Будущее водородной энергетики

Исторический путь к водороду как энергоносителю

Впервые идея использования водорода в качестве энергоносителя возникла еще в начале 19 века, однако реализована она была только в 20-40-е годы 20 века. Тогда научно-опытным путем удалось установить, что водород позволяет увеличить мощность двигателя более чем на 10%, сохраняя свои свойства энергоэффективности.

В годы Второй мировой войны изучению водорода также уделялось особое внимание. В блокадном Ленинграде грузовой автотранспорт был переоборудован на водородное топливо, которое извлекали из отработанных запасов в заградительных аэростатах сил ПВО, за что советский механик Борис Шелищ был награжден в декабре 1941 года орденом Красной Звезды. А годом позднее этот элемент начали активно использовать в автономных энергосистемах дизельных подводных лодок. В послевоенные годы водород стал неотъемлемым элементом ракетных двигателей и главным составляющим  водородной бомбы, благодаря чему он занял прочное место в сфере оборонно-промышленного комплекса.

Самое активное изучение водорода началось в 70-е года 20 века, совпавшие с мировым энергетическим кризисом. В конце 1974 года была создана Международная ассоциация по водородной энергетике, а ряд стран, осознавая перспективность данной отрасли, начали включать программы по изучению возможностей использования водорода в свои энергетические доктрины.

Спустя десятилетие прогресс был достигнут и в одной из самых проблемных областей водородной энергетики – хранении водорода. Так, ученые разработали новое поколение композитных газовых баллонов, отличавшихся от своих предшественников легким весом и большой вместимостью, после чего в СССР (программа «Буран-Энергия») и США («Space Shuttle») впервые были созданы ракеты-носители с двигателями на жидком водороде. А в апреле 1988 года в СССР прошло первое успешное испытание самолета Ту-155 на водородном топливе.

Только в 90-х годах 20 века водород начал активно использоваться в коммерческой сфере. В это время к работе по внедрению водородных топливных систем в автомобили приступили такие гиганты, как General Motors, Daimler-Benz, Toyota и BMW. А чуть позже в Японии открылась первая в мире электростанция (11 МВт) на топливных элементах, работающих на водороде.

Таким образом, в период с 70-х по 90-е года формируется научная и практическая база современной водородной энергетики, а мировая общественность приходит к осознанию многочисленных преимуществ водорода в сравнении с другими источниками энергии.

Преимущества водородных энергоносителей

Водород обладает большим спектром возможностей его использования, в первую очередь, ввиду безграничности его запасов. Он содержит в три раза больше энергии, чем, например, ископаемые источники энергии, а его КПД для выработки энергии на 30% выше, чем у обычного топлива.

Данный химический элемент универсален и может стать одним из главных источников энергии, используемых на различных производствах или при осуществлении коммерческой деятельности, в частности, в перевозках на дальние расстояния, где требуется топливо с высокой энергоэффективностью. Компания Airbus уже презентовала концепцию самолетов с водородным двигателем, которые планируется ввести в эксплуатацию к 2035 году. Государства также начинают внедрять водород и в сфере ЖКХ. Так, еще в 2016 году Правительство Великобритании объявило о начале переоборудования газово-отопительной сети города Лидс в систему, построенную на топливных элементах водорода. А Япония в мае 2024 года анонсировала постепенный переход к 2050 году от применяемого сейчас в бытовых целях сжиженного природного газа к синтетическому метану, производимому из углекислого газа и водорода, получаемого из морской воды. Такую инициативу поддержали также в Омане и Австралии, где японская корпорация Hitachi Zosen планирует построить заводы по производству синтетического метана.

Проблемы использования водородной энергетики

Согласно докладу Международного энергетического агентства «Глобальный обзор водородной отрасли 2023», мировой объем производства водорода составляет 95 млн тонн, из которых 45% используется в нефтепереработке, 36% - в производстве аммиака, 14% - метанола и 5% - металлургии. При этом потребление водорода в энергетической сфере составляет всего лишь 0,04% - такой низкий процент обусловлен рядом причин.

Во-первых, легкость водорода создает проблемы с его фасовкой и, как следствие, транспортировкой. Его объем в стандартных тарах значительно меньше, чем других видов топлива, что приводит к необходимости хранения и перевозки водорода в более объемных емкостях и значительно повышает стоимость транспортировки. В целях решения данной проблемы ученые работают над способами перевода водорода в иные агрегатные состояния – жидкое или газообразное. Однако это может негативно сказаться на итоговом объеме транспортируемого летучего химического элемента.

Во-вторых, водород в природе практически не встречается в чистом виде, что приводит к необходимости его производства. Он извлекается из разных химических элементов, а способы его добычи разделяются по цветовой градации: красный водород извлекается из атомной энергии, серый – из метана, коричневый – из угля, голубой – из природного газа. Все перечисленные способы, хоть и экономически выгодны – $2 за килограмм, сопровождаются выбросами отходов в атмосферу, что отчасти обесценивает саму идею водородной энергетики. В то же время существует также зеленый водород, извлекаемый из возобновляемых источников энергии путем электролиза воды, однако стоимость его производства значительно выше и составляет около $10 за килограмм. Такая цена в текущих реалиях мирового рынка энергетики неконкурентоспособна в сравнении, например, с нефтью, литр которой стоит менее $1,5 при оптовой продаже. 

Создание новых способов производства водорода в целях снижения его стоимости в последнее десятилетие стало новым вызовом мирового научного сообщества. Так, в 2003 году российскими учеными была разработана технология получения водорода путем окисления частиц алюминия под воздействием лазерного излучения, которая позволяет затрачивать в два раза меньше энергии, чем при электролизе. В настоящее время, по информации СМИ, решается вопрос масштабирования такого технологического процесса. Помимо этого, в апреле 2024 года английские учены создали метод превращения металлических отходов в эффективный катализатор для производства водорода из воды. Серьезных успехов в области повышения эффективности и, как следствие, снижения стоимости производства зеленого водорода достигла и австралийская компания Hysata, которая в мае этого года заявила о завершении испытаний новой установки, позволяющей расщеплять водород и кислород с эффективностью 95% при 75%-м показателе ее аналогов. При сохранении текущих темпов развития технологий и их производственном масштабировании, по оценке экспертов, цена за килограмм зеленого водорода к 2050 году может снизиться в среднем до привычных $2 за килограмм.

В-третьих, развитие водородной энергетики может нанести серьезный материальный ущерб гигантам нефтегазовой отрасли и отрасли автомобилестроения. По данным ресурса Statista, в 2023 году только одна из более чем двадцати крупных компаний, занимающихся генерацией водорода, смогла получить прибыль: в среднем отрасль получила убыток в $1,4 млрд. Эксперты связывают это с отсутствием государственной поддержки лоббируемым нефтегазовыми или автомобильными корпорациям. Однако и среди нефтегазовых компаний все чаще появляются пионеры водородной энергетики, из которых одной из первых стала французская компания TotalEnergies, объявившая о реализации крупного проекта в сфере зеленого водорода. Участие в разработке зеленого водорода в 2021 году объявил и российский «Газпром»: проект планируется реализовать уже в 2024 году. А британская British Petroleum в одном из своих программных документов поставила цель завоевать 10%-ю долю глобального производства водорода к 2030 году.  Гиганты машиностроительной отрасли также не отстают и каждый год презентуют новые модели автомобилей на топливных водородных элементах, хотя с учетом дороговизны их обслуживания такая тенденция кажется не более чем рекламной кампанией в попытке угнаться за новыми трендами.

Состояние водородной энергетики в наши дни

Более 70% мирового производства водорода в 2022 году приходилось на Китай, США, Ближний Восток, Индию и Россию. Доля России на мировом рынке производства водорода сегодня составляет около 7% (примерно 5 млн тонн в год), страна занимает пятое место в мире после Китая, США, ЕС и Индии. Несмотря на имеющиеся проблемы в развитии водородной энергетики, государства с каждым годом начинают уделять все большее внимание это отрасли.