Продлить жизнь авто, улучшить экологию: домен «Водородная энергетика»
Новый материал серии о доменах Платформы университетского технологического предпринимательства посвящен «Водородной энергетике» – самому футуристическому, сложному и очень перспективному направлению, способному изменить традиционные представления и об энергии, и о транспорте. Рассказываем о первом экологическом регионе России, студенческих водородных стартапах, эко-Белазах и семи цветах водорода.
Возьмем простую советскую чистку водородом
В декабре 2022 года студент Грозненского государственного нефтяного технического университета Ибрагим Елсаев и инженер Рамзан Ирипханов разработали технологию по чистке водородом двигателей внутреннего сгорания «Аквагринтек». Команда собрала генератор водорода и провела 200 чисток ДВС. По оценкам ребят, чистка двигателя водородом продлевает срок его службы на 30%.
«Аквагринтек» — формально пока единственный стартап домена «Водородная энергетика». Он создан в университетской стартап-студии ГГНТУ, открытой в 2022 году в рамках федерального проекта «Платформа университетского технологического предпринимательства».
Продление срока жизни — не единственное применение водорода вместе с ДВС. Если подключить генератор водорода к топливной системе, можно сэкономить до 20% топлива. Это происходит за счет того, что генератор подает водородосодержащую смесь в воздухозаборник. Смесь повышает сгораемость топлива и снижает выбросы за счет уменьшения углеродных остатков.
«Проблематика, от которой я отталкивался, — неэффективное сгорание топлива. Мне было интересно понять, насколько добавление водорода в горючую воздушно-топливную смесь повлияет на экономию. Ведь известно, что 30-40% горючего при использовании буквально “улетает в трубу”», — рассказывал в интервью журналу «Кавказ сегодня» один из руководителей «Аквагринтека» Рамзан Ирипханов.
Двигатели внутреннего сгорания используются не только в автомобилях, но и, например, в тепловозах. Технология вошла в список инновационных проектов Северо-кавказской железной дороги, филиала РЖД. Специалисты РЖД считают, что применение водорода повысит эффективность работы подвижного состава и уменьшит выбросы углерода в атмосферу.
Первый безуглеродный регион и Белазы на водороде
Северный Кавказ — не единственный регион, где тестируют «зеленую» энергетику. Летом 2024 года в Минске Белаз подписал соглашение, согласно которому он поставит на Сахалин три 130-тонных карьерных самосвала. Двигатели самосвалов будут работать на водороде.
Водородные двигатели — другая технология, нежели насыщение водородом топлива для двигателей внутреннего сгорания. Фактически, такой двигатель — это электромотор, для которого электричество вырабатывается с помощью водорода. Водород в таком транспорте хранится в баллонах, как основное топливо.
Водородное топливо более компактно по сравнению с электродвигателями. «Если сравнивать габариты аккумулятора для электромобиля с водородным баллоном, то конечно же баллон будет меньше. Заправка таких баллов водородом аналогична по скорости с заправкой бензином», — объясняет Вадим Марценюк, основатель стартапа «ФторТекс».
«ФторТекс» — проект из списка ТОП-1000 стартапов Платформы университетского технологического предпринимательства. Проект по созданию газодиффузионных слоев для водородных топливных элементов. Это электрохимические устройства, в которых реагируют кислород и водород, а энергия химической реакции преобразуется в электрическую. Газодиффузионные слои в этих устройствах «сводят вместе» водород и кислород, а также отводят образующуюся воду. Команда стартапа придумала, как сократить количество стадий производства и сможет производить слои на 40% дешевле, чем зарубежные поставщики.
Между тем в России уже создан Восточный водородный кластер – первый в России полигон для испытания водородных установок. Как нетрудно догадаться, он находится на Сахалине, который, по планам правительства РФ, станет первым в стране безуглеродным регионом. В субъект входят множество изолированных территорий, которые сложно обеспечить электричеством — например, Курильские острова. Там планируют вырабатывать электричество из водорода. А еще в рамках кластера планируется запустить завод для низкоуглеродного производства водорода методом парового риформинга природного газа (кстати, это один из самых популярных способов производства водорода) и первый водородный поезд.
Пилотные водородные проекты, которые планируется испытывать в Сахалине, — водородная АЗС и вышки электросвязи, обеспеченные «водородным» электричеством.
Как ранее подчеркивал глава правительства Михаил Мишустин: «Развитие водородной энергетики позволит уменьшить риски потери рынков энергоносителей и поддержать экономический рост за счёт формирования новых производств, а также создания высокотехнологичных рабочих мест, экспорта продукции и технологий».
Приоритет экологичности: где взять водород?
Водород практически не встречается на земле в чистом виде. Его производство — первый этап развития водородной энергетики. В зависимости от экологичности метода получения водород делят на семь цветов. Например, тот редкий водород, который встречается в природе, называют белым.
Серый — это водород, добываемый с помощью паровой конверсии природного газа. Образуется углекислый газ — из-за него водород, произведенный таким способом, и называют серым. Черным называется водород, произведенный из угля, это тоже очень неэкологичный способ. Голубой водород — углеродно-нейтральный: при его производстве углекислый газ улавливается специальными системами хранения. Пурпурный водород вырабатывают на атомных станциях, бирюзовый — с помощью пиролиза метана.
«К трем наиболее распространенным способам получения водорода можно отнести: паровой риформинг — разложение углеводородов в присутствии водяного пара, пиролиз метана — разложение метана на оксид углерода и водород, а также электролиз — пропускание тока через растворы солей», — рассказывает фаундер «ФторТекс» Вадим Марценюк.
Электролиз — самый экологичный из методов производства водорода, поэтому его называют «зеленым». Именно при помощи этого метода водород добывает проект «Аквагринтек», поддерживаемый Платформой университетского технологического предпринимательства.
Взрыва не боитесь? Вызовы на пути к водородному будущему
«Основные проблемы с внедрением водорода связаны с его хранением и транспортировкой», — говорит Николай Марчук, эксперт Института статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ. Водород — это самый легкий элемент, его хранение требует высоких давлений или низких температур. «Сложность хранения водорода связана в первую очередь с его взрывоопасностью, из-за которой его применение в мире и остается нишевым», — добавляет Марчук.
«Для транспортных средств используют композитные баллоны, работающие при давлении 70 МПа. Хранение жидкого водорода является более энергозатратным, так как необходимы стадии сжижения, охлаждения сосудов и присутствуют потери водорода на испарение. Криогенный способ хранения жидкого водорода является более перспективным», — поясняет основатель стартапа «ФторТекс» Вадим Марценюк.
«В настоящее время водород можно хранить в сжатом газообразном состоянии, а также в сжиженном и в специальных подземных хранилищах. Водород также можно хранить и перемещать в составе разных соединений, наиболее известным является аммиак. Однако данные методы остаются затратными и имеют малый масштаб по сравнению с другими видами топлива», — объясняет эксперт ИСИЭЗ НИУ ВШЭ Николай Марчук.
Другой вызов — дороговизна производства водорода. Водород, особенно "зеленый", остается дорогим относительно других видов топлива или энергии. Например, для обычного аккумуляторного электромобиля энергия для пробега 100 км стоит $3, а для водородного — $9.
«В перспективе удешевление производства может произойти по мере его расширения для удовлетворения высокого спроса, что позволит достичь эффекта масштаба. Пока что этот спрос крайне ограничен. Согласно данным Международного энергетического агентства, спрос на водород в 2022 году пришелся на традиционные сферы применения (химическая, нефтеперерабатывающая и металлургическая промышленность). В то же время менее 0,1% от совокупного спроса пришлось на новые области (транспортный сектор, энергетика, тяжелая промышленность), для которых водород нужен как энергоноситель», — объясняет Николай Марчук.
Согласно прогнозам EnergyNet, рынок водородной энергетики в России к 2025–2035 гг. может достичь $2,2 млрд — $3,9 млрд. При этом объем мирового рынка водорода к 2025 году может составить уже $26 млрд.
Эксперты международной организации Hydrogen Council (Совет по водороду) несколько лет назад прогнозировали, что к 2050 году доля водорода в глобальном энергобалансе составит 18% и мир будет потреблять 550 млн тонн водорода в год.
Водородная стратегия в том или ином виде сегодня утверждена в 26 странах мира. В России Комплексная программа развития водородной энергетики до 2030 года была принята правительством еще в 2021 году. Задача по развитию водородной энергетики закреплена также в Энергетической стратегии РФ до 2035 года.