Підвищений інтерес до водневої енергетики, який спостерігається останнім часом, можна назвати вже другою хвилею у створенні цієї енергетичної галузі. Нагадаємо, що концепція водневої енергетики, що передбачає за-міну викопних і вуглеводневих палив на водень, сформувалася в середині 70-х років минулого століття. Її реалізація ґрунтувалася на застосуванні високо-температурного (порядку 700 – 900°С) газового теплоносія ядерних реакторів на швидких нейтронах у термохімічних циклах отримання водню з води. Однак, з низки причин, і насамперед через значну складність спорудження та експлуатації промислових установок отримання водню термохімічними циклами, практичні результати так і не були отримані. Щодо самих реакторів, то їх експлуатація характеризувалася високою технологічною небезпекою. З цієї причини було завершено експлуатацію реакторів Superphenix (Франція), після значної аварії в Monju (Японія) та законсервовано будівництво в Clinch River (США). Остаточну крапку поставили аварії в Чорнобилі та на Фукушімі, що посилило стримане ставлення у низці країн до атомної енергетики загалом.
Незважаючи на безуспішність зазначених проєктів, у світі продовжувались активні розробки, спрямовані на застосування водню на транспорті. Причому, практично всі вони базувалися на водні, отриманому з вуглеводневої сировини. Основна увага при створенні водневого автомобіля приділялася розробці гібридних двигунів з електрохімічними генераторами, тобто, палив-ними елементами, що використовують реакцію окиснення водню повітрям. До середини 2005 року, наприклад, у світі експлуатувалося 118 водневих АЗС, з них 49 у США. Однак ці розробки носили демонстраційний характер. Певний час тренд залишався «на плаву», однак згодом став зникати, чому значною мірою сприяв розвиток електромобілів, а також посилення екологічних норм до автомобільних палив нафтового походження.
Водночас, низка проблем залишається актуальною й понині: йдеться насамперед про зберігання водню. Його утримання у великих кількостях в газоподібному стані вимагає тиску 50 МПа і вище, а це складно та небезпечно. Зберігати рідкий водень в кріогенних ємностях теж небезпечно. Водень легко проникає крізь металеві стінки, утворює з киснем повітря «гримучу суміш», спалах якої може статися від найменшої іскри. Слід пам’ятати і про водневу корозію металів, що призводить до підвищення ступеня їх крихкості та, як наслідок, втрати міцності. Не виправдалися надії і на зберігання водню в нанотрубках, його накопичення виявилося незначним, ледь більше за 30%.
Причиною «другої хвилі» водневої енергетики, вочевидь, слід вважати масштабні заходи, спрямовані на виконання положень Рамкової конвенції ООН про зміну клімату (1992) і Кіотського протоколу (1997), що зобов’язують розвинені країни та країни з перехідною економікою скоротити чи стабілізувати викиди парникових газів. Практична реалізація цих заходів здійсню-ється через виробництво електроенергії з відновлюваних джерел (ВДЕ), насамперед – вітрової та сонячної.
Але при чому тут воднева енергетика? Тут потрібен невеликий відступ. Відомо, що однією з особливостей функціонування енергетичних систем є нерівномірність навантаження мережі протягом добового періоду. Ця проблема вирішується за допомогою акумулювання енергії, переважно за рахунок ви-користання гідроакумулюючих електростанцій – ГАЕС (понад 96% усієї світової ємності зберігання електроенергії – 184 ГВТ встановленої потужності). Використання відновлюваної енергетики нерідко супроводжується нестабільністю вироблюваних потужностей внаслідок зміни погодних умов. До ВДЕ нестабільність «перекривалася» існуючими системами гідроакумулювання, однак при збільшенні обсягів виробництва електроенергії з відновлюваних джерел виникає необхідність спорудження додаткових енергетичних об’єктів, які «згладжуватимуть» цю нестабільність.
Обговоренню цієї проблеми присвячено низку публікацій, з яких варто виділити роботу академіка НАН України М.М.Кулика (директора Інституту загальної енергетики НАН України) та співробітників інституту Т.П. Нечаєвої та О.В.Згуровець «Перспективи та проблеми розвитку об’єднаної енергосис-теми України в умовах її приєднання до енергосистеми Євросоюзу та гіперт-рофованого використання у її складі вітрових та сонячних електростанцій» (The Problems of General Energy, 2019, issue 4 (59), нар. 4-12). На думку авторів, необхідність спорудження додаткових потужностей обумовлена саме нестабільністю виробництва електроенергії об’єктами ВДЕ через зміну погодних умов.
А як бути з надлишками електроенергії, що виробляються із застосуванням ВДЕ (як показав час, вони виявилися значними, адже є стимул – «зелений тариф»!)? Найбільш прийнятним рішенням виявилося використання такої електроенергії для отримання водню електролізом води, як практично невичерпного сировинного джерела – назвемо його «зеленим» за загальноприйнятою термінологією. Таким чином ідеологія «зеленого» водню значною мірою сформувалася, як наслідок масштабного спорудження вітрових та сонячних електростанцій, а також проблем із застосуванням в енергосистемах виробленої електроенергії. Інакше важко пояснити необхідність створення непростих систем отримання водню, організації інфраструктури його доставки та подальшого застосування (а це окрема тема для дискусії) – і все це замість безпосереднього використання виробленої зеленої електроенергії для ефективного заміщення викопних та вуглеводневих палив, що повністю відповідає положенням Паризької угоди про розвиток безвуглецевої енергетики.
Оцінимо деякі аспекти виробництва зеленого водню. Відповідно до матеріалів Європейського альянсу з чистого водню (European Clean Hydrogen Alliance), реалізація Водневої стратегії Євросоюзу передбачає виробництво до вже недалекого 2024 року 1 млн. тонн електролізного водню, що вимагатиме встановлення електролізерів потужністю 6 ГВт. До 2030 року планується збільшити цей показник до 10 млн. тонн і відповідно встановити електролізери загальною потужністю 60 ГВт. За вартості електролізера близько 0,5 млн. євро за 1 МВт споживаної електроенергії це відповідно 3 та 30 млрд. євро. Зрозуміло, що реакція виробників електролізерів на зазначені запити дуже навіть позитивна. Наприклад, у Німеччині, відомій своїми масштабними розробками у цій галузі, європейська компанія Enapter оголосила про свою готовність виробляти 100 тисяч електролізерів на рік на своєму новому майданчику у цій країні. Серед великих виробників електролізерів – британська ITM Power та норвезька NEL.
Цікаво, що у таких найбільших виробників електролізерів, як Німеччи-на та Англія, досягнуто рекордні у світі показники за питомою вагою електроенергії, що виробляється відновлюваними джерелами у загальному обсязі її виробництва. До закінчення 2019 року ці показники склали відповідно 36,6 та 35% або 224,1 та 113,3 млрд. кВт-годин (за даними Statistical review of world energy 2020/69). Чи не наштовхує це на певні міркування?
Нині активно обговорюються перспективи України як одного з головних постачальників «зеленого водню» до Європи. При цьому передбачається розміщення до 2030 року потужностей з його виробництва в 9,8 ГВт, зрозуміло, електролізом. Чому в нашій країні? Адже це вимагає будівництва нових і значних об’єктів. І потім: у нас же не узбережжя Північного моря з незатихаючими вітрами і не Іспанія (за кількістю сонячних днів). Саме тому ефективність використання встановлених потужностей вітро- та сонячної енергетики (коефіцієнт їх використання) у нас становить лише 13%. Чи не секрет це По-лішинеля? Адже Україна оплачує найвищий «зелений тариф» на континенті і в цьому плані є дуже привабливою для вітчизняних та, що важливо, іноземних інвесторів. Це питання автор статті вже обговорював у своїх публікаціях. (Див. «Дзеркало тижня, №32, 2018 р. «Навіщо та кому ми оплачуємо «зелений тариф»).
Яка у нас ситуація? Станом на початок 2020 р. нашими вітро- та електростанціями вироблялося близько 5 млрд. кВт-годин електроенергії. Застосування цього обсягу в енергетичній системі країни забезпечує економію близько 200 млн. доларів за рахунок зменшення закупівель вугілля (антрациту).
Припустимо, що вся ця електроенергія використовується для отримання «зеленого» водню. Тоді при витратах електроенергії в електролізерах 4,6 кВт-годин на отримання 1 м3 водню отримаємо його 1,1 млрд. кубів. При перерахунку на природний газ (за калорійністю, якщо направляти його в газотранспортну трубу), це 355 млн. кубів та виграш десь у 106 млн. доларів. Але ж це не все. Потрібно закупити електролізери – а це понад 400 млн. євро лише на їхнє придбання, не кажучи про витрати на інфраструктуру. А якщо це водневі трубопроводи, то витрати незмірно вищі. І виникає питання – навіщо? Щоб закупити в зарубіжних компаній електролізери?
Подивимось далі: розміщення європейських потужностей – 9,8 ГВт, як сказано вище, з урахуванням 13% їх використання – це близько 260 тис. тонн водню. Водночас, отримання однієї тонни Н2 електролізом – це 9 тонн дистильованої води (або близько 20 тонн з наших водойм), а на загал – понад півмільйона тонн! Для бідної на воду України є над чим задуматися.
То як бути: розширювати будівництво об’єктів ВДЕ для постачання європейським та вітчизняним замовникам «зеленого» водню чи забезпечувати вітчизняні енергосистеми безвуглецевою електроенергією?
Згідно з офіційними даними, енергетична система України може використовувати максимум 7 ГВт електроенергії виробленої об’єктами ВДЕ, що забезпечується існуючими системами гідроакумулювання (і це без урахування набираючої потужності Дністровської ГАЕС). У першому півріччі 2021 року потужність об’єктів з виробництва електроенергії з відновлюваних джерел склала 9,2 ГВт (збільшилася на 8,3%!), і це 1,19 ГВт реально виробленої електроенергії. Тобто. маємо значні можливості для збільшення потужностей безвуглецевої енергетики. До того ж, в Україні існує розгалужена система ліній електропередач.Чи не означає все вище сказане, що нам не варто впрягатися в зелену водневу епопею? Ні, не означає. Але яким чином?
Наприклад, в Європі здійснюються активні розробки, спрямовані на застосування водню у промисловості та комунальному секторі. Масштабний експеримент проводиться у Великій Британії: в Шотландії кілька сотень будинків в окрузі Файф безкоштовно оснащуються водневими паливними котлами, бойлерами і кухонним приладдям. В Україні теж є промислові структури, зацікавлені в автономному забез-печенні підприємств газоподібним паливом – воднем.
У липні нинішнього року провідні науково-дослідні установи України у сфері виробництва, транспорту та використання водню та газоводневих сумішей (Івано-Франківський НТУ нафти та газу, Інститут газу НАН України, Національний університет «Львівська політехніка, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, ТОВ «Нафтогазгазавтоматика» та ДП «Іванофранківськстандартметрологія») створили науково-дослідний концерн «ГІДРОГЕН». Його діяльність спрямована на проведення та координацію досліджень щодо вивчення впливу водню при його застосуванні в обладнанні, елементах та матеріалах газогонів, а також дослідження аспектів використання газоводневих сумішей у побутових газових пристроях.У нашому інституті в різні роки виконувались вагомі розробки з використання водневмісних газів (нафтопереробки, коксового) в промислових печах. Створено Центр водневих технологій, проводяться дослідження транспортування та зберігання водню в трубопроводах, отримані цікаві результати з дослідження спалювання сумішей природного газу та водню в побутових газових пристроях.
Ми могли б зробити й значно більше, однак навіть при ще збереженому науковому потенціалі інститут відчуває значні кадрові проблеми – практично припинився приплив випускників вузів, існують труднощі з набором в аспірантуру. Причина, зрозуміло, у вкрай обмеженому фінансуванні. Але ми й сьогодні готові пропонувати і нові ідеї, і нові розробки, що стосуються зеленої енергетики. Головне, щоб вони були корисними і світу, і насамперед – Україні.
Борис ІЛЬЄНКО, вчений секретар Інституту газу НАН України
Газета “Світ”, № 47 – 48, грудень, 2021 р.