Перспективы использования природного газа для производства и экспорта российского водорода

Владислав КАРАСЕВИЧ
Доцент кафедры (базовой) возобновляемых источников энергии РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, к. т. н.
Е-mail: crucian‑74@mail.ru

Валерий БЕССЕЛЬ
Доцент, профессор кафедры термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, к. т. н., исполнительный вице-президент ООО «НьюТек Сервисез»
Е-mail: vbessel@nt-serv.com

Рената МИНГАЛЕЕВА
Старший преподаватель кафедры термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина
Е-mail: mingaleeva.r@gubkin.ru

Водородная отрасль существует более 100 лет и имеет большое значение для многих критически важных отраслей мировой экономики, таких как химическая промышленность, нефтепереработка, энергетика, металлургия, пищевая промышленность, микроэлектроника. В 2021 г. в мире было произведено 94 млн т водорода [1]. Из рис. 1 видно, что более 60 % водорода было произведено из природного газа, на водород ушло более 160 млрд м3 природного газа.

Во многом благодаря крупнейшему в мире производителю водорода, Китай (более 60 % водорода производится из угля) газификацией угля произвел 19 % водорода, еще 18 % водорода явилось побочным продуктом переработки нефти. Доля низкоуглеродного водорода (электролиз воды и паровая конверсия метана с улавливанием и захоронением СО2) не превысила 0,7 % [2].
В 2021 г. основным потребителем водорода в мире были нефтепереработка (43 %), производители аммиака и метанола (36 % и 16 %, соответственно) и металлургия (5 %). Потребление водорода на энергетические нужды и транспорт составило примерно 40 тыс. т (0,04 % от общего мирового потребления) [3].

Анализ графиков динамики цены на водород в разных регионах мира, публикуемых ценовым агентством Argus Media (рис. 2), позволяет сделать вывод, что сегодня в мире отсутствует рынок «зеленого» водорода: цена, судя по прямым линиям на графиках, является оценкой самого агентства. Также на графиках видно наличие сильной корреляции графиков по «серому» и «голубому» водороду, цена на улавливание и захоронение СО2 тоже является фиксированной.
По оценкам Международного энергетического агентства к 2030 г. ожидается рост потребления водорода до 115 млн т, или на 21 млн т больше по сравнению с 2021 г., из них на долю водорода из природного газа (с улавливанием и захоронением СО2) придется 7–10 млн т (примерно 27,5 млрд м3 природного газа).

Текущее состояние водородной промышленности России

Россия занимает пятое место в мире по производству водорода после Китая, США, ЕС‑27 и Индии, выпуская порядка 5 млн т этого газа в год [5]. В отличие от Китая, где более 60 % водорода производится из угля его газификацией, в России, в основном, водород производят из природного газа методом паровой конверсии. На производство водорода в России ежегодно, по оценкам авторов, затрачивается 28 млрд м3 природного газа или 6 % от внутреннего потребления в стране.
Как видно из рис. 3, основными потребителями водорода в России являются предприятия химической отрасли (в том числе частично ориентированные на экспорт производители аммиака (азотных удобрений) и метанола), а также нефтеперерабатывающие заводы. Потребление металлургии (в России на заводах в Старом Осколе и на Лебединском ГОК работает 6 печей прямого восстановления железа из железной руды, водород получается из природного газа паровой конверсией метана) незначительно. Потребление водорода в стекольной, пищевой промышленностях, электроэнергетике, микроэлектронике и других отраслях незначительно, чаще всего этот водород получается на собственных щелочных электролизерах предприятий или приобретается на внутреннем рынке.

Стоимость водорода, получаемого паровой конверсией метана, можно оценить в 40–80 руб. за 1 кг (или за 11,2 м3), цена водорода на розничном рынке может превышать 5,5 тыс. руб. за 1 кг (~500 руб. за 1 м3).

Текущая ситуация на мировых рынках водородосодержащей продукции

Аммиак и азотные удобрения. В 2021 г. мировое производство и потребление аммиака составило 167 млн т, потребление аммиака по регионам показано на рис. 4. Согласно прогнозам Wood Mackenzie, до 2030 г. ожидается рост потребления аммиака примерно на 7,2 % ежегодно, а к 2050 г. оно вырастет более чем вдвое [6].

Более 70 % аммиака расходуется на производство азотных удобрений. По данным Observatory of Economic Complexity в 2021 г. мировой экспорт/импорт аммиака составил 10,4 млрд долл. США [8]. Крупнейшими в мире странами–экспортерами аммиака являются Россия (17,2 %), Тринидад и Тобаго (16,7 %), Саудовская Аравия (15,1 %), Индонезия (8,6 %), Алжир (6,9 %). Крупнейшими импортерами аммиака в 2021 г. стали США (14 %), Индия (13,8 %), Южная Корея (7,2 %), Марокко (5,7 %), Бельгия (4 %), Китай (3,5 %).
В 2022 г. Россия произвела 17 млн т аммиака (на производство потрачено 3 млн т водорода), часть аммиака пошла на выпуск 11,8 млн т азотных удобрений. Основные объемы были поставлены на внутренний рынок на производство азотных удобрений, поставки на экспорт составили 4,4 млн т. За последние 5 лет, за счет реконструкции и ввода новых производств, мощности в России по аммиаку выросли более чем на 20 % [9]. К 2030 г. Россия может нарастить возможности по производству аммиака до 25 млн т.
Для перевалки аммиака до 2022 г. использовались порты Прибалтики, Финляндии, часть аммиака ранее шла по аммиакопроводу «Тольятти – ​Одесса» с перевалкой на территории Украины. Сегодня для увеличения экспорта аммиака в России необходимо создание новых портовых мощностей по перевалке аммиака, планы по созданию таких мощностей есть в Ленинградской области.
Азотные удобрения. Мировое потребление азотных удобрений по регионам в 2020 г. представлено на рис. 5.

В 2021 г. Россия произвела 25,3 млн т азотных удобрений (рост на 15 % за последние 5 лет), их экспорт составил 14,5 млн т [9]. Крупнейшими мировыми импортерами удобрений являются Бразилия, Индия, США и Китай. Импортерами азотных удобрений из России в 2019 г. были Бразилия (3,9 млн т), США (2,6 млн т), Китай (1,1 млн т), а также страны Европы (4,7 млн т), Латинской Америки (1,9 млн т), Азии (1,4 млн т) и СНГ (0,9 млн т) [10]. В связи с ростом численности населения на Земле прогнозируется рост спроса на продовольствие и, как следствие, на удобрения. Ежегодный рост рынка удобрений оценивается в 2,6 % [11]. По мере роста российских мощностей по производству и транспортировке азотных удобрений, Россия может существенно нарастить их экспорт. В качестве перспективных направлений экспорта российских удобрений можно отметить страны Азии, Африки, Латинской Америки.
Метанол. В 2021 г. мировое производство и потребление метанола составило 86,8 млн т [9], распределение потребления метанола по регионам показано на рис. 6.

Крупнейшими мировыми импортерами метанола являются Китай, США, Индия, страны ЕС, Япония и Южная Корея. К основным производителям метанола относятся Китай (40,2 млн т), Иран (8,4 млн т), США (6,6 млн т), Саудовская Аравия (6,1 млн т), Тринидад и Тобаго (5,4 млн т) и Россия (4,5 млн т), основными потребителями – ​страны ЕС (7,1 млн т), США (6,6 млн т), Китай (52,7 млн т), Россия (2,6 млн т), Индия (2,1 млн т), Южная Корея (2 млн т) и Япония (1,9 млн т) [9].
Производство метанола в России в 2021 г. составило 4,5 млн т при общей установленной мощности 5,5 млн т, экспорт – ​2,9 млн т. Рынок метанола ежегодно растет на 5,8 % и к 2030 г. достигнет 61,5 млрд долл. США (в 2021 г. – 37 млрд долл. США) [13].
В 2022 г. Россия сократила экспорт метанола до 2,1 млн т (в 2023 г. ожидается еще падение экспорта), но начала активно диверсифицировать поставки метанола на мировые рынки. Если в 2022 г. через дальневосточные порты было отгружено только 165 тыс. т метанола, а основные поставки были отгружены через Финляндию (860 тыс. т) и через Беларусь (835 тыс. т), то уже в 2023 г. через порты Дальнего Востока ожидается экспорт до 700 тыс. метанола [15].

Потенциал экспорта водорода и водородосодержащей продукции

В настоящий момент Россия имеет ограниченный потенциал экспорта водорода в чистом виде. В отличие от стран Западной Европы и Северной Америки, где трубопроводный транспорт водорода существует с первой половины ХХ века, в России не строились магистральные водородопроводы и нет опыта их эксплуатации. Есть варианты, связанные с транспортировкой метано-­водородной смеси (с объемной долей водорода до 20 %), но сегодня ни в Китае, ни в Турции, ни в странах ЕС, куда приходит трубопроводный российский газ, нет и до 2030 г. не ожидается спрос как на водород, так и на метано-­водородную смесь. У России есть советский опыт транспортировки сжиженного водорода железной дорогой Сергиево-­Посада на космодром Байконур (похожие наработки есть и у других космических стран, таких как КНР), но эта технология может быть использована для малотоннажных поставок и, скорее всего, будет востребована только на внутреннем рынке (в той же космонавтике). Японский опыт в морской транспортировке сжиженного водорода пока ограничен только одним судном Suiso Frontier, вряд ли до 2030 г. следует ожидать его широкое тиражирование. Единственным, на наш взгляд, реальным проектом по экспорту водорода может стать Сахалинский проект, где планируется, при участии китайских компаний, производство до 300 тыс. т водорода в год с его дальнейшим экспортом, скорее всего в Китай.
В отличие от рынка водорода на рынке водородосодержащих аммиака и его производных, а также метанола, ситуация выглядит более перспективной. Ожидается мировой рост спроса на аммиак, метанол и азотные удобрения. При этом технологии их доставки как российским, так и зарубежным потребителям достаточно хорошо проработаны. Дополнительным плюсом развития именно этого направления экспорта водорода служит более высокий уровень переработки водорода (как следствие, в России развиваются производства и создаются рабочие места, возникает потенциал для развития отечественных технологий и оборудования), более высокая добавленная стоимость продукции, более широкий, чем на водород, круг текущих и потенциальных потребителей продукции.
Среди обсуждаемых в Российской Федерации вариантов экспорта водорода (например, в проекте комплексной программы развития отрасли низкоуглеродной водородной энергетики до 2035 г.) основными направлениями экспорта водорода чаще всего указываются сжиженный водород и аммиак, а в качестве приоритетных рынков – ​страны Азии. По мнению авторов статьи, вклад сжиженного водорода несколько переоценен. Необходимо сосредоточить основное внимание на переработке водорода внутри страны, а как часть экспорта водорода в виде водородосодержащих продуктов кроме аммиака также рассматривать метанол и азотные удобрения, при этом роль экспорта сжиженного водорода должна быть незначительной. Обсуждаемые ранее варианты с трубопроводными поставками водорода (в том числе и в виде метано-­водородной смеси), на наш взгляд, сегодня малоперспективны, в том числе из-за отсутствия спроса на водород в связанных с Россией трубопроводным транспортом природного газа странах при высоком спросе непосредственно на сам природный газ и низкой добавочной стоимости водорода по сравнению с водородосодержащими продуктами.
Одним из приоритетных направлений развития водородной отрасли объявлено развитие собственных технологий производства, хранения и транспортировки водорода. Пример Китая в солнечной и ветряной энергетике показывает, что именно технологическое лидерство, вкупе с наличием ресурсной базы и хорошим географическим положением, позволяет стране при формировании новых (в данном случае водородных) рынков выйти на них после появления спроса на продукцию и занять хорошие позиции. Попытки подстроиться под рынки до их появления на основании прогнозной информации, на наш взгляд, менее выигрышная и интересная для страны стратегия.

Выводы

Проведенные исследования показывают отсутствие сегодня рынков низкоуглеродного водорода, на которые можно было бы ориентироваться в перспективе до 2030 г. Вместе с тем, существуют как региональные рынки традиционного водорода, так и рынки производимых с применением водорода аммиака, метанола и азотных удобрений. Россия входит в мировые лидеры по производству и экспорту аммиака, метанола и азотных удобрений, отработаны технологии их производства, транспортировки и хранения.
Для России, на наш взгляд, целесообразно сосредоточиться не на попытках организовать любой ценой экспорт низкоуглеродного водорода, а на развитии в стране перспективных водородных технологий и оборудования и на формировании соответствующей сырьевой и индустриальной базы. В качестве примеров успешного развития можно привести технологическое лидерство ГК «Росатом» в атомной энергетике или лидерство Китая в солнечной энергетике. Географические и климатические преимущества страны, а также низкие цены на газ и электроэнергию, позволят России, при необходимости, эффективно реагировать на развитие ситуации на рынках низкоуглеродного водорода и водородосодержащей продукции (аммиак, метанол, азотные удобрения).