НЕФТЕХИМИЯ, 2022, том 62, № 4, с. 459-470

УДК 662,76

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: ЗНАЧЕНИЕ, ИСТОЧНИКИ,

ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ (ОБЗОР)

¹Федеральный исследовательский цент химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, г. Москва, 119991 Россия

² Институт проблем химической физики РАН, г. Черноголовка Московской обл., 142432 Россия

^*E-mail: v_arutyunov@mail.ru

Поступила в редакцию 1 ноября 2021 г.

После доработки 4 марта 2022 г.

Принята к публикации 6 мая 2022 г.

Согласно приведенным в работе оценкам, ни гидроэнергетика, ни атомная энергетика, ни тем более

другие возобновляемые источники энергии в принципе неспособны обеспечить промышленные объемы

производства водорода, необходимые для заметного изменения глобальной эмиссии диоксида углерода.

До освоения энергии термоядерного синтеза единственным реальным источником водорода для промыш-

ленной энергетики может быть только конверсия углеводородов. Поэтому самый эффективный способ

снижения углеродного следа энергетики - повышение эффективности этих процессов. Необходимо также

учитывать, что как энергоноситель водород имеет серьезные недостатки. Прежде всего, это низкое объ-

емное содержание энергии. Транспортировка и хранение водорода требуют значительно более высоких

капитальных и энергетических затрат, чем природного газа. Наиболее реальный путь преодоления не

имеющих пока практического решения проблем транспортировки и хранения водорода - его рассредо-

точенное малотоннажное производство непосредственно на месте потребления. Такие отечественные

технологии есть, и нужно предпринимать максимальные усилия для их реализации.

Ключевые слова: водородная энергетика, водород, возобновляемые источники энергии, углеводороды,

конверсия, синтез-газ

DOI: 10.31857/S0028242122040025, EDN: IFUUKH

Развитие мировой энергетики в настоящее вре-

ниманием принципиальной ограниченности их по-

мя происходит под влиянием двух глобальных

тенциала в последнее время акцент сместился на

трендов: растущего дефицита традиционных ис-

более широкое использование водорода в качестве

копаемых углеводородов и угрозы нарушения гло-

альтернативного неуглеродного энергоносителя,

бального климата [1, 2]. Несмотря на отсутствие

использование которого в энергетике не приводит

убедительной научной аргументации и наличие

к эмиссии СО₂.

альтернативных точек зрения [3-5], общественное

Сама идея водородной энергетики не нова. Она

мнение развитых стран однозначно связывает эти

широко обсуждалась в конце 60-х гг. прошлого века

процессы с повышением концентрации парнико-

в связи с успехами в области термоядерной энерге-

вых газов в атмосфере [6], вызванным антропо-

тик, прежде всего, созданием отечественными уче-

генными факторами. Парижское соглашение по

ными термоядерных реакторов типа «ТОКАМАК»,

климату [7] провозгласило ведущую роль в реше-

породившими надежду на быстрое освоение этого

нии климатических проблем перехода мировой

источника энергии. Так как термоядерный реактор,

энергетики на возобновляемые источники энергии

так же как и атомную электростанцию, наиболее

(ВИЭ). Однако в связи с незначительным вкладом

эффективно использовать в режиме базовой на-

ВИЭ в глобальную энергетику [8] и растущим по-

грузки, с постоянной выработкой одного и того же

459

460

АРУТЮНОВ

количества электроэнергии, возникает проблема ее

В настоящее время ежегодная мировая добы-

аккумулирования и транспортировки на большие

ча нефти достигла 4.5 млрд т, природного газа -

расстояния. Поскольку аккумулирование больших

4 трлн м³, угля - 8 млрд т [8], что в совокупности

объемов электроэнергии остается нерешенной про-

составляет ~14 млрд т нефтяного эквивалента.

блемой, а ее транспортировка на большие расстоя-

Около 95% этих углеводородов сжигается в каче-

ния связана с высокими капитальными затратами и

стве энергетического и транспортного топлива.

потерями в сетях, возникла идея аккумулирования

Чтобы заметно повлиять на глобальные выбросы

и транспортировки дешевой и обильной энергии

CO₂, необходимо заменить не менее 10% этих угле-

водородов водородом, то есть ежегодно произво-

термоядерного синтеза в виде водорода. Однако

даже наиболее оптимистичные прогнозы реализа-

дить ~1 млрд т H₂. Для полной замены потребуется

~10 млрд т H₂, причем получаемого из неуглерод-

ции термоядерной энергетики относят это к концу

ных источников либо с полным улавливанием об-

текущего столетия, поэтому привязка водород-

разующегося при этом СО₂.

ной энергетики к энергетике термоядерной пока

неактуальна.

В 2020 г. мировое производство водорода до-

стигло 87 млн т, что в 10 раз ниже минимально

Тем не менее, стремительный рост интереса к

необходимого и в 100 раз ниже фактически необ-

водородной энергетике и предпринимаемые в этом

ходимого для замены углеводородных энергоно-

отношении законодательные и технологические

сителей. Подавляющая часть этого водорода, бо-

усилия делают необходимым проведение хотя бы

лее 95%, используется непосредственно на месте

самых общих оценок возможных путей получения

производства, в основном в процессах переработки

необходимого объема водорода для достижения

нефти и производства аммиака [9]. Более 3/4 этого

поставленной цели снижения глобальной антропо-

водорода было произведено из природного газа, на

генной эмиссии СО₂ за счет замещения им углево-

что потребовалось 205 млрд м³ газа, а остальное -

дородных энергоносителей, наличия необходимого

из угля. Вклад электролиза воды в промышленное

для этого сырья и энергии, связанных с этим эконо-

производство водорода значительно меньше - 1%.

мических затрат и возможных последствий реали-

В соответствии с объемом образующегося при

зации такого перехода для окружающей среды.

получении водорода СО₂, то есть негативным воз-

действием используемого процесса на климат, при-

Объем водорода, необходимый для замещения

нята так называемая «цветовая» градация различ-

углеводородных топлив, и его потенциальные

ных источников водорода (рис. 1).

источники

Однако богатство цветовой гаммы источников

Прежде всего, необходимо отметить, что земная

водорода и экологическая привлекательность про-

кора не обладает сколько-нибудь значительными

цессов, обозначенных более светлыми оттенками,

запасами водорода, поскольку гравитация Зем-

далеко не соответствуют их ресурсной, техноло-

ли недостаточна для его удержания в атмосфере.

гической и экономической привлекательности. На

Таким образом, водород является не источником

рис. 2 показана примерная удельная стоимость

энергии, а только вторичным энергоносителем, ко-

водорода, получаемого различными методами, ко-

торый необходимо производить, затрачивая на это

торая однозначно определяет структуру современ-

энергию из других источников. Поэтому переход

ных методов его промышленного производства.

на использование водорода в качестве энергоно-

Широко обсуждаемые перспективы возможно-

сителя потребует увеличения глобального энерго-

го снижения стоимости получения водорода более

потребления для компенсации неизбежных потерь

«зелеными» технологиями, а также предлагаемые

при преобразовании энергии. Если мы возьмем в

альтернативные реакции и способы его производ-

качестве базовой технологии его получения элек-

ства, как правило, не учитывают необходимых для

тролиз воды с кпд 60%, то даже без учета эффек-

этого затрат энергии, определяемых термодинами-

тивности получения самой электроэнергии замена

кой этих процессов (рис. 3), которую невозмож-

углеводородных топлив водородом потребует поч-

но изменить за счет каких-либо технологических

ти удвоения мирового производства энергии.

новаций.

НЕФТЕХИМИЯ том 62 № 4 2022

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

461

Рис. 1. Градация методов получения водорода на основе их предполагаемого воздействия на климатические процессы.

Но главная проблема всех предлагаемых «зеле-

шенном кпд электролиза 80% и без учета кпд про-

ных» технологий получения водорода на основе

изводства самой электроэнергии и неизбежных

ВИЭ - их низкий глобальный потенциал. В каче-

потерь на ее преобразование, реально потребуется

стве основного метода получения «зеленого» водо-

не менее 50 кВт·ч первичной энергии. Мировое же

родарассматривается электролиз с использованием

производство энергии всеми видами возобновляе-

возобновляемых источников энергии [10], который

мых источников в 2019 г. составило 2800 ТВтч, что

теоретически требует 39 кВт·ч электроэнергии для

позволяет получать только ~56 млн т H₂ ежегодно,

производства 1 кг H₂ [11]. Даже при сильно завы-

заметно ниже его текущего производства.

Рис. 2. Стоимость производства различных видов

Рис. 3. Затраты энергии на образование водорода в

водорода.

различных реакциях.

НЕФТЕХИМИЯ том 62 № 4 2022

462

АРУТЮНОВ

Рис. 4. Демонтаж отработавших лопастей ветровых генераторов и кладбище лопастей, изготовленных из неподдающихся

разложению композитных материалов [12].

Стоимость водорода, производимого с исполь-

не только редких элементов, используемых при

зованием возобновляемых источников энергии,

производстве солнечных панелей, но и обычных

в 3-5 раз (рис. 2) выше, чем традиционными тех-

конструкционных материалов для их установки на

нологиями [9, 10], а значительное увеличение

таких огромных площадях. А производство, заме-

доли возобновляемых источников в глобальном

на и последующая утилизация панелей и другого

энергобалансе невозможно без нарушения при-

оборудования будут сопровождаться выбросом в

родных экосистем. Это легко показать на примере

окружающую среду такого количества токсичных

солнечной энергии, которая является первичным

веществ, что нынешние экологические проблемы

источником всех видов ВИЭ (гидроэнергии, энер-

на этом фоне покажутся тривиальными. Например,

гии ветра, морских приливов и волн). Поток сол-

уже сейчас проблема утилизации стремительно

нечной радиации в полдень на экваторе составляет

растущего количества отработанных гигантских

~1 кВт/м². С учетом смены дня и ночи его среднее

90-метровых лопастей ветрогенераторов, изготов-

значение в три раза ниже, а в умеренных широтах

ленных из неподдающихся разложению композит-

оно ниже еще в два раза, ~150 Вт/м². При факти-

ных материалов, представляет серьезную проблему

ческой эффективности солнечных панелей менее

во всех странах, развивающих этот вид энергетики

24% для обеспечения средней мощности в 1 кВт

(рис. 4).

требуется площадь в ~30 м².

Часто в качестве аргумента в пользу развития

Мировое производство энергии в 2019 г. соста-

водородной энергетики, особенно в России, при-

вило 160 тыс. ТВтч [8], что требует установленной

водят наличие значительных свободных мощно-

мощности ~1.8·10¹⁰ кВт. Чтобы обеспечить произ-

стей в отечественной гидроэнергетике и атомной

водство такого объема энергии за счет солнечных

энергетике. Поэтому необходимо оценить «водо-

панелей необходимо будет покрыть ими ~6·10¹¹ м².

родный» потенциал и этих источников. Мировое

С учетом вспомогательных площадей для обору-

производство гидроэнергии в 2019 г. составило

дования, дорог, линий электропередач и т.д. необ-

~38 эксаДжоулей (~1·10¹³ кВт·ч) [8], что исходя из

ходимая площадь превысит 1 млн км². Поскольку

удельного расхода 50 кВт·ч электроэнергии на 1 кг

вся площадь земной суши составляет ~150 млн км²,

Н₂ позволяет производить всего 200 млн т H₂ в год,

и не более половины ее пригодно для хозяйствен-

всего в два раза больше его текущего производства.

ной деятельности, изъятие такой значительной ее

Поэтому гидроэнергетика, глобальный потенциал

доли из экономического пользования и природных

которой уже реализован более чем на 20%, не в

экосистем нанесет непоправимый ущерб и тем, и

состоянии обеспечить требуемый объем производ-

другим.

ства водорода.

Еще более сложная проблема состоит в том, что

Мировая атомная энергетика произвела в 2019 г.

земная кора не содержит необходимого количества

~25 эксаДжоулей (0.7·10¹³ кВт·ч) [8], что позволяет

НЕФТЕХИМИЯ том 62 № 4 2022

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

463

производить всего 140 млн т H₂ в год, то есть всего

в полтора раза больше его нынешнего производ-

ства. Даже без учета неоднозначного отношения

общественности многих стран к атомной энергети-

ке, ее возможности ограничены запасами урана в

земной коре, в которых уже сейчас ощущается яв-

ный дефицит. Иногда упоминаемые возможности

использования реакторов-размножителей (бриде-

ров) и вовлечения в топливный цикл тория - явно

технологии не сегодняшнего дня. Таким образом,

ни гидроэнергетика, ни атомная энергетика, ни тем

более ВИЭ, в принципе неспособны обеспечить

производство такого объема водорода, который мог

бы принципиально повлиять на его антропогенную

эмиссию в атмосферу [13] (рис. 5).

Современные технологии получения водорода

Рис. 5. Мировой объем производства водорода, глобаль-

Приведенный выше анализ однозначно показы-

ный потенциал его различных источников и реальная

вает, что до промышленного освоения термоядер-

потребность для заметного снижения эмиссии СО₂.

ной энергии основным промышленно значимым

источником водорода остаются ископаемые угле-

водороды. Наиболее эффективной современной

Теплосодержание

четырех

молекул

технологией производства водорода является его

(4·10800 кДж/м³) примерно соответствует те-

выделение из синтез-газа, получаемого паровым

плосодержанию исходной молекулы метана

риформингом метана (Steam Reforming of Methane -

(35840 кДж/м³). Однако, учитывая большие до-

SRM) (~80% текущего производства H₂) и угля

полнительные энергозатраты на нагрев сырья и

(~20% производства H₂). Поэтому помимо про-

производство большого объема пара, реальное по-

блем хранения, транспортировки и распределения

требление метана в этой сложной энергоемкой тех-

больших объемов водорода, которые все еще очень

нологии почти в два раза выше.

далеки от практически приемлемых решений, фун-

Поскольку получение водорода путем паро-

даментальной проблемой развития водородной

вого риформинга сопровождается образованием

энергетики является снижение стоимости конвер-

~9 кг CO₂/кг H₂, такой водород в соответствии с

сии углеводородов в водород и снижение удельных

«экологической» градацией считается

«серым»

затрат энергии в этих процессах. Для конверсии

(рис. 1), то есть это экологически непривлекатель-

природного газа - это снижение удельного расхода

ным, и не решает задачу сокращения выбросов

самого природного газа.

CO₂. Чтобы сделать полученный водород «эколо-

С учетом последующей паровой конверсии по-

гически» более чистым и подходящим для решения

лучаемого СО в реакции водяного газа из одной

экологических и климатических проблем, необхо-

молекулы метана в процессе SRM можно получить

димо улавливать как CO₂, содержащийся в дымо-

четыре молекулы водорода:

вых газах, образующихся при нагревании реаген-

тов и производстве пара, так и CO₂, образующийся

Паровая конверсия метана (ПКМ, SRM):

при паровой конверсии CO. То есть необходимо

СН₄ + Н₂О ↔ СО + 3Н₂, ΔН⁰²⁹⁸ = +206 кДж/моль. (1)

дополнить процесс SRM улавливанием и захо-

ронением углерода (Carbon Capture and Storage -

Конверсия СО в водород (реакция водяного газа,

CCS). Водород, полученный в таком комбиниро-

Water Gas Shift Reaction, WGSR):

ванном процессе, уже можно квалифицировать как

СО + Н₂О ↔ СО₂ + Н₂, ΔН⁰²⁹⁸ = -41 кДж/моль.

(2)

«голубой». Однако для этого требуется допол-

НЕФТЕХИМИЯ том 62 № 4 2022

464

АРУТЮНОВ

ставит всего 40%. Чтобы получать такое же коли-

чество энергии при переходе с природного газа на

водород, получаемый пиролизом метана, необходи-

мо будет увеличить глобальное потребление мета-

на примерно в 2.5 раза, с нынешних ~4 трлн м³/год

до ~10 трлн м³/год. Чтобы достичь такого уров-

ня, мировой экономике потребуются десятилетия

и огромные инвестиции, а газовые ресурсы будут

истощаться в 2.5 раза быстрее. Кроме того, ежегод-

но будет образовываться ~5 млрд т мелкодисперс-

ного угля, мировой спрос на который составляет

всего около 14 млн т. Для того чтобы полученный

Рис. 6. Зависимости теплоты сгорания метановодород-

водород считался «голубым», этот углерод нельзя

ных смесей от объемной доли водорода [16].

использовать в качестве топлива, и возникнет до-

полнительная проблема его захоронения.

нительная энергия и, соответственно, дополни-

Проблемы водородной энергетики

тельное потребление природного газа. То есть,

Помимо чисто энергетических проблем на пути

наряду со значительными капитальными затра-

промышленной водородной энергетики стоит зна-

тами и сложной переработкой, производство «го-

чительное число сложных технологических барье-

лубого» водорода путем объединенной техноло-

ров [16]. Одной из наиболее серьезных проблем

гии SRM+CCS потребует почти утроения общего

является отсутствие соответствующей инфраструк-

потребления природного газа и, соответственно,

туры для хранения, транспортировки и распределе-

темпов истощения его природных ресурсов. По

ния его промышленных объемов. Более того, для

имеющимся оценкам, добавление технологии CCS

большинства этих проблем до сих пор даже нет

увеличивает капитальные затраты на SRM почти

практически приемлемых решений. Большой тех-

на 90% и эксплуатационные расходы на 30%. Стои-

нической проблемой является разрушение боль-

мость водорода увеличивается почти в 1.5 раза, до

шинства металлов под воздействием диффузии

1.8 евро/кг [14].

в них водорода (стресс-коррозии), особенно при

В принципе, «голубой» водород может быть по-

высоких давлениях, что предъявляет значительно

лучен путем пиролиза природного газа с образова-

более жесткие требования к трубопроводам для

нием водорода и твердого углерода [15].

транспортировки водорода по сравнению с трубо-

проводами для транспортировки природного газа

СН₄ → С + 2Н₂, ΔН⁰²⁹⁸ = +37 кДж/моль.

(3)

[17] и резко повышает их стоимость. В качестве од-

Такие процессы в настоящее время использу-

ной из мер снижения воздействия водорода на ма-

ются в ограниченных масштабах для производства

териал газопровода и снижения рисков, связанных

технического углерода. Термодинамика процесса

с его высокой взрывоопасностью, рассматривается

требует дополнительного расхода около 20% полу-

возможность трубопроводной транспортировки во-

чаемого водорода. Однако, принимая во внимание

дорода в смеси с метаном [18].

неизбежные технологические потери, фактическое

При обосновании преимуществ водорода ука-

количество дополнительного газа, необходимого

зывают на его высокую энергоемкость, но при этом

для производства водорода, составит ~50%. Та-

рассматривают теплоту сгорания единицы массы,

ким образом, для пиролиза 1 м³ СН₄ потребуется

что не отражает реальную ситуацию с техноло-

~1.5 м³ СН₄ с общей теплотой сгорания около

гиями его хранения и транспортировки. На рис. 6

54000 кДж. При этом будет получено 2 м³ водоро-

представлена зависимость теплоты сгорания мета-

да с общей теплотой сгорания 21600 кДж. Общая

новодородных смесей с различной концентрацией

энергетическая эффективность этого процесса со-

водорода, из которой видно, что энергия, содержа-

НЕФТЕХИМИЯ том 62 № 4 2022

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

465

щаяся в одном объеме водорода, в 3.5 раза меньше

энергии, получаемой из такого же объема метана.

Еще одной проблемой, редко обсуждаемой при

анализе водородной энергетики, но крайне нега-

тивно влияющей на экономику практически всех

направлений использования водорода, являются

значительно более высокие затраты энергии на

его компримирование по сравнению с природным

газом. На рис. 7 представлено увеличение требуе-

мой энергии на сжатие 1 кг смеси для повышения

давления на 1 МПа по мере увеличения доли во-

дорода. Видно, что затраты энергии увеличивают-

Рис. 7. Зависимость затрат энергии на сжатие 1 кг

ся примерно в 8.5 раза, что делает процесс трубо-

метано-водородной смеси давлением 1 МПа от объем-

проводной транспортировки водородосодержащих

ной доли водорода [16].

смесей менее энергоэффективным. Это связано

с тем, что кинематическая вязкость водорода при

нормальных условиях составляет 91.05 против

мость пилотного танкера всего 1250 м³, что со-

14.7 сСт у метана. Вследствие большей кинемати-

ответствует транспортировке менее 90 т топлива.

ческой вязкости метано-водородной смеси проис-

Хотя обсуждается возможность создания в буду-

ходит рост потерь давления в трубопроводе, что

щем танкеров вместимостью до 40 тыс. м³, даже в

требует создания больших избыточных давлений

этом случае энергия сгорания перевозимого водо-

на компрессорных станциях для уже построенных

рода будет примерно в 12.5 раз ниже энергии, пере-

трубопроводов, либо уменьшение расстояния меж-

возимой типовым СПГ-танкером.

ду компрессорами для проектируемых трубопрово-

Наряду с не имеющими пока экономически и

дных систем [16].

технологически приемлемых решений проблем

Экономика и энергетика процессов хранения и

долговременного хранения и транспортировки

транспортировки сжиженного водорода также не

промышленно значимых объемов водорода, важ-

очень привлекательны. Плотность жидкого водоро-

ными вопросами на пути его широкого использо-

да ~70 кг/м³, что в 5.9 раза меньше, чем плотность

вания, особенно в быту и на транспорте, остаются

сжиженного природного газа, а это значит, что при

вопросы безопасности. Высокая скорость горения

одинаковых условиях в одном и том же объеме ре-

водорода, примерно в пять раз превышающая ско-

зервуара можно хранить или транспортировать в

рость горения метана, и значительно более широ-

5.9 раз меньше жидкого водорода, чем сжиженного

кие концентрационные пределы распространения

природного газа. При исключительно низкой тем-

пламени (рис. 8), требуют более жестких норм тех-

пературе жидкого водорода трудно обеспечить его

ники безопасности при работе с ним.

стабильность, что приводит к существенным поте-

рям при его длительном хранении.

Одна из реальных возможностей обеспечить

безопасное использование водорода в энергетике -

Тем не менее, японская компания Kawasaki

переход на метановодородные смеси. Как показы-

Heavy Industries, Ltd. реализует совместно с пар-

вают исследования, при концентрации водорода в

тнерами из правительственных органов и частных

таких смесях до 40% пределы их самовоспламене-

компаний Японии и Австралии демонстрационный

ния [21, 22] и скорость горения [20] еще не силь-

проект получения, транспортировки и использо-

но отличаются от таковых для метановоздушных

вания жидкого водорода. В рамках этого проекта

смесей (рис. 8), что позволяет работать при соблю-

на предприятии в Австралии из местных залежей

дении уже хорошо отработанных требований безо-

лигнита будут получать синтез-газ с захоронением

пасности для работы с природным газом.

образующегося СО₂ и затем сжиженный водород.

Сжиженный водород будет транспортироваться

Указанные выше проблемы хранения и транс-

специальным танкером в Японию [19]. Вмести-

портировки больших объемов водорода заставля-

НЕФТЕХИМИЯ том 62 № 4 2022

466

АРУТЮНОВ

Рис. 8. Зависимость от объемной концентрации водорода в метано-водородной смеси: а - нижнего концентрационного

предела распространения пламени (НКПР) и верхнего концентрационного предела распространения пламени (ВКПР) [16];

б - ламинарной скорости пламени [20]. T₀, K: 300 (1), 400 (2), 500 (3), 600 (4).

ют искать обходные пути, в частности, возмож-

рода до сих пор не сдерживали развитие его про-

ность его хранения и транспортировки в виде

изводства. Однако в связи с интересом к исполь-

альтернативных водородсодержащих продуктов, к

зованию водорода в энергетике они становится

наиболее перспективным из которых можно отне-

определяющими. Одна из реальных возможностей

сти аммиак, метанол, диметиловый эфир и другие

обойти сложные проблемы хранения и транспорти-

водородсодержащие соединения. Например, япон-

ровки водорода - его распределенное малотоннаж-

ская компания Chiyoda Corporation разрабатывает

ное производство из различных углеводородных

возможность создания цепочки поставки водорода

продуктов непосредственно в местах потребления.

в Японию на основе гидрирования толуола в ме-

Такой подход может быть особенно привлекатель-

тилциклогексан, имеющий физические параметры,

ным при использовании водорода в коммунальном

аналогичные жидким нефтехимическим продук-

и транспортном секторе мегаполисов для сниже-

там и обеспечивающий минимальные потери при

ния локальной экологической нагрузки. Однако

транспортировке на большие расстояния [23]. Од-

традиционные крупнотоннажные газохимические

нако масса обратимо выделяемого водорода при де-

технологии непригодны для решения этой задачи,

гидрировании метилциклогексана в толуол состав-

так как их экономическая эффективность резко па-

ляет всего 6% от массы транспортируемого груза.

дает с уменьшением масштаба производства [24].

Необходимы принципиально новые технологии,

рассчитанные на эффективное малотоннажное

Распределенное малотоннажное производство

водорода как альтернатива технологиям его

производство водорода.

хранения и транспортировки

Одной из таких технологий может стать комби-

Поскольку более 90 % производимого в мире

нированный процесс на основе сочетания неката-

водорода потребляется непосредственно на месте

литической матричной конверсии углеводородных

его производства (так называемый кэптивный про-

газов в синтез-газ с последующей каталитической

дукт) и лишь менее 10 % поставляется специали-

паровой конверсией содержащегося в синтез-газе

зированными компаниями, работающими на рынке

СО в дополнительное количество водорода по ре-

промышленных газов (Air Liquide, Linde, Praxair и

акции водяного газа [25, 26]. Это автотермический

др.), проблемы хранения и транспортировки водо-

процесс, позволяющий перерабатывать углеводо-

НЕФТЕХИМИЯ том 62 № 4 2022

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

467

Рис. 9. 3D-схема и общий вид демонстрационной установки комбинированного матричного и каталитического риформинга

для получения водорода.

родные газы практически любого состава и проис-

потенциал РФ (запасы природного газа, нефти и

хождения. Процесс обеспечивает большой диапа-

угля) и наличие незагруженных мощностей в атом-

зон возможной производительности, от нескольких

ной и гидроэнергетике, при наличии спроса, гаран-

м³/ч до нескольких тысяч м³/ч по водороду. Высо-

тируемого Парижским соглашением по климату и

кая удельная объемная производительность, более

ожидаемым введением Евросоюзом «углеродного

чем в 10 раз превышающая таковую в традицион-

налога», делает экспорт низкоуглеродного топлива

ных технологиях, обеспечивает компактность и

(водорода или его смеси с природным газом) до-

низкую металлоемкость процесса, а простота кон-

статочно перспективным направлением. Оно впол-

струкции и обслуживания - низкие капитальные и

не может компенсировать прогнозируемые для РФ

операционные затраты (рис. 9).

потери от введения «углеродного налога» на им-

порт в страны Евросоюза, который предполагает,

Матричная конверсия открывает возможность

что поставщики товаров на европейский рынок,

малотоннажного производства водорода на основе

которые сжигают слишком много ископаемого то-

практически любых местных ресурсов непосред-

плива в процессе их производства, будут платить

ственно на месте его потребления и обеспечивает

за каждую тонну углекислого газа, попавшего в

существенное снижение удельного углеродного

атмосферу.

следа по сравнению с паровым риформингом [25, 26].

Без масштабных поставок водорода из России

выполнение собственных планов стран Европей-

Перспективы водородной энергетики

ского союза по развитию водородной энергетики

для России

нереально. Поэтому развитие ориентированного на

Принимая во внимание растущий за рубежом

экспорт производства водорода в РФ представля-

интерес к низкоуглеродному топливу и, прежде все-

ется вполне целесообразным. Учитывая нерешен-

го, водороду, своим распоряжением от 12 октября

ные пока проблемы хранения и транспортировки

2020 г. правительство РФ утвердило план меро-

больших объемов водорода, наиболее реальным

приятий «Развитие водородной энергетики в Рос-

способом экспорта низкоуглеродного топлива мог-

сийской Федерации до 2024 г.» [27]. Задачей плана

ла бы быть поставка смеси природного газа с во-

является организация работ по формированию в

дородом (20-40 об. %) по уже существующим га-

РФ высокопроизводительной ориентированной на

зопроводам. Поскольку пределы воспламенения и

экспорт области производства водорода и разви-

скорость горения таких смесей еще не сильно от-

тию водородной энергетики. Огромный ресурсный

личаются от пределов воспламенения и скорости

НЕФТЕХИМИЯ том 62 № 4 2022

468

АРУТЮНОВ

горения природного газа [16, 20-22], это позволяет

природного газа по такой схеме будет ~10%. Вряд

эксплуатировать их на том же оборудовании и при

ли желание следовать зарубежным политическим и

соблюдении тех же мер безопасности, которые дав-

экономическим трендам оправдывает реализацию

но отработаны для работы с природным газом.

такой низкоэффективной схемы [29].

Менее очевидна целесообразность перехода на

Видимо, в отечественной модели развития во-

водород для отечественной энергетики. Необходи-

дородной энергетики, помимо производства водо-

мо ясно понимать, что в основе жесткой «эколо-

рода, ориентированного на экспорт, имеет смысл

гической позиции» европейских стран стоят два

ограничиться его использованием в транспортном

очевидных фактора: страх возможности резкого

секторе крупных мегаполисов для решения локаль-

изменения комфортного климата Европы даже при

ных экологических проблем. А основным, помимо

незначительных изменениях параметров течения

энергетики, направлением использования отече-

Гольфстрим, и ограниченность энергоресурсов,

ственных углеводородных ресурсов должна стать

вынуждающая их более широко использовать зна-

их переработка в нефтехимические продукты с вы-

чительно более дорогие возобновляемые источ-

сокой добавленной стоимостью.

ники энергии. Последнее серьезно подрывает их

конкурентоспособность на мировом рынке, что

ВЫВОДЫ

и объясняет стремление вынудить такие страны,

как Россия, обладающие обильными и дешевыми

Представленный выше анализ показывает, что:

энергоресурсами, также перейти на более доро-

- альтернативные источники энергии (ВИЭ) в

гие «экологически чистые» источники. Учитывая

принципе неспособны обеспечить промышленные

климатические и энергетические реалии России,

объемы производства водорода;

масштабный переход на ВИЭ или использование

- гидроэнергетика и атомная энергетика могут

водорода вряд ли соответствует ее экономическим

производить водород без эмиссии СО₂, но в объеме

интересам.

не более нескольких процентов от мирового энер-

Конечно, большинство типов газовых турбин

гобаланса;

может работать на водороде или его смеси с при-

- до практического освоения энергии термоя-

родным газом. Недавно компании «НОВАТЭК» и

дерного синтеза ископаемые углеводороды оста-

Nuovo Pignone заключили соглашение о сотрудни-

ются единственным реальным ресурсом для разви-

честве в области электрических и газотурбинных

тия водородной энергетики;

решений по добыче и сжижению газа, а также со-

кращения выбросов CO₂, в рамках которого при-

- получение Н₂ пиролизом природного газа по-

ступят к реализации проекта по переводу турбин

требует кратного увеличения добычи и потребле-

на работу на водородсодержащих смесях [28]. Но

ния газа и создаст проблему ежегодного захороне-

как показывают исследования, переход на исполь-

ния миллиардов тонн мелкодисперсного углерода;

зование в энергетике метановодородных смесей с

- глобальный переход к процессам получения

содержанием водорода менее 50 % не дает допол-

энергии с захоронением образующегося СО₂ по-

нительных экологических преимуществ, кроме

требует кратного увеличения добычи и потребле-

соответствующего снижения эмиссии СО₂ из-за

ния углеводородных ресурсов и повысит цену во-

более высокой доли водорода, причем только непо-

дорода примерно в 2 раза;

средственно в месте потребления. Но при этом, как

- самый эффективный промышленный способ

было показано выше, вырастут глобальная эмиссия

получения водорода - конверсия природного газа, а

СО₂ в атмосферу, стоимость получаемой энергии

самый эффективный способ снижения углеродного

и расход первичных энергоресурсов. Учитывая,

следа - повышение эффективности этого процесса;

что энергетический кпд экологически чистого пре-

образования природного газа в водород, как было

- водород - топливо с низким объемным содер-

показано выше, ~30%, кпд современных газовых

жанием энергии; его транспортировка и хранение

турбин также ~30%, суммарный энергетический

требуют значительно более высоких капитальных

коэффициент полезного действия использования

и энергозатрат, чем для природного газа;

НЕФТЕХИМИЯ том 62 № 4 2022

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

469

– наиболее реальный путь преодоления не име-

800%2C000%20years (последнее посещение

ющих пока экономически эффективного решения

09.01.2021).

The Paris Agreement. https://unfccc.int/process-and-

проблем транспортировки и хранения водорода

meetings/the-paris-agreement/the-paris-agreement.

- его рассредоточенное малотоннажное производ-

BP Statistical Review of World Energy, 2020. https://

ство непосредственно на месте потребления;

www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/

- такие отечественные технологии есть, и нуж-

corporate/pdfs/energy-economics/statistical-review/bp-

но предпринимать максимальные усилия для их

stats-review-2020-full-report.pdf.

реализации.

Якубсон К.И. Перспективы производства и использо-

вания водорода как одно из направлений развития низ-

коуглеродной экономики в российской федерации //

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Журнал прикладной химии. 2020. Т. 93. № 12.

В.С. Арутюнов, ORCID: https://orcid.org/0000-

С. 1675-1695.

0003-0339-0297

10.

Gardner D. Hydrogen production from renewables //

Renewable Energy Focus. 2009. V. 9. № 7. P. 34-37.

https://doi.org/10.1016/s1755-0084(09)70036-5

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

11.

Vitchev D. A brief analysis of the physical requirements

1. Арутюнов В.С., Лисичкин Г.В. Энергетические ре-

for converting coal-fired power plants to hydrogen //

сурсы XXI столетия: проблемы и прогнозы. Могут

Academia Letters, Article 2884. https://doi.org/10.20935/

ли возобновляемые источники энергии заменить ис-

AL2884

копаемое топливо? // Успехи химии. 2017. Т. 86. №8.

12.

Ладыгина О. Темная сторона альтернативной энерге-

С. 777-804. http://iopscience.iop.org/article/10.1070/

тики // Discovery. 2021. № 5 (140). С. 14-16.

RCR4723/pdf [Arutyunov V.S., Lisichkin G.V. Energy

13.

Arutyunov V.S. On the sources of hydrogen for the global

resources of the 21st century: problems and forecasts.

replacement of hydrocarbons // Academia Letters. 2021.

Can renewable energy sources replace fossil fuels? //

Article 3692. https://doi.org/10.20935/AL3692

Russ. Chem. Rev. 2017. V. 86. № 8. P. 777-804. https://

14.

Mitrova N., Melnikov Y., Chugunov D. The hydrogen

doi.org/10.1070/RCR4723].

economy - a path towards low carbon development //

Skolkovo Energy Centre, Moscow School of

2. Арутюнов В.С. Концепция устойчивого развития

Management. 2019. Skolkovo. https://energy.

и реальные вызовы цивилизации // Вестник РАН.

skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/Research/

2021. Т. 91. № 3. С. 3-12. https://doi.org/10.31857/

SKOLKOVO_EneC_Hydrogen-economy_Eng.pdf

S0869587321030026 [Arutyunov V.S. The concept

15.

Amin A.M., Croiset E., Epling W. // Review of methane

of sustainable development and real challenges of

catalytic cracking for hydrogen production // Int. J.

civilization // Herald of the Russian Academy of

Hydrogen En. 2011. V. 36. P. 2904-2935. https://doi.

Sciences. 2021. V. 91. № 2. Р. 102-110. https://doi.

org/10.1016/j.ijhydene. 2010.11.035 .

org/10.1134/S1019331621020027]

16.

Литвиненко В.С., Цветков П.С., Двойников М.В.,

3. Шполянская Н.А. Климат и его динамика в плейсто-

Буслаев Г.В. Барьеры реализации водородных

цене-голоцене как основа для возникновения разно-

инициатив в контексте устойчивого развития гло-

образных рисков при освоении районов криолитозо-

бальной энергетики // Записки Горного института.

ны // Геориск. 2019. № 1. С. 6-24. http://www.geomark.

2020. Т. 244. С. 421-431. https://doi.org/10.31897/

ru/journals_list/zhurnal-georisk-1-2019/

PMI.2020.4.421

4. Арутюнов В.С. Глобальное потепление: Миф или

17.

Hydrogen pipeline systems. Doc 121/14. European

реальность? Катастрофа или благо? // Российский

Industrial Gases Association AISBL. https://www.eiga.

химический журнал. 2005. Т. 49. № 4. С. 102-109.

eu/uploads/documents/DOC121.pdf

5. Arutyunov V.S. Is it possible to stabilize the Earth climate

18.

Соколинский Ю.А., Сосна М.Х., Галикеева Л.Р. Тех-

by transition to renewable energy? // Eurasian Chem.-

нологические аспекты транспортировки метановодо-

Technol. J. 2021. V. 23. № 2. P. 67-75. https://doi.

родной смеси по трубопроводу «Северный поток-2» //

org/10.18321/ectj1076

НефтеГазоХимия. 2021. № 1-2. С. 12-16. https://doi.

6. Lindsey R. 2020. Climate Change: Atmospheric Carbon

org/10.24412/2310-8266-2021-1-2-12-16

Dioxide. https://www.climate.gov/news-features/

19.

Kawasaki Hydrogen Road. https://global.kawasaki.com/

understanding-climate/climate-change-atmospheric-

en/hydrogen/index.html

carbon-dioxide#:~:text=The%20global%20average%20

20.

Арутюнов А.В., Беляев А.А., Иновенков И.Н., Арутю-

atmospheric%20carbon,least%20the%20past%20

нов В.С. Влияние водорода на нормальную скорость

НЕФТЕХИМИЯ том 62 № 4 2022

470

АРУТЮНОВ

горения метан-воздушных смесей при повышенных

природных и попутных газов // Катализ в промыш-

температурах // Горение и взрыв. 2019. Т. 12. № 4.

ленности. 2021. Т. 21. № 4. С. 227-237. https://doi.

С. 4-10. https://doi.org/10.30826/CE19120401

org/10.18412/1816-0387-2021-4-227-237

21. Трошин К.Я., Беляев А.А., Арутюнов А.В., Царен-

26. Арутюнов В.С., Никитин А.В., Стрекова Л.Н., Сав-

ко А.А., Никитин А.В., Арутюнов В.С. Влияние дав-

ченко В.И., Седов И.В., Озерский А.В., Зимин Я.С.

ления на самовоспламенение метановодородных

Матричная конверсия природного газа в синтез-газ

смесей с воздухом. Горение и взрыв. 2020. Т. 13. № 1.

и водород как перспективное направление в газо-

С. 18-32. https://doi.org/10.30826/CE20130102

химии и энергетике. Журнал технической физики.

22. Арутюнов В.С., Трошин К.Я., Беляев А.В., Арутю-

2021. Т. 91. №5, С. 713-720. https://doi.org/10.21883/

нов А.В., Никитин А.В., Стрекова Л.Н. Влияние со-

JTF.2021.05.50681.265-20

става газовых смесей на задержку их самовоспламе-

27. План мероприятий «Развитие водородной энергетики

нения и нормальную скорость пламени // Горение и

в Российской Федерации до 2024 года». https://docs.

плазмохимия. 2020. Т. 18. № 2. С. 61-80.

cntd.ru/document/566069233 (последнее посещение

23. SPERA Hydrogen. Chiyoda`s Hydrogen Supply Chain

09.01.2021).

Business. https://www.chiyodacorp.com/en/service/

28. https://globuc.com/ru/news/novatyek-i-nuovo-pignone-

spera-hydrogen/.

podpisali-soglashenie/ (последнее посещение

24. Арутюнов В. Альтернативные энергоносите-

02.02.2021).

ли из углеводородных газов // Энергетическая

политика. 2021. № 7 (161). С. 56-69. https://doi.

29. Арутюнов В. Российский акцент в мировом энер-

org/10.46920/2409-5516_2021_7161_56

гопереходе // Энергетическая политика. 2021.

25. Арутюнов В.С., Савченко В.И., Седов И.В., Ники-

№ 8 (162). С. 30-41. https://doi.org/10.46920/2409-

тин А.В. Некаталитические процессы переработки

5516_2021_8162_30

НЕФТЕХИМИЯ том 62 № 4 2022