник энергии большой мощности и не зависит от внешних факторов (интенсивности ветра или солнечного излучения). Такой водород сейчас принято называть желтым. Этот способ производства использует, например, французский EDF.

Кроме того, инженеры Университета Ланкастера в 2022 году представили метод производства
возобновляемых добавок к биотопливу с использованием радиации, которая может быть получена из ядерных отходов. Они обнаружили, что оставшуюся энергию отработавшего атомного топлива можно использовать для производства короткоживущего радиационно- индуцированного катализатора. Внедрение такого решения не только позволит повысить эффективность биотоплива, но и
частично решит сдерживающую развитие отрасли проблему утилизации ядерных отходов.

Коротко:

Водород просачивается сквозь большинство материалов, которые сейчас используются для транспортировки газов и жидкостей.

Чтобы повысить ресурс литийионных батарей, производители постепенно увеличивают в их составе
долю кремния.

На конференции по климату в Глазго COP26 Китай, США, Франция и еще ряд стран выступали за то, чтобы признать ядерную энергетику зеленой.

Дополнительный аргумент в пользу реабилитации атома — возможность его использовать для производства водорода.