Водородный передел: есть ли место «первому элементу» в газовом мире?

Арсений Погосян
Обозреватель журнала «Энергетическая политика»
e-mail: pogosyanas@minenergo.gov.ru

Нынешний флагман топливной экологичности – природный газ, похоже, в скором времени начнет терять статус чистого источника энергии. Желтая майка лидера в ближайшие 20 лет может перейти к первому среди всех химических элементов таблицы Менделеева – водороду. В статье анализируется, как быстро это сможет произойти и с какими проблемами сталкивается процесс производства водорода.

Ведущие автомобильные компании уже больше 20 лет разрабатывают различные концепты легковых машин на водородном топливе, некоторые из них даже внедрены в серийное производство. В прошлом году компания Sinot Yacht Architecture & Design даже представила новую супер-яхту, использующую в качестве топлива жидкий водород. Главной «фишкой» этого судна стали два герметичных резервуара, наполненных водородом, охлажденным до –253 градусов Цельсия. По замыслу разработчиков, охлажденный водород при взаимодействии с кислородом генерирует энергию для двух двигателей мощностью 1 мегаватт. При этом, единственным выбросом яхты является вода. Судно способно развивать скорость до 17 узлов в час (32 км/ч) и проплывать примерно 6 тысяч километров без дозаправки. Официальный запуск на воду этой яхты должен состояться в 2024 году. Неудивительно, что покупку этого супер-­экологичного пятипалубного корабля тут же приписали миллиардеру Биллу Гейтсу. Слухи, правда, были быстро опровергнуты.
Появление подобных новостей в известных СМИ – показатель начинающегося глобального энергетического перехода на планете, цель которого – уменьшение негативного воздействия на окружающую среду за счет декарбонизации мировой экономики.

Первый элемент

На текущий момент, водород остается мало востребованным источником энергии у человечества. По итогам 2018 года объем его производства не превысил 70 млн тонн, что буквально капля в сравнении с 4,4 млрд тонн нефти и 3,86 трлн кубометров метана.
Но в будущем водород предопределен стать топливом. Он самый распространенный элемент не только на Земле, но и во всей Вселенной. Его теплота сгорания достигает 120 МДж/кг. У ближайшего конкурента – метана, по большому счету природного газа, она втрое меньше – 56 МДж/кг. При сгорании водорода образуется чистая вода, что делает его наиболее экологичным видом топлива. Это полностью соответствует мировой климатической повестке, требующей от энергетиков радикального снижения, а в отдельных регионах и вовсе обнуления «углеродного следа».
Особенности сгорания водорода выделяет его среди других альтернативных источников энергии, например, биотоплива. К примеру, бум биотоплива в Европе закончился, не начавшись, в том числе и потому, что при сжигании этилового спирта производится углекислота. Хотя этот вид топлива стал прекрасной альтернативой дизелю в некоторых странах, к примеру, Бразилии.
По мнению ряда специалистов, именно благодаря водороду удастся побороть глобальное потепление и радикально снизить парниковые выбросы. Если верить отчету аналитического центра Мирового совета по водороду (Hydrogen Council) – а в него входят более 20 государств и около 60 корпораций, в том числе и энергетических – для того, чтобы замедлить рост потепления до 2 градусов к 2050 году, будет достаточно перевести 400 млн частных автомобилей, 15–20 млн грузовиков и 5 млн единиц общественного транспорта на водородное топливо.
Пока этот переход только начинается, традиционные сферы применения водорода остаются довольно ограниченными и редко выходят за рамки заводского забора. Больше всего водород востребован в нефтепереработке, химической промышленности, металлургии, а также, частично, при производстве ракетного и автомобильного топлива. Только для производства аммиака и метанола, по разным оценкам, уходит до 80 % от производимых сегодня 70 млн тонн. Впрочем, этот спрос постепенно, но растет – всего 30 лет назад его мировое производство не превышало 20–25 млн тонн.
Входящие в Hydrogen Council страны вряд ли хотели бы останавливаться на достигнутом – они видят миссию водорода не просто как второстепенного реагента на производстве, а как ключевой элемент энергетической революции в мировой экономике. Если тот же природный газ, как правило, прочат в замену нефти и углю, то водород, уверены в Совете, способен заменить всех их вместе взятых, учитывая его почти теоретически-­неиссякаемые запасы, получаемые как из традиционный энергоресурсов, так и из главного источника жизни на планете – воды. На водороде способны работать ТЭС, ГЭС, металлургические заводы. Везде, где уже есть природный газ. По данным МЭА, почти 25 % электроэнергии в мире производится на тепловых электростанциях из природного газа, в России этот показатель достигает 47 %. Здесь заметное преимущество водородных элементов перед традиционными – возможность обеспечения энергоснабжения изолированных территорий, куда не дотягиваются сети.

Водород уже сегодня активно используют в процессах нефтепереработки и нефтехимии. С его помощью осуществляются процессы гидрокрекинга и гидроочистки. В будущем планируется применение водорода для очистки нефти. Утверждается, что водород, в каком-то смысле, совместим даже с углем и бензином. Совместное сжигание аммиака и угля может снизить углеродную интенсивность существующих традиционных угольных электростанций, а подмешивание водорода в бензин – нейтрализовать вредные выбросы, лишив противников двигателя внутреннего сгорания последних аргументов против.
Более того, водород можно использовать не только в качестве источника, но и накопителя энергии. В форме сжатого газа, аммиака или синтетического метана водород может становиться аккумулятором. Уже в обратном процессе, при соединении водорода с кислородом из атмосферного воздуха, мы получим электричество, тепло и воду.
В плане производства водород, пожалуй, будет самым гибким источником энергии. В настоящее время наиболее выгодными методами производства водорода являются газификация угля и паровая конверсия природного газа. Водород можно получить еще как минимум тремя способами – с помощью пиролиза нефти, электролиза воды и ее же термохимического разложения. Фактически, с появлением хотя бы нескольких источников его получения, необходимость потребителю договариваться с одним-­единственным хозяином такого ресурса отпала – при наличии средств и технологий водород, в теории, можно синтезировать почти на пустом месте. Конечно, такие технологии не могли не заинтересовать ведущие экономики мира, являющиеся при этом и одними из крупнейших потребителей первичного топлива. Наиболее больших успехов в этом направлении смогли добиться Германия, Япония и США, которые последовательно выполняют собственные программы по развитию водородной энергетики.

Трудности перевода

Собственная программа по водороду у Германии появилась еще в 2006 году. В ней был заложен план по достижению 1000 заправочных водородных станций к 2030 году. Первые заметные достижения, впрочем, появились уже в следующем десятилетии. В сентябре 2018 года машиностроительная компания Alstom запустила на северо-­западе Германии первый в мире поезд, работающий на водородных топливных элементах, Coradia iLint. Прокатка прошла успешно, и сейчас технологии дорабатываются.
И все же пионером транспортного трека принято считать не Германию, а Канаду, первой в мире интегрировавшей водород в городской транспортный автопарк. Канадская компания Ballard поставила первые ячейки на автобусы Ванкувера еще в 1995 году, до сих пор работающие исправно. С 2005 года аналогичные технологии активно используются в Нидерландах, Испании, Италии, Люксембурге и в Исландии. Единственная проблема, с которой они сталкиваются, это небольшой запас хода, уступающий двигателю внутреннего сгорания. Водородные баллоны относительно компактны и имеют меньшую эффективность при небольших масштабах, чем газовые емкости.

В будущем водород предопределен стать топливом. Он самый распространенный элемент не только на Земле, но и во всей Вселенной

Своя мини-программа появилась даже у Великобритании, крупного потребителя газа в Европе. С целью вдвое сократить выбросы парниковых газов до 2050 года страна приняла решение в будущем использовать газовое хозяйство под водород. В отчете «Переход на водород» британского объединения инженеров и технологов The Institution of Engineering and Technology, опубликованном в июне 2019 года, отмечается, что к 2030 году большая часть британской газовой сети, которая сейчас состоит из металлических труб, превратится в полиэтиленовую. Это позволит без масштабных инвестиций пускать в сеть водород. Технологии производства водорода, вероятно, к этому моменту должны достичь значительного развития.
Пока одни активно осваивали транспорт, на другом конце света, в Чили, уже в 2017 году компания Enel Green Power Сhile запустила первую в мире стопроцентно чистую коммерческую микросеть электроэнергии. Работу сети обеспечивает комплекс гибридных накопителей, состоящий из солнечной электростанции, а также системы водородных и литиевых батарей.
В отличие от стран ЕС, США в деле развития водородной генерации сконцентрировались скорее не на технологиях использования, а на методах получения водорода. Правда, пока значительных прорывов в этом направлении публично не зафиксировано.
Наиболее масштабной программой, пожалуй, обладает Япония, поставившая водород в ранг основного топлива будущего для всей страны. Программа основана на трех столпах – энергосбережения, энергетической безопасности и снижении нагрузки на окружающую среду. Уже сегодня в Стране восходящего солнца по дорогам ездят 2,5 тыс. автомобилей с водородными топливными ячейками, здесь исправно работает большая сеть водородных АЗС, есть несколько тысяч бытовых автономных водородных станций. В целях обеспечения энергобезопасности страна прорабатывает одновременно несколько сценариев развития водородной энергетики, и в будущем не исключает закупки водорода из других стран, к примеру, Австралии.
Впрочем, именно недостаток источника для производства водорода пока остается главным камнем преткновения для более широкого распространения водорода в мире. Из-за того, что в чистом виде в природе водорода нет, его приходится выделять. Пока синтез водорода из того же природного газа остается наиболее доступным – как технологически, так и экономически – способом производства водорода. Таким образом один энергоресурс уходит на производство другого.
Сегодня доля водорода, производимого из природного газа в нефтехимической и химической отраслях промышленного сектора ЕС, достигает 80–95 % от всего производимого водорода. Это формирует значительный объем выбросов углекислого газа, что, по сути, противоречит самой концепции водородной энергетики, которая должна способствовать решению проблем экологии. Кроме того, из газа не убираются различные примеси, сера, которые при попадании в атмосферу тоже вредят экологии.
Такие «мелочи» становятся большим камнем преткновения перед потенциальными инвесторами в водородные технологии. Более того, среди многих до сих пор преобладает осторожное, консервативное отношение к проблеме глобального изменения климата и идее брать на себя серьезные обязательства по сокращению выбросов парниковых газов. Если же говорить не об отдельных инвесторах, а о странах, то далеко не все пока готовы тратить значительные средства на преференции для производителей водородной техники. Особенно страны, имеющие в своем распоряжении большие нефте- и газоперерабатывающие мощности.

10 % счастья

Роль России в развитии водородных технологий пока более чем скромная, несмотря на общеизвестные достижения в относительно недавнем прошлом. Именно в СССР в конце 1980 х годов был создан первый самолет с одним из двигателей на водородном топливе на базе авиалайнера ТУ‑154. Кроме того, жидкий водород активно использовали и как топливо для американской (SpaceShuttle) и советской («Буран») космических программ.
С распадом Союза акцент естественным образом сменился к более коммерчески-­возможным проектам, особенно тем, что находятся «под крылом» крупных производителей первичной энергии. Именно декарбонизация природного газа на основе водородных технологий, с использованием технологии Power to Gas являются технологиями завтрашнего дня для газодобывающей промышленности, заявил экс-зампред правления «Газпром» Александр Медведев во время Петербургского газового форума в прошлом году. Хорошо известно, что при транспортировке даже такого экологически чистого источника энергии, как газа, в атмосферу просачивается углекислый газ. Чтобы снизить такие загрязнения до нуля будет достаточно добавление всего около 10 % водорода к природному газу, утверждал Александр Медведев и подчеркивал, что данная инициатива отлично вписывается в логику Парижского соглашения по климату, одним из пунктов которого является снижение выбросов углекислого газа в атмосферу.
Но подобные инициативы едва ли являются отражением всего потенциала России как одного из крупнейших в мире производителей природного газа – главного и наиболее доступного на сегодня источника водорода. Понимая это, с осени прошлого года Минэнерго России работает над созданием собственной Национальной программы развития водородной энергетики. В будущем, программа будет обсуждаться на стратегических сессиях Инфраструктурного центра EnergyNet. Она должна будет включать в себя, по заявлениям руководства министерства, как научно-­технологические, так и регуляторные задачи на пути к первенству России в новых энергетических технологиях. При условии участия в гонке технологий, Россия заметно превосходит своих соседей не только по сырью, но и по доступности к крупнейшим потенциальным потребителям.
По мнению экспертов инфраструктурного центра EnergyNet, развитие водородной энергетики в России в период 2025–2035 годов потенциально может сформировать в стране рынок объемом до $ 2,2–3,9 млрд и приносить по $ 1,7–3,1 млрд прибыли в год за счет чистого экспорта до 2 млн тонн водорода. К этому моменту, мировой рынок достигнет уже $ 26 млрд годового оборота.
Пока декарбонизация не стала мейнстримом в российской энергетической политике, место драйвера развития спроса на водород может занять транспортный сектор. Водородный электротранспорт имеет все шансы стать выгоднее аккумуляторного, снижающего свою эффективность и запас хода при понижении температуры. В этом направлении производства водородных топливных элементов уже работает, к примеру, компания BMPower.
Как ни странно, но первым показавшим свою эффективность водородным транспортом пока стал не автомобиль или грузовая фура – а трамвай. В ноябре 2019 года петербуржцы могли наблюдать красный водородный трамвай, на протяжении нескольких недель проходивший испытания на рельсах северной столицы. Его опытную модель создали специалисты государственного предприятия «Горэлектротранс» и Центрального научно-­исследовательского института судовой электротехники и технологии ЦНИИ СЭТ. Среди очевидных экономических преимуществ такого «водородного» трамвая – существенное снижение затрат на контактную и кабельную сети, а также тяговые подстанции, что выливается в 25–30 % экономию в обслуживании.

Еще один успешный проект «взлетел» на авиасалоне МАКС‑2019 – малый самолет «Сигма‑4» на водородной тяге представил Центральный институт авиационного моторостроения им. Баранова. Водород в двигателе этого самолета не сжигается, а вступает в электрохимическую реакцию с кислородом, производя электроэнергию для вращения винта. Хотя разработчикам и удалось доказать, что энергоэффективность водородной установки здесь была в 2,8 раза выше, чем при сжигании керосина, водородная силовая установка занимает в самолете как минимум одно пассажирское место, что пока серьезно ограничивает ее эффективность.
Второе, но не менее перспективное направление развития водородной энергетики в России – это автономная генерация на базе топливных элементов на удаленных объектах, таких, как вышки сотовой связи, оборудование, которое обслуживает магистральные газопроводы и нефтепроводы и т. д.
Крупнейшие российские энергетические компании – «Газпром» и «Росатом» – уже работают над технологиями получения водорода с минимальным углеродным следом. Несколько исследовательских центров и компаний, в том числе Институт проблем химической физики РАН, Центр автономной энергетики МФТИ, топливная компания «Росатома» «ТВЭЛ» усиленно и где-то совместно развивают технологии топливных элементов. При этом, компании относительно жестко разграничивают зоны своего интереса.
К примеру, «Росатом» ведет работу над развитием двух основных методов производства водорода – электролиза и паровой конверсии метана. В будущем, при условии удачной апробации технологии, новое чистое топливо можно будет опробовать на железнодорожном транспорте Сахалинской области – соответствующей договоренности компании («Росатом», «РЖД», «Трансмашхолдинг» и правительство Сахалинской области) достигли в сентябре 2019 года. В перспективе, российский водород ждут и в Японии, о чем «Русатом Оверсиз» и Агентство по природным ресурсам и энергетике Министерства экономики, торговли и промышленности Японии договорились в том же месяце.
Российская газовая монополия, в свою очередь, работает над созданием инновационных технологий разложения природного газа на водород и углерод без выбросов углекислого газа, а также над использованием водорода на транспорте и над его хранением. Для этого «Газпром» запатентовал и тестирует собственный способ получения водорода из метана с применением адиабатической конверсии при использовании метано-­водородной смеси на собственные нужды на компрессорных станциях.

Высокие ожидания

Несмотря на то, что роль научной составляющей в развитии водородной энергетики велика, в краткосрочной перспективе именно коммерческая успешность пилотных водородных технологий определит их дальнейшую судьбу.
Пока для водорода большим минусом, значительно тормозящим его развитие по сравнению с той же газовой энергетикой и СПГ‑технологиями, является стоимость разработки «пилотов». По оценкам экспертов, развитие водородных технологий пока требует ежегодных инвестиций в 20–25 млрд долларов. Такая высокая стоимость, мягко говоря, ставит под сомнение реальность всех заявленных проектов и достижений. С этими выводами согласны даже специалисты аналитического центра Hydrogen Council, активно лоббирующего водородные технологии.
По мнению аналитиков центра, разработки все же имеют право на жизнь хотя бы благодаря растущему спросу на водород, который к 2030 году может достигнуть 18–27 млн т, а к 2050 году – уже 27–160 млн т. Оценив всю выгодность и экологическую безвредность новых технологий, Европа к этому моменту переведет на гидроген как минимум четверть всего своего авторынка. Локомотивом рынка, конечно же, планирует выступить Китай, собирающийся вложить в водородные АЗС и разработку водородного транспорта более $ 17 млрд до 2023 года.
Что же до России, то столь бурный на первый взгляд ренессанс водородных технологий станет, скорее, лишь признаком изменения структуры спроса на энергоресурсы, включая замещение углеводородов другими видами энергии. Этот процесс был запущен еще в прошлом тысячелетии с появлением ВИЭ, и водород на этом пути – лишь один из видов перспективного, но пока слишком дорогого экологического удовольствия. Как и с ВИЭ, самым правильным в этой связи будет начать с наработки технологий производства, причем, необязательно сразу коммерчески успешных – на первых этапах компетенция важнее конкурентоспособности.
Зародившийся мировой водородный рынок, безусловно, будет конкурировать с рынками углеводородов, на которых крепко закрепилась Россия. Лучшим ответом на такие вызовы станет встраивание водородных разработок в российскую энергетическую стратегию и, в целом, в стратегию низкоуглеродного развития. Водородное топливо само по себе вряд ли станет панацеей от углеродных выбросов – это лишь один из многих способов более эффективного и безопасного использования энергии и решения глобальных задач обеспечения растущих энергетических потребностей всего человечества.