Переход к низкоуглеродной энергетике, как один из основных вариантов решения проблемы глобального потепления по причине выбросов в атмосферу углекислого газа во всех сферах человеческой деятельности, становится все актуальнее. Как решается эта задача? Какие альтернативы есть у отечественной энергетики? На эти и другие вопросы читателям журнала «Академия Энергетики. РФ» отвечают Максим Анатольевич Савитенко – директор, и Борис Адамович Рыбаков, к.т.н. – главный технолог АНО Центр исследований и научных разработок в области энергетики «Водородные технологические решения».
«АЭ»: Только ли углекислый газ приводит к глобальному потеплению?
– Разумеется, нет. Парниковым газом номер один является водяной пар. За ним следуют метан, закись азота и другие газы.
К сожалению, усилия развитых стран по снижению темпов увеличения средней температуры атмосферы сводятся к снижению выбросов в атмосферу углекислого газа.
Если рассмотреть проблему глобального потепления глубже, то кроме парниковых газов многие виды человеческой деятельности приводят к выбросам в атмосферу тепловой энергии.
Простой пример. Если вы топите печку или камин дровами, то через трубу в атмосферу вылетают водяной пар, углекислый газ и тепловая энергия. Все эти составляющие приводят к увеличению температуры окружающего воздуха. Часть тепловой энергии, которая поддерживает комфортную температуру воздуха в вашем доме, в конечном итоге тоже попадает в атмосферу и внесёт свой вклад в глобальное потепление.
Если учитывать только выбросы в атмосферу углекислого газа, то электроэнергию, произведённую на атомных станциях, можно отнести к климатически нейтральной. Но для конденсации пара в конденсаторах паровых турбин на атомных станциях используются так называемые «мокрые» градирни, пар из которых поступает в атмосферу.
«АЭ»: И существенно водяные пары влияют на климат?
– Вода оказывает наиболее сильный эффект на тепловой баланс планеты Земля. Но разработка адекватной математической модели, которая могла бы с высокой степенью точности показать роль воды в климатических изменениях, не является простой задачей.
Все мы знаем, что вода может находиться в трёх агрегатных состояниях: жидком, твердом (лёд) и газообразном (пар). Но достаточно обратить внимание на облака, которые находятся на различном расстоянии от земной или водной поверхности. Они закрывают от нас солнечный свет, что приводит к снижению температуры воздуха под облаками.
Говоря о водяном паре, нужно понимать, что он прозрачен и не видим для человеческого глаза. Но мы должны знать, что при ясной погоде водяной пар, растворённый в воздухе, удерживает инфракрасное излучение (тепловую энергию) Земли. При повышении температуры способность воздуха растворять водяной пар увеличивается. Следовательно, парниковый эффект, обусловленный водяным паром, возрастает.
«АЭ»: Мы все чаще слышим о водородных технологических решениях. Если взять водород и, скажем, метан. Что в результате экологичнее для получения одинакового количества энергии?
– При сжигании 1 кг водорода образуется 9 кг воды в виде водяного пара.
Противники сжигания водорода говорят: «Мы не будем сжигать водород, а будем получать электроэнергию в топливных элементах». Они «забывают» сообщить о том, что на выходе из топливного элемента, кроме электроэнергии, образуется и водяной пар.
При сжигании 1 кг метана образуется 2,75 кг углекислого газа и 2,25 кг водяного пара.
Необходимо принять во внимание, что при сжигании 1 кг водорода выделяется 120 МДж тепловой энергии, если водяной пар не конденсировать, и 141,8 МДж, если сконденсировать образуемый водяной пар.
При сжигании 1 кг метана выделяется 50 МДж тепловой энергии, если не учитывать теплоту, выделяющуюся при конденсации водяных паров. Следовательно, для получения 120 МДж тепловой энергии, образующейся при сжигании 1 кг водорода, необходимо сжечь 2,4 кг метана. Соответственно, при сжигании 2,4 кг метана в атмосферу «улетит» 6,6 кг углекислого газа и 5,4 водяного пара.
То есть, при сжигании эквивалентного количества метана в атмосферу будет выделяться больше углекислого газа и меньше водяного пара.
«АЭ»: Каков эффект отдельных выбросов парниковых газов при сжигании природного газа и углерода?
– При сравнении выбросов парниковых газов в атмосферу получится разный эффект, если учитывать только углекислый газ и если учитывать суммарные выбросы углекислого газа и водяного пара.
Мы только что говорили о сравнении выбросов в атмосферу водорода и метана, который является основным компонентом природного газ. А состав последнего варьируется от месторождения к месторождению. Если говорить, о природном трубопроводном газе, который производится в России, то его состав достаточно стабилен. При этом его массовая теплота сгорания немного ниже массовой теплоты сгорания метана и в среднем равна 48,5 МДж/кг.
Для получения количества энергии, эквивалентного сжиганию 1 кг водорода, требуется сжечь 2,47 кг природного газа. При этом в атмосферу поступит 6,8 кг углекислого газа и 5,6 кг водяного пара.
Кроме метана в природном газе присутствуют этан, пропан, бутан, пентан, гексан и другие углеводороды, а также кислород, углекислый газ, азот и другие газы.
Поэтому точную оценку выбросов парниковых газов при сжигании природного газа можно сделать лишь имея его компонентный состав.
«АЭ»: Насколько глубокие исследования проводились для определения роли водяного пара и углекислого газа в глобальном потеплении климата?
– Давайте вспомним, как появилась сама теория глобального потепления. В 1824 году французский физик Жозеф Фурье сделал предположение, что земная атмосфера может увеличивать температуру поверхности. Он же впервые использовал в 1827 году словосочетание «парниковый эффект».
В начале XIX века ученые убедились в том, что температура земной поверхности не зависит только от прямого солнечного излучения. Это подтвердило теорию Фурье о том, что атмосфера возвращает поверхности планеты часть уже отраженного излучения.
Отцом же теории глобального потепления принято считать шведского химика Сванте Аррениуса. Еще в 1896 году он подсчитал, что удвоение состава СО2 в атмосфере может вызвать потепление средней температуры поверхности Земли от 5 до 6 градусов по Цельсию. Важно отметить, что в Европе в те годы жгли уголь. За свои исследования этот ученый получил Нобелевскую премию.
Однако повторные подсчеты выявили серьезные ошибки и спорные допущения в его расчетах и о нем надолго забыли, как и о возможном глобальном потеплении.
После 2-й мировой войны тема парникового эффекта была поднята американскими военными. Понятно, что к климату их исследования никакого отношения не имели: они искали способы применения инфракрасного излучения и проверяли его прохождение через земную атмосферу. Пары воды и СО2 не пропускали инфракрасные лучи.
В 1961 году ирландец Джон Тиндалл определил пары воды и углекислый газ как основные атмосферные факторы парникового эффекта и предположил, что изменение состава атмосферы может повлиять на изменение климата.
До конца XX века это были всего лишь спорные теории, периодически возникающие в научных дебатах и не появляющиеся в публичной политике.
В статье «Rising Levels of Human-Caused Water Vapor in Troposphere will Intensify Climate Change Projections», написанной Риком Панталео в 2014 году, сообщается, что учёные рассматривают пар воды, которая является наиболее важным ингредиентом для поддержания жизни на Земле и ключевым драйвером глобального потепления.
Дальнейшие исследования ученых из Университета Miami Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science и из Флориды подтвердили, что повышение уровня водяного пара в тропосфере будет играть все возрастающую роль в изменении климата в ближайшие годы. Было сделано предположение, что увеличивающееся количество водяных паров в атмосфере вызвано человеческой деятельностью, что в последующем и подтвердилось.
В статье “The Importance and Nature of the Water Vapor Budget in Nature and Models”, Lindzen, Climate Sensitivity to Radiative Perturbations: Physical Mechanisms and Their Validation (1996) сообщаются количественные данные по влиянию концентрации водяного пара и углекислого газа на парниковый эффект. Автор сообщает, что при чистом небе вклад водяного пара в отражение длинноволнового излучения составляет 75 Вт/м2, в то время как вклад углекислого газа – только 32 Вт/м2. То есть, вклад водяного пара в парниковый эффект превышает вклад в парниковый эффект углекислого газа в 2,34 раза.
Российские исследователи в своих публикациях тоже утверждают, что водяной пар является важным парниковым газом.
В статье «Спектроскопия парникового эффекта» (Соровский образовательный журнал, том 7, № 10, 2001) Тонков М. В. Пишет: «Основными поглощающими газами в земной атмосфере оказываются водяной пар и углекислый газ».
Пташник И. В. в своей диссертации на тему «Континуальное поглощение водяного пара в центрах полос ближнего ИК-диапазона» (2007) сообщает, что «водяной пар, не смотря на своё относительно малое парциальное содержание в земной атмосфере, является наиболее важным компонентом, обусловливающим её радиационный баланс. Полосы поглощения водяного пара и области между ними («крылья» полос), называемые «окнами прозрачности» атмосферы, поглощают до 70-80% солнечного излучения, падающего на атмосферу. Водяной пар также является одним из наиболее важных парниковых газов в атмосфере».
В диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук по теме «Экспериментальное исследование индуцированного и континуального поглощения ИК-радиации основными атмосферными газами» (Обнинск 2014) Баранов Ю. В. заключает, что «бинарные коэффициенты поглощения для смеси углекислого газа с водяным паром приблизительно на порядок превосходят величины для чистого СО2».
«Научная Россия» (2018) в статье «Нижегородские физики поняли причину избыточного поглощения энергии водяным паром» сообщает, что «Водяной пар сильно поглощает электромагнитные волны в диапазоне от радио до ультрафиолета. Это делает его основным парниковым газом атмосферы, а, значит, фактором, оказывающим значительное влияние на климат Земли».
Несмотря на большое количество научных публикаций, подтверждающих роль водяного пара в парниковом эффекте, ни один официальный документ не признаёт этот факт.
«АЭ»: В чём преимущество водородной энергетики?
– Необходимо отметить, что наши исследования посвящены применению водородных технологий в энергетике, в первую очередь – в тепловой энергетике. Ведь именно в ней сжигаются углеводородные виды топлива, такие как уголь, мазут и природный газ.
Параллельно, мы изучаем способы получения «зелёного» водорода с помощью возобновляемых источников энергии солнца и ветра.
Мы обратили внимание, что для получения водорода методом электролиза кроме электроэнергии требуется вода.
В соответствии с постановлением Правительства РФ к 2035 году на экспорт планируется поставлять от 15 до 50 миллионов тонн водорода. Для производства 1 кг водорода методом электролиза требуется примерно 50 кВтч электроэнергии и 9 литров обессоленной воды. Легко подсчитать, что для производства 50 млн тонн Н2 потребуется 2500 млн кВт*ч электроэнергии и 450 млн тонн деминерализованной воды!
Трудно говорить о преимуществах использования водорода в энергетике без обсуждения конкретной технологии его преобразования в энергию.
Мы концентрируем свои исследования на сжигании смеси водорода и природного газа в котлах и газотурбинных установках, а также разработке систем конденсации водяных паров дымовых газов. После очистки конденсата его можно использовать для получения водорода методом электролиза. Тем самым можно внести существенный вклад в сокращение потребления воды, необходимой для производства водорода, а также в существенное снижение выбросов водяного пара в атмосферу. При конденсации водяных паров дымовых газов существенно снижаются удельные выбросы в атмосферу углекислого газа.
По нашему мнению, производить водород имеет смысл в месте его потребления, а электроэнергию от возобновляемых источников энергии доставлять к местам производства водорода по линиям электропередач постоянного тока.
Пока в России отсутствуют стимулы для снижения выбросов в атмосферу углекислого газа, но, тем не менее, мы должны быть готовы предложить технические решения, которые позволят снизить выбросы в атмосферу парниковых газов, как с использованием водорода, так и без его использования.
Известно, что стоимость «зелёного» водорода существенно выше стоимости эквивалентного количества природного газа. Но недавние события в Европе показали, что цены на природный газ вырастали до значений превышающих стоимость производства водорода метом электролиза воды с помощью электроэнергии, полученной из возобновляемых источников энергии.
«АЭ»: Каковы на ваш взгляд перспективы водородных технологий в России и в Европе?
– Недавно Минпромторгом опубликован «Атлас российских проектов по производству низкоуглеродного и безуглеродного водорода и аммиака», включающий 33 проекта. Без учета проекта сооружения приливной электростанции в Пенжинской губе Камчатского края, где к 2031 году планируется производить 5 миллионов тонн водорода.
Суммарное производство водорода остальных проектов на территории Российской Федерации по производству водорода, предназначенного для экспорта, к 2030 году должно составить 1,6 млн тонн.
Имеющейся информации недостаточно, чтобы предметно обсуждать технические решения, которые планируется применить при реализации этих проектов.
Первый вопрос: какие электролизёры будут устанавливаться на заводах по производству водорода: отечественные или иностранные? Как планируется транспортировать водород? Непонятны стадии развития проектов, неизвестна их стоимость, прогнозная цена водорода. Неясно, кто будет потребителем водорода на территории РФ?
Судя по атласу Российских водородных проектов, «зелёный» водород и «зелёный» аммиак планируется производить, используя энергию существующих ГЭС и энергию «новых» приливных электростанций (ПЭС).
Как правило, крупные ГЭС расположены в Сибири, то есть, далеко от возможных потребителей водорода, а для производства водорода, используя энергию будущих ПЭС, потребуются огромные инвестиции в проектирование и строительство самих приливных электростанций, а также в системы очистки морской воды и заводы по производству водорода, для которых потребуются мощные электролизные установки. Также как и для водорода, который планируется производить рядом с ГЭС, остаётся открытый вопрос доставки водорода к потребителям.
Что касается Европы, то они опережают нас лет на 10, если не больше. В странах ЕС и в Великобритании налажено производство электролизёров и топливных элементов, оборудования для СЭС и ВЭС. В 2024 году планируется ввести в эксплуатацию 6 ГВт электролизёров и 40 ГВт – в 2030 году.
Если принять коэффициент использования установленной мощности электролизёров равным 0,45, то есть, электролизёры будут работать 4000 часов в году, то в странах ЕС в 2024 году будет производиться 500 тыс. тонн «зелёного» водорода, а в 20230 году около 3 млн тонн.
В ЕС уже провели испытания подмешивания водорода к природному газу и транспортировки этой смеси по газопроводу, а также сжигание метано-водородной смеси в бытовых газоиспользующих устройствах.
В ряде Европейских стран государство стимулирует установку солнечных панелей на крышах индивидуальных домов, на крышах и фасадах многоэтажных зданий. Что касается ВЭС, то в Европе уже сооружается и планируется ввести в эксплуатацию сотни ГВт оффшорных электростанций.
Расчёты показали, что ВЭС и СЭС, построенные в Европе смогут покрыть потребности всех Европейский стран в «зелёной» электроэнергии. Водород будет играть роль «вторичного» энергоносителя, что позволит аккумулировать избыточную энергию и использовать «зелёный» водород для получения энергии при отсутствии солнца или ветра.
Что касается использования природного газа в Европейских странах после 2050 года, то это тема отдельного исследования.