Водородная энергетика как альтернативный источник энергии

Уголь грядущих веков: когда водород заменит ископаемые энергоносители?

Хотя коронавирус помог человечеству снизить вредные выбросы в атмосферу в I полугодии 2020 на рекордные 9%, экологам праздновать победу рано, потому что, как говорят сантехники, «тут всю систему менять надо» — систему углеродной экономики, построенной на тотальном потреблении ископаемых энергоносителей. И если с новыми источниками мы определились (солнце и ветер), то с носителем их нестабильной энергии ещё нет. На эту роль претендует водород. В этот раз мы расскажем о его перспективах, а также о предсказании Жюля Верна, о ночном кошмаре Илона Маска, о самом большом в мире заводе «зелёного» водорода в Фукусиме и наших шансах на пенсии ездить до дачи на водородных электричках (шансы велики).

Построенное Toshiba предприятие Fukushima Hydrogen Energy Research Field в префектуре Фукусима — самый крупный в мире опытный завод по производству водорода через электролиз. Работы велись в рамках проекта «Hydrogen social construction technical development project/Hydrogen energy system technical development/Technical development concerning business model construction and the large-scale actual proof of a re-energy use hydrogen system» японской Организации по разработке новой энергетической и промышленной технологии (NEDO).

Источник: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation

Жюль Верн в «Таинственном острове» в 1875-м году писал:
— Вода? — переспросил Пенкроф. — Вода будет гореть в топках пароходов, локомотивов, вода будет нагревать воду?
— Да, но вода, разложенная на составные части, — пояснил Сайрес Смит. — Без сомнения, это будет делаться при помощи электричества, которое в руках человека станет могучей силой, ибо все великие открытия — таков непостижимый закон — следуют друг за другом и как бы дополняют друг друга. Да, я уверен, что наступит день, и вода заменит топливо; водород и кислород, из которых она состоит, будут применяться и раздельно; они окажутся неисчерпаемым и таким мощным источником тепла и света, что углю до них далеко! Наступит день, друзья мои, и в трюмы пароходов, в тендеры паровозов станут грузить не уголь, а баллоны с двумя этими сжатыми газами, и они будут сгорать с огромнейшей тепловой отдачей. Следовательно, бояться нечего. Пока землю населяют люди, она их не лишит своих благ, ни света, ни тепла, она отдаст в их распоряжение растения, минералы и животных. Словом, я уверен, когда каменноугольные залежи иссякнут, человек превратит в топливо воду, люди будут обогреваться водой. Вода — это уголь грядущих веков.
— Хотелось бы мне поглядеть на всё это, — заметил моряк.
— Рано ты появился на свет, Пенкроф, — вставил Наб, до тех пор не проронивший ни слова.

Инженер Сайрес Смит (на рисунке в центре) описывает не только водородную экономику. На страницах романа Жюля Верна «Таинственный остров» (1875 г.) он рассказывает, как добывать огонь без спички, определять долготу и широту, строить гончарную печь, делать нитроглицерин и гидроксил, свечи, сооружать гидравлический лифт и т.п. Источник: Rama / Wikimedia Commons

Скептично настроенный моряк из робинзонады Жюля Верна «Таинственный остров» действительно родился слишком рано, чтобы убедиться в точности прогноза Сайреса Смита. Цель превратить водород в «уголь будущих веков» в большинстве программ разных стран должна быть достигнута к 2030-2050 гг. Значит ли это, что человечество уже прошло, скажем, две трети пути к водородной экономике? Попробуем спрогнозировать, но сначала разберёмся с хронологией.

Началось всё в 1776 году с открытия водорода британцем Генри Кавендишем, который реакцией цинка и соляной кислоты получил этот бесцветный газ. В 1800 году его соотечественники Уильям Николсон и Энтони Карлайл впервые провели электролиз — известную всем нам со школы реакцию разложения воды на водород и кислород с применением электричества.

Спустя 30 лет химик из Швейцарии Кристиан Шёнбейн и британец Уильям Грове провели обратный процесс — получили электричество из водорода и кислорода, построив первые в истории топливные элементы на водороде с кислотным электролитом.

В XX веке стало больше прикладных исследований. В 1920-е гг. в немецкий инженер Рудольф Эррен реконструировал двигатели внутреннего сгорания грузовиков, автобусов и подлодок так, чтобы они могли работать на водороде и его смесях. А британец Джон Холдейн впервые предложил использовать энергию ветра для производства водорода электролизом.

Катастрофа дирижабля «Гинденбург» в 1937 году, а затем Вторая Мировая война прервали на время исследования в этой области, хотя водород активно использовался, к примеру, в блокадном Ленинграде.

Когда в Ленинграде закончился бензин, механик Борис Шелищ сумел перевести автомобильные двигатели на отработанный аэростатами водород. Источник: RIA Novosti archive / Wikimedia Commons

В 1970 году химик из США Джон Бокрис ввёл понятие «водородной экономики», предложив питать электросети американских городов энергией солнца, а в качестве её носителя использовать водород.

Все эти годы доступный и практичный газ активно осваивали в промышленности. Правда, о его экологическом потенциале не задумывались, поэтому большинство оставшихся в наследство от индустриальной эпохи способов получения водорода хотя и недорогие, но «грязные». О них далее.

5 оттенков водорода: для чего и как его добывают?

С тех пор как Джон Бокрис предложил превратить водород в энергоноситель, мировой спрос на этот газ увеличился в три раза и достиг 70 млн тонн в год. По разным оценкам, к 2040-м годам показатель возрастет до 100-200 млн тонн в год. По подсчетам Международного энергетического агентства (МЭА), для нефтепереработки вырабатывают 33% этого газа, для получения аммиака и минеральных удобрений — 27%, для синтеза метанола — 11%, а для удовлетворения нужд сталелитейной промышленности — 3%.

Водород бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичный газ, но в смеси с воздухом или кислородом горюч и опасен. Источник: Toshiba Clip

А откуда берётся водород? Львиная доля добывается из природного газа (76%) и угля (23%). Из-за этого экологически безвредный H2 получается грязным для окружающей среды — его производители выбрасывают в атмосферу столько же углекислого газа, сколько Великобритания и Индонезия вместе взятые. Чтобы раскрыть экологический потенциал водорода, его нужно производить иначе.

В последние годы сложилась «цветовая» классификация водорода по виду источника для его производства:
— серый водород — из природного газа;
— синий водород — из полезных ископаемых, но с применением технологии захвата углекислого газа (Carbon Capture and Storage, CCS), о которой мы рассказывали здесь.
— чёрный водород — из угля;
— коричневый водород — из бурого угля;
— зелёный водород — из возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Теперь посмотрим, как именно производятся «разноцветные водороды» и сколько это стоит.

Легче воздуха, но дороже доллара: сколько стоят разные виды водорода?

Начнём с ископаемых источников. Из природного газа водород производят реформингом — преобразованием CH4 путем эндотермической реакции с использованием водяного пара. Минус этой технологии — выбросы CO2, которые, впрочем, можно уменьшить до 90%, если применять технологии CCS.

Для справки: один кубометр водорода равен 0,08988 килограмма или 1,2699 литра и имеет примерно такую же энергетическую ценность, как треть литра бензина. Это означает, что сжигание 1 килограмма водорода высвобождает такое же количество энергии, как и сжигание 2,75 килограмма бензина.

«Серый» водород пока самый дешёвый. По данным МЭА, стоимость производства одного килограмма водорода 0,90–3,20 долл. США в зависимости от региона и технологии. Самая низкая цена на Ближнем Востоке (0,90 долл./кг), в США (1,00 долл./кг) и России (1,10 долл./кг) — выручают низкие цены на природный газ. В Европе и Китае получается дороже: 1,73 долл./кг 1,78 долл./кг соответственно.

«Синий» водород, вырабатываемый из природного газа с применением захвата CO2, дороже. На Ближнем Востоке он обойдётся 1,45 долл./кг, в США — 1,52 долл./кг, в России — 1,64 долл./кг, в Европе — 2,32 долл./кг, в Китае — 2,38 долл./кг.

Чтобы снизить «углеродный след» от производства водорода, можно использовать технологии захвата углекислого газа. Принцип CSS — на схеме. Источник: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation

«Чёрный» водород производят методом газификации — переработки твердого или жидкого топлива путем его окисления. Так делают в основном в Китае, где много дешёвого угля. При производстве «чёрного» водорода выбросы CO2 увеличиваются в два раза по сравнению с «серым». Но китайцев привлекает в нём цена — один килограмм «чёрного» водорода стоит 1,10 долл., а с применением захвата CO2 — 1,50 долл.

«Коричневый» водород также можно вырабатывать газификацией, но бурый уголь — пока редкость, поэтому говорить об усредненных ценах рано. Австралийцы хотят его использовать и, по их расчётам, стоимость одного килограмма «коричневого» водорода (с учётом CCS) составит 2,14–2,74 долл.

Конечную цену всех этих видов водорода в основном определяет стоимость сырья, и это главная проблема. Газ и уголь — исчерпаемые ресурсы, их цена волатильна, а «углеродный след» очень заметный. Поэтому с каждым годом всё привлекательнее и для экологов, и для экономистов идея добывать энергоноситель из воды, покрывающей 70% поверхности Земли.

«Зелёный» водород: где его производить и сколько он стоит?

Электролизом пока производится менее 0,1% водорода, но именно этот метод предполагает использование возобновляемых источников энергии.

А энергии нужно много: по подсчетам МЭА, чтобы произвести электролизом текущий годовой объём водорода (70 млн тонн), нужно электричества больше, чем вырабатывает за год Евросоюз (3,60 тыс. ТВт·ч). Поскольку технология получается энергоемкой, стоимость «зеленого» водорода в основном зависит от цен на электричество.

К счастью, они снижаются: по данным Международного агентства по возобновляемой энергии (International Renewable Energy Agency, IRENA), в 2019 году средняя стоимость «солнечного» электричества снизилась на 13% до 0,07 долл./кВт·ч. Энергия морского и сухопутного ветров подешевела на 9% соответственно до 0,05 долл./кВт·ч и 0,12 долл./кВт·ч. Электричество, выработанное из ископаемых источников, в среднем оценивается в 0,066 долл./кВт·ч.

Когда на Земле истощатся запасы воды, на электролиз пойдут запасы виски, пива, энергетиков и газировки. Источник: YouTube-канал Inventor

Со второй составляющей потенциального электролитического чуда (водой) попроще: на один килограмм водорода нужно девять литров воды. Соответственно, чтобы получить годовой объём водорода, понадобятся 617 млн куб. м воды — 1,3% мирового потребления H20 энергетикой. Вода нужна пресная, а морскую воду придётся деминерализовать. Впрочем, к цене одного килограмма водорода это добавляет всего 0,01-0,02 долл.

Сколько в итоге стоит «зелёный» водород? По данным Совета по водородной энергетике (Hydrogen Council), сейчас его цена в среднем равна 6,00 долл. за кг. МЭА даёт такую вилку: 3,00–7,50 долл./кг. Есть факторы, которые сильно влияют на стоимость «зелёного» водорода. Прежде всего, это регион.

Самые перспективные уголки планеты для водорода на возобновляемых источниках энергии — это Патагония, Северная Африка, Ближний Восток, Монголия, Австралия, Китай, США и Новая Зеландия. Здесь стоимость «зеленого» водорода составит 1,60-2,40 долл./кг. Источник: International Energy Agency

Второй фактор — масштаб производства. Чем он больше, тем ниже конечная стоимость «зелёного водорода». И поэтому, хотя Япония небольшая страна, земли для самого большого в мире завода по производству водорода на солнечной энергии компании Toshiba власти префектуры Фукусима не пожалели…

Реально мирный атом: зачем в Фукусиме построили самый большой водородный завод в мире?

По подсчётам Совета по водородной энергетике (Hydrogen Council), чтобы один килограмм «зелёного» водорода стоил 1,00-2,00 долл., к 2030 году, нужно увеличить его производство до 12 млн тонн в год. Чем больше масштаб производства, тем ниже его удельные затраты.

Чтобы понять, как большое производство водорода можно интегрировать в существующую энергосистему, компания Toshiba построила самый крупный в мире опытный завод по производству водорода через электролиз, который питает энергия солнечной электростанции (СЭС). Он называется Fukushima Hydrogen Energy Research Field, FH2R. Завод находится в посёлке Намиэ (преф. Фукусима) и занимает площадь 220 тыс. кв. м. Он состоит из солнечной электростанции мощностью 20 МВт и электролизера с входной мощностью 10 МВт.

Помимо СЭС, завод питает обычная электросеть. ВИЭ могут давать энергию с избытком, и лишний водород можно запасать для поддержания электролиза в периоды минимальной активности солнца или ветра. Но не в столь солнечной стране как Япония Toshiba решила использовать электросеть, чтобы найти экономический баланс между альтернативным традиционным источниками тока. Источник: International Energy Agency

Опытный завод FH2R будет производить до 900 тонн водорода в год для питания машин и автобусов на топливных элементах, а также для собственных нужд. Выработка достигнет 1,20 тыс. куб. м в час, то есть в сутки продукции завода хватит на заправку 560 водородомобилей и энергию для 150 домов.

Кстати, о транспорте. Путь к водородной экономике, скорее всего, лежит через баки личных авто, автобусов и грузовиков, где водород заменит бензин. Как и когда это произойдёт?

Ночной кошмар Илона Маска: победят ли водородомобили «Теслу»?

Машины на топливных элементах — программа минимум водородной революции. Такой транспорт в центре внимания программ большинства принявших их стран.

Водород содержит больше энергии на единицу массы, чем природный газ или бензин, что делает его привлекательным в качестве транспортного топлива. Из плюсов ещё быстрая заправка (в отличие от электрокаров), больший запас хода (около 400 км при средних 250 км у электромобилей), низкий вес сырья, отсутствие выбросов CO2, более экологичная и простая утилизация топливных ячеек по сравнению с батареями электрокаров.

Сейчас по миру ездят более 25 тыс. машин на водороде — в два раза больше чем в 2018. В основном это Toyota Mirai (о которой мы однажды писали здесь, на «Хабре»), Hyundai Nexo и Honda Clarity Fuel Cell, хотя в Китае доминируют автобусы и грузовики. Но водородомобилей гораздо меньше, чем их прямых конкурентов — электрокаров на батареях, число которых приблизилось к 7,2 млн. Почему?

Во-первых, водородные машины дороже. К примеру, Toyota Mirai стоит 58,5 тыс. долларов США, а Tesla Model 3 — 35 тыс. долл. Дорогими выходят два основных компонента водородомобиля — топливные элементы и бак. Однако и эта проблема в перспективе будет решена увеличением масштабов производства. Если сейчас стоимость топливной ячейки для водородной машины составляет 230-180 долл/кВт·ч, то при увеличении их выпуска с 1 тыс. до 500 тыс. единиц в год она снизится до 45 долл/кВт·ч. Цена водородного бака при таком же увеличении масштаба снизится с 23 долл/кВт·ч до 14-18 долл./кВт·ч.

В Toyota Mirai два водородных бака общим весом почти 88 кг. Водород в них хранится под давлением в 70 МПа. Источник: Mariordo / Wikimedia Commons

Во-вторых, есть проблема с заправками: их мало — 25 тыс. водородомобилей заправляются на 470 станциях, большая часть которых находятся в Японии (113), Германии (81) и США (64). Впрочем, со временем проблему решит развитие сети заправок.

Теперь о расходах на топливо. К примеру, в Германии 1 кг водорода на общественных заправках стоит 9,50 евро. Автомобиль на топливных элементах потребляет примерно один килограмм водорода на 100 км. Таким образом, затраты на топливо сопоставимы со средним бензиновым автомобилем, который потребляет 7 литров на 100 км.

В сумме капитальные и текущие затраты на водородомобиль оцениваются экспертами МЭА примерно в 0,65 долл./км, тогда как у электромобилей он составляет порядка 0,58 долл./км., но в перспективе они сравняются. По прогнозу Совета по водородной энергетике, личные авто станут конкурентоспособными к 2030 году при снижении цены водорода до 2,00 долл./кг. А что с другими областями применения водорода?

Резюме: когда начнётся эпоха водорода (и начнётся ли вообще)?

Эксперты Совета по водородной энергетике посчитали, при какой цене за килограмм водород станет конкурентной альтернативой другим энергоносителями с малым «углеродным следом».

Водород уже незаменим в качестве сырья в промышленности, а в будущем его перспективы связаны с транспортом и поставками тепло- и электроэнергии для гражданских и промышленных потребителей. Источник: Path to Hydrogen Competitiveness. A Cost Perspective // 20 January 2020, Hydrogen Council

Когда цена килограмма водорода опустится до 4,00-5,00 долл., конкурентоспособными станут грузовики и автобусы, курсирующие по длинным маршрутам. Причём это может произойти уже через 5 лет. С личными авто и фургонами ситуация иная: даже если цена водорода снизится, их стоимость может остаться высокой относительно электрокаров. Тогда покупать водородомобили будут только автомобилисты с приоритетами быстрой заправки и те, кто использует авто очень интенсивно, например, таксисты. Чтобы превратить маленькие авто в конкурентов Tesla, нужно снизить цену водорода до 1,00-1,50 долл./кг.

А вот электрички на топливных элементах уже вполне могут тягаться с обычными на маршрутах до 50 км с высокой частотой рейсов. Чтобы они сохранили привлекательность, доля расходов на топливо должна упасть с текущих 40-50% до 20-30%, что может произойти при цене 4,5 долл./кг водорода к 2030 году.

Совсем скоро (примерно к 2023 году) могут завоевать мир погрузчики, которые уже сейчас активно используются в Китае при цене 1 кг водорода в 7,00-9,00 долл.

По трубопроводам водород можно подавать в жилые здания. В этом случае он сможет заменить для электричества и отопления домов природный газ с применением технологии захвата углекислого газа. При снижении цены до 3,00-5,40 долл./кг водород становится более выгодным, чем другие системы отопления, скажем, на биометане. Но с природным газом без CCS водород справится только если будет стоить меньше 1,00 долл./кг. В качестве источника электроэнергии топливные ячейки на водороде станут конкурентными при цене 1,90 долл./кг.

Итак

Как видим, полностью водородной экономика к середине этого века всё же не станет. По прогнозу Международного совета по водороду, при цене 1,8 долл./кг водород сможет покрывать до 15% мирового спроса на энергию к 2030 году, а к 2050 году — 18%. По-видимому, мы, как и жюльверновский моряк Пенкроф, родились слишком рано, чтобы увидеть, как водород станет «углем эпохи». Скорее всего, этот газ будет играть важную роль в многофакторной энергетике и действительно заменит ископаемые в некоторых регионах и сферах применения, но ему ещё долго придётся конкурировать с другими источниками и носителями энергии.

• тошиба
• toshiba
• энергетика
• водород
• водородная энергетика
• зеленая энергия
• альтернативная энергетика

• Блог компании Toshiba
• Научно-популярное
• Энергия и элементы питания
• Экология
• Будущее здесь

Водородная энергетика: ключевые направления развития, пересмотр планов, инвестиции

Водород как энергоноситель, выполняет роль важного инструмента по сокращению выбросов парниковых газов, декарбонизации энергетики, транспортного сектора и промышленности. Роль водорода в энергобалансе будет возрастать. Во-первых, идет процесс декарбонизации, переход к безуглеродной энергетике. Во-вторых, остро стоит вопрос сбалансированности системы, построенной на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ).

Подписывайтесь на Telegram-канал!

Для того чтобы обеспечить надежность энергосистемы, необходимо отработать технологии хранения энергии. И роль водорода как элемента системы хранения будет расти. В третьих, все государства стремятся к энергобезопасности, энергонезависимости. Именно водород сегодня находится в центре мировой энергетической повестки, и даже самые консервативные оценки говорят о том, что к 2050 году его роль в энергобалансе может составить порядка 18−20%. Фактически он будет сопоставим с такими энергоносителями, как газ, нефть, уголь. Принято выделять цветовые градации водорода, соответствующие степени его экологичности и способу получения. Рис.1. Способы получения водородного топлива
Источник: ACIL ALLEN Consulting, анализ ИЦ «Энерджинет» В настоящее время порядка 75% объема мирового производства водорода приходится на «серый» водород. Для его получения природный газ нагревают и смешивают с паром, что является самым дешевым и одновременно наименее экологич-ным способом производства водорода. В данном процессе выделяется большое количе-ство углекислого газа. Больше 20% водорода относится к «коричневому» или «бурому» типу. Его по лучают путем газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы. «Голубой» водород получают из природного газа, при этом вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее, идеально чистым этот метод назвать нельзя, поскольку диоксид углерода нужно утилизировать, а это снижает экономическую эффективность энергетики.

« Розовый» или «красный» водород производят при помощи атомной энергии. Для получения «бирюзового» водорода природный газ нагревают до 900 °C в вакууме. Побочным продуктом такого метода производства является твердый углерод, который можно использовать в промышленности и легко утилизировать. Но самым экологически чистым считается «зеленый» водород — он произво дится из возобновляемых источников энергии (ВИЭ) методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого: вода, электролизер и большое количество электроэнергии. Именно на «зеленый» водород делают ставку в альтернативной энергетике, т.к. он в будущем может полностью заменить ископаемое топливо.

Состояние водородной энергетики в мире.

Ведущие страны мира, отдельные регионы и крупные корпорации декларируют свои долгосрочные стратегические цели по снижению выбросов парниковых газов (или углеродного следа в выпускаемой продукции) для борьбы с глобальным изменением климата. Таблица 1 — Заявленные национальные цели по сокращению выбросов парниковых газов

Страна	Декларируемые сокращения выбросов парниковых газов
США	к 2025 г. сократить выбросы парниковых газов на 26-28 % от уровня 2005 г.
Канада	к 2030 г. — на 30 % от уровня 2005 г.
Германия	к 2030 г. — на 40-55 % от уровня 1990 г., к 2050 г. — на 80-95 %.
Франция	к 2030 г. — на 40 % от уровня 1990 г.
Норвегия	к 2030 г. — на 40 % от уровня 1990 г.
Бразилия	к 2025 г. — на 40 % от уровня 2005 г.
Мексика	к 2030 г. — на 22-36 % от базовой линии
Китай	к 2030 г. сократить удельные выбросы парниковых газов на 1 долл. ВВП на 65 % с выходом на пик по абсолютной величине выбросов не позднее 2030 г.
Австралия	к 2030 г. — на 26-28 % от уровня 2005 г.

Источник: Центр энергетики СКОЛКОВО В десятку лидеров по абсолютным значениям выбросов парниковых газов входят такие страны, как Китай, США, Индия, Россия, Япония, Германия, Южная Корея, Иран, Саудовская Аравия и Канада, на долю которых в 2021 г. пришлось 68 % общих мировых выбросов. Согласно умеренному сценарию специалистов Центра EnergyNet, принятому в ка-честве базового, к 2025 г. мировой рынок водородной энергетики должен достичь 26 млрд.долл., при этом в период 2025–2040 гг. цены на водородное топливо должны сни-жаться с 4 тыс. до уровня 2 тыс. долл. за тонну. Рис. 2. Три варианта прогноза развития объемов мирового рынка водородного топлива
Источник: данные Центра EnergyNet. Согласно прогнозам компании Persistence Market Research, в период 2020–2025 гг. среднегодовой рост мирового рынка водорода в целом составит 6,1 % и к концу 2025 г. стоимость рынка достигнет 200 млрд. долл. Следует подчеркнуть, что водородный рынок – это не только сам водород, но и способы его производства, транспорта, использования. Это большой зарождающийся ры-нок разнообразной продукции машиностроения, химии и новых материалов. Оценка его объемов на нынешнем этапе – весьма приблизительная. В настоящее время этого рынка, по сути, нет. Почти все 90 млн тонн производимого водорода используются на месте, для удовлетворения собственных нужд. Согласно сценарию APS (Announced Pledges Scenario) МЭА, заложенный в водородных стратегиях государств объем годового производства должен вырасти в среднем до 150 млн т в 2035 г. и 250 млн т в 2050 г. Таблица 2 – Основные характеристики мирового рынка водорода

Единица измерения	2020	2025	2035	2050
Производство энергии	ЭксаДжоуль	589	620	661	674
Производство водорода	млн. тонн	90	105	150	250
Доля энергетического водорода	%	1	5	25	50
Себестоимость взвешенная	долл./кг	1,22	1,55	2,05	2,37
Общая себестоимость	млрд. долл.	1	8	77	296
Экспорт водорода из РФ	млн. тонн	0	0,2	2-12	15-50
Доля экспорта РФ на мировом рынке водорода	%	0	4	5-32	12-40

Источник: данные МЭА Из приведенных данных видно, что официально декларируемая доля водородной энергетики в мировом масштабе в 2050 г. в лучшем случае составит 0,5% в массовом (в пересчете на тонны условного топлива), 2% в энергетическом и 2,5% в денежном исчислении. С финансовой точки зрения такая доля соответствует уровню сегодняшнего рынка каменного угля; с точки зрения энергоемкости – находится на уровне сегодняшней гидроэнергетики. По прогнозу МИЭ к 2030 году общее потребление чистого водорода и водорода в смеси в мире составит 156 млн тонн, что на 37 млн тонн превышает нынешний объем по-требления этого продукта, который оценивается в 119 млн тонн. Рис.3. Динамика потребления чистого водорода и водорода в смеси в мире по сегментам производства, млн тонн
Источник: МИЭ Несмотря на мировые тенденции перехода на возобновляемый водород, большая доля технологий производства водорода в ближайшее время будет основываться на про-изводстве ископаемого водорода с улавливанием углекислого газа. Этот факт находит подтверждение в действующих национальных водородных стратегиях. Анализируя водородные стратегии, следует заключить, что начало масштабного производства чистого водорода в большинстве стран намечено на 2030 — е годы. В пере-ходный период, до 2050 — х годов, политика стран по применению водорода в качестве энергоносителя, не направлена на единственное применение технологий «зелёного» про-изводства водорода. По планам и перспективам большинство стран намерены реализовы-вать декарбонизацию промышленности в сочетании нескольких производственных про-цессов, в том числе используя технологии улавливания CO2 или применяя атомную энергетику. Таблица 3 – Выдержки из водородных стратегий некоторых стран мира

Страна	Название стратегии	Ориентиры
Япония	Базовая водородная стратегия 2017 года	Технологическая демонстрация возможности хранения и транспортировки водорода из-за рубежа к 2022 году; Внедрение полномасштабного производства «зеленого» водорода в объёме 300 000 тонн примерно к 2030 году; Реализация полноценного внутреннего использования водорода, не содержащего двуокиси углерода, в объеме 3-5 млн. тонн примерно к 2050 году.
ЕС	Развитие водородной стратегии для достижения цели климатически нейтральной Европы	Производство «зелёного» водорода к 2024 году до 1 миллиона тонн в год; Производство «зелёного» водорода к 2030 году до 10 миллионов тонн в год; Производство «зелёного» водорода с 2030 по 2050 год в системно значимых масштабах.
Германия	Национальная водородная стратегия 2020 года	Производство «зелёного» водорода к 2030 г. до 152 000 тонн в год.
Франция	Национальная стратегия развития декарбонизации и водородной энергетики Франции	Производство низкоуглеродного водорода к 2030 году около 197 000 тонн в год; Производство низкоуглеродного водорода к 2030 году на 30 % основывается на производстве с применением атомной энергии.
Россия	Концепция развития водородной энергетики в Российской Федерации	Запуск к 2024 году пилотных проектов с применением технологии улавливания и использования углекислого газа, а также электролиза воды; Производство водорода на экспорт с объемами до 2 млн. тонн в 2035, выход на серийное производство чистого водорода; Поставка 15 млн. тонн водорода на экспорт к 2050 году. Переход на масштабное использование зелёного водорода, за счет удешевления технологии производства от ВИЭ.

• Ориентированные на внутреннее производство и / или импорт водорода – страны Европейского союза (в частности, Германия), Япония, Республика Корея и другие;
• Ориентированные на внутреннее производство и экспорт водорода – Россия, Австралия, Чили и другие;
• Ориентированные на внутреннее производство и потребление водорода – Великобритания, Китай.

Нормативно-правовая база по развитию водородной экономики в России

Тренд на декарбонизацию, предложенный Парижским соглашением по климату (2015), поддержан Россией, что свидетельствует о взвешенной позиции страны в обозначенном вопросе.

В настоящее время в России сформирован пакет нормативно-правовых актов и стратегических документов, нацеленных на активизацию производственных мощностей внутри страны и завоевание мирового рынка водородной энергетики.

Рис.4. Стратегические документы, стимулирующие развитие водородной
экономики в России

Первые цели и задачи по развитию производства и потребления, экспорта водорода из России и вхождению РФ в число мировых лидеров в этой отрасли были зафиксированы в июне 2020 года в Энергетической стратегии РФ. Согласно данной стратегии, водород, используемый сегодня в основном в химической и нефтехимической промышленностях, в перспективе способен стать новым универсальным энергоносителем и сформировать «водородную экономику».

В октябре 2020 года была утверждена «дорожная карта» развития водородной энергетики до 2024 года, в которой приводится комплекс мероприятий, направленных на успешную реализацию проектов в области водородной энергетики в России, поддержку НИОКР, а также на совершенствование нормативно-правового регулирования и соответствующих механизмов государственного стимулирования.

В августе 2021 года Правительство утвердило Концепцию развития водородной энергетики. Совместно с «дорожной картой» эти два документа определяют цели и задачи развития новой индустрии на различных горизонтах планирования. В числе стратегических инициатив Концепции выделены:

• запуск пилотных проектов по производству низкоуглеродного водорода,
• создание консорциумов по производству оборудования и комплектующих,
• формирование инфраструктуры для хранения и транспортировки энергоносителя.

Помимо этого, отмечается необходимость создания водородных и промышленных кластеров, развитие возобновляемых и иных низкоуглеродных источников энергии для производства водорода.

Положения Концепции водородной энергетики России декларируют создание минимум четырех территориальных производственных водородных кластеров в целях именно комплексного развития водородной энергетики, включающего генерацию ВИЭ, электролиз, производство, хранение и транспортировку водорода:

1. Северо-Западный кластер с ориентацией на экспорт в страны Евросоюза.
2. Восточный кластер с ориентацией на экспорт в Азию и развитие водородных инфраструктур в сфере транспорта и энергетики.
3. Арктический кластер с ориентацией на создание низкоуглеродных систем энергоснабжения территорий Арктической зоны РФ и экспорт водорода.
4. Дополнительно может быть создан Южный кластер, который в качестве источника энергии и ресурсов будет базироваться на природном газе и ВИЭ.

Последние данные Минэнерго утверждают создание 5 кластеров, включающих ре-ализацию производства водорода и аммиака:

• Сахалин (проект «Росатома» по транспортировке «голубого» водорода морем в Китай).
• Якутия (проект Северо-Восточного альянса по транспортировке «голубого» во-дорода в Китай по железной дороге).
• Ямал (проект НОВАТЭКа по экспорту «голубого» водорода морем в Германию).
• Восточная Сибирь (поставки En+ «зеленого» водорода в Китай по железной до-роге).
• Северо-Запад (проекты «зеленого» водорода «Росатома», «Роснано», «H2 Чистая энергетика»).

Одним из важных документов, стимулирующих развитие водородной энергетики в России, является Стратегия социально-экономического развития РФ с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года. Реализация Стратегии предусматривает создание комплексов по производству низкоуглеродного водорода, создание экспортного сек-тора для выхода на международный рынок, наращивание доли водорода в экспортируемой продукции.

В первых числах декабря 2021 года утверждена «дорожная карта» развития высокотехнологичной области «Развитие водородной энергетики и декарбонизация промышленности и транспорта на основе природного газа» с целью развития конкурентоспособных отечественных технологий производства «низкоуглеродного» водорода из природного газа, хранения, транспортировки и применения водорода, определения геологических структур, пригодных для закачки и хранения диоксида углерода, а также развития экономически и технически обоснованных технологий по улавливанию, хранению и использованию диоксида углерода и др.

Все вышеперечисленные документы нацелены на то, чтобы Россия стала ведущим игроком на мировом рынке водородной энергетики, что обусловило в настоящее время активное взаимодействие государственных органов власти и бизнеса в этом направлении. По инициативе и координации «РОСНАНО» крупнейшие компании РФ сформиро-вали Рабочую Группу по разработке комплексной национальной Программы развития отрасли водородной энергетики РФ. В состав рабочей группы вошли 26 крупнейших энергетических компаний РФ, представителей финансовых организаций и институтов развития. Сегодня в стадии доработки находится комплексная программа развития отрасли низкоуглеродной водородной энергетики в Российской Федерации до 2035 года. Направление развития водородных технологий по-прежнему является одним из самых приоритетных, несмотря на санкционное давление. В настоящее время корректируются целевые показатели программы в пользу увеличения доли отечествен-ных технологий и сокращения экспортных планов.

Состояние водородной энергетики в России

В настоящее время водородными технологиями в России занимается несколько де-сятков компаний, в их числе «Газпром», «Росатом», «РОСНАНО», НОВАТЭК, H2 Чистая Энергетика и др. Данные компании разрабатывают и инвестируют в разработки технологий производства, хранения и транспортировки водорода, утилизации СО2, а также над использованием водорода в различных областях промышленности, в энергетике и транспорте.

Все планируемые к реализации проекты по производству водородной энергетики в России представлены в Атласе российских проектов по производству низкоуглеродного и безуглеродного водорода и аммиака, подготовленном Минпромторгом РФ. В данном атласе приведены 41 пилотный проект в 18 регионах России, реализация которых будет способствовать созданию полноценной водородной индустрии в России.

Рис.5. Атлас российских проектов по производству низкоуглеродного и безуглеродного водорода и аммиака

Источник: Минпромторг РФ

Одним из ключевых проектов по производству водородной энергетики следует считать формирование водородного кластера в Сахалинском регионе. Несколько крупнейших компаний, в том числе «Росатом», H2 Чистая Энергетика планируют к реализации организационный механизм по производству, экспорту в страны АТР и развитию внутреннего потребления водорода, прежде всего, зеленого. Территория Сахалина обладает избыточными ресурсами для запуска подобных проектов, в том числе, сырьевыми (природный газ, уголь) и энергетическими (развитая инфраструктура генерации с применением ВИЭ).

Планируется строительство завода по производству водорода из природного газа методом паровой конверсии метана, реализуется пилотный проект по использованию водорода на железнодорожном транспорте, в том числе, в перспективе создание железнодорожной ветки, по которой будут ходить только водородные поезда. Также власти региона рассматривают в качестве перспективного направления получение «зеленого» водорода и намерены до 2030 г. наладить его производство до 100 тыс. т/год. «Росатом» рассматривает Сахалин как ключевую площадку для крупнотоннажного производства водорода.

Таблица 4 – Российские проекты по производству водородной энергетики на Сахалине

Водородная энергетика – как широко, как скоро

Экономический рост неразрывно связан с доступностью энергии. Последние 100 лет — это энергия углеводородного сырья. С началом 21 века нарастание негативных экстерналий углеводородной модели развития потребовало поиска альтернативных источников и носителей энергии. Один из наиболее перспективных кандидатов — водород. Мы приводим аргументы в пользу того, что переход на в основном водородную энергетику, станет переходом к водородной экономике. Потребность в углеводородном сырье сохранится, водород и возобновляемые источники энергии будут развиваться не вместо, а вместе с углеводородным сырьем. Технологические и финансовые факторы определят как широко и как скоро произойдет переход к в основном водородной экономике.

Глобальный экономический рост и источники энергии для него

Обеспеченность энергией – ключевое условие экономического развития общества. Технологическое развитие современной цивилизации позволило за последние сто лет поднять средний уровень энергообеспеченности на одного человека в экономически развитых странах примерно в 100 раз. [1] (J. Y. Tsao, 2018) Основным источником энергии для этого роста стало углеводородное сырье (УВС) – уголь, нефть и газ.

Рост энергообеспеченности способствовал значительному увеличению численности населения Земли, повышению мирового ВВП. Неравномерность уровня развития и темпов экономического роста в разных странах хорошо коррелирует с разницей в доступе к энергии.

В какой-то момент энерговооруженность экономики достигает локального максимума и даже начинает снижаться. По данным Columbia University’s Center for Global Energy Policy, доля нефти в единице мирового ВВП за период с 1973 года по 2019 снизилась на 56%, главным образом за счет сокращения ее использования для выработки электроэнергии и повышения эффективности транспорта.

Наличие энергии само по себе не гарантирует экономического роста. Более того, избыток производимой энергии может быть индикатором неустойчивости развития. Появление цифровых технологий также снижает энергоемкость значительной части товаров и услуг, все большее их число производится и потребляется в цифровой форме.

При анализе и прогнозировании энергетического баланса в РФ и ряде других стран крупнейших экспортеров углеводородного сырья необходимо учитывать фактор экспорта углеводородного сырья, а также долю такого экспорта в ВВП и важность приносимой таким экспортом валютной выручки. Уточнение приоритетов развития и структуры ВВП способно высвободить значительные объемы экономических ресурсов, но при этом потребует значительных инвестиций и поэтому является вопросом стратегического выбора.

Смена структуры экспорта и даже внутреннего потребления углеводородного сырья могут стать вынужденной мерой при смене парадигмы развития энергетики в мире, так называемого энергетического перехода. С учетом масштаба и глобальности изменений его точнее определять как смену не энергетической, а экономической парадигмы развития.

Правительства разных стран стараются поддержать конкурентоспособность национальных экономик и ускорить их рост за счет доступной энергии. Одновременно они объявляют о намерении соблюсти глобальные цели по декарбонизации и обеспечить национальную энергобезопасность, снижая зависимость от импорта УВС и наращивая поставки собственных низкоуглеродных источников энергии[1]. [2] (ИНЭИ РАН и МШУСколково, 2019).

Собственную программу энергоперехода формирует и Россия. В 2020 году правительство утвердило энергетическую стратегию РФ на период до 2035 года и ключевые меры по развитию водородной энергетики, в числе которых создание водородных кластеров и пилотных проектов по производству и экспорту водорода. Планируется развитие коммерческих проектов производства водорода. В конце 2020 года был создан консорциум по водородной энергетике [3] (Томский Политехнический Университет, 2020), куда вошли ведущие исследовательские и образовательные организации: ТПУ, Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, СамГТУ и СахГУ.

Главный триггер для ускорения энергоперехода и поисков новой экономико-энергетической модели развития мировой экономики – изменение климата. Дебаты относительно того, является ли оно антропогенным или, точнее, в первую очередь антропогенным, пока далеки от завершения, однако такое объяснение выглядит все более вероятным. Размер риска увеличивают накапливающиеся проблемы загрязнения окружающей среды, исчерпания водных ресурсов, неравномерности экономического развития, отсутствие надежных моделей прогнозирования будущего и недостаточная изученность влияния обратных связей в результате воздействия на окружающую среду.

Рассматривая весь спектр климатических сценариев, от благоприятного до апокалиптического, важно учитывать, что переход к новой экономико-энергетической парадигме не будет одномоментной заменой одного уклада на другой. Даже с учетом быстрого развития технологий производства энергии из возобновляемых источников нерешенными остаются вопросы накопления энергии и ее пополнения в случае долгосрочных и негативных изменений климата, которые могут на годы или даже десятилетия менять интенсивность освещенности поверхности Земли или ее значительных частей (взрыв Кракатау в увеличенных масштабах). В таких условиях наиболее реалистическим сценарием выглядит протяженный переход от «в основном углеводородной» экономико-энергетической модели к «в основном малоуглеродной» модели, т. е. сценарий «не вместо, а вместе».

Энергетические циклы и вероятные кандидаты на замену углеводородам

Биологическая эволюция и история человечества неразрывно связаны с энергией Солнца. Энергия, потребляемая напрямую, или аккумулированная естественным путем и получаемая из ископаемых источников — все это энергия солнца. Единственное исключение – атомная энергия и энергия термоядерного синтеза, использование которых в качестве источника энергии – инновация человечества.

Фокус на возобновляемые источники (ветро- и солнечная генерация) – ни что иное, как попытка устранить промежуточные этапы. Помимо генерации энергии, в этом случае требуется обеспечить ее накопление. Накопление и распределение добытой из недр энергии УВС обеспечивает инфраструктура нефте- и газопроводов, нефте- и газохранилищ. Перспективы и надежды на водород, как значимый источник энергии будущего во многом связаны с тем, что водород способен накапливать энергию в больших объемах.

Водород часто называют топливом будущего [4] (А.В. Кулагин, 2020), при этом многие страны уже имеют значительный опыт его производства и использования в промышленности и на транспорте. От печального – крушения дирижабля «Гинденбург» в Нью-Йорке в 1937 году, до успешного и многообещающего – водородных топливных элементов.

Водород рассматривался как массовое альтернативное топливо еще в начале 1990-х (Energy Policy Act of 1992). В июне 2003 года США и ЕС договорились о сотрудничестве с целью ускоренного развития «водородной экономики» с фокусом на транспортных решениях. Со второй половины 2010-х гг., на фоне усиления глобальной экологической стратегии, водородную энергетику начинают рассматривать в качестве одного из возможных ключевых направлений трансформирования мировой энергосистемы.

Главная надежда политики декарбонизации сегодня на то, что водородная энергетика позволит значительно снизить выбросы парниковых газов. При этом важно не забывать, что водород в природе в чистом виде практически не встречается. Сегодня основным источником промышленного водорода является то же самое ископаемое углеводородное сырье. Поэтому для водорода ввели градацию на «серый», «голубой» и «зеленый». «Зеленым» считается водород, произведенный с помощью технологий, не выделяющих парниковых газов, путем электролиза воды, питаемого энергией ветра и солнечных батарей.

Учитывая относительно невысокую долю ветровой и солнечной генерации в текущем мировом энергобалансе, можно понять масштаб и сложность проблемы производства значимых объемов «зеленого» водорода. Лидерами по вводу мощностей на солнечных батареях сегодня являются китайские производители Longi Green Energy Technology Co. и Sungrow Power Supply Co., которые к концу 2022 года совместно планируют ввести в строй производство электролизеров мощностью 2.5 ГВт. По оценкам BloombergNEF, к 2024 году общий ввод мощностей по производству электролизеров может составить примерно 16 ГВт и, даже, привести к перенасыщению рынка. При этом установленная мощность действующих в мире электростанций – более 2 тыс. ГВт.

Перевод в категорию «зеленой» энергии, производимой на АЭС, будет способствовать более быстрому решению задачи перехода на водород, как основной вид носителя энергии. В любом случае до «в основном водородной» энергетики еще довольно далеко, десятилетия.

Ошибкой является предположение, что развитие «в основном водородной» экономики означает исчезновение нефтегазовой отрасли. Даже при реализации сценария максимально быстрого развития альтернативных источников энергии углеводородное сырье на долгие годы останется важнейшим элементом энергобаланса, но уже не в качестве первичного, а в качестве резервного источника. Кроме того, энергия – не единственный продукт, получаемый из УВС. Химия и нефтехимия пока не имеют альтернативы углеводородам.

Водород имеет самое высокое значение энергии на единицу массы среди всех других видов топлива. Однако низкая плотность водорода при комнатной температуре означает, что в газообразном состоянии у него низкое значение энергоемкости на единицу объема.

Хранение водорода возможно в виде газа или жидкости. Для хранения газообразного водорода, как правило, используют накопители, где водород находится под высоким давлением (350–700 Бар). Жидкий водород хранят при криогенных температурах, поскольку при атмосферном давлении его точка кипения −252,8°C. Водород можно также накапливать на поверхностях твердых веществ (адсорбция) или внутри твердых веществ (абсорбция).

Исследователи в разных странах активно ищут технологии и новые материалы для хранения водорода, включая мобильные решения для использования на транспорте. Существующие решения, как правило, требуют создания крупно-объемных систем, где водород хранится в газообразном состоянии. Для стационарных систем, где занимаемая площадь не всегда является критическим параметром, это менее важно.

Очевидным кандидатом на роль инфраструктуры поставок водорода является трубопроводный транспорт – действующие нефте- и газопроводы. В марте 2021 года для обсуждения в Конгрессе США был опубликован доклад Paul W. Parfomak (Specialist in Energy and Infrastructure Policy) под названием «Транспортировка водорода трубопроводным транспортом: регулирование, исследования и государственные программы» (Pipeline Transportation of Hydrogen: Regulation, Research and Policy). Автор отчета отмечает, что выделенные трубопроводы для транспортировки водорода существуют в США уже давно, но размер водородной трубопроводной инфраструктуры мал по сравнению с размером нефтепроводной и газопроводной инфраструктуры. Трубопроводная инфраструктура, необходимая для обеспечения стратегии США в области водородной энергетики, должна значительно вырасти и охватить существенно большие территории, чем сегодня.

Отдельно отмечаются возможности использования существующих газо- и нефтепроводов для транспортировки водорода (имеется в виду не подмешивание водорода к метану, а чистый водород). В этом случае потребуется изменение конструкции компрессоров, клапанов, уплотнителей, приборов измерения, и других элементов. Также возможны частичная замена труб, укрепление сварочных швов, изменение системы контроля утечек, установка новых систем контроля и управления транспортировкой.

Сегодня в США есть как минимум два примера подобной конверсии. В 1990-е французская компания Air Liquide (один из операторов трубопроводов в районе Мексиканского залива) приобрела два нефтепровода в Техасе и успешно конвертировала их для транспортировки водорода. [5] (Jim Campbell, 2014) Хотя в прошлом такие случаи были единичны, сегодня конвертация газопроводов для транспортировки водорода все чаще рассматривается как эффективная стратегия для увеличения мощностей транспортировки водорода.

В 2020 году группа крупнейших газотранспортных компаний Европы предложила перестроить континентальную систему газопроводов и создать на ее основе «специализированную опорную водородную инфраструктуру в Европе». [6] ( Enagás, 2020) По данным Reuters, к 2040 году опорная водородная сеть в Европе может включать около 40 000 км газопроводов, адаптированных для транспортировки водорода. [7] (Reuters, 2021) Координатор этой инициативы Дэниел Мутманн, выступая перед представителями газотранспортных компаний Европы заявил: «Мы поняли, что использование существующей газотранспортной инфраструктуры для создания в Европе опорной водородной сети возможно технически и рентабельно экономически». Предполагается, что около 69% опорной сети могут составлять конвертированные существующие газопроводы. Остальные 31% нужно будет построить, главным образом в странах, где нет развитой газотранспортной сети. Размер инвестиций в подобный проект оценивается величиной от 43 до 81 млрд евро. Затраты на прокачку одного килограмма водорода оцениваются в 0,11–0,21 Евро на 100 км трубопровода; затраты на производство составляют примерно 1‑2 Евро/кг.

Одна из крупнейших энергокомпаний Германии, E.ON, уже объявила о запуске в 2021 году демонстрационного проекта по конвертации распределительного газопровода среднего давления для транспортировки чистого водорода небольшой группе промышленных потребителей для использования в системе отопления на основе модифицированных бойлеров. [8] (E.ON SE, 2020)

Конвертация газопроводов для прокачки водорода может снизить риски потери стоимости существующей трубопроводной инфраструктуры или необходимости дополнительных затрат на компенсацию такого снижения при более активном переходе к водородной энергетике. [9] (Environmental Defense Fund, 2019) Наконец, конвертация трубопроводов в пределах существующих землеотводов выглядит более привлекательным решением, чем прокладка новых маршрутов, что в последние десять лет уже стало во многих странах причиной многочисленных регуляторных и юридических сложностей и заметно удлинило период строительства новых трубопроводов.

Технологические лидеры в производстве промышленных газов оптимистичны. Air Liquide ожидает утроения выручки от проектов, связанных с водородом к 2035 и инвестирует около 8 млрд евро в создание цепочек поставки низкоуглеродного водорода и разработку экосистем на основе низкоуглеродного водорода для применения в промышленности и на транспорте.

Энергетика H₂ – источники, состояние и ожидания

Использование водорода в энергетике связано с тем, что при вступлении в реакцию с кислородом, выделяется значительная энергия и вода:

Энергия, выделяемая в результате реакции, может быть использована в виде тепла или электричества, производимого топливным элементом.

Из 70 млн тонн производимого сегодня ежегодно в мире водорода половину потребляет химическая промышленность и производство удобрений, в основном для производства аммиака и метанола. Двумя другими крупными промышленными потребителями является нефтегазовая промышленность (43%, в процессах гидрокрекинга и гидроконверсии) и производство стали. Крупнейший производитель водорода Китай производит ежегодно примерно 22 млн тонн или почти треть мирового производства, США – 10 млн тонн, Европейский союз – примерно 8,3 млн тонн.

В последнее время к наиболее часто используемым для классификации «серому», «голубому» и «зеленому» водороду стали добавлять «розовый» и «бирюзовый». «Розовый» водород активно продвигался ядерными энергетиками, которые предлагали считать такой водород «зеленым». В настоящее время Европарламент обсуждает вопрос относить ли энергию вырабатываемую АЭС к возобновляемым источникам. От исхода этой дискуссии будет во многом зависеть получение финансовых ресурсов на развитие данного направления. [10] (Power Technology, 2020)

Первые четыре завода по производству безуглеродного водорода в России планирует построить «Росатом». [11] (Vesti.ru, 2021) Полученное топливо будет поставляться на внутренний рынок и страны Европы, в страны Азиатско-Тихоокеанского региона. Это часть плана развития водородной энергетики в России стоимостью свыше 9 млрд рублей. Первый завод заработает через 3 года в Калининградской области: начнется производство «зеленого» водорода методом электролиза воды с использованием электроэнергии ВЭС. Затем построят завод по выпуску низкоуглеродного водорода методом электролиза воды с использованием электроэнергии Кольской АЭС в Мурманской области. Еще один проект будет международным – «Росатом» на Сахалине совместно с французской компанией Air Liquide начнет в 2024 году производство водорода и аммиака методом паровой конверсии метана с улавливанием CO₂.

С начала 2021 года о проектах в сегменте водородной энергетики стали активнее заявлять крупнейшие европейские нефтегазовые компании. Французские Total и Engie подписали соглашение о партнерстве в проекте Masshylia по созданию самой большой во Франции площадки по производству электроэнергии на основе «зеленого» водорода. [12] (TotalEnergies, 2021)

Европейский Союз сделал на водород главную ставку в борьбе за достижение целей Net-Zero к 2050 году. За 10 лет ЕС планирует установить электролизеры общей мощностью 40 ГВт. [13] (Reuters, 2021)

Сегодня мощность электролизеров в Европе не превышает 0,1 ГВт. В числе первых водород должен помочь декарбонизации черной металлургии и тяжелого транспорта, а также химической промышленности, где сегодня водород производится из ископаемого топлива.

По данным Совета по Водороду (Hydrogen Council) [14] (Hydrogen Council, 2021) и компании McKinsey, из 228 анонсированных проектов по производству водорода 55% или 126 проектов приходятся на Европу. Большую часть проектов планируется реализовать до 2030 года. Общие инвестиции в объявленные в мире проекты оцениваются в $300 млрд, что составит примерно 1,4% от общих капитальных затрат энергетического сектора. На долю Европы придется примерно 45% общих затрат. Отметим, что задачу привлечения финансирования для этих проектов еще предстоит решить.

Цели членов Совета по Водороду, среди которых Royal Dutch Shell Plc, BMW, Microsoft Corp и Sinopec – увеличить инвестиции в проекты по водороду к 2025 в шесть раз от уровня 2019 года. По оценкам Совета, если удастся преодолеть значительные сложности масштабирования производства водорода, создать инфраструктуру его транспортировки, хранения и многократно повысить мощности выработки электроэнергии из возобновляемых источников для производства чистого топлива, к 2028 году в регионах с избытком дешевых возобновляемых источников, таких как страны Ближнего Востока, производство водорода должно сравняться по себестоимости с производством ископаемого топлива.

По мнению специалистов BCG, водородная экономика создаст новый рынок оборудования и компонентов, размер которого оценивается примерно в $200 млрд.

Интерес к водородной энергетике проявляет и венчурный капитал, так называемый Climate Tech. По данным PitchBook [15] (The Engine, 2021), за период с января 2020 года по август 2021 года компании сегмента Climate Tech привлекли более $40 млрд, то есть на 37% больше, чем в 2018 и 2019 гг. вместе взятых. Причем это уже вторая попытка венчурных инвесторов. Первая в начале 2000‑х оказалась крайне неудачной: несмотря на примерно $50 млрд, инвестированных тогда в «зеленые» компании, и получила название «зеленого пузыря». По данным MIT, больше половины из $25 млрд, инвестированных в 2006–2011 гг. в «зеленые» технологии, оказались потеряны, поскольку большинство получивших финансирование компаний видели себя как исследовательские лаборатории и плохо понимали, как вывести свои изобретения на рынок и заработать на масштабировании успешных решений.

С тех пор многое поменялось. Возобновляемые источники на основе энергии ветра и солнца теперь могут без субсидий конкурировать по цене с ископаемыми источниками, развитие технологий литиевых батарей привело к быстрому росту в крупных городах автомобилей и мопедов с электродвигателями. Изменился и подход венчурных капиталистов к инвестированию. Вместо крупномасштабных дорогостоящих проектов они теперь предпочитают вкладывать деньги в небольшие компании с нишевыми продуктами – от новых технологий производства батарей до получения низкоуглеродного бетона или новых видов авиатоплива.

Риски текущих прогнозов.

Любой прогноз может не сбыться и поэтому содержит элемент неустранимого риска. При подписании Парижского соглашения по климату в 2015 году мало кто полагал, что цены на уголь или газ способны вырасти за год в несколько раз, а мир накроет пандемия COVID-19, последствия борьбы с которой радикально изменят глобальный экономический ландшафт.

Согласно прогнозам, в 2021 году выбросы парниковых газов снова могут вырасти до исторического максимума, поменяв тональность дискуссий последних лет, где главной темой была тема «пика потребления нефти». С началом пандемии коронавируса возникла уверенность в том, что последствием станут структурные изменения потребления, включая значительное увеличение числа работающих из дома, что также станет вкладом в ускорение энергоперехода. Однако, кроме сохраняющегося на низком уровне потребления авиакеросина, вызванного ограничениями на перемещения, во всех других секторах потребление сегодня выше, чем в 2019 году. Более того, стремление избежать общественного транспорта увеличило объемы потребления автомобильного топлива. Во многих странах вырос спрос на газ, который способен балансировать волатильность уровня выработки электроэнергии, производимой ветрогенераторами и генераторами на солнечных батареях. Временно, но значительно вырос спрос на уголь, даже при том, что долгосрочные перспективы угольной генерации не поменялись и остаются безрадостными.

Являясь подписантом Парижского соглашения по климату, Россия до определенного времени не входила в группу, активно продвигавших повестку Net-Zero. Сегодня отношение к ней меняется. Президентом и правительством РФ обозначены цели достижения углеродной нейтральности к 2060 году.

Учитывая, что доходы от нефтегазового сектора и угольной промышленности составляют примерно 35% российского бюджета, а сами эти отрасли являются крупными работодателями, достижение целей Net-Zero к 2060 году потребует значительной перестройки экономики. Текущий план выполнения условий Парижского Соглашения предполагает рост выбросов в РФ к 2030 году на 30% от уровня 1990 года. По оценке World Resources Institute это означает, что достижение Net-Zero потребует снижения выбросов на 65%.

Чуть позже, чем могли бы, к решению вопросов энергоперехода и малоуглеродной экономики подключаются международные нефтегазовые компании. Первой реакцией многих из них на активное обсуждение темы Net-Zero стала смена вывески – замена старых названий на новые с удалением из них слов «petroleum» или «oil» и объявлением себя не нефтегазовыми, а энергетическими компаниями. Тем не менее, в последнее время мы видим, как все бо́льшее число мировых нефтегазовых тяжеловесов, до недавних пор остававшихся самыми большими скептиками климатических целей 2050, все активнее начинают обсуждать и практически участвовать в проектах, направленных на выполнение целей энергоперехода. Фокус своих усилий в рамках достижения целей Net-Zero компании нефтегазового сектора видят в сборе и утилизации CO₂. При этом многие нефтяные компании до сих пор исходят из того, что выполнение целей Net-Zero исключает возможности роста. В этой связи позитивный сигнал в октябре 2021 года подала Chevron заявив, что достижение целей Net-Zero к 2050 году и рост – совсем не взаимоисключающие понятия.

Резкий рост цен на энергоносители в 2021 году и ускорение глобальной инфляции дополнительно осложнили прогнозирование динамики энергоперехода. Тем не менее, по мнению ряда наблюдателей, сегодняшняя мировая экономика вполне способна выдерживать цену на нефть и в $80, и $100 за баррель, и даже выше. [16] (Reuters, 2021) Они, в частности, отмечают, что скачок цены на нефть на 65% только в 2021 году не приведет к стагфляции в экономике развитых стран, подобной той, что наблюдалась в США в 1970-е годы. Причина – альтернативные источники энергии, ускоренное развитие отраслей с низким потреблением энергии, повышение энергоэффективности транспорта, потребительской техники и электростанций по сравнению не только с 1970-ми годами, но даже с 2008 годом, когда цены фьючерсов на нефть приближались к $150 за баррель.

Повышение цены фьючерсов на нефть в 4,3 раза по сравнению с мартом 2020 года безусловно впечатляет. Однако на фоне многолетней исторической динамики сегодняшняя цена нефти не выглядит необычно высокой. Марко Коланович и Брэм Каплан, эксперты по стратегии JPMorgan, считают, что повышенные цены не нанесут большого вреда экономическому развитию. Они считают, что «с учетом поправки на инфляцию, уровня потребительских накоплений, необходимых нефтяным компаниям капитальных затрат, уровня цен на другие активы и заработных плат, даже при цене нефти в $130 или $150 фондовый рынок и экономика в целом не должны испытывать проблем». По мнению аналитиков Bank of America, проблемы у мировой экономики начинаются, когда расходы на закупку нефти превышают 8,8% мирового ВВП, что в последний раз наблюдалось в 2008 году. В октябре 2021 года эти затраты они оценивали в 5,6% мирового ВВП, т.е. на 60% ниже.

Важно отметить, что подобный анализ, если и верен, то относится исключительно к развитым рынкам. Для многих развивающихся рынков ситуация может выглядеть совсем не так благостно. Например, для таких крупных импортеров нефти как Филиппины, Индия или Турция рост цены на нефть усугубляется одновременным падением курса местной валюты к доллару. Рекордсменом стала Турция, где баррель нефти вырос в лирах с 370 лир на начало 2021 года до 785 лир к октябрю 2021 года. В Индии и Таиланде за тот же период цены нефти в местной валюте удвоились.

Даже развитым странам нельзя игнорировать сценарии продолжительного синхронного повышения цен на разные виды энергоносителей, что, например, наблюдается на рынках сегодня. Томас Костерг, старший экономист Pictet Wealth Management, считает, что «цена на нефть в $80 сегодня ощущается более болезненно, чем раньше, поскольку, помимо нефти, пиковые цены сегодня также у газа и угля». Аналитики BofA подсчитали, что размер глобального «налога на потребление» от шока цен на энергию в этом году может составить 1,6%. Это значит, что, прогнозируя будущее, не стоит отвергать и сценарии, при которых пик спроса на УВС немного задержится. Специалисты Morgan Stanley, по новому прогнозу которых цена на нефть марки Brent в первом квартале 2022 года достигнет $95 за баррель, не исключают, что в связи с тем, что инвестиции в новые месторождения снижаются, «пик предложения нефти» может наступить быстрее, чем «пик спроса на нефть».

Отметим, что высокие цены на УВС — дополнительный стимул развития альтернативных источников энергии, доля которых в мировом энергобалансе со временем будет только нарастать. Доля нефти уже снизилась с 50% в 1970-е годы до 29% сегодня, главным образом за счет роста потребления газа. По прогнозам IEA, если странам удастся достичь целей Net Zero, к 2030 году она составит 28%, а к 2050 году – 22%. Соответственно доля возобновляемых источников за тот же период, как ожидается, вырастет с сегодняшних 12% до 19%, а затем и до 37%. Однако даже в этом случае никто не говорит о полной замене УВС на альтернативные источники энергии ни к 2050 году, ни позже.

Путь от сложившегося энергобаланса к энергобалансу экономики будущего будет сложным и небыстрым. И пройти его водородная энергетика сможет только вместе с энергетикой углеводородной.

Тридцать лет, за которые большинство стран рассчитывают достичь целей Парижского соглашения – срок длинный. Многое может поменяться так, как сегодня невозможно предвидеть. Поэтому, планируя стратегию построения водородной экономики, важно будет проверять и уточнять ее по мере движения к целям Net Zero и не реже чем каждые пять лет.

Чтобы лучше почувствовать, что любые прогнозы – это именно прогнозы, но времени на раскачку для включения в соревнование за новую водородно-углеводородную экономику будущего нет, полезно посмотреть на две фотографии, сделанные во время Пасхальных парадов по Пятой Авеню в Нью-Йорке с разницей в 13 лет, в 1900 году и в 1913 году.

На первой мы уже видим один автомобиль (отмечен красной стрелкой). На второй сложно найти хотя бы один экипаж, в который была бы запряжена лошадь. Технологии и эффективная организация быстро меняют окружающий мир, независимо от того — верим мы в них или нет и нравятся они нам или нет. Вопрос смены энергетической парадигмы и развития низкоуглеродной экономики, в значительной степени основанной на водороде, сегодня формулируется уже не в категориях «если», а в категориях – как широко, как скоро.

1. J. Y. Tsao, R. Fouquet, E.F. Shubert, The Electrification of Energy: Long-Term Trends and Opportunities, 2018. Доступно на: http://dx.doi.org/10.1557/mre.2018.6

2. Прогноз развития энергетики мира и России 2019. ИНЭИ РАН и МШУ Сколково. Москва, 2019.

4. В.А.Кулагин, Д.А.Грушевенко. Сможет ли водород стать топливом будущего? Теплоэнергетика, 2020, №4.

5. Jim Campbell, Air Liquide, Questions and Issues on Hydrogen Pipelines, Presentation to the DOE Hydrogen Pipeline Working Group Meeting, August 31, 2005. Доступно на: https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/03/f10/hpwgw_questissues_campbell.pdf

6. Enagás et al., European Hydrogen Backbone, July 2020, p. 4.

8. E.ON SE, Unique Project in Germany: Natural Gas Pipeline is Converted to Pure Hydrogen, press release, November 10, 2020

9. Environmental Defense Fund, Managing the Transition Proactive Solutions for Stranded Gas Asset Risk in California, 2019

Водородная энергетика: ключевые направления развития, пересмотр планов, инвестиции

Водород как энергоноситель, выполняет роль важного инструмента по сокращению выбросов парниковых газов, декарбонизации энергетики, транспортного сектора и промышленности. Роль водорода в энергобалансе будет возрастать. Во-первых, идет процесс декарбонизации, переход к безуглеродной энергетике. Во-вторых, остро стоит вопрос сбалансированности системы, построенной на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ). Для того, чтобы обеспечить надежность энергосистемы, необходимо отработать технологии хранения энергии. И роль водорода как элемента системы хранения будет расти. В-третьих, все государства стремятся к энергобезопасности, энергонезависимости. Именно водород сегодня находится в центре мировой энергетической повестки, и даже самые консервативные оценки говорят о том, что к 2050 году его роль в энергобалансе может составить порядка 18-20%. Фактически он будет сопоставим с такими энергоносителями, как газ, нефть, уголь.

Принято выделять цветовые градации водорода, соответствующие степени его экологичности и способу получения.

Рис. 1. Способы получения водородного топлива Источник: ACIL ALLEN Consulting, анализ ИЦ «Энерджинет»

В настоящее время порядка 75% объема мирового производства водорода приходится на «серый» водород. Для его получения природный газ нагревают и смешивают с паром, что является самым дешевым и одновременно наименее экологичным способом производства водорода. В данном процессе выделяется большое количество углекислого газа.

Больше 20% водорода относится к «коричневому» или «бурому» типу. Его получают путем газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы.

«Голубой» водород получают из природного газа, при этом вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее, идеально чистым этот метод назвать нельзя, поскольку диоксид углерода нужно утилизировать, а это снижает экономическую эффективность энергетики.

«Розовый» или «красный» водород производят при помощи атомной энергии. Для получения «бирюзового» водорода природный газ нагревают до 900°C в вакууме. Побочным продуктом такого метода производства является твердый углерод, который можно использовать в промышленности и легко утилизировать.

Но самым экологически чистым считается «зеленый» водород – он производится из возобновляемых источников энергии (ВИЭ) методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого: вода, электролизер и большое количество электроэнергии. Именно на «зеленый» водород делают ставку в альтернативной энергетике, т.к. он в будущем может полностью заменить ископаемое топливо.

Состояние водородной энергетики в мире

Ведущие страны мира, отдельные регионы и крупные корпорации декларируют свои долгосрочные стратегические цели по снижению выбросов парниковых газов (или углеродного следа в выпускаемой продукции) для борьбы с глобальным изменением климата.

Таблица 1. Заявленные национальные цели по сокращению выбросов парниковых газов

Источник: Центр энергетики СКОЛКОВО

В десятку лидеров по абсолютным значениям выбросов парниковых газов входят такие страны, как Китай, США, Индия, Россия, Япония, Германия, Южная Корея, Иран, Саудовская Аравия и Канада, на долю которых в 2021 году пришлось 68% общих мировых выбросов.

Согласно умеренному сценарию специалистов Центра EnergyNet, принятому в качестве базового, к 2025 году мировой рынок водородной энергетики должен достичь 26 млрд $, при этом в период 2025-2040 года цены на водородное топливо должны снижаться с 4 тыс. до уровня 2 тыс. $ за тонну.

Рис. 2. Три варианта прогноза развития объемов мирового рынка водородного топлива. Источник: данные Центра EnergyNet

Согласно прогнозам компании Persistence Market Research, в период 2020-2025 года среднегодовой рост мирового рынка водорода в целом составит 6,1% и к концу 2025 года стоимость рынка достигнет 200 млрд $.

Следует подчеркнуть, что водородный рынок – это не только сам водород, но и способы его производства, транспорта, использования. Это большой зарождающийся рынок разнообразной продукции машиностроения, химии и новых материалов. Оценка его объемов на нынешнем этапе – весьма приблизительная. В настоящее время этого рынка, по сути, нет. Почти все 90 млн тонн производимого водорода используются на месте, для удовлетворения собственных нужд. Согласно сценарию APS (Announced Pledges Scenario) МЭА, заложенный в водородных стратегиях государств объем годового производства должен вырасти в среднем до 150 млн тонн в 2035 году и 250 млн тонн в 2050 году.

Таблица 2. Основные характеристики мирового рынка водорода

Источник: данные МЭА

Из приведенных данных видно, что официально декларируемая доля водородной энергетики в мировом масштабе в 2050 году в лучшем случае составит 0,5% в массовом (в пересчете на тонны условного топлива), 2% в энергетическом и 2,5% в денежном исчислении.

С финансовой точки зрения такая доля соответствует уровню сегодняшнего рынка каменного угля; с точки зрения энергоемкости – находится на уровне сегодняшней гидроэнергетики.

По прогнозу МИЭ к 2030 году общее потребление чистого водорода и водорода в смеси в мире составит 156 млн тонн, что на 37 млн тонн превышает нынешний объем потребления этого продукта, который оценивается в 119 млн тонн.

Рис. 3. Динамика потребления чистого водорода и водорода в смеси в мире по сегментам производства, млн тонн. Источник: МИЭ

Несмотря на мировые тенденции перехода на возобновляемый водород, большая доля технологий производства водорода в ближайшее время будет основываться на производстве ископаемого водорода с улавливанием углекислого газа. Этот факт находит подтверждение в действующих национальных водородных стратегиях.

Анализируя водородные стратегии, следует заключить, что начало масштабного производства чистого водорода в большинстве стран намечено на 2030-е годы. В переходный период, до 2050-х годов, политика стран по применению водорода в качестве энергоносителя, не направлена на единственное применение технологий «зеленого» производства водорода. По планам и перспективам большинство стран намерены реализовывать декарбонизацию промышленности в сочетании нескольких производственных процессов, в том числе используя технологии улавливания CO₂ или применяя атомную энергетику.

Таблица 3. Выдержки из водородных стратегий некоторых стран мира

Кроме того, более 20 стран и объединений обнародовали свои стратегии, концепции и «дорожные карты» в сфере водородной энергетики. Условно их можно разделить на три группы:

• ориентированные на внутреннее производство и / или импорт водорода – страны Европейского союза (в частности, Германия), Япония, Республика Корея и другие;
• ориентированные на внутреннее производство и экспорт водорода – Россия, Австралия, Чили и другие;
• ориентированные на внутреннее производство и потребление водорода – Великобритания, Китай.

Нормативно-правовая база по развитию водородной экономики в России

Тренд на декарбонизацию, предложенный Парижским соглашением по климату (2015 год), поддержан Россией, что свидетельствует о взвешенной позиции страны в обозначенном вопросе.

В настоящее время в России сформирован пакет нормативно-правовых актов и стратегических документов, нацеленных на активизацию производственных мощностей внутри страны и завоевание мирового рынка водородной энергетики.

Рис. 4. Стратегические документы, стимулирующие развитие водородной экономики в России. Источник: АРВЭ

Первые цели и задачи по развитию производства и потребления, экспорта водорода из России и вхождению РФ в число мировых лидеров в этой отрасли были зафиксированы в июне 2020 года в Энергетической стратегии РФ. Согласно данной стратегии, водород, используемый сегодня в основном в химической и нефтехимической промышленностях, в перспективе способен стать новым универсальным энергоносителем и сформировать «водородную экономику».

В октябре 2020 года была утверждена «дорожная карта» развития водородной энергетики до 2024 года, в которой приводится комплекс мероприятий, направленных на успешную реализацию проектов в области водородной энергетики в России, поддержку НИОКР, а также на совершенствование нормативно-правового регулирования и соответствующих механизмов государственного стимулирования. В августе 2021 года Правительство утвердило Концепцию развития водородной энергетики. Совместно с «дорожной картой» эти два документа определяют цели и задачи развития новой индустрии на различных горизонтах планирования.

В числе стратегических инициатив Концепции выделены:

• запуск пилотных проектов по производству низкоуглеродного водорода;
• создание консорциумов по производству оборудования и комплектующих;
• формирование инфраструктуры для хранения и транспортировки энергоносителя.

Помимо этого, отмечается необходимость создания водородных и промышленных кластеров, развитие возобновляемых и иных низкоуглеродных источников энергии для производства водорода.

Положения Концепции водородной энергетики России декларируют создание минимум четырех территориальных производственных водородных кластеров в целях именно комплексного развития водородной энергетики, включающего генерацию ВИЭ, электролиз, производство, хранение и транспортировку водорода:

1. Северо-Западный кластер с ориентацией на экспорт в страны Евросоюза;
2. Восточный кластер с ориентацией на экспорт в Азию и развитие водородных инфраструктур в сфере транспорта и энергетики;
3. Арктический кластер с ориентацией на создание низкоуглеродных систем энергоснабжения территорий Арктической зоны РФ и экспорт водорода;
4. Дополнительно может быть создан Южный кластер, который в качестве источника энергии и ресурсов будет базироваться на природном газе и ВИЭ.

Последние данные Минэнерго утверждают создание 5 кластеров, включающих реализацию производства водорода и аммиака:

• Сахалин (проект Росатома по транспортировке «голубого» водорода морем в Китай);
• Якутия (проект Северо-Восточного альянса по транспортировке «голубого» водорода в Китай по железной дороге);
• Ямал (проект НОВАТЭКа по экспорту «голубого» водорода морем в Германию);
• Восточная Сибирь (поставки En+ «зеленого» водорода в Китай по железной дороге);
• Северо-Запад (проекты «зеленого» водорода Росатома, Роснано, H2 Чистая энергетика).

Одним из важных документов, стимулирующих развитие водородной энергетики в России, является Стратегия социально-экономического развития РФ с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года. Реализация Стратегии предусматривает создание комплексов по производству низкоуглеродного водорода, создание экспортного сектора для выхода на международный рынок, наращивание доли водорода в экспортируемой продукции.

В первых числах декабря 2021 года утверждена «дорожная карта» развития высокотехнологичной области «Развитие водородной энергетики и декарбонизация промышленности и транспорта на основе природного газа» с целью развития конкурентоспособных отечественных технологий производства «низкоуглеродного» водорода из природного газа, хранения, транспортировки и применения водорода, определения геологических структур, пригодных для закачки и хранения диоксида углерода, а также развития экономически и технически обоснованных технологий по улавливанию, хранению и использованию диоксида углерода и др.

Все вышеперечисленные документы нацелены на то, чтобы Россия стала ведущим игроком на мировом рынке водородной энергетики, что обусловило в настоящее время активное взаимодействие государственных органов власти и бизнеса в этом направлении. По инициативе и координации Роснано крупнейшие компании РФ сформировали Рабочую Группу по разработке комплексной национальной Программы развития отрасли водородной энергетики РФ. В состав рабочей группы вошли 26 крупнейших энергетических компаний РФ, представителей финансовых организаций и институтов развития. Сегодня в стадии доработки до конца 2022 года комплексная программа развития отрасли низкоуглеродной водородной энергетики в Российской Федерации до 2035 года.

Направление развития водородных технологий по-прежнему является одним из самых приоритетных, несмотря на санкционное давление. В настоящее время корректируются целевые показатели программы в пользу увеличения доли отечественных технологий и сокращения экспортных планов.

Состояние водородной энергетики в России

В настоящее время водородными технологиями в России занимается несколько десятков компаний, в их числе Газпром, Росатом, Роснано, НОВАТЭК, H2 Чистая Энергетика и др. Данные компании разрабатывают и инвестируют в разработки технологий производства, хранения и транспортировки водорода, утилизации СО₂, а также над использованием водорода в различных областях промышленности, в энергетике и транспорте.

Все планируемые к реализации проекты по производству водородной энергетики в России представлены в Атласе российских проектов по производству низкоуглеродного и безуглеродного водорода и аммиака, подготовленном Минпромторгом РФ. В данном атласе приведены 41 пилотный проект в 18 регионах России, реализация которых будет способствовать созданию полноценной водородной индустрии в России.

Рис. 5. Атлас российских проектов по производству низкоуглеродного и безуглеродного водорода и аммиака. Источник: Минпромторг РФ

Одним из ключевых проектов по производству водородной энергетики следует считать формирование водородного кластера в Сахалинском регионе. Несколько крупнейших компаний, в том числе Росатом, H2 Чистая Энергетика планируют к реализации организационный механизм по производству, экспорту в страны АТР и развитию внутреннего потребления водорода, прежде всего, зеленого. Территория Сахалина обладает избыточными ресурсами для запуска подобных проектов, в том числе, сырьевыми (природный газ, уголь) и энергетическими (развитая инфраструктура генерации с применением ВИЭ).

Планируется строительство завода по производству водорода из природного газа методом паровой конверсии метана, реализуется пилотный проект по использованию водорода на железнодорожном транспорте, в том числе, в перспективе создание железнодорожной ветки, по которой будут ходить только водородные поезда. Также власти региона рассматривают в качестве перспективного направления получение «зеленого» водорода и намерены до 2030 года наладить его производство до 100 тыс. тонн/год. Росатом рассматривает Сахалин как ключевую площадку для крупнотоннажного производства водорода.

Таблица 4. Российские проекты по производству водородной энергетики на Сахалине

Источник: по данным Минпромторга РФ

В Мурманской области планируется реализация 6 пилотных проектов по производству водорода, в частности, крупный пилотный проект по производству низкоуглеродного водорода на площадке Кольской АЭС.

Таблица 5. Российские проекты по производству водородной энергетики в Мурманской области

Источник: по данным Минпромторга РФ

В Архангельской области и на Камчатке прорабатываются вопросы производства «зеленого» водорода с использованием электроэнергии приливных электростанций. Так, в Архангельской области рассматривается Мезенская ПЭС мощностью до 12 ГВт с прогнозируемым объемом производства водорода до 500000 тонн/год к 2030 оду и до 1 млн тонн/год к 2033 году. Ключевыми участниками проекта выступают Агентство регионального развития Архангельской области и НордЭнергоГрупп. В Камчатском крае – Пенжинская ПЭС мощностью до 100 ГВт с производством водорода до 5 млн тонн/год к 2031 году. Ключевыми участниками проекта являются H2 Чистая Энергетика и Корпорация развития Камчатского края.

Переход на производство водорода и метано-водородной смеси рассматриваются в качестве вариантов низкоуглеродного развития Газпрома до 2050 года. Одним из направлений низкоуглеродного развития госкомпании может стать переход на производство и использование водорода и метано-водородных смесей для диверсификации и повышения эффективности использования природного газа, говорится в документе. Компания «Газпром энергохолдинг», которая является дочерней структурой Газпрома в электроэнергетике, планирует начать производство «зеленого» водорода в Мурманской области в 2024 году. При этом, прогнозный объем производства H2 в 2024 году составит 2 тыс. тонн, а в 2030 году будет увеличен в 10 раз – до 20 тыс. тонн. Предполагается, что участниками проекта наряду с Газпром энергохолдингом станет ТГК-1 и другие партнеры.

Перспективы России в сфере водородной энергетики

Основной целью водородной энергетики в России следует считать развитие отечественных технологий в сфере водородной энергетики, а также обеспечение конкурентоспособности экономики страны в условиях глобального энергетического перехода.

Ключевыми направлениями использования водорода в перспективе следует считать:

• экспорт;
• декарбонизация промышленности;
• декарбонизация транспорта;
• декарбонизация сектора ЖКХ;
• робототехника.

Российская политика нацелена на производство, прежде всего:

• «Низкоуглеродного» водорода (паровая конверсия метана и газификация угля с CCUS, в т. ч. на базе АЭТС, электролиз на базе АЭС, ГЭС).
• «Возобновляемого» водорода.
• Ориентируясь на содержание Концепции развития водородной энергетики РФ и Программы развития низкоуглеродной водородной энергетики, существует четыре сценария развития водородной энергетики в России:
• «Развитие экспорта водорода» (базовый) – экспорт водорода 2,75-2,9 млн тонн к 2030 году; 11,3-11,9 млн тонн – к 2050 году.
• «Ускоренное развитие экспорта водорода» – экспорт водорода 6,4 млн тонн к 2030 году, и 30 млн тонн к 2050 году.
• «Сценарий Минэнерго» – экспорт водорода и рост внутреннего потребления до 0,2 млн тонн к 2030 году, и 4 млн тонн к 2050 году. Производство 0,5-2 млн тонн водорода для транспорта и 1-4 млн тонн для заправок в 2030-2050 годах.
• «Интенсивное развитие внутреннего рынка водорода» – производство 0,6-1,2 млн тонн водорода для внутреннего потребления, а также 1,5-5,25 млн тонн для транспорта и 3-10,5 млн тонн для заправок.

Специалистами Центра EnergyNet представлен прогноз роста рынка систем накопления электроэнергии для экспортных поставок водородного топлива из России на основе создания крупнотоннажного электролизного производства водорода и систем его дальнейшей транспортировки.

Рис. 6. Прогноз роста российского рынка систем накопления электроэнергии в водородном цикле для экспортных поставок водородного топлива. Источник: данные Центра EnergyNet

Согласно прогнозам EnergyNet, в ближайшие годы рынок водородной энергетики в России будет активно развиваться и в 2025-2035 году может достичь объемов в 2,2–3,9 млрд $ (объем мирового рынка в 2025 году составит 26 млн. $). К 2030 году Россия сможет производить уже 3,5 млн тонн водородного топлива.

Таблица 6. Планируемые объемы импорта и экспорта водорода в ряде стран, млн тонн

Источник: данные ИПЕМ

Однако, в связи с началом военных действий на Украине Минэнерго ухудшило прогноз по экспорту водорода из РФ в своем проекте комплексной программы развития водородной энергетики до 2030 года. С началом СВО Россия потеряла крупнейших мировых импортеров «голубого» и «зеленого» водорода (Германия, Япония и Южная Корея). Рынок сбыта в итоге может сжаться только до Китая. Фактический же экспорт из РФ может снизиться с 2,2 млн до 1,4 млн тонн в год к 2030 году. На создание производства в РФ потребуется 21,1 млрд $ инвестиций, экспортная выручка в настоящее время оценивается в 12,8 млрд $.

Таблица 7. Сравнение России и ее потенциальных конкурентов по экспорту водорода

Источник: данные ИПЕМ

Конкурентные преимущества России на мировом рынке водорода: существующие резервы производственных мощностей, близость к потенциальным потребителям (страны ЕС, КНР, Япония), наличие действующей инфраструктуры транспортировки природного и сжиженного природного газа.

Однако, по данным отечественных специалистов, развитию водородной энергетики препятствует ряд серьезных барьеров:

• высокие издержки производства «возобновляемого» и «низкоуглеродного» водорода;
• отсутствие оптимальных и доступных по цене технологий транспортировки и хранения водорода;
• отсутствие технологий по улавливанию и хранению углекислого газа в ряде стран, стремящихся стать значимыми производителями «низкоуглеродного» водорода;
• дефицит пресной воды в ряде стран, планирующих крупномасштабное производство водорода методом электролиза.

В частности, по данным Hydrogen Council за 2021 год производство голубого и зеленого водорода сопровождается высоким уровнем издержек.

Таблица 8. Издержки производства водорода в мире, $ / кг Н2

Источник: Hydrogen Council

В связи с наметившейся перспективой перехода к низкоуглеродной энергетике в XXI веке прогнозируется резкое увеличение спроса на водород, так как многие отрасли перейдут на новые способы производства высококачественной продукции с использованием водорода, будут востребованы экологически чистый транспорт и системы распределенного энергоснабжения, работающие на водородных топливных элементах.

Ключевая задача молодой водородной энергетики: в целях наметившейся декарбонизации мировой энергетической системы развернуть эффективное производство водорода в промышленных масштабах.

В случае организации крупного конкурентоспособного отечественного производства водорода для нашей страны откроются возможности выхода на мировой рынок водорода и сопутствующих продуктов с высокой добавочной стоимостью. Установленный курс на водородную энергетику может стать мощным стимулом для развития сектора возобновляемой энергетики в России.

Учитывая, что в перспективе до 2050 года основной рост спроса на зарубежных рынках будет приходиться именно на «зеленый» водород, необходимо усиливать поддержу развития возобновляемой энергетики для реализации крупных проектов по производству и экспорту низкоуглеродного водорода на базе ВИЭ. Тогда это позволит ВИЭ быть более конкурентоспособными по сравнению с другими видами генерации.

Группа «ДЕЛОВОЙ ПРОФИЛЬ»
www.delprof.ru

Статья опубликована в журнале «СФЕРА. Нефть и Газ» №1/2023

Статья в формате pdf →

Читайте также:

• Анализ существующих технологий конверсии отходящих газов газоперерабатывающих производств в товарный водород
• Российский приборостроительный завод «ЭЛЕМЕР» готов к грядущей эре водородной энергетики
  15.02.2022
• «Газпром нефть» укрепила лидерство на российском рынке экологичного судового топлива в 2021 году
  20.02.2022
• Компания Emerson поможет ускорить производство экологически чистого водорода
  24.01.2022
• Введение углеродного налога в мире: будущее российского экспорта «не-зеленой» продукции
• Насосы и арматура KSB для уменьшения углеродного следа
• Безопасная обработка и транспортировка СО2
• Обнаружение утечек на трубопроводах, поставщики, особенности и стандарты
• Обнаружение утечек на трубопроводах
• Автоматизированные системы управления объектами и автоматическими средствами сбора, передачи и обработки информации производства АКСИТЕХ
• Ликвидация нефтяных разливов с разделением нефти и воды
• Электронезависимый промышленный парогенератор – новая разработка инженерной компании «ИНТЕРБЛОК»
• Промышленные парогенераторы ИНТЕРБЛОК с расширенными функциональными возможностями
• Эффект от применения биотехнологии при рекультивации нефтяного загрязнения почвы на развитие растений
• Наследие черного золота из прошлого
• Современные технологии Flottweg на страже экологии
• Перспективы использования ESG-принципов в нефтегазовом секторе экономики
• Использование сбросного газа с нефтехимических комплексов в качестве топливного газа на котлах электростанций
• Современный бизнес требует бережного отношения к окружающей среде
• Метрологическая оценка объемов сжигаемого газа
• ТМК открыла на ЧТПЗ новый экологический комплекс AQA Баланс
  24.10.2023
• ТРИОФЛЕЙМ 9000. Испытания в Кургане
  26.07.2023
• ТМК получила национальную премию «ЭКОТЕХ-ЛИДЕР 2023» за проект по водоочистке
  26.07.2023
• Директор по научной работе ТМК награжден Орденом имени Вернадского
  18.07.2023
• Метран и Сбер заключили соглашение о стратегическом сотрудничестве
  11.07.2023
• ТМК запустила на ПНТЗ ресурсоэффективную технологию переработки побочных продуктов производства
  05.07.2023
• Научная работа генерального директора ООО «ККЗ» о тушении лесов и торфяников азотными станциями получила международное призвание
  31.01.2023
• Биохимическая очистка – современный подход к решению природоохранных задач
• Очистка сточной воды от нефтепродуктов: от заявки (технического задания) до проекта
• Сызранский НПЗ внедряет инновационную технологию водоочистки
  29.07.2022
• Кто должен ответить за вред природе?
• Разработка и использование инновационных технологий для создания экологически безопасных объектов нефтегазовой промышленности
• Совместный доклад АО «Нефтегазавтоматика» и АО «АТГС» на VII Международной конференции ESGI-2021
  14.12.2021
• Энергосбережение, энергоэффективность и экология
• ТМК планирует сократить выбросы СО2 на 8% к концу 2023 года
  09.09.2021
• Приборы инструментального контроля для промышленного и топливно-энергетического комплекса России
• Годовщина разлива в Норильске. Уроки катастрофы: новый ПЛАРН
  29.05.2021
• Под крылом безопасности
• Технология «Зеленая сейсмика» «Газпром нефти» признана одним из лучших экологических проектов в России в 2020 году
  01.02.2021
• Мобильная декантерная установка GEA
  17.12.2020
• «Татнефть» вошла в ТОП-10 евразийского рейтинга экологической открытости
  08.12.2020
• «Зарубежнефть» заняла I место в рейтинге экологической ответственности нефтегазовых компаний России
  04.12.2020
• Гонка эковооружений
• На страже экологии
• Водолазные работы
• Экологический мониторинг промышленных выбросов
• Не упустить момент
• Состоялся запуск нового объекта Белой металлургии Группы ЧТПЗ – AQA Генезис
  02.09.2020
• Ученые университета провели испытания по использованию разработанного моющего биоразлагаемого средства
  15.10.2020
• Глобальное потепление
• Спасатели «Газпром нефти» завершили очистку русла реки Амбарная под Норильском
  19.06.2020
• ТМК: Трубные решения для энергетики будущего
• Перспективы развития угольной промышленности в Российской Федерации: европейское эмбарго и новые рынки сбыта
• Нефтяной рынок Российской Федерации после введения потолка цен на нефть
• Налоги на нефть и газ: изменения в налогообложении нефтегазовых компаний в 2023 году
• Рынок добычи и переработки нефти 2022: ТЭК под санкциями
• Мировой рынок газа: отказ ЕС от российского газа и перспективы развития альтернативной энергетики