(Конспекты) О «водородной мечте»

В августе 2021 года была принята Концепция развития водородной энергетики в РФ.

Предполагалось, что основную пользу от неё получат экспортеры водорода и технологий работы с ним., а основным потребителем виделись страны ЕС, ускоренно декарбонизирующие свои экономики в рамках «Зелёной сделки».

С началом СВО стало очевидно, что ЕС освобождается от вполне конкретных источников любой энергии, поступающей из РФ. Надежда на перспективный западный рынок водорода исчезла.

И как теперь? Речь об отечественной водородной программе шла на X форуме «Композиты без границ» в московском Экспоцентре в конце марта 2023 года.

При чём тут композиты?

Водород — очень лёгкий и летучий газ. Если его использовать в качестве топлива для транспорта, то как его в этом транспорте хранить? Долгие годы ходили слухи, что использовать будут гидриды металлов, которые отдают водород при нагревании до высокой температуры. Однако, похоже, материаловеды так и не смогли подобрать вещества, способные удовлетворить запросы конструкторов.

Поэтому в повестке дня оказались сосуды высокого давления, которые выдерживают чудовищное давление в 700 атмосфер. Никакой металл на это не способен, поэтому приходится делать сложную оболочку для такого сосуда. Она состоит из слоя полимерных или углеродных волокон, намотанных в определенном порядке на тонкий алюминиевый или стальной сосуд и залитых пластиковым связующим: композит придает прочность, металл — герметичность.

Способ изготовления сосудов высокого давления по такой композитной технологии не нов, однако никогда прежде не требовалось массово выпускать сосуды, рассчитанные на столь высокие давления. А те технологии, что используют для специфических целей, вроде космических, никак не рассчитаны на рыночные условия, потому что уникальные сосуды выходят очень дорогими.

Однако на самом-то деле пока что массового рынка нет, по крайней мере, в РФ, как нет и массового производства водорода, разве что для нужд химической промышленности.

И, кто он, этот покупатель сосудов с водородом?

Это водородные поезда. Их создают в рамках проекта Сахалинского водородного кластера, формированием которого руководит компания «Росатом Оверсиз».

На Сахалине и в Охотском море имеются большие запасы природного газа. Его сжижают и по большей части отправляют на экспорт в Корею, Японию, КНР, во Вьетнам. С началом «зелёного перехода» возникла угроза этому экспорту. Тогда-то и появилась идея получать водород паровой конверсией метана, а образующийся при этом углекислый газ складировать в различных полостях земли, которых на Сахалине имеется изрядно. Такой водород можно попытаться выдать за «зелёный», поскольку при его производстве действительно нет выбросов углекислого газа в атмосферу. Водород, сделанный из метана, оказывается самым дешевым, менее 2 долларов за килограмм, да и потери энергии выходят меньше, чем если этот же природный газ сжечь, выработать электричество и получить водород электролизом воды. Сделать электролизный водород сейчас стоит 6 долларов за килограмм.

Однако такой водород — всё равно торговля сырьем, от чего страна хочет уйти. Поэтому придумали идею пустить водород на благо транспортной инфраструктуры острова — убить одним выстрелом целых трёх зайцев: обеспечить развитие региона, дать гарантированный сбыт для продукции водородного завода, отработать технические решения по водородному железнодорожному транспорту, которые можно будет продавать всем желающим приобщиться к «зелёной повестке».

В рамках концепции энергетической сверхдержавы, в проекте Сахалинского кластера имелся западный партнер — одна из крупнейших мировых компаний по производству технических газов «Air Liquide» со штаб-квартирой в Париже. Однако после февраля 2022 года она вышла из проекта. И с сентября 2022 года в разработке проекта завода участвует Китайская энергоинжиниринговая компания, которая в будущем станет этот водород покупать. Специалисты считают, что замена стратегического партнера не скажется на сроках проекта: производство и отгрузка водорода начнётся в 2025 году, тогда же пойдёт и первая водородная электричка. Вот для локомотива этой электрички и понадобятся баллоны высокого давления с водородом.

А почему не жидкий водород?

Получить жидкий водород не просто, так как при температуре -240°С и давлении 13,3 МПа он переходит в сверхкритическое состояние. То есть сколько его ни сжимай при комнатной температуре (а так получают жидкие углекислый газ, пропан, бутан, хлор, аммиак), в жидкость он не обратится. Поэтому надо водород охлаждать.

Однако охлаждают газ также за счёт сжатия и последующего расширения в специальных устройствах — детандерах. Водород приходится охлаждать долго — каждый новый градус дается со всё большим трудом.

Сейчас промышленного производства жидкого водорода и готовых технологий для этого в РФ нет. Но не всё потеряно. В СССР были созданы неплохие технологии по сжижению водорода для программы многоразового космического корабля «Буран». Инженеры, участвовавшие в этих разработках не только живы, но и находятся отнюдь не в преклонном возрасте. Их и хотят привлечь для создания коммерческой аппаратуры сжижения на водородном заводе Сахалинского кластера.

А можно без нарушений законов экономики?

Впрочем, жидкий водород, скорее всего, послужит не для прямого использования, а для длительного хранения и перевозки в больших объёмах, например в огромных криогенных контейнерах для морских судов. А в технической реальности для конечного потребителя есть только баллонный водород. И в этом случае помимо самого баллона требуется арматура — вентили, насадки, гайки, трубочки, манометры и прочее. Всё это должно быть предназначено именно для работы с водородом, который, во-первых, обладает фантастической способностью просачиваться сквозь любые преграды, а во-вторых, вызывает водородное охрупчивание металлов. Поставкой таких важных мелочей обычно ведает, так сказать, системный интегратор, инжиниринговая компания. Однако эта компания как раз ушла из проекта. Эти проблемы: сжижение водорода, монтаж водородного источника в локомотив, организация заправки и хранения водородных баллонов, обеспечение взрывобезопасности всей системы — и станут решать создатели кластера в ближайшие два года. Ну и, разумеется, получение водорода из метана. Этот завод пока существует по большей части на бумаге. Ещё в феврале 2022 года планировалось только начать предварительные проектно-инженерные работы, но делать это предполагалось силами компании «Air Liquide», а она из проекта вышла.

Помимо водорода будущему сахалинскому поезду потребуется топливный элемент, превращающий водород в воду и электричество. В таком элементе используется дорогущую мембрана с платиной, и её нечем заменить. Кроме того элемент выбрасывается (отправлятся на утилизацию) через два года: заявленный ресурс лучшего топливного элемента 5 тысяч часов, то есть 1,7 года при ежедневном использовании в течение 8 часов.

Создатели водородного транспорта живут мечтами, что ресурс элемента вот-вот достигнет 20 тысяч часов, а это как раз ресурс самого локомотива, но на чём строится их оптимизм, не очень ясно. А менять топливный элемент — занятие совсем не дешевое.

Впрочем, вся водородная энергетика не дешева. Более того, как говорят 

специалисты, с точки зрения бизнеса она кажется безумием и привычные подходы здесь не работают. По их мнению, гораздо дешевле, безопаснее и полезнее, раз уж нет возможности протянуть контактный провод, было бы установить на электричках высокотемпературный твердооксидный топливный элемент и пустить метановые поезда, все оборудование для этого имеется.

Однако задача состоит не в экономии средств, а в том, чтобы не отстать, принять участие в процессе водородной декарбонизации. А для такого участия нужно накапливать опыт работы именно с водородом, то, что ныне называют компетенциями. Понятно, что приобрести такой опыт можно только в реальной работе в рамках кластера. Вот и приходится создателям кластера идти против экономической логики, осуществляя длительные вложения в специалистов, технологии, оборудование с весьма туманной перспективой когда-нибудь покрыть затраты.