Обнаружение белого водорода на месторождениях в Сибири способно перевернуть всю сложившуюся систему мировой энергетики – так, по крайней мере, пишет западная пресса. В чем уникальность этого ресурса, насколько обоснованы ожидания от него и с какими трудностями предстоит столкнуться добытчикам в интервью «ФедералПресс» рассказал кандидат физико-математических наук, инженер отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий Роман Эльман.
Самый высокий КПД
Почему в последнее время все больше говорят о водороде как источнике энергии?
— На протяжении последних десятилетий водород рассматривается как перспективный энергоноситель – это значит, что в нем можно запасать тепловую/электрическую энергию. Многие ученые и исследователи прилагают усилия для того, чтобы найти наиболее эффективные способы получения и использования водорода, а большинство развитых стран приняли свои стратегии в рамках четвертого энергоперехода по декарбонизации энергетической системы с курсом развития на водородную энергетику.
Все дело в том, что водород имеет большую теплоту сгорания (около 120 МДж/кг), превышающую аналогичное значение для бензина или природного газа в 2–3 раза (около 45 МДж/кг). И самое главное - из водорода возможно получать электрическую энергию при помощи специальных устройств – топливных элементов. При этом нет никаких вредных выделений – и это является одним из главных преимуществ водорода. Причем КПД топливных элементов может достигать 70 %, тогда как для других видов топлива это в среднем 50-60 %.
Другим же преимуществом является неограниченность запасов – пока есть вода, всегда можно будет выделить так называемый зеленый водород методом электролиза. Однако, в настоящее время добывать данный ресурс таким методом слишком дорого – по некоторым данным от 5–10 долларов за килограмм водорода.
Сила в легкости
Что из себя представляет белый водород? В чем уникальность этого вещества в сравнении с другими видами?
— Белый водород является природным – естественным образом выделившимся или присутствующим в земной коре. Он мог возникнуть из-за реакций воды с богатыми железом породами и минералами, реакций радиоактивного распада или разложения органики в определенных условиях, а дальше накопиться, например, в карстовой/соляной пещере глубоко под землей.
Существует еще черный/коричневый водород, получаемый из угля и в котором все вредные остаточные газы выбрасываются в атмосферу; серый водород, получаемый из природного газа также с выбросами остаточных продуктов в атмосферу; голубой (синий) водород – также получаемый из природного газа, но все вредные выбросы улавливаются и захораниваются под землей; бирюзовый – получаемый из метана; розовый (иногда желтый) – перспективный метод, заключающийся в использовании атомной энергии для производства водорода.
Уникальность белого водорода состоит в том, что он легко покидает атмосферу земли из-за его легкости, и на земле в чистом виде он не встречается, однако в данном случае мы имеем дело с чистым водородом, который не был получен при помощи вмешательства человека и промышленных процессов.
Кроме того, скопление такого газа в пещерах и других «ловушках» обеспечивает потенциал для более устойчивого источника энергии, ведь содержание водорода под землей является одним из перспективных способов его хранения в больших количествах, что важно при развитии водородной инфраструктуры.
Насколько перспективно направление добычи белого водорода? Действительно ли оно может совершить переворот в сфере энергетики?
— Безусловно, скопления водорода являются ценной находкой как полезные ископаемые, которое в дальнейшем можно использовать. В перспективе, добыча белого водорода вполне может совершить переворот в сфере энергетики, однако есть некий скепсис. В связи с этим многие страны ступают следом за крупными игроками, пропуская их вперед и делая выводы об определенных решениях. Так, некоторые крупные компании в развитых странах (США, Япония, Шотландия и др.), такие как HyTerra, Koloma (стартап при поддержке Гейтса и Безоса), GeTech вкладывают достаточно большие суммы в развитие способов добычи белого водорода. И если это «выстрелит» у данных компаний, многие сделают свой смелый шаг вслед за ними.
Скоро все изменится
Когда реально выйти на его добычу?
— Из-за всеобщего ажиотажа вокруг водорода и водородной энергетики, скорее всего попытки его добычи крупными игроками будут предприниматься в ближайшее время. О реальных сроках его добычи на глобальном уровне уже трудно сказать. Скорее всего, выход на стабильный уровень добычи белого водорода может быть осуществлен при развитой инфраструктуре (добыча-транспортировка-хранение-применение), а также при подтверждении экономической рентабельности такой добычи, что также связано с разработкой и интеграцией технологий водородной энергетики в массы (например, переход на автомобили на топливных элементах). Однако уже сейчас на мировых рынках ожидают преобразований всей энергетической отрасли, если промышленная добыча белого водорода все же начнется.
Востребован многими
Где в дальнейшем он может использоваться?
— Как уже было сказано, водород может применяться как энергоноситель. Он способен обеспечить аккумуляцию энергии с применением альтернативных источников энергии, в частности для компенсации пиковых нагрузок (например, в случае солнечных панелей – когда солнце скрывается за тучи или наступает ночь, из запасенного водорода при помощи топливных элементов вырабатывается электричество, а когда солнце светит на солнечные панели, то излишек электрической энергии может быть затрачен на производство/хранение водорода), автономное энергоснабжение частных домов или отдаленных районов малой численности населения, энергопитание транспорта или космических энергоустановок и т.д.
Если мы рассматриваем краткосрочную перспективу, то это, конечно же, беспилотные системы. Водород в легком композитном баллоне способен обеспечивать намного большую длительность эксплуатации без подзарядки – уже сейчас БПЛА на водороде способны держаться в воздухе более 11 часов без подзарядки), складские погрузчики (металлогидридные системы хранения водорода обеспечивают высокую емкость, быстро заряжаются и могут служить противовесом), а также стационарные/контейнерные источники электропитания (представьте фургон с контейнером, к которому можно подключать электроприборы).
Водород также применяется в обеспечении силовых установок платформ на колесах, таких как EVO-1 (Россия). Подобные платформы разрабатываются и за рубежом в рамках проекта Silent Utility Rover Universal Superstructure (SURUS).
В долгосрочной перспективе, главным направлением является развитие автомобилестроения, где водород будет применяться в качестве источника энергии для топливных элементов. Уже в настоящее время имеется большой парк автомобилей на водороде, количество которых превышает 25 тысяч. Даже имеются гиперкары на водороде (Hyperion XP-1). Значительное внимание уделяется созданию общественного транспорта на основе топливных элементов, работающих на водороде. Демонстрационные проекты были реализованы еще в 2010 году, а некоторые концептуальные модели автобусов с топливными элементами были показаны на публике в 2005 году (Toyota FCHV-BUS).
В России также имеются свои разработки (например, автомобиль Лада АНТЭЛ, представленный в начале 2000, Aurus на водороде, планирующийся к выпуску с 2025 года, или трамвай на водороде, представленный компанией «Горэлектротранс» в Санкт-Петербурге в 2019 году). Имеются и проекты поездов на водороде (Alstom Coradia iLint, Германия), и даже концепции проектов пассажирских самолетов на водороде (Airbus ZeroE).
Водород может использоваться и в двигателях внутреннего сгорания путем его добавления к бензину, индукции в коллекторе или прямого введения. Также водород до сих пор применяется в качестве ракетного топлива.
Таким образом, у водорода огромное количество способов использования – стационарных и мобильных. И нахождение большого количества белого водорода действительно может оказаться одним из главных катализаторов энергетического перехода – при условии, что добывать и очищать его будет дешево.
Не все так просто
Какие трудности могут возникнуть при добыче белого водорода?
— Главное препятствие – труднодоступность мест и разведка таких скоплений водорода. Дело в том, что белый водород находиться либо на очень большой глубине в почве, либо в мировом океане. А определение мест, в которых имеются запасы белого водорода, крайне затруднено из-за того, что микроорганизмы, содержащиеся под поверхностью почвы, очень активно его поглощают, когда водород поднимается наверх. Есть и другие проблемы, например, неразвитая в настоящий момент инфраструктура, неопределенные затраты на бурение, отсутствие масштабных проектов в сфере водородной энергетики в целом в России.
До сих пор одной из главных проблем водородной энергетики является хранение и транспортировка водорода. В таком количестве белого водорода, которое может иметься под землей, необходима отлаженная система поставки этого водорода потребителю, а для этого требуются либо трубопроводы, устойчивые к водородному «охрупчиванию» (значительное снижение пластичности материала, которое делает его хрупким – прим.ред.) и не пропускающие водород через стенки, либо большое количество контейнеров/баллонов, способных эффективно и безопасно хранить водород. Кроме того, скорее всего, такой водород необходимо будет отделять от сторонних примесных газов. И в итоге все также упирается в экономику – насколько экономически целесообразно будет разрабатывать способы и определять место добычи, добывать, очищать, транспортировать водород.
Фото: ФедералПресс / Полина Зиновьева, фото из архива спикера