Водородная энергетика России: состояние и перспективы

Алексей МАСТЕПАНОВ
Заведующий Аналитическим центром энергетической политики и безопасности ИПНГ РАН, член совета директоров Института энергетической стратегии, д. э. н., профессор РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, академик РАЕН
е-mail: amastepanov@mail.ru

Аннотация. Статья посвящена анализу состояния и перспектив развития водородной энергетики России. Дана краткая история вопроса, показаны достигнутые к настоящему времени результаты. Подробно рассмотрены главные цели, направления и задачи плана мероприятий «Развитие водородной энергетики в России до 2024 года», принятого в октябре 2020 г. Проведен анализ основных проектов и новых технологий в области водородной энергетики, над которыми работают российские специалисты, показаны их достигнутые и ожидаемые результаты. Особое внимание уделено перспективе международного сотрудничества России в области производства и использования водорода. Делается вывод, что одной из наиболее перспективных стран для двустороннего сотрудничества в правительственных кругах России считается Япония.
Ключевые слова: водород и топливные элементы, дорожные карты, производство и использование водорода, водородная энергетика, Россия, Япония.

Abstract. The article is devoted to the analysis of the state and development prospects of hydrogen energy in Russia. A brief history of the problem is given, the results achieved to date are shown. The main goals, directions and tasks of the action plan «Development of hydrogen energy in Russia until 2024», adopted in October 2020, are considered in detail. The analysis of the main projects and new technologies in the field of hydrogen energy, on which Russian specialists are working, are shown, their achieved and expected ones are shown. results. Particular attention is paid to the prospects for international cooperation of Russia in the field of production and use of hydrogen. It is concluded that Japan is considered one of the most promising countries for bilateral cooperation in Russian government circles.
Keywords: hydrogen and fuel cells, road maps, production and use of hydrogen, hydrogen energy, Russia, Japan.

Введение

Возможности использования водорода в энергетических целях известны давно, и интерес к ним проявлялся не один раз: в 1970‑е годы – в связи с нефтяными кризисами, в 1990‑е и 2000‑е годы – в связи с ростом озабоченности изменением климата. Это стимулировало соответствующие исследования и разработки (с акцентом на транспорт), но масштабного практического внедрения водородных технологий не происходило. Ситуация стала меняться по мере того, как всё больше стран начали стремиться к устойчивому развитию в области энергетики, к переходу в углеродно-­нейтральное состояние, к поддержке энергетического перехода как концепции безуглеродной энергетики будущего, осознав, при этом, что только на путях использования возобновляемых источников энергии этой цели не добиться.

Подводная лодка S184-U34 на водородном топливе
Источник: seaforces.org

Водород стал важнейшей составляющей политики перехода в углеродно-­нейтральное состояние всех стран, объявивших о таких целях. Причём, как сказал в интервью Financial Times исполнительный директор Международного энергетического агентства Фатих Бирол: «Я никогда не видел ни одной технологии, которая пользовалась бы такой всеобщей поддержкой всех правительств. Обычно у правительств разные взгляды – на атомную энергетику, газ, нефть, уголь, электромобили, но, когда дело доходит до водорода, все любят водород, и многие правительства принимают водородные стратегии, одну за другой» [1].
Не осталась в стороне от этого тренда и Россия, которая не только полностью обеспечивает свои потребности в энергоресурсах их национальным производством, но и является их крупнейшим экспортёром. Исходя из мирового тренда на декарбонизацию экономики, формируемого Парижским соглашением по климату, правительство России 12 октября 2020 года приняло план мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года».

Немного истории и достигнутые результаты

Россия имеет большой опыт в области разработки и освоения водородных энергетических технологий. Еще в 30‑е годы прошлого столетия в Советском Союзе в МВТУ им Н. Э. Баумана велось исследование влияния добавок водорода к бензину для автомобильных двигателей. Однако практическое применение водорода в качестве моторного топлива по этой технологии началось не от хорошей жизни в Великую Отечественную вой­ну – в 1941 г. в блокадном Ленинграде.
Широким фронтом исследования и разработки в области водорода и водородных технологий велись в 1970‑е годы в рамках государственной программы «Водородная энергетика». В рамках этой программы была разработана концепция водородной энергетики с атомным производством этого газа. Как вспоминает выдающийся физик-­ядерщик, академик Н. Пономарёв-­Степной, советские учёные уже в то время хорошо понимали, что водородная энергетика – это новый технологический уклад, в котором водород играет роль накопителя энергии, энергоносителя и химического реагента в промышленности, а применение атомных технологий позволяет обеспечить его экологически чистое производство. Хорошо понимали и всю энергозатратность получения этого газа, сырьем для производства которого являются лишь вода и углеводороды [2]. В последней четверти ХХ века, благодаря крупным государственным вложениям, в стране был создан уникальный научно-­технический задел (ракетно-­космический комплекс «Энергия-­Буран», энергетические установки подводных лодок, самолет «ТУ‑155» и др.) и сформирован серьезный потенциал в этой области [3].
В период реформирования экономики страны этот задел был в значительной степени утрачен, а потенциал ослаблен. Новый этап развития водородной энергетики начался в России лишь в 2000‑е годы, когда значение этой тематики получило признание государства [4].

В СССР разрабатывался проект орбитального космического челнока «Буран» на водороде
Источник: deb-37 / Depositphotos.com

В 2003 г. создана некоммерческая Национальная ассоциация водородной энергетики (НАВЭ). Задача ассоциации – стимулирование развития и применения водородных технологий и использования водорода в качестве энергоносителя, а также развития индустрии топливных элементов. Первые результаты получены в 2006 году, когда состоялся первый автопробег водородных автомобилей, в ноябре 2019 года – испытания в Санкт-­Петербурге водородного трамвая, в мае 2020 года – в Московской области появилась первая водородная заправка. Ведутся разработки по использованию водорода на АЭС как накопителя энергии. Однако сегодня водород в России – это промышленный газ, который создается и используется, как правило, непосредственно на местах его потребления, в основном при производстве аммиака, метанола, в нефтепереработке и т. п. Общий выпуск водорода в России составляет около 5 млн т в год.
В последнее время водородной тематике стало уделять внимание и правительство страны. Необходимость разработки водородных технологий, включая технологии производства, водородных систем, аккумулирования энергии и покрытия неравномерностей графика нагрузки на объекты генерации, технологий хранения и транспортировки водорода упоминается в ряде стратегических документов. Один из последних из них – Энергетическая стратегия России на период до 2035 г. (ЭС‑2035), принятая в июне 2020 г. [5]. В ответ на новую государственную политику в области водорода крупнейшие компании России, включая «Газпром», «Росатом», «Ростех» и др., и Российская академия наук активизировали разработку и маркетинговые исследования в области производства и экспорта водорода.

Водородная тематика в ЭС‑2035

Задачей водородной энергетики, согласно ЭС‑2035, является развитие производства и потребления водорода, вхождение Российской Федерации в число мировых лидеров по его производству и экспорту. В комплекс ключевых мер, способствующих решению этой задачи, входят:

  • государственная поддержка созданию инфраструктуры транспортировки и потребления водорода и энергетических смесей на его основе, а также обеспечение законодательной поддержки производства водорода;
  • увеличение масштабов производства водорода из природного газа, в том числе с использованием ВИЭ и атомной энергии;
  • разработка отечественных низкоуглеродных технологий производства водорода методами конверсии, пиролиза метана, электролиза и других технологий, в том числе с возможностью локализации зарубежных технологий;
  • стимулирование спроса на внутреннем рынке на топливные элементы на основе водорода со стороны транспорта, а также на использование водорода и энергетических смесей на его основе в качестве накопителей и преобразователей энергии для повышения эффективности централизованных систем энергоснабжения;
  • создание нормативной базы в области безопасности водородной энергетики;
  • интенсификация международного сотрудничества в области развития водородной энергетики и выхода на зарубежные рынки.

Основным же показателем решения задачи водородной энергетики в ЭС‑2035 назван экспорт водорода, объём которого к 2035 году должен достичь 2 млн тонн.

Главные цели и задачи дорожной карты «Развитие водородной энергетики в России до 2024 года»

Для реализации имеющегося в стране потенциала и достижения заложенных в Энергетической стратегии целей, ведомства подготовили специальный план мероприятий (дорожную карту) по развитию водородной энергетики в России до 2024 года [6], который 12 октября 2020 г. был утверждён правительством России [7].
Основной целью этого плана названа организация первоочередных работ по формированию в России высокопроизводительной экспортно ориентированной водородной энергетики, развивающейся на основе современных технологий и обеспеченной высококвалифицированными кадрами. Достижение этой цели намерены осуществить путем совершенствования нормативно-­правовой базы, формирования и реализации мер государственной поддержки проектов по производству, хранению, транспортировке и использованию водорода, укрепления позиций отечественных компаний на рынках сбыта готовой продукции, а также проведения научно-­исследовательских и опытно-­конструкторских работ по критически важным направлениям развития науки, техники и технологий.

АЗС по заправке водородом в Японии
Источник: ykanazawa1999 / Flickr.com

В плане мероприятий восемь целевых разделов:

  • стратегическое планирование и мониторинг развития водородной энергетики;
  • мероприятия по стимулированию и государственной поддержке развития водородной энергетики;
  • формирование производственного потенциала;
  • реализация приоритетных пилотных проектов в области водородной энергетики;
  • научно-­техническое развитие и разработка высокотехнологичных решений;
  • совершенствование нормативной правовой базы и системы национальной стандартизации;
  • развитие кадрового потенциала;
  • развитие международного сотрудничества.

Первоочередной задачей на 2020–2021 годы в рамках реализации плана мероприятий является разработка концепции развития водородной энергетики в России, которая должна быть завершена в I квартале 2021 г.
В качестве системы управления реализацией стратегических задач будут созданы межведомственная рабочая группа по развитию водородной энергетики под председательством министра энергетики России и проектный офис на базе Российского энергетического агентства, который должен будет обеспечить информационно-­аналитическое сопровождение реализации плана. Отдельное внимание намечено уделить подготовке высококвалифицированных кадров для новой отрасли, включая организацию программ стажировок для аспирантов и ученых в мировых центрах компетенций, ведущих исследования в области водородной энергетики.

Основные проекты и новые технологии

По оценке Минэнерго, уже сегодня Россия обладает важными конкурентными преимуществами по развитию водородной энергетики: наличием значительного энергетического потенциала и ресурсной базы, недозагруженных генерирующих мощностей, географической близостью к потенциальным потребителям водорода, научным заделом в сфере производства, транспортировки и хранения водорода, а также наличием действующей транспортной инфраструктуры. Это может позволить России в перспективе занять место лидера в сфере производства и поставок водорода на глобальный рынок [6].
В частности, большие запасы газа, угля и воды, значительный резерв генерирующих мощностей и огромный потенциал в сфере зелёной энергетики позволяют развивать производство водорода в России самыми различными методами. Это и паровая конверсия метана, в том числе в комбинации с технологиями улавливания и хранения углерода (CCS); и электролиз, в том числе с помощью энергии от ВИЭ и АЭС. Потенциал производства водорода в России, только за счет загрузки неиспользуемых резервных генерирующих мощностей, Минэнерго оценивает в 3,5 млн т, Фонд «Центр стратегического развития» – в 5–6 млн т, Инфраструктурный центр EnergyNet – в 1,9–3,5 млн тонн [8].
«Газпром» неоднократно заявлял, что рассматривает водород как направление диверсификации бизнеса и повышения эффективности использования газа. В частности, компания особо подчеркивала перспективы пиролиза метана – эта технология не дает выбросов СО2 и не требует строительства хранилищ для него, а получаемый побочно чистый углерод, возможно, даже найдёт собственное коммерческое применение. В настоящее время газотранспортные «дочки» «Газпрома» в Самаре и Уфе реализуют два инновационных проекта по получению метано-­водородного топлива в качестве топливного газа газоперекачивающих агрегатов на основе адиабатической конверсии метана. Эффект от внедрения выражается в экономии топливного газа – до 5 %, снижении выбросов СО2 – на 30 % и загрязняющих веществ: NOx – в 4,5 раза, СO – в 5 раз. Следующий шаг – организация блочно-­комплектного исполнения оборудования по производству метано-­водородного топлива (его унификация) для серийного производства и тиражирование технологии на объектах «Газпрома». Научными институтами газового концерна ведётся работа над созданием полностью безуглеродных технологий производства водорода из природного газа. Совместно с немецкими и австрийскими компаниями реализуется научно-­технический проект по проверке возможности безопасного хранения метано-­водородных смесей в ПХГ [8].

Шаровые резервуары используются для хранения жидкого водорода
Источник: ekb.ru

Производить водород из углеводородов (по технологии пиролиза/паровой конверсии метана) на специальных атомных энерготехнологических станциях (АЭТС) с использованием тепла высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР) планирует и госкорпорация «Росатом». Такие станции позволяют использовать атомную энергию в развитии экологически чистой энергетики без вредных выбросов в атмосферу. Российские разработки ВТГР с гелиевым теплоносителем начались ещё в 1960‑е годы. Сегодня Россия уже имеет ключевые технологии ВТГР и компетенции для производства 100 тысяч тонн водорода с одного модуля мощностью 200 МВт. В опытно-­промышленном производстве отработаны технологии адиабатической конверсии метана, мембранного выделения водорода [6,8]. В августе 2018 г. концерн «Росэнергоатом» (оператор всех российских АЭС, входит в электроэнергетический дивизион «Росатома») и «ОКБМ Африкантов» (входит в машиностроительный дивизион ГК «Росатом») занялись обоснованием разработки проектных предложений по промышленному производству водорода на АЭТС. Согласно материалам госкорпорации, инвестиции в создание головной АЭТС для крупномасштабного производства водорода могут составить около 275 млрд руб., а её сооружение ожидается к 2030 году [9]. Как считает академик Н. Н. Пономарёв-­Степной, мы должны наметить себе задачу: 2050 год – производство 50 млн тонн водорода в год. Для этого необходимо строить атомные энерготехнологические станции. Сырьё и знания у нас есть [2].
Всероссийский научно-­исследова­тельский институт по эксплуатации атомных электростанций (ВНИИАЭС, входит в электроэнергетический дивизион «Росатома») ведёт разработку технических предложений и проводит технико-­экономическую оценку создания и использования в составе отдельных АЭС автономных модулей по производству и накоплению водорода для его использования в энергоснабжении, промышленности и на транспорте [9].

Кольская АЭС
Источник: «Росэнергоатом»

Пилотный проект по созданию инфраструктуры для отработки технологий водородной энергетики и электролизному производству водорода готовится на базе Кольской АЭС. Отчасти это поможет компании решить проблемы исторически сложившегося энергопрофицита в Мурманской области [10]. В ближайшие два-три года «Росатом» намерен задействовать около 1,5 МВт мощности АЭС для электролизного производства, в пределах пяти-семи лет – порядка 4 МВт, а к 2030 году – 500 МВт. По оценке госкорпорации, 1 МВт электрической мощности позволяет выпускать порядка 200 кубометров водорода в час (около 158 тонн в год). Этого объема водорода будет достаточно, чтобы реализовать, например, пилотные региональные программы по снабжению городского транспорта крупных мегаполисов, утверждают в «Росатоме» [10].
В рамках реализации комплексной программы развития атомно-­водородной энергетики в компании планируются следующие инновационные разработки [11]:

  • металлогидридный термосорбционный компрессор с давлением водорода на выходе 80 МПа и производительностью 108 нм3Н2/час;
  • электролизер-­генератор водорода производительностью 108 нм3Н2/час;
  • установки производства сплавов (сорбентов) производительностью 500 кг/сут.;
  • блок производства метилциклогексана гидрированием толуола и логистического центра транспортировки и доставки продуктов ВКЭК (водород/кислород) к потребителям и водород-хабу.

В сентябре 2019 года подписано соглашение между «Росатомом», «РЖД» и «Трансмаш-­холдинг» о сотрудничестве по проекту организации железнодорожного сообщения с применением поездов на водородных топливных элементах . В рамках проекта «Росатом» выступит поставщиком водорода, топливных элементов и другого ключевого оборудования. В том же месяце «Русатом Оверсиз» и Агентство по природным ресурсам и энергетике Министерства экономики, торговли и промышленности Японии подписали соглашение о сотрудничестве в сфере совместной разработки в 2020–2021 годах ТЭО пилотного проекта экспорта водорода из России в Японию [8].
Об интересе к водороду заявил 8 сентября 2020 года на конференции Gastech заместитель председателя правления «НОВАТЭКа» Марк Джетвэй. «Мы исследуем перспективы производства водорода из метана с технической и экономической точки зрения», – пояснил он, добавив, что речь идет как о водороде для нужд самой компании, так и о поставках потребителям [10].
Учёные Национального исследовательского ядерного университета МИФИ (НИЯУ МИФИ) создали экспериментальную установку для разработки передовых – твёрдотельных – накопителей водородного топлива [13], а учёные Томского политехнического университета (ТПУ) разработали уникальную технологию получения перспективного материала – кубического карбида вольфрама высокой чистоты. Он сможет заменить дорогие платиновые катализаторы и снизить стоимость получения водородного топлива [14].
О достижении своих специалистов заявили и в «Роснефти». Объединённый центр исследований и разработок этой компании («РН-ЦИР») разработал инновационную технологию ароматизации метана, которая позволяет одновременно получать из природного и попутного нефтяного газа водород и ароматические нефтехимические продукты. По этой технологии при переработке 1 млрд кубометра природного или попутного нефтяного газа получается 1 млрд кубометров водорода и 0,5 млн тонн ароматических углеводородов. Преимуществами технологии являются снижение выбросов диоксида углерода, уменьшение удельных капитальных затрат, увеличение выхода продуктов и экономической эффективности [15].
План мероприятий ставит новые задачи перед российскими учёными и специалистами. В соответствии с ним, к 2024 году предусмотрена реализация ряда пилотных проектов в области водородной энергетики:

  • создание, производство и применение пилотных установок производства водорода без выбросов углекислого газа;
  • разработка, изготовление и проведение испытаний газовых турбин на метано-­водородном топливе;
  • создание опытного образца железнодорожного транспорта на водороде;
  • создание опытных полигонов низкоуглеродного производства водорода на объектах переработки углеводородного сырья или объектах добычи природного газа, и др.

Внедрение пилотных систем производства водорода должно сопровождаться стимулированием внутреннего спроса на него. Для этого планом мероприятий предлагается апробация применения водородного и метано-­водородного топлива в газовых энергетических установках (газотурбинных двигателях, газовых бойлерах), а также испытание возможностей использовать водород в качестве моторного топлива на разных видах транспорта [7].
Откликаясь на поставленные задачи, в ноябре 2020 года российские образовательные и научные организации, занимающиеся разработками в области водородной энергетики, объединились в консорциум по развитию в России всей цепочки «водородных» технологий – от получения этого газа до его использования. Инициатор создания консорциума – Томский политехнический университет (ТПУ). Новое объединение получило название «Технологическая водородная долина». В состав консорциума, помимо ТПУ, вошли Институт катализа Сибирского отделения РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет. Ожидается, что к консорциуму в дальнейшем присоединятся другие вузы и академические институты. Консорциум планирует тесное сотрудничество с крупнейшими компаниями России, заинтересованными в развитии водородной энергетики. В ближайшее время участники разработают дорожную карту для дальнейшей работы. Первым совместным научным мероприятием станет конференция, которую намечено провести уже в декабре нынешнего года [16].

Пилотным полигоном для реализации соглашения «Росатома», «РЖД» и «Трансмашхолдинг» по созданию поезда на водородных топливных элементах выбрана Сахалинская область [17]. В настоящее время правительство Сахалинской области изучает возможности создания на острове целого водородного кластера с возможностью экспорта этого вида топлива на рынки азиатских стран. «Сердцем» этого кластера должен стать научно-­технологический центр компетенции по водородной энергетике, который создадут на базе Сахалинского государственного университета. Реализация проекта планируется при участии Российской академии наук. По оценкам экспертов, на Сахалине имеются природный газ, резервные мощности энергетической системы, и большой ветропотенциал [18].
Естественно, что о стоимости получения водорода в больших масштабах говорить пока рано. Но оценки подобные существуют. Так, эксперты Центра экономического прогнозирования Газпромбанка в июле 2019 года сделали оценки стоимости производства водорода из природного газа [19].

Рис. 1. Стоимость производства водорода из природного газа с учетом затрат
на улавливание, хранение и утилизацию углекислого газа (ССUS), долл./кг
Источник: [19]

Перспективы международного сотрудничества

Поскольку перспективы развития водородной энергетики в России во многом связываются с экспортом водорода, то международное сотрудничество в этой сфере занимает особое место в предстоящей деятельности правительства страны. Планом действий предусмотрено три основных направлений такого сотрудничества:

  • двустороннее сотрудничество со странами-­производителями и потребителями водорода;
  • развитие международного сотрудничества по вопросам водородной энергетики;
  • участие России в деятельности соответствующих международных структур.

Важной составляющей международного сотрудничества станет и гармонизация национальных, межгосударственных и международных стандартов в области водородной энергетики [20]. Одной из наиболее перспективных стран для двустороннего сотрудничества в правительственных кругах России считается Япония [21, 22].
Примером такого двустороннего сотрудничества является разработка технико-­экономического обоснования пилотной программы доставки водорода из России в Японию, которую ведут «Росатом», METI и Kawasaki Heavy Industries (работа должна быть завершена к концу 2021 г.) [22].