Как водород поможет горнякам: энергобезопасность, автономность шахт и альтернатива дизелю

Институт Роки-Маунтин занимается исследованиями в области применения водорода в качестве альтернативного источника энергии для горнодобывающей индустрии. Водород заменит дизель в качестве топлива для транспорта и добывающих устройств, а также позволит делать резервы для удаленных от населенных пунктов шахт, повышая тем самым уровень энергобезопасности. Но главным и неоспоримым достоинством водорода является сокращение выбросов CO2.

Горнодобывающие компании сталкиваются с серьезными проблемами в области продвижения декарбонизации — отказа от использования ископаемого топлива из-за пагубного влияния углеродных выбросов в атмосферу. Сейчас они в поисках, в том числе и новых технологических возможностей. Особенность в том, что достаточно сложно провести подобную модернизацию, не снижая эффективность систем добычи и обработки. Решения, связанные с возобновляемыми источниками энергии, могут компенсировать многие из этих проблем.

Но некоторым компаниям необходим альтернативный вариант гибких изменений. Водород начали использовать в качестве топлива без выбросов как новый способ обработки горных пород, для тяжелых транспортных средств и в производстве электроэнергии. Причина проста — он обладает необходимыми качествами для решения проблем обработки и эксплуатации, давлеющими над горнодобывающим сектором.

Судя по заявлению компании Anglo American, планирующей создать внутреннюю инвестиционную единицу для поддержки водородных технологий, а также совместным усилиям Rio Tinto, Apple и Alcoa по декарбонизации процесса плавки алюминия (Elysis), использование водорода в горнодобывающих отраслях набирает обороты.

Anglo-American PLC — группа компаний, основанная в Южной Африке, поначалу включала в себя горнодобывающие компании, но сейчас в нее входят компании из различных отраслей. Листинг на Лондонской фондовой бирже учитывается в расчете FTSE 100. Компании принадлежит 85% алмазной монополии De Beers.

Как и многие другие перспективные проекты, водородные технологии достаточно быстро были применены на практике, еще до того, как они были доведены до совершенства. Несмотря на планирование и значительные инвестиции в начале 2000-х годов, водородная индустрия так и не смогла обеспечить значительное внедрение технологий — использование топливных элементов и финансовую выгоду для инвесторов. Однако этот первоначальный сбой не умалил международный интерес к водороду, и такие организации, как МЭА (IEA) и McKinsey, по-прежнему считают, что водород будет играть решающую роль в глобальном переходе энергии в экономику с низким уровнем выбросов углерода.

Международное энергетическое агентство (IEA) — автономный международный орган в рамках Организации экономического сотрудничества и развития.

McKinsey & Company — международная консалтинговая компания, специализирующаяся на решении задач, связанных со стратегическим управлением. McKinsey в качестве консультанта сотрудничает с крупнейшими мировыми компаниями, государственными учреждениями и некоммерческими организациями.

В 2018 году Shell выпустила свой последний сценарий полной декарбонизации — «Небо». В нем изложено видение будущего: 10% от общей потребляемой конечной энергии будет поступать из водорода, причем это топливо будет использоваться в различных областях промышленного и коммерческого отопления, транспортном секторе и секторе долговременных складских помещений.

Между тем орган, названный Водородным советом, включающий гиганты промышленности — Audi, BMW, Bosch, Engie, Equinor, GM, Honda, Marubeni и еще 32 ведущих мировых производителя, опубликовал дорожную карту использования водорода в 2017 году. Дорожная карта демонстрирует, что к 2050 году водород может составлять 18% от общего потребления энергии в мире. При учете, что прогнозы Совета оправдаются и на водородном топливе будут передвигаться 400 млн автомобилей, 15–20 млн грузовиков и 5 млн автобусов, глобальные выбросы CO2 сократятся на 60%.

Shell давно занимается сценарным анализом энергетического будущего. В 2013 году прогноз компании включал сценарии «Горы» и «Океаны», которые также предполагали высокую степень декарбонизации мирового хозяйства в будущем (хотя недостаточную для ограничения глобального потепления 2 ºС).

При этом сама компания настойчиво подчеркивает, что сценарии «не предназначены для прогнозирования вероятных будущих событий или результатов». Их задача — расширить управленческое видение, посмотреть даже на те события, которые возможны лишь в отдаленной перспективе. То есть составление сценариев — это своего рода упражнение, в результате которого рождается множество возможных вариантов будущего.

Многие наблюдатели задаются вопросом, будут ли эти технологии применимы к транспортным средствам большой грузоподъемности, таким как шахтные грузовые подъемники. Действительно, возможность использования водородного топлива в крупной технике еще не изучена до конца, но работы неустанно ведутся. Учитывая этот пробел в исследованиях и проблемы, связанные с непрерывным производственным циклом на рудниках, очень ценны исследования для поиска механизма избавления от некоторых из наиболее укоренившихся проблем горнодобывающей промышленности.

Именно в этом контексте инвесторы и предприниматели начали изучать коммерчески выгодные заявки на использование водорода. Одним из возможных вариантов использования является горнодобывающий сектор. Стремление компаний сделать свой сектор более безопасным и экологически безвредным вызвало значительный интерес к использованию водорода на местах, а также к развертыванию технологий на горных грузовиках и другой отраслевой технике.

Ряд электромобилей с водородными топливными элементами (FCEV) уже поступил в продажу, в том числе Hyundai ix35 и Toyota Mirai. FCEV могут вскоре заменить обычные легковые транспортные средства и другие виды малогабаритного транспорта. Более того, использование водородных топливных элементов в более крупной технике, например, в поезде Alstom Coradia iLint и большом грузовике Nikola One, наглядно показывает, что они поддерживают значительную мощность двигателя и крутящий момент, а также экономят топливо для тяжелой техники.

Alstom Coradia LINT представляет собой одноблочный или двухкомпонентный сочлененный вагон, выпускаемый Alstom, предлагаемый в двух вариантах, на дизеле и водороде.

Nikola One — магистральный электротягач на водородных ячейках.

Широко используемый сверхпрочный карьерный самосвал, такой как CAT 785D, имеет валовую грузоподъемность в 1 450 фунтов при собственном весе 46–67 тыс. фунтов, в то время как Nikola One генерирует до 1000 л. с. на раме грузоподъемностью 18–21 тыс. фунтов с помощью топливного элемента мощностью 300 кВт. Если увеличить мощность, три аккумуляторные батареи Nikola мощностью 320 кВт будут весить 9–12 тыс. фунтов и обеспечивать крутящий момент до 6 тыс. футо-фунтов. Это выгодно отличается от дизельного двигателя CAT 3512C HD, который имеет массу двигателя 14 650 фунтов с максимальным крутящим моментом — 6 910 футо-футов. Это предположение демонстрирует возможности и потенциал для технологий, связанных с водородом. Применение линейного масштабирования аккумуляторной батареи Nikola также является показательным и еще будет полем для дальнейших исследований. Тем не менее, он показывает потенциальную способность решить проблему без нарушения цикла производства на участке и без ущерба для способности транспортного средства.

Водород также представляет собой эффективную среду для хранения энергии в небольших шахтах, с многочисленными возможностями для производства топлива и долговременной избыточной энергии. На Оркнейских островах избыточная возобновляемая электроэнергия, вырабатываемая Европейским морским энергетическим центром и ветряными турбинами островов, превращается в водород электролизером протонной обменной мембраны (ПЭМ). При этом сам водородный топливный элемент хранится в столице островов для обеспечения управляемой «зеленой» мощности. Эта гибкость демонстрирует, что водород обладает динамической значимостью использования в различных процессах вокруг шахты. В том числе, в качестве:

Последняя опция может потенциально стать механизмом, позволяющим горнодобывающим компаниям уменьшать традиционную зависимость от дизельных резервных генераторов и двигаться в сторону более чистого источника энергии, способного эффективно обеспечивать сектор тяжелой промышленности.

European Marine Energy Centre (EMEC) — аккредитованный научно-исследовательский центр, занимающийся энергией волн и развитием энергии приливов и отливов. Расположен на Оркнейских островах, Великобритания. Центр предоставляет разработчикам возможность проводить полномасштабные эксперименты в условиях беспрецедентных волн и приливов.

Электролизер — специальное устройство, которое предназначено для разделения компонентов соединения или раствора с помощью электрического тока.

Возможность замены дизельного топлива также оправдывает разумная рыночная стоимость водорода по сравнению с дизелем. Большинство машин в горнодобывающей отрасли использует именно дизель для питания электродвигателя. Оценки Министерства энергетики США свидетельствуют, что к 2020 году распределенный электролиз (с использованием внепиковой электроэнергии) может достигнуть $2,30/ГГЭ (галлон бензинового эквивалента) водорода, что делает его конкурентоспособным по отношению к ценам на бензин в США.

Но это вряд ли отразит более широкие преимущества по стоимости, добавляемые с помощью электролизера к мини-электросетям для отдельно взятого участка рудника, поскольку он не отражает стоимость электроэнергии, которая может быть продана, и не включает в себя значение частотных характеристик, предоставляющих такие изменения. Соответственно, переход от топлива к водороду обеспечивает экономию средств при операциях и расходах на техническое обслуживание и материально-техническое обеспечение. И речь идет о производстве и в рамках шахты, и вторичного товара, который можно продавать, даже если шахта временно закрыта.

Это крайне обоснованная почва для будущих инвестиций и сокращения расходов в этом секторе. Например, компания Voestalpine в партнерстве с Siemens и Verbund изучает потенциал замены кокса для производственных нужд на водород, а SSAB, поддерживаемый Vattenfall и Luossavaara-Kiirunavaara, планирует ликвидировать большую часть своих выбросов CO2 к 2045 году, рассматривая водород как потенциальное решение. Соответственно, будущее массовое использование водорода в процессах интенсивной переработки, которые происходят на шахтных участках, уже не за горами.

Набор инструментов для внедрения водорода в качестве источника топлива в горнодобывающую отрасль промышленности уже существует. Несмотря на то, что у водорода тоже есть свои недостатки, его использование сократит материально-технические и эксплуатационные расходы на удаленные от населенных пунктов шахты. В то же время водород обеспечит персонал шахт системным резервированием и резервным запасом топлива, а также уменьшит нагрузку на системы вентиляции подземных рудников.

Эти неоспоримые плюсы должны стимулировать увеличение инвестиций и крупномасштабное развертывание возобновляемых источников энергии в секторе тяжелой промышленности. Кроме того, возможности использования водорода предлагают еще одну разработку шахты будущего, в которой углеродное загрязнение на участке значительно сократится, а шахта станет более автономной и безопасной.