Мировой рынок водорода: как лучше всего транспортировать водород на большие расстояния?
В работе Оксфордского института энергетических исследований подробно описаны физико-химические характеристики и проведена сравнительная оценка ключевых технико-экономических показателей сжиженного водорода и его потенциальных носителей.
Оксфордский институт энергетических исследований (Oxford Institute for Energy Studies) представил в августе 2022 года обзор, посвященный транспортировке водорода на большие расстояния. По мере превращения водорода из промышленного в потребительский товар и появления эффективного средства его доставки морским путем, глобальная торговля водородом в конечном счете может стать реальностью. Однако, для этого также потребуются другие благоприятные факторы, обусловленные в первую очередь геополитической и экономической обстановкой у наиболее перспективных производителей или потребителей водорода. Анализ в обзоре направлен на то, чтобы лучше понять природу технических, экономических и нормативных проблем, которые необходимо решить, чтобы H2 стал действительно глобальным товаром. В работе подробно описаны физико-химические характеристики и проведена сравнительная оценка ключевых технико-экономических показателей сжиженного водорода и его потенциальных носителей.
В отличие от нефти или природного газа, транспортировка водорода на большие расстояния – непростая задача. При всех преимуществах данного энергоносителя, у него есть отличительные особенности, которые выделяют его не только среди ископаемых видов топлива, но и среди других популярных источников энергии, используемых в настоящее время. Водород представляется ‘трудным’ веществом для работы, поскольку его плотность в условиях окружающей среды чрезвычайно мала. Кроме того, он легко воспламеняется и даже небольшие его количества могут быть взрывоопасными при контакте с воздухом (Rhodes, R. (2011) ‘Explosive lessons in hydrogen safety’, ASK Magazine, 41 (1), pp. 46-50). Поэтому, для безопасного эффективного хранения и транспортировки Н2 обычно предполагается его сжатие, либо сжижение, которое позволит существенно увеличить объемную плотность энергии и, следовательно, сделать водород более подходящим для трансокеанских перевозок. Однако, процесс сжижения является чрезвычайно энергоемким (требуемая криогенная температура -252,87 °C), а поддержание низкой температуры, необходимой для дальней транспортировки и хранения, приводит к дополнительным потерям энергии и увеличению расходов. Другим подходом является преобразование водорода в различные носители (аммиак, метанол, жидкие органические носители), которые характеризуются меньшими затратами на их сжижение и хранение, что делает их более привлекательными для транспортировки на чрезвычайно большие расстояния (через океаны) (Papadias, D.D., Peng, J.K., and Ahluwalia, R.K. (2021) ‘Hydrogen carriers: Production, transmission, decomposition, and storage’, International Journal of Hydrogen Energy, 46 (47), pp. 24169-24189).
С целью определения оптимального носителя для обеспечения будущей трансокеанской доставки водорода подробно рассмотрено и приведено сравнение характеристик жидкого водорода, аммиака, метилциклогексана (MЦГ) и метанола.
Водород
Для создания исправно функционирующей экономической системы при глобальном использовании водорода предполагается, что последний может быть широко использован в ряде секторов: промышленность, транспорт и коммунальные услуги. В настоящее время торговля водородом в основном ограничивается региональными рынками, было запущено лишь несколько пилотных проектов для первичной технической и экономической оценки возможности транспортировки H2 через океаны (Papadias, D.D., Peng, J.K., and Ahluwalia, R.K. (2018) ‘Chemical carrier concepts for hydrogen delivery’, International Hydrogen Infrastructure Workshop. Boston Convention and Exhibition Center, 11-12 September, Boston, MA). При имеющихся технологических базах большие объемы водорода обычно поставляются либо в газообразной, либо в жидкой форме, тем не менее, для развития водородной экономики в будущем ни один из вариантов не является экономически выгодным. Например, на суше, помимо водородопроводов (которые вряд ли применимы для трансокеанских маршрутов доставки), для транспортировки H2 в сжатом виде при давлении 250-500 бар часто используются трейлеры с цилиндрическими прицепами. (Wang, D., et al (2019) ‘Development of regulations, codes and standards on composite tanks for on-board gaseous hydrogen storage’, International Journal of Hydrogen Energy, 44 (1), pp. 22643-2653). Вместимость этих прицепов в большинстве стран обычно ограничена 280-1000 кг H2. Конечно, существуют варианты доставки сжатого или сжиженного водорода на морских судах, но такая транспортировка водорода в конечном итоге приведет к выгрузке значительно большего объема этого топлива в конечном пункте. Как и говорилось ранее, в первую очередь это связано с чрезвычайно низкой плотностью водорода. Дальнейшее сжатие до 35 МПа и сжижение может повысить этот показатель до 23 кг/м3 и 71,1 кг/м3, соответственно. Но эти показатели далеки от сопоставимых показателей с наиболее часто используемыми видами топлива: 830-950 кг/м3 для дизельного топлива и 715-780 кг/м3 для бензина (Viskup, R. (2020) Diesel and gasoline engines. London, UK: IntechOpen). Кроме того, процесс сжижения является очень энергоемким, поскольку требуется понижение температуры топлива до экстремальных -252,87°C, а поддержание такой низкой температуры приведет к дополнительному увеличению расходов.
Другой серьезной проблемой использования жидкого Н2 являются значительные тепловые потери, связанные с каждым этапом цепочки формирования стоимости транспортировки. Из-за криогенной температуры жидкого Н2, тепло, которое передается в резервуары для его хранения и при транспортировке, приводит к испарению газа (Al-Breiki, M. and Bicer, Y. (2020) ‘Comparative cost assessment of sustainable energy carriers produced from natural gas accounting for boil-off gas and social cost of carbon’, Energy Reports, 6 (2020), pp. 1897-1909). С учётом фактов потери газа и с целью снижения затрат, связанных с потреблением энергии и другими проблемами доставки жидкого водорода, внимание было обращено на альтернативные варианты его транспортировки.
Аммиак
Аммиак является потенциально перспективным носителем H2 с относительно хорошо налаженными международными каналами торговли. Также как и водород, он находится в газообразном состоянии в условиях окружающей среды и должен быть сжижен для оптимальной доставки на большие расстояния, при этом в пересчете на литр жидкого аммиака количество водорода в нем больше, чем в литре жидкого водорода. Плотность NH3 в сжиженном состоянии почти в десять раз превышает плотность жидкого H2. В этих условиях, хотя весовое содержание водорода в аммиаке будет составлять всего 17,65 мас.% (по сравнению со 100 мас.% жидкого водорода), его объемное содержание будет значительно выше. Кроме того, содержание водорода в жидком аммиаке будет выше, чем в смеси толуол/ MЦГ (6,1 мас. % и 95,04-99 кг H2/м3) и метанола (12-12,5 мас.% и 95,04-99 кг H2/м3), что делает его наиболее эффективным носителем водорода (Salmon, N. and Bañares-Alcántara, R. (2021) ‘Green ammonia as a spatial energy vector: A review’, Sustainable Energy and Fuels, 5 (1), pp. 2814-2839). В отличие от водорода, температура кипения аммиака значительно выше (-33,34 °С), поэтому для его сжижения и сохранения в жидком виде потребуется также меньше энергии. С другой стороны, в отличие от МЦГ и метанола, которые уже являются жидкими в условиях окружающей среды, аммиак требует сжижения, что приведет к дополнительным потерям энергии и затратам. Поскольку аммиак состоит из азота и водорода, еще одним преимуществом этого химического соединения является то, что его потенциально можно производить как CO2 нейтральное вещество. Аммиак может использоваться непосредственно в качестве топлива для морских судов. Первый корабль, использующий топливные элементы на основе аммиака, должен быть спущен на воду Институтом микроинженерии и микросистем Фраунгофера во второй половине 2023 года. Аналогичным образом, финская технологическая компания Wärtsilä в настоящее время координирует финансируемый ЕС проект, направленный на разработку двигателей внутреннего сгорания, работающих на чистом аммиаке, которые могли бы использоваться морскими судами к 2023 году.
Жидкие органические носители водорода
Идея использования жидких органических носителей водорода для хранения и транспортировки H2 на большие расстояния основана на том, что молекулы, которые обычно являются жидкими в условиях окружающей среды, могут быть «загружены» водородом (т.е. гидрированы) поставщиком энергии и «выгружены» (т.е. дегидрированы) импортером или конечным потребителем (Papadias, D.D., Peng, J.K., and Ahluwalia, R.K. (2018) ‘Chemical carrier concepts for hydrogen delivery’, International Hydrogen Infrastructure Workshop. Boston Convention and Exhibition Center, 11-12 September, Boston, MA). В связи с тем, что дальнейшая конверсия (сжижение) не требуется, использование таких носителей приведет к уменьшению энергетических затрат, снижению потерь на испарение, как следствие, уменьшению стоимости транспортировки. Помимо уменьшения риска утечки газа, такие водородные носители часто уже совместимы с существующей транспортной инфраструктурой (Rao, P.C. and Yoon, M. (2020) ‘Potential liquid-organic hydrogen carrier (LOHC) systems: A review on recent progress’, Energies, 13 (6040), pp. 1-23). Другим привлекательным аспектом является факт, что, как правило, потенциальные носители во многих случаях являются побочными продуктами нефтепереработки и, таким образом, широко доступны и не требуют специального производства.
Метилциклогексан (MЦГ)
Несмотря на широкий спектр соединений - носителей водорода, большинство текущих исследований и пилотных проектов сосредоточены вокруг толуола, который при гидрировании превращается в МЦГ и далее используется для хранения и транспортировки H2 (Wijayanta, A.T., et al (2019) ‘Liquid hydrogen, methylcyclohexane, and ammonia as potential hydrogen storage: Comparison review’, International Journal of Hydrogen Energy, 44 (1), pp. 15026-15044). Толуол, получаемый путем каталитического риформинга и пиролитического крекинга нефти, в основном используется в качестве предшественника химических веществ, либо как растворителя или в качестве добавки для повышения октанового числа бензина, т.е. в качестве сырья для производства товаров с более высокой стоимостью (Пападиас, Пенг и Ахлувалия, 2018). Кроме того, толуол - это продукт с хорошо налаженной инфраструктурой и поэтому система толуол-МЦГ вряд ли потребует значительных изменений в ней или создания совершенно новой законодательной базы для ее регулирования по сравнению с жидким водородом. С другой стороны, по сравнению с другими видами топлива, МЦГ имеет самую низкую объемную плотность энергии, а также самое низкое содержание H2. Это означает, что, несмотря на свои многочисленные преимущества, при использовании его в качестве носителя водорода будет выделяться наименьшее количество H2 из всех четырех приведенных веществ. Также дополнительные энергозатраты потребуются на процесс дегидрирования МЦГ в толуол.
Метанол
Другим многообещающим кандидатом является метанол, который является жидким в условиях окружающей среды и, следовательно, его легче хранить и доставлять. Из четырех видов топлива, рассматриваемых в обзоре, метанол является вторым по плотности веществом (791,4 кг/м3) после МЦГ, его объемная плотность энергии и содержание H2 уступают только жидкому аммиаку. Это означает, что метанол является более эффективным носителем Н2 с точки зрения транспортируемого объема, чем МЦГ и сам жидкий водород. Еще одним аргументом в его пользу является то, что, подобно аммиаку, являясь носителем водорода, метанол потенциально может выполнять функцию и судового топлива с низким уровнем выбросов. Последние 10 лет активно разрабатывается концепция топливных элементов на метаноле. Несмотря на все свои преимущества, метанол имеет и недостатки. В контексте глобальной декарбонизации основная проблема напрямую связана со структурой его молекулы, которая содержит углерод. В результате процесса извлечения водорода будут формироваться выбросы углекислого газа, которые можно избежать с применением технологий улавливания и хранения, но в целом технологическая зрелость таких проектов все еще не достигла уровня, позволяющего провести их полную коммерциализацию и наладить широкомасштабное использование (Kearns, D., Liu, H., and Consoli, C. (2021) Technology readiness and costs of CCS. Global CCS Institute).
Сравнение носителей водорода
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что каждый из четырех носителей водорода имеет свои преимущества и недостатки.Авторами была проведена теоретическая оценка итогового количества и стоимости водорода, которое может быть доставлено каждым видом носителя конечному потребителю по двум маршрутам: Австралия-Япония (6791 км) и Марокко-Нидерланды (2747 км). При средней скорости танкера 14 узлов доставка груза займет примерно 9,5 дней и 3,8 дня соответственно. Принимая это во внимание и включая в расчеты типичный объем хранения для танкеров дальнего следования (160 000 м3), были получены результаты, согласно которым при одинаковом транспортируемом объеме для каждого носителя, грузы будут значительно отличаться по своей массе из-за различной плотности перевозимого топлива. Груз МЦГ будет самым тяжелым, за ним последует метанол, жидкий аммиак и сам жидкий водород. В результате, это тоже отразится на дополнительных расходах перевозчика. Но наиболее важной задачей является определение конечного количества водорода, которое будет получено для непосредственного его использования после прохождения всех этапов технологической цепочки, в частности, после крекинга аммиака и дегидрирования MЦГ и метанола. Как оказалось, для обоих маршрутов жидкий аммиак способен доставить большее количество водорода при минимальных затратах, чем все остальные варианты. В то же время, когда дело доходит до сравнения затрат, метанол и МЦГ, скорее всего, будут представлять собой самые дешевые альтернативы. Это объясняется в первую очередь относительно низкими производственными затратами и отсутствием необходимости в сжижении. Парадоксально, но жидкий водород сам по себе является самым дорогим носителем водорода из четырех. Приведенные данные о расходах, связанных с каждым этапом цепочки формирования конечной стоимости, представляют собой минимальные суммы, указанные в текущей литературе, вполне возможно, что из-за технологических усовершенствований, а также различных внешних факторов, например, условий декарбонизации, эти цифры изменятся.
При том, что итоговые общие затраты и количество доставляемого водорода имеют решающее значение для создания технико-экономического обоснования транспортировки водорода на большие расстояния, следует учитывать еще и дополнительные факторы при принятии решения о том, на какой конкретный вариант полагаться при транспортировке водорода. На самом деле, ни один из четырех видов топлива не выглядит безупречным. Например, тот факт, что жидкий водород, аммиак и метанол кажутся более привлекательными с чисто технико-экономической точки зрения, все они вызывают серьезные опасения по безопасности, поскольку они или высокотоксичны, или/и легко воспламеняются. Это означает, что, помимо создания дополнительных мер предосторожности, использование этих носителей, вероятно, поднимет социальные вопросы. Фактически, даже при наличии технической возможности гарантировать безопасность при производстве, хранении и доставке H2, общественное противодействие может вызвать существенные проблемы таким инициативам. Например, несколько европейских пилотных проектов пришлось прекратить в таких странах, как Германия и Польша, из-за сильного сопротивления местных сообществ (Patonia, A. (2022) Public acceptance of carbon capture and storage: An underestimated challenge in the race to net zero).Еще одним важным фактором, который следует учитывать при выборе оптимального носителя, является необходимость создания или корректировки существующей правовой и нормативной базы, связанной с конкретным выбранным вариантом.Предложение новой и корректировка существующей нормативно-правовой базы, связанной с водородом, вероятно, вызовет дополнительные проблемы, связанные со временем и затратами, которые можно было бы сэкономить для более быстрого подъема сектора.
Каждому производителю и экспортеру водорода придется учитывать вопросы, связанные с конкретными отраслями промышленности, степенью их развития в стране, а также с инфраструктурой, доступной для их использования. Субъекты, действующие в странах с хорошо развитым производством одного типа топлива, окажутся в невыгодном положении, если они решат использовать другие водородные носители, которые являются относительно новыми для их экономики. Но страны, не ставящие особого акцента на использование какого-либо конкретного вида топлива, будут более гибкими в этом отношении, но при этом им придется понести значительные расходы, развивая инфраструктуру с нуля. Вот почему при схожести некоторых вариантов (например, аммиак и метанол), окончательное решение о том, какому водородному носителю отдать предпочтение, должно приниматься отдельно в каждом конкретном случае. Например, экспорт MЦГ в Германию или другие страны с хорошо развитой химической промышленностью и лидирующими позициями на специфических рынках, например, производство красок, может иметь смысл, даже если MЦГ является менее эффективным носителем водорода. В этом случае доставка MЦГ в такие пункты назначения будет означать одновременную доставку двух продуктов для последующего использования: толуола и водорода (US EPA (2022) Toluene). В целом, помимо существующих отраслей, которые могут еще больше выиграть от включения водорода и его производных в продуктовую цепочку, учет специфических для каждой отдельной страны факторов (наличие опыта в исследованиях и разработках, управление конкретными технологиями и проектами) может сыграть решающую роль в продвижении определенного варианта транспортировки H2. Аналогичным образом, благоприятная экономическая среда и целенаправленная политика, а также прямая поддержка смежных секторов экономики также сыграют свою роль в том, что конкретные перевозчики станут более предпочтительными по сравнению с другими. Фактически, в случае конкурирующих вариантов доставки H2 со схожими характеристиками (например, жидкий аммиак и метанол), эти факторы, вероятно, станут решающими.
Создание водородной экономики обычно рассматривается как шаг к всеобъемлющей декарбонизации. Но до сих пор ни правительства государств, ни предприниматели и исследователи в значительной степени не уверены, что водородная экономика действительно станет глобальной. В то же время, если географические, политические и другие специфические для каждой страны факторы продолжают определять затраты на производство водорода, то его транспортировка на большие расстояния, в том числе трансокеанского характера, может иметь смысл тогда, когда стоимость импорта будет ниже, чем у производства внутри страны. В этих обстоятельствах выбор наиболее подходящего носителя водорода будет специфичен и чрезвычайно важен, поскольку это поможет сделать всю цепочку создания стоимости H2 более экономичной и эффективной.