Водород как сырье имеет большое значение для многих отраслей промышленности. В 2024 году в мире было произведено и потреблено 97 млн тонн водорода, основными его потребителями стали газохимия (производство аммиака и метанола), нефтепереработка и металлургия [1]. Доля водорода в энергетике и на транспорте составила 0,04 %. Наиболее популярной технологией для производства стала паровая конверсия метана, благодаря крупнейшему производителю водорода КНР почти 20 % водорода было произведено газификацией угля, также активно использовался водород, получаемый как побочный продукт других производств. Сегодня доля низкоуглеродного водорода (в основном это водород, произведенный из электроэнергии ВИЭ электролизом воды) не превышает 1 %, однако, судя по прогнозам МЭА, к 2030 году может достигнуть 26 млн тонн [1]. Природный водород, несмотря на значительную его ресурсную базу, сегодня практически не добывается (за исключением нескольких локальных проектов) и в отчетах МЭА не рассматривается.
Россия входит в пятерку ведущих производителей водорода (вместе с Китаем, США, Индией и ЕС, производя и потребляя примерно 5,5 млн тонн водорода [2]. Почти весь водород в стране производится из природного газа паровой конверсией метана, основными потребителями, как и в целом по миру, выступают газохимия, нефтепереработка и металлургия. Несмотря на то, что в стране работает несколько тысяч электролизеров, их общий вклад в производство водорода не превышает 50 000 тонн в год.
Как и во многих странах мира, в России проявляют осторожный интерес к природному водороду. Принятая в феврале 2025 года Энергетическая стратегия Российской Федерации до 2050 года (утверждена распоряжением Правительства РФ от 12 апреля 2025 года №908-р) предусматривает развитие в стране производства низкоуглеродного водорода. Несмотря на то, что изучением природного водорода в России занимаются еще с середины XX века, ресурсная база природного водорода в стране до сих пор не оценена. В 2023 году водород включен в Общероссийский классификатор полезных ископаемых и подземных вод как самостоятельное полезное ископаемое (Приказ Росстандарта от 07.07.2023 № 490-ст), что позволяет получать лицензии на геолого-разведочные работы и добычу. В 2023 году в соответствии с подписанным с правительством РФ соглашением ПАО «Газпром» начало заниматься технологиями добычи природного водорода, в 2024 году Общество заявило об интересе к изучению возможности добычи природного водорода на месторождениях компании в Восточной Сибири [3, 4].
Классификация водорода
На сегодняшний день в мире принята цветовая классификация водорода. Цветовая классификация водорода используется для обозначения различных методов его производства и источников энергии, которые при этом используются (табл. 1). Эта классификация помогает понять, насколько экологически чистым или углеродоемким является процесс получения водорода.
Таблица 1 Классификация водорода
В России, где с лета 2023 года природный водород включен в Общероссийский классификатор полезных ископаемых и подземных вод как самостоятельное полезное ископаемое, о возможности добычи природного водорода упоминало ПАО «Газпром».
Возможные причины образования залежей водорода
Образование залежей природного водорода могут иметь несколько объяснений.
Серпентинизация
Это процесс взаимодействия воды с ультраосновными породами (например, перидотитом), богатыми железом и магнием. В результате образуется серпентин и выделяется водород (формула 1).
Радиолиз воды
Водород может образовываться при разложении воды под воздействием радиоактивного излучения (например, от урана или тория). Если энергия кванта ионизирующего излучения менее 12,56 эВ, но более 7 эВ, молекула воды переходит в возбужденное состояние и распадается непосредственно с образованием двух радикалов – радикала водорода и гидроксильного радикала. Этот процесс также может создавать локальные залежи водорода.
Особое место в объяснении возможности образования месторождений водорода занимает теория гидридной Земли, предложенная Владимиром Лариным, который предлагает оригинальное объяснение наличия залежей водорода в недрах планеты. Согласно этой гипотезе, Земля изначально состояла из гидридов металлов (соединений металлов с водородом), и в процессе эволюции планеты происходила дегазация водорода, что привело к формированию его залежей. Рассмотрим, как эта теория объясняет наличие водорода в недрах Земли.
Согласно Ларину, Земля сформировалась из вещества, богатого гидридами металлов (например, гидрид железа FeH, гидрид магния MgH₂ и др.).
Водород в связанном виде (в форме гидридов) был одним из основных компонентов ранней Земли. По мере остывания Земли гидриды металлов начали разлагаться, выделяя водород. Этот процесс называется дегазацией.
Выделяющийся водород поднимался к поверхности, но часть его могла задерживаться в геологических структурах, образуя залежи.
Водород, как и другие газы, может накапливаться в природных резервуарах, если на его пути встречаются непроницаемые слои пород (например, глина или соль). Такие ловушки могут формироваться в осадочных бассейнах, рифтовых зонах или вулканических регионах.
В рифтовых зонах (например, в Восточной Африке) наблюдаются естественные выходы водорода, что согласуется с идеей дегазации.
В зонах вулканической активности водород выделяется в результате высокотемпературных реакций между водой и горными породами, что также может объясняться теорией гидридной Земли.
Преимущества теории гидридной Земли в объяснении залежей водорода:
- Теория объясняет наличие водорода как результат естественных геохимических процессов, а не как случайное явление.
- Наблюдаемые выходы водорода в рифтовых зонах, вулканических регионах и других геологически активных областях хорошо согласуются с идеей дегазации.
Теория гидридной Земли поддерживает идею абиогенного (небиологического) происхождения водорода, что важно для понимания его роли в геологических процессах.
Мировой опыт разработки месторождений водорода
Несмотря на то, что коммерческая добыча природного водорода за счет бурений скважин в настоящий момент не до конца подтверждена, в некоторых странах, таких как Россия, Франция, природный водород официально включен в перечень полезных ископаемых. Согласно исследованию Американской ассоциации содействия развитию науки, результаты которого были представлены в феврале 2024 года на конференции в Денвере (США), мировые ресурсы природного водорода могут достигать 5 триллионов тонн.
Международная команда исследователей под руководством доктора Франка Звана из Центра наук о Земле Геймгольца (GFZ, Германия) совершила значительный прорыв в области поиска природного водорода. Разработанный ими инновационный метод, основанный на комплексном моделировании тектонических процессов, позволил выявить наиболее перспективные геологические условия для образования и накопления водорода. Результаты исследования, опубликованные в авторитетном журнале Science Advances, демонстрируют, что ключ к поиску месторождений H₂ лежит в понимании сложных процессов взаимодействия мантийных пород с гидротермальными системами в зонах активной тектоники [11].
Основной механизм образования водорода – процесс серпентинизации – происходит при специфических температурных условиях (200–350 °C), когда оливинсодержащие мантийные породы вступают в реакцию с водой. Особенность нового подхода заключается в том, что ученые смоделировали полный цикл тектонической эволюции – от рифтогенеза и спрединга до коллизии континентальных плит и орогенеза. Это позволило выявить, что наиболее благоприятные условия для масштабной генерации H₂ создаются именно в зонах континентальной коллизии, где формируются горные системы [11].
Проведенное моделирование показало существенное преимущество орогенных поясов перед рифтовыми системами. В горных областях отмечается не только более интенсивная генерация водорода (превышающая показатели рифтовых зон в 20 раз), но и наличие оптимальных коллекторских свойств вмещающих пород. Важным открытием стало установление факта, что в альпийских складчатых поясах сочетаются все необходимые компоненты водородной системы: источник (мантийные породы), флюид (вода), благоприятные термобарические условия и природные резервуары (рис 1).Рисунок 1 Тектоническая карта западной части пояса альпийской складчатости [11]
Практическое подтверждение эффективности метода было получено при анализе известных проявлений природного водорода в различных регионах мира. В 2023 году в недрах Фольшвиллера, в регионе Мозель, исследователи обнаружили поразительные запасы природного водорода – 46 миллионов тонн. В декабре этого же года Министерство энергетического перехода Франции выдало на 5 лет компании TBH2 Aquitaine эксклюзивную лицензию на исследование добычи природного водорода, гелия и родственных веществ. Лицензионный участок составляет 225 км2, находится в департаменте Атлантические Пиренеи на юго-востоке страны. Если рассматривать это открытие в перспективе, то на недавно найденное месторождение приходится более половины мирового годового производства серого водорода, но при этом не имеющего таких экологических издержек.
Данный пример доказывает, что выходы H₂ во французских Пиренеях, а также аномальные концентрации газа в Западных Альпах и данные по историческим скважинам на Кавказе (где в советский период фиксировались устойчивые притоки водорода) полностью согласуются с результатами моделирования. Эти территории объединяет их положение в пределах альпийского складчатого пояса, который, согласно выводам исследования, представляет собой наиболее перспективный объект для поиска промышленных скоплений природного водорода.
Новый подход к прогнозированию водородных месторождений открывает значительные перспективы для развития геолого-разведочных работ. В отличие от традиционных методов поиска углеводородов, разработанная методика позволяет целенаправленно выделять участки с оптимальным сочетанием тектонических, термических и гидрогеологических условий для образования и сохранения водородных залежей. Особое значение это имеет для альпийских складчатых поясов, где ранее присутствие промышленных скоплений H₂ не рассматривалось как приоритетный объект поиска.
В Намибии недавно были зафиксированы выходы водорода в бассейне Ватерберг. Концентрации водорода измерялись в субкруговых депрессиях (SCDs), аналогичных газовым выходам в других регионах. Близость неопротерозойских железистых формаций Чуос к этим выходам позволяет предположить, что окислительно-восстановительные процессы могут быть основным механизмом генерации водорода [12].
Пояс Дамара расположен в центральной Намибии и разделен на четыре зоны: Северную, Центральную, Южную и Хакоc. Центральная зона характеризуется гранитными интрузиями (568–500 млн лет), а Южная — крупным батолитом (508–504 млн лет). Формация Чуос, обогащенная железом, распространена по всему орогену Дамара и состоит из диамиктитов и железистых прослоев.
Бассейн Ватерберг покрывает метаморфические породы, включая формацию Чуос. Структурный анализ показал, что разломы бассейна активизировались в пермо-триасовый период, а позже были преобразованы в надвиги.
Метаморфизованные железистые формации Чуос содержат значительное количество Fe²⁺, что делает их потенциальным источником H₂. Реакции окисления магнетита и других Fe²⁺-содержащих минералов могут генерировать H₂.
Два возможных источника воды для генерации H₂:
1. Гидротермальные воды, связанные с магматической активностью.
2. Метеорные воды, проникающие через разломы.
Миграция водорода к поверхности может происходить через пористые породы, а его накопление – в геологических ловушках (рис. 2).Рисунок 2
Неопротерозойские железистые формации, такие как Чуос, могут быть важным источником природного водорода. Бассейн Ватерберг обладает всеми критериями для потенциального накопления H₂, включая активные выходы газа и благоприятную геологическую обстановку [12].
В 1987 году в деревне Буракембугу (Мали) было сделано революционное открытие – обнаружено крупное месторождение природного водорода с концентрацией до 98 %. Это событие положило начало первому в мире проекту коммерческой добычи и использования природного H₂, реализуемому компанией Hydroma (ранее известной как Hydronorma). Данный проект не только доказал возможность промышленного использования природного водорода, но и продемонстрировал новые подходы к организации децентрализованного энергоснабжения.
В 2012 году основой проекта стало внедрение водородных топливных элементов, которые полностью заменили традиционные дизель-генераторы в электроснабжении деревни. Уникальность решения заключается в том, что природный водород используется напрямую, без дополнительной очистки или процессов реформинга, что значительно повышает общий КПД системы. Первоначальная установка мощностью 50 кВт обеспечила электроэнергией около 1500 жителей, включая питание жилых домов, школы, медицинского центра и уличного освещения [13].
Техническая реализация проекта столкнулась с рядом вызовов, главным из которых стало хранение водорода. Компания решила эту проблему, внедрив систему композитных баллонов низкого давления, что обеспечило безопасность и экономическую эффективность хранения. Особое внимание было уделено созданию локальной распределительной инфраструктуры, которая позволила обойтись без строительства магистральных трубопроводов.
Экологический эффект проекта оказался значительным – переход на водородное топливо полностью исключил выбросы парниковых газов в деревне, где ранее использовались дизельные генераторы. Экономический анализ показал, что несмотря на высокие первоначальные инвестиции, эксплуатационные затраты оказались на 30–40 % ниже традиционных решений.
Успех пилотного проекта в Буракембугу открыл новые перспективы для энергетики Мали и всего африканского региона. Hydroma планирует расширение мощности установки до 1 МВт и тиражирование опыта в других деревнях, расположенных вблизи месторождений природного водорода [13]. Особый интерес проект представляет для удаленных районов, где строительство централизованных энергосетей экономически нецелесообразно.
Опыт Мали демонстрирует, что природный водород может стать ключевым элементом энергетического перехода в развивающихся странах, сочетая экологическую чистоту, экономическую эффективность и возможность создания локальных энергосистем. Этот проект заложил основы для формирования новой отрасли – добычи и использования природного водорода, потенциал которой только начинает раскрываться.
Сравнение углеродного следа природного водорода с альтернативными вариантами производства водорода
Для сравнения углеродного следа природного водорода с традиционным водородом, рассмотрим основные технические решения по производству водорода.
Паровая конверсия метана с доокислением CO предусматривает получение водорода из природного газа в два этапа (формула 2). На 1-м этапе очищенный метан вступает в реакцию с водяным паром с образованием синтез-газа (смесь водорода и угарного газа). На втором этапе угарный газ может доокисляться до углекислого газа. Непосредственно в процессе химической реакции на 1 кг произведенного водорода получается 5,5 кг углекислого газа. Еще примерно от 3,5 кг СО2 экв добавляется за счет энергообеспечения реакций и очистки водорода [5].
Пиролиз метана – это процесс термического разложения метана на углерод и водород, который проходит без доступа кислорода. Пиролиз метана для получения водорода практически не используется, однако у технологии есть перспективы, связанные с отсутствием углеродных выбросов в самом химическом процессе и большим опытом разработки и введения пиролизных установок для переработки отходов. Углеродный след водорода при пиролизе метана связан с необходимостью энергообеспечения процесса и с очисткой водорода. Общие выбросы можно оценить в 6–10 кг СО2 экв на 1 кг водорода.
Газификация угля – это физико-химический процесс превращения угля в горючий газ (формула 4). При газификации уголь вступает в реакцию с водяным паром с образованием водорода и угарного газа. Угарный газ затем можно доокислить до углекислого с образованием еще одной молекулы водорода. Наиболее распространена технология в Китае, где таким образом производится более 60 % водорода. Тепло для процесса может, производится как за пределами реактора, так и за счет сжигания части угля в реакторе с выделением углекислого газа.
Углеродный след от химического процесса газификации угля (без сжигания угля в реакторе для получения тепла) с доокислением CO составляет 11 кг СО2 экв на 1 кг водорода. Обеспечение процесса энергией и на очистку водорода увеличит углеродные выбросы еще примерно на 8–10 кг СО2 экв.
Подземная газификация углей (ПГУ) осуществляется путем нагнетания через специально пробуренные скважины в угольный пласт воздуха или кислорода, управляемое горение пласта и получение через продуктивные скважины газа ПГУ, в составе которого содержится и водород. В газе ПГУ, полученного на Южно-Абинской станции подземной газификации углей в Кузбассе (станция закрыта в 1996 году), объемное содержание водорода составляло 10–12 % (0,75 % по массе или 9–11 кг Н2 на 1000 м3 газа ПГУ). Расчетное объемное содержание водорода при парокислородном дутье может достигать 39 % (3,7 % по массе) или 34,7 кг Н2/1000 м3 газа ПГУ [6]. Углеродный след 1 кг водорода из газа ПГУ без его очистки составляет 14 кг СО2 экв при воздушном дутье и 22 кг СО2 экв при кислородном дутье (больше чем при воздушном за счет увеличения доли метана и углекислого газа). Еще примерно 6–10 кг СО2 экв добавится за счет мероприятий по энергообеспечению процесса и очистке водорода.
Электролиз воды представляет собой разложение воды на кислород и водород под действием постоянного электрического тока (формула 5). Получение водорода электролизом воды является достаточно энергоемким процессом, удельные затраты электроэнергии на 1 кг водорода могут достигать 50–60 кВт*ч и выше. В случае использования для сетевой электроэнергии, исходя из данных АТС по углеродному следу электроэнергии (от 300 граммов СО2 экв за 1 кВт*ч по 1-й ценовой зоне до 550 граммов СО2 экв за 1 кВт*ч в НЦЗ Калининград), углеродные выбросы от 1 кг водорода составят от 15 до 33 кг СО2 экв [7]. В случае если электроэнергия для процесса берется из возобновляемых источников энергии, углеродный след водорода незначителен, его значение зависит от выбранного источника ВИЭ (65 г/кВт*ч для солнечных электростанций, 15–18 г/кВт*ч для ветровых и атомных электростанций, 9–12 г/кВт*ч для гидроэлектростанций) [8].
Водород как побочный продукт
В данном случае рассмотрим водород из вторичных газов металлургического предприятия. По оценкам НЛМК, общий объем водорода в составе вторичных газов группы составляет 13 % (3 из 23 млрд м3) [9]. Углеродный след получаемого из вторичных газов водорода будем считать только как углеродный след очистки водорода, так как углеродный след его производства уже заложен в углеродном следе стали. В этом случае можно говорить об углеродном следе только для установки КЦА (возьмем его из [10] как 6 кг СО2 экв за 1 кг водорода).
Природный водород
С учетом того, что объемное содержание природного водорода в водородосодержащем газе не превышает 98 % (в Мали), а часто может быть значительно ниже, появляются энергозатраты на очистку водорода. Например, при использовании природного водорода, получаемого в Мали на водородном топливном элементе, его предварительно чистят от метана (примерно 0,1 %), азота (примерно 2 %) и углекислого газа (на уровне ппм). Вместе с тем даже если брать модуль короткоцикловой адсорбции, то углеродные выбросы на очистку водорода не превысят 6 кг СО2 экв за 1 кг водорода [10]. В случае использования водорода не на водородных топливных элементах (например, на газопоршневых агрегатах), очистка водорода может и не потребоваться.
Выводы
Водород имеет огромное значение в ряде критических отраслей промышленности (таких как газохимия, нефтепереработка, металлургия) и сегодня в России в основном производится из природного газа. Вместе с тем такие компании, как ПАО «Газпром», изучают возможность производства водорода альтернативными методами, в том числе и за счет его добычи.
Природный водород, несмотря на свою слабую изученность и отсутствие эффективных технологий добычи, представляется в перспективе интересным решением, способствующим снижению углеродного следа. Включение природного водорода в 2023 году в Общероссийский классификатор полезных ископаемых в качестве самостоятельного полезного ископаемого открыло доступ к получению лицензий на геолого-разведочные работы и может поспособствовать оценке ресурсной базы в России и развитию направления.
Литература
1. Global Hydrogen Review 2024, отчет МЭА report, 2024, 295 с.
2. В.А. Карасевич, В.В. Бессель, Р.Д. Мингалеева «Перспективы использования природного газа для производства и экспорта российского водорода», журнал Энергетическая политика, № 6 (184) 2023 год, с. 90–99.
3. Официальный интернет-сайт ПАО «Газпром»
5. R. Rapier «Estimating The Carbon Footprint Of Hydrogen Production», Forbes, 2020
8. В.В. Елистратов «Энергоснабжение в Арктике с использованием ВИЭ», журнал Neftegaz.RU, № 1, 2023 год
11. F. Zwaan, S. Brune и другие «Rift-inversion orogens are potential hot spots for natural H2 generation», Science Advances, Volume 11, Issue 8, 19 February, 2025
Интернет-сайт Hydroma
