Водород: подборка того, что успели сделать на ноябрь 2021 года
Последний год в новостях очень много говорят про применение водорода в качестве топлива или компонента эдакого «аккумулятора» для долгосрочного хранения энергии. Но разговоры все больше о будущем. В этом посте я хочу просуммировать то, что уже пошло в серию или можно «пощупать руками». Плюс немного осязаемых перспектив, в том числе и для России.
Почему водород
Этот пост — продолжение предыдущей статьи «От сжигания до электролиза: история водородного транспорта и проблемы массовой эксплуатации», где речь шла об истории применения водорода на транспорте и связанных с этим проблемах. Часть этих проблем в том, что водород сложно хранить в чистом виде. Вдобавок он крайне взрывоопасен, и для работы с ним далеко не всегда можно использовать оборудование, ориентированное на ископаемое топливо. И самый главный недостаток на сегодняшний день — высокая цена для потребителя.
Несмотря на недостатки, на водород сейчас делают ставку практически все: ученые, политики, бизнес. Потому что весь мир держит курс на декарбонизацию, и альтернатив водороду не так много: ядерной энергетики побаиваются, «термояд» будет лет через 30, а большинство возобновляемых источников без технологий хранения способны выдавать энергию лишь 20% времени.
Поэтому пока водород. Вдобавок всю осень новости и события по этому направлению сыплются как из рога изобилия.
Транспорт
В классическом понимании автомобиль, работающий на водороде, — это электромобиль, который, помимо небольшого аккумулятора, оснастили электрохимическим генератором — водородной топливной ячейкой (FCEV — Fuel Cell Electric Vehicles). Ее мощность обычно заметно ниже мощности установленных электромоторов, поэтому аккумулятор служит своеобразным буфером, восполняющим недостаток энергии, когда водитель «вдавил тапку» на полную.
У идеи полно и сторонников, и противников. Тот же Илон Маск считает технологию топливных ячеек бесполезной, поскольку КПД обычного электрокара чуть ли не вдвое выше, чем КПД авто на водородной тяге, если считать эффективность использования именно первоначально выработанной энергии. И он не один выражает скепсис. Тем не менее…
Легковые автомобили
Если говорить не о тестовых моделях или малых сериях, то начать стоит с 2014 года, когда стартовали продажи первых массовых водородомобилей Toyota Mirai и Hyundai Tucson Fuel Cell. Массовость довольно условная: к 2020 году даже с поддержкой государства японский производитель продал всего 6 тыс. машин. Не много. Правда, 2021 год стал переломным. К осени по всему миру разошлись уже около 11 200 водородомобилей разных производителей.
Toyota Mirai 2021 модельного года
Кроме Toyota, свои водородные автомобили выпустили почти все крупные компании: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler. Сейчас на первое место по продажам вырвался Hyundai Nexo, заняв примерно половину рынка. Но это благодаря стимуляции продаж в Южной Корее. В целом же до спроса на обычные электромобили им пока очень далеко.
По данным аналитиков Canalys, классических «электричек» только за первое полугодие 2021 года продали порядка 2,6 млн.
Кстати, насмотревшись роликов про то, как люди подставляют под выхлопную трубу водородомобиля стакан и наполняют его водой, стала гуглить решение проблемы с водородным выхлопом зимой —, а именно обледенением выхлопной системы и дорожного полотна. Увы, тишина. Возможно, что проблема не так остра.
Пассажирские перевозки: автобусы и поезда
С середины 2020 года 10 водородных автобусов курсируют по улицам немецкого города Вупперталя. Пассажировместимость каждого из них — порядка 75 человек. В конце 2020 в шотландском Абердине появились двухэтажные автобусы на водороде от компании Wrightbus. Впоследствии они начали возить пассажиров и по Лондону, правда, их раскритиковали за космическую стоимость (650 тыс. долларов) и сомнительную экологическую эффективность. Вероятно, из-за того, что водород для них получают из природного газа, при разложении которого выделяется тот же самый CO2.
Администрация шотландского города Абердина и топ-менеджеры Wrightbus позируют на фоне первого водородного автобуса
Кстати, в прошлом году в Китае продали 993 водородных автобуса. Так что эксперименты в Европе в этом плане выглядят бледно.
Чуть лояльнее общественность смотрит на водородные поезда. На железной дороге водородные топливные ячейки позволяют отказаться от электрификации тех участков, где до сих пор курсируют дизели, — получается формальное сокращение выбросов. Например, с 2018 года поезда Coradia iLint от компании Alstom ездят по Германии. Также на пробу по несколько штук их взяли Австрия, Швеция и Франция.
Водородный Alstom Coradia iLint во Франции
На одной заправке такой поезд проезжает около 600 км. И в перспективе должен заменить почти четыре тысячи дизельных региональных поездов по всей Европе.
Магистральные грузоперевозки
Возможно, чуть больше краткосрочных перспектив у водорода в сегменте грузовых перевозок. Учитывая мощности и энергозатраты, грузовикам на электричестве нужны более емкие аккумуляторы. Они стоят дороже и заряжаются дольше, чем аккумуляторы легковушек. В итоге перевозка грузов становится слишком дорогой. Как раз тут могут быть полезны водородные топливные элементы. Хотя однозначно ставку в пользу водорода пока не сделал ни один автопроизводитель — многие одновременно развивают и водородный, и электрический грузовой транспорт, иногда даже на одной платформе.
Из последних громких проектов — во Франции Gaussin представил водородный грузовик, который примет участие в ралли «Дакар-2022». Он оснащен двумя электродвигателями по 402 л. с. и топливным элементом, генерирующим непрерывно эквивалент 510 л. с. Емкость аккумулятора 82 кВт·ч. Для сравнения: мощность двигателей внутреннего сгорания КАМАЗов, участвующих в «Дакаре», — 1150 л. с. Но новый водородный грузовик будет помещен в отдельную категорию, так что КАМАЗ ему не соперник.
Кстати, аккумулятор у Gaussin весьма компактный — всего 82 кВт·ч, примерно как у старших моделей Tesla
С грузовиками экспериментируют многие крупные производители, причем не только европейцы вроде Daimler, но и китайцы — FTXT Energy Technology (подразделение Great Wall Motor).
Водородный грузовик FTXT Energy Technology с топливными элементами мощностью 111 кВт (~151 л. с.)
В августе FTXT поставили на внутренний рынок 100 грузовиков, которые будут работать на одной из масштабных строек. И установили для них десяток заправочных станций.
Водный транспорт
Как и в случае с грузовыми магистральными перевозками, на судах водородные топливные элементы могут обеспечить ту автономность, которой не хватает обычным аккумуляторам. Наиболее активно эту идею сейчас применяют в подводных лодках.
Как правило, электрические подводные лодки заряжают аккумуляторы от дизелей, для запуска которых необходимо всплыть. Замена дизеля на водородный топливный элемент делает процедуру зарядки воздухонезависимой (при условии использования смеси газов). Лодка становится тише и автономнее.
Германия уже эксплуатирует подводные лодки U-212 (и U-214, как экспортный вариант) на базе водородных топливных элементов FC2G AIP (Air-Independent Propulsion Fuel Cell 2nd Generation), разработанных компанией Naval Group. Топливные элементы получают водород из синтетического газа: смеси дизельного масла, рециркулируемого кислорода и пара — см. ссылку выше. Так что на борту не приходится хранить чистый водород. Сегодня технология распространилась шире. Свои разработки есть и в России, но на них мы остановимся чуть позже.
Есть и надводные суда с водородной установкой. Например, Energy Observer, спущенный на воду во Франции еще в 2017 году.
Фактически это плавучая лаборатория, которая среди прочего «обкатывает» водородные технологии. И на результаты этих тестов есть спрос. Например, Исландия собиралась перевести на водородное топливо свои рыболовецкие суда. Правда, о сроках проекта ничего не известно.
Energy Observer обслуживает команда из восьми человек. Максимальная скорость от двух электромоторов составляет 18 км/ч
Воздушный транспорт
Электросамолеты развиваются не так бурно, как электромобили. Литий-ионные аккумуляторы здорово ограничивают возможности летательного аппарата: в пересчете на километры полета аккумуляторы весят в десятки раз больше, чем ископаемое топливо. Но проектов все равно появляется довольно много. Водородные топливные ячейки, как и в случае с грузовым транспортом, раздвигают границы их применения.
И не только стартапы тестируют идеи, авиагиганты тоже не хотят остаться за бортом. В 2008 году Boeing провел испытания двухместного водородного самолета на базе модели Dimona.
В одном из тестовых полетов Boeing поднялся на высоту одного километра и в течение 20 минут поддерживал скорость в 100 км/ч, питаясь только от электрохимического генератора
Airbus в 2020 году представил сразу три концепта самолетов на водороде. Правда, все они будут напрямую сжигать водород, а не превращать его в электроэнергию с помощью топливных элементов.
Концепт Airbus ZEROe с газотурбинными силовыми установками похож на модель A320neo
Hyundai в октябре этого года создала профильное подразделение, а к 2028 году собирается выпустить гибридные электросамолеты. Но пока о них рано говорить.
Альтернативный подход к применению водорода на транспорте
Помимо использования топливных ячеек, есть и другие способы задействовать водород.
Во-первых, можно преобразовать водород в синтетический метан, метанол или аммиак (самое интересное направление) и уже их использовать в качестве топлива. Тут есть перспективы в судоходстве и авиации, так как в этих отраслях сложно использовать обычный сжатый водород.
Во-вторых, водород можно использовать в двигателях внутреннего сгорания. Уже на Олимпиаде 1980 года в СССР работали подобные гибридные микроавтобусы, где в цилиндры при малых нагрузках вместо бензина подавался водород или их смесь. А еще раньше из-за нехватки бензина под водород переоборудовали двигатели грузовиков в блокадном Ленинграде, про которые мы писали в предыдущем посте.
В теории водород можно использовать в ДВС и без серьезных изменений в конструкции. Но он реагирует со смазочными материалами и повышает износ двигателя, а также требует более интенсивного теплоотвода из-за повышенной температуры горения.
Водород в ДВС использует выпущенный в 2007 году BMW Hydrogen 7. А еще — Mazda RX-8 Hydrogen RE, автобус Ford E-450. И в каком-то смысле это направление развития транспорта все еще актуально. Например, недавно появилась новость о том, что Yamaha Motor адаптировала пятилитровый V8 от Toyota под водород — разработка заточена под гонки. Да и вообще производители ДВС сдаваться в экогонке не намерены.
Переделанный компанией Yamaha под водород пятилитровый Toyota 2UR-GSE. Мощность — 456 л. с., крутящий момент — 540 Нм
К сожалению, использование водорода в ДВС все же подразумевает выбросы в атмосферу: при горении водорода кислород и азот из воздуха тоже вступают в реакцию, так что побочным продуктом горения будет оксид азота. И выбросы будут тем больше, чем выше температура в камере сгорания.
Инфраструктура
Вопрос развития транспорта FCEV напрямую зависит от распространения водородных заправок. И это проблема. К началу 2020 года в мире было всего 470 заправочных станций (более свежих данных мне не удалось найти, поделитесь, если знаете). Большая часть из них располагалась в США, Канаде, Китае, Японии и Германии.
Много стран и компаний пытались улучшить ситуацию. Например, в начале 2021 года в Корее вступил в силу закон, регулирующий развертывание инфраструктуры под водородные автомобили. К 2040 году они планируют построить 1,2 тыс. заправок, чтобы ими пользовались 80 тыс. такси, 40 тыс. автобусов и 30 тыс. грузовиков (которых пока нет).
Daimler собирается к 2030 году построить 150 заправочных станций в Германии, Нидерландах, Бельгии, Люксембурге и Франции. Освоить этот рынок обещает и Hyundai. В середине прошлого года компания заявила о том, что строит водородную заправку в Корее — в Чханвоне, — после чего «растиражирует» ее по другим регионам.
Энергетика
В разрезе новой водородной экономики обычно речь идет о применении водорода для хранения энергии в течение длительного времени. Например, при энергоснабжении удаленных изолированных объектов.
Возможность запасать энергию при помощи водорода может быть особенно полезна в случае с возобновляемыми источниками энергии, где генерация электричества прерывистая. Излишки электроэнергии можно использовать для производства водорода и хранить его в надземных или подземных резервуарах — например, в выработанных нефтегазовых месторождениях (этот способ пока не пробовали, и с ним есть много проблем). Когда потребность в электроэнергии возрастет, водород будут выкачивать из хранилища и использовать в топливных элементах либо добавлять к природному газу, питающему электростанции, для получения электричества.
Сжигание водорода отдельно или в смеси
Развитие электростанций, где можно энергоэффективно и безопасно сжигать водород в смеси с природным газом, упирается в разработку турбин. В Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS) не так давно отмечали, что существующие турбины могут «переварить» до 20% водорода в смеси. И таких проектов много, а корейцы так и вовсе собираются идти именно этим путем.
Из живых примеров — еще в 2010 году в пригороде Венеции энергетическая компания Enel запустила маломощную электростанцию на чистом водороде.
Правда, она использовала не «зеленый» водород, а продукт с газоперерабатывающего завода, расположенного по соседству. Стоимость электроэнергии получилась в пять раз дороже, чем у ТЭС. Плюс никто не отменял повышенные выбросы в атмосферу оксидов азота. Вдобавок при разложении природного газа методом паровой конверсии выделяется то же количество СО2, что и при обычном его сжигании.
Топливные ячейки
Такой формат отлично подходит для резервного питания удаленных объектов, к которым нет смысла прокладывать электрические сети: от сотовых вышек до полярных станций. Все, что нужно, — это раз в год заправлять газгольдеры. И такие проекты тоже существуют. Но есть и куда более интересные.
В Чили в 2017 году запустили солнечную электростанцию мощностью 125 кВт, где для накопления энергии используют литиевые батареи (на 132 кВт·ч) и систему хранения на основе водорода (на 450 кВт·ч). Проект принадлежит компании Enel Green Power, подразделению того же энергетического гиганта, который запускал электростанцию в пригороде Венеции.
А уже в этом году в городе Инчхон в Южной Корее ввели в эксплуатацию крупнейшую в мире электростанцию на водородных топливных элементах.
Ее построила компания Doosan Fuel Cell. Максимальная выработка — до 78,96 МВт. Еще один аналогичный объект строят неподалеку от Сеула.
Водородная электростанция в Инчхоне обошлась в 292 млн долларов
Хранение и транспортировка
В этой области есть проблемы на всех уровнях. И их еще предстоит побороть.
Хранение у потребителя
Водород в газообразной форме чрезвычайно летуч и занимает огромный объем. Энергия, запасенная на единицу объема, слишком мала, чтобы убедить конечного потребителя держать такие емкости.
Логичный путь — сжижать. Но это дорого: сжижают водород при температуре около 20 градусов по шкале Кельвина (ниже –252 по Цельсию). Для хранения и транспортировки водорода при этих температурах нужны специальные (дорогие!) сосуды и оборудование. Так что остается только максимально сжимать в баллоны — именно так заправляют газом водородные автомобили. Но объемное содержание водорода все равно не так велико, как хотелось бы.
Перспективный способ хранения водорода — в соединениях с другими элементами в виде гидридов. Некоторые сплавы металлов способны поглощать и отдавать при нагревании большие объемы водорода, что позволяет хранить и перевозить топливо в твердом виде.
Альтернативный путь — связать водород в какое-либо жидкое соединение, например в аммиак, чтобы его можно было налить в канистру или цистерну.
Подбор подходящих методов — одна из ключевых проблем водородной энергетики. И коммерчески успешных примеров пока нет.
Доставка
До конечного потребителя водород еще надо как-то доставить. Наш мир опутан сетями газопроводов, но под водород их задействовать проблематично. Дело в несовместимости материалов с водородом, особенно при высоких давлениях.
Водород просачивается практически через все. И вдобавок вступает в реакцию с металлами, делая их более хрупкими.
Существующие распределительные (до конечных пользователей) сети низкого давления можно использовать, если водорода в смеси будет небольшое количество. Эту идею на практике проверил проект GRHYD во Франции, который начал подмешивать 6% водорода еще в 2018 году, а в 2019 году довел это значение до 20%.
А вот магистральные газопроводы однозначно придется модернизировать. Проект Snam в Италии успешно экспериментировал с подмешиванием 10% водорода в природный газ без модернизации, но информации о результатах тестирования на более высоких концентрациях пока нет.
По аналогии с природным газом большие объемы водорода на дальние расстояния можно перевозить в танкерах. На практике существует только один подходящий корабль — его построила компания Kawasaki для рейсов из Австралии. Второй корабль они планируют построить только к 2023 году.
Танкер Kawasaki Suiso Frontier, предназначенный для перевозки жидкого водорода. Первый коммерческий рейс запланирован на 2022 год. В отдаленных планах — построить еще 80 подобных судов
Перспективы
Китай, Япония, Евросоюз, США и Канада, а также ряд других стран, включая Россию, уже имеют собственные стратегии развития водородной экономики. Например, КНР хочет, чтобы к 2030 году по дорогам страны катались два миллиона водородных автомобилей. Европа планирует полностью отказаться от авто с двигателями внутреннего сгорания к 2040 году и часть из них заменить водородомобилями.
Реалистичность этих прогнозов оценить сложно. За последние сто лет водород несколько раз уже привлекал к себе внимание. Но каждый раз интерес к нему падал из-за того, что ряд технологических вопросов так и не решили. И сейчас нет ответов на все вопросы. Вдобавок к вышеперечисленному встает вопрос безопасности. Например, в Норвегии в 2019 году на заправке произошел взрыв, в результате чего все водородные проекты в стране приостановили до окончания разбирательств. Разобрались, но проблема безопасности так и не решена.
Последствия взрыва на водородной заправке в Норвегии
Но самый главный барьер — это цена водорода. Переход на недорогой водород, полученный по «грязной» технологии из ископаемого топлива, не имеет смысла. В контексте декарбонизации нужен так называемый «зеленый» водород, при производстве которого не выделяется CO2 или когда весь углерод удалось уловить. Сейчас применяют несколько таких технологий. Например, электролизом из воды, щелочного раствора или электролизом с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM).
Диапазоны стоимости получения одного килограмма водорода в долларах США в зависимости от способа. Больше 90% водорода сейчас производят из природного газа или угля с выделением углекислоты
В любом случае каждая из этих технологий требует электроэнергии из других источников, в том числе для сжатия, то есть углеродный след не нулевой. А полностью «безуглеродных» методов промышленного масштаба пока нет.
В итоге бизнес высказывается, что если через 5–10 лет технологии производства станут существенно дешевле, то логичнее немного подождать. А потом начать внедрение с тех областей, где водород наиболее оправдан: с магистральных перевозок на грузовых автомобилях, железных дорог, водного транспорта.
Потребности остальных сегментов даже лет через 10 вполне можно будет удовлетворить электромобилями. Европа активно развивает электрозаправки, а создавать инфраструктуры сразу под несколько видов альтернативного топлива государствам слишком накладно.
Тем временем в России
Совсем недавно водородную энергетику у нас объявили одной из 42 стратегических национальных инициатив и собрали консорциум из 30 компаний, которым предстоит реализовывать подобные проекты. Но пока мы далеко не в лидерах.
У нас есть наработки по производству, хранению и транспортировке водорода. В конце концов, его десятилетиями используют в качестве ракетного топлива и еще во времена СССР доставляли из Подмосковья на Байконур.
Но при этом в России работает только одна водородная заправка — в подмосковной Черноголовке. Находится она на территории НИИ, который экспериментирует с данными технологиями.
Ее построили, чтобы заправлять экспериментальные автомобили, но в целом считают общедоступной, сейчас ей пользуется около 20 организаций. Водород на нее привозят с предприятия Linde Gas в Балашихе в баллонах под давлением 150 атмосфер. Станция доводит давление до 500 атмосфер, чтобы можно было заправлять автомобили. Полная заправка Toyota Mirai на ней займет шесть минут и обойдется в 9 тыс. руб. Это по себестоимости.
Из того, что еще можно пощупать руками, — это производство водородных топливных элементов — AT Energy, которое работает с 2014 года. По части транспорта есть примеры с водородным трамваем в Санкт-Петербурге.
Экспериментальный трамвай на водороде (фото: fontanka.ru)
Как оказалось, сооружение контактной линии и кабельной сети для трамваев обходится в 35 млн руб. за километр. Плюс подстанции по 100–150 млн за штуку через каждые 2,5 км. На этом фоне водород уже не кажется таким бесперспективным.
В Москве с 2022 года планируют тестировать водоробус — автобус на водородной тяге. «КАМАЗ» и «Роснано» уже подписали соглашение.
По слухам, стоимость одного экземпляра составит 150 млн руб. Понятно, что такие жертвы — ради эксперимента и обкатки технологий
Из прочего — в 2007 военные успешно экспериментировали с проектом подводной лодки Б-90 «Саров» со вспомогательной водородной установкой, помогающей продлить автономное подводное плавание.
До этого было много попыток в автотранспорте. Например, в начале 2000-х годов «АвтоВАЗ» экспериментировал с ВАЗ-2131 и ВАЗ-2111. Первый прототип создали в 2003 году в Королеве, он мог разгоняться до 80 км/ч, работая на водороде и кислороде. Второй автомобиль использовал водород и воздух и развивал скорость до 100 км/ч. По экономическим соображениям в серию автомобили так и не пошли.
Сейчас пилотный проект есть у «Группы ГАЗ» совместно с ElektrofahrzeugeStuttgart (EFA-S), правда, в Германии. Они планируют выпустить водородную ГАЗель NEXT.
Про водород задумался и Aurus — российский бренд автомобилей для первых лиц государства. В этом году он анонсировал модель Hydrogen на топливных элементах, но технических подробностей пока нет.
Что еще есть у России? Планы. Очевидно, что водородный пузырь бум уже начался, и хочется понимать, насколько мы будем в игре. В целом водородная стратегия РФ вполне гуглится, но представляет собой громоздкие документы, требующие долгого изучения и расшифровки. Я их качнула и даже пообещала себе все прочитать. Однако мне повезло: увидела презентацию выступления профессора Южно-Российского ГУ экономики и сервиса Ивана Бринка, по совместительству президента и основателя НП ИТЦ «ИнТех-Дон», в наших Точках. В ней оказалась отличная выжимка. Далее — тезисно, чтобы не загромождать пост.
Будут автобусы, заправки, мини-электростанции и экспорт
В правительстве поставили три вехи: 2021, 2024 и 2030 годы. По 2021 году в основном идут всякие бумажные истории — разработка ТУ, анализы перспектив, технико-экономические обоснования и прочее, с назначением крайних и ответственных. А вот дальше интереснее.
2024
Планируют запуск пилотных когенерационных (электричество + тепло) установок на топливных элементах мощностью до 1 МВт. По сути — водородные мини-ТЭЦ;
обещают запуск серийного производства водородных автобусов, автомобилей коммунальных служб и локомотивов для РЖД;
ввод в тестовую эксплуатацию водородных заправок в пяти регионах;
ввод в эксплуатацию промышленных кластеров по производству «бирюзового» водорода (с конденсацией чистого углерода при крекинге метана), «голубого» (со сбором и утилизацией CO2) и «зеленого» (из ВИЭ) на востоке России, экспорт водорода не менее 200 тыс. тонн.
2030
10% работающих мини-ТЭЦ мощностью до 1 МВт будут водородными;
в крупных городах 50% автобусов и 20% авто коммунальных служб будут водородными;
крупномасштабное производство водорода и экспорт 1 млн тонн;
открытие производств различного оборудования и установок для работы с H2.
Очевидно, что за неимением более простых альтернатив весь мир сейчас пойдет в эту сложную и дорогую историю с водородом. Судя по данной стратегии, мы опять хотим стать поставщиком энергоресурсов. Благо у нас есть большой потенциал в «зеленом» плане с теми же сибирскими ГЭС, а также в освоении производства водорода из природного газа с одновременной утилизацией СО2.
Как я понимаю, дальнейшие пути развития будут зависеть от того, насколько это все окажется выгодным. Вдруг нас ждет прорыв в аккумуляторных технологиях (сверхбыстрая зарядка) или термоядерном синтезе (про ITER мы писали уже)? Тогда водород останется нишевой историей. А может, и вовсе повторит судьбу биотоплива, о котором за несколько лет все уже забыли. Хотя ставки на водород сейчас куда масштабнее, ведь большинство стран планируют стать углеродно нейтральными.
