Для начала определимся с тем, что собой в современных условиях представляет водородная энергетика.
«Рождающий воду»
Водород, как известно, является самым распространенным химическим элементом во Вселенной. Как утверждают ученые, на его долю приходится около 88,6% всех атомов. Название hydrogеne (означает с древнегреческого «рождающий воду») в конце ХVIII века дал французский химик Антуан Лавуазье. Русский термин «водород» (по аналогии с «кислородом») был предложен российским исследователем Михаилом Соловьёвым в 1801 году.
«Рождающий воду» считается наименее энергоемким топливом (цены на топливо) на нашей планете. Выявлено, что для получения энергии, эквивалентной энергии 1 л бензина, необходимо 3,73 л жидкого водорода. Кроме того, газообразный водород должен храниться под давлением. При базовом давлении 400 атмосфер требуется 8 л водорода для получения энергии, эквивалентной 1 литру бензина. Чем выше давление, при котором хранится водород, тем меньший объем он занимает. Чтобы компактно разместить водород, его нужно сжать (сжижить) или связать химически. Сжатие до давления 10 000 паскалей — процесс многоступенчатый и достаточно энергоемкий, потребуется дополнительно израсходовать 15% энергии, содержащейся в водороде.
Хранение и транспортировка водорода — дело хлопотное и затратное (транспортировка газа). Связано это с тем, что элемент Н2 воздействует на металл, приводит его к ломкости, что чревато утечками. Наличие водорода в трубопроводе или аккумуляторе может привести к растрескиванию стенок. Понятно, что применение специального стойкого сплава увеличивает стоимость водородных проектов. Утечки также возможны из-за высокого давления. И тем не менее разработки в области водородной энергетики ведутся уже давно, определенной активности они достигли в последние несколько лет.
Водородная цивилизация & углеродная экономика?
Некоторые аналитики склонны противопоставлять водородную энергетику углеродной, считая, что с ее помощью человечеству можно выйти на экологически устойчивое экономическое развитие. На самом деле, это не совсем так, поскольку водородная энергетика сама по себе не является новым источником энергии. Она лишь дополняет нефтяную, атомную или «возобновляемую» энергетику, с ее помощью можно достичь наиболее эффективного применения имеющихся источников энергии.
Современная концепция экологически чистой водородной энергетики, по утверждению экспертов совета по водородным технологиям (Hydrogen Council), достаточно разнопланова и включает в себя:
- производство водорода из воды с использованием невозобновляемых источников энергии (нефть, газ, уголь (угольная промышленность), атомная и термоядерная энергии);
- производство водорода с использованием возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, энергия морских приливов, биомасса);
- транспортировка и хранение водорода;
- использование водорода в промышленности, на транспорте (наземном, воздушном, водном и подводном), в быту;
- обеспечение надежности материалов и безопасности водородных энергетических систем.
Тема водородной энергетики не нова, серьезные работы по некоторым ее направлениям появились в США, Европе, Японии и Советском Союзе еще в 70-х годах прошлого века. Ряд экспертов считает, что нынешние концепции мало чем отличаются от того, что предлагалось учеными 40–50 лет назад. Принципы построения водородной цивилизации на основе разработанных технологий имеют реальное технологическое воплощение, и научные основы этих технологий хорошо разработаны.
В Hydrogen Council прогнозируют, что к 2050 году водородная энергетика будет обеспечивать 18% всех энергетических потребностей мира, а потребление водорода в мире вырастет до 370 млн т в год (к 2100 году — до 800 млн т).
Нынешний рост популярности водородной энергетики эксперты связывают с Парижским соглашением по климату, целью которого является достижение к 2050 году нулевых выбросов СО2. Предполагается, что водород поможет модернизировать промышленные процессы в секторах, где сокращение выбросов углерода труднодостижимо. В настоящее время большая часть водорода, используемого в Европе, производится из ископаемого топлива. В перспективе намечено декарбонизировать его производство, применяя возобновляемые источники энергии, стоимость которых имеет тенденцию к быстрому снижению.
Эксклюзивно
Блиц-интервью генерального директора ООО «ИНТЭК-Строй» Артёма ЕВЛАНОВА
«ТЭК России»: — Как вы оцениваете состояние законодательной базы в области водородной энергетики в РФ?
Артем Евланов: — Пока в РФ нет достаточной законодательной базы для регулирования сектора водородной энергетики. На данный момент Минэнерго России разработало план мероприятий на 2020–2024 годы, направленный на развитие энергетики, основанной на водороде. Он включает в себя обновление законодательства и технических регламентов производства, перевозки, хранения и использования водорода, а также поддержку реализации пилотных проектов в этом сегменте. Его реализация позволит, во‑первых, разработать правовые акты для контроля деятельности данного сектора экономики РФ, во‑вторых, внести вклад в общемировую борьбу с парниковыми выбросами за счет низкоуглеродной энергетики.
«ТЭК России»: — Ведётся ли работа по подготовке национальной программы по развитию водородной энергетики?
Артем Евланов: — Производство и потребление водорода — перспективная задача для топливо-энергетического комплекса России, который обладает необходимым потенциалом для выхода страны на мировые рынки в качестве поставщика ресурса. Уже сейчас намечены первые мероприятия, направленные на достижение этой цели. К концу 2020 года появится концепция развития водородной энергетики, а также меры поддержки для пилотных проектов по его производству, в начале 2021 года — стимулы для экспортеров и покупателей ресурса на внутреннем рынке.
«ТЭК России»: — Какие наиболее перспективные проекты в данном направлении могут быть реализованы в ближайшее время?
Артем Евланов: — Основными претендентами на запуск пилотных проектов по производству водорода в России являются несколько компаний. В 2021 году планируется разработать и испытать газовую турбину на метано-водородном топливе, а в 2024 году — построить опытный полигон для железнодорожного транспорта на водороде. В России рынок водородной энергетики может сформироваться к 2035 году, что потребует инвестиций в размере от 2 млрд до 4 млрд руб. в год.
Сферы применения и перспективы водорода
В настоящее время основными рынками, на которые уходит 80% товарного водорода, являются производства аммиака и метанола. «Рождающий воду» также применяется в химической промышленности — при производстве карбамида, пластмасс и даже мыла, в газопереработке — с его помощью получают смеси с метанолом, этиленом и пропиленом, в нефтяной промышленности водород используют, чтобы улучшить показатели глубины нефтепереработки, произвести очистку нефтепродуктов от сернистых загрязнений, обеспечить выпуск качественных топлив, масел, смазок.
В качестве потенциальных потребителей водорода считаются резервные генераторы, робототехника, небольшие приборы и аккумуляторы, беспилотные аппараты, энергетические установки, генераторы для постоянного снабжения теплом и электричеством частных домов.
Скандинавские страны, а также США, Япония с успехом используют энергоустановки с водородными топливными элементами мощностью более 1 МВт, которые обеспечивают электроэнергией большие бизнес-центры, госпитали, жилые здания. В Японии разработали государственную программу, нацеленную на создание бытовых автономных водородных станций. В результате уже сейчас в стране восходящего солнца действует несколько тысяч таких объектов. С помощью готовящейся широкомасштабной программы японские власти собираются диверсифицировать энергетический сектор и увеличить количество электростанций, работающих на водородном топливе.
Большие перспективы для водорода, по мнению экспертов, связаны с автомобилестроением. Крупнейшие автомобильные концерны работают над созданием водородных двигателей или топливных элементов, которые придут на смену двигателям внутреннего сгорания. До конца 2020 года в Европе начнутся продажи нового Toyota Mirai — седана с силовой установкой на топливных элементах. Реализацию водородомобилей компания Toyota запустила в 2014 году, с того времени было продано 10 тыс. машин. Основное преимущество Toyota Mirai — минимальные выбросы оксида азота и углекислого газа. Главный недостаток — отсутствие необходимого количества водородных автозаправок: сейчас их всего несколько сотен, а нужны — десятки тысяч. Такой подход согласуется с Парижским соглашением по климату.
В ряде стран, в том числе в России, занимаются продвижением метано-водородных технологий, смысл которых сводится к переходу на водород, используя развитые системы природного газа.
Климатически нейтральная Европа предпочитает чистый водород
В июле 2020 года Еврокомиссия представила окончательную версию «Водородной стратегии для климатически нейтральной Европы». Согласно документу, приоритетным направлением для стран Евросоюза будет развитие возобновляемых источников водорода, производимых с использованием возобновляемых источников энергии — солнца и ветра. Тем не менее в краткосрочной и среднесрочной перспективе для быстрого сокращения выбросов и поддержки развития жизнеспособного рынка Европа не собирается отказываться от других форм низкоуглеродистого водорода. И это вполне логично, ведь, как отмечено в стратегии, на сегодняшний день ни возобновляемый водород, ни низкоуглеродный водород, в частности ископаемый водород с улавливанием углерода, не являются конкурентоспособными по сравнению с ископаемым водородом. В то же время стоимость возобновляемого водорода имеет тенденцию к быстрому снижению. Для поддержки производства возобновляемого водорода, которое только формируется как отрасль, создается Европейский альянс чистого водорода. Планируется, что это объединение будет заниматься инвестициями для наращивания производства и поддержки спроса на чистый водород, в него войдут представители крупных энергетических компаний, заинтересованных министерств и ведомств, а также гражданского общества.
Как отмечают эксперты, чтобы стать климатически нейтральной к 2050 году, европейцам нужно модернизировать свою энергетическую систему, которая производит до 75% выбросов парниковых газов ЕС. Для этого кроме водородной стратегии Еврокомиссия представила европейской общественности стратегию по интеграции энергосистем стран союза, предусматривающую реформы по 38 позициям, в том числе пересмотр энергетического законодательства, финансирование и внедрение новых технологий, фискальные меры, постепенное прекращение субсидий на ископаемое топливо, целостное планирование инфраструктуры.
Оба документа нацелены на создание более эффективного и взаимосвязанного энергетического сектора, принципы функционирования которого должны быть продиктованы соблюдением экологических требований, с заботой о более чистой планете, а также формированием более сильной экономики. По сути, в стратегиях расписана новая программа инвестиций в чистую энергетику. По мысли разработчиков, планируемые инвестиции должны стимулировать восстановление экономики ЕС после коронавирусного кризиса.
Стратегия по интеграции энергетических систем подготовит переход к зеленой энергетике, создаст новые связи между промышленными секторами, будет стимулировать практическое применение достижений технического прогресса. Интеграция энергосистем означает, что система будет планироваться и эксплуатироваться как единое целое, свяжет между собой различные энергоносители, инфраструктуру и секторы потребления. Можно привести такой пример: электричество для европейских электромобилей может поступать от солнечных панелей, установленных на крышах жилых домов, в то же время здания могут потреблять тепло от близлежащего завода, который питается чистым водородом, получаемым от энергии ветра.
Этапы большого пути
Европейская водородная стратегия направлена на то, чтобы с помощью инвестиций, регулирования, создания рынков, исследований и инноваций воплотить задуманную интеграцию в реальность. Прописаны этапы такого перехода:
На первом этапе (2020–24 годы) планируется декарбонизировать существующее производство водорода для текущих целей, таких как химический сектор, и продвигать его для новых применений. Этот этап предполагает установку к 2024 году не менее 6 ГВт возобновляемых водородных электролизеров и нацелен на производство до миллиона тонн возобновляемого водорода. Для сравнения, сегодня в ЕС установлено около 1 ГВт электролизеров.
На втором этапе (2024–30 годы) водород станет неотъемлемой частью интегрированной энергетической системы. Предполагается установить не менее 40 ГВт возобновляемых водородных электролизеров к 2030 году и производить до 10 млн т возобновляемого водорода в ЕС. Водород будет широко использоваться в таких секторах, как: сталелитейное производство, грузовые автомобили, железнодорожные и некоторые морские перевозки. Он по-прежнему будет производиться в основном вблизи потребителя или вблизи возобновляемых источников энергии, в местных экосистемах.
На третьем этапе, начиная с 2030 года и до 2050 года, возобновляемые водородные технологии достигнут зрелости и охватят все трудно модернизируемые секторы, где другие альтернативы могут быть неосуществимы или иметь более высокие затраты.
Европейский альянс чистого водорода, призванный помочь реализовать эту стратегию, построит инвестиционный трубопровод для расширения производства и поддержит спрос на чистый водород в ЕС.
Европейская комиссия уже начала работу над внедрением общих стандартов, терминологии и сертификации, основанных на выбросах углерода в течение всего жизненного цикла, закрепленных в существующем климатическом и энергетическом законодательстве. Комиссия будет предлагать политические и регулятивные меры для создания уверенности инвесторов, содействия поглощению водорода, содействия созданию необходимой инфраструктуры и логистических сетей, адаптации инструментов планирования инфраструктуры и поддержки инвестиций, в частности в рамках плана восстановления ЕС следующего поколения.
Стоит заметить, что авторы водородной стратегии отказались от популярного деления водорода по цвету, на «зелёный», «синий» и другие. Вместо этого предложены такие термины: «электролизный водород», «возобновляемый водород», «чистый водород» — «возобновляемый водород», «ископаемый водород» (произведенный из ископаемого топлива), «ископаемый водород с улавливанием углерода», «низкоуглеродный водород» (со значительно сниженными выбросами парниковых газов в течение всего жизненного цикла по сравнению с существующим производством ископаемого водорода. Сюда относится ископаемый водород с улавливанием углерода и электролизный водород).
Совокупные инвестиции в возобновляемый водород в Европе могут составить €180–470 млрд к 2050 году, а в низкоуглеродный водород, произведенный на основе ископаемого топлива — €3–18 миллиардов.
Конкретно вопросы, связанные с импортом водорода, в стратегии не расписаны, тем не менее отмечается, что для снижения валютных рисков европейских компаний в операциях (как по импорту, так и по экспорту) «важно содействовать развитию структурированного международного рынка водорода в евро. Поскольку водород является зарождающимся рынком, Еврокомиссия разработает ориентир (эталон) для операций с водородом, выраженных в евро, что будет способствовать укреплению роли евро в торговле устойчивой энергией».
В рамках укрепления международного сотрудничества водородная стратегия нацеливает страны ЕС на плодотворную работу по установлению стандартов, правил и определений по водороду. Евросоюз намерен развивать сотрудничество в области водородной энергетики и ВИЭ с балканскими государствами и «особенно с Украиной», а также с Африканским союзом.
Восточный комитет немецкой экономики предлагает другой вектор, призывая к партнерству с Россией. Как отметил председатель комитета Оливер Хермес, «у РФ есть многолетний опыт поставок энергии в Европу и соответствующая инфраструктура». По его мнению, у России имеются все предпосылки для того, чтобы стать «глобальным игроком на международном рынке водорода».
Наша справка
Водород может быть получен с помощью различных процессов. В связи с этим можно выделить следующие его типы:
«Водород на основе электричества». Его получают с помощью электролиза воды (в электролизере, работающем от электричества), независимо от источника электричества. Полный жизненный цикл выбросов парниковых газов при производстве водорода на основе электричества зависит от того, как производится электричество.
«Возобновляемый водород». Этот продукт производится на основе электролиза воды и с электричеством, которое получают из возобновляемых источников. Полный жизненный цикл выбросов парниковых газов при производстве возобновляемого водорода близок к нулю. Возобновляемый водород также может быть получен путем риформинга биогаза (вместо природного газа) или биохимической конверсии биомассы.
«Чистый водород» относится к «возобновляемому водороду».
«Ископаемый водород». Его получают в результате различных процессов с использованием ископаемого топлива в качестве исходного сырья, в основном — риформинга природного газа или газификации угля. На сегодня эта продукция представляет собой основную массу производимого водорода. Выбросы парниковых газов в жизненном цикле производства ископаемого водорода очень высоки.
«Ископаемый водород с улавливанием углерода» — это часть ископаемого водорода. Выделяемые при его производстве парниковые газы улавливаются. Выбросы при этом ниже, чем при производстве водорода на основе ископаемого топлива. Тут необходимо учитывать переменную эффективность улавливания парниковых газов (максимум 90%).
«Низкоуглеродистый водород» включает в себя ископаемый водород с улавливанием углерода и водород на основе электроэнергии, при этом значительно сокращаются выбросы парниковых газов полного жизненного цикла по сравнению с существующим производством водорода.
«Водородсодержащие синтетические виды топлива» относятся к различным газообразным и жидким видам топлива на основе водорода и углерода. Чтобы синтетическое топливо считалось возобновляемым, водородная часть синтез-газа должна быть возобновляемой. Синтетические виды топлива включают, например, синтетический керосин в авиации, синтетическое дизельное топливо для автомобилей и различные молекулы, используемые в производстве химических веществ и удобрений. Синтетическое топливо может быть связано с очень разными уровнями выбросов парниковых газов в зависимости от используемого сырья и технологического процесса. Что касается загрязнения воздуха, то сжигание синтетического топлива приводит к такому же уровню выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, как и ископаемое топливо.
