Факты и перспективы
водородной и угольной энергетики
Юрий Прошунин,
доктор технических наук ФГБОУ ВО «Сибирский государственный индустриальный университет» (СибГИУ)
В последние годы экологи говорят о наступающем глобальном изменении климата, включающем долгосрочное повышение средней годовой температуры планеты, вызывающем, помимо таяния ледников, поднятие уровня Мирового океана.
А также разбалансировку всех природных систем, которая приводит к изменению режима выпадения осадков, температурным аномалиям и увеличению частоты экстремальных явлений, таких как ураганы, наводнения, снегопады и засухи...
Потепление климата объясняется увеличением концентрации парниковых газов в атмосфере, поглощающих и вновь излучающих инфракрасную энергию из атмосферы на поверхность Земли, что вызывает парниковый эффект. Эксперты отмечают, что в период между 2000 и 2010 годами наблюдался самый мощный рост выбросов парниковых газов за последние 30 лет.
Киотским протоколом, действовавшим до введения Парижских соглашений по климату (2015 год), отмечены шесть парниковых газов. Из них первые три: углекислый газ, метан и закись азота (N2O) имеют наибольшее значение, так как непосредственно связаны с антропогенной деятельностью. При этом из рассмотрения совершенно выпал водяной пар — превалирующий парниковый газ, вносящий примерно 60% в парниковый эффект (больше, чем все остальные парниковые газы, взятые вместе), так как человечество практически не может повлиять на его концентрацию в атмосфере.
Основным направлением борьбы с ростом концентрации парниковых газов в атмосфере принято считать снижение использования в энергетике и промышленности ископаемых энергоносителей: природного газа, нефти и угля путем широкого применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и экологически чистого водорода.
Для жителей Кемеровской области, региона, благополучие которого существенно зависит от эффективности добычи и использования угля, такое решение представляет значительный интерес. Однако, несмотря на многочисленные декларации о наступающем господстве в энергетике и промышленности указанных технологий, снижения добычи угля в мире не наблюдается. Напротив, присутствует стабильный рост. Так, с 2016 по 2023 год добыча углей увеличилась на 15,7% — до 8 700 миллионов тонн.
При этом добыча угля в Китае в 2023 году (по данным Национального бюро статистики) достигла рекордного уровня — 4 660 миллионов тонн, а импорт угля вырос до рекордного уровня в 475 миллионов тонн. Из-за мирового энергетического кризиса, начавшегося летом 2021 года, Китай активно наращивает производство, и суточный объем добычи в настоящее время достиг 15 миллионов тонн: за месяц здесь добывается больше угля, чем в России за год (а ведь Россия — шестой по величине производитель в мире). В угольных технологиях сегодня Китаю, пожалуй, нет равных — ни по эффективности, ни по уровню выбросов. Как отмечается, уровень выбросов на новейших угольных электростанциях в республике немногим уступает аналогичному показателю на газовых электростанциях. Ежегодно в Китае перерабатывается около 150 миллионов тонн водоугольного топлива методом газификации, с получением синтез-газа и целой гаммы химической продукции.
Для прогноза изменения спроса на рынке угля рассмотрим, в каком положении находятся крупнейшие потребители угля. По данным British Petroleum с 2016 по 2023 год выработка электроэнергии в мире выросла на 11,5%, до 27,68 ТВт*ч. При этом большая часть электроэнергии (более 38%) получена из угля, а угольная генерация электричества в мире в 2023 году выросла на 1,6%, до 10,6 тыс. ТВт*ч. Доля угля в энергетическом балансе мира (2022 год) составила 26%, уступая лишь нефти (31%).
В настоящее время из ископаемых видов топлива вырабатывается 82% получаемой первичной энергии. В 2023 году один Китай ввел в эксплуатацию объектов угольной генерации на 47,5 ГВт, что составило почти 70% от общего ввода остальными странами и в 2,25 раза больше, чем выведено из эксплуатации во всем мире.
Снижение добычи угля в ряде ведущих европейских стран, таких как Германия и Великобритания, объясняется весьма прозаически: истощение месторождений каменных углей сделало нерентабельной их добычу подземным методом. Поэтому, закрыв свои шахты, Германия продолжает открытую добычу бурых углей (193 миллиона тонн в год), используя их для выработки тепло- и электроэнергии, открывая два новых предприятия открытой добычи и ввозя при этом коксующиеся угли для получения металлургического кокса из-за рубежа.
Такие страны ЕС, как Франция, Италия, Германия и Великобритания, открывают новые и расконсервируют выведенные в резерв угольных ТЭС. В Германии доля угля в общей структуре генерации в 2022 году выросла до 30% по сравнению с 20% в 2021 году.
Кемеровская область установила в 2018 году абсолютный рекорд: добыча твердого топлива составила 255,3 миллиона тонн. С тех пор добыча угля в регионе постоянно снижалась. Так, в 2023 году она составила 214,2 млн тонн угля, что на 9,4 млн тонн меньше, чем в предыдущем, 2022 году.
Снижение добычи объясняется значительной зависимостью угледобывающей отрасли от экспорта углей и конъюнктуры внешнего рынка: не может быть стабильной экономическая система, не имеющая полноценного внутреннего рынка. В отличие от РСФСР с ее развитой промышленностью, полностью направлявшей добытый уголь на внутренний рынок (например, в 1988 году ни одной тонны из 425 миллионов тонн добытого угля не было направлено за рубеж), в балансе России в 2023 году экспорт углей имеет определяющее значение: около 44% из добытых 438 миллионов тонн. Еще значительнее величина экспорта для Кемеровской области — более 53%.
Для возможности дальнейшего увеличения добычи углей в регионе чрезвычайно важны проблемы перехода от реализации слегка облагороженного — сортированного и обогащенного угольного сырья — к производству и сбыту продуктов его глубокой переработки с высокой добавленной стоимостью, а также расширение рынка сбыта углей и продуктов их переработки внутри России. Эти проблемы особенно актуальны с учетом большой удаленности нашего региона от зарубежных рынков сбыта (в стоимости реализации угля за рубеж около 50% составляет ж/д тариф).
Приведенные данные показывают значительный потенциал увеличения использования углей в энергетике в нашем регионе. Конечно, увеличение доли тепло- и электроэнергии необходимо осуществлять исключительно на основе использования современных экологически и экономически эффективных технологий. Так, при реконструкции действующих и вводе в эксплуатацию новых энергогенерирующих установок целесообразно использовать внутрицикловую газификацию или еще более перспективное внутрицикловое полукоксование. Следует также шире вовлекать в энергетику высококачественные экологичные бурые угли месторождений Канско-Ачинского бассейна, расположенные в Кемеровской области и Красноярском крае.
При увеличении количества добываемых углей в Кемеровской области возникают как минимум две сложности.
Во-первых, это противоречие интересов владельцев лицензий на добычу каменных углей, которые стремятся расположить свое предприятие поближе к муниципальным образованиям, уже имеющейся инфраструктуре (автодорогам, железнодорожным путям, линиям электропередачи и т.д.), и местных жителей, желающих иметь комфортные условия для жизни и досуга. Так, в деревне Костенково, вблизи Новокузнецка, приходит в запустение ранее элитный коттеджный поселок, рядом с которым введены в эксплуатацию угольные разрезы.
Во-вторых, на перспективы развития отечественной энергетики, в первую очередь угольной, может существенно повлиять состоявшаяся ратификация Россией Парижского соглашения по климату от 12.12.2015 года. Предыдущее, Киотское соглашение, практически никак не влияло на экономику РФ, так как исходный уровень выбросов двуокиси углерода был зафиксирован им на уровне 1990 года.
Парижское же соглашение предусматривает фиксацию величины выбросов двуокиси углерода на существующем, очень невысоком, уровне и регулярное дальнейшее ее снижение, что будет существенно препятствовать развитию реального сектора экономики нашей страны. Ведь даже сейчас, до снижения выбросов двуокиси углерода, в России количество вырабатываемой электроэнергии на душу населения почти в 2 раза ниже, чем в США (северная граница которых имеет климат как у нас в Краснодарском крае).
Фактически ратификация Россией Парижского соглашения по климату приводит к сокращению в первую очередь доли угля в энергетике, так как углекислого газа из угля выделяется на 50-60% на единицу вырабатываемого тепла больше, чем при использовании природного газа. И это даже учитывая, что в России доля угля в энергетике и так относительно невелика — составляет всего около 15%.
Для повышения конкурентоспособности угольной энергетики целесообразно использовать современные процессы: при энерготехнологической переработке бурых углей величина выбросов СО2 уже всего на 20-25% на единицу вырабатываемого тепла больше, чем при использовании природного газа, и составляет значение чуть меньшее, чем при использовании топлива из нефти — мазута.
Следует обратить внимание, что себестоимость тепло- и электроэнергии при применении твердого топлива существенно ниже и значительно менее подвержена резким ценовым колебаниям, чем при использовании нефтяного и газообразного топлив. Таким образом, при использовании современных технологий, применение каменных и бурых углей в энергетике становится вполне конкурентоспособным.
А как обстоят дела с технологиями, конкурентными использованию в энергетике и промышленности ископаемых энергоносителей? Опыт применения ВИЭ показал, что они имеют существенный недостаток — нестабильную выработку энергии (вследствие зависимости от погодных условий: отсутствия ветра или солнечного света в ночное время), которую приходится постоянно дополнять традиционной генерацией. Кроме этого, в ходе эксплуатации, выяснилось, что ветрогенераторы не вполне экологически безвредны. Их использование приводит к гибели насекомых и уменьшению кормовой базы птиц, а возникающие вибрации почвы приводят к уходу рыбы и крабов от мест размножения.
Водородная энергетика — это совокупность ряда технологий, направленных на получение водорода, его аккумулирование, транспортировку, использование в роли топлива, для выработки электрической энергии в топливных элементах, в различных отраслях промышленности: в химической, металлургии, медицине и ряде других отраслей. Одна из основных задач реализации энергетики — это оптимальная технология получения водорода.
Согласно европейской классификации, каждый «сорт» водорода, получаемый по определенной технологии, обозначается цветом. В классификации цвета водорода главным критерием является его экологичность. Чем меньше оксидов углерода выделяется при производстве водорода, тем более экологичным он будет считаться. Наиболее перспективные процессы, представляющие для нас интерес:
Зеленый водород получают с помощью электролиза. Электричество поступает от возобновляемых источников энергии таких, как ветер, солнечная или гидроэнергия, и выбросы углекислого газа отсутствуют.
Голубой водород — это водород, полученный путем паровой конверсии метана, но при условии улавливания и хранения углекислого газа, не допуская попадания его в атмосферу.
Бирюзовый водород получают разложением метана на водород и твердый углерод путем термического пиролиза без доступа воздуха. Углерод при этом используется в промышленности и не попадает в атмосферу.
Здесь следует учесть, что из ископаемых видов топлива получается первичная энергия, это энергия, непосредственно извлекаемая из природы. Вторичная энергия — энергия, полученная после преобразования первичного источника энергии, производится из водорода. Количество получаемой вторичной энергии по определению будет меньше затраченного количества первичной энергии. Учитывая, что Россия обладает значительными запасами полезных ископаемых, вряд ли в ближайшие десятилетия возникнет необходимость развития отечественной водородной энергетики для внутреннего потребления. Это обстоятельство нисколько не отрицает возможности получения водорода с целью экспортирования его в зарубежные страны, где экологически чистый «цветной» водород является модным трендом. Необходимо просто обоснованно выбрать технологии получения, аккумулирования и транспортировки данного энергоносителя.
Следует отметить, что в регионе функционируют два мощных коксохимических производства: в ОАО «ЕВРАЗ Объединенный ЗСМК» и ОАО «Кокс», продуцирующие из угля, наряду с металлургическим коксом, жидкие ароматические и полиароматические углеводороды, а также коксовый газ, содержащий до 60% молекулярного водорода. Как вариант, можно было бы рассмотреть получение из него водорода в случае необходимости.
Для выбора процесса аккумулирования газообразного водорода целесообразно рассмотреть разработанную в Университете штата Пенсильвания технологию закачки газа в угольные пласты. Исследователями сконструирована опытная установка, позволяющая использовать природный уголь в качестве накопителя водорода и таким образом запасать в нем энергию, вместо того чтобы сжигать сам уголь.
Стоит отметить, что известны подобные разработки отечественных авторов. Олегом Тайлаковым (генеральный директор НЦ ВостНИИ. — Прим. ред.) с соавторами разработана технология нагнетания концентрированного углекислого газа в угольные пласты для интенсификации газоотдачи метана. Идея не лишена интереса, однако в настоящее время она находится в стадии разработки, и о возможных сроках внедрения технологии говорить пока не приходится.
Более перспективной представляется идея аккумулирования газообразного водорода в подземных хранилищах истощенных месторождений природного газа, соляных кавернах, каменных пещерах или отработанных угольных шахтах. Такая технология детально отработана, а всего в мире действует более 600 подземных хранилищ газа общей активной емкостью порядка 340 миллиардов м³.
Достаточно сложна технология транспортирования газообразного водорода на значительные расстояния. Специальных газопроводов и насосов в России не существует, а использование существующего оборудования для перекачки природного газа (фактически метана) приведет к быстрому выходу его из строя при транспортировании водорода. Популярное предложение, связанное с добавлением 10-25% водорода к природному газу и перекачкой полученной смеси газов, пока, во-первых, не прошло практической проверки, а во-вторых, потребитель не будет при этом получать конечный продукт — водород.
Учитывая вышеизложенное, понятно, насколько аккумулировать природный газ, или метан, из угольных пластов в подземных хранилищах и перекачивать его по существующим газопроводам потребителю. А уже на месте сооружать установку по получению так называемого бирюзового водорода разложением метана на водород и твердый углерод путем термического пиролиза без доступа воздуха.
CH4 → Cтв. + 2H2 — 40 кДж/г Н2 (теоретически).
Углерод при этом не попадает в атмосферу, легко транспортируется в твердом виде и может быть реализован потребителю как за рубежом, так и в России.