Вот — модный водород

Немного истории

Водород в качестве топлива впервые попробовал еще в начале XIX века изобретатель двигателя внутреннего сгорания Франсуа Исаак де Риваз. Дальше экспериментов дело не пошло. В XX веке применение стало более массовым. В блокадном Ленинграде заправляли водородом автомобили и аэростаты заграждения. В 1950–1960-х годах в США водородные топливные элементы устанавливали на сельхозтехнике и транспортных средствах. А в 1980-е годы в СССР попробовали разработать самолет, летающий на водороде. Но техника на водородных двигателях оказалась слишком дорогой и небезопасной, поэтому большого распространения в прошлом веке водород не получил.

Снижение себестоимости водорода

«В настоящее время» включает наилучшие и средние параметры. «Средние параметры» понимаются как инвестиции в 770 $/кВт, эффективность в 65 % (низшая теплотворная способность, НТС), цена за электроэнергию в 53 $/МВт∙ч, количество часов работы на полной мощности — 3200 (для наземных ВЭС) и средневзвешенная стоимость капитала в 10 % (относительно высокий риск). «Наилучшие параметры» понимаются как инвестиции в 130 $/кВт, эффективность в 76 % (НТС), цена за электроэнергию в 20 $/МВт∙ч, количество часов работы на полной мощности — 4200 (для наземных ВЭС) и средневзвешенная стоимость капитала в 6 % (как для генерации на ВЭС в настоящее время).

На основе аналитики IRENA

Ситуация изменилась в самом конце XX — начале XXI века, когда крупные промышленные компании в развитых странах, таких как США, Германия и Япония, начали создавать и продвигать малые энергетические установки (от десятых долей кВт до 10 кВт) и автомобили на топливных элементах. В течение первых пятнадцати–шестнадцати лет XXI века складывался инвестиционный интерес, водород включался в бизнес-стратегии, технологии нарабатывались, спрос и предложение подрастали.

Один из факторов, повлиявших на рост интереса к водороду, — осознание, что экстенсивный рост установленной мощности источников генерации на ВИЭ сам по себе существенно не снижает объем эмиссии парниковых газов. Зато он вызывает рост нестабильности в энергосистеме и цен на электроэнергию.

Решить проблему нестабильности поставок из ВИЭ и увеличить КИУМ может как раз водород, произведенный методом электролиза. Избыточное электричество ветростанций и СЭС превратит воду в водород, а когда возникнет дефицит, водород можно будет, наоборот, соединить с кислородом, произведя при этом электроэнергию. Правда, с потерями. Но другого варианта пока все равно нет. Аккумуляторов, способных накапливать электроэнергию в промышленных масштабах, пока не создали, сетей, которые решают проблему переброски электроэнергии, не хватает. Из-за неустойчивости энергосистем проблемы с энергообеспечением возникали в 2020 году в Техасе, Швеции и Германии, а в феврале 2021 года в Техасе случилась энергетическая катастрофа.

 

Стратегии с кнутом и пряником

К концу второго десятилетия XXI века водород стал частью государственной энергетической политики многих стран, которые разработали и представили свои водородные стратегии. К концу 2020 года свои стратегии были у Франции, Японии, Австралии, Норвегии, Германии, Португалии, Испании, Чили, Финляндии, Канады, Евросоюза. В феврале 2021 года список пополнила Великобритания. Россия в настоящее время также разрабатывает водородную стратегию, которая, предположительно, должна быть готова в первом полугодии 2021 года. Правда, содержание стратегий сильно отличается друг от друга.

Так, в Германии планируют поощрять, предоставляя деньги. Уже обозначены ведомства, ответственные за тот или иной аспект водородной энергетики, сроки и суммы. С 2020 по 2023 год из Фонда энергетики и климата будет выделено €310 млн на практические фундаментальные исследования в области зеленого водорода. Дополнительные €200 млн планируют направить на практические исследования в области технологий водородной энергетики. Кроме того, €600 млн пойдут на обкатку норм в формате «регуляторной песочницы» — правового режима, при котором юрлица могут в ограниченной среде экспериментировать с новыми нормами без нарушения действующего законодательства. На инвестиции в технологии и крупные промышленные предприятия, использующие водород для декарбонизации производственных процессов, будет выделено более €1 млрд. Кроме того, согласованы «инвестиции в будущее»: €7 млрд на более быстрый вывод технологий на рынок Германии и еще €2 млрд для международного партнерства.

Себестоимость зеленого водорода

Эффективность на номинальной мощности — 65 % с НТС 51,2 кВт∙ч/кг Н2 в 2020 году и 76 % с НТС 43,8 кВт∙ч/кг Н2 в 2050 году при ставке дисконтирования 8 % и сроке службы всего стека электролизеров в 80 000 часов. Объем капитальных затрат на электролизеры в 2020 году 650–1000 долларов на кВт. Затраты на электролизер достигают 130–307 долларов за кВт как результат развертывания 1–5 ТВт электролизных мощностей к 2050 году.

На основе аналитики IRENA

В водородной стратегии Канады, принятой в декабре 2020 года, правительство, напротив, денег не обещает. В краткосрочной перспективе стимулами должны стать преимущественно регуляторные меры. Первая — требование по отсутствию углеродных выбросов для легковых автомобилей, как в действующем законодательстве Британской Колумбии и Квебека. Вторая — установление сборов за выбросы углерода и принятие регламентов, таких как «Стандарт чистого топлива», которые стимулируют производство низкоуглеродного водорода для промышленности. Третья — нормы и разрешения регуляторов на смешивание водорода и природного газа для декарбонизации распределительных сетей энергокомпаний — поставщиков тепла и электроэнергии. Четвертая — целевые показатели по использованию восстановленного газа в системе газовых коммуникаций.

«Если Канада полностью воспользуется возможностями, предоставляемыми водородом, к 2050 году это может привести к созданию более чем 350 тыс. рабочих мест в отрасли и прямым доходам более 50 млрд долларов в год», — заявляют авторы водородной стратегии Канады. Правда, как Канада получит эти цифры не вполне понятно: стратегия носит декларативный характер, связь между действиями по развитию водородной энергетики и увеличением доходов неочевидна.

В России ситуацию пока изучают, обсуждают регулирующие нормы и пилотные проекты. Так, Минпромторг уже опросил более тысячи организаций и предприятий. На основе полученной информации ведомство готовит каталог технологических и производственных возможностей водородной энергетики в России, обсуждает создание водородных производств в России с зарубежными производителями.

Интерес к сотрудничеству с Россией проявляет Германия. На конференции Global Impact исполнительный директор Восточного комитета германской экономики Михаэль Хармс заверил: «Мы большое внимание уделяем водородной энергетике. Вместе с российскими партнерами мы готовы вести серьезную работу в этом направлении». Гендиректор Федерального министерства окружающей среды, охраны природы и ядерной безопасности Германии (BMU) Карстен Зах на Российско-европейской конференции по климату заявил: «Россия является крупнейшим поставщиком энергоносителей, и поскольку спрос будет смещаться в сторону водорода, в интересах России и Германии, а также Евросоюза создавать соответствующую инфраструктуру и схемы поддержки этого сектора энергетики».

В Японии водородную стратегию уже начали реализовывать на практике. Страна приняла ее еще в 2017 году. Япония последовательно изучала и внедряла водородные технологии более двадцати лет. Кроме того, после аварии на Фукусиме в Японии выросла угольная генерация. Использование водорода позволит постепенно снизить использование угля на ТЭС.

В сентябре 2020 года из Саудовской Аравии в Японию отправилась первая партия голубого аммиака для использования на водородной электростанции. Поставка — часть пилотного проекта, который ведут Институт экономики энергетики Японии, нефтяная компания Saudi Aramco и Saudi Basic Industries Corp. Аммиак — соединение водорода, которое также можно использовать для нужд энергетики.

О производстве аммиака договариваются японский производитель электроэнергии Jera с малайзийской Petronas.

Япония договаривается и с Россией. В сентябре 2019 года «Русатом Оверсиз» подписал соглашение о разработке ТЭО по поставкам водорода с министерством экономики, промышленности и инвестиций Японии.

Япония планирует активно использовать водород на Олимпиаде в Токио. Например, для олимпийских факелов. Автомобили и автобусы на водороде будут курсировать по Токио, электричество из водорода будут подавать в Олимпийские деревни. «Чистый водород Фукусимы станет источником энергии для производственных цехов на заводах и топливом для различных транспортных средств, включая автобусы и грузовики. Ожидается, что испытательный полигон роботов, построенный в районе Хамадори, станет местом, над которым летают водородные дроны», — заявил премьер-министр Японии Синдзо Абэ на церемонии открытия Фукусимского исследовательского центра водородной энергетики.

 

Технологические вызовы

Главная проблема водорода заключается в том, что самым «политически правильным» водородом считается зеленый (см. справку «Семь цветов водорода»), но он же и самый дорогой. Собственно, поэтому объем его производства минимален. Так, объем потребления в мире в настоящее время, по оценкам МЭА, составляет около 70 млн тонн. Из них низкоуглеродного в 2019 году было произведено меньше 1 % — 0,36 млн тонн, предварительные данные на 2020 год — 0,46 млн тонн. Впрочем, и 7,92 млн тонн низкоуглеродного водорода в 2030 году (прогноз МЭА) вряд ли обеспечат существенную долю в общем объеме производства, учитывая инициативы по использованию более дешевого голубого водорода. По оценкам Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), мировой спрос на водород к 2050 году составит порядка 470 млн тонн.

 

Семь цветов водорода

• Серый водород производится путем паровой конверсии природного газа. Сопровождается значительными выбросами CO₂
• Голубой — производится с использованием системы улавливания и хранения углерода (CCS). Считается углеродно-нейтральным.
• Зеленый — образуется при электролизе воды. Электричество, используемое для электролиза, должно поступать из возобновляемых источников. Преимущество — отсутствие углеродсодержащего сырья.
• Бирюзовый — производится с помощью пиролиза метана. Для углеродной нейтральности важно, чтобы тепло для высокотемпературного реактора производилось из возобновляемых или углеродно-нейтральных источников энергии, а углерод постоянно связывался.
• Белый — водород естественного происхождения, встречается крайне редко из-за высокой летучести и способности вступать в химические реакции.
• Черный/коричневый — произведен из угля разных сортов.
• Розовый /пурпурный — произведен с использованием атомной энергии.

 

Дороговизна зеленого водорода складывается из двух компонентов: высокой цены на электроэнергию из источников генерации на ВИЭ и высокой цены на электролизеры. В отчете «Сокращение себестоимости зеленого водорода» (Green Hydrogen Cost Reduction) IRENA отмечает, что в перспективе до 2050 года себестоимость килограмма зеленого водорода может снизиться с нынешних почти $5 до $1 (см. график). Но для этого надо снизить цену на электролизеры на 80 %, а цену на электроэнергию — более чем вдвое. «Низкая цена на электроэнергию — сущностный фактор для производства конкурентоспособного зеленого водорода, и снижение цены на электролизеры не может компенсировать высокую цену на электроэнергию», — признает в своем отчете IRENA. График показывает, что при цене в $65 за МВтч снизить себестоимость ниже $3 за килограмм водорода не получится. И надо помнить, что себестоимость производства — это не цена.

Для снижения цены на электролизеры надо увеличить их производство, повысить эффективность и, возможно, изменить используемые материалы, так как платина и иридий, которые используются для мембран, дороги.

Эффективность — серьезная проблема для водородной энергетики. По оценкам отчета Roadmap to climate-friendly land freight and buses in Europe, из-за потерь энергии при производстве, передаче и сжигании водорода теряется до 88 % энергии, а конечный КПД водородного двигателя, соответственно, составляет лишь 22 %. «Недостатки водорода в качестве топлива для грузовиков — очень высокие затраты на транспортное средство и технологии, высокая стоимость заправки, которая почти втрое менее эффективна, чем у грузовика на аккумуляторах, и потому требует больше электроэнергии. Важно помнить, что полная декарбонизация существующей сети уже стала серьезной проблемой. Столь значительное увеличение электрической мощности маловероятно», — делают вывод авторы доклада.

По-видимому, в сегмент тяжелых грузовиков водородное топливо если и придет, то нескоро. Так, один из крупнейших производителей, шведская Scania, изучила возможность использования водородного топлива. Но признала, что для грузовика на водородном топливе потребуется в три раза больше электроэнергии из ВИЭ по сравнению с аккумуляторным электромобилем. Большая часть энергии теряется при производстве, распределении и преобразовании. Дороже обходятся и техобслуживание, и ремонт.

Для других видов транспорта водородное топливо уже пытаются задействовать. Так, Norwegian Electrical Systems планирует установить водородный топливный элемент мощностью 3,2 МВт на судне, которое в настоящее время проектирует Havyard Design для судовладельца Havila.

Важная проблема, о которой мало говорят разработчики стратегий, — безопасность. Водород — летучий газ, его молекулы имеют наименьший размер, поэтому малейшая разгерметизация будет приводить к улетучиванию топлива, что может быть опасным, если речь идет о транспорте или теплоснабжении в холодное время года. Кроме того, при определенных условиях водород, соединяясь с кислородом, может взрываться. Взрыв водорода считается главной версией гибели дирижабля «Гинденбург» в 1937 году. Катастрофа стала причиной отказа от использования водорода в дирижаблях и одной из причин отказа от дирижаблей вообще.

Еще одна возможная проблема — это перемещение и расход воды. В корпоративном блоке японской Toshiba на habr.com сообщается, что для производства 1 м³ водорода требуется до 2,5 м³ воды. Если взять целевой показатель МЭА на 2030 год по производству низкоуглеродного водорода — 7,92 млн тонн в год, то объем его составит около 88,1 млрд м³. Для его производства надо 220,3 млрд м³ (или 220,3 км³ воды). Для сравнения, объем Онежского озера — 285 км³. Конечно, весь этот объем будет извлечен не в одном месте, а по всему миру, но конкретные проекты, особенно крупные, потребуют расчетов водопотребления. Особенно если водород будет транспортироваться, а не храниться на месте в функции аккумулятора.

 

Возможности атомной энергетики

«Производство водорода с использованием ядерных технологий обладает огромным потенциалом и преимуществами перед другими источниками, которые можно рассматривать с точки зрения увеличения доли водорода в мировой энергетической экономике будущего», — говорится в разделе «Производство атомного водорода» на сайте МАГАТЭ.

В отрасли по всему миру уже запущены как отдельные проекты, так и программы поддержки. Так, в августе 2019 года американская Exelon и норвежская Nel Hydrogen договорились о создании проекта по производству, хранению и утилизации водорода на площадке одной из АЭС. Выбрать ее планируют до конца марта 2021 года. Минэнерго США одобрило проект стоимостью $7,2 млн. В нем также участвуют три национальные лаборатории.

Министерство энергетики США в июле 2020 года объявило о выделении в 2020 году примерно $64 млн в рамках инициативы H2@Scale. Деньги получат 18 проектов по доступному производству, хранению, распределению и использованию водорода. «Эти проекты послужат питательной средой для следующего раунда исследований, разработок и демонстрационных мероприятий в рамках многолетней инициативы H2@Scale по полной реализации преимуществ водорода для всей экономики», — говорится в сообщении ведомства. Среди прочих в инициативу вошел проект Exelon.

EDF также планирует использовать свои АЭС для производства водорода, это подтвердил глава представительства EDF в России Лоран Паганон на конференции в Сколково. Планы уже начинают реализовываться. Так, в декабре 2020 года EDF заявила, что городская община Осерруа выбрала «дочку» EDF — компанию Hynamics, специализирующуюся на производстве водорода, которая установит электролизер для пяти городских автобусов, оснащенных топливными батареями. Проект получил поддержку Agence de la Transition Écologique (ADEME) и европейской программы JIVE 2 (инициатива по водородным транспортным средствам в Европе). Станция электролиза заработает осенью 2021 года, подзаряжаться на ней смогут и частные водородные автомобили.

В Великобритании, согласно дорожной карте по водороду, ядерная энергетика может обеспечить к 2050 году до трети всего объема чистого водорода. Согласно документу, 12–13 ГВт ядерных реакторов как больших, так и малых модульных реакторов могут использовать электролиз, паровой электролиз с использованием отходящего тепла и термохимическое расщепление воды для производства 75 ТВтч зеленого водорода к 2050 году. Сколько это в тоннах или кубометрах — не уточняется. Дорожная карта по водороду важна не только с точки зрения выстраивания стратегии, но и риторики: водород, произведенный на АЭС, везде в тексте назван зеленым (а не розовым или пурпурным, как можно было бы предположить из цветовой градации водорода). Ядерная энергия, как отмечалось выше, может производить зеленый водород посредством электролиза. Это хороший знак для общеевропейского признания водорода, произведенного на АЭС, зеленым.

Росатом развивает водородную энергетику в трех направлениях. Первое — создание линейки собственных электролизеров, баллонов для хранения и транспортировки водорода и топливных элементов. Второе направление — проработка пилотных проектов. Один из них — использование водорода в качестве топлива для железнодорожного транспорта на Сахалине. В проекте участвуют правительство Сахалинской области, Росатом, РЖД и Трансмашхолдинг. Третье направление — формирование локальных проектов и запуск экспорта водорода как на востоке, так и в европейской части России, где сконцентрированы существующие российские АЭС.

Прогнозы

Существующее положение дел показывает, что водородная энергетика, особенно низкоуглеродная, уже начинает формироваться. Скорость развития, как и всегда в энергетике, будет зависеть от объема инвестиций, политической воли, бизнес-инициатив, технологий, социальной поддержки и наличия (лучше, конечно, отсутствия) крупных аварий.

Оценки будущей емкости рынка расходятся в разы. Так, в водородной стратегии Канады она оценивается в $2,5 трлн к 2050 году. А Goldman Sachs считает, что к тому времени она вырастет до $10 трлн. Для сравнения, Toshiba в своей публикации 2018 года отмечала, что Markets&Markets прогнозирует рост рынка водорода до $154 млрд.