Водородная энергетика — одно из направлений развития мировой энергетики, находящихся в последние годы в центре внимания. Проекты создания производства водорода заявлены или реализуются практически во всех ведущих странах [1, 2]. Прежде всего эти планы рассматриваются в контексте движения к углеродной нейтральности, поскольку использование водорода в качестве топлива не оставляет углеродного следа и, в дополнение к этому, водород сам по себе энергетически эффективен — в пересчёте на единицу массы он выделяет примерно втрое больше тепла, чем природный газ.
В то же время очевидна связанная с этим фундаментальная проблема — водород не является первичным энергоносителем, а его извлечение из химических соединений (из углеводородов посредством конверсии либо из воды путём электролиза) требует большого количества энергии и, в свою очередь, уже оставляет углеродный след, что, по сути, сводит на нет все экологические и энергетические преимущества водорода.
Теоретически, оптимальный способ производства водорода — электролиз воды с использованием электроэнергии, полученной исключительно на электростанциях, работающих на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), а также атомных станциях (АЭС). Параллельно таким образом решался бы и вопрос нестабильности самих ВИЭ — водород выступал бы в качестве аккумулятора энергии. Но в этом случае необходимо учитывать, что для производства одной тонны водорода требуется не менее 40 МВт·ч электрической энергии.
В качестве иллюстрации отметим, что если бы всё нынешнее производство электроэнергии в России (порядка 1 трлн кВт·ч) было направлено на производство водорода, удалось бы произвести всего около 20 млн тонн этого химического элемента, что эквивалентно примерно 60 млн тонн условного топлива или всего 6% общего энергопотребления в нашей стране.
Однако в России на данный момент нет столь грандиозных «водородных планов», в отличие, например, от Евросоюза, где к 2050 году планируется рост доли водорода в энергобалансе ЕС с нынешних 2% до 24%, что эквивалентно 2250 ТВт·ч энергии (примерно 50 млн тонн водорода) [3]. Отметим, что наряду с этим предполагается и снижение энергопотребления на 35% относительно текущего уровня — с 14 ПВт·ч до 9,3 ПВт·ч, что также вызывает вопросы. Тем не менее, производство 50 млн тонн «зелёного» водорода потребует более 2 ПВт·ч электроэнергии — это более 50% всей электроэнергии, производимой в странах ЕС в настоящее время, и в полтора раза больше общего количества электрической энергии, производимой за счёт ВИЭ.
То же верно и в отношении Японии, где к 2050 году предполагается рост потребления водорода до 10 млн тонн в год [4].
При собственном производстве способом, не оставляющим углеродного следа, для этого потребуется более 400 ТВт·ч или 40% от всей производимой в Японии электрической энергии, что в два раза превышает всё производство электроэнергии за счёт ВИЭ в стране.
Реализация этих планов при сохранении существующих подходов к декарбонизации экономики потребует увеличения неуглеродных (ВИЭ и атомных) мощностей в энергетике в несколько раз относительно нынешнего уровня.
Если же наращивание потребления водорода предполагается за счёт импорта, это будет означать «перенос» углеродного следа в другие страны, но не принципиальное решение задачи его снижения. Один из характерных примеров — соглашение между Японией и Австралией об импорте водорода в Японию — при этом получение водорода в Австралии происходит в основном путём конверсии бурого угля и биомассы [5].
В связи с этим остаётся непонятным, насколько обоснованы заявленные планы развития водородной энергетики и как они согласуются с общим курсом на декарбонизацию экономики.
С водородом связан и фундаментальный природный парадокс. С одной стороны, это самый распространённый элемент во Вселенной. На него приходится 88,6% общего числа её атомов (которое оценивается в 1081) и около 75% её массы — конечно, если не рассматривать гипотетический элемент «ньютоний», о котором писал ещё Д. И. Менделеев [6], либо «тёмную материю», которую, в свою очередь, иногда рассматривают как развитие или даже повторение идеи, высказанной Дмитрием Ивановичем.
Однако в земной коре содержание водорода оценивается всего в 1% по массе и около 17% по общему количеству атомов. В земной атмосфере водорода ещё меньше — содержание H2 оценивается как 0,00005% её объёма и 0,0000035% массы.
Тем не менее, и на Земле водорода теоретически более чем достаточно. Самый крупный его резервуар — Мировой океан, объём которого составляет 1,3 млрд к м³, масса — 1,3×1018 тонн. На водород в массе воды приходится 11%, то есть только в океанической воде его содержится примерно 1,4×1017 тонн. При теплотворной способности водорода, эквивалентной 40 МВт·ч на одну тонну, и текущем мировом потреблении энергии, составляющем менее 200 ПВт·ч в год (200 млрд МВт·ч или порядка 15 млрд тонн нефтяного эквивалента, или около 20 млрд тонн условного топлива в год), для удовлетворения всех энергетических потребностей человечества потребовалось бы «всего» 5 млрд тонн водорода или пусть даже 10 млрд тонн (исходя из КПД его использования в 50%), то есть 1010 тонн в год, что в 14 млн раз меньше количества водорода, содержащегося в водах Мирового океана. Но, возвращаясь к сказанному выше, затраты на извлечение водорода из воды путём электролиза практически равны или даже выше его энергетической ценности — это те же 40 МВт·ч на одну тонну.
При огромном количестве водорода как такового он наблюдается в географической оболочке Земли главным образом в связанном виде — прежде всего это вода и углеводородные соединения, составляющие пока основу энергетики. Это связано с химической активностью водорода. Другой фактор — лёгкость водорода, из-за которой он плохо удерживается земным притяжением. Наконец, его свойства, мешающие обнаружению свободного водорода, например, отсутствие цвета, запаха и какого-либо воздействия на человека и окружающую среду.
Однако вопрос, есть ли на Земле свободный водород в больших количествах, можно ли его обнаруживать и добывать в больших масштабах, остаётся открытым.
На положительный ответ может натолкнуть, собственно, большое количество водорода в различных его соединениях — отсюда, вероятно, следует, что где-то должен быть и его источник (рис. 1).
Рис. 1. Места обнаружения водорода в различных средах при концентрациях более 10 % объёма [а — в мире, б — на территории Евразии (обведено красным прямоугольником в «а»)] [16]
Такие идеи высказываются достаточно давно. Предположение, что с глубиной увеличивается количество гидридов (соединений водорода с металлами) и влияние водорода, высказывал ещё русский учёный-естествоиспытатель и мыслитель В. И. Вернадский [7]. Свою «концепцию гидридного ядра Земли» представляли швейцарские вулканолог Альфред Ритман и физико-химик Вернер Кун [8, 9].
Сходных идей придерживался академик РАН А. А. Маракушев, также создавший свою концепцию [10], и академик АН УССР Н. П. Семененко, предложивший кислородно-водородную модель Земли [11, 12]. Также «концепцию водородной дегазации Земли» разрабатывает и продвигает д.г.-м.н. В. Л. Сывороткин [13].
Вероятно, отдельного рассмотрения заслуживает концепция В. Н. Ларина [14], исследовавшего распределение различных химических элементов в фотосфере Солнца, во внешней геосфере Земли, на Луне и метеоритах. Анализ показал, что оно зависит от потенциала ионизации атомов химических элементов — чем дальше от Солнца, тем он оказывается выше, и, исходя из этого, водорода в Земле должно быть существенно больше, чем принято считать, а именно около 59 атомных процентов или 4,5% массы планеты.
Отсюда также следует предположение В. Н. Ларина о гидридном ядре Земли и водороде, высвобождающемся из гидридов под действием распада радиоактивных элементов в глубинах Земли и затем мигрирующем к поверхности планеты.
Эта концепция была выдвинута ещё в 1970-е годы и детально изложена в докторской диссертации В. Н. Ларина «Земля: состав, строение и развитие (альтернативная глобальная концепция)», в её англоязычной версии [15] и в научно-популярной форме — в книге В. Н. Ларина «Наша Земля» 1993 года, вышедшей в Канаде [16].
Подтверждением этих концепций может быть только обнаружение выходов водорода на земную поверхность. Их целенаправленным поиском до конца XX — начала XXI веков практически не занимались, хотя случайные обнаружения отмечались с начала XX века, в частности, в Южной Австралии [17]. В 1987 году водород был обнаружен в Республике Мали (Западная Африка) у посёлка Буракебугу [18] — с этим связан один из первых примеров практического применения свободного природного водорода, который в данной местности используют для обеспечения посёлка электроэнергией.
По мнению экспертов [14], поиск свободного водорода в последние 15–20 лет облегчили два обстоятельства: открытие широкого доступа к космическим снимкам и появление компактных газоанализаторов водорода. К настоящему времени обнаружено несколько сотен выходов водорода по всему миру (рис. 1), включая Россию [19], в некоторых точках его содержание достигает 70–90%, хотя в большинстве случаях речь идёт о долях процента или первых процентах.
Концентрация и выходы водорода связаны, в частности, с рифтовыми зонами, разломами, гейзерами, горячими источниками, глубинными разломами земной коры, месторождениями углеводородного сырья, кольцевыми структурами и т. п. [20]. Обращает на себя внимание нередко встречающаяся сопряжённость выходов водорода, зон геотермических аномалий и месторождений углеводородного сырья [21]. Это указывает на возможность комбинированной добычи и использования эндогенных источников энергии, включая водород, геотермальную энергию и углеводороды. Также концепция водородной дегазации Земли даёт своё объяснение, например, генезису месторождений углеводородов.
Нельзя не отметить, что общие оценки масштабов водородной дегазации Земли могут резко различаться. Так, д.г.-м.н. В. Л. Сывороткин даёт оценку примерно в 600 млн тонн в год [7], а по расчётам В. Н. Ларина эта величина может достигать 600 млрд тонн ежегодно [14]. Разброс в 1000 раз, конечно, говорит о том, что необходимы детальные и длительные дополнительные исследования; на данный момент ни одна из приведённых цифр не может считаться достоверной.
В настоящее время лидером в поиске свободного природного водорода является Австралия, где уже выдан ряд лицензий на разведку его месторождений, в частности, в штате Южная Австралия получено 18 лицензий [20]. Активные поиски свободного водорода ведутся в США, где также создан ряд стартапов по его разведке [22]. Поиск водорода в последние год-два обретает некоторое сходство с «золотой лихорадкой». В начале декабря 2023 года поступила информация, что первое разрешение на разведку месторождений природного («белого») водорода выдала Франция. Речь идёт о территории (225 к м²) в департаменте Атлантические Пиренеи на юго-востоке страны [23].
Что касается России, то у нас в июле 2023 года водород был включён в список полезных ископаемых (Общероссийский классификатор полезных ископаемых и природных вод, изменение 5/2023) под номером «11102193 Водород природный» [24, 25]. Перспективы поиска свободного водорода, в частности, с оптимизмом оценивал генеральный директор ООО «Газпром-водород» К. В. Романов [26].
На данный момент о поисках свободного природного водорода известно сравнительно узкому кругу специалистов (многие из них воспринимают данную концепцию в качестве маргинальной). Широкого освещения рассматриваемая тема пока не получила, и в случае успехов в поиске и добыче свободного природного водорода в достаточном количестве это может стать своего рода «чёрным лебедем» в энергетике, который, может быть, принципиально изменит всю энергетическую картину мира и «обнулит» все сделанные ранее прогнозы развития мировой энергетики. Можно предположить и то, что в грандиозных планах создания водородной экономики, о которых говорилось выше, заложена и вероятность данного сценария. Тем не менее, на данный момент преждевременно было бы делать какие-то окончательные выводы.
