Министерство Энергетики

Перспективы «голубого» водорода в России

Дауддин Дауди
Студент РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
e-mail: daud.99@mail.ru

Григорий Рожнятовский
Студент РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
e-mail: grinef_delo@mail.ru

Адель Ишмурзин
Студент РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
e-mail: ishmurzin.adel@gmail.com

Никита Кодряну
Студент РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
e-mail: kodryanu.n@yandex.ru

Наталия Попадько
Доцент кафедры стратегического управления ТЭК, к. т. н.
e-mail: popadko.n@gubkin.ru

Мировая энергетика использует множество способов производства и хранения энергии, полученной из различных энергоносителей. К традиционным видам топлива относят углеводороды: уголь, нефть и природный газ. Однако, инициированный Евросоюзом процесс декарбонизации энергетики заставляет искать источники энергии с минимальными выбросами оксидов углерода.

Таблица 1. Теплотворная способность энергоносителей

Наиболее обсуждаемой заменой традиционным энергоносителям является водород. Основные его преимущества как источника энергии – это обеспечение энергетической и экологической безопасности (в процессе сгорания образуется вода); высокая теплотворная способность по сравнению с углеродными энергоносителями (см. таблица 1) и высокий КПД водородных топливных элементов.
На сегодняшний день водород используется в различных отраслях промышленности, в первую очередь в химической (см. рис. 1).

Рис. 1. Структура потребления водорода
Источник: [1]

При анализе структуры потребления Н2 можно сделать вывод, что водород используется, в основном, как сырьё для производства других продуктов. В качестве топлива его применение ограничено из-за повышенных требований к условиям производства и хранения. Однако Япония, Великобритания, страны Евросоюза приняли Энергетические стратегии, соглашения и иные документы, в которых планируют полный отказ от традиционного топлива к 2050 г. [2]. В качестве основного альтернативного энергоносителя эти стратегические документы рассматривают водород. Растет количество соглашений о наращивании производства водорода в различных странах мира. Данный тренд позволяет говорить об увеличении мирового спроса на водород в кратко- и среднесрочной перспективе.
Российский ТЭК может использовать данное окно возможностей для повышения своих конкурентных преимуществ на мировом энергетическом рынке.

Экономика

На сегодняшний день в России возможно реализовать производство любого из известных типов водорода по экологической классификации, в первую очередь: «серого», «голубого» и «жёлтого». Каждый из этих видов водорода отличается методом производства. «Серый» водород производят из угля (без применения эффективной технологии улавливания или захоронения углекислого газа, который образуется в ходе производства), «голубой» водород получают путём конверсии (при условии применения технологий улавливания и захоронения СО2) или пиролиза метана (на текущее время данный способ не нашел широкого применения, но представляется перспективным процессом промышленного производства водорода). «Жёлтый» и «зелёный» водород получают путём электролиза воды, однако, в случае с «жёлтым» водородом в качестве источника энергии используется атомная энергия, а в случае с «зелёным» – энергия, получаемая из возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Производство «зелёного» водорода в России в статье не рассматривается из-за слабо развитого сектора возобновляемой энергетики и больших возможностях в других типах производства. Россия является лидером по запасам природного газа, а также обладает развитой атомной энергетикой, в связи с этим, мы предлагаем сравнить: «голубой», «серый» и «жёлтый» водороды. Сравнительная оценка будет проводиться по таким экономико-­техническим показателям как стоимость производства и оценка спроса.
Основной показатель, определяющий экономическую целесообразность проекта – это стоимость производства. Экспертная оценка разных типов водорода следующая:
«Голубой» водород – от 1,5$/кг до 2$/кг [1];
«Серый» водород – 1,1$/кг [2].

1 (Ц фактQ факт) /p + CsQ факт пар +Q энерг *Ц энерг = Ц сред1, где: P – плотность
2 Q воды * Ц воды + Q энерг *Ц энерг= Ц сред3

Конечная стоимость «жёлтого» водорода, на сегодняшний день, не оценена, потому что технология его производства ещё не утверждена. Для получения данных была проведена собственная оценка стоимости каждого типа водорода, в основе сравнения лежали производственные компоненты, результаты исследования представлены в таблице 2.

Таблица 2. Подсчёт себестоимости производства 1 кг водорода по известным качественным показателям

Средняя стоимость 1 кг продукции состоит из суммарных затрат на производственные компоненты, в данном блоке будут приведены способы расчёта компонентов для каждого типа водорода.
«Голубой» и «серый» водороды оцениваются по одним и тем же формулам, поскольку имеют похожий компонентный состав. Для начала предлагается оценить стоимость природного газа[3]:

где:
Ц. факт – цена природного газа;
Qpфакт – фактическая объемная теплота сгорания в ккал/м3 (кДж/м3);
Qpфакт – 98 % * 35 826 кДж/м3 + 0, 5 % * 63 750 кДж/м3[4];
Ц – оптовая цена на газ, которая на данный момент составляет 5,56 руб./м3 (в данном случае цифра берётся, исходя из среднерыночных цен на рынке).
По результатам подсчёта, цена на газ будет равняться 5,9 руб./м3.
Следующим важным фактором в формировании стоимости «серого» и «голубого» водорода является водяной пар. Однако, показатели будут разные для разных типов водорода, стоимость считается по формуле:
Ce(hs – hfw) = Cs, где:
Ce – Стоимость энергии (руб./кВт·ч) ‒ 5,17 р. за кВт·ч [5];
Cs – Удельная стоимость пара (руб./т) ‒ 11236,2 (р./т)
Hs – Энтальпия пара при давлении в котле (кДж/кг) ‒ 11660 кДж/кг;
Hfw – Энтальпия питательной воды (кДж/кг) ‒ 15340 кДж/кг.
Таким образом, стоимость пара соответствует значению 11,2 руб./кг.
Для производства «жёлтого» водорода используется деионизированная вода, её стоимость 5 руб./кг (данные о стоимости деионизированной воды основываются на среднерыночной оптовой цене).
Исходя из нашей оценки можно сделать вывод, что наиболее привлекательным для потребителей по ценовому фактору будет являться «серый» тип водорода, так как он дешевле. А вот «жёлтый» водород вряд ли будет пользоваться спросом на международных рынках, поскольку его цена намного выше конкурентной. Однако, формирование спроса будет зависеть не только от ценового фактора, но и от текущих мировых тенденций, в том числе уровень «экологичности» конечного продукта. Был проведён анализ по количеству выбросов при производстве каждого типа производства. Исходя из этого был получен коэффициент понижения или повышения спроса на каждый тип водорода, данный коэффициент представлен в таблице 3.

Таблица 3. Оценочный коэффициент понижения спроса и его учёт в стоимость на единицу продукции

Таким образом, при учёте трендов (в том числе экологического воздействия на окружающая среду), мы видим уже явное преимущество «голубого» водорода по отношению к конкурентам. Также важно отметить, что мы анализируем именно стоимость производства, на самом же деле продаваться водород потребителям будет по более дорогой цене, чтобы проект был рентабелен. На данный момент не существует данных о приблизительном спросе на каждый из типов водорода, однако, по нашей оценке, процентное соотношение рынка будет выглядеть, как представлено на рис. 2.

Рис. 2. Процентное соотношение спроса на водород

Для получения данных по производству «серого» и «голубого» водорода была смоделирована технология паровой конверсии природного газа с разделением оксидов углерода в программе Aspen Hysys [6], так как в нашем примере отличие «серого» и «голубого» водорода заключается только в использовании технологии утилизации оксидов углерода.

Моделирование установки парового риформинга метана с выделением водорода

Моделирование технологической схемы установки паровой каталитической конверсии проводилось нами в профильном программном обеспечении Aspen HYSYS при помощи термодинамического пакета Peng-­Robinson и соответствующего набора химических реакций. В модели задавался состав исходной газовой смеси, представленный в таблице, наборы конверсионных реакций и расход сырьевого потока – 14500 м3/ч, поток перегретого водяного пара для паровой конверсии с расходом 26090 м3/ч. Соотношения материальных потоков (пара к сырью 2:1) регулируются с помощью оператора SET. Для удовлетворения температурным требованиям процесса в модели были созданы нагреватели потоков пара и газа, после которых данные потоки смешиваются и идут в конвекционную зону. Данные части модели представлены на рис. 3 и 4.

Таблица 4. Исходные данные по составу компонентной смеси
Рис. 3. Блок нагрева и смешения сырья с водяным паром
Рис. 4. Конвекционная камера реакционной печи

После этого была смоделирована реакционная зона печи, состоящая из трёх последовательных реакторов конверсии с котлами-­утилизаторами, представленными на рис. 5, через которые проходит поток.

Рис. 5. Зона радиации печи каталитической конверсии метана

После, газ проходит через блок разделения водорода от оксидов углерода и непрореагировавших компонентов, представленный на рис. 6. Данный блок состоит из сепарации, абсорбции и мембранного разделения прореагировавшей смеси. Мембранное разделение было сделано и с использованием аппарата Component Splitter, где был задан перепад давления на мембране 0,4 МПа.
Была получена модель паровой конверсии природного газа с блоком выделения водорода из синтеза-газа (состав синтез-газа показан в таблице 5), представленная на рис. 7. Данная модель позволяет получить материальный и тепловой балансы процесса, а также получение геометрических показателей аппаратов, использованных в модели.

Рис. 6. Стадия сепарации, абсорбции и мембранного разделения синтез-газа
Рис. 7. Технологическая схема паровой каталитической конверсии метана с конечным получением водорода
Таблица 5. Компонентный состав синтез-газа

Вывод

В результате выполнения данной работы с помощью модели была получена информация и был проведен сравнительный экономический анализ разных типов водорода, благодаря чему был сделан прогноз структуры спроса на будущем мировом рынке водородного энергоносителя. По нашему прогнозу можно сказать, что «зелёный» водород вместе с «голубым» водородом займёт лидирующие позиции на мировом рынке, а большую долю спроса он будет составлять на европейском рынке. «Серый» водород будет производиться ещё ­какое-то время, если технологии утилизации оксидов углерода не будут экономически оправданы и тренд на экологичность окажется слабым. «Голубой» водород будет сохранять в ближайшее время первые позиции за счёт менее энергоемкой технологии производства водорода методами конверсии и пиролиза углеводородов.
Мы считаем, что сценарий развития «голубого» водорода является наиболее перспективным для России за счет богатой сырьевой базы и значительного опыта предприятий в производстве синтез-газа методом паровой конверсии метана. Благодаря использованию данной технологии есть потенциал развития производства дешевого «голубого» водорода в больших количествах с использованием мембранной технологии отделения оксидов углерода от полученного водорода.