Первый хочет стать главным
Мир готовится к глобальному энергетическому переходу, цель которого — уменьшение негативного воздействия на окружающую среду за счет декарбонизации экономики. Важная роль в процессе избавления зависимости от ископаемых источников энергии отводится водороду.
На место главного энергоносителя взамен ископаемых угля, нефти и газа претендует первый элемент в таблице Менделеева — водород, запасы сырья для которого безграничны, а вред от использования ничтожен.
Число сторонников водородной энергетики растет. Долгосрочные программы развития водородных технологий, поддержанных льготами и финансированием из бюджетов разных уровней, приняли более 20 государств и около 60 корпораций, объединившихся в Мировой совет по водороду (Hydrogen Council). По его оценке, к 2050 году ежегодный оборот средств в водородной энергетике составит 2,5 трлн долларов. Для сравнения: мировой рынок нефти в 2018 году оценивался в 1,8 трлн долларов.
Согласно прогнозам некоторых аналитиков, конец традиционной энергетики близок: примерно через десять-двенадцать лет значительная ее часть будет основываться на водороде, а спрос на традиционные виды топлива (нефть, газ и уголь) резко сократится. России, стране, для которой эти энергоносители — основа экономики, стоит задуматься: что будет, когда энергопереход станет реальностью? Впрочем, по мнению экспертов, даже в этой ситуации у России есть возможность занять достойное место на мировом водородном рынке — 10–15% на горизонте 2030 года, что сопоставимо с нынешней долей страны на мировых рынках нефти и газа.
Декарбонизацию — в массы
Сферы применения водорода разнообразны. Это эффективный энергоноситель, который можно использовать как для получения электроэнергии, так и в металлургии, например для выплавки стали. Это накопитель энергии: в период низкого спроса выработанную традиционными электростанциями электроэнергию можно направить на получение водорода, который может храниться, а затем при необходимости использоваться для получения все той же электроэнергии. Впрочем, полученный Н2 можно и переправить на значительное расстояние и уже на месте использовать для получения электро энергии. И для этого его необязательно сжигать: использование водорода в топливных элементах позволяет получать электроэнергию за счет электрохимического процесса: при соединении водорода с кислородом из атмосферного воздуха мы получаем электричество, тепло и воду. При этом КПД топливного элемента выше, чем у самых эффективных традиционных энергоустановок или двигателя внутреннего сгорания. Наконец, это сам по себе ценный химический продукт, необходимый в нефтехимии и фармацевтике. Одна беда: в чистом виде в природе его нет.
Чтобы получить «зеленый» водород (см. схему), нужно потратить больше энергии, чем потом удастся получить от него. Как отмечают специалисты Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», на производство одного кубометра водорода — это эквивалент примерно 400 граммов условного топлива (УТ) — путем электролиза расходуется 5,5–6 кВт·ч электроэнергии (или 1750–1880 граммов УТ). А это означает, что производить его экономически выгодно только с помощью избыточной или условно бесплатной электроэнергии (например, ветряной или солнечной).
Западный мир уже сделал ставку на водород, а потому на расходы не скупится. В 2017 году была запущена общеевропейская инициатива Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCHJU), которая объединила 89 регионов и городов из 22 стран. Ее участники заявили о стремлении использовать водородные технологии в своих стратегиях в рамках «энергетического перехода» (движение к «чистой» энергетике). На эти цели до 2022 года планируется потратить около 1,8 млрд евро. Помимо этого Германия выделяет до 300 млн евро в год на различные проекты с низким углеродным следом, основу которых составляет водород. Ежегодное финансирование программы производства водородных топливных элементов в США достигает 120 млн долларов.
В бюджете Японии производство таких топливных элементов в прошлом году было субсидировано на 70 млн долларов. Кстати, именно Япония первой заявила о планах построить «общество, основанное на водороде». Согласно стратегической дорожной карте, принятой в 2014 году, к 2050 году необходимо достичь нескольких ключевых параметров. В частности, объем торговли энергетическим водородом должен составить 5–10 млн тонн. К означенному сроку газовые автозаправки должны быть полностью замещены водородными; автомобили и автобусы с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) полностью заменит транспорт на водородных топливных элементах (ВТЭ). Кроме того, водородные энергоустановки заменят традиционные в домохозяйствах страны.
Департамент бизнеса, энергетики и производственных стратегий Великобритании в сентябре этого года заявил о начале перехода металлургической промышленности страны на водородное топливо. Сроки перехода не называются, но на старт программы уже выделено около 400 млн фунтов стерлингов.
Новости из сферы водородной энергетики, связанные со стартом различных проектов, появляются с завидной периодичностью. Так, в ноябре объявлено о запуске крупнейшей в мире установки по производству «зеленого» водорода на сталелитейном заводе в Австрии. Мощность установки — более 6 МВт, ее основа — электролизер, который получает электричество от станции, работающей на ВИЭ. Одновременно ThyssenKrupp Steel в Германии начала испытания использования водорода в качестве топлива для доменной печи вместо пылевидного угля.
«Чистые» запасы
У нашей страны есть запасы природного газа, а также относительно «чистая» энергетика, благодаря которым мы легко вписываемся в рамки международных требований по выбросам парниковых газов.
«Доля угольной генерации в российской энергосистеме по-прежнему остается ниже всех среди десяти крупнейших энергетических систем мира, — отмечает управляющий директор WMT Consult Наталья Гриб. — Для сравнения: доля угля в объеме выработки электроэнергии в России — 15 процентов, в Германии — 37,2, в США — 27, в Китае — 65, в Японии — 28 процентов». Это значит, что российская энергосистема оставляет самый низкий углеродный след на киловатт произведенной энергии.
Кроме того, есть и «излишки». Например, до 25–30 ГВт мощности в энергосистеме страны даже в час прохождения годового максимума потребления являются избыточными, отмечают исследователи Energynet.
В России есть как минимум три площадки с избыточными мощностями, на которых можно производить водород.
Например, это Усть-Среднеканская ГЭС на Колыме (Магаданская область) установленной мощностью 570 МВт, строительство которой ведут структуры «Русгидро». Сейчас станция находится в процессе строительства и должна выйти на проектную мощность к 2024 году, но в регионе нет такого роста потребления, чтобы обеспечить ее полную загрузку. Ежегодно на ней можно было бы производить 34,5 тыс. тонн водорода. И это исходя из проектной установленной мощности станции при среднегодовом коэффициенте использования установленной мощности (КИУМ) на уровне 38,7%.
Вторая площадка — Кольская АЭС с четырьмя реакторами ВВЭР-440 и установленной мощностью 1760 МВт в Мурманской области — относится к числу «запертых» мощностей энергосистемы. В силу сетевых ограничений КИУМ станции составляет 65,9% при среднем КИУМ АЭС в России в 2018 году более 85%. Возможность производства водорода на базе электроэнергии, вырабатываемой станцией, оценена при условии повышения КИУМ до 93%.
Третья — Ленинградская АЭС установленной мощностью 5200 МВт с четырьмя блоками на реакторах РБМК-1000 и одним вводимым в эксплуатацию ВВЭР1200 — тоже отличается невысоким для атомной станции КИУМ (76,4%). С учетом планового вывода из эксплуатации первых двух энергоблоков и ввода пятого блока установленная мощность составит 3200 МВт. Возможность производства водорода на базе электроэнергии, вырабатываемой станцией, оценена при условии повышения КИУМ до 93% за счет спроса на электроэнергию со стороны водородного производства.
Только эти три площадки для создания первых экспортно ориентированных производств водорода могут производить более 190 тыс. тонн водорода в год, покрывая на горизонте 2025–2030 годов основные потребности пилотных сегментов рынка водородного топлива как в Европе (в случае АЭС), так и в Японии (в случае ГЭС).
По мнению аналитиков Energynet, мощность совокупного производственного потенциала России в сфере водородного топлива, раскрытие которого не требует строительства новых генерирующих объектов, составляет до двух миллионов тонн водорода в год. Это при среднем на 2018 год КИУМ ЕЭС на уровне 46%. А при увеличении КИУМ до 85% — до 3,5 млн тонн ежегодно. Тем самым Россия на горизонте 2030 года может претендовать на 10–15% глобального рынка, что сопоставимо с долей страны на мировых рынках нефти и газа.
Наконец, при правильной постановке производства в России можно получать даже если не «зеленый», то, скажем, «голубой» водород, при производстве которого углекислый газ собирается и утилизируется. Как считает руководитель Центра компетенций НТИ по технологиям новых и мобильных источников энергии при Институте проблем химической физики (ИПХФ) РАН Юрий Добровольский, этого можно добиться, если получать водород как продукт побочного производства другого ценного вещества. «Например, из природного газа мы получаем метанол, побочным продуктом при этом (в соизмеримых количествах, между прочим) как раз и является водород, — уточняет он. — Метанол сам по себе стоит денег, а водород в этом случае получается практически бесплатным». Кстати, в августе было объявлено о начале строительства под Волгоградом нового завода по производству метанола мощностью миллион тонн в год (см. «В Волгограде создают новый “Химпром”», «Эксперт Юг» от 19 августа этого года). При желании — готовая площадка для побочного производства водорода в аналогичных объемах.
Накопить и переправить
Впрочем, при всей привлекательности, водород еще и опасный элемент. Не случайно его смесь с кислородом называют «гремучий газ». Кроме того, некоторые металлы водород делает хрупкими, отсюда на первый план выходит проблема его хранения.
Самый выгодный вариант с точки зрения экономики строительства, надежности и безопасной эксплуатации объекта — хранилище газообразного водорода, создаваемое в отложениях каменной соли. «У России есть большой опыт создания и эксплуатации подземных хранилищ газов и жидкостей: природного газа, углекислого газа, а также гелия под давлением до 17 мегапаскалей», — напоминает академик РАН, научный советник главы концерна «Росэнергоатом» Николай Пономарев-Степной. По его словам, на территории нашей страны расположено 16 соленосных бассейнов, перспективных для строительства подземных хранилищ водорода. Что же касается транспортировки, то для водорода необязательно создавать собственную трубопроводную систему, считают аналитики Центра энергетики Московской школы управления «Сколково». Можно использовать уже имеющуюся, созданную для природного газа, подмешивая водород в газ до определенного предела.
Тем более что для многих стран Европы и США такая технология — всего лишь «хорошо забытое старое» — ведь с XIX до середины XX века во многих городах существовали системы снабжения «городским газом» (town gas), получаемым искусственно из угля. Содержание водорода в таком газе обычно составляло около 50%. В различных странах допускаются разные доли подмешивания водорода в природный газ — от 0,1% (в Бельгии, Новой Зеландии, Великобритании и США) до 10% в Германии и 12% в Нидерландах. Верхний предел определяется национальными технологическими стандартами, связанными с безопасностью газопроводов и оборудования, сжигающего газ. Исследования Национальной лаборатории возобновляемой энергетики США показывают, что планка 15% может быть достигнута в имеющихся газотранспортных системах без каких-либо серьезных изменений, а в некоторых случаях она может быть серьезно превышена. По оценке «Газпром экспорта», в современных газопроводах вроде «Северного потока» достижима смесь природного газа с водородом, где доля последнего может достигать 30%. При сжигании такая смесь выделяет больше тепла и меньше СО2 и сажи.
«Но поставка по трубопроводам — это еще и повышение технологических рисков коррозии металла, — уточняет Наталья Гриб. — Поэтому надо не только рассчитывать, надо хорошо проверять этот процент в реальных условиях на старых и новых трубах разного диаметра».
По ее словам, есть экспертное мнение, что безопасным для оборудования ТЭС может быть смесь не более чем с 10–12% водорода. Но и этот тезис требует экспериментальной проверки.
Теоретически разделить природный газ и водород на выходе из трубы (чтобы потом использовать их по отдельности) можно и технически выполнимо, считают специалисты. Правда, по стоимости есть разногласия. Одни считают, что разделение — процесс, и дорогой по оснастке (используются недешевые мембраны), и энергозатратный.
Для создания глобального рынка водорода потребуются технологии, сравнимые с индустрией сжиженного природного газа (СПГ). Например, крупнотоннажные морские танкеры общим объемом 150–200 тыс. кубометров, которые использовали бы выпар (образующийся от нагрева водорода) для работы судовых двигателей. Разработки подобных судов начались в 1980–1990-х годах в Европе и Японии, но до готовых образцов пока не дошли. Тем не менее компания Kawasaki Heavy Industries, когда-то построившая первый в Японии СПГ-танкер, разрабатывает танкер и для водорода.
Транспорт сжиженного Н2 в целом более затратен, чем СПГ, из-за более высокой стоимости предназначенных для перевозки судов. Но траты на сжижение можно снизить — при условии роста масштабов, считают специалисты. К тому же процессы близки по своему типу: для сжижения природного газа требуется температура минус 160 градусов Цельсия, а для аналогичного процесса Н2 — минус 253 градуса. «В экспортных проектах самым дешевым вариантом связывания и транспортировки водорода считается аммиак (NH3), но вот обратное выделение — пока не решенный на уровне технологии вопрос», — отмечает участник Energynet Игорь Чаусов. Между тем решение этой проблемы могло привести к взрывному росту рынка водорода, учитывая свойства аммиака. Температура его сжижения (минус 33,3 по Цельсию) гораздо выше, чем даже природного газа, а потому процесс сжижения может быть гораздо дешевле. При отделении от водорода аммиак может быть реализован как самостоятельный товар с ежегодным глобальным рынком в размере 80 млрд долларов.
Кроме того, водород можно использовать в более сложных комбинациях. Например, связывать водород толуолом, получая вещество, жидкое при нормальной температуре и атмосферном давлении, простое в перевозке. В свою очередь, доставленное до места назначения, оно преобразуется обратно в водород и толуол, после чего последний возвращается на предприятие по связыванию водорода для следующего цикла использования.
Выхлоп паром
Стоит отметить, что история применения водорода в виде топливных элементов насчитывает уже не одно десятилетие. Электрохимические генераторы (ЭХГ) на водородно-топливных элементах в течение нескольких десятилетий прошлого века активно использовались в американской и советской космических программах. В частности, на Уральском электрохимическом комбинате для космической системы «Буран» был разработан ЭХГ «Фотон». В США аналогичный ЭХГ компании International Fuel Cell устанавливался на «Шаттлы». Кроме того, водородный топливный элемент стал использоваться в качестве главного источника энергии на космических аппаратах «Аполлон».
Автомобиль на водородном топливном элементе — Mirai — в массовое производство запустила японская Toyota в конце 2014 года. А недавно было представлено новое поколение модели Mirai. Запас хода у нее увеличен на треть и составляет теперь чуть более 700 км на одной зарядке. Аналогичными характеристиками обладает и новое поколение корейских водородных автомобилей — Hyundai Nexo, пришедшее на смену модели ix35. Стоимость новинки будет в пределах 54–64 тыс. долларов, что сопоставимо с базовой ценой Mirai — от 57 тыс. долларов. Между тем переплюнуть всех готовы китайцы. Умельцы из Поднебесной представили свою модель — Grove Obsidian. Технические характеристики пока не разглашаются, за исключением одной: запас хода на одной заправке водородом у него составляет 1 тыс. км.
Три азиатских «тигра» — Китай, Япония и Южная Корея — к 2030 году планируют резко увеличить выпуск автомобилей на водороде. Китайцы обещают довести их количество до миллиона ежегодно, а две другие страны — нарастить производство до 800–850 тыс. штук в год каждая.
Россия тоже пытается попасть в тренд, по мере сил и возможностей. В июле этого года компания BMPower объявила о создании самого легкого в мире топливного элемента для дронов. Он способен поддержать работу энергоустановки мощностью до 2,1 кВт и позволить мультикоптерной платформе продержаться в воздухе не менее трех с половиной часов. При этом вес топливного блока — чуть более двух килограммов, а его удельная мощность составляет 1000 Вт/кг — это лучший показатель в мире (у мировых конкурентов в системах для дронов — до 740 Вт/кг).
В сентябре в рамках Восточного экономического форума «Росатом», РЖД, Трансмашхолдинг и Сахалинская область подписали соглашение о сотрудничестве и взаимодействии по проекту организации железнодорожного сообщения с применением поездов на водородных топливных элементах. Проект планируется осуществлять поэтапно, его реализация начнется с обоснования решений и проведения комплексных испытаний. Пилотным полигоном для организации пассажирского движения с применением поездов на водородном топливе может стать Сахалинская область.
Прототип нового водородного топливного элемента и энергоустановки для него готов к демонстрации учеными из ИПХФ РАН. Как поясняют разработчики, им удалось создать новую энергоустановку для автотранспорта с водородным топливным элементом, которая подзаряжает аккумулятор в процессе движения автомобиля. Получается гибрид, которому не нужно традиционное топливо, а на 100 км пробега будет требоваться всего 1,4 литра водорода (см. «Водород взрывоопасен только в голове»).
Наконец, 1 ноября в Санкт-Петербурге состоялись ходовые испытания трамвая ЛМ-68М, оснащенного водородными топливными элементами.
Что в портфеле
Попытки создания проектов масштабного получения водорода в России уже были. Правда, происходило все точечно, на уровне компаний.
«Россия относится к странам, в которых огромный потенциал развития водородной энергетики сочетается с практическим отсутствием интереса к нему со стороны государства и ключевых стейкхолдеров, — сетует старший аналитик по электроэнергетике Центра энергетики “Сколково” Юрий Мельников. — Есть отдельные компании, которые занимаются водородной тематикой, проводят НИОКР (в том числе опираясь на разработки времен СССР), исследуют потенциал рынка и только подходят к формулированию планов, но масштабы этой деятельности пока несопоставимы с теми, которые достигнуты в Евросоюзе, США, Японии, Китае, Корее, Австралии и многих других странах».
Например, в «Газпроме» этой тематикой, судя по пресс-релизам, занимаются, но «для собственных нужд».
Кроме того, в этом году сообщалось, что концерн исследует новую технологию получения водорода — термический пиролиз метана. Эта реакция происходит в низкотемпературной неравновесной плазме, которая находится под высоким давлением в небольшом реакторе. Агентство Bloomberg сообщало, что «Газпром» опробует новую технологию на одном из своих производств в Томске. Впрочем, в самой компании не смогли оперативно предоставить комментарий по этой теме.
Есть и другие проекты. Например, «Росатом» предлагает сосредоточиться на проекте получения водорода при помощи АЭС, который разрабатывается еще с 70-х годов прошлого века и теоретически готов к реализации. Речь идет о паровой конверсии метана с подводом тепла от высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (ВТГР) на атомной энерготехнологической станции (АЭТС). Как поясняет академик Пономарев-Степной, в России к этому почти все готово: разработаны топливо ВТГР, физика реактора, конструкция модульного реактора, высокотемпературные парогенераторы и теплообменники, циркуляторы с гелиевым теплоносителем, системы пассивной безопасности; технология гелиевого теплоносителя, системы расхолаживания, система преобразования энергии, модели и коды. В опытно-промышленном производстве отработаны технологии адиабатической конверсии метана, мембранного выделения водорода. Так что были бы воля и деньги.
В правительстве тоже решили откликнуться на мировые веяния и попытаться свести воедино отдельные инициативы. Под председательством заместителя министра энергетики РФ Павла Сорокина в конце августа прошло совещание по вопросам развития водородной энергетики в стране, в котором приняли участие представители ряда отраслевых научных центров и компаний («Газпрома», «Ростеха», «Росатома» и «Сибура»).
«Все участники совещания сошлись во мнении о необходимости разработки программы развития водородной энергетики РФ и определения ее координатора, — сообщили в пресс-службе Минэнерго. — Разработка и реализация указанной программы должна создать предпосылки для обеспечения научнотехнологического лидерства России в сфере водородной энергетики».
«Такая программа действительно нужна, в ней должны быть предложены механизмы снижения инвестиционных рисков крупных капитальных вложений в объекты водородной энергетики и механизмы поддержки внутреннего спроса на водородное топливо», — сообщил «Эксперту» директор Инфраструктурного центра Energynet Дмитрий Холкин.
Чем богаты
По мнению большинства экспертов, Россия могла бы стать одним из крупнейших игроков на мировом рынке водородной энергетики. «Важными конкурентными преимуществами нашей страны являются наличие резервов производственных мощностей, географическая близость к потенциальным потребителям водорода (страны ЕС, КНР, Япония), а также наличие действующей инфраструктуры транспортировки», — отметил в своем комментарии замглавы Минэнерго. «Мы ожидаем, что ключевым рынком для российского водородного топлива станет Китай, а российские энергетические гиганты инициируют проекты по производству на Дальнем Востоке, партнерами которых также выступят CNPC и Sinopec, — уточняет президент РусскоАзиатского союза промышленников и предпринимателей (РАСПП) Виталий Манкевич. — Приоритетным рынком также остается Япония».
Вместе с тем, по мнению эксперта Финансового университета при правительстве РФ Игоря Юшкова, в странах, где активно развивается водородная энергетика, это происходит вынужденно.
«Водород — часть системы мер для снижения зависимости от углеводородной энергетики и в большинстве случаев для снижения зависимости от импорта ископаемых видов топлива», — считает он. То есть если бы у европейских стран было достаточное количество собственных запасов нефти и газа, то развитие как ВИЭ, так и водородной энергетики происходило бы гораздо меньшими темпами, чем сейчас.
Водородная энергетика во многих странах является элементом ухода от энергетики на основе ископаемых видов топлива к нетопливной. «У нас такой потребности нет, — считает Игорь Юшков. — Мы — мировые лидеры по запасам газа и входим в число лидеров по запасам нефти». Впрочем, он не исключает, что в будущем потребность производства водорода в России может появиться для его экспорта в другие страны, прежде всего в Европу. Но тут есть ряд нюансов. «Европейцы хотят потреблять только так называемый зеленый водород, который произвели методом электролиза воды, — поясняет Игорь Юшков. — А Россия хотела бы производить водород из природного газа, использовав его запасы в качестве конкурентного преимущества». Получается, что на внутреннем рынке России водороду сложно конкурировать с другими источниками энергии, а при экспорте есть ограничения, связанные с происхождением водорода.
«Для нас эта тема может быть актуальна в контексте повышения эффективности транспортировки, укрепления позиций на европейском рынке газа, — соглашается заместитель руководителя Фонда национальной энергетической безопасности Алексей Гривач. — Кроме того, конечно, в широком смысле (а не только в контексте газовой отрасли) необходимо продолжать фундаментальные исследования в сфере безопасного и эффективного использования самого водорода. Как раз для того, чтобы развивать технологический потенциал в этой области». Ну а большие запасы традиционного топлива для рационального и ответственного субъекта — это никакое не препятствие для технологического развития, а скорее стартовый бонус, считает он.
Градация водорода в зависимости от способа его производства
СЕРЫЙ
Паровой риформинг углеводородов (природный газ, нефтепродукты, уголь)
Самый распространенный способ получения водорода. В процессе помимо водорода образуется СО2 в пропорции примерно 10 : 1. Так как для процесса необходимо тепло, часть исходного сырья сжигается, что ведет к дополнительному увеличению эмиссии СО2
ГОЛУБОЙ
Паровой риформинг с одновременным улавливанием и утилизацией (захоронением) углекислого газа (CCS; Carbon Capture and Storage)
ЖЕЛТЫЙ
Паровой риформинг с использованием тепла от АЭС (без сжигания исходного продукта, что ведет к меньшим выбросам СО2) с последующим применением CCS
ЗЕЛЕНЫЙ
Электролиз воды посредством электроэнергии, полученной от электростанций, работающих на ВИЭ
По данным Международного энергетического агентства, из 70 млн тонн производимого сегодня водорода только около 100 тыс. тонн можно отнести к «зеленому». При производстве остального объема в атмосферу выбрасывается 830 млн тонн СО2 в год — примерно столько, сколько выбрасывают Великобритания и Индонезия вместе взятые.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl