В последнее время крупные российские корпорации, такие как «Газпром», «Новатэк» и «Росатом» проявляют серьезный интерес к производству водорода. Государство поддерживает этот интерес и внесло в Энергетическую стратегию России предположение об экспорте водорода в объеме 200 тысяч тонн в 2024 году и 2 млн тонн в 2035 году. Это помимо собственного потребления водорода, которое в это же время будет также расширяться за счет более активного введения водорода в энергетике.
Подобные расчеты вполне понятны в свете того, что рост потребления водорода прогнозируется с нынешнего объема в 70 млн тонн ежегодно (в основном используется в нефтепереработке, производстве аммиака и производстве метанола), до 350 млн тонн в 2050 году. Российские компании рассчитывают занять сравнительно небольшой сегмент этого рынка, который предположительно должен возникнуть в ближайшие десятилетия; примерно 10-15 млн тонн экспортного водорода в 2050 году.
Позиция компаний, в сущности, проста: «Любой каприз за ваши деньги». Если возникнет спрос в достаточном объеме и платежеспособности, то будет и предложение. «Газпром», «Новатэк» и «Росатом» обладают техническими возможностями для крупного производства водорода, имеют энергетические мощности и сырье, а также инвестиционные ресурсы для такого проекта. В их способности поставить крупное производство водорода на экспорт нет особых сомнений, если только им не будут ставить чисто политических ограничений.
В обсуждении будущего водородной энергетики возникает трудность, поскольку приходится противостоять восторгу «чистой энергетики», помноженному на авторитет мировых энергетических структур, которые толкают водород в качестве топлива.
Однако, если посмотреть на ситуацию в целом, то можно сказать, что водород вряд ли станет не то, что ведущим видом топлива в мировой энергетике, но и вряд ли далеко выйдет из своей ниши химсырья и топлива в крупной промышленности. Водород будет и останется специфическим продуктом со специфической сферой применения.
Для этого сделаем некоторые подсчеты. Килограмм водорода дает 120 мДж, тогда как нефтяной эквивалент – 45 мДж на кг. Таким образом, килограмм водорода – 2,66 кг нефтяного эквивалента. 350 млн тонн водорода, прогнозируемого на 2050 год, равны 931 млн тонн нефти. При этом не весь водород будет использоваться в энергетических целях. Сейчас около 26% водорода используется как топливо (в основном, в виде добавки к природному газу или в составе синтез-газа). При более активном использовании водорода как топлива, можно ожидать, что 50% его будет потребляться в энергетических целях. Итого около 465 млн тонн в нефтяном эквиваленте.
В 2016 году мировое энергопотребление из всех источников составило 13,2 млрд тонн нефтяного эквивалента, в том числе 4,3 млрд тнэ нефти, 3,2 млрд тнэ газа, 3,7 млрд тнэ угля. До 2030 года ожидается прирост потребления в мире до 14,9 млрд. тонн нефтяного эквивалента, то есть на 1,7 млрд тнэ. В 2040 году ожидается потребление 18,8 млрд тнэ. Каждая пятилетка приносит прирост потребления примерно на 1 млрд. тнэ, так что в 2050 году можно ожидать потребления на уровне 20,8 млрд тнэ. Водород составит 2,2% от этого объема.
Так что без роста добычи нефти, газа и угля, мировой энергетике не обойтись. Водород не сможет разрешить ее проблем, и, ввиду роста общего энергопотребления, даже не сможет существенно сократить объем выброса углекислого газа.
Водород не имеет особых перспектив выбраться за пределы крупнопромышленного применения по причине своей высокой летучести и взрывоопасности. Программа перевода транспорта на чистое водородное топливо выглядит здорово, до тех пор, пока не бахнуло.
Бахнуть может очень даже здорово. Дело в том, что автомобили изнашиваются при эксплуатации, из чего следует, что будут изнашиваться и ослабляться все трубки, уплотнители и клапаны в системе хранения и подачи водорода в двигатель или топливные ячейки (см. на фото). Это создает возможность утечки водорода и смешивания его с воздухом с образованием гремучего газа. Взрывоопасные концентрации водорода лежат в пределах от 18 до 74%.
Поскольку водород легче воздуха, то при утечке он будет идти вверх и скапливаться в различных закрытых помещениях или объемах. Например, в салоне автомобиля. При среднем объеме салона автомобиля в 3,5 кубометра, достаточно 56,7 граммов водорода, чтобы образовать взрывоопасную 18%-ную смесь. Тротиловый эквивалент взрыва такой смеси в таком объеме – 1,6 кг. Взрыв водородо-воздушной смеси разнесет машину вдребезги.
Стандартный бак водородного автомобиля на 5 кг водорода, при смешивании с воздухом создаст газовую смесь, взрыв которой будет эквивалентен 142,5 кг тротила. Если в подземной парковке под жилым домом будет стоять водородный автомобиль с негерметичным баком, то дело может кончиться мощным взрывом и обрушением дома.
Потому перевод автомобилей на водородное топливо очень опасен, и несомненно будет запрещен, как только произойдет несколько достаточно серьезных инцидентов, связанных со взрывом водорода. Водород может использоваться на морских судах и, возможно, в железнодорожных локомотивах, где можно создать должные условия для безопасного применения водорода.
Поэтому, чистая водородная энергетика – это в значительной степени рекламный трюк и самообман ряда экспертов, чем реальные перспективы развития энергетики.
