Почти всё последнее десятилетие у водорода заявленных мощностей было больше, чем реально введённых, — и причина не в электролизе.
Разрыв между анонсами и реальным металлом в земле
Закономерность достаточно устойчива, чтобы на неё опираться при планировании. Проекты анонсируют с цифрами мощности и датами. До окончательного инвестиционного решения доходит меньшинство. Заметное число тихо отменяют или откладывают на неопределённый срок, включая несколько крупных и широко разрекламированных.
Причины экономические, а не технические.
Продукт дороже того, что он должен заменить. Водород, полученный электролизом из низкоуглеродной электроэнергии, обычно стоит в несколько раз дороже водорода из природного газа, а разрыв сильно зависит от цены электроэнергии и от того, сколько часов в году работает электролизёр.
По такой цене покупателей мало. Для финансирования проектам нужны твёрдые обязательства по закупке, а промышленные покупатели неохотно подписывают долгосрочные контракты с наценкой без регуляторной причины это делать.
Проблема курицы и яйца — реальна. Производство ждёт спроса, спрос ждёт инфраструктуры, инфраструктура ждёт объёма. Разорвать этот круг может либо политика, либо покупатель, у которого просто нет альтернативы.
Инженерная часть в основном уже доказана. Нерешённый вопрос — кто заплатит разницу.
Честный вывод для кадрового планирования: водородные компетенции стоит наращивать — но в масштабе, соответствующем проектам, реально дошедшим до инвестиционного решения, а не заявленному портфелю. Любой специалист в этой отрасли должен также уметь прочитать анонс проекта и понять, на какой стадии он реально находится, — это отдельный навык.
Что входит в направление
Охват: производство водорода, электролиз, топливные элементы, хранение и транспортировка водорода, промышленное применение.
Четыре блока.
Производство. Технологии электролиза, риформинг с улавливанием углерода и вопросы эффективности и долговечности для каждой из них.
Обращение с водородом. Компримирование, сжижение, хранение, трубопроводы и совместимость материалов.
Использование. Топливные элементы, сжигание и применение в качестве химического сырья.
Безопасность и стандарты. Здесь эта тема занимает больше места, чем в большинстве других направлений.
Почему с этой молекулой трудно работать
Водород ведёт себя так, что это удивляет инженеров, привыкших к природному газу, — и у каждого из этих свойств есть своя цена.
Он просачивается. Самая маленькая молекула находит пути через уплотнения, резьбовые соединения и материалы, которые без труда удерживают другие газы. Обнаружение утечек и проектирование арматуры здесь — отдельная дисциплина.
Он охрупчивает сталь. Водород проникает во многие стали и снижает их пластичность, что может вызывать растрескивание под нагрузкой. Это центральная материаловедческая проблема для трубопроводов, сосудов и компрессоров, и именно она ограничивает, какую существующую инфраструктуру можно переиспользовать и на каких условиях.
Он несёт мало энергии на единицу объёма. При атмосферном давлении водород содержит примерно треть энергии природного газа в том же объёме, поэтому его хранят под очень высоким давлением, сжижают при экстремально низкой температуре или превращают в носитель вроде аммиака. Каждый вариант стоит энергии: одно только сжижение потребляет существенную долю собственного энергосодержания водорода.
Он легко воспламеняется и горит невидимым пламенем. Широкий диапазон воспламеняемости, очень низкая энергия зажигания и пламя, почти невидимое при дневном свете. Этот риск управляем и ежедневно управляется в промышленности, но это не тот же риск, что с природным газом, и с ним нельзя работать по старым привычкам.
Круговой КПД низкий. Цепочка «электричество → водород → электричество» теряет большую часть исходной энергии. Это не критично там, где альтернативы вообще нет, и решающе важно везде, где возможна прямая электрификация.
Место направления в домене
«Водород и топливные элементы» — пятое из девяти направлений в домене Astra Trainer «Энергетика, климат и атом». Оно связано с управлением углеродом и промышленной декарбонизацией, где водород — один из немногих вариантов для высокотемпературного технологического тепла и первичной выплавки стали, а также с нефтегазовыми и нефтехимическими системами, где сегодня сосредоточена почти вся существующая водородная экспертиза.
Оно также связано с экономикой энергетики, рынками и политикой, поскольку жизнеспособность почти любого проекта в этом направлении зависит от мер господдержки и цены на электроэнергию, а не от инженерии. Все девять направлений — здесь.
Где водород оправдан, а где нет
Конкретика здесь полезнее энтузиазма — и она защищает организацию от инвестиций не в тот сценарий применения.
Сильный сценарий: существующее промышленное использование водорода. Нефтепереработка и производство аммиака уже потребляют большие объёмы водорода из ископаемых источников. Замена этого водорода на низкоуглеродный не требует ни нового спроса, ни новой инфраструктуры, ни изменения поведения. Это самый очевидный случай из всех.
Сильный сценарий: первичная выплавка стали. Прямое восстановление железа водородом — один из очень немногих способов существенно снизить выбросы первичной стали, и альтернатив немного. Несколько проектов уже реализуются.
Вероятный сценарий: химическое сырьё и высокотемпературное технологическое тепло — там, где электрификация затруднена, а процессу нужна именно молекула, а не электроны.
Вероятный сценарий: долгосрочное хранение энергии и сезонное балансирование — там, где низкий круговой КПД менее важен, чем способность хранить энергию месяцами, на что батареи не способны.
Спорный сценарий: тяжёлый транспорт, судоходство и авиация. Реальные кандидаты, конкурирующие с батареями в грузоперевозках и с синтетическим и биотопливом в судоходстве и авиации. Исход не предрешён, и разумные люди расходятся во мнениях.
Слабый сценарий: бытовое отопление. Тепловые насосы дают несколько единиц тепла на единицу электроэнергии. Производство водорода, его распределение и сжигание дают меньше одной. Несколько независимых обзоров пришли к неблагоприятным выводам, а аргумент в пользу водорода строится в основном на переиспользовании существующих газовых сетей.
Слабый сценарий: большинство легковых автомобилей. Электромобили на батареях эффективнее, дешевле в эксплуатации и поддержаны гораздо более развитой инфраструктурой.
Честная водородная программа концентрируется на первой группе. Программа, которая начинается с автомобилей и домашних котлов, — как правило, артефакт политики, а не инженерный план.
Навыки переносимы — и это хорошая новость
Кадровая картина здесь более благоприятная, чем в большей части этого домена, — и это стоит сказать прямо.
Водород — не новая отрасль, как её часто описывают. Его производят и обращаются с ним в промышленных масштабах уже сто лет — на нефтеперерабатывающих заводах, аммиачных производствах и в промышленных газовых компаниях. Люди, которые это делают, уже существуют.
Им нужен не переобучение с нуля, а дополнительный слой знаний: технология электролизёров и её эксплуатационные характеристики, картина совместимости материалов для инфраструктуры, изначально не рассчитанной на водород, конкретные отличия в безопасности от природного газа и коммерческо-регуляторная рамка, которая решает, реален ли проект.
Это учебная задача с коротким путём решения, и она необычно хорошо подходит для структурированного, пошагового обучения без отрыва от работы.
Роли, названные по именам
Инженеры электролизёров. Проектирование стека, системная интеграция, вспомогательные системы установки.
Технологи-процессники для производства и очистки водорода.
Инженеры по водородной безопасности. Отдельная и растущая специализация.
Инженеры-материаловеды для оценки охрупчивания и совместимости материалов.
Инженеры топливных элементов — для транспорта и стационарной энергетики.
Специалисты по компримированию, хранению и сжижению.
Инженеры по трубопроводам и инфраструктуре, включая оценку возможности перевода существующих сетей.
Операторы и техники установок для производственных объектов.
Девелоперы проектов и коммерческие аналитики, — потому что эти проекты решают офтейк и политика.
Кого можно обучить этому направлению
Персонал сектора промышленных газов. Самое близкое соответствие из всех возможных. Производство, компримирование, сжижение, распределение и обращение с баллонами — уже их повседневная работа.
Операторы и инженеры нефтеперерабатывающих и аммиачных заводов. Уже работают с водородом в промышленных масштабах в рамках систем управления промышленной безопасностью.
Технологи и трубопроводные инженеры нефтегазовой отрасли. Сильный переход — с явным (а не предполагаемым) обучением совместимости материалов и отличиям в безопасности.
Химики-технологи из любой отрасли переработки.
Инженеры-электрики и специалисты по силовой электронике. В энергосистемы электролизёров — это значительная часть установки.
Инженеры по материалам и коррозии. В оценку охрупчивания — дефицитная и критически важная область.
Специалисты по промышленной безопасности. В водородную безопасность, где существующая методология применяется с новыми данными об опасностях.
Водород — опасное вещество, подпадающее под строгое регулирование. У него широкий диапазон воспламеняемости, очень низкая энергия зажигания и трудноразличимое пламя, а обращаются с ним при экстремальных давлениях или криогенных температурах. Объекты подпадают под режимы регулирования крупных аварий, оборудования под давлением, опасных грузов и промышленной безопасности, которые различаются по юрисдикциям, а безопасное обращение зависит от процедур конкретной площадки, оценки компетенций и допуска. Astra Trainer формирует техническое понимание. Она не даёт инструктажа по опасностям, допуска или какого-либо разрешения проектировать, эксплуатировать водородные системы или работать с ними.
Что важно унести с собой
Нерешённый вопрос в водородной отрасли — коммерческий, а не технический, и значительная доля анонсированных проектов так и не доходит до инвестиционного решения.
Инженерная сложность — в самой молекуле: утечки, охрупчивание, низкая объёмная плотность энергии и иной риск воспламенения, чем у природного газа.
Сильные сценарии применения — там, где водород уже используется или альтернативы нет. Слабые — там, где прямая электрификация просто выигрывает по эффективности.
Круговой КПД низкий — это почти не важно для сезонного хранения и решающе важно для всего, что можно электрифицировать напрямую.
И, что необычно для этого домена, нужный персонал в основном уже есть — в нефтепереработке, производстве аммиака и промышленных газах. Это задача переквалификации с коротким путём решения.
Почему так много водородных проектов отменяют?
Потому что низкоуглеродный водород обычно стоит в несколько раз дороже водорода из ископаемых источников, покупателей с твёрдыми обязательствами по такой цене мало, а производство, спрос и инфраструктура ждут друг друга. Барьер экономический, а не технический.
Что делает работу с водородом трудной?
Он просачивается через соединения, которые держат другие газы, охрупчивает многие стали, несёт мало энергии на единицу объёма — поэтому нужны экстремальное давление или криогенная температура, — и легко воспламеняется почти невидимым пламенем.
Где применение водорода однозначно оправдано?
При замене уже используемого ископаемого водорода в нефтепереработке и производстве аммиака, при прямом восстановлении в первичной выплавке стали, в некоторых сценариях высокотемпературного тепла и химического сырья, а также в долгосрочном сезонном хранении энергии.
Почему водородное отопление считается слабым сценарием?
Потому что тепловые насосы дают несколько единиц тепла на единицу электроэнергии, а производство, распределение и сжигание водорода дают меньше одной. Несколько независимых обзоров пришли к неблагоприятным выводам.
Кому проще всего перейти в водородную отрасль?
В первую очередь персоналу промышленных газов, затем операторам НПЗ и аммиачных заводов, уже работающим с водородом в промышленных масштабах, технологам и трубопроводным инженерам нефтегазовой отрасли, химикам-технологам, специалистам по силовой электронике — в системы электролизёров, и инженерам-материаловедам — в оценку охрупчивания.