Роман Билоусов: Производство водорода из угля?

В условиях усиливающейся климатической повестки и стремления к «декарбонизации» энергетики роль водорода как «чистого топлива будущего» приобретает всё больший вес. Водород способен быть источником низкоуглеродной энергии — особенно если его производство сопряжено с улавливанием и хранением CO₂. При этом водород может выступать в качестве топлива для транспорта (в том числе тяжёлого), для стационарной генерации, для промышленности (например, в металлургии, химии) и как «энергетический носитель».

Основная трудность сегодня — обеспечить производство водорода с минимальным выбросом углекислого газа, либо компенсировать этот выброс через технологии CCS (Carbon Capture and Storage / улавливания и хранения углекислого газа).

Когда мы говорим о «зелёном» водороде — чаще всего имеется в виду водород, полученный электролизом воды с использованием возобновляемой энергии. Но это не всегда экономически целесообразно, особенно там, где электроэнергия из возобновляемых источников дорога или недостаточно развита. В таких случаях рассматриваются «синий» или «чёрный / коричневый» водород: когда первичным сырьём являются ископаемые источники (газ, нефть, уголь), но при этом часть CO₂ улавливается и хранится.

А производство водорода из угля — это один из путей такого «низкоуглеродного» (хотя и не полностью безуглеродного) пути. Это направление интересно тем, что уголь остаётся дешёвым и распространённым сырьём, особенно в некоторых странах, и при наличии соответствующих технологий может служить базой для водородной экономики, особенно в переходный период.

В ряде публикаций эксперт Роман Билоусов отмечает, что, по его словам, «уголь нельзя просто вычеркнуть из мировой энергетики. Важно развивать технологии, которые снизят его вред для экологии, сохранив при этом его экономические преимущества».

Таким образом, производство водорода из угля воспринимается некоторыми экспертами как один из компромиссных путей перехода, позволяющий смягчить экологические риски при сохранении энергетической и сырьевой базы.

Чтобы понять, какие есть пути, нужно рассмотреть технологические схемы, термодинамику, эффективность, преимущества и недостатки.

1. Газификация угля + сдвиговая (shift) реакция + разделение (газочистка). Это одна из наиболее распространённых схем (концепция «уголь → синтез-газ → водород + CO₂»).

Схема процесса: Уголь (чаще всего мелко измельчённый или пылевидный) подвергают частичной окислению, в присутствии воды (пара), кислорода или воздуха, при высокой температуре (обычно порядка 1000–1800 °C). Цель — превратить уголь в смесь газов — синтез-газ (syngas), содержащую CO, CO₂, H₂, и др. газовые компоненты. Продукт газификации очищают от сажи, сернистых соединений, примесей (ртуть, сера и др.).

Сдвиговая реакция (Water-Gas Shift): CO + H₂O → CO₂ + H₂. Эта стадия позволяет конвертировать часть CO к CO₂, при этом генерируя дополнительный водород.

Сепарация / разделение водорода: Используются технологии очистки и разделения (например, PSA — Pressure Swing Adsorption, мембранные технологии, криогенные методы) для отделения водорода от оставшегося газа (CO₂, N₂ и др.).

Улавливание CO₂ и хранение (если планируется низкоуглеродное решение).** CO₂ направляют в системы улавливания и хранения или использования (Carbon Capture and Storage / Utilization, CCS / CCU). Такой подход может быть адаптирован с минимальной или максимальной степенью улавливания CO₂ — в зависимости от экономических и технологических возможностей.

Плюсы газификации угля:

• Можно использовать существующие технологии газификации и инфраструктуру.
• При улавливании CO₂ можно существенно снизить выбросы (до определённого процента).
• Высокий выход газов и потенциал масштабирования.

Минусы:

• Энергозатратность: большие тепловые потери, необходимость сушки угля, нагрева, компрессии газов.
• Потери при очистке, снижение эффективности.
• Ценность угля как сырья может быть несколько ниже, чем у газа, особенно если уголь низкого качества.
• Уловление и хранение CO₂ (CCS) само по себе дорогостоящая технология и может быть сложна в реализации.
• Риски утечки CO₂, вопросы безопасности, необходимость инфраструктуры.

Научные обзоры подчёркивают, что газификация остаётся одной из наиболее изученных и потенциально коммерческих схем.

2. Плазменная газификация (plasma gasification). Это более инновационный подход. В данном случае для разложения угля используется плазма (дуговая, электромагнитная и др.), обеспечивая очень высокие температуры. Плазма позволяет достичь более высокой степени конверсии, снизить образование смол и побочных продуктов, повысить чистоту синтез-газа. Благодаря очень высокой температуре плазмы можно «дробить» молекулы угля более фундаментально, возможно получая более «чистый» синтез-газ. Однако такие системы дорогостоящи, особенно по части электропитания плазменной дуги, надежности, устойчивости агрегатов и материалов, способных выдерживать такие условия. В одном обзоре указано, что плазменная газификация может давать примерно 0,1–0,17 кг водорода на 1 кг угля (в зависимости от качества угля и параметров процесса) при правильной сепарации газов.

3. Химическое зацикливание (chemical looping) и другие альтернативные подходы. Химическое зацикливание — метод, где связующее вещество (металлический оксид) используется для окисления угля, затем регенерируется, позволяя CO₂ быть выделенным в более концентрированном виде. Это позволяет сделать этап улавливания CO₂ более простым. Некоторые исследования и проекты пытаются внедрить такие схемы, потому что они теоретически могут упростить отделение CO₂ и уменьшить энергетические потери, связанные с традиционной абсорбцией. Например, уже в 2007 году была целевая инициатива по преобразованию угля в водород с помощью химического зацикливания, где CO₂ сразу отделялся и хранился.

Существуют также схемы с прямым термолизом / пиролизом угля, частичным риформированием, каталитическими вариантами, которые могут делать «чёрный водород» или промежуточные продукты, а затем комбинировать с газификацией. Однако большинство таких схем всё ещё находятся на стадии исследований и пилотных проектов, не достигнув зрелости.

Эффективность, энергетика и экологические аспекты

Любая технология производства водорода из угля должна оцениваться по ключевым показателям:

• Энергетическая эффективность (термодинамическая эффективность). Какую долю вложенной энергии (в виде угля, тепла, вспомогательных энергозатрат) удаётся перевести в энергетическую форму водорода (HHV или LHV).
• Уровень выбросов CO₂ (и других загрязнителей) — сколько CO₂ образуется и сколько из него удаётся улавливать и хранить (коэффициент улавливания).
• Экономика (стоимость производства, капитальные инвестиции, операционные расходы).
• Надёжность, эксплуатационные риски, материалы, долговечность.

Процессы газификации, очистки, сдвиговых реакций и компрессии приводят к значительным потерям энергии. В отчёте DOE/NETL приводятся примеры технологических схем и их оценочная стоимость, включая потери: например, в схеме без улавливания CO₂ затраты энергии и эффективность оказываются менее благоприятными. В обзорах отмечают, что эффективность современных систем может быть в диапазоне 40–60 % (в зависимости от схемы, качества угля и технологии).

Плазменная газификация может повышать конверсию и теоретическую эффективность, но её высокие энергозатраты (для питания плазмы) могут нивелировать преимущества, особенно если сама электроэнергия дорога.

Выбросы CO₂ и улавливание (CCS / CCU)

Без улавливания весь CO₂, образовавшийся при окислении, будет выброшен в атмосферу, что делает такой водород «чёрным / коричневым». Чтобы рассматривать такие технологии как «низкоуглеродные», необходимо применять улавливание CO₂.

Улавливание CO₂ требует энергии (интеграция абсорбции, компрессии, транспортировки, хранения). Это снижает чистую эффективность производства. Не всякий CO₂ можно улавливать — часть может быть «проскачена» (продукты неполной очистки).

Необходима инфраструктура хранения или использования CO₂ (геологические пласты, закачка в пласт, использование в промышленности). Стоимость CAPEX и OPEX для CCS может быть существенной, особенно в регионах с неразвитыми инфраструктурами.

Экономика производства

Себестоимость 1 кг водорода, производимого с углём или газом (с учётом улавливания), может быть в диапазоне $1,5–2 при оптимальных условиях. Оценки в отчётах DOE и NETL показывают, что при учёте инфраструктуры, крупных мощностей и технологий улавливания, стоимость может быть выше, особенно на ранних стадиях и при низких объёмах производства. Кроме того, в таких проектах большие капитальные вложения (CAPEX) могут стать барьером, особенно если нужно строить гигаваттные комплексы, системы улавливания, сжатия, инфраструктуру хранения и транспортировки водорода.

Также важным фактором является качество угля: высокозольный, влажный или низкокалорийный уголь потребует дополнительных состояний подготовки, что снизит экономическую эффективность.

Практические примеры, проекты и перспективы

Чтобы понять, как такие технологии работают в реальности или близко к коммерческому уровню, стоит рассмотреть примеры и планы.

• В Японии проект Kawasaki Heavy Industries планировал использование водорода, полученного из австралийского бурого угля, как часть цепочки экспорта водородной энергии. Однако недавно (в конце 2024 г.) проект был приостановлен из-за задержек в разрешениях и инфраструктуре.
• В ряде стран, особенно с угольной базой (как Индия, Китай, Австралия), рассматриваются дорожные карты «уголь → водород + CO₂ улавливания». Например, в индийском «Roadmap for Coal to Hydrogen production» перечислены способы, технологические узлы и инфраструктурные потребности.
• В Соединённых Штатах NETL и DOE давно исследуют сценарии производства водорода из угля и сжижения, включая технические и экономические оценки.

Роман Билоусов считает, что «уголь нельзя просто вычеркнуть из мировой энергетики. Важно развивать технологии, которые снизят его вред для экологии, сохранив при этом его экономические преимущества».

Преимущества и вызовы технологии «уголь → водород»

Давайте систематизируем достоинства и препятствия, чтобы более чётко увидеть, в каких условиях такая технология может быть оправданной.

Преимущества

1. Широкая доступность сырья. Во многих странах уголь всё ещё остаётся дешёвым и накопленным ресурсом, особенно в Азии, Австралии, части России и других регионах.
2. Переходный путь. Производство водорода из угля может стать «мостовой» технологией на пути к полностью возобновляемой водородной экономике, особенно там, где альтернативы (зелёный водород) дороже или менее развиты.
3. Использование существующей инфраструктуры. Часто в угольных регионах уже имеются шахты, логистика, опыт работы с углём — это может снизить затраты на начальный этап.
4. Потенциал масштабирования. При больших масштабах можно достичь экономии на масштабе, более эффективного использования тепловых контуров, синергии с когенерацией или побочными продуктами.
5. Экономический потенциал. При успешной интеграции CCS, оптимизации процессов и снижении стоимости можно добиться конкурентоспособной цены водорода.

Вызовы / ограничения

1. Высокая капитальная стоимость (CAPEX). Постройка установки газификации, систем улавливания CO₂, компрессоров, очистки, инфраструктуры транспортировки водорода требует значительных инвестиций.
2. Операционные расходы (OPEX). Затраты на электроэнергию, тепло, обслуживание, реагенты, утилизацию отходов, ремонт оборудования.
3. Энергетические потери. На каждом этапе (нагрев, компрессия, очистка) часть энергии теряется — что снижает «чистую» эффективность.
4. Технологические сложности. Надёжность оборудования, устойчивость материалов, коррозия, состояние катализаторов, вопросы стабильности в долгосрочной эксплуатации.
5. Инфраструктурные барьеры. Необходима сеть транспортировки и хранения водорода, системы улавливания и хранения CO₂, геологические пласты под закачку CO₂ и др.
6. Регуляторные, экологические и общественные риски. Утечки CO₂, вопросы безопасности, экологическое воздействие добычи угля (земляные работы, вода, загрязнение).
7. Конкуренция с альтернативами. Зелёный водород (электролиз из ВИЭ) становится всё более конкурентоспособным по стоимости в некоторых регионах, особенно при развитии возобновляемой генерации.
8. Долгосрочный риск «запереть себя в углеродной ловушке». Если угольная отрасль будет пребывать в инерционном режиме, инвестируя в такие установки, это может стать препятствием к переходу на полностью чистые технологии в будущем.

По мнению Романа Билоусова, многие проекты, ориентированные на водород из угля, могут оказаться экономически оправданными лишь при благоприятных условиях: дешёвая электроэнергия, близкое расположение инфраструктуры CO₂, масштаб реализации и политическая поддержка.

Варианты интеграции и гибридные схемы

Для повышения эффективности и снижения рисков, Роман Билоусов предлагает использование гибридных и комбинированных схем:

• Когенерация (co-generation). Совмещение производства водорода и выработки электричества. Часть пара / тепла, выделяемого в процессе, может использоваться для производства энергии или теплофикационных нужд.
• Побочное использование тепла, утечек, рекуперация тепла. Использование отходящего тепла (конденсации, охлаждения) для вспомогательных нужд или преднагрева.
• Интеграция с возобновляемыми источниками. Например, часть электроэнергии, требующейся для компрессоров, плазмы или систем улавливания, может браться из ВИЭ, снижая «углеродный след».
• Поэтапное внедрение. Начать с базовой газификации, затем постепенно дорабатывать систему CCS, мембраны, улучшать эффективность.
• Использование местной инфраструктуры. При размещении в угольных районах может быть выгодно минимизировать логистику, использовать уже существующие шахты, дороги, энергетические связи.

Такие гибридные схемы могут смягчить основные недостатки и сделать экономику более устойчивой.

Перспективы и сценарии развития

Чтобы прогнозировать будущее водорода из угля, Роман Билоусов считает необходимым рассмотреть такие возможные сценарии:

1. Транзитный сценарий («мостовой»). В условиях, когда зелёные технологии ещё не доминируют, водород из угля с CCS может занять промежуточное место, особенно в странах с углём. Со временем, по мере снижения стоимости электролиза и развития ВИЭ, такие установки могут быть адаптированы или выведены из эксплуатации.
2. Гибридные парки и комплексы. Комбинация водорода из угля с возобновляемыми источниками, с когенерацией и интеграцией, может увеличить экономическую устойчивость.
3. Смена сырья и «миграция» к зелёному водороду. Можно строить установки с учётом поздней трансформации: изначально они работают на угле, а затем переключаются на водород из ВИЭ при снижении его стоимости.
4. Переориентация отраслей. Водород, полученный из угля, может быть использован в металлургии, химии, где спрос велик, что создаёт базу для дальнейшего развития водородной экосистемы.
5. Переход к «чистому углю». Развитие угольных технологий с низкими выбросами, улавливанием углерода, инновационными схемами (плазма, химическое зацикливание) может продлить экономическую жизнь угольных активов.
6. Региональные лидеры. В странах, где уголь является значимой частью энергетики (например, Индия, Китай, Австралия, ЮАР), можно ожидать инвестиции в такие технологии как часть национальных стратегий водородной энергетики.

При благоприятных условиях и длительной поддержке такие проекты могут стать частью глобальной водородной экосистемы, особенно если удастся обеспечить конкуренцию с зелёным водородом. Роман Билоусов рассматривает уголь как часть энергетического ландшафта, которую нельзя просто игнорировать, особенно в странах с большой угольной базой. Он подчёркивает, что ключевые усилия должны быть направлены не на полный отказ от угля (в краткой перспективе), а на развитие технологических путей, которые сократят его экологический ущерб. Такие акценты говорят о прагматическом подходе: использовать текущую сырьевую базу, но модернизировать её, чтобы уменьшить негативное воздействие.

В своих публикациях Роман Билоусов акцентирует внимание на:

1. Выборе тех схем, которые позволяют минимизировать выбросы (газификация с хорошим улавливанием, плазма, химическое зацикливание).
2. Значении локальных условий — что проект в шахтном регионе гораздо выгоднее, чем в месте разрыва поставки угля.
3. Необходимости государственной поддержки, субсидий, нормативной базы и стимулирования технологий низкоуглеродного водорода.
4. Важности постепенного перехода, гибридности и возможности перехода на полностью чистые источники позднее.

Рекомендации и ключевые шаги для реализации проектов

Если государству, компании или исследовательской группе предстоит реализовать проект по производству водорода из угля, следующие этапы и рекомендации могут быть полезны:

I. Предварительная оценка и технико-экономическое обоснование (ТЭО).

1. Анализ качества угля (зольность, влажность, калорийность).
2. Анализ местности: близость электроэнергии, воды, инфраструктуры, пути вывода продукта.
3. Геология: наличие возможных хранилищ CO₂.
4. Энергетические расчёты, тепловые балансы, модели потерь.
5. Сценарии цен на электроэнергию, CO₂-налогов, стоимости инфраструктуры.

Высокозольный, влажный, низкокалорийный уголь требует больше энергии на сушку, подготовку, газификацию — что снижает эффективность. С другой стороны, качественный антрацит или коксующийся уголь даёт преимущества.

Если местонахождение проекта близко к источникам воды, электроэнергии, индустриальным зонам, геологическим пластам для CO₂-хранения, транспортным путям — инвестиции окупаются быстрее.

II. Выбор технологической схемы.

1. Газификация + shift + PSA / мембраны — как базовая, зрелая схема.
2. Плазма / химическое зацикливание — как перспективные, но более рискованные технологии.
3. Гибридные схемы, интеграция с когенерацией, ВИЭ и рекуперацией тепла.

III. Проектирование системы улавливания CO₂ и её интеграция.

1. Выбор метода абсорбции, мембран, сжатия, очистки.
2. Трассировка CO₂, транспорт, хранение или использование.
3. Оценка рисков утечки, мониторинга, экологических требований.

Не везде есть подходящие пласты для безопасного хранения CO₂ или возможности его использования (например, в легкой промышленности, карбонатах, добыче полезных ископаемых).

IV. Пилотные и демонстрационные установки.

1. Запуск малых пилотных модулей для отработки материалов, катализаторов, режимов.
2. Мониторинг стабильности, коррозии, деградации, надёжности оборудования.
3. Сбор данных для масштабирования.

V. Масштабирование и оптимизация.

1. Массовое строительство с учётом экономии на масштабе.
2. Оптимизация тепловых контуров, рекуперация, интеграция вспомогательных систем.
3. Автоматизация, диагностика, прогнозирование отказов.

VI. Инфраструктура водорода и рынка.

1. Сети транспортировки и хранения водорода (трубопроводы, сжижение, компрессия).
2. Потребители: металлургия, химия, транспорт, энергетика — создание спроса.
3. Маркетинговая и нормативная поддержка: гарантированные закупки, преференции, квоты.

Наличие субсидий, регулирование углеродного налога, квоты на выбросы CO₂, государственная поддержка технологий низкоуглеродного водорода могут сыграть решающую роль.

VII. Экологический мониторинг и безопасность.

1. Контроль выбросов, утечек, система аварийной защиты.
2. Соответствие экологическим стандартам, лицензии, общественные обсуждения.
3. План по декомиссии и переконверсии в будущем.

VIII. Переход на чистые источники при необходимости.

1. Проектирование модульной архитектуры, позволяющей в будущем перейти к электролизу из ВИЭ.
2. Подготовка к конкуренции с зелёным водородом.

Таким образом, успешный проект требует тщательного анализа «на месте», включая геологию, инфраструктуру, рынок и политику.

Если всё будет выполнено внимательно, такой проект может не только принести компенсацию углеродного следа, но и стать элементом устойчивой водородной инфраструктуры.

Производство водорода из угля — это не идеальный, но реальный и прагматический путь в условиях, когда угольная экономика ещё имеет вес, особенно в угольных регионах. Технологии газификации, плазменной газификации и химического зацикливания дают различные варианты, каждый из которых несёт свои преимущества и ограничения. Безусловно, ключевой элемент — это улавливание и хранение CO₂, чтобы минимизировать углеродный след.

Роман Билоусов выступает за то, чтобы не «вычёркивать» уголь из энергетики, а постепенно модернизировать его использование, снижая вред и двигаясь к более чистым схемам. Этот подход — компромисс между реалиями сырьевой базы и требованиями экологической трансформации.