Дмитрий Коптев
Вид водородной станции. Фото с сайта www.enertrag.com
В октябре правительство РФ утвердило план мероприятий по развитию водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года. В число задач программы входят увеличение производства и расширение сферы применения водорода в качестве экологически чистого энергоносителя, а также вхождение страны в число мировых лидеров по его производству и экспорту. О том, какие конкурентные преимущества могут помочь России добиться поставленных целей, а что способно помешать их достижению – в материале Института развития технологий ТЭК (ИРТТЭК) специально для «НГ».
В настоящий момент большинство экспертов рассматривают водород как оптимальный энергоноситель для накопления и передачи на расстояние энергии, полученной из возобновляемых источников. В отличие от аккумуляторов для производства водорода не требуются огромные заводы и так называемые металлы энергетического перехода, добыча которых сама по себе наносит ущерб окружающей среде. Его можно долго хранить, а для транспортировки предлагается использовать уже существующую трубопроводную инфраструктуру (хотя есть своя специфика, о которой будет сказано ниже). В каком-то смысле водород тоже можно назвать возобновляемым источником энергии – ведь его можно использовать бесконечно в замкнутом цикле «электролиз воды – сжигание водорода – электролиз воды». Наконец, теплота сгорания водорода втрое выше, чем условного углеводородного топлива (143 МДж/кг против 29 МДж/кг).
Неидеальный газ
Рассмотрим основные варианты применения водорода в качестве источника энергии и ограничения, существующие в каждом из них.
Все известные способы превратить водород в энергию основаны на реакции его окисления и превращения в водяной пар:
2Н2 + О2 => 2Н2О.
Как ни парадоксально, но дольше всего инженеры работают над самым сложным способом трансформации энергии окисления водорода в электричество – электрохимическим топливным элементом. Первые промышленные образцы появились еще в 1950–1960-е годы. На сегодняшний день существует множество разновидностей топливных элементов, позволяющих производить как промышленные энергоустановки мегаваттной мощности (в разработке агрегаты мощностью до 100 МВт), так и малогабаритные источники питания.
К основным достоинствам топливных элементов относятся их высокий КПД, достигающий 50 и даже 70%, и возможность использовать в качестве топлива не только чистый водород, но и, например, метанол. Кроме того, топливные элементы легче и меньше аккумуляторов аналогичной мощности, что делает привлекательным их использование на транспорте.
Главным недостатком топливных элементов называют их относительную дороговизну: для их изготовления необходимы сложные технологические операции и дорогостоящие катализаторы (главным образом металлы платиновой группы). Впрочем, эта проблема постепенно решается. За последние 15 лет стоимость водородного топливного элемента снизилась с 275 до 55 долл. за киловатт. Целевым показателем для достижения конкурентоспособности с традиционным ДВС является отметка в 30 долл. за киловатт.
Кроме того, реакция окисления происходит с выделением тепла, которое требуется утилизировать. Если топливный элемент используется в качестве источника энергии для электромобиля, это создает определенные технологические сложности. Несмотря на это, многие автопроизводители имеют в своих линейках модели, работающие на топливных элементах.
К минусам технологии относится и то, что высокий КПД достижим лишь при использовании в качестве топлива чистого водорода, производство которого также требует энергозатрат. В результате конечный КПД энергетического цикла снижается до 22%, как показало исследование, проведенное изданием CleanTechnica. Для сравнения, КПД электромобиля с обычными литиевыми аккумуляторами составил 73%.
Вторая опция – использование водорода в качестве моторного и авиационного топлива. Автомобили с водородными двигателями уже выпускаются серийно, хотя и в ограниченном количестве, рядом европейских и американских производителей. Можно назвать такие модели, как BMW Hydrogen 7, Mazda RX-8 Hydrogen RE, автобусы компаний Ford и MAN.
Серийных авиалайнеров, использующих в качестве топлива водород, пока не существует. Первые образцы коммерческих пассажирских самолетов с водородными двигателями были представлены компанией Airbus в сентябре. По заявлению компании, в авиакомпании они могут начать поступать в 2035 году.
Главным препятствием на пути применения водорода в качестве топлива в ДВС и авиадвигателях является дороговизна как самого водорода, так и обслуживания такой техники. Так, в Массачусетском технологическом институте подсчитали, что эксплуатация водородного автомобиля при современном уровне развития соответствующих технологий на два порядка дороже, чем бензинового.
Наконец, водород может использоваться в газотурбинных энергоустановках для получения электроэнергии. Именно эта область применения представляется наиболее перспективной. Переход к возобновляемым источникам энергии – ветру и солнцу – потребует строительства большого количество резервных мощностей. Они необходимы, чтобы нивелировать органические недостатки ветровой и солнечной генерации – периодичность и инерционность. В настоящий момент проблема решается за счет поставок недостающей энергии из других регионов. Порой это приводит к парадоксам: например, европейский лидер по развитию зеленой генерации – Германия страхует свою энергосистему за счет угольных станций Польши и французских АЭС.
Однако на современном этапе развития промышленных образцов турбин большой мощности, способных работать на водородном топливе, не существует. Действующие станции, на которых применяется водород, используют его в смеси с углеводородным топливом. Разработку газотурбинных установок, способных работать на чистом водороде, активно ведут практически все производители энергетического оборудования, и вскоре можно ожидать выхода на рынок большого числа промышленных моделей таких агрегатов.
Так, в Евросоюзе запущен демонстрационный проект HyFlexPower с целью подтвердить, что при промышленной выработке электроэнергии можно использовать водород, произведенный на основе ВИЭ. В проекте участвуют компании Engie Solutions, Siemens Gas and Power, Centrax, Arttic, Германский аэрокосмический центр и четыре европейских университета. Концерн Siemens должен подготовить модификацию газовой турбины SGT-400, адаптированной для сжигания чистого водорода. Она будет установлена во Франции на ТЭЦ завода по вторичной переработке бумаги Smurfit Kappa PRF. Австралийская энергетическая компания Hydrogen Utility в прошлом году заказала фирме Baker Hughes разработку турбогенератора novaLT для будущей электростанции, работающей на зеленом водороде. По плану турбогенератор запустят в эксплуатацию в 2021 году.
Дорогой и недоступный водород
Основной аргумент критиков водородной энергетики тот же, что и при использовании водорода в качестве моторного топлива, – дороговизна. Сегодня коммерческая цена водорода в Европе составляет 9 евро за 1 кг. Если смотреть по себестоимости, то килограмм водорода, произведенного по технологии паровой конверсии метана, составляет 1,5 евро. Возобновляемый водород, полученный с помощью электролиза, пока обходится заметно дороже – минимум 2,5–5,5 евро/кг.
Кроме того, распространение водородного топлива сдерживает нехватка инфраструктуры. Ее развитие, в свою очередь, тормозит дороговизна технологий, способных обеспечить безопасное хранение и дистрибуцию водорода. В силу предельно малых размеров молекулы водород легко диффундирует сквозь кристаллическую решетку стали, что не только приводит к потерям продукта, но и служит причиной явления, известного как водородное охрупчивание. Поэтому, кстати, вызывает определенный скепсис идея использовать существующую трубопроводную инфраструктуру для транспортировки промышленных объемов водорода: эксперимент такого масштаба может иметь непредсказуемые последствия.
Представляется, что прежде чем запускать этот проект в эксплуатацию, необходимы масштабные и длительные испытания, которые позволят выявить все возможные риски и пути их устранения. Водородно-воздушная смесь (гремучий газ) крайне взрывоопасна, поэтому даже потенциальная угроза утечки должна быть достаточной причиной отказа от использования действующих трубопроводов для транспортировки водорода до ее устранения.
Водород против двуокиси углерода
Все эти соображения, однако, отступают перед поставленной в Евросоюзе целью добиться климатической нейтральности, то есть нулевого уровня парниковых выбросов, к 2050 году. Тот же ориентир, но только к 2060 году, ставит перед собой Китай. Выполнить эти обещания без всеобъемлющего перехода от углеводородного к водородному топливу невозможно.
Водородная стратегия ЕС, окончательный вариант которой был опубликован в июле, объявляет приоритетом разработку технологий получения возобновляемого водорода (renewable hydrogen), производимого в основном с использованием энергии ветра и солнца. В то же время в краткосрочной и среднесрочной перспективе допустимо применение других форм низкоуглеродного водорода (low-carbon hydrogen) «для быстрого сокращения выбросов и поддержки развития жизнеспособного рынка».
Совокупные инвестиции в возобновляемый водород в Европе могут составить до 470 млрд евро к 2050 году, а в низкоуглеродный водород, произведенный на основе ископаемого топлива, – до 18 млрд евро. В период 2020–2024 годов запланирована установка как минимум 6 ГВт электролизеров, которые произведут 1 млн т возобновляемого водорода. К 2030 году, как ожидается, потребуется уже 40 ГВт электролизеров на территории Евросоюза и еще столько же в соседних странах. При этом на территории ЕС будет производится до 10 млн т возобновляемого водорода в год.
В документе, кстати, отмечается быстрое снижение стоимости электролизеров. За последние 10 лет она упала на 60%, а к 2030 году может, благодаря эффекту масштаба, сократиться еще вдвое. Кроме того, нужно иметь в виду, что примерно 75% стоимости возобновляемого водорода составляет электроэнергия. По мере снижения стоимости «возобновляемого» киловатта следует ожидать и удешевления H2.
Энергия успеха
Именно энергоемкость процесса электролиза создает для России хорошие условия на старте программы. В настоящий момент в энергосистеме РФ накопилось около 20 ГВт избыточной установленной мощности. К 2023 году, по оценке ассоциации «Сообщество потребителей энергии», она достигнет 26 ГВт. Таким образом, российских мощностей уже сейчас хватит, чтобы обеспечить энергией большую часть из запланированных ЕС до 2030 года 40 ГВт электролизеров.
Правда, не вся эта свободная энергия может быть отнесена к зеленой и пригодна для использования в производстве возобновляемого водорода – для этого из имеющихся мощностей годятся только ГЭС и отчасти АЭС. Однако на начальном этапе, как уже говорилось, Евросоюз готов использовать водород, произведенный из газа с использованием технологии улавливания СО2. Россия, располагающая огромными запасами газа и соответствующими технологиями, и здесь имеет явное стартовое преимущество.
К 2024 году производство водорода из газа собираются наладить «Газпром» и НОВАТЭК. Росатом собирается использовать свои свободные мощности для электролиза. Эксперименты с производством возобновляемого водорода ведет и ЛУКОЙЛ, единственная российская ВИНК, активно работающая в сфере ВИЭ.
Наличие энергетического потенциала, ресурсной базы и недозагруженных генерирующих мощностей, а также географическая близость к потенциальным потребителям водорода, наличие технологий и действующей транспортной инфраструктуры – все это в «дорожной карте» по развитию водородной энергетики названо ключевыми факторами, обеспечивающими конкурентоспособность России в процессе энергоперехода.
Основные направления работ, определенные в документе, таковы:
– разработка отечественных низкоуглеродных технологий производства водорода методами конверсии, пиролиза метана, электролиза и других технологий, в том числе с возможностью локализации зарубежных технологий;
– увеличение масштабов производства водорода из природного газа, а также с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ), атомной энергии;
– обеспечение законодательной поддержки производства водорода;
– разработка и реализация мер государственной поддержки создания инфраструктуры транспортировки и потребления водорода и энергетических смесей на его основе;
– стимулирование спроса на внутреннем рынке на топливные элементы на водороде в российском транспорте, а также на использование водорода и энергетических смесей на его основе в качестве накопителей и преобразователей энергии для повышения эффективности централизованных систем энергоснабжения;
– создание нормативной базы в области безопасности водородной энергетики; интенсификация международного сотрудничества в области развития водородной энергетики и выход на зарубежные рынки.
Уже к 2024 году предусмотрена реализация ряда пилотных проектов, в частности создание пилотных установок производства водорода без выбросов углекислого газа, разработка газовых турбин на метано-водородном топливе, создание опытного образца железнодорожного транспорта на водороде и др.
«Реализация утвержденного плана мероприятий позволит создать в России принципиально новую индустрию низкоуглеродного производства, хранения и транспортировки водорода, его использования в энергетике, транспорте и промышленности, а также выйти на зарубежные рынки с новыми компетенциями. Водород, применяемый сегодня в основном в химической и нефтехимической промышленности, в перспективе способен стать одним из драйверов развития энергетики и базой для формирования в стране водородной экономики», – заявил глава Минэнерго Александр Новак.
Пока, однако, речь идет лишь о сугубо бюрократических процедурах. В 2020–2021 годах должна быть написана Концепция развития водородной энергетики в Российской Федерации. Для этой цели создаются межведомственная рабочая группа под председательством министра энергетики Российской Федерации и проектный офис.
С одной стороны, сам факт появления такого документа, как «дорожная карта», является позитивным сигналом. Он означает, что правительство РФ изменило подход к водородной энергетике, перестав воспринимать его как угрозу и переведя в разряд возможностей. Напомним, что в недавно опубликованной Энергетической стратегии РФ до 2035 года водороду было посвящено буквально несколько абзацев.
С другой – пока не определены ни источники финансирования, ни конкретные целевые показатели программы. Настораживает и упоминание о необходимости разработки отечественных аналогов технологических процессов, которые уже используются развитыми странами. Есть риск, что драгоценное время будет потрачено на изобретение очередного велосипеда, что не позволит России в полной мере использовать свои преимущества.
комментарии(0)