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