Водородная сталь или всё те же грабли.

Во многих регионах мира последние годы активизировалась борьба за "зеленую" металлургию, обеспечивающую сокращение выбросов углерода (углекислого газа) и прочих загрязнений. Причем она не утихла даже сейчас – в период коронавирусной пандемии, заметно снизившей мировой спрос на сталь. Самой "модной" тенденцией последних лет стала идея перевода сталелитейного процесса на сжигание чистого водорода в качестве источника тепла и получения титула "углеродно-нейтрального" предприятия.
К примеру, 10 июня 2020 года более чем известная металлургическая компания ThyssenKrupp и крупная энергетическая компания RWE объявили о намерении начать производство стали на водородной основе к середине текущего десятилетия. Инициативу эту заблаговременно подготовили или пролоббировали, поскольку она была обнародована в день принятия правительством ФРГ Национальной водородной стратегии (Nationale Wasserstoffstrategie, NWS) для развития энергетики страны на период до 2030 года. Кстати, в тот же день власти Германии оперативно подписали первое инвестиционное соглашение на $2,07 млрд по данной нацпрограмме. Средства выделены на строительство в далеком африканском Марокко электролизного завода для выпуска особо чистого водорода с использованием солнечной электроэнергии. Куда и как будет поступать этот водород, пока не уточняется.
ThyssenKrupp не одинока в своих планах "зеленой" металлургии.
Немецкая Salzgitter в марте заявила, что введет в эксплуатацию собственный водородный электролизер до конца текущего года. Он давно заказан у Siemens Gas & Power, базируется на современной технологии с протонной обменной мембраной (PEM) и будет иметь мощность 2,2 МВт. То есть будет близок к весьма распространенным в СССР электролизерам типа ФВ500М (2,88 МВт, КПД 55%), часто применяемым в производстве маргарина. Имеющим, кстати, производительность до 500 кубометров водорода (43,9 кг) в час при чистоте газа 99,5%.
Для реализации этого направления в группе создано подразделение Salzgitter Flachstahl, которое управляет водородной стратегией проекта под названием Salzgitter Low CO2-Steelmaking (SALCOS). Он также направлен на использование в металлургии электролизного водорода, но с применением электроэнергии от местных ветряных генераторов.
Еще раньше – в феврале 2018 года – сообщено о старте проекта водородной металлургии компании Voestalpine в австрийском Линце. Началось строительство фабрики по получению водорода на базе установки H2 Future (6 МВт) – международного проекта Voestalpine, Siemens, Австрийских электросетей, Energy Research Centre of the Netherlands (ECN) и Центра металлургических компетенций K1-Met. Инвестиции в проект от Евросоюза составили €18 млн.
Не исключено, что все эти проекты по производству чистого водорода для металлургии вольются в первую в Германии "зеленую" водородную сеть, т.е. сеть транспортировки особо чистого (до 100%) водорода. Ее первая очередь, создаваемая компаниями BP и RWE с использованием газопроводов местных операторов, будет иметь протяженность 130 км. Сеть получила название "GET H2 Nukleus" и заполнится "зеленым" водородом из Лингена (Нижняя Саксония) в конце 2022 года от электролизера RWE рекордной мощностью 100 МВт (около 2 т Н2 в час). А первым (помимо нефтехимиков) кандидатом от металлургов на подключение к этой сети называется сталелитейный завод ThyssenKrupp в Дуйсбурге.
В Великобритании национальная водородная программа Департамента по вопросам бизнеса, энергетики и промышленной стратегии (BEIS), названная Hydrogen Supply Competition, стартовала в 2019 году, но получила на первом этапе скромное финансирование в 20 млн фунтов стерлингов. В августе прошлого года власти анонсировали развертывание более широкой программы борьбы с промышленными выбросами – на 390 млн фунтов стерлингов. Для перевода сталеплавильного производства на водород зарезервировано уже 250 млн фунтов стерлингов.
Но до сих пор серьезные британские проекты в этом направлении не озвучены. Эта отрасль в стране находится в заметном кризисе (не до модернизаций) и контролируется преимущественно иностранными инвесторами. К примеру, экологическим проектом "Gigastack" с бюджетом в скромные 0,5 млн фунтов будет управлять датская компания Orsted (ветроэнергетика) в сотрудничестве с ITM Power (водородные технологии) и консалтинговой компанией Element Energy (PR и консалтинг). Причем цели "Gigastack" более чем амбициозны – "резкое снижение стоимости экологически чистого водорода путем массового производства модульных электролизеров единичной мощностью 5 МВт в синергии с гигаваттными морскими ветровыми электростанциями".
В Швеции еще в октябре 2019 года три компании (SSAB, LKAB и Vattenfall) в рамках проекта Hybrit сообщили об инвестициях в размере 150 млн крон на производство стали безуглеродным способом. Еще 50 млн крон инвестиций в строительство хранилища водорода на установке SSAB в Лулео пообещало Шведское энергетическое агентство.
По словам компаний, инициатива Hybrit имеет потенциал сокращения общих выбросов углекислого газа в Швеции на 10%. Пилотные заводы по производству "водородной стали" будут испытываться с 2021 по 2024 год. Конечной целью проекта Hybrit является продажа стали, "не использующей ископаемых", в широком объеме с 2035 года.
В Австралии авторитетный Grattan Institute, занимающийся стратегией развития страны, опубликовал свой прогноз по водородной металлургии в мае 2020 года. Эксперты института считают, что страна может извлечь выгоду из обилия дешевой энергии ветра и солнечной энергии, чтобы остановить десятилетия спада в сталелитейной промышленности. В конечном итоге, используя национальные железорудные ресурсы и водород, производимый с помощью возобновляемых источников энергии, страна может захватить около 6,5% мирового рынка стали, генерировать около 65 млрд австралийских долларов ($43 млрд) годового дохода от экспорта и создать десятки тысяч рабочих мест.
Россия также не остается в стороне от водородной энергетики. К примеру, 29 августа 2019 года в Минэнерго прошло специальное совещание по этой теме. В нем, помимо чиновников, приняли участие представители "Газпрома", "Ростеха" и "Росатома", а также ряда научных центров (МФТИ, "Сколково" и др.).
На совещании прозвучали тематические доклады инфраструктурного центра EnergyNet (Национальной технологической инициативы) и компании Vygon Consulting. Обсуждались как мировые тенденции, так и перспективы российского производства водорода. Но в меньшей степени, чем потенциальные продажи на экспорт, – его российские применения, причем без прогнозов использования водорода в российской металлургии вообще.
К примеру, как сообщила EnergyNet, производить в РФ водород "уже сейчас можно на недозагруженных Усть-Среднеканской ГЭС в Магадане, Ленинградской и Кольской АЭС. Установка генераторов водорода на последней потребует 55 млрд руб. А с площадки в Магадане можно будет отгружать пробные партии водорода в Японию, где активно развивается транспорт на водороде". В каком виде и каким транспортом возможны такие поставки – естественно, не оглашалось.
"Решено разработать программу развития водородной энергетики России", – сообщил по итогам собрания замминистра энергетики РФ Павел Сорокин.
Интересно, что вскоре после этого совещания – в октябре 2019 года – генеральный секретарь Европейской ассоциации газовых компаний Джеймс Уотсон заявил после переговоров с представителями "Газпрома", что по газопроводу "Северный поток – 2" можно было бы поставлять в Европу произведенный в России водород.
В целом тема водородной энергетики уже "раскрутилась" так, что пора анализировать реальное состояние дел в этом направлении. Причем не только с точки зрения черной металлургии, но и явных ошибок очередных инноваторов в описании "великолепных перспектив" водорода.
Начнем с того, что совещание чиновников Минэнерго (и их приближенных) в августе прошлого года, о котором мы упомянули выше, существенно уступает по компетенции российскому совещанию, состоявшемуся много раньше, – 9 декабря 2003 года. Тогда на совместном заседании президиума РАН и правления ГМК "Норильский никель" участники заслушали сообщение "Водородная энергетика и топливные элементы", которое от имени соавторов сделал академик Г.А. Месяц, а также выступление гендиректора ГМК "Норникель" М.Д. Прохорова. В серьезном обсуждении доклада и направления работ приняло участие 12 академиков РАН, включая лауреата Нобелевской премии Ж.И. Алферова.
Явным приоритетом для водородной энергетики признано создание экологически чистого транспорта на основе прямого преобразования водорода в электроэнергию.
По итогам этого совещания состоялось подписание Комплексной программы поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам между РАН и ГМК "Норильский никель". Со стороны академии программу подписал президент РАН академик Ю.С. Осипов, со стороны ГМК – гендиректор М.Д. Прохоров.
С 2004 года "Норникель" начал серьезное финансирование этих работ, к которым подключилось множество российских институтов, КБ, компаний и предприятий. Весной 2005 года ГМК создала куратора (интегратора) направления – Национальную инновационную компанию "Новые энергетические проекты" (НИК "НЭП"), которую возглавил член-корреспондент РАН Борис Кузык, а его первым заместителем стал вице-президент "Норникеля" Владимир Пивнюк, имеющий большой опыт работы по применению водородных технологий в космических аппаратах.
В 2006 году объем инвестиций ГМК в водородный проект в РФ достиг $100 млн и во многом проводился через НИК "НЭП".
Выступая в начале года на Международном форуме "Водородные технологии для производства энергии", Б. Кузык сообщал также о поддержке направления со стороны властей: "Государство на основе долгосрочного прогноза разрабатывает перспективную энергетическую стратегию, формирует национальную программу и законодательную базу ее реализации, выделяет ресурсы для фундаментальной разработки и стартового освоения принципиально новых технологий, их распространения в нерыночном секторе экономики, развития инфраструктуры и подготовки кадров, создает преференции для ослабления рисков инновационного освоения водородной энергетики, защищает права интеллектуальной собственности. Бизнес – как российский, так и заинтересованный иностранный – берет на себя основную тяжесть забот по освоению новых рыночных ниш и улучшающих инноваций, распространению водородных технологий в разных сферах экономики".
Стенд НИК "НЭП" на Х Петербургском международном экономическом форуме посетил вместе с президентом Финляндии президент РФ Владимир Путин. И весьма одобрил российское авторство представленных (и известных ему) работ по водородной энергетике.
А ГМК "Норникель" совместно с компанией "Интеррос" в 2006 году расширили зарубежные инвестиции этого направления. В апреле–июне состоялась сделка по приобретению 35% акций американской компании Plug Power Inc. – разработчика и производителя оборудования для водородной энергетики. Эксперты отмечали тогда, что завершилась сделка очень вовремя – к саммиту G8, темой которого как раз была энергетическая безопасность. А общая стоимость приобретенного пакета акций Plug Power Inc. составила $241,28 млн, т.е. сразу заметно превзошла внутрироссийские "водородные" инвестиции.
Причем переплачено за американскую компанию было и слишком много, и совершенно напрасно. Оценка Plug Power Inc. (со стороны фондового рынка) давным-давно обвалилась. Далее она порой приближалась к нулю, а до уровня 2006 года, и тем более 2000 года, не восстановилась до сих пор (рис. 1).


Эта американская компания, в общей сложности получившая более $4 млрд инвестиций, уже более 20 лет остается хронически нерентабельной. Поэтому российский пакет акций Plug Power Inc. в 2008 году за $33 млн был перепродан компании ОГК-3 (находившейся под контролем «Норникеля»). Далее он оказался под контролем «Интер РАО ЕЭС» и сократился с 33,8 до 19,7%. Перспективы возврата инвестиций от обесценившегося типового американского стартапа с каждым годом становятся все туманнее.
Возвращаясь к периоду основных вложений в российский водород, отметим, что НИК «НЭП» и его партнеры вплоть до 2008 года демонстрировали полный оптимизм. Сохранялись командировки в США и Германию, например в университет города Ульм (в центр солнечной и водородной энергетики). Обсуждались стажировки потенциальных работников компании в собственном инжиниринговом центре (3000 м2), а далее – в центре (15 000 м2) недалеко от метро Войковская, который проектировался по распоряжению Михаила Прохорова. В планах на 2009–2012 годы было строительство (с иностранным участием) заводов и выпуск на рынок готовой продукции. А создание Национальной программы водородной энергетики (на основе партнерства государства, бизнеса, науки и образования) претендовало на период вплоть до 2050 года.
Ипотечный кризис 2007 года в США долгое время не влиял на российскую экономику негативно. Скорее наоборот, поскольку до рекордных значений взлетели мировые цены на сырье – энергоносители, металлы и т.п., активно экспортируемые Россией (рис. 2).


Отметим, что среди лидеров подорожания 2006–2007 годов оказались практически все цветные и драгоценные металлы, выпускаемые ГМК «Норильский никель». К примеру, никель, который за год вырос в цене втрое, до исторических рекордов более $50 тыс. за т, в мае 2007 года. Так что финансово-инвестиционные возможности ГМК в тот период казались беспредельными.
Но в 2008 году экономический кризис из американского стал общемировым. Стремительный обвал сырьевых цен в этот период в полной мере отразился на российской индустрии, включая «Норильский никель». Инвестиции ГМК, как и прочие российские вложения в «водородную энергетику», снизились почти до нуля. После нескольких лет стагнации ООО «НИК «НЭП» 21 декабря 2012 года было ликвидировано.
В итоге «первая волна» российских работ по модному когда-то направлению закончилась практически ничем. В мире она дошла до многих демонстрационных внедрений. К примеру, большая часть бытовых применений водорода была реализована в Японии. Компания NEF (New Energy Foundation) с 2005 по 2008 год вела демонстрационный проект по установкам мощностью 1 кВт. К середине 2008 года в Японии с большими дотациями было установлено около 3 тыс. бытовых энергетических установок на водородных топливных элементах. За три года их стоимость была снижена почти втрое, до 2 млн иен (примерно $19 тыс.), но далее эти работы фактически заморозились. А разговоры о масштабных планах Panasonic (Matsushita Electric Industrial Co.) продавать ежегодно по 700 тыс. подобных установок к 2020 году прекратились давным-давно.
Главной реализации – массового водородного транспорта – не появилось не только в России, но и во всем мире. Исключения единичны – например, выпуск нескольких серийных подводных лодок класса U212 (Германия) с силовой установкой на водородных топливных элементах.
В США, например, фактически свернуты работы по «Roadmap on Manufacturing R&D for the Hydrogen Economy» – плану развития водородной энергетики на период до 2025 года. Не прошли инвестиции (до $12 млрд) в создание минимальной национальной сети водородных АЗС и многие другие водородно-транспортные проекты.
Всего в мире в считаных регионах сейчас продолжается поддержка до 300 водородных заправок. Весьма дорогих, поскольку водород крайне взрывопожароопасен. Это притом что число обычных АЗС в мире приближается к миллиону. Число модифицированных под водород автомашин составляет около 10 тыс. штук (при мировом автопарке около 1,3 млрд машин).
Инновационный лидер – водородный гибридный автомобиль на топливных элементах Toyota Mirai – продан за 5 лет в количестве около 3200 штук, причем не раз отзывался из эксплуатации ввиду различных проблем. Отметим особо, что заправка водородного авто в несколько раз дороже бензиновой, газовой и электрической зарядки, причем останется таковой всегда ввиду низкого КПД электролизного производства этого топлива.
Неспроста Илон Маск, глава Tesla Motors, топливные элементы («fuel cells») прозвал «fool cells» – «элементы одурачивания». Их конкурент – аккумуляторный электромобиль без водорода – фактически принят как мировым автопромом, так и потребителем в качестве главного направления развития «чистого» транспорта. Число таких электромобилей в мире уже превысило отметку в 2 млн и растет опережающими темпами ввиду весьма экономичной эксплуатации.
Но водород для транспорта никак не сдается. Создание нового органа – Водородного совета (Hydrogen Council) в январе 2017 года с огромным списком учредителей (Air Liquide, Alstom, Anglo American, Audi, BMW Group, Daimler, Engie, General Motors, Honda, Hyundai Motor, Iwatani, Kawasaki, Plastic Omnium, Royal Dutch Shell, Statoil, Linde Group, Total, Toyota, Ballard, Faber Industries, Faurecia, First Element Fuel, Gore, Hydrogenics, Mitsubishi Corp., Mitsui & Co., Plug Power и Toyota Tsusho) авторитета им явно не добавит.
По всем признакам это очередная экологическая демонстрация, озвученная на Всемирном экономическом форуме в Давосе, – не более того. Хотя и с призрачной надеждой на инвестиции в размере $20– 25 млрд в год. Тогда, прогнозирует Hydrogen Council, к 2050 году производство и годовой спрос на чистый водород вырастут в 10 раз, до 570 млн т. А перевод автотранспорта на водородное топливо позволит уменьшить ежегодные выбросы CO2 примерно на 6 гигатонн. Что обеспечит 20% от того сокращения выбросов, которое необходимо для ограничения глобального потепления до 2 градусов.
Вдобавок к этому активно продвигается идея схожего сокращения выбросов за счет внедрения водородной металлургии – фактически тех проектов, с которых мы начали эту статью.
Попробуем перепроверить цифрами прогнозы инноваторов, взяв за основу публикацию «Statistical Review of World Energy June 2020» нефтегазового гиганта BP. Из всего спектра источников энергии (рис. 3) мировая металлургия вносит незначительный вклад в потребление газа, нефтепродуктов и электроэнергии в целом, но имеет заметную долю в мировом потреблении угля.


Эту долю можно легко оценить, исходя из добычи металлургических углей (коксующихся, PCI и т.п.), а также расхода кокса в основном – доменном – процессе производства чугуна (рис. 4).


Вклад этот весьма невелик, хотя доля его в последние десятилетия растет заметными темпами. Главная причина этого – быстрая индустриализация Китая с опережающим ростом черной металлургии (до 52% мирового выпуска стали), причем с наиболее грязным (по эмиссии СО2) доменным процессом с использованием угля (кокса). А доля переработки металлолома сравнительно чистым электроплавильным производством остается в Китае очень низкой.
Но в целом по миру наши оценки вклада металлургии на 2019 год по разным методикам дают цифру в интервале 2,4–3,6% в общей эмиссии углекислого газа промышленностью и бытовыми применениями. Что на порядок ниже вклада мирового транспорта и тем более – мировой энергетики.
Так что крайне дорогостоящий перевод металлургии на водород ничего заметного в тенденции потепления климата не покажет, разве что увеличит в несколько раз цены на сталь.
А в технологическом плане водородная сталь вообще выглядит либо полной фантазией, либо простейшим пиаром или рекламой.
Процесс восстановления руды до стального расплава (отливки полуфабрикатов) водородом абсолютно не отработан. Эксперименты с «кипящим слоем» и т.п. установками на несколько тонн крайне далеки от нужной производительности. А «успешная» замена природного газа на водород в производстве сырья – прямовосстановленного железа (окатышей и брикетов DRI/HBI) – увеличивает их стоимость на порядок. Причем никакие экспериментальные электролизеры (на солнечных элементах или ветряках) нужной для этого мощности не дают. Реально применяться может только существующее производство водорода паровой каталитической конверсией природного газа (в мире – более 100 млн т в год). Но тогда опять возникают вопросы поглощения углекислого газа, образующегося в этом процессе.
Такой же утилизации требуют выбросы тепловых электростанций, цементного производства, обычного транспорта. И требуют во много раз больше, чем мировая металлургия, – но внимания этому вопросу уделяется гораздо меньше.
Так что настойчиво рекомендуем инноваторам от экологии и прочим «зеленым», включая Грету Тунберг, оставить металлургию в покое. И активнее заняться продвижением инвестиций в наилучший процесс поглощения углекислого газа (и выделения кислорода) – полное озеленение нашей планеты.
Но главное – уйти от модели общества свободного потребления, созданной в США. Где каждый американец (по данным BP) потребляет вчетверо больше энергии и ресурсов, чем в среднем по миру. И притормозить Китай, который в развитии экономики повторяет этот тупиковый путь «экономической свободы».
Так что повсюду, каждому человеку – только баланс и равновесие. Конечно, и меру свободы, но только с мерой ответственности.
Р.S.
Минэнерго 21 июня сообщило, что подготовило "дорожную карту" развития водородной энергетики в России . Производить чистый водород планируют «Росатом», «Газпром» и НОВАТЭК.
Потребители инновационного продукта "объявлены в розыск"...