Украинско-германский водородный альянс

Минэнерго уверено в возможности поставок водорода непосредственно с территории Украины. Фото с сайта www.mpe.kmu.gov.ua

Украина пытается активно развивать энергетическое сотрудничество с Берлином. Новым его этапом могут стать поставки украинского водорода. С точки зрения Вернера Дивальда, председателя правления Немецкого союза по использованию водорода и топливных элементов (DWV), Германия нуждается в использовании потенциала, имеющегося для производства водорода. Об этом он заявил на форуме «Накопители энергии – 2020». При этом, отмечает немецкий энергетический портал Еnergate, он имел в виду прежде всего Украину. По его мнению, Украина как раз лучше всего подходит для производства зеленого водорода. Напомним, что в сегодняшних обсуждениях «водородного будущего» Европы и других регионов все чаще поднимается тема так называемого синего (или, если хотите, голубого) водорода. Синим считается водород, производимый из ископаемого топлива, например природного газа, но очищенный от СО2 с помощью технологий улавливания и хранения углерода (CCS). Например, говорится, что произведенный из ископаемого топлива (но при этом CO2 – нейтральный) водород должен будет играть свою роль в декарбонизации «по экономическим причинам».

Европейские инфраструктурные организации, Объединение операторов европейских газотранспортных систем (ENTSO-G) и Европейская сеть системных операторов передачи электроэнергии (ENTSO-E) считают, что ископаемый, но очищенный водород в будущем потребуется.

Что не так с синим водородом

В ранних концепциях декарбонизированных энергосистем авторы рассматривали зеленый водород в первую очередь в качестве необходимого средства для хранения, в том числе долгосрочного, сезонного, «избыточной» ВИЭ-электроэнергии и балансировки системы (см., например, «Третью промышленную революцию» Джереми Рифкина). Такая «лишняя» электроэнергия неминуемо появляется в результате массивного расширения мощностей солнечной и ветровой энергетики. И зеленый водород призван играть важную роль в поддержке этого расширения.

Синий водород – это газ, предназначенный для конечного потребления на транспорте, в промышленности, теплоснабжении, но непригодный для выполнения указанной важной роли – хранения энергии и поддержки интеграции вариабельных ВИЭ.

Сегодня все чаще говорят, что очень скоро (в ближайшие десятилетия) потребуется очень много водорода, он будет нужен везде (во всех секторах конечного потребления энергии), и зеленая энергетика никак не сможет удовлетворить потребности в таких объемах (см., например, вышеупомянутые публикации). Соответственно обосновывается необходимость в водороде синем.

С точки зрения Дивальда, именно бескрайние просторы Украины наиболее подходят для размещения ветровых станций, которые должны будут производить именно зеленый водород. Другим плюсом Дивальд называет наличие газотранспортной системы, которая, по его мнению, может использоваться для транспортировки водорода в Германию. Как отмечает портал, до сих пор Германия в плане своей водородной стратегии рассчитывала на Марокко, поскольку там можно производить зеленый водород за счет энергии, производимой на солнечных электростанциях. Под этим же углом зрения рассматриваются и возможности Австралии.

Как известно, в Германии уже принята Национальная водородная стратегия. О ней «НГ-энергия» писала (см. «НГЭ» от 7 сентября 2020 г.).

Украинский вариант водородного сотрудничества

И действительно, в ходе недавнего визита Ольги Буславец, исполняющей с 16 апреля 2020 года обязанности министра энергетики и защиты окружающей среды Украины, в Германии было подписано совместное заявление о создании «Энергетического партнерства» между Украиной и Германией. С немецкой стороны его подписал федеральный министр экономики и энергетики Петер Альтмайер. Федеральное Министерство экономики и энергетики отмечает, что в ходе визита обсуждались также такие темы, как преобразование украинской угольной промышленности и вопросы производства водорода.

По данным украинского агентства, украинская делегация в Германии представила портфель потенциальных проектов для выработки водорода. Вопросы развития водородной энергетики и в этом контексте перспективы использования инфраструктуры газотранспортной системы Украины сейчас на повестке дня в связи со значительными изменениями в экономической и энергетической сферах, а также с развитием водородных технологий в странах ЕС.

В промышленности Германии уже есть спрос на водород, и Украина рассматривается как возможный поставщик водорода. Сейчас немецкие компании тестируют технологии выработки водорода и оптимизации процессов.

Что касается предложенного украинской стороной портфеля потенциальных проектов производства водорода, то они могут стать общими пилотными проектами в сочетании двух технологий – возобновляемой энергетики и производства водорода.

Ольга Буславец, по данным агентства, отметила, что Украина и Германия уже начали диалог по интеграции водородных технологий в энергетическую систему Украины в рамках «Инициативы зеленого водорода для Европейского зеленого курса 2x40 ГВт». «В кратчайшие сроки, – заявила она, – мы должны провести консультации и определить совместно с Германией основные приоритетные пилотные проекты, которые могут быть реализованы в рамках указанной программы, и разработать механизмы их реализации с определением источников возможного финансирования». В частности, для обеспечения транспортировки возобновляемого водорода в ЕС можно использовать и мощности украинской ГТС. Этот вопрос должен быть дополнительно проработан совместно с экспертами ЕС для определения соответствующих маршрутов и комплекса мероприятий по обеспечению надежности и безопасности работы ГТС с новым энергоносителем. «Мы надеемся на результативное сотрудничество с германской стороной и привлечение помощи при осуществлении ключевых мероприятий по развитию и интеграции водородных технологий, что, в частности, включает как разработку водородной концепции, так и реализацию выбранных пилотных проектов», – отметила украинский министр. Она, по данным агентства, обозначила главные задачи:

во-первых, значительное внимание в ближайшее время будет уделено разработке водородной концепции и принятию нормативно-правовой базы для обеспечения функционирования отрасли водородной энергетики Украины и аппроксимации законодательства с требованиями международного права в этой сфере;

во-вторых, важным является вопрос внедрения в Украине системы стандартизации в области водородной энергетики, разработанной на базе международно установленных стандартов и норм для этого вида топлива, а также создание системы метрологического и сертификационного обеспечения;

в-третьих, Украина нуждается в помощи в разработке требований и мер безопасности в процессе производства, хранения, транспортировки и потребления водорода с учетом современных технологий ведущих стран ЕС.

Проблема использования газотранспортных магистралей для водорода связана с его негативным воздействием на металл. Фото с сайта www.eugal.de

Ольга Буславец пригласила немецкие компании, у которых есть опыт работы с водородом по всей цепочке создания стоимости, объединиться с надежными украинскими промышленными партнерами для реализации первых пилотных проектов в Украине.

В ходе визита делегация Украины посетила немецкий концерн Thyssenkrupp, который является крупнейшим потребителем природного газа. Как известно, руководство концерна декларирует замещение собственного производства природного газа в эквиваленте 2 млн т водорода, что позволит крупнейшему производителю стали стать абсолютно климатически нейтральным в краткосрочной перспективе. Начиная со следующего года предприятие планирует вводить в эксплуатацию по 1 ГВт установленной мощности электролизеров. Сокращение выбросов СО2 является целью концерна. Замещение традиционных источников энергии возобновляемыми, в частности водородом, является амбициозной задачей предприятия.

Напомним, что украинское Минэнерго уже разрабатывает «дорожную карту» водородной энергетики и планирует начать работу над концепцией развития водородной энергетики Украины до 2050 года. В рамках Экспертного совета при министерстве уже создана соответствующая рабочая группа (по развитию водородной энергетики), в которую вошли основные эксперты в области водорода и представители бизнес-среды.

Проблема транспортировки

С точки зрения российских ученых, главной проблемой водородного сотрудничества с Европой и для России, и для Украины является решение проблемы транспортировки.

Ряд авторов из НИЦ «Курчатовский институт» (Ольга Алексеева, начальник отдела Института водородной энергетики и плазменных технологий НИЦ «Курчатовский институт»; Сергей Козлов, главный научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ»; Владимир Фатеев, заместитель директора по научно-организационной работе НИЦ «Курчатовский институт») отмечали, что водород и водородосодержащие смеси рассматриваются как перспективное топливо для транспорта. Для широкомасштабного применения водорода необходимо решить проблемы, связанные с его транспортировкой. Водород можно транспортировать к месту его использования в газообразном или жидком состоянии, а также с помощью твердых или жидких носителей, которые содержат водород в связанном виде. Носителями могут служить гидриды металлов, наноструктуры, жидкие углеводороды и другие богатые водородом соединения. К носителям не относят природный газ, этанол, метанол и др., считающиеся сырьем для производства водорода. В настоящее время водород в основном транспортируется в газообразном состоянии по трубопроводным системам или с помощью трейлеров, оснащенных специальными трубами-контейнерами под давлением, а также в сжиженном виде в криогенных автомобильных и железнодорожных цистернах. У каждого из этих вариантов есть свой рациональный диапазон применения.

Крупнейшие производители водорода в США Air Products, Praxair, Air Liquide, BOC Group, коллективно управляющие 80 заводами по производству водорода, большую часть его поставляют потребителям по трубопроводной системе, хотя доступ к ней ограничен несколькими регионами (Калифорния, Техас, Луизиана, Индиана). Там, где нет доступа к трубопроводу, используются специальные транспортные средства.

Существует несколько вариантов трубопроводной транспортировки газообразного водорода: по специальным водородным трубопроводам; по существующим трубопроводам природного газа.

Специальные водородные трубопроводы

Создание специальных трубопроводных систем для транспортировки водорода не является новой проблемой. Городские газопроводы начали эксплуатироваться еще в 1830 году, при этом содержание водорода в перекачиваемом газе достигало 55%, и каких-либо особых проблем это не вызывало. Ревизия старых водородных сетей, эксплуатируемых в течение 30 лет, показала отсутствие в них значительных коррозионных повреждений. Первый магистральный водородный трубопровод был введен в действие в 1938 году в Германии. Этот трубопровод эксплуатируется более полувека без каких-либо аварий. В настоящее время в мире имеется около 16 тыс. км водородных трубопроводов. Самый длинный, 400 км, связывает Антверпен и Нормандию. В США, Германии, Англии, Франции и других странах эксплуатируются водородные трубопроводы длиной 200–300 км под давлением 0,5–3 МПа и выше. Необходимо отметить, что за все годы работы водородных трубопроводных систем в Северной Америке и Европе не наблюдалось проблем, связанных с водородным охрупчиванием и безопасностью. Однако капитальные вложения, необходимые для создания трубопровода, делают этот метод наиболее дорогим и целесообразным лишь при регулярном и значительном потреблении водорода, когда строительство водородопровода окупится в приемлемые сроки. Рациональное давление для магистральной транспортировки водорода с учетом его физико-химических свойств составляет 7–14 МПа. Например, в США водородные трубопроводы работают под давлением 3,5–10 МПа. Распределительные сети имеют меньший диаметр труб и работают под низким давлением (в США р = 0,03–1,4 МПа). Однако для заправочных станций и энергоустановок требуются более высокие давления на входе, поэтому давление в распределительных сетях, по-видимому, должно быть выше, чем в линиях распределения природного газа, – 1,4–2,8 МПа. В трубопроводах низкого давления (0,1 МПа и ниже) скорость газа составляет 10 м/с, а в магистральных (6–8 МПа) – в два раза больше. При одинаковых диаметрах трубы и перепаде давления скорость потока водорода почти в три раза выше, чем у метана. Удельная стоимость транспортировки водорода снижается с увеличением дальности. Так, при увеличении расстояния с 8 до 100 км стоимость снижается на порядок. Стоимость новых водородных газопроводов весьма высока, причем трудозатраты и затраты на материалы составляют примерно 70% от стоимости строительства. Поэтому актуальными задачами сегодняшнего дня являются создание новых металлических, неметаллических и композитных материалов, а также разработка технологий нанесения тонких барьерных покрытий на поверхность труб.

Использование существующих трубопроводов природного газа для транспортировки водорода вызывает сомнения у ученых. При транспортировке природного газа через каждые 100–120 км расходуется примерно 0,3% объема перекачиваемого природного газа на компрессорных станциях для поддержки движения. Оценим энергозатраты на транспортировку водорода и природного газа при их передаче потребителю по одному и тому же трубопроводу с учетом вязкости водорода и метана при прочих равных условиях. Из-за низкой плотности водорода скорость потока должна быть увеличена примерно в три раза.

Для передачи по трубопроводу равного количества энергии в виде водорода требуется примерно в 4,6 раза больше энергии, чем для природного газа, и при транспортировке на расстояние 2,5–4 тыс. км будет передано только 80–70% исходного водорода. Использование действующей сети газопроводов природного газа для транспортировки водорода является существенной составляющей будущей водородной экономики. Как известно, в настоящее время единая система газоснабжения (ЕСГ) ПАО «Газпром» располагает значительно большей энергопередающей мощностью, чем сети электропередачи, и в принципе подготовлена к приему водорода и его смесей с другими горючими газами. ЕСГ – крупнейшая в мире система транспортировки газа – представляет собой уникальный технологический комплекс, включающий объекты добычи, переработки, транспортировки, хранения и распределения газа. ЕСГ обеспечивает непрерывный цикл поставки газа от скважины до конечного потребителя.

Однако эксперты из Санкт-Петербургского горного университета полагают, что проблемой остается хрупкость действующих газопроводов при их использовании для транспортировки водорода. Их позиция будет изложена в декабрьском номере «НГ-энергии».

Конечно, имеются возможности танкерной перевозки водорода. Концепция водородовоза, представленная недавно компанией Global Energy Ventures, подразумевает транспортировку водорода в сжатом, а не сжиженном виде. Давление газа в емкости судна должно составлять 250 бар.С одной стороны, газообразный груз не создает дополнительных проблем, вызванных плесканием, как в случае перевозки сжиженного газа, но, с другой стороны, обеспечение целостности и герметичности огромного (примерно 88 000 куб. м) баллона для хранения самого летучего газа – серьезная инженерная задача. Кроме того, сжатие водорода до таких давлений – достаточно энергоемкая задача. Чтобы сжать 1 т водорода с 1 атмосферы при 0оС до 250 атмосфер, необходимо приложить около 8 МВт-ч. Таким образом, чтобы наполнить танкер емкостью 2000 т, потребуется потратить около 15 ГВт-ч. И это без учета тепловых и механических потерь компримирования и затрат на охлаждение.