Легок на помине
Самый легкий элемент таблицы Менделеева считают кандидатом на роль универсального топлива по множеству причин: водород экологически чист, потенциально его запасы очень велики, ведь получать его можно не только из различных гидратов, но и из обычной воды с помощью процесса электролиза. Водородный двигатель внутреннего сгорания, работающий на основе цикла Отто, в среднем на 8% эффективнее бензинового. А электрический двигатель, энергию которому дают топливные ячейки, осуществляющие «холодное сжигание» водорода, оказывается в два-три раза эффективнее обычного. Топливные ячейки считаются перспективной технологией, которую можно задействовать не только в двигателях электромобилей, но для электроснабжения и обогрева зданий. Важным для использования водорода в качестве источника энергии для промышленных предприятий и зданий является то, что установки, работающие на этом топливе, могут осуществлять когенерацию — при их работе выделяется не только электричество, но и тепло, а конечным продуктом процесса является та же вода.
В настоящее время промышленное получение водорода осуществляется в основном из природных (и в массе своей невозобновляемых) источников — прежде всего из природного газа. Однако электролиз позволит выйти из этого порочного круга. Можно получать водород и с помощью колоний одноклеточных водорослей и некоторых видов бактерий — этот способ сейчас активно исследуется.
Все эти преимущества водорода позволят ему год от года упрочивать позиции лучшего возобновляемого топлива. Согласно прогнозу консалтингового агентства Freedonia Group Inc. «Глобальный водород», в период до 2018 года мировой спрос на самый легкий элемент будет расти в среднем на 3,5% в год. Основные драйверы роста так или иначе связаны с ужесточением законов, ограничивающих выбросы в атмосферу диоксида углерода. Насколько эффективны государственные законы, показывает пример США, где объем производства водорода ежегодно растет примерно на 10% (впрочем, согласно тому же исследованию по темпам роста производства водорода вскоре будет лидировать Китай, правительство которого планирует постепенно снижать долю в энергетике нынешнего лидера — угля). А вот в странах ЕС и Японии и производство, и потребление водорода будет оставаться низким. Практически отсутствует и едва ли появится сколько-нибудь масштабное производство топливного водорода и в России: крупнейшая водородная установка филиала башкирской компании «Башнефть-Новойл», введенная в строй в прошлом году и рассчитанная на получение 153 тыс. т продукта ежегодно, будет производить этот газ для других нужд: водород используется при очистке нефтепродуктов, в производстве химикатов и металлов.
Враг печени — друг двигателю
И все-таки, несмотря на все плюсы, у водорода есть ряд серьезных минусов. Он взрывоопасен, а значит, его хранение и транспортировка будут требовать совершенно иных условий безопасности, чем бензина. Электролиз сам по себе нуждается в значительных объемах энергии, то есть для получения водорода придется строить станции, питать которые будут, например, солнечные батареи. Впрочем, в конечном счете это поможет решить одну из важных проблем солнечной энергетики — как хранить получаемую энергию.
Имеющиеся минусы могут оказаться фатальными. «У меня ощущение, что водородные проекты в мире понемногу сворачиваются, — говорит президент Российской биотопливной ассоциации Алексей Аблаев. — Дело в том, что водород плохо получается хранить: он быстро утекает из любых емкостей. Даже автомобильные аккумуляторы выгоднее — они дольше хранят заряд».
Более перспективным, нежели водородная энергетика, может оказаться использование биотоплива. Биотопливо в отличие от водорода не какой-то элемент или соединение, а целый класс различных углеводородов. Например, им может служить этанол — хорошо знакомый нам по алкогольным напиткам этиловый спирт, который также прочат в качестве если не замены бензину, то эффективной добавки к нему. Бензиново-этанольная смесь чище бензиновой и в перспективе дешевле, хотя топливная эффективность бензина в полтора раза выше. Сейчас в мировой дорожно-транспортной индустрии этанол составляет примерно 6–7% от всего используемого автомобилями топлива. Здесь, конечно, многое зависит от государственной политики: так, например, в США уже сейчас эта цифра выше — более 10%, здесь работают более двухсот предприятий, занимающихся производством этанола.
В 2014 году в мире было произведено около 94,8 млрд л этанола. 87% этого объема используется в качестве топлива, остальное идет на другие нужды промышленности и потребительского сектора (напитки, косметика). 54,2 млрд л из указанного объема производятся в США, 23,5 млрд — в Бразилии, тогда как в странах ЕС — менее 6 млрд л. Суммарно это более 80% производимого в мире этанола, и наращивание объемов его использования является правительственной политикой. Так, принятый в США в 2007 году Акт энергетической независимости и безопасности ставит целью использование к 2022 году 36 млрд галлонов возобновляемого топлива. Примечательно, что в таких странах, как Китай и Индия, производство этанола за последние годы сократилось, в то время как в США и ЕС оно растет. В России производство этанола — хорошо развитая отрасль, однако речь идет не о топливном этаноле.
Авгиевы свинарники
Привлекательность этанола в том, что он выгоден в производстве. «Это единственное жидкое топливо, которое может себя окупать без господдержки, — объясняет Алексей Аблаев. — Основным драйвером роста рынка этанола как за рубежом, так и в России является необходимость чем-то загрузить сельское хозяйство: многие страны полностью закрывают свою потребность в зерне, а «лишнее» зерно (особенно с удаленных территорий, откуда его вывоз невыгоден) направляют на получение биотоплива». Но в России этому мешает законодательство: любая смесь этанола с бензином подпадает под такой же акциз, как и производство водки. Сейчас в Думу внесен законопроект, который направлен на отмену этого порядка, но судьба его неясна.
Другие виды биотоплива — например, биогаз (газ, получаемый водородным или метановым брожением биомассы) — рентабельны не сами по себе, но лишь в качестве «побочного продукта» решения проблемы органических отходов. Биогазовые установки, например, позволяют перевести на энергетическое самообеспечение крупные фермерские хозяйства. В западных странах эта технология сейчас весьма популярна: в Евросоюзе функционирует 5 тыс. биогазовых заводов. В денежном выражении объем рынка биогаза в ЕС превышает $1,4 млрд и растет на 8–12% в год. «В России крупных биогазовых установок крайне мало, — говорит основатель компании Wisesoil (Екатеринбург) Александр Смотрицкий. — Причины тут экономические: установка, рассчитанная на производство энергии в 1 МВт, обходится в €3–4 млн. Вот почему распространяются они в основном там, где существует господдержка: например, в Германии свыше 9 тыс. биогазовых установок именно потому, что там действуют субсидированные тарифы на поставку произведенной на них энергии. А когда установки начинают окупаться, льготы на них потихоньку отменяют».
Впрочем, способы обойтись почти без господдержки существуют: например, разработанная Wisesoil технология (она задействует обработку сырья ультразвуком) позволяет вдвое повысить скорость переработки сырья, то есть становится эффективным использование менее крупных и менее дорогих реакторов. «Такого рода проекты могли бы быть привлекательными, если бы не высокие капитальные вложения: биогазовая установка — вещь выгодная, но окупится она только за десять лет. И здесь снова свою роль могла бы сыграть правительственная политика, — говорит Алексей Аблаев. — Если бы в России действовали жесткие законы, например, по утилизации свиного помета, фермы вынуждены были бы ставить такие установки».
