Горелка на водороде для АБЗ: далеко ли до «зеленых» технологий?

Путь к значительному сокращению выбросов парниковых газов на промышленных предприятиях, например за счет использования в технологическом процессе горелки на водороде, — тернист и сложен. Даже с учетом климатической политики государства, подписания в 2016 году Парижского соглашения по сдерживанию глобального потепления, плана развития отечественной водородной энергетики, — переход от применения в работе «классических» углеводородов к внедрению «зеленого» топлива, в том числе на производственных площадках дорожно-строительных организаций, кажется чем-то фантастическим.

Преимущества использования водорода

Главный плюс использования газообразного водорода (H₂), по сравнению с другими видами топлива (природным газом, дизельным топливом, мазутом, углем и другими), носит экологический характер: при сжигании водородного топлива не выделяется парниковый газ — диоксид углерода (СО₂). Для сравнения: при полном сжигании 1 кг природного газа образуется чуть меньше 2,7 кг CO₂, мазута — до 3,2 кг CO₂, а при сжигании углерода, составляющего основу угля, еще больше — 3,67 кг CO₂.

Чем вредны выбросы углекислого газа? Эмиссия диоксида углерода различными отраслями промышленности, по мнению многих научных сообществ, ведет к постепенному повышению среднегодовой температуры Земли, а значит к рискам ухудшения климата, возникновения угрозы биоразнообразию и многим другим проблемам. Водород же при сгорании не выделяет CO2, а значит является наиболее экологичным с этой точки зрения газом.

Здесь важно сказать, что применение водорода в качестве топлива, например для горелки сушильного барабана на АБЗ, не всегда означает отсутствие связи этого газа с выбросами CO₂ в атмосферу. Дело в том, что водород может быть получен разными промышленными способами, в том числе относительно неэкологичными. Так, в зависимости от технологии производства и сопутствующего ей уровня выбросов парникового газа, фактически бесцветный водород принято условно классифицировать на несколько цветовых групп.

• «Коричневый» (или «бурый») водород производят путем газификации (газопаровой конверсии) угля. Этот подход характеризуется относительно низкими затратами, но при этом высоким уровнем выбросов диоксида углерода. Технология обеспечивает около 20% мирового объема водорода.
• «Серый» — создают паровым риформингом (паровой конверсией) метана, при котором природный газ нагревают и смешивают с паром. Это самый распространенный и в то же время экономичный подход, формирующий около 75% мирового объема водорода. «Серый» газ, так же как и «коричневый», производят с побочным продуктом в виде CO₂.
• «Синий» (или «голубой») — выпускают тем же способом, что и «серый» водород, но с улавливанием и утилизацией (захоронением) диоксида углерода.
• «Бирюзовый» — получают путем пиролиза (термического разложения) метана. При таком подходе не образуется CO₂, но в качестве отхода производства выступает твердый углерод.
• «Красный» (или «розовый») — создают из воды методом электролиза с использованием энергии, генерируемой на атомной электростанции. В этом случае в атмосферу не выделяется диоксид углерода. В некоторых зарубежных источниках к данному водороду применяют условный «желтый» цвет.
• «Желтый» (или «оранжевый») — производят по той же технологии, что и «красный» водород — электролизом воды, но с применением сетевой электроэнергии, то есть полученной «стандартным» способом на ТЭЦ, с выделением в той или иной степени углекислого газа в атмосферу.
• «Зеленый» — электролизом воды, но с использованием возобновляемых источников энергии (ветряные электростанции, солнечные панели и др.). Это самый экологичный, как и все электролизы дорогой, и реже всего реализуемый подход к производству бесцветного газа, формирующий около 2% мирового объема водорода.

Очевидно, что разные способы выпуска водорода подразумевают разную стоимость этого продукта для конечного потребителя. Если попробовать спрогнозировать применение дорожно-строительными предприятиями одного из «видов» водорода в будущем, основываясь преимущественно на потенциальном развитии водородной энергетики в России, доступности и цене газа, то это вполне может быть «серый» или «синий» водород, в меньшей степени — «бирюзовый» или даже «красный».

Еще одним преимуществом использования горелки на водороде является высокая удельная теплота сгорания топлива. Для сравнения: нижняя граница для углерода, составляющего основу угля, находится на уровне около 34 МДж/кг; метана, по сути природного газа, — около 50 МДж/кг; водорода же — 120 МДж/кг. Другими словами, для получения одного и того же количества теплоты для нагрева инертных материалов в сушильном барабане понадобится значительно меньше водорода, чем любого другого топлива, применяемого сегодня на АБЗ.

Конечно, при нормальных условиях газообразный водород, в отличие от того же природного газа, обладает значительно меньшей плотностью, — 0,717 кг/м³ у метана против 0,090 кг/м³ у водорода, — то есть в объеме его понадобится больше, но этот вопрос легко решается использованием специальных топливных систем и горелок, конструктив которых разработан специально для работы с водородом; учитывающих его повышенные показатели предела воспламенения и скорости распространения пламени.

Проблемы использования водорода

Не смотря на плюсы применения водорода в качестве топлива горелки, — главным из которых глобально является нулевой выброс в атмосферу CO₂, — использование этого легкого бесцветного газа на асфальтобетонном заводе, даже в ближайшей перспективе, тормозит ряд довольно конкретных факторов.

Во-первых, отсутствие отечественного рынка водорода как как такового. Сегодня весь создаваемый промышленными способами водород, — а это около 5 млн тонн в год, — применяется на этих же производственных площадях для выполнения различных технологических задач. К примеру, на нефтеперерабатывающих предприятиях — для гидрокрекинга, гидроочистки; на химических — для выпуска аммиака, выпуска азотных удобрений; и других направлений.

О чем говорить, сегодня в мире работает более 1000 водородных заправочных станций для легковых автомобилей и грузового транспорта, расположенных в Европе, США, азиатских странах. В России на данный момент установлена одна такая станция, в городе Черноголовка Московской области. Учитывая, что локальный спрос на автомобили на водороде в том числе влияют на развитие водородной энергетики в стране, очевидно, что «зеленые» технологии дойдут до отечественных дорожно-строительных предприятий не скоро.

Во-вторых, высокая стоимость водорода. На тех же заправках в Европе цена бесцветного газа составляет в среднем от 10 до 20 евро за килограмм, то есть до 1674 рублей. Если прибавить к этой цифре стоимость доставки до дорожно-строительного предприятия в жидком или газообразном виде, не говоря уже о затратах организации на хранение водорода на производственной площадке, себестоимость одной тонны готового асфальта значительно увеличится, а значит станет менее конкурентноспособной. Даже с учетом низкого расхода горелки на водороде, в этом смысле проще и практичней использовать природный газ, цена которого за 1000 м³, к примеру, в Ленинградской области находится в районе 8000 рублей.

В-третьих, особые условия для хранения водорода. Для того, чтобы асфальтосмесительная установка была способна производить достаточное количество смесей в дорожный сезон, на предприятии должны быть предусмотрены емкости для хранения топлива. В случае с жидким водородом, — это криогенные резервуары, обеспечивающие необходимое давление, поддерживающие температуру около ‒253 °С; с газообразным водородом — к примеру, блоки металлокомпозитных баллонов.

Более того, водород способствует охрупчиванию (снижению пластичности) металла. Дело в том, что радиус атома водорода почти в 2,5 раза меньше радиуса атома железа, что позволяет первому легко проникать в решетку сплавов железо—углерод, влиять на ее упорядоченность, вызывать деформацию и увеличивать внутреннее напряжение. В итоге свойства металла изменяются, он становится хрупким, а разрушение происходит раньше достижения предела текучести. Таким образом, не только системе хранения, но и материалу, из которого выполнены трубопроводы, должно быть уделено особое внимание. Так, снизить риск водородного охрупчивания помогает сплав, в котором снижено процентное содержание углерода и увеличено содержание никеля и титана.

В-четвертых, взрывоопасность топлива. При контакте водорода с окислителем происходит неконтролируемое горение, которое, в зависимости от внешних условий, может носить в том числе взрывной характер. Если учесть, что водород не имеет цвета и запаха, любое нарушение герметичности резервуаров, баллонов или системы трубопроводов может привести к непоправимым последствиям, травмам сотрудников предприятия.

В-пятых, отсутствие нормативной базы. На данный момент не разработаны какие-либо национальные нормы, регулирующие применение водородного топлива на производстве, устанавливающие требования к его хранению. Единственный приближенный к теме документ, что в какой-то мере логично, связан с космической отраслью и утвержден Роскосмосом, — СП 162.1330610.2014 «Требования безопасности при производстве, хранении, транспортировании и использовании жидкого водорода».

На сегодняшний день всего несколько дорожно-строительных предприятий, которые можно пересчитать по пальцам одной руки, по крайней мере в медийном поле перешли на нагрев инертных материалов с помощью горелок на водороде. Разумеется, эти АБЗ расположены в Европе, вкладывающей огромные ресурсы в развитие «зеленых» технологий.

В России же использование водорода в качестве топлива горелки сушильного барабана — всего лишь тема для разговора. Отдельные крупные предприятия или группы компаний могли бы внедрить такую технологию на своих асфальтобетонных заводах, но при этом существующий уровень инфраструктуры, отсутствие производственного опыта работы с водородом, итоговая себестоимость готовой продукции — все это фактически не позволит стабильно применять технологию как минимум на горизонте ближайших 5 лет.