Виробництво водню в Україні: економічні та технологічні проблеми
Чому водень?
Світова економіка найближчого майбутнього має перейти на масове застосування водню в якості енергоносія і промислової сировини. Про це написано вже тисячі статей, в тому числі в Україні, в тому числі на цьому інтернет- ресурсі (стаття про зародження водневої економіки в Україні).
Для цього є декілька підстав:
Водень не утворює парникових газів при спалюванні, тому є безпечним з точки зору впливу на зміну клімату
Водень є найбільш поширеним хімічним елементом у світі, є багато джерел і технологій його отримання
Водень дає втричі більше енергії, ніж вуглеводні (на одиницю ваги)
Водень можна накопичувати, зберігати і транспортувати на великі відстані (як у чистому вигляді, так і у вигляді аміаку)
Водень може знайти широке застосування в металургії та хімічній промисловості, перш за все – у виробництві азотних добрив.
Але для широкого комерційного використання цих переваг необхідно подолати значну кількість технічних проблем, головними з яких є екологічна шкідливість сучасних технологій виробництва водню і високі витрати на виробництво екологічно чистого водню.
Нині більше 95% водню виробляється з природного газу ("сірий водень) або вугілля ("чорний або коричневий водень"), при цьому при виробництві однієї тони водню відбувається викид декількох тон вуглецевого газу.
Такий брудний спосіб виробництва дозволяє виготовити водень по ціні до 1,5 доларів за кілограм.
Вартість екологічно чистого водню
Давно відома технологія виробництва водню шляхом електролізу води, яка є абсолютно чистою, якщо використовувати електроенергію з відновлюваних джерел. Зараз таким способом виробляється дуже мало водню, бо він коштує 5-10 доларів за кілограм через високу ціну відновлюваної електроенергії.
До 2022 року в Україні були започатковані декілька проектів виробництва водню, всі вони базувалися на використанні електролізу з застосуванням відновлюваних джерел енергії. Для того, щоб мати водень дешевше 2 доларів за кілограм при цій технології потрібно не тільки вдосконалити сучасні електролізери, що вочевидь можливо, але й мати "зелену електроенергію" за ціною не дорожче 3 центів за кіловат-годину. Зараз ціна електроенергії для промислових споживачів в Європі не менше 10 центів, у нас вона теж не нижча. Ясно, що за такої ціни "зелений водень" можливо виробляти тільки за рахунок державних субсидій.
Але ціна 2 долари за кілограм є прийнятною для застосування водню в якості пального для транспорту, а для використання його в якості промислової сировини та палива для електростанцій ціна має бути в межах 1 долара за кілограм.
Чи можна очікувати ціну "зеленої енергії" втричі нижчу за нинішні ціни на ринку Європи та України? Можна, якщо подальший технічний прогрес у вітровій та сонячні генерації поєднується з сприятливими природними умовами, наприклад, як на Оркнейських островах в Шотландії для вітрової генерації або як в пустелі Мохаве в США для сонячної генерації. В таких умовах можна отримати дуже низькі ціни на зелену енергію. Чи є такі умови на території України? Питання риторичне.
Тому виробляти "зелений водень" в Україні можна тільки при наявності субсидій. Але на відміну від "зеленого тарифу" для відновлюваної енергетики, де субсидії мають тимчасовий характер, субсидії для "зеленого водно" будуть довічними, бо природні умови у нас не будуть схожими ні на пустелю Мохаве, ні на Оркнейські острови.
Не маючи подібних природних умов, у нас на виробництво водню можна використовувати тільки енергію, вироблену СЕС і ВЕС понад балансові потреби (це декілька процентів встановленої потужності, що не дозволить раціонально навантажити електролізери), або покладати надію на атомну енергетику.
Узаконення атомної енергії в якості екологічно чистої може кардинально змінити умови для електролізної технології у нас. Вироблений з атомної електроенергії водень (так званий "рожевий водень") в ЄС, який є потенційним ринком для українського водню, зараз не має чіткого правового статусу.
Єдиної позиції щодо "рожевого водню" не існує: група країн на чолі з Францією виступають за визнання такого водню "відновлюваним", а інша група на чолі з Німеччиною – категорично проти.
Скоріш за все, противники атомної енергетики заблокують таке визнання.
Але є великий шанс на те, що для водню з атомної електроенергії буде запроваджене спеціальне юридичне визначення: поруч з "викопним" та "відновлюваним" буде запроваджене поняття "низько-вуглецеве" джерело енергії.
Для умов України воднева економіка має будуватися не на "зеленому романтизмі", а на інших технологічних засадах – на вдосконаленні і модифікації виробництва водню з атомної енергії, а також і в першу чергу - з викопних джерел.
Ці технології зараз розробляються в різних країнах, вони ще не дійшли до промислового використання, але попередні оцінки дозволяють мати надію на отримання чистого водню вартість не дорожче 1 долару за кілограм.
Технології отримання дешевого водню
Реалістичні способи отримання водню за такими цінами зараз базуються на застосування викопних джерел, перш за все це каталітичний риформінг природного газу з подальшим захороненням СО2. В цьому варіанті (так званий "блакитний" водень) зараз є технічний ризик, бо потрібне попереднє геологічне дослідження можливості витоку СО2 після захоронення.
Згідно до норм ЕС, потрібно мати спеціальний дозвіл на захоронення СО2, який видається на підставі геологічних досліджень.
Крім проблеми захоронення СО2, "блакитний" водень не є "чистим" у екологічному розумінні, бо зараз ще не можливо вилучити весь обсяг СО2, що утворюється в процесі риформінгу природного газу. В різних варіантах цієї технології показник вилучення СО2 коливається від 65% до 95%. Але в цьому році американська компанія 8 Rivers заявила, що їй вдалося створити технологію отримання водню з природного газу з повним вилученням СО2, при чому вартість водню менша, ніж при класичному каталітичному риформінгу.
Інші варіанти, які можуть досягти показника нижче 1 долара за кілограм – це використання виснажених нафтових і газових родовищ, де промисловий видобуток вже не можливий. Низькі витрати тут обумовлені тим, що свердловини вже побудовані і фактично нічого не коштують. В Україні зараз є тисячі відпрацьованих нафтогазових свердловин, за повідомленням ЗМІ, тільки на балансі Укрнафти їх 5600.
Отримання водню з таких родовищ може бути досягнуто двома шляхами: (1) мікробіологічним або (2) термохімічним.
Перший з них полягає у використанні анаеробних бактерій, які споживають вуглеводні і продукують Н2 та СО2. Промислові випробування такого способу успішно проведено в 2022 році в Техасі.
Другий спосіб полягає в конверсії вуглеводнів та води під дією високих температур в умовах нестачі кисню. В результаті хімічних реакцій продукується синтез-газ, який містить в різних пропорціях чадний газ, метан, водень і СО2. Сучасні технології дозволяють залишити вуглецевий і чадний газ під землею і отримати на поверхні тільки водень. Такі технології для родовищ нафти розроблені в Канаді, а для природного газу – в Норвегії (тільки на лабораторному рівні, промислові випробування заплановані на 2025 рік).
Пропозиції для України
Можливість використання виснажених нафтогазових родовищ України для отримання водню не досліджена і ніхто цими дослідженнями не займається.
Якщо розглядати виробництво водно як комерційний проект, наприклад, для подальшого виробництва електроенергії (замість вугілля) або аміаку (замість природного газу), а не як субсидований державою політичний проект, то треба досліджувати технології використання залишків нафти і газу у відпрацьованих родовищах.
На сьогоднішній день ні мікробіологічні, ні термохімічні технології ще не доведені до промислового використання, більш того, не відомо, який з варіантів технології виявиться найбільш вигідним для умов України. Тому зараз нам доцільно займатися як мікробіологічними, так і термохімічними технологіями.
Мікробіологічні технології
В вересні 2022 року в штаті Техас відбулися промислові випробування біотехнології виробництва водню у виснажених нафтових свердловинах, яка розроблена компанією Cemvita (вона була заснована 7 років тому для дослідження, розробки і комерціалізації біотехнологій для важкої і гірничої промисловості).
Суть технології полягає в тому, що в нафтоносних пластах живуть бактерії, які перетворюють вуглеводні в водень і СО2. Виявлення, селекція, генетична модифікація і розмноження цих бактерій до промислового рівня і заселення їх назад в нафтоносний пласт дозволяє досягти виробництва водню обсягом 30 тон на добу і більше з однієї свердловини (в виснажених свердловинах вже не можливо викачувати нафту, але її залишків достатньо для виробництва водню).
Вуглецевий газ, який є побічним продуктом технології, закачується в інший нафтоносний пласт для підвищення тиску в ньому, що дає можливість додатково отримати 10-15% нафти.
Патентна заявка на цю технологію подана в кінці 2022 року, оприлюднена в березні цього року, тому купити ліцензію на цю технологію найближчими роками не можливо.
Але розробити подібну технологію для використання в Україні видається можливим, потрібні спеціалісти з геології, мікробіології та генетики у нас є.
Місцем реалізації проекту може бути, приміром, Бориславське родовище (Львівська область), яке схоже за глибиною залягання і термобаричними умовами на родовища Техасу і вже майже вичерпало можливості для промислового видобування, хоча залишки нафти в родовищі становлять біля 25%.
В нафтоносних пластах Бориславського родовища треба виявити штами бактерій, які продукують водень. На початковій стадії створення генетично модифікованих бактерій (ГМБ) можна не планувати, бо природні бактерії можуть бути достатньо продуктивними.
В такому випадку можна буде досить швидко перейти до підготовки промислових випробувань (розмноження продуцентів водню у промисловому обсязі для заселення в свердловину).
Доцільність ГМБ і витрати на їх створення можна буде оцінити по результатам першої стадії. При сучасних генетично-інженерних технологіях навіть в такій технологічно відсталій країні, якою ми є, можна очікувати створення потрібних ГМБ.
Цей шлях значно кращий, ніж очікування можливості купити ліцензію в США, бо створює власну технологію. Власні технології, а не поклади копалин, зараз є національним багатством номер один.
Термохімічні технології
Технологія виробництва водню з відпрацьованих покладів нафти розроблена і запатентована співробітниками Університету Калгарі (Канада) і зараз комерціалізується компанією Proton Technologies Canada. Технологія видобування водню з відпрацьованих газових родовищ розроблена і запатентована компанією Hydrogen Sources (Норвегія). В обох випадках прогнозована вартість водню значно нижча одного долару за кілограм.
Канадська технологія вже куплена більше, ніж десятком компаній, хоча на промисловий рівень видобутку ніхто ще не вийшов. Доцільно виконати техніко-економічне дослідження можливості застосування цієї технології на українських родовищах нафти та шляхів отримання ліцензій (через покупку або іншими способами, наприклад через створення спільних підприємств), якщо ця технологія може бути застосована на наших родовищах. На даний момент перевірку її придатності для українських умов ніхто не робив.
Норвезька технологія ще не пройшла промислового випробування, тому ліцензія на її використання ще не продається. Якщо українська приватна або державна компанія вкладе пару мільйонів доларів в промислове випробування на одному з наших газових родовищ, то має шанс стати співвласником технології і не купувати ліцензію на неї, а продавати.
До подібних технологій також належить підземна газифікація вугілля, яка відома не один десяток років. В Україні ця технологія має вже довгу, майже сторічну, історію. Якщо брати не дуже давні проекти, то слід назвати спільну з Польщею роботу в 2007 році (проект "Орієнтована на водень підземна газифікація вугілля"), а також дослідження 2010-2011 років на вугільних родовищах компаній ДТЕК та Донецьксталі. Вміст водню в синтез-газу становив до 25%.
Зараз в світі діє з два десятка підприємств підземної газифікації вугілля. Світовим лідером тут є Австралія. В 2015 році між Україною та Австралією був підписаний меморандум про початок спільного проекту підземної газифікації, який так і не був втілений у життя. З точки зору виробництва водню, вузловим питанням для проектів газифікації вугілля буде вилучення та захоронення СО та СО2.
Інші технології
Я назвав тільки 4 нові технології виробництва дешевого водню, створені в США, Канаді та Норвегії. Багато інших технологій зараз знаходяться на стадії досліджень: виробництво водню водоростями, біологічний електроліз, піроліз, біологічна конверсія аграрних та харчових відходів тощо.
Тисячі дослідників в університетах, приватних і державних організаціях зараз працюють над створенням нових водневих технологій. Економічна мета для всіх одна – дешевий водень по ціні до 1 долара за кілограм. В Україні теж ведуться дослідження таких технологій, наприклад, в Інституті мікробіології НАНУ досліджувалися технології отримання водню з відходів харчової промисловості.
Всі ці роботи поки що далекі від комерційного використання, бо витрати на виробництво в декілька разів перевищують не тільки "сірий", а й "зелений" водень. Але наявність в Україні кожного року десятків мільйонів тон аграрних відходів та відходів харчової промисловості дає підстави для постійного моніторингу технологій їх переробки у водень та інші товарні продукти.
Фінансування таких досліджень у нас таке мізерне, що не дозволяє мати надію на створення комерційної технології власними силами.
Використання водню як промислової сировини та енергоносія
На сьогодні найбільший ринок водню – це нафтопереробка, ще один ринок – виробництво аміаку, який має перспективи стати найбільшим за споживанням водню. Зараз в світі виробляється 200 мільйонів тон аміаку, головним чином для азотних добрив.
73% аміаку виробляють з природного газу, 25% - з вугілля (Китай). Водень при цьому є проміжним продуктом для прямого синтезу аміаку. При виробництві тони аміаку виникає більше двох тон викидів СО2, тобто це виробництво є дуже шкідливим з точки зору викидів.
Виробництво аміаку безпосередньо з водню не призводить до викидів парникових газів. Україна має потужності для виробництва 4,8 мільйонів тон аміаку, в тому числі – 3,5 млн тон на Одеському припортовому заводі, але вони не задіяні через дефіцит і високу ціну природного газу.
До 2022 року Україна купувала значну кількість аміаку в Росії (більш, ніж на 100 мільйонів доларів на рік). Перехід на виробництво аміаку з водню забезпечить Україну власними азотними добривами. Для цього можна використовувати існуючі заводи з виробництва азотних добрив (Рівне, Черкаси, Кам’янське, ОПЗ).
Ще одним важливим внутрішнім ринком водню буде електрогенерація, а саме конверсія вугільних електростанцій. Вже зараз в Німеччині почався процес переобладнання вугільних станцій на суміш водню з природним газом. В серпні цього року компанія RWE уклала контракт на переобладнання вугільної електростанції потужністю 800 мегават на суміш природного газу з воднем в пропорції 50:50, постачання виробленого з природного газу "блакитного" водню забезпечить Норвегія. На міжнародному ринку вже декілька виробників пропонують газові турбогенератори для таких електростанцій, після 2025 році очікується поява на ринку повністю водневих турбогенераторів.
В недалекому майбутньому перед електростанціями України постане така сама проблема, якою вже займаються німці. Тому для нас актуальним буде не виробництво водню з електроенергії, а виробництво електроенергії з водню. Для цього він має коштувати не дорожче 1 долара за кілограм.
З чого почати
Першим кроком має стати національна Воднева стратегія, яка охопить всі стадії водневої індустрії – від виробництва, зберігання та транспортування до промислового і енергетичного використання.
Подібні плани вже мають більше 35 країн світу. На жаль, в "План відновлення України" вже включені проекти вартістю багато мільярдів доларів, не зважаючи на очевидну їх нерентабельність: це проекти будівництва 15 гігават електролізних потужностей для "зеленого водню" і більше 30 гігават сонячних і вітрових електростанцій для цих електролізерів.
Не знаю, чи зроблено це з подачі "зелених романтиків", чи просто аферистів, але це означає мільярди субсидій з бюджету, якого буде не вистачати на нагальні потреби відбудови.
Не можна зациклюватися на найдорожчій з технологій. Без державних субсидій вироблений за такою технологією водень зробить витрати на виробництво добрив непідйомними для аграріїв, а конверсію вугільних електростанцій взагалі економічно абсурдною.
В "Плані відновлення України" потрібні проекти виробництва дешевого екологічно чистого водню, а не проекти викачування субсидій з держави. Технологічні рішення для цього вже є або будуть найближчим часом, потрібна політична та бізнесова ініціатива для їх впровадження в життя.