Среда, Ноябрь 13, 2024
Российские корпорации не спешат вкладываться в «водородную металлургию»

17.06.2022

Экология / Зеленая металлургия

Российские корпорации не спешат вкладываться в «водородную металлургию»

Откровенное интервью с академиком РАН Константином Григоровичем

Использование водорода в металлургии, «декарбонизация» отрасли — модная сейчас тема. Но стоит ли России с этим спешить? Своими мыслями на этот счёт поделился с «Про Металлом» академик Российской академии наук, профессор, руководитель лаборатории диагностики материалов Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН Константин Григорович.

— Константин Всеволодович, научно-исследовательские и конструкторские работы в мире по «водородной металлургии» ведутся уже более 10 лет. Что затрудняет практическую реализацию?

— Я бы говорил о двух факторах. Первый — чисто технологические вопросы, связанные с применением водорода, то есть с его производством, транспортировкой, хранением. Этот газ является легковоспламеняющимся, взрывоопасным, что не есть хорошо.

Получение жидкого водорода для его транспортировки требует температуры ниже -252,8 оС (для сравнения, метана лишь -162 оС).

Есть у водорода и такое свойство, как высокая диффузионная подвижность. В твёрдом металле атом водорода движется со скоростью до 15 сантиметров в час! И при этом в стали могут возникать дефекты, — есть специальный термин «водородная хрупкость», водородное растрескивание, появляются флокены (дефекты внутреннего строения стали) и т.д.


Константин Григорович не считает переход на водородную металлургию панацеей от всех экологических проблем.

— И к тому же водород — очень летучий газ. При широкомасштабном использовании и его потери могут быть немалыми?

— Всё это решаемо. Но есть второе, куда более серьёзное ограничение — экономическая эффективность, рентабельность металлургических процессов восстановления водородом. Восстановление оксидов железа водородом может производиться в разных вариантах, но они пока довольно дорогие. В том числе потому, что высока себестоимость производства водорода. Водород не является природным ресурсом — его надо получить.

Для того чтобы водород получить, вы должны затратить энергию. Причём довольно много. Придётся резко наращивать производство водорода, что повлечёт за собой дополнительные затраты энергии и нагрузку на окружающую среду. До 95% текущего мирового производства водорода (приблизительно 70 миллионов т / г.) производят паровой конверсией газа или нефти.

Я уже не говорю о том, что при существующих технологиях добычи водорода из природного газа всё равно наряду с водородом выделяется и углекислый газ (до 25–30%), так что получается, что мы в одном выигрываем, а в другом проигрываем.

— На Западе целую условную классификацию выработали в отношении водорода по тому, на основе какой энергии он производится и из чего. «Зелёный», например, водород.

— Да, «зелёный», т.е. полученный с использованием энергии из возобновляемых источников. Но насколько они реально экономичны, эти источники? Все эти ветряки, работающие в зависимости от ветра, от того, есть он или нет, устроены так, что вынуждены хранить где-то вырабатываемую электроэнергию, а значит, при хранении, передаче и транспортировке неизбежны потери. Аккумулирующие мощности без ущерба для экологии ни создать, ни в итоге утилизировать невозможно. И так далее.


По тем расчётам, которые я видел, до тех пор, пока себестоимость «зелёного» водорода не упадёт в пять раз, хотя бы до 2,5 евро за килограмм, в металлургическом производстве его использование будет нерентабельным. А до этого ещё далеко...


В то же время получение водорода из природного газа, о котором я говорил, наиболее распространённый и дешёвый способ, даёт по этой классификации «серый» водород со значительным количеством попутных парниковых газов. 

Почему-то на Западе ещё выделяют «жёлтый» (полученный электролизом с использованием атомной энергии, хотя, на мой взгляд, что может быть экологичнее, «зеленее» мирного атома?) Атомная энергия сейчас второй по объёму источник «зелёной энергии» — 29% и 10% от общего объёма производства энергии в мире.

— Говорят, что технологию пиролиза метана, которая позволила бы водород из природного газа перевести из категории «серого» в «бирюзовый» (когда в ходе реакции образуется чистый углерод, а не CO2), будут дорабатывать ещё лет 5–7. Но даст ли и это должную эффективность?

— Да, процессы получения низкоуглеродного, «голубого» водорода пиролизом метана имеют большие перспективы хотя бы потому, что при этом с водородом попутно выделяется не углекислый газ, а твёрдый углерод, который затем можно легко отделить. Да и степень конверсии при повышении температуры выше 1000 оС может достигать 90%. Но промышленной реализации высокопроизводительной технологии наверно ещё придётся подождать лет 5–10.

Общий объём выбросов парниковых газов в промышленности составляет сейчас порядка 25% от всех антропогенных выбросов. В процессах производства энергии и теплоснабжения генерируется 43% парниковых газов, в транспорте до 35%. В металлургии генерируется до 9% выбросов парниковых газов, при этом 75% от общего объёма выбросов в сталеплавильном производстве генерируется в доменном процессе.


Доменный процесс — один из самых древних известных человечеству металлургических процессов вообще. И он до сих пор широко применяется. Почему? Видимо, по причине того, что он лидирует в области высокой энергоэффективности и надёжности.


В реальном доменном процессе тепловая эффективность составляет 93% от идеального, то есть лишь 7% уходит в окружающее пространство. Мировой рекорд продолжительности кампании в доменной печи принадлежит домне компании ArcelorMittal Tubarao в Бразилии. За 28 лет и 5 месяцев беспрерывной работы в ней было выплавлено более 90 млн т чугуна. 

По существующему прогнозу, при современных технологиях, автоматизации и новых огнеупорах для доменных печей длительность их кампании может достигать 40 лет.

Другой вопрос, что может добавить использование водорода в доменных печах, и такие эксперименты уже проводятся, — частично использовать водород в доменной печи для восстановления оксидов железа и снижения выбросов СО2. 

Есть такая идея, всё хорошо, кроме того, что сразу меняются все режимы — температура в различных зонах печи, плотность шихты меняется, а в результате совершенно по-иному, нестабильно идёт весь процесс.

В опытном процессе колошниковый газ улавливают и реформингом частично превращают в водород и СО, а потом водород и оксид углерода возвращаются обратно в доменную печь. Можно до 50% сократить вредные выбросы парниковых газов таким способом. 

Но, во-первых, это удорожает процесс и производимый чугун, во-вторых, как я говорил, течение меняется. 

И вот, казалось бы, такая простая тема, но работы над проектом ведутся уже более восьми лет, и печь всё ещё не пущена ни в Японии в рамках их проекта COURSE50 (расшифровывающийся как CO2 Ultimate Reduction System for Cool Earth 50, где 50 — это 2050-й год, год планируемой полной замены кокса водородом в металлургии страны), ни в Швеции. Есть ещё похожий проект в Китае, но и там он не вышел пока на промышленный уровень.


В Китае тоже думают о зеленой металлургии, но пока что отдают предпочтение классическим методам выплавки стали.

И вот представьте: у вас есть оборудование и технологии для двух процессов. Один работает как часы, другой хуже и при этом ещё и более дорогой. Вы какой выберете?


Можно использовать водород в процессах прямого восстановления железа из окатышей (технология DRI). Собственно, так и поступают на Лебединском ГОКе в Белгородской области, где разлагают в реформерах метан на окись углерода и водород, которые используются в качестве восстановительных газов... С одной поправкой: большая часть этих окатышей с ЛГОК просто уходит на экспорт. Ну или уходила до нынешнего года.

— То есть вы пока не видите в «водородной металлургии» для России большого экономического смысла?

— А вы посмотрите на Китай. Первый в мире на сегодня производитель стали, между прочим. Производит 53% от общего объёма стали в мире. При этом доля стали, производимой по технологии «доменная печь — кислородный конвертер», там составляет 90%. 

Для Китая этот водородный проект — отнюдь не главный приоритет. То есть наличествуют разговоры о будущей «углеродной нейтральности», с помпой строится завод по производству «зелёного водорода» («самый крупный в мире!»). Но объёмы инвестиций в эту тему по сравнению с западными странами, с Европой, многократно меньше.


фото РИА Новости

На Лебединском ГОКе в Белгородской области водород используют в процессах прямого восстановления железа из окатышей.

фото РИА Новости

Если говорить о судьбе планеты, то я, откровенно говоря, не уверен стопроцентно в том, что именно человеческая деятельность играет ведущую роль в процессах, которые ведут к глобальному потеплению. 

Наука знает, что климат на планете резко менялся и тогда, когда человечество практически никак на это повлиять не могло, и даже вовсе до возникновения человека как биологического вида. Вероятно, существуют какие-то иные очень серьёзные факторы, такие как извержения вулканов, циклы солнечной активности и т.д.

Но даже если мы возьмём концепцию глобального потепления как результат антропогенного воздействия — где тут будет место металлургов? На первом месте по генерации парниковых газов у нас электроэнергетика. Затем сфера ЖКХ, транспорт. 

Металлургия по официальной статистике даёт лишь 9% выбросов парниковых газов. А самые жёсткие ограничения почему-то пытаются наложить в связи с «климатической повесткой» в целом на промышленность и на металлургию. 

То есть, очевидно, стремятся к тому, чтобы промышленность одних стран получила нерыночные конкурентные преимущества перед другими. Так ли это нам нужно сейчас? И если нужно, то готовы ли мы вкладывать гигантские средства в технологическую перестройку отрасли, а также в НИОКРы по данной теме?


Вот так выглядит жидкий водород, из-за которого ломают копья экологи и промышленники по всему миру.

— Чисто гипотетически, каких затрат могла бы потребовать хотя бы исследовательская часть данной программы для РФ?

— Я не знаю, для сравнения откройте хотя бы семилетнюю программу Евросоюза по финансированию научных исследований «Горизонт 2020», бюджет которой в целом — 80 миллиардов евро. И там более дюжины проектов связаны именно с водородом. Многие миллионы на каждый.

Вот, в Лулео на севере Швеции металлургический исследовательский завод построили, с финансовым участием и Евросоюза, и частных компаний. На котором тестируют самые разные инновации в металлургии, в том числе по водородным проектам. Я там был на конференции, всё очень серьёзно у них поставлено, с большим размахом.

Каких средств потребовали бы водородные проекты в РФ, вы спрашиваете? Сопоставимых. Но кроме денег нужно же понимать, кто этим будет заниматься. Нужны реальные инвестиции в исследовательское оборудование, нужны научные кадры.


Металлургический исследовательский завод в Лулео (Швеция). 

— В нашей стране есть крупные научные коллективы, которые бы целенаправленно работали над созданием технологий для «водородной металлургии»?

— К сожалению, мне о них ничего не известно. И, насколько я знаю, государственных грантов на проведение научных исследований по данной теме не выделялось. Есть некоторое движение в ЦНИИЧермет имени И.П. Бардина, я у них был на круглом столе, но это не совсем то. 

Кстати, водород в металлургии — это и не тема моих научных интересов, я читал по данной тематике статьи, слушал доклады на международных конференциях, но не более того. У нас в ИМЕТе этой проблемой тоже серьёзно пока не занимаются. В НИТУ «МИСиС», насколько знаю, тоже нет. Кто ещё должен водородной металлургией в РФ заниматься? Промышленность?

Это вопрос более широкий, касающийся в целом научно-технической политики в области водородной металлургии в нашей стране. Которая до сих пор окончательно не сформулирована. Концепция как документ есть, а политики нет.


Здание Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН.

— А в России есть программы практической поддержки такого перехода для металлургических компаний?

— Программы поддержки, насколько я знаю, тоже пока нет. Есть концепция развития водородной энергетики, план мероприятий по её развитию до 2024 года, а также есть документ под названием «Прогноз». 

Я лично не слышал, чтобы на «водородный переход» кому-то из госбюджета выделяли какие-то средства. Ведь металлургия у нас — это частные компании. Вот Япония, Евросоюз — совсем другое дело. Там выделяются миллиарды на этот будущий «скачок».

— Но ведь отечественным металлургическим компаниям придётся платить «углеродный налог» при экспорте своей стали в западные страны? Может, им проще скинуться и профинансировать соответствующие исследования по разработке водородных технологий?

— Конечно придётся. И будут платить «углеродный налог» в пользу высокоразвитых стран при экспорте, я вас уверяю. А скидываться, как вы говорите, корпорации вряд ли станут, хотя бы по той простой причине, что это огромные инвестиции и быстрого результата здесь ждать не приходится. 

В лучшем случае придётся потратить лет пять-десять, а в итоге получат они технологии не более эффективные, чем сегодня, хоть и более «зелёные» с точки зрения углеродного следа. Поэтому компаниям проще будет «углеродный налог» заплатить, что снизит их прибыль. И их ждут довольно серые, пасмурные времена.


Не факт, что зеленая металлургия окажется эффективнее классической, считает Константин Григорович.

У нас привыкли в последние десятилетия рассчитывать, что рынок сам всё решит, сам подтолкнёт процесс внедрения инноваций. Да, он и в данном случае «решит», но совсем иначе. 

Поэтому, если нашему государству «водородный переход» нужен, оно должно брать дело в свои руки, вкладывать средства в науку и разработки, подготовку специалистов, модернизацию металлургической промышленности. 

Металлургические компании сами по себе не могут позволить вкладывать такие средства в перестройку отрасли — они просто разорятся. Государственные чиновники, когда подписывали Киотские и Парижские соглашения и протоколы, наверно, не очень понимали, чего в этой связи жизнь потребует вскоре от промышленных компаний.

Больше оперативных новостей читайте в Telegram-канале @ПРОметалл.

Теги: водород, интервью, металлургия, Россия, Экологический рейтинг

Последние публикации

13.11.2024

Минфин не ослябляет хватку
Сталеварам никак не удаётся сократить свои акцизные потери

13.11.2024

На Донбассе разворачивается битва за крупнейшее месторождение лития
Шевченковское месторождение считается одним из самых больших в мире

13.11.2024

За вином не заржавеет (Часть первая)
Почему виноделы выбирают пищевую нержавейку

12.11.2024

Почему в России снижается производство стали?

Чёрная металлургия угодила в кризис