А в чем тренд?
Водородную энергетику называют основой экономики будущего, где чистый водород должен стать главным носителем для накопления, хранения и транспортировки энергии. Масштабное внедрение водорода позволит декарбонизировать энергетическую отрасль и промышленность и замедлить изменение климата.
От поршневого двигателя к нулевым выбросам
Интерес к водороду как к топливу появился более чем за 200 лет до объявления низкоуглеродной повестки. В 1806 году французский изобретатель Франсуа де Риваз создал первый поршневой двигатель, работающий на смеси газообразного водорода. В 1939 году англичанин Уильям Гровер разработал первый водородный топливный элемент.
В конце XIX века основатель научной фантастики Жюль Верн мечтал, что водород станет «неисчерпаемым источником света и тепла», заменив ископаемое топливо. Довольно скоро его мечты начали сбываться. В 1927 году норвежская компания Norsk Hydro Electrolysers выпустила первый промышленный электролизер. В 1966-м General Motors представила первый автомобиль на водородных топливных элементах. В 1987 году запустили самую мощную в СССР ракету-носитель «Энергия» на жидком водороде — суммарная мощность ее двигателей составила 170 млн л.с.
Водородная энергетика как отдельная отрасль сформировалась после крупнейшего нефтяного кризиса 1973 года. Многие страны тогда начали искать пути независимости от поставок углеводородного сырья. Основным направлением применения водорода стал транспорт — за несколько десятилетий ученые и инженеры пришли к эффективным топливным элементам, которые сейчас широко внедряют — от автомобилей до беспилотников.
В XXI веке водород стал актуальным элементом борьбы с изменением климата, когда государства поставили цель сдержать глобальный рост температуры в пределах 1,5°C к 2050 году. По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), водород сможет внести 10% вклада на пути к нулевому уровню выбросов CO2, снижая углеродный след в тяжелой промышленности и дальнемагистральном транспорте, а также обеспечивая сезонное хранение энергии.
Виды водорода
Согласно отчету Международного энергетического агентства (IEA), в 2021 году в мире было произведено 90 млн т водорода. Больше 95% водорода получают из ископаемых источников. Объем выбросов углекислого газа далек от зеленой повестки — 900 млн т.
Треть спроса водорода приходится на синтез аммиака для удобрений, 20% — на метанол и сталелитейную промышленность. Водород также критически важен для таких отраслей реальной экономики, как нефтепереработка, стекольная промышленность, пищепром и традиционная энергетика (для охлаждения турбин ТЭЦ и АЭС).
Водороду в зависимости от способа производства присваивают разные цвета.
Серый водород производят из природного газа метана путем конверсии — смешивания с водяным паром и нагреванием. Это самый дешевый, но и самый грязный способ. Стоимость производства серого водорода составляет $1–2 за 1 кг, но объем выбросов углекислого газа сопоставим с традиционным сжиганием углеводородного топлива. Серый водород занимает порядка 75% рынка.
Бурый (коричневый) водород, который занимает 20% от производимого в мире объема, получают с помощью газификации угля — окисления при высоких температурах. По цене и загрязняющей способности он находится на одном уровне с серым.
Голубой (синий) водород также получают путем паровой конверсии метана, но процесс подразумевает технологию улавливания углекислого газа (Carbon capture and storage, CCS), который закачивают в специальные хранилища. При его производстве необходимо больше сырья и больше энергии, чем для серого водорода. Ученые считают этот цвет далеким от экологически чистого, так как выбросы парниковых газов в атмосферу ниже, чем у серого водорода, всего на 9–12%. Стоит голубой водород в диапазоне $2,8–3,5 за 1 кг.
Бирюзовый водород уже намного более экологически чистый. Это продукт пиролиза метана — разложения газа под действием высоких температур без доступа кислорода. Вместе с ним образуется твердый углерод, который можно дальше использовать в промышленности, например сталелитейной. Цена — в районе $2.
Наконец, зеленый водород, на который возлагают надежды по декарбонизации будущего. Его производят электролизом: энергию генерируют с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ; солнечных, ветровых установок и ГЭС), она потом идет на разложение воды с помощью электрического тока на водород и кислород. Это самый дорогой вид водорода, так как пока цены на ВИЭ-генерацию высоки относительно традиционной — стоить он может до $9 за 1 кг.
Также к полностью чистому относят желтый или розовый водород — его, как и зеленый, получают с помощью электролиза, но только энергия поступает от АЭС. Пока в мире есть лишь один демонстрационный проект по его производству — установка мощностью 1 МВт в США.
IEA заявляет: чтобы выполнить обязательства по борьбе с изменением климата, к 2030 году нужно производить 34 млн т водорода с низким уровнем выбросов, а к 2050 году — 100 млн т. Ставки агентство делает на голубой и зеленый водород. Сейчас доля голубого составляет менее 1%, а зеленого — всего 0,1%. Чтобы кратно увеличить объемы производства, необходимо реализовать десятки заявленных проектов и добиться снижения цен на электролизеры — установки для промышленного получения зеленого водорода.
Группы ученых по всему миру ищут способы удешевить производство самого чистого водорода. Например, исследователи из США предлагают использовать более дешевые материалы для процесса электролиза. Китайские ученые изменили свойства катализаторов, задействованных в электролизе, и сумели эффективно выделить водород из морской воды, запасы которой неизмеримо больше пресной. В России разработали способ получения водорода окислением частиц алюминия в воде под воздействием лазерного излучения — этот процесс вдвое менее энергозатратный, чем традиционный электролиз.
Однако подобные разработки находятся на лабораторном уровне, и для их внедрения понадобится много времени и ресурсов.
Проекты для перехода на зеленый водород
Транспорт остается главным приложением водородной энергетики. Спрос на водород в транспортной сфере в 2021 году составил всего 0,03% — 30 тыс. т: доля хоть и мизерная, но это на 60% больше, чем годом ранее. Передовые компании автотранспортной отрасли в этом направлении — Toyota и Hyundai, которые выпускают водородные автомобили, и Honda, которая готовится к выпуску водородного кроссовера. Самолеты на водородных двигателях тестируют ZeroAvia и Universal Hydrogen. Компания Alstom в Германии и CRRC вместе с Chengdu Rail Transit в Китае запустили первые водородные поезда.
На долю транспорта в мире приходится 37% выбросов CO2, остальные — на промышленность и генерацию тепла и электроэнергии. Крупные проекты по электролизу, которые позволят наполнить рынок чистым водородом и озеленить эти сферы экономики, реализуются по всему миру.
Лидер в производстве зеленого водорода — Китай, где работает самый мощный в мире электролизер на 150 МВт, способный производить 24 тыс. т чистого водорода в год. IEA прогнозирует, что рост мощности электролизеров в 2022 году составит 1,4 ГВт, и отводит Китаю 40%. Компания Sinopec строит во Внутренней Монголии крупнейший завод Ordos по получению 30 тыс. т водорода в год и завод Kuqa на 20 тыс. т в провинции Синьцзян. Планы компании к 2025 году — 2 млн т ежегодно.
Американская Green Hydrogen International (GHI) планирует построить в Техасе целый хаб по производству, хранению и транспортировке водорода мощностью 60 ГВт — Hydrogen City. Объемы после запуска всего комплекса составят 3 млн т зеленого водорода в год, который будут направлять в том числе на получение чистого аммиака и авиационного топлива. Первая очередь на 2 ГВт ожидается в 2026 году.
Хранение водорода — одна из инфраструктурных проблем, так как не везде есть условия для строительства систем хранения. Одно из крупнейших хранилищ водорода должно также появиться в США. Компании Mitsubishi Power Americas и Magnum Development LLC строят его в штате Юта. Мощность подземного хранилища составит 300 ГВт.
Индия находится на третьем месте по выбросам CO2 после Китая и США, поэтому крупные зеленые проекты для страны особенно актуальны. Например, производитель ВИЭ Adani Green Energy анонсировал электролизный проект мощностью 2 ГВт за $5 млрд. Питаться завод будет от 4 ГВт энергии, производимой солнечными элементами и ветровыми станциями, и сможет генерировать к 2030 году 1 млн т водорода.
Краткосрочные планы Европы по чистому водороду — 1 млн т к 2024 году. В ЕС множество небольших водородных проектов, часто направленных на использование топливных элементов на транспорте. Крупнейшим производителем чистого газа называют испанскую Iberdrolla, которая запустила завод в Пуэртольяно с электролизером мощностью 20 МВт. Предприятие сможет выдавать до 3 тыс. т чистого водорода в год, который станет сырьем для производства зеленого аммиака — перспективного экологически чистого топлива для речных и морских судов.
Россия производит 10% водорода в мире — 10 млн т. Отраслевая стратегия до 2022 года была ориентирована на экспорт: к 2030 году планировалось поставлять 2 млн т газа в Китай, Японию и Германию и другие страны. Из-за политического кризиса планы пришлось пересматривать, новые показатели по экспорту пока не утверждены.
Эксперты Центра энергетических систем будущего «Энерджинет» Национальной технологической инициативы считают, что в условиях кризиса и сложностей с развитием поставок фокус частично нужно сместить на водородные технологии. К ним относятся создание твердооксидных топливных элементов (устройств, работающих на водороде, которые чаще всего используют на транспорте), электролизеров, способов транспортировки водорода и др. — они имеют более высокую добавленную стоимость, чем просто сырье. Чтобы быстрее перейти к реализации технологий, НТИ создает межотраслевые структуры, например Центр компетенций «Водород как основа низкоуглеродной экономики» и Центр компетенций по технологиям новых и мобильных источников энергии. Их формат подразумевает отработку технологических решений в тесном контакте с промышленными партнерами.
Один из крупнейших, хоть и не совсем зеленых проектов в России — водородный кластер на Сахалине, который создают несколько компаний, в том числе «Росатом» и «H2 Чистая энергетика». Кластер включит в себя завод по производству голубого водорода, железнодорожную сеть с водородными поездами, а также мощности для получения 100 тыс. т зеленого газа к 2030 году.
Переходные трудности
Очевидные преимущества зеленых водородных технологий: отсутствие вредных выбросов, бесконечные запасы, широкий спектр применения (от автомобилей до металлургии) и высокая энергоэффективность.
Рынок водородной энергетики пока только зарождается. Помимо высокой стоимости производства зеленого водорода есть еще ряд барьеров, которые мешают его ускоренному развитию.
Отсутствие доступных технологий транспортировки и хранения
У водорода сложный «характер»: он взрывоопасен, имеет низкую плотность в газообразном состоянии и просачивается даже через высокопрочные стали. Эксперты предлагают транспортировать водород в сжиженном состоянии при температуре -253°C, в составе аммиака или метанола, в виде газа в баллонах. Но все эти способы ведут к его удорожанию из-за издержек. Первая в мире отгрузка сжиженного водорода из Австралии в Японию состоялась только в начале 2022 года.
Наиболее оптимальный способ хранения водорода — закачивание в подземные хранилища, а именно в соляные каверны (пустоты больших объемов в пластах залежей каменной соли), которые есть далеко не во всех заинтересованных регионах.
Ограниченная инфраструктура
Сейчас почти весь водород производят на местах потребления или недалеко от них, так как для транспортировки нет инфраструктуры. Длина водородных трубопроводов по разным оценкам ограничивается 4,5–5,2 тыс. км. Общий темп роста этого рынка к 2026 году составит всего 40%. В качестве альтернативы для поставок предлагают использовать существующую газотранспортную сеть, но опять-таки водород в составе природного газа делает металл хрупким.
Проблемы регулирования
Пока не существует проверенного способа определить, с помощью какой технологии был получен водород, — и зеленый, и серый имеют одинаковый химический состав. Свои системы подтверждения качества есть в Японии, Китае и Австралии, но энергетические ассоциации предлагают гармонизировать сертификацию и сделать ее единой.
IEA рекомендует государствам для ускорения перехода устранять регуляторные барьеры — создавать понятную и стабильную нормативно-правовую базу, которая будет откалибрована под изменения рынка. Еще один совет: определить четкие правила игры, но не применять жесткие принципы регулирования к игрокам, так как на зарождающемся рынке они могут отпугнуть инвестиции.