Водород: трудный, но перспективный
Стремясь к снижению выбросов парниковых газов, в Казахстане серьёзно настроены развивать водородную энергетику. На сегодняшний день производство водорода с использованием различных источников энергии, включая возобновляемые, представляет собой перспективное направление для сокращения выбросов углерода и развития новых технологий.
КОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ ПОДХОД
Уже в текущем году Министерство энергетики представило в Правительство Республики Казахстан проект Концепции развития водородной энергетики в Республике Казахстан до 2040 года, где отражено видение основных этапов развития отрасли в ближайшие годы.
По мнению разработчиков концепции, развитие водородной энергетики позволит провести диверсификацию углеводородного сектора, обеспечит опережающую трансформацию экономики в новый технологический уклад и получение масштабных выгод, необходимых для динамичного социально-экономического развития страны.
Основными направлениями в водородной энергетике Казахстана до 2024 года станут разработка нормативно-правовой базы, регулирующей отрасль, научные изыскания, развитие производственных площадок, использующих водород, развитие инфраструктуры и многое другое.
Согласно докладу Международного энергетического агентства (МЭА), по итогам 2022 года в мире было произведено 98 млн тонн водорода, что составило 6% от общего потребления природного газа и 2% от потребления угля. В 2022 году портфель водородных проектов в мире превысил 71 млн тонн, что сопоставимо с текущим годовым потреблением водорода в мире. На сегодняшний день большая часть водорода производится и используется на местах в качестве промышленного сырья. К 2050 году мировой спрос на водород должен достичь отметки в 528 млн тонн.
Свой вклад в развитие водородной энергетики вносят в том числе учёные Восточного Казахстана и Национального ядерного центра Республики Казахстан. Вот уже несколько лет они работают над созданием специальных водородных накопителей, которые могли бы аккумулировать и долго хранить водород.
О перспективах и трудностях водородной энергетики и проекте по длительному хранению водорода в твёрдотельном материале, над которым работают учёные ВКО, читателям «Рудного Алтая» рассказал руководитель центра превосходства «Veritas» Восточно-Казахстанского технического университета им. Д. Серикпаева, PhD по специальности «техническая физика» Ернат Кожахметов.
– Насколько актуальна сегодня тема развития водородной энергетики в мире в целом и в Казахстане в частности?
– Последние несколько лет тема водородной энергетики вышла на передний план научных исследований и стала одной из наиболее актуальных и востребованных. Это связано с тем, что человечество сталкивается с проблемой истощения традиционных источников энергии, таких как уголь и нефть, и уже ставит перед собой задачу достижения углеродной нейтральности к 2060 году. И сегодня практически повсеместно активно ведётся поиск альтернативных источников энергии.
Одним из самых перспективных альтернативных источников энергии считается водород. Основная проблема его использования на современном этапе – это преодоление его физических свойств: взрывоопасности, низкой плотности, высокой проницаемости и ряда других. Все эти свойства пока не позволяют нам использовать водород в полном масштабе, потому что мы ещё не научились обеспечивать безопасность при его использовании.
Также на сегодняшний день нет материалов, которые бы позволили хранить водород достаточно длительное время. Пока что все известные материалы не обладают достаточной водородоёмкостью или же подвергаются разрушению под воздействием водорода.
Само производство водорода в мировой практике находится на оптимальном уровне. Его добывают в промышленных масштабах, и уже используют установки в локальных масштабах.
При этом есть множество проблем, связанных с транспортировкой водорода на большие расстояния, в связи с чем возникает необходимость создания новых материалов, способных эффективно противостоять высокой диффузии водорода и его деструктивному воздействию на молекулярном уровне.
Исследования показывают, что хранение водорода в стандартных газовых баллонах представляет значительные трудности. Во-первых, водород обладает высокой взрывоопасностью, что требует строгих мер безопасности при его хранении и транспортировке. Во-вторых, традиционные материалы, используемые для изготовления баллонов, не обеспечивают длительную сохранность водорода, так как он проникает в их структуру, вызывая водородное охрупчивание и разрушение материала на микроуровне. Это накладывает необходимость разработки новых материалов, устойчивых к воздействию водорода.
– Какие шаги предпринимаются для решения этих проблем?
– На сегодняшний день в мире разрабатываются различные методы хранения водорода в жидком, газообразном и твёрдом состоянии.
Если речь идёт о хранении водорода в газообразном состоянии, то основная задача заключается в разработке специальных баллонов, которые могут выдерживать высокое давление, обеспечивающее необходимую плотность хранения, как я уже сказал ранее. Ведутся разработки специальных баллонов из искусственных полимерных материалов в лабораториях разных стран мира, в том числе и в Казахстане.
Есть исследования, касающиеся свойств хранения водорода в жидком виде. Но и здесь пока множество своих минусов: водород в жидком состоянии очень быстро испаряется, что приводит к большим потерям. Кроме того, эта форма требует поддержания крайне низких температур, что значительно увеличивает затраты на его сохранение и транспортировку, делая этот способ хранения ещё менее экономически выгодным.
Также существуют проекты, направленные на исследование и разработку материалов, которые могут эффективно удерживать водород в твёрдом состоянии. Этот подход рассматривается как один из самых перспективных в обеспечении максимальной безопасности при хранении и использовании водорода на текущем этапе развития водородных технологий. Но пока он представляет собой долгосрочную цель.
Вместе с тем, уже ведутся практические попытки использования водорода в твёрдом виде – например, через создание кассет для заправки водородных автомобилей.
– Водород в первую очередь рассматривается как один из источников энергии. Какие есть разработки в данном направлении?
– Действительно, использование водорода в качестве энергоресурса – одно из основных направлений научных изысканий в области поиска альтернативных источников энергии. И здесь стоит вопрос о способах преобразования водорода в электрическую энергию.
В современном мире уже есть методы подобного преобразования. Но беда в том, что при этом используется очень дорогой и достаточно редкий палладий. И чтобы удешевить процесс, ведутся изыскания по поиску других, более дешёвых комплектующих для изготовления элементов, которые используются для преобразования водорода в энергию. Назрела необходимость определённого прорыва именно в этой области научных изысканий.
– Почему же, если существуют такие сложности с использованием водорода, продолжаются исследования в этом направлении? Не проще ли было, не теряя времени, заняться исследованиями других альтернативных источников энергии?
– Водород является перспективным источником энергии благодаря своей практически неиссякаемой природе и высокой эффективности преобразования энергии. Водород распространён в природе и обладает высокими показателями КПД.
Тем не менее, для широкого применения водорода необходимо преодолеть его негативные свойства, такие как высокая взрывоопасность, низкая плотность и высокая проницаемость. Учёные по всему миру активно работают над разработкой технологий и материалов, которые позволят эффективно использовать водород в энергетических системах, устраняя его недостатки и обеспечивая безопасность.
– Вы говорили о том, что сегодня водород уже пытаются использовать в локальных масштабах. Интересно, где и как именно?
– На сегодняшний день уже есть первые результаты устойчивого использования водорода в различных отраслях. Так, в Актау совместно с немецкими партнёрами строится завод по производству водорода, который намерены транспортировать по трубопроводу до Европы, где его будут широко применять в промышленности и автомобилестроении. Насколько я знаю, уже есть подводные лодки, работающие на водородных реакторах. В Китае уже построили завод по изготовлению автомобилей и автобусов на водородном топливе. Как и где их будут использовать, покажет время.
Недавно я читал о том, что национальная компания «ҚазМұнайГаз» планирует ввести на своих предприятиях использование водорода в качестве топлива для автомобилей и спецтехники. Его будут извлекать из остаточного газа метана путём его разложения. Для заправки автотранспорта водородом национальная корпорация намерена построить собственную автозаправочную станцию.
– В каких ещё отраслях может использоваться водород?
– Конечно, в первую очередь водород рассматривается как альтернативный источник для производства электрической энергии, так как его коэффициент полезного действия в несколько раз выше, чем у полезных ископаемых. Однако всё чаще водород стал использоваться и в промышленности для обработки различных материалов. Кроме того, он используется в технологиях по производству порошков из различных материалов для их последующего синтеза. Именно здесь негативное свойство водорода – проникать в само строение материала, называемое водородным охрупчиванием, – используют во благо. Такие технологии уже используют на заводах США и Великобритании, где производят современные полимерные материалы.
– На сегодняшний день ещё не разработаны материалы, которые способны противостоять воздействию водорода?
– Такие материалы есть. И научные изыскания в этом направлении ведутся во многих странах мира.
Например, сегодня уже известно керамическое покрытие на основе Al2O3, которое на данном этапе рассматривается как неплохой материал, который может служить барьером и преграждать путь для проникновения водорода в структуру основного материала. Но этот эффект тоже имеет свой конечный ресурс, и рано или поздно водород подберётся к основному материалу сквозь керамическое покрытие и начнёт проявлять свою разрушительную силу.
Группа учёных Национального ядерного центра и Восточно-Казахстанской области вот уже десять лет работает над проблемой разработки устойчивых материалов для длительного хранения водорода в твёрдом состоянии. Эти исследования проводились в рамках трёхстороннего международного проекта Казахстана, России и Белоруссии в области применения водорода в энергетике.
Как я уже сказал, наша группа учёных сфокусировала своё внимание на проблеме хранения водорода. Мы ведём исследования свойств тройной системы – титана, алюминия и ниобия. Мы добились результатов содержания водорода в этом сплаве до 4 мас.%. Это считается хорошим результатом. На сегодняшний день наиболее оптимальным материалом считается тот, который даёт возможность хранения водорода более 6 мас.%. Ну, а коммерчески успешные проекты используют сплавы, дающие не более 2 мас.%.
Предстоит ещё немало работы. В первую очередь необходимо провести серию экспериментов сплава. Потому что мы должны обеспечить не только высокий процент хранения водорода, но и долговечность самого материала. Без этого условия использование любого сплава будет экономически невыгодно.
Сейчас мы находимся на стадии проведения ресурсных испытаний в лабораторных условиях. Они позволят более точно определить, что происходит в структуре сплавов под воздействием водорода на разных временных отрезках.
Ещё один материал, который мы намерены исследовать в условиях университетской лаборатории, – это материал на основе керамики с примесью бора. В 2023 году группа молодых учёных Восточно-Казахстанского университета имени Д. Серикбаева выиграла грант по данной теме. Уже известно, что бор способен хранить до 17% водорода. И наша работа заключается в анализе этих теоретических изысканий на основе экспериментов. Чтобы приступить к серии экспериментов, мы сейчас закупаем недостающее оборудование и расходные материалы. Думаю, что этот проект займёт у нас несколько ближайших лет.
Екатерина Гуляева
Фото Seekingalpha.com
