«Зеленая» повестка набирает обороты по всему миру, на ноябрьском климатическом саммите в Глазго одной из главных тем был отказ от использования угля. Какие угрозы несет глобальное потепление, почему углеродная нейтральность обойдется очень дорого и как в этой ситуации может помочь водород, рассказал TEKFACE глава Центра компетенций Национальной технологической инициативы на базе Института проблем химической физики РАН Юрий Добровольский.
TEKFACE: Юрий Анатольевич, какой вопрос сейчас является главным с точки зрения климатологической повестки?
Юрий Добровольский: Если говорить о климатологии вообще, то главное – не допустить попадание лишних объемов парниковых газов в атмосферу и, более того, изъять из атмосферы и захоронить часть того газа, который уже был выброшен за промышленный период. Вернуться к той среде существования, когда содержание углекислого газа в атмосфере было 300 ppm (частей на миллион. То есть, в каждом кубометре присутствует 300 мл. СО2, – ред.). Доиндустриальный уровень составлял 280 ppm, но уже в 1960 году было 310-320 ppm, а в октябре 2020 года был зафиксирован уровень в 415 ppm. Сейчас, впрочем, этот показатель несколько ниже – 380-390 ppm.
TEKFACE: Увеличение доли СО2 в атмосфере влияет на климат. Чем опасны климатические изменения?
Юрий Добровольский: Во-первых, климатическая миграция, которая уже стала основным типом миграции, так как быстро меняются условия в регионах, привычных для жизни. В качестве примера я всегда привожу Москву, где с 1980 года значительно участились ураганы. На то время они были явлением редким, а сейчас эти ураганы и подтопления – практически ежегодная традиция. При этом центральный регион еще живет хорошо, здесь это не так часто случается. А если ураганы будут каждую неделю?
TEKFACE: Именно для борьбы с изменениями климата многие государства намерены достигнуть углеродной нейтральности? Насколько реально ее достигнуть к заявленным большинством стран 2050-2060 годам?
Юрий Добровольский: Процесс достижения углеродной нейтральности и так шел, но шел медленно, как и любой энергопереход. А теперь его пытаются очень сильно подстегнуть. Однако это потребует очень больших разовых затрат. Либо нужно будет вводить огромный углеродный налог. Еще год назад рассматривался углеродный налог в диапазоне $50-250 за 1 тонну СО2. Но чтобы достичь углеродной нейтральности в заявленные сроки, налог должен быть в три-четыре раза выше. А это, в свою очередь означает, что жизнь обычного человека подорожает в два-три раза всего лет за двадцать (стоимость электроэнергии, коммунальные услуги и т. д.). Углеродный налог потянет за собой всю цепочку. Готовы ли на это пойти власти государств, объявивших планы по достижению углеродной нейтральности, а главное – граждане, для большинства из которых климатическая проблема является абстрактной? Это будет насильственный экономический путь.
Еще вариант – насильственный государственный путь, подразумевающий запрет тех или иных производств. Естественным, цивилизованным путем, каким шли до сих пор, то есть – рыночными методами с некоторой поддержкой государства – достичь углеродных целей к заявленным срокам уже не получится.
TEKFACE: Что конкретно можно сделать в такой ситуации? Переходить на возобновляемые источники энергии?
Юрий Добровольский: Если говорить в общем, понятно, что надо переходить на ВИЭ и замещать продукцию, которая производится сейчас, на продукцию, которая будет получена с использованием энергии из возобновляемых источников. То есть продукция должна производиться с минимальным вмешательством в окружающую среду, минимально должны использоваться полезные ископаемые, в первую очередь – углеводородное сырье. Но это – весьма отдаленная перспектива, переход на ВИЭ – очень длительный процесс. Минимальный срок здесь – 15-20 лет, которые потребуются для того, чтобы перевести на ВИЭ хотя бы часть систем. Кроме того, это дорого. Тем не менее переход на ВИЭ обеспечен и экологией, и энергетикой, и общей политикой.
Есть, впрочем, и иной путь — изъятие и захоронение СО2. Самый простой способ – физический, выделение углекислого газа из атмосферы и захоронение под землей. Здесь, кстати, есть и некая суперцель – вернуть ископаемое топливо, которое миллионы лет накапливалось в земле, в изначальное состояние. Это вполне решаемая задача. Однако пока мы продолжаем выбрасывать гораздо больше, чем надо захоронить из того, что мы уже выбросили. Так что проблема даже не в концентрации СО2 в атмосфере, а в том, что человечество стало выбрасывать почти столько же углекислого газа, сколько все природные объекты Земли. Пока все же меньше, но уже сопоставимо.
Так что цель первая – не выбросить больше, то есть достигнуть той самой углеродной нейтральности. Вторая – удалить то, что мы выбрасывали. Вернуть биосферу в исходное состояние. Однако если посмотреть на объемы, которые надо закачать, может оказаться, что у человечества просто нет таких мест, где весь этот СО2 можно захоронить. Кроме того, это просто дорого, учитывая, что уловить нужно около 200 млн тонн углекислого газа, а захоронение обойдется в 60-100 евро на тонну.
TEKFACE: Что тогда с этим углекислым газом делать?
Юрий Добровольский: Попытаться создать производство на основе извлеченного углекислого газа и водорода. В результате, из смеси СО2 с водородом можно получить смесь СО с водородом, а это не что иное, как синтез-газ, из которого может быть получена половина органики. Это позволит не добывать углеводороды для получения полимеров, не сжигать их для получения сажи. Можно получать полезные вещества, такие как уксусная кислота, метанол и так далее, не извлекая и не сжигая углеводороды, а просто используя смесь углекислого газа с водородом. Но тут тоже возникает проблема объемов уже выброшенного в атмосферу СО2 – они больше, чем может быть использовано для производства упомянутой продукции в необходимом количестве. Водород нужен как промежуточный химический носитель для утилизации углекислого газа.
TEKFACE: Хорошо, а как можно применять водород в конкретных отраслях? Какие отрасли вообще являются наиболее «опасными» с точки зрения выбросов?
Юрий Добровольский: На первом месте, безусловно, энергетика. Поэтому в первую очередь надо прекращать сжигание угля и мазута – там, где идут прямые выбросы и загрязнения. На втором месте – транспорт, на третьем – промышленность, в которой одной из наиболее важных отраслей являются металлургия и производство строительных материалов (например, цемента). В металлургии используется коксующийся уголь, а при производстве цемента – и уголь, и природный газ. Также важные отрасли в этом плане – производство азотных удобрений и почти вся нефтехимия. Причем если нефтехимия, с большой вероятностью, пойдет на убыль, то производство удобрений сокращаться точно не будет.
TEKFACE: И как декарбонизировать эти сектора?
Юрий Добровольский: Начнем с энергетики. Обычно, когда говорят о водороде в аспекте декарбонизации, подразумевается водородная энергетика, прямое использование водорода в качестве альтернативы углю, мазуту и природному газу. Однако сжигать водород – очень плохая идея. Во-первых, это гораздо менее эффективно, чем сжигать тот же природный газ. Тем более, что энергетика, использующая природный газ, на сегодняшний день – наиболее экологичная, после ВИЭ, гидро- и атомной энергетики. Кроме того, учитывая транспортировку, сжигание природного газа и экономически более выгодно, чем сжигание водорода.
Тем более, что основная масса водорода сейчас получается все равно при использовании углеводородов. «Серый» и «голубой» водород получаются из того же природного газа (различие в том, что при производстве «голубого» утилизируется углекислый газ). Но постепенно мы идем к «зеленому» водороду, который производится при помощи энергии, полученной из возобновляемых источников. Водород может служить дополнением к природному газу на период перехода к полностью «зеленой» энергетике. Водород позволит снизить количество углекислого газа на единицу произведенной энергии.
Повторюсь, есть более экономичные способы получения электроэнергии из водорода, чем его сжигание (при сжигании водорода, которое идет при температуре в 2000 градусов мы получаем вместо выбросов СО2 потенциальные выбросы NOx, оксидов озота, и кислотные дожди впридачу). Например, топливные водородные элементы. Там и КПД примерно в два раза больше, и такие виды загрязнения окружающей среды, как тепловое и шумовое, гораздо ниже. И здесь мы уже переходим к транспорту. Декарбонизация тоже может пойти разными путями. Во-первых, это электромобили, использующие аккумуляторы, заряжаемые из сети. Врочем, в сети у нас тоже «грязная» энергия, получаемая от сжигания топлива на электростанциях. Но даже учитывая это электромобили будут способствовать снижению выбросов (особенно если утилизировать углекислый газ на самой станции).
Но для многих задач в электромобилях гораздо проще использовать не зарядку от сети, а те самые водородные топливные элементы. Очевидно, что электротранспорт уже победил. Двигатель внутреннего сгорания, на мой взгляд, уже проиграл свою игру – и политически, и экономически, и климатологически. Конкуренция на транспортном рынке будет идти между источниками электрохимической энергии – аккумуляторами и водородными топливными элементами. И, вероятнее всего, в итоге каждый займет свою нишу. Я полагаю, что частный городской транспорт (по крайней мере, легковой) останется аккумуляторным – это просто более удобно, да и КПД здесь будет выше. А общественный транспорт и транспорт предназначенный для дальних перевозок, скорее всего, перейдут на водород. В данном случае двигатели с водородными топливными элементами будут выгоднее и удобнее, так как им не придется так же часто заряжаться, как аккумуляторным электромобилям. Впрочем, рынок сам распределит ниши, особенно, когда появится углеродный налог, от которого будет зависеть, сколько будет стоить водород, полученный тем или иным методом. При этом следует отметить, что на сегодняшний день даже водород, полученный методом парогазовой конверсии с утилизацией углекислого газа будет гораздо «чище» электричества из сети.
Что касается промышленности, напомню, что первая стадия получения железа – это восстановление его оксида из руды при помощи кокса. И хотя есть много способов восстановления, самым чистым восстановителем будет водород. А если будет «зеленый» водород – будет почти абсолютно чистое восстановление (не считая углеродного следа от самих источников ВИЭ). Если говорить о производстве азотных удобрений и нефтехимии, то там уже используется водород, но сейчас речь идет об «озеленении» самого этого водорода. В этих отраслях применяется «серый» водород, так что надо либо улавливать углекислый газ, либо использовать изначально «зеленый» водород, полученные при помощи ВИЭ.
TEKFACE: Во всех ли регионах планеты вообще и в России в частности стоит развивать новые отрасли, позволяющие сократить выбросы? Возможно, есть какие-то районы, где уже ничего невозможно сделать?
Юрий Добровольский: Земная атмосфера едина, так что, если в одном месте снижать выбросы, а в другом, наоборот, наращивать – это будет бессмысленной тратой средств. Тем более, что метод захоронения углекислого газа годится для любого региона. Если говорить о развитие ВИЭ, то энергию можно перераспределять из тех мест, где ее производить проще, в те, где этот процесс сложнее.
Конкретно в России, есть места, более чем подходящие для развития «зеленой» энергетики. Это в первую очередь северное и восточное побережье, где очень удачная обстановка для ветряков. Особенно, учитывая, что люди там практически не живут, то есть там достаточно просто все застроить ветряками. С другой стороны, возникает вопрос транспортировки – линии электропередач по болотам и горам прокладывать тяжело. Но не стоит забывать, что вдоль северного и восточного побережья проходит Северный морской путь. То есть, при помощи «зеленой» энергии можно прямо на месте производить водород и возить его потом по СМП на экспорт. Пока это будет получаться дороговато, но проблема вполне решаемая. Кстати, этот же водород можно использовать и как топливо для самих судов-водородовозов.
Нужно создавать «зеленый» энергорынок, а он не будет создан, если проблемы решать последовательно. Рынок возникает только когда наличествует синергия многих отраслей. В случае с водородом должны параллельно происходить переход на водород внутри страны и налаживание экспорта этого вида топлива.
Для России есть и еще одна возможность, связанная с БАМом и Транссибом. На границе с Китаем очень хорошая инсоляция, не хуже, чем в большинстве европейских стран. Это позволяет установить солнечные панели и при помощи полученный благодаря им энергии производить все тот же водород. И там, опять же, почти никто не живет, и есть пути транспортировки.
И, наконец, по тем же местам, вдоль СМП и вдоль Транссиба, проходит газопровод «Сила Сибири», то есть, водород можно производить уже сейчас из природного газа, не дожидаясь массового развития ВИЭ.
TEKFACE: Последний вопрос, особенно важный как раз для России. Есть опасения по поводу того, что водород будет постепенно вытеснять природный газ, и Россия потеряет потребителя одного из своих важнейших экспортных продуктов. Насколько это реально?
Юрий Добровольский: Пока водород не является прямым конкурентом природного газа, он конкурирует, скорее, с автомобильным топливом, то есть, в первую очередь с нефтью и нефтепродуктами. Достаточно посмотреть на планы энергопотребления европейских и азиатских стран до 2050 года, и становится видно, что потребление газа будет снижаться незначительно, а в ряде стран, наоборот, даже расти. Это связано с тем, что в первую очередь из потребления будет выводиться уголь, и замещать его будет именно природный газ, как топливо переходного периода. Таким образом, в ближайшие тридцать лет серьезной угрозы для рынка природного газа нет. Другой вопрос, у кого потребители будут закупать этот газ.
Материал создан совместно с пресс-службой Центра компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» ИПХФ РАН
