"Малый" водород

Водород можно получать различными способами – от парогазовой конверсии до электролиза. Вопрос обычно заключается в цене оборудования и в чистоте производства. Электролиз считается наиболее "зеленым" вариантом, но и у этой технологии есть нюансы.

Большие объемы водорода экономически эффективнее вырабатывать за счет парогазовой конверсии (сырье дешевле, расход электроэнергии минимальный). И если предприятию, у которого есть доступ к газопроводу, нужно много водорода для своих утилитарных целей, то этот водород выгоднее всего получать именно методом конверсии метана. Однако малых парогазовых установок не существует, конверсия – сложный многостадийный процесс. Поэтому для выработки малых объемов больше подходит электролиз.

Зачем нужен "малый" водород?

На электростанциях большой мощности (свыше 300 МВт) используется водородное охлаждение электрогенераторов. Технология не новая, она применяется по всему миру еще с середины ХХ века. Соответственно, на электростанции всегда есть отдельное здание – электролизная, с рабочим и резервным электролизерами (обычно небольшими, самый распространенный – 10 кубометров в час, реже – 20, совсем редко – 30).

Также небольшие установки используются в сфере возобновляемой энергетики. Например, ветряк вырабатывает энергию, которую зачастую нужно не поставлять в сеть, а накапливать. В частности, ее можно хранить в виде водорода, для чего как раз и требуется электролизер. Аналогично и с солнечными панелями.

Малые объемы сверхчистого водорода нужны для чистых процессов в химии и для производства микроэлектроники. В последнем случае водород применяется в качестве газа-носителя для выращивания кристаллов, вся партия которых может быть испорчена из-за любой примеси (поэтому и важна чистота). На основе этих кристаллов затем производятся чипы, поэтому сейчас для России подобное собственное производство весьма актуально. Уже существуют предприятия, которые начинают мелкосерийное производство чипов, ряд институтов проводит собственные разработки. Кроме того, сверхчистый водород используется при выращивании углеродных наноструктур.

Конечно, можно закупать водород в баллонах у сторонних производителей. Но, во-первых, это, скорее всего, будет тот же "электролизерный" водород. А во-вторых, производили его в России иностранные компании. Собственно, было два гиганта-поставщика для высокотехнологичных потребителей – французская Air Liquide и Linde Gas (входит в транснациональную корпорацию Linde Group). Но они объявили об уходе с российского рынка, хотя пока непонятно, как этот уход будет выглядеть в реальности. Например, вся инфраструктура может остаться в РФ, просто поменяется ее владелец. Тем не менее сейчас остро встает вопрос о том, кем заменить иностранных производителей.

Собственные электролизеры могут стать хорошим решением для потребителей сверхчистого водорода, такая установка окупается меньше чем за полгода. В то время как баллоны нужно возить, менять, нести расходы на аренду баллонной рампы.

Щелочные и бесщелочные электролизеры

Сама по себе чистая вода не проводит электричество, поэтому для электролиза нужен какой-то электролит. Вопрос можно решить путем добавления в воду щелочи. Чем больше щелочи, тем насыщеннее электролит и тем он лучше подходит для процесса (впрочем, щелочь не должна выпадать в осадок, и следует учитывать коррозионную стойкость используемых материалов).

Ячейка щелочного электролизера представляет собой пористую перегородку (ранее для нее использовалась асбестовая ткань, сейчас – полисульфоны), которая условно разделяет анодную и катодную камеры. К этой перегородке с двух сторон присоединены электроды, на которые подается напряжение. В результате вода разделяется по камерам на водород и кислород. Основная проблема в том, что нужно постоянно поддерживать в камерах абсолютно одинаковое давление. В противном случае газы смешаются, и получится гремучая смесь. И если произойдет какой-то пробой, возникнет искра, произойдет взрыв. Щелочные электролизеры вообще довольно часто взрываются.

Кроме того, в них "химия" (то есть электролит) полностью распространена по электролизеру, тогда как в бесщелочных в роли электролита выступает так называемая протонообменная мембрана (отсюда и другое название такого типа установок – PEM, от английского proton exchange membrane). Других химически активных растворов в бесщелочной установке нет, только вода.

Пленка, в отличие от пористой перегородки, – абсолютно газонепроницаемая, образование взрывоопасной смеси невозможно. Кроме того, бесщелочные электролизеры работают при дифференциальном давлении (у водорода 30–40 атмосфер, у кислорода – ниже одной атмосферы). Поэтому даже если в мембране образуется дыра, то кислород не будет попадать в водород, возможна только обратная ситуация.

Рентабельность и "щелочные бомбы"

Цена щелочного электролизного модуля, исходя из расчета на кубометр произведенного водорода, существенно ниже, чем PEM. Поэтому, когда речь заходит об установках мощностью в несколько сотен или тысячу кубометров в час, PEM-модули получаются в разы дороже, тогда как дороговизна и сложность обслуживания щелочных установок нивелируется. Кроме того, расход электроэнергии у больших щелочных модулей на 10–15% ниже, чем у PEM аналогичной мощности.

Но по мере снижения требуемых объемов производства ситуация меняется, стоимость небольшого щелочного электролизера становится сравнимой со стоимостью бесщелочных. А если речь идет о совсем маленькой установке (до 100 кубометров в час), щелочная становится даже дороже PEM. Это происходит потому, что щелочные установки содержат в своем составе гораздо больше инженерных систем, обеспечивающих их работу. Вне зависимости от размера установки набор этих систем остается неизменным.

При этом PEM намного безопаснее щелочных установок, у которых гораздо выше вероятность поломки. Раствор щелочи является очень коррозионно-активным. Из-за коррозии, вызванной контактом со щелочью, постепенно выходят из строя различные узлы системы, такие как насосы, клапаны, фитинги и т. д. При этом для замены любой мелочи необходимо сливать раствор щелочи из системы.

Данный процесс усложняет ремонт узлов. При этом цена обслуживания щелочных электролизеров непредсказуема: никогда нельзя узнать заранее, какой узел выйдет из строя – дешевый или дорогой. Как следствие, сложно планировать и закладывать в бюджет расходы на сервис.

У щелочных электролизеров есть источники бесперебойного питания, позволяющие автоматике плавно (чтобы не нарушился баланс давления) отключить аппарат в случае, если пропадет электричество. Но если сломается ИБП, при аварийном отключении автоматика не сработает, и получится все та же смесь газов, по сути – бомба. Но даже если не брать в расчет столь критический сценарий, следует учитывать, что как бы ни старалась автоматика поддерживать равное давление, определенные перекосы всегда будут, и один газ будет минимально, но все равно смешиваться с другим. От примесей кислорода в водороде приходится избавляться при помощи дополнительных дорогостоящих узлов системы и процедур.

Плюс бесщелочных электролизеров заключается также в том, что они существенно быстрее запускаются и выключаются, а также могут работать в режимах частичной нагрузки. Такие быстрота и гибкость очень важны, например, при работе с ветряками, которые зависят от силы ветра: PEM-электролизер практически сразу же "подстраивается" под ветровую установку. "Щелочники" так не могут – скорость пуска/выключения у них существенно ниже, и они не способны работать в режиме малой производительности (только от 25% и выше).

Российский электролизер

В электролизерах используется до тысячи комплектующих, около половины из них производится в России. Следует отметить, что самая основная деталь электролизера – электролизный модуль.

Безусловно, существуют предпосылки для того, чтобы постепенно переходить к производству модулей по собственным технологиям. Понятно, что сразу мы не получим столь высоких характеристик, как у зарубежных аналогов, но зато мы сможем собирать модули сами, и их себестоимость будет значительно ниже. Срок жизни у них тоже будет меньше, но существенно снизится и цена замены той или иной детали. В целом для заказчика это будет выгоднее, чем вариант на импортных модулях, и надежнее, так как все комплектующие будут находиться на российских складах. Мы же, в свою очередь, будем извлекать из отработавших модулей драгметаллы.

Учитывая международную обстановку, мы уже начали менять импортные комплектующие на российские. Но мы стремимся к полной локализации, включая переход на российские мембраны и катализаторы.