Промышленное производство зелёного водорода, столь необходимого для декарбонизации планеты, тормозится из-за дороговизны. Снижение себестоимости технологических процессов обеспечивает катализатор для синтеза водорода — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию и необходимо для эффективного, экономичного и более экологичного получения водорода в промышленных условиях.
В статье поговорим о причинах, тормозящих развитие водородной отрасли, разработках катализаторов и возможной альтернативе зелёному H₂.
Почему преобладает голубой водород?
В России, на данный момент, преобладает производство голубого (синего) водорода, а выпуск зелёного водорода развивается слабо. Основные причины, по которым это происходит, такие:
Развитая газовая инфраструктура. Наша страна — один из крупнейших производителей природного газа, из которого легко и дешево получать серый или голубой водород (с улавливанием CO₂). Существующая инфраструктура (газопроводы, перерабатывающие заводы) уже приспособлена для этого типа водорода.
Дешёвый природный газ. Себестоимость производства голубого водорода в России очень низкая благодаря доступному сырью. Это делает его конкурентоспособным на мировом рынке и привлекательным для экспорта.
Экспортный фокус. Россия ориентирована на экспорт энергоносителей, и голубой водород рассматривается как временный компромисс для международных рынков, которые требуют сокращения выбросов, но пока не готовы к зелёному водороду в больших масштабах.
Высокая стоимость. Электролиз — основной способ производства зелёного водорода — требует много дешёвой экологически чистой электроэнергии из возобновляемых источников энергии (ВИЭ): солнца, ветра, гидроэнергии. В России ВИЭ развиты слабо, особенно солнечная и ветровая энергетика. Поэтому стоимость зелёного водорода в 2–3 раза выше, чем голубого.
Области применения H₂
Снижение себестоимости зелёеного водорода делает его конкурентоспособным с ископаемым топливом. Сферы, где применяется водород, обширны.
Транспорт. Легковые автомобили (например, Toyota Mirai, Hyundai Nexo). Грузовики и автобусы (Nikola, Hyundai, КамАЗ тестирует водородные автобусы). Поезда (Alstom Coradia iLint – Германия, Россия планирует запуск). Суда и беспилотники.
Промышленность. Производство аммиака, метанола. Использование в металлургии для замены кокса (“зелёная сталь”). Рафинирование нефти, полупроводники и стекло.
Энергоснабжение. Водородные топливные элементы для жилых и коммерческих зданий. Гибридные электростанции с ВИЭ и водородом. Буферная энергия для сглаживания колебаний солнечной и ветровой генерации.
Энергетическое хранение. Водород как аккумулятор большого объёма: избыток энергии из ВИЭ идёт на электролиз, в результате которого вырабатывается H₂, который хранится и обратно преобразуется в энергию в пиковые часы.
Как снизить цену производства?
Разработка недорогих катализаторов для получения водорода — одно из приоритетных направлений в энергетике и химической промышленности, особенно в контексте декарбонизации экономики.
Основная цель — заменить дорогие и редкие металлы (платину, родий, иридий), которые используются сегодня, на более доступные, сохранив при этом эффективность. Катализаторы позволяют ускорить реакцию без сильного нагрева или давления, снижают энергозатраты, увеличивают выход водорода и делают процесс контролируемым и безопасным.
Использование дешёвых катализаторов:
- снизит себестоимость «зелёного» водорода;
- расширит доступность технологий водородной энергетики;
- поддержит декарбонизацию, т. е. переход к энергоисточникам без выбросов CO₂.
К недорогим относят катализаторы:
На основе никеля (Ni). Активно применяются в паровой конверсии метана и водоразложении, но склонны к быстрой деградации и загрязнению сажей.
На основе железа (Fe). Дешёвые, экологичные; используются в гибридных катализаторах вместе с другими оксидами.
Оксиды переходных металлов (Co₃O₄, MnO₂, NiO). Недорогие, устойчивые к коррозии, активны в электролизе воды.
Металлосульфиды и фосфиды. Дисульфид молибдена (MoS₂) — альтернатива платине, используются в кислотном электролизе и фотокатализе, хорошо подходит для масштабирования в устройствах.
Российские разработки
Ведутся исследования в ФИЗХИМ Институт им. Карпова. Разрабатывают катализаторы на основе недрагоценных металлов (Fe, Ni, Cu) для реакций парового риформинга и электрохимических процессов.
В Институте катализа им. Г.К. Борескова (Новосибирск, СО РАН) создают катализаторы с наноразмерными активными зонами. Исследуют процессы регенерации водорода из биомассы и каталитическое расщепление воды.
В Сколтех и МГУ ведутся исследования, на базе которых разрабатываются катализаторы для получения чистого водорода с использованием ВИЭ.
Альтернатива
Ещё не созданы идеальные технологии производства зелёного водорода, но появилась информация об открытии крупнейших в Сибири Чаяндинского и Ковыктинского месторождений белого водорода (химически чистого H₂). Ученые не исключают, что со временем подземные кладовые могут стать крупнейшими поставщиками экологичного газа на мировой рынок. Это, безусловно, внесёт большой вклад в декарбонизацию и послужит укреплению позиций России на мировом энергетическом рынке.
По оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), к 2050 году водород может обеспечить до 18% мировых энергетических потребностей. К странам, где применяется водород, полученный с помощью ВИЭ, относятся: ЕС, Япония, Южная Корея, Китай. В России запущены пилотные проекты и стратегии до 2035 года.
Использование зелёного водорода позволит прекратить использование таких производителей энергии как угольные и газовые ТЭЦ. Однако, по данным МЭА за 2023 год выбросы углекислого газа преодолели отметку 40 миллиардов тонн, что связывают с высоким уровнем потребления ископаемых ресурсов.
Пока большие надежды возлагаются на катализаторы, которые могут удешевить производство H₂. Что окажется в приоритете — добыча белого водорода, дешёвый зеленый или по-прежнему будут лидировать серый и синий, мы увидим в недалеком будущем.
