Министерство Энергетики

Д.А. Соловьев. Направления развития водородных энергетических технологий

Shanghai Nanpu Bridge night

Дмитрий Александрович Соловьев
Старший научный сотрудник ФГБУН «Объединенный институт высоких температур РАН» (ОИВТ РАН), к. ф.‑ м. н.,
e-mail: dsolp@ya.ru

В статье представлен обзор современных тенденций в области развития водородных энергетических технологий. Рассмотрены проблемы и перспективы применения водородных технологий в отечественной энергетике и их возможная роль в повышении эффективности использования генерирующих мощностей в России.

Введение

Развитие мировой энергетики достигло такого уровня, при котором проблемы климатических и экологических изменений приобретают статус системных ограничений устойчивого развития. Все чаще на первый план выходит вопрос о становлении нового понимания роли нетрадиционных или альтернативных энергетических ресурсов. Полезные ископаемые не в состоянии обеспечить энергетическую безопасность цивилизации даже в текущем XXI веке, а представления о неисчерпаемости ресурсов Земли, о способности окружающей среды выдерживать любую антропогенную нагрузку, все быстрее уходит в прошлое. Дальнейшее развитие цивилизации требует поэтапного перехода к более эффективным и безопасным энергоресурсам, одним из которых является водород и энергетические водородные технологии.
Сегодня в мире производство и потребление водорода растет примерно на 3,5 % в год при общем объеме использования более 100 млн т (рис. 1). Водород применяется во многих сферах экономической деятельности, перечень которых постоянно расширяется. Цена особо чистого водорода на рынке превышает стоимость технического водорода в 2‒3 раза.
Большинство прогнозов по производству и потреблению водорода в качестве энергетического топлива делает ставку на развитие технологий производства, сжижения, хранения и транспортировки водорода, а также необходимость использования более чистых видов топлива.

Современные технологии и развитие водородной энергетики

По данным Европейской комиссии, странами-­лидерами в области роста инвестиций в развитие водородной энергетики являются США, Япония, страны Евросоюза, Южная Корея и Китай.
Евросоюз и Япония при усовершенствовании водородных технологий делают акцент, в первую очередь, на улучшение экологических качеств этого топлива, в то время как США, прежде всего, стремятся к повышению энергетической безопасности и удобству использования. Китай, во многом, развивает водородные технологии желая достичь мирового технологического лидерства.
По прогнозам аналитиков, к 2050 году водородные технологии могут удовлетворить около четверти всех топливных потребностей Европы. Они обеспечат энергию, достаточную для заправки 42 миллионов легковых автомобилей, более полутора миллионов грузовиков и четверти миллиона автобусов [2]. Чтобы полностью использовать потенциал водорода, ЕС включил его в перечень шести стратегических направлений, требующих приоритетных политических решений и инвестиций.
Несмотря на огромный потенциал сектора, развитие инфраструктуры для водородной экономики остается сложнейшей задачей. Активизировать усилия в этом направлении призвана Объединенная технологическая инициатива по топливным элементам и водороду «Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking», созданная при участии Еврокомиссии, промышленности и ученых.
В энергетических дебатах водород все чаще рассматривается как ключ к успеху энергетического перехода. Эксперты из Международного энергетического агентства (IEA) подсчитали, что примесь всего 20 % водорода в европейскую газовую сеть приведет к сокращению выбросов CO2 на 60 миллионов тонн в год. Для сравнения, столько Дания эмитирует за целый год.
Когда говорят об экологически чистом, «зеленом» водороде, обычно имеется ввиду его получение методом электролиза на основе возобновляемой электроэнергии. Однако, в последнее время появились и другие новые технологические разработки. Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) в Германии разработали эффективный процесс пиролиза метана в индустриальных масштабах [3]. Пиролиз метана позволит использовать ископаемый природный газ без вреда для окружающей среды: метан будет разделяться на газообразный водород и твердый углерод, который является ценным сырьем для различных отраслей промышленности и также может безопасно храниться.

Рис. 1. Динамика роста и структура спроса на водород в мире
Источник: [1]


Две провинции Нидерландов, Гронинген и Дренте, планируют совместно создать на своих территориях «Водородную долину» [4]. Разработан план развития водородной энергетики до 2030 г. стоимостью 2,8 млрд евро, основанный на использовании «голубого» водорода, получаемого из воды с помощью возобновляемых источников энергии. «Зелёный» водород предполагается производить традиционным способом – конверсией природного газа. Образующийся в процессе углекислый газ должен закачиваться под землю для исключения парниковых выбросов. Подобные технологические процессы уже отработаны в производстве на малых установках и пока обходятся достаточно дорого. Авторы плана рассчитывают снизить себестоимость производства и транспортировки водорода благодаря эффекту масштаба.
План включает 33 конкретных проекта, среди которых – строительство подземного водородного хранилища в соляных пещерах в Зюйдвендинге, создание сети водородных заправочных станций, добавление водорода и синтез-газа в существующие газопроводы и так далее. В проектах будут участвовать Shell, Nuon, Engie, BioMCN (производитель биометанола), Gasunie (оператор газопроводной сети) и другие компании. Бизнес готов взять на себя часть затрат, ожидая, что остальные средства поступят из бюджетов Нидерландов и Евросоюза.
Мощность установок для электролиза воды планируется довести сначала до 1 МВт, а затем – до гигаваттного уровня. Кроме того, в планах разработка и строительство «водородных» ветровых турбин со встроенными электролизёрами. Электростанцию в Эмсхавене (1,32 ГВт) планируют частично перевести с природного газа на водород. После этого подземное хранилище водорода превратится в огромный аккумулятор энергии. С этого года в национальное законодательство начнут вводить поправки, необходимые для развития водородной энергетики.

Две провинции Нидерландов планируют создать «Водородную долину». Уже разработан план до 2030 г. стоимостью 2,8 млрд евро по использованию «голубого» водорода, получаемого из воды


Однако, по мнению специалистов, план разрабатывался скорее из имиджевых, чем экономических соображений.
В Великобритании начинается пилотный проект, в рамках которого водород будет добавляться в трубопроводный газ, используемый для отопления [5]. Сначала этот эксперимент затронет 130 домов. В случае успеха он будет расширен. Основной целью является снижение выбросов углекислого газа. В качестве альтернативы рассматривался переход к электрическому отоплению, но это решение оказалось слишком дорогим. Использование водорода в качестве примеси может потенциально снизить выбросы углекислого газа по стране на 6 миллионов тонн в год. Northern Gas Networks, поставщик газа для северной Англии, запустил разработку проекта теплоснабжения, где в качестве топлива используется водород. Переход с природного газа на водород потребовал инвестиций в размере 25 миллионов фунтов. Водород будет производиться из природного газа. Пилотные проекты перехода на водород в теплоснабжении планируются в конце 2020 г. В случае успеха возможно внедрение этой технологии в масштабах страны.
Интенсивно ведутся разработки новых водородных технологий в сфере переработки пластиковых отходов. Компания по переработке отходов Waste2Tricity намерена подать заявку на размещение завода по переработке пластиковых отходов в водород [6]. Если заявка будет одобрена, объект, расположенный в Чешире, будет первым в своем роде на территории Соединенного Королевства. Планируется, что завод по переработке пластиковых отходов в водород стоимостью 7 миллионов фунтов стерлингов (9,1 миллиона долларов) будет занимать 54 акра (около 22 га). Ожидается, что он сможет обрабатывать до 25 тонн пластиковых отходов в день и производить одну тонну водорода и 28 мегаватт-­часов электроэнергии. Согласно информации Waste2Tricity, завод сможет перерабатывать практически любой вид пластика, включая упаковку, жесткий пластик и даже использованные шины.
Процесс переработки, который делает это возможным, называется распределенной модульной газификацией (DMG). Он был разработан компанией PowerHouse Energy. Процесс DMG включает размещение пластиковых отходов в герметичной камере, где пластмассы нагреваются до чрезвычайно высоких температур. Эта сверхвысокая температура превращает твердый материал в синтез-газ (СО+Н2). Синтез-газ используется в другой камере для генерирования чистого водорода, который может использоваться в качестве автомобильного топлива.
Сначала установка будет использовать водород, который она вырабатывает, для производства электроэнергии на месте. После модернизации водород можно будет распределять для других целей по трубопроводу или использовать для заправки транспортных средств.
В июне 2019 г. Китайская водородная ассоциация China Hydrogen Alliance выпустила Белую книгу о китайской водородной энергетике и топливных элементах, согласно которой в краткосрочной перспективе в период с 2020 по 2025 гг. объем производства водородной промышленности достигнет 148 млрд долларов, а парк автомобилей на топливных элементах в Китае составит 50 тысяч с 200 водородными заправками [7]. В 2026–2035 гг. объем промышленного производства в отрасли вырастет до 740 млрд $, количество водородных автомобилей достигнет 15 млн а заправок водорода – 1500 станций. К 2050 г. водород будет составлять 10 % от энергопотребления Китая (60 млн тонн Н2/год), совокупная выручка от производства водорода достигнет 1 480 млрд $.

Автомобиль на водородном топливе
Источник: Hydrogen Council


За первые семь месяцев 2019 года установленная мощность водородных топливных элементов в Китае выросла на 642,6 % по сравнению с аналогичным периодом прошлого года (до 45,9 МВТ), несмотря на прекращение государственных субсидий для новых энергетических транспортных средств (NEVs). Производство и продажи автомобилей на водородных топливных элементах выросли в 8,8 раза (1106 единиц) согласно информации департамента по применению аккумуляторных батарей Китайской промышленной ассоциации источников энергии (CIAPS). Топливные элементы преимущественно применяются для автобусов и автомобилей специального назначения, а не легковых машин, поскольку Пекин активно поддерживает региональные власти в реализации водородных программ в транспортной сфере. К 2030 году Китай планирует иметь 2 миллиона автомобилей на водородных топливных элементах (HFCV).
Шанхай собирается построить в районе Цзядин «Водородную энергетическую гавань» мирового класса с целью создания надежной производственной цепочки для HFCV транспорта. На базе водородной энергетической гавани сформируется промышленный кластер площадью 2,15 кв. км и объемом выручки 7,23 млрд долларов в год.
По данным Bloomberg, китайские инвестиции в водородный транспорт до 2023 года составят более 17 млрд долларов, из которых 7,6 млрд долларов вложит Китайская национальная корпорация тяжелых грузовиков [8]. Деньги пойдут на создание водородных автомобилей на заводе в провинции Шаньдун на восточном побережье страны. Также будет налажено масштабное производство топливных элементов, построена сеть высокотехнологичных АЗС и создана цепь поставок. Водородные автомобили идеально дополнят электрические, для которых Китай уже стал самым большим рынком.
Китай, крупнейший автомобильный рынок в мире, твердо намерен сделать транспортную отрасль экологически безопасной. Правительство страны уже вложило миллиарды долларов в развитие электромобилей, а теперь готовит аналогичные меры поддержки для машин на водородном топливе. Согласно планам, в течение десяти лет на китайские дороги должен выйти 1 млн водородных машин: масштабный парк коммерческого транспорта на водороде появится через пять лет, а пассажирского ‒ через десять.

Водородные технологии в России

На сегодняшний день в России темпы развития водородных технологий невысоки [9]. Это объясняется тем, что климатическая повестка и декарбонизация пока играют малозначительную роль в энергетической стратегии России, что существенно сдерживает развитие не только водородных, но вообще любых низкоуглеродных технологий.
Несмотря на это, в России есть собственные технологические разработки и перспективный внутренний спрос на водородные технологии.
Развивающийся водородный рынок, очевидно, будет конкурировать с рынками углеводородов. Это один из глобальных вызовов для углеводородной экономики России, который создаст высокие риски замедления национальной экономики.
Ответом на подобные вызовы может стать встраивание водородных технологий в российскую энергетическую стратегию и стратегию низкоуглеродного развития, в основе которой будет лежать поддержка технологического развития, долгосрочного спроса и рынка, а также стимулирование международных инвестиций.
Развитие водородных технологий и топливных элементов определены российским правительством в качестве приоритетных для дальнейшего развития национальной экономики, что означает их развитие на приоритетной основе и финансирование проектов на государственном уровне и на уровне крупных коммерческих структур.

В 2019 году Китайская водородная ассоциация выпустила Белую книгу о китайской водородной энергетике. Планируется, что до 2025 года объем производства водородной промышленности достигнет 148 млрд долларов


В соответствии с энергетической стратегией Россия вступила в фазу инвестиций в инновации и постепенной замены устаревшего оборудования в производстве, за которой последует фаза инновационного роста [10]. Дальнейшее развитие отраслей энергетики России будет характеризоваться постепенным становлением новой низкоуглеродной энергетики.
В декабре 2018 года госкорпорация «Росатом» приняла решение о включении водородной энергетики в перечень приоритетных направлений технологического развития в составе отраслевого национального проекта и подготовке комплексной программы НИОКР по ее реализации [11]. Было предложено создать на базе ВНИИАЭС центр ответственности за интегрированный заказ технических решений для атомно-­водородной энергетики.
Во ВНИИАЭС разработаны технические предложения и проведена технико-­экономическая оценка создания и использования в составе отдельных атомных станций автономных модулей по производству и накоплению водорода для дальнейшего использования в энергоснабжении, промышленности и транспорте. Речь идет о создании в России основы для атомно-­водородной энергетики, нового стратегического направления развития технологий. Мировой рынок коммерческого водорода и водородных технологий активно растет. Как показывают предварительные расчеты, к 2050-му году потребление водорода в качестве источника энергии увеличится десятикратно, и в глобальном энергетическом балансе водород должен занять 15‒20 %. Одной из первоочередных и непростых задач является разработка пилотных проектов по возможной дозагрузке генерирующих мощностей ряда АЭС (например, Кольской и готовящейся к вводу в эксплуатацию ПАТЭС) для производства и продажи товарного водорода. Водород может найти применение для заправки грузового транспорта на водородных топливных элементах, в качестве теплоносителя в автономных пунктах производства электроэнергии и тепла для удаленных районов.
В октябре 2019 года на совещании в Минэнерго России при участии «Ростеха», «Газпрома», «СИБУРа», «Росатома» было впервые принято решение разработать Национальную программу развития водородной энергетики. Согласно докладу Инфраструктурного центра (ИЦ) EnergyNet «Перспективы России на глобальном рынке водородного топлива», прогнозируется масштабное развитие экспортного потенциала водорода. Сценарий развития накопления электроэнергии в водородном цикле EnergyNet предусматривает возможность получения экспортной выручки в объеме $ 1,7–3,1 млрд за счет более низких цен уже к 2025 году. Это позволит претендовать на 10–15 % мирового рынка водорода в перспективе 2030 года.
По расчетам Acil Allen Consulting и ИЦ EnergyNet, Россия сможет предложить Японии как наиболее вероятному импортеру водород по $ 3,38/кг против $ 4,6/кг из Австралии и Катара и $ 5,2–5,4/кг из США и Норвегии. По мнению авторов доклада, «пилотный проект может быть развернут на базе гидроэнергетических или ветроэнергетических мощностей на Дальнем Востоке, например, с использованием строящейся Усть-­Среднеканской ГЭС им. Дьякова или ветрогенераторов на о. Сахалин». На совещании в Минэнерго решено определить пилотным регионом Сахалинскую область.
Водород также может повысить эффективность использования генерирующих мощностей в России, считают авторы доклада, и решить проблему запертых мощностей. EnergyNet полагает, что средний коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) генерирующих мощностей за счет загрузки резервов производства водорода вырастет на 5–7 % к уровню 2017 года, а затраты на энергоснабжение на удаленных и изолированных территориях снизятся на 27–30 %.
В настоящее время в России водородная энергетика перешла на вторую стадию своего развития: с разработки компонентов и экспериментальных установок мощностью до 10 кВт к стадии демонстрационных образцов большей мощности (до 100 кВт) и постепенной их коммерциализации.

Электролизер для производства водорода из воды
Источник: CambridgeBayWeather / Wikipedia

Заключение

Ключевым моментом успешной реализации концепции «водородной экономики» будет наличие дешевых, экологически приемлемых и целесообразных методов получения водорода [12]. Очевидно, что в силу глобальных тенденций, связанных с «экологизацией» энергетики, наиболее логично было бы для получения такого экологически чистого энергоносителя как водород использовать возобновляемые источники энергии.
Технико-­экономические оценки возможности крупномасштабного производства электролизного водорода за счет «избыточной» электроэнергии (в том числе за счет выработки ГЭС и ПЭС изолированных энергосистем РФ) показывают, что производство и реализация водорода может оказаться полезным для повышения экономической эффективности целого ряда существующих электростанций [13]. При этом ГЭС и ПЭС могут работать в базисном режиме и с максимальным коэффициентом использования установленной мощности, а покрытие неравномерностей графика нагрузки осуществляется с использованием водородо-­кислородных парогенераторов и металлогидридных аккумуляторов водорода [14].
Перспективным представляется производство водорода в Арктическом регионе на базе крупных централизованных энергетических комплексов. Доступность требуемых для организации производства ресурсов, возможность утилизации парниковых газов, экспорта готовой продукции и обеспечение северных территорий экологически чистым топливом открывают новые горизонты для производства водорода в Арктике [15].
Крупными потребителями водорода, производимого за счет электроэнергии, могут стать как отечественные НПЗ при решении задач повышения глубины нефтепереработки, так и многие иностранные компании, заинтересованные в экспорте сжиженного водорода в страны восточной Азии (Япония, КНР). Чтобы обеспечить бурно растущий спрос на энергию в Азиатско-­Тихоокеанском регионе, коммерчески доступная новая водородная энергетика потребуется уже через 1‒3 года.
Международное агентство возобновляемой энергии (IRENA) выпустило доклад «Водород из возобновляемого электричества. Технологический прогноз для энергетической трансформации», в котором исследуется роль водорода в энергетической системе будущего [16]. Водородная тема на сегодняшний день довольно глубоко исследована, и в мире существует понимание, что возобновляемый, то есть произведённый из ветровой или солнечной электроэнергии методом электролиза водород, в будущем займёт важное место в экономике. Использование водорода для «промежуточного хранения» избыточной (в периоды низкого спроса и высокой выработки) электроэнергии, производимой вариабельными ВИЭ, во многих моделях считается необходимым элементом энергосистемы с большой и стопроцентной долей возобновляемых источников энергии, обеспечивающим её маневренность. Текущие направления развития водородной энергетики диктуются экономическими потребностями мирового рынка и требованиями повышения экологической ответственности энергетики.

Использованные источники

  1. Hydrogen: A renewable energy perspective [Электронный ресурс] // https://www.irena.org/publications/2019/Sep/Hydrogen-­A‑renewable-­energy-perspective. 2019. 52 с.
  2. Ученые ЕС приближают эру водородной экономики [Электронный ресурс] // https://eenergy.media/2020/01/27/uchenye-es-priblizhayut-eru-vodorodnoj-­ekonomiki/. 2020.
  3. Technologie K.I. fuer. Wasserstoff aus Erdgas ohne CO₂-Emissionen [Электронный ресурс] // http://www.kit.edu/kit/pi_2019_wasserstoff-aus-erdgas-ohne-co2-emissionen.php. Karlsruher Institut fuer Technologie, 2019.
  4. Цветастый водород. Красочное будущее европейской энергетики [Электронный ресурс] // https://gisprofi.com/gd/documents/tsvetastyj-­vodorod-krasochnoe-­budushchee-evropejskoj-­energetiki.html. 2019.
  5. Energy networks prepare to blend hydrogen into the gas grid for the first time [Электронный ресурс] // https://www.telegraph.co.uk/business/2018/01/06/hydrogen/. 2019.
  6. UK to get its first waste plastic-to-hydrogen recycling plant [Электронный ресурс] // http://www.hydrogenfuelnews.com/uk-to-get-its-first-­waste-plastic-to-hydrogen-­recycling-plant/8537310/. 2019.
  7. Preview: The hydrogen economy in China [Электронный ресурс] // https://www.gasworld.com/preview-the-hydrogen-­economy-in-china/2017616.article?fbclid=IwAR 1ZGK2U 1fa – A6cVKdOlEj7C 9yzTFdTL0hRmW4bnGXBHLAe1soARMFGYa0#.XUR 9b7_MbwU.facebook. 2019.
  8. China’s Hydrogen Vehicle Dream Chased by $ 17 Billion of Funding – Bloomberg [Электронный ресурс] // https://www.bloomberg.com/news/articles/2019–06–27/china-s-hydrogen-­vehicle-dream-­chased-by‑17-billion-of-funding?srnd=premium-­europe. 2019.
  9. Митрова Т., Мельников Ю., Чугунов Д. Водородная экономика – путь к низкоуглеродному развитию [Электронный ресурс] // https://energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/Research/SKOLKOVO_EneC_Hydrogen-­economy_Rus.pdf. 2019. 62 с. DOI: 10.13140/RG.2.2.15540.91524.
  10. Министерство Энергетики. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Российская Федерация, 2009.
  11. ВНИИАЭС готовит проекты по водородной энергетике [Электронный ресурс] // https://gisprofi.com/gd/documents/vniiaes-­gotovit-proekty-po-vodorodnoj-­energetike.html. 2019.
  12. Субботин С.А., Щепетинина Т.Д. Водородный цикл как условие функционирования энергоэффективной экономики [Электронный ресурс] // http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=3456. 2011.
  13. Соловьев Д.А. Комплексная оценка эффективности использования гидроэнергетических ресурсов для производства сжиженного водорода на восточных и северных территориях Российской Федерации. Москва: Издательство ООО «РА-Ильф», 2013. С. 57–70.
  14. Соловьев Д.А. К вопросу об использовании водородных технологий в приливной энергетике [Электронный ресурс] // http://www.elektro-expo.ru/common/img/uploaded/exhibitions/elektro/doc_2015/alt_energy_article_conditions-rus‑01.doc. 2013. С. 269–275.
  15. Бушуев В.В., Зайченко В.М., Моргунова, М.О. Соловьев, Д.А. Чернявский А.А. Потенциал ВИЭ в Арктике: новые задачи / под ред. Алхасов А.Б. Махачкала: ФГБУН Институт проблем геотермии Дагестанского научного центра РАН, 2017. С. 94–99.
  16. IRENA. Hydrogen From Renewable Power: Technology outlook for the energy transition [Электронный ресурс] // https://www.irena.org/publications/2018/Sep/Hydrogen-from-renewable-­power. 2018. № September. С. 1–52.