Борис Марцинкевич
Водородная энергетика – «подводные камни» и «экологические мины»
Евросоюз объявил стратегический курс на отказ от употребления всех ископаемых энергоносителей и переход на водородное топливо. Какие «подводные камни» и «экологические мины» спрятаны в этом «дивном водородном мире»?...
Здравствуй, дивный водородный мир!
Автор – Борис Марцинкевич
В начале июля 2020 года еврокомиссар по энергетике Кадри Симсон выступила с кратким, но емким заявлением: «Цель ЕС – в том, чтобы к 2050 году стать климатически нейтральным. Это значит, что к этому времени мы выведем из употребления все ископаемые энергоносители, и все поставщики Евросоюза должны иметь это в виду». Единственной и неповторимой альтернативой углю, нефти и нефтепродуктам, природному газу назначен водород, при этом очевидно, что инициатива исходит не лично от госпожи Симсон – она всего лишь озвучила то, на чем больше всех настаивала Германия, правительство которой уже заявило об амбициозной национальной программе водородной энергетики, согласно которой уже к 2030 году в стране, к примеру, должны быть построены 20 ГВт дополнительных электростанций, предназначение которых будет только одно – производство так называемого «зелёного» водорода. Тема активно подхвачена и растиражирована многими новостными и даже аналитическими агентствами, спектр оценок которых начинается от очередной, невесть какой по счету, «смерти России» до оптимизма по поводу того, что именно наша страна и сумеет стать мировым лидером этого нового рынка. Информации много, систематизированной ее назвать невозможно, поэтому стоит попробовать привести ее в порядок.
«Здравствуй, чудный водородный мир!»
Если водород претендует на замену собой всех энергетических ресурсов разом, то и ему предстоит «взять» на себя всё, что сегодня касается алгоритма использования любого ископаемого топлива. Для того, чтобы использовать тем или иным способом уголь, газ и нефть, их, прежде всего, нужно добыть, а в случае водорода первым вопросом становится технология его производства. После добычи ископаемое топливо подлежит предварительной очистке – эта же процедура потребуется и при производстве водорода, он тоже должен быть максимально очищен от вредных примесей. Далее топливо нужно транспортировать к месту его использования или дальнейшей переработки – это в полной мере касается и водорода. Ну, и последний пункт в цепочке – использование топлива по назначению, сжигание с использованием той или иной технологии. Собственно говоря, именно по этому поводу нам всем и приказано испытывать энтузиазм и душевный подъём – ведь при сжигании топлива не образуется углекислого газа, единственный продукт его горения – вода, чистая, как слеза младенца. Легко и непринужденно мы избежим глобального потепления, улицы городов очистятся от смога, счастливая Грета Тунберг, избавленная от забот и тревог, снова пойдет в школу, будут цвести цветы, по ним весело станут порхать бабочки, снова начнут расти айсберги и ледовые поля в Северном Ледовитом океане, через Финский залив снова можно будет ходить зимой на лыжах, а мы с вами будем петь и смеяться, как дети.
Мы приносим извинения за то, что отказываемся от традиционного построения рассказов о водородной энергетике и начинаем с конца. Но выдающийся банкир современности уверяет, что обществу прежде всего нужны качественные потребители – вот и «побудем» таковыми какое-то время. Когда качественного потребителя спрашивают, откуда берётся электроэнергия, он уверенно дает безукоризненно точный ответ: «Из розетки!». Отбрасываем все подробности первых трёх этапов использования водорода – производство, очистку, транспортировку, рисуем в воображении картины восхитительного счастья. Водорода много, он доступен, на нем катаются все без исключения транспортные средства, возле каждой электростанции уже построены каскады бассейнов с теплой и чистой водой, благодаря чему в Воркуте цветут бананы, в Магадане собирают по два урожая ананасов в год, а на заборах вместо воробьёв уже индюки восседают. А как иначе? Вот же она, заветная формула сжигания водорода:
2Н2 + О2 --à 2Н2О
И эта замечательная химическая реакция сопровождается выделением большого количества тепла. Вот и вообразим на минуточку, что мы живём в мире, где реализованы все до одной водородные программы – немецкая, американская, программа ЕС и все прочие, благо их сейчас немало. Все, все успели и сумели, в воздух чепчики подбросили – и нет больше в употреблении ни нефти, ни газа, ни угля с ураном вместе, везде и всюду только водород: на электростанциях, в баках автомобилей и даже в плитах на наших кухнях. О том, как именно будет производиться водород, все нюансы отличий между водородом «зелёным», «голубым» и даже «коричневым», рассмотрим в следующий раз.
Механизм Зельдовича и оксиды азота
«Главная водородная формула» совершенно точна, но начинать придётся с того, чтобы опуститься на нашу грешную Землю, атмосфера которой отнюдь не состоит из чистого кислорода – его в ней куда как меньше, чем азота. Температура горения водорода в кислородной среде может превышать 2 800 градусов, то есть на тысячу градусов выше, чем температура горения метана, основной составляющей природного газа. Вот уже созрел первый вопрос – а из каких таких металлов выполнены топки водородных электростанций? Какие такие сплавы ведут себя прилично при температуре, скажем, в 2 500 градусов? Такая температура характерна для авиационных и ракетных двигателей, состав материалов для которых, конечно, известен, но известна и цена такого удовольствия. Ладно, отбрасываем эту досадную мелочь в сторону – денег у нас полным-полно, жаропрочных металлов на Земле пруд пруди – справимся, нам ли привыкать, мы вон и без денег держимся. Но вот с химией горения водорода в атмосферном воздухе справиться не получится – она не про бабочек на айсбергах, она куда как более суровая наука. И, как и во многих других отраслях научных знаний, в ней имеются непререкаемые авторитеты, которые стали непререкаемыми после того, как все желающие с ними попрекаться это сделали и убедились, что ничего не получается – аргументы корифеев незыблемы, как скала. Всё, что можно знать об образовании оксидов азота, в 40-е годы прошлого века сказал Яков Борисович Зельдович – у него тогда было ещё свободное время на занятия химией, это после создания Спецкомитета по атомной энергии он был занят до предела, пока не разработал теорию атомных и ядерных боезарядов. Химические реакции, которые неизбежно происходят между азотом и кислородом при наличии высоких температур:
N2 + O -> NO + N и N + O2 -> NО + O
Механизм образования оксидов азота так и называют – механизм Зельдовича. Чуть позже был открыт ещё и механизм Фенимора, по имени открывшего его ученого, но нам дополнительные тонкости в этот раз не требуются, нам уже и так хорошо.
Бесконечные рассказы о зловредности углекислого газа – дело полезное, но они похоронили под собой описание тех «радости и счастья», которую нам с вами обеспечивает присутствие в окружающем нам воздухе оксид азота. «NO не имеет запаха, но при вдыхании может связываться с гемоглобином крови, переводя его в форму, не способную переносить кислород, Оксид азота в высоких концентрациях раздражает легкие и может приводить к серьезным последствиям для здоровья. Он легко соединяется с водой и растворяется в жире и может проникать в капилляры легких, где он вызывает воспаление и астматические процессы. Высокая концентрация оксидов азота сначала дает неприятные ощущения и жжение, при ее дальнейшем повышении вызывает летальный исход. Более низкие концентрации могут вызывать головную боль, проблемы с пищеварением, кашель и легочные заболевания. Больного могут беспокоить конъюнктивит, ринит и фарингит за счет раздражения слизистых оболочек, проявляющихся кашлем, слезотечением и общим недомоганием. На следующей стадии отравления появляется влажный кашель со слизистой или кровянистой мокротой, одышка, цианоз, тахикардия и фебрильное повышение температуры. Возникает чувство страха, психомоторное возбуждение и судороги. В отсутствие квалифицированной медицинской помощи приводит к летальному исходу».
Достаточно? Нет. Именно наличие в воздухе оксидов азота в высокой концентрации – причина кислотных дождей, о которых нам тоже любят рассказывать. Оксиды азота в разы опаснее для человека, чем углекислый газ, а более высокая температура сгорания водорода неизбежно приведет к более интенсивному их образования. Здравствуй, дивный водородный мир!
На практике это означает, что на всех электростанциях, на которых будет использоваться горение водорода, потребуется дополнительное оборудование для выделения из атмосферного воздуха чистого кислорода. К смете на строительство самих электростанций, которая и так уже радует глаз из-за материалов топочного оборудования, добавится ещё N инвестиций, причем нельзя исключать того, что это станет отдельным термином – «N-инвестиции». При некотором напряжении, не исключено, что такое оборудование можно будет умудриться ставить на тяжелые грузовики, железнодорожные локомотивы и даже морские и речные суда, а вот оснастить им же ещё и легковые автомобили не получится – тогда легковые автомобили автоматически начнут превращаться в грузовые. Вот ещё одно, дополнительное направление необходимого развития технологий – миниатюризация оборудования для сепарирования атмосферного воздуха. Мы, квалифицированные потребители, согласны либо подождать, либо смириться с тем, что оксидов азота в городском воздухе будет становиться больше, а кислотные дожди будут идти чаще. Конечно, можно еще пробовать экспериментировать с интенсивностью подачи водорода в камеру сгорания, чтобы температура была ниже порогового значения, после которого механизм Зельдовича включается в действие автоматически. Однако тогда становится менее очевиден смысл использования водорода в качестве топлива – КПД двигателя окажется сопоставим с КПД обычного двигателя внутреннего сгорания, использующего бензин или дизель. Как потребители потребителям – сейчас средняя цена килограмма водорода составляет около 8 долларов, что, мягко будь сказано, значительно превышает стоимость традиционных видов топлива.
Опытно-исследовательские данные из Японии
Если же речь вести об энергетических компаниях, живущих и работающих в реальном мире, а не в мире фантазий европейских чиновников, то среди них нет желающих вышвыривать на свалку истории оборудование электростанций и устанавливать новое, из дорогих сплавов с вольфрамом, молибденом, титаном. На всякий случай напомним, что цель деятельности любой компании – прибыль для их акционеров, а не чьи-то мечтания, да ещё и дорогостоящие. Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS) еще несколько лет назад успешно испытала газовую турбину большой мощности на одной из своих электростанций, подав в камеру сгорания природный газ с добавкой 30% водорода. Температура газов на выходе – 1600 градусов, оборудование такую нагрузку, хоть и не без сложностей, но выдержало. КПД незначительно, но увеличился, а вот количество образовавшегося углекислого газа оказалось ниже сразу на 10%, а по поводу оксидов азота японская компания информацию раскрыла не полностью, ограничившись фразой «остались на приемлемом уровне». Рекомендация MHPS – экономически оправдано и экологически полезно использовать топливную смесь из 80% природного газа и 20% водорода. Там же, в Японии, в 2018 году Kawasaki Heavy Industries и Obayashi провели краткосрочные испытания турбины при подаче в камеру сгорания 100% водорода. Об экономике эксперимента отчета не последовало, но вполне достаточно знать о том, что принадлежащая консорциуму этих компаний ТЭЦ в Кобе работает на смеси водорода и природного газа 20% на 80% – то есть в соответствии с рекомендациями, которые дала MHPS. Эксперименты с добавками водорода в топливную смесь для газовых ТЭЦ идут, конечно, не только в Японии, но мы рассказали о самых оптимистичных результатах, которые зависят от национальных технических стандартов для оборудования и материалов, из которого оно произведено.
Вот таковы, в соответствии со стандартами, допустимые доли водорода в природном газе на день сегодняшний: Бельгия, Новая Зеландия, США, Великобритания – 0,1%; Германия – 10%, Нидерланды – 12%. Водородные мечтания о полном отказе от использования традиционного топлива на сегодняшний день проигрывают суровой действительности – нужны целые серии научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, нужны изменения национальных технических стандартов, проверка полученных результатов на опытно-промышленном оборудовании и так далее. За каждым использованным в предыдущей фразе термином незримо стоят вопросы о финансировании, о квалифицированных кадрах, о необходимом времени – с учетом того, что никто ведь не гарантирует, что все эксперименты и испытания окажутся успешными.
Если уж Германия и Евросоюз действительно хотят реализации своих «водородных программ», то в этих программах, на наш взгляд, должны присутствовать графики проведения НИОКР и последующих испытаний, должны быть предусмотрены соответствующие инвестиции, а вот жестких сроков быть не должно – в том случае, если коллективы разработчиков программ не возглавляют прямые потомки Мишеля Ностардамуса, конечно. И речь не о некоем абстрактном «финансировании вообще», а о конкретных НИИ, исследовательских группах и их объединениях. Впрочем, это не наши с вами заботы – если в бюджетах ЕС и в бюджетах отдельных государств имеются запасы денег, пусть тратят так, как считают нужным. А пока, если без «водородных жар-птиц», то можно опираться на расчеты МЭА, Международного Энергетического Агентства: создание масштабной европейской сети электростанций, где использовалось бы газово-водородная смесь в пропорциях 80/20, обеспечит снижение выбросов углекислого газа на 7% или на 60 млн тонн. В своих расчетах МЭА опиралось на данные, полученные в Японии – по той простой причине, что эти данные были «добыты» в нормальном для любой новой технологии режиме. А текст от европейского чиновника про 100% водорода, про полное отсутствие выбросов углекислого газа и при полном склерозе относительно оксидов азота характеризуется просто и незатейливо – популизм.
