Развитие водородной энергетикина примере Японии

Михаил БЕРЁЗКИН
Старший научный сотрудник, к. г. н.,
географический факультет, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
Е-mail: mberezkin@inbox.ru

Олег СИНЮГИН
Старший научный сотрудник, к. э. н.,
географический факультет, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
Е-mail: sinygin.oleg@yandex.ru

Введение

Мировое производство и потребление водорода составляет более 55 млн т в год [1]. Большая часть водорода производится и используется на промышленных объектах в качестве аккумулированного водорода (используется на месте) или в качестве промышленного сырья. Из 15 млрд м3, ежегодно потребляемых промышленностью в Японии, почти 70 % приходится на нефтепереработку, а остальное – ​на производство аммиака и нефтехимию (например, на производство метанола, каустической соды) [2].
Практически весь водород производится из ископаемых видов топлива, из которых 48 % приходится на риформинг природного газа, 30 % – ​на побочные продукты нефтепереработки, 18 % – ​на газификацию угля, а остальные 4 % – ​на электролиз [3]. В ходе процесса переработки на основе ископаемого топлива на каждую тонну водорода выделяется от 9 до 12 т СО2, в зависимости от качества исходного сырья [4]. В целом промышленное производство водорода отвечает примерно за 500 Мт СО2 в год [5]. Замена водорода на основе ископаемого топлива водородом из источников энергии с нулевым содержанием углерода может значительно уменьшить углеродный след современной промышленности.
Потенциальные возможности использования декарбонизированного водорода в энергетических системах разнообразны – ​транспорт, промышленность, строительство и энергетика. В качестве топлива водород может быть использован в электрохимических элементах и двигателях внутреннего сгорания, для питания транспортных средств и электрических приборов. Высокая плотность энергии водорода позволяет использовать его в двигателях космических аппаратов. В коммерческих целях он стал использоваться в автомобилях и автобусах на топливных элементах. Водород превращается в электричество внутри топливных элементов без выбросов, выделяя только воду в выхлопной трубе. Он может быть использован для микромасштабной комбинированной выработки тепловой и электрической энергии (ТЭЦ).
Существует множество способов получения водорода, включая электролиз, при котором электрический ток расщепляет воду на молекулы кислорода и водорода. Водород может быть сжат и отправлен потребителю, что является единственным способом для островного государства, такого как Япония, импортировать большие объемы безуглеродной энергии. Кроме того, избыток возобновляемой электроэнергии может быть использован для производства водорода для долгосрочного хранения энергии. Этот водород может быть смешан с природным газом в определенных пропорциях или далее преобразован в метан или аммиак для сжигания при производстве тепловой энергии.
При эффективном электролизе с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) или производстве из ископаемого топлива водород мог бы устранить нехватку ресурсов и выбросы углерода в атмосферу как ограничения для энергетики, став новым топливом для экономического роста и способствуя декарбонизации энергетических систем. Успех в коммерциализации соответствующих технологий будет означать серьезный сдвиг в глобальном энергобалансе. Таким образом, водород может стать основой низкоуглеродной энергетической системы, а ведущие заинтересованные стороны отрасли во всем мире создали водородный совет по содействию сотрудничеству и координации [6].
Технологии водорода и топливных элементов, испытываемые в настоящее время в пилотных проектах, все еще сильно зависят от государственной финансовой поддержки и будут конкурировать с другими видами топлива в течение нескольких десятилетий. Для достижения масштабного внедрения водорода необходимо развивать новую инфраструктуру для производства, транспортировки и использования этого топлива будущего. Более того, водород остается вторичным источником энергии, а это означает, что для получения водорода из первичного источника энергии требуется энергия. Целесообразно сделать жизненный цикл этого процесса углеродно-­нейтральным.

Водородная заправочная станция
самообслуживания в Японии
Источник: depositphotos.com

Для Японии попытка создать водородную экономику – ​это стратегическая ставка. Будучи промышленно развитой страной с третьим по величине валовым внутренним продуктом (ВВП) в мире, Япония занимает второе место по степени зависимости от иностранного топлива среди стран Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) [7], 93 % потребностей Японии в первичной энергии покрывается за счет импорта. Помимо усилий по повышению энергоэффективности, наиболее жизнеспособным вариантом повышения энергетической самодостаточности страны была ядерная энергетика, но большинство ее реакторов остаются простаивающими из-за последствий ядерной катастрофы на Фукусиме в 2011 г.
Япония является крупнейшим в мире импортером СПГ и платит самую высокую цену за импортный газ. До аварии на АЭС «Фукусима» в 2011 г. в Японии наблюдался почти постоянный профицит торгового баланса, но с тех пор резкий рост импорта топлива почти каждый год приводил торговый баланс Японии в отрицательную зону. С 2010 г. внутренние тарифы на электроэнергию выросли более чем на 25 % для домашних хозяйств и на 39 процентов для промышленности [8]. Цены на электроэнергию и природный газ в Японии остаются одними из самых высоких в ОЭСР [9].

Энергетический баланс Японии и потенциальная роль водорода

СПГ, уголь и нефть в настоящее время составляют 89 % предложения первичной энергии в Японии. Благодаря своему значительному вкладу в удовлетворение потребностей промышленности и конечных потребителей нефть занимает самую большую долю (40 %) в структуре первичной энергии, за ней следуют уголь (25 %) и СПГ (24 %). В 2010‑е гг. потребление природного газа заметно возросло, особенно в энергетическом секторе, где оно давало 42 % от общего объема производства электроэнергии в 2018 г. Крупномасштабная гидроэнергетика давала 8 % выработки электроэнергии, другие ВИЭ – ​7 %, а атомная – ​2 % в том же году. После остановки ядерных реакторов в 2011 г. импорт ископаемого топлива, в частности СПГ, увеличился и достиг своего пика в 2013 г. Затем использование ископаемого топлива сократилось вследствие общего снижения энергопотребления, роста производства ВИЭ, а также постепенного и частичного перезапуска ядерной энергетики. Постепенный перезапуск энергетических реакторов уже сокращает потребности страны в импорте СПГ на 1 млн т на один запущенный реактор.
Обнародованный в 2018 г. 5‑й стратегический энергетический план излагает перспективу правительства в области энергетики на 2030 г. и далее [10]. Он утверждает приоритеты энергетической безопасности, охраны окружающей среды и экономической эффективности, а также ставит целевые показатели сокращения выбросов парниковых газов Японией в размере –26 % к 2030 г. и –80 % к 2050 г. за счет увеличения доли ВИЭ и сохранения ядерной энергетики.
Ожидается, что к 2030 г. доля ископаемого топлива сократится до 56 %, а в долгосрочной перспективе будет осуществлен переход с угля на природный газ, также к 2030 г. доля ВИЭ в производстве электроэнергии составит 22–24 %. К 2050 г. они должны стать коммерчески выгодным основным источником электроэнергии и вместе с водородом, аккумуляторами и цифровыми технологиями, обеспечивающими энергетическую стабильность. Исследования и разработки по водороду будут продолжены так, чтобы к 2050 г. этот газ мог быть использован для декарбонизации и замещения ископаемого топлива, особенно в транспортном секторе.
Согласно 5‑му энергетическому плану, к 2030 г. атомная энергетика должна производить до 20–22 % от общей выработки электроэнергии. Это – ​около 30 работающих ядерных реакторов. В то время как зависимость от ядерной энергетики будет максимально снижена, она останется долгосрочным вариантом декарбонизации. Правительство страны действительно стремится возродить атомную промышленность как основу базовой энергетики, заверяя в высоких стандартах безопасности и ее вкладе в снижение цен на энергоносители. Впервые в стратегическом энергетическом плане упоминается намерение сократить запасы плутония в Японии на фоне растущей международной и внутренней критики.
Из 39 действующих ядерных реакторов страны 9 были перезапущены с середины 2015 г., а 15 реакторов находятся в процессе утверждения перезапуска [11]. В настоящее время ядерная энергетика составляет примерно 3,6 % от общего объема производства электроэнергии в Японии, что значительно ниже той 30 % доли, которую ядерная энергетика занимала до аварии на АЭС «Фукусима» в 2011 г. Однако авария резко ухудшила общественное отношение к атомной энергетике, не только помешав правительству продолжать настаивать на перезапуске и строительстве новых реакторов, но и обострив политическую обстановку для принятия ­каких-либо важных решений по энергетическому будущему Японии. Учитывая ограниченный потенциал дальнейшего расширения гидроэнергетических и геотермальных ресурсов в Японии, ядерная энергия представляется единственным низкоуглеродным квази-­внутренним источником стабильного производства энергии.

Автобусы на водородных топливных элементах
Источник: depositphotos.com

Те же аргументы можно выдвинуть и в отношении водорода при его коммерческом внедрении. Определение целевых показателей по водороду в энергетическом балансе будет сигнализировать об уверенности правительства страны в долгосрочной жизнеспособности данной технологии, что необходимо для масштабных инвестиций при внедрении.
Правительство Японии сталкивается с требованиями снижения внутренних цен на энергоносители и, в частности, снижения стоимости своей программы ВИЭ, которая полностью поддерживается потребителями. Введенная в 2012 г. система льготных тарифов была направлена на субсидирование установки возобновляемых источников энергии, таких как солнечное фотоэлектричество, ветер, биомасса и другие. Хотя ВИЭ в настоящее время привлекают в пять раз больше инвестиций, чем тепловая и атомная энергетика вместе взятые, успех японской программы возобновляемых источников энергии выглядит неоднозначным. Снижение затрат на ВИЭ было недостаточно быстрым, поскольку затраты на установку в два раза выше, чем в Европейском союзе [12]. Слабая взаимосвязанность сетей продолжает создавать проблемы балансировки. Борьба за оправдание дорогостоящей программы использования возобновляемых источников энергии должна повлиять на подход правительства к водородной программе, что приведет к осторожной стратегии финансирования.

Выбросы углекислого газа и Парижское соглашение

Выбросы углекислого газа в Японии вышли на пик в 2013 г., достигнув исторически самого высокого уровня в 1235 млн т СO2, что на 9 % выше уровня 2010 г. [13]. Отчасти это связано с использованием СПГ и угля в качестве заменителей утраченной атомной генерации, а также с устойчивым восстановлением экономики с 2009 г. Наибольший рост наблюдается в промышленном, коммерческом и жилом секторах. С 2013 г. наблюдается разрыв между экономическим ростом и выбросами CO2 благодаря повышению энергоэффективности, расширению масштабов использования ВИЭ и частичному возобновлению производства ядерного топлива.
В преддверии Парижского соглашения по климату 2015 г. Япония представила свой предполагаемый национальный вклад в глобальное снижение выбросов, в которых она обязалась сократить общие выбросы парниковых газов (ПГ) к 2030 г. на 26 % по сравнению с уровнем выбросов 2013 г. или на 13 % по сравнению с 1990 г. Стоит отметить, что это более слабая цель, чем принятое в Копенгагене в 2008 г. обязательство сократить общие выбросы на 25 % по сравнению с уровнем 1990 г. к 2020 г. Япония отступила от своих первоначальных целей, поскольку ядерная энергетика, свободная от выбросов, по прогнозам, будет играть меньшую роль в структуре производства электроэнергии. В отраслевом плане наиболее значительная декарбонизация ожидается в коммерческом и жилом секторах – ​примерно по 40 % в каждом, еще примерно на 28 % планируется сокращение выбросов в секторах транспорта и преобразования энергии. В наиболее энергоемком промышленном секторе предполагается сокращение на 7 %.
К 2050 г. Япония стремится сократить выбросы парниковых газов на 80 %, при этом базовый год не оговаривается. В 2012 г. была одобрена концепция, выдвинутая Министерством окружающей среды Японии, которая направлена на достижение сокращения выбросов за счет повышения эффективности в секторе спроса на энергию и декарбонизации энергоснабжения. Она фокусируется на стратегиях достижения 80‑процентного сокращения выбросов внутри страны и подчеркивает необходимость скорейшего внедрения полноценной системы ценообразования на углерод. С другой стороны, подчеркиваются трудности достижения этой цели внутри страны и продвигается вклад Японии в сокращение выбросов через зарубежные программы [14].
Целесообразно прояснить политический и экономический контекст водородной стратегии и инициатив Японии, оценить достигнутый прогресс, описать его международные последствия и определить будущие возможности и вызовы.

Ключевые цели Базовой водородной стратегии Японии

Базовая водородная стратегия (далее – ​стратегия) была объявлена в конце 2017 г. [15] после заявления премьер-­министра Абэ о преобразовании Японии в ведущее мировое «водородное общество». Документ был составлен при участии различных министерств и ведомств, научных и деловых кругов. Он был опубликован главным энергетическим ведомством Японии – ​Агентством природных ресурсов и энергетики (ANRE), подразделением Министерства экономики и торговли (METI).

Город Симоносеки, Япония
Источник: depositphotos.com

Смысл стратегии заключается в необходимости координации государственных и частных водородных инициатив, которые осуществляются в Японии с 1970‑х гг. В середине 2014 г. METI опубликовало стратегическую дорожную карту для водородных и топливных элементов, в которой были определены количественные целевые показатели стоимости и масштабов внедрения в ключевых областях применения [16]. Новая базовая водородная стратегия вводит дополнительные цели на долгосрочную перспективу до 2050 г.
Ключевым условием успеха «водородного общества» является снижение стоимости водородного топлива и связанных с ним технологий по всей цепочке создания стоимости. Стратегия уделяет большое внимание снижению затрат на производство и закупку водорода с целью достижения 80 % снижения затрат примерно к 2050 г., что сделает водородное топливо конкурентоспособным по сравнению с природным газом. Текущая цена 0,9 долл./м3, как ожидается, будет снижена до 0,17 долл./м3 в долгосрочной перспективе.
Подчеркивается, что водород должен стать свободным от углеродного следа после 2050 г. Современные методы производства ископаемого топлива являются интенсивными по выбросам и поэтому должны сочетаться с улавливанием, утилизацией и хранением углерода. Также рассматриваются решения по снижению затрат на электролиз с использованием возобновляемых источников энергии.
Для достижения этих целей Япония стремится развивать сети поставок водорода с нулевым уровнем выбросов углерода. Сейчас в Австралии, Саудовской Аравии, Норвегии и Брунее японские компании работают над производством водорода из угля, нефти и гидроэнергии, а также тестируют технологии транспортировки водорода в Японию. Технологии-­носители, рассматриваемые в рамках стратегии, – ​это жидкий водород, сжатый водород, метилгидрогексан, диметилэфир и аммиак.
Последняя цель заключается в разработке приложений водорода и топливных элементов в различных секторах – ​мобильность, производство электроэнергии, жилые ТЭЦ и промышленность – ​что подразумевает развитие соответствующей инфраструктуры. Олимпийские игры 2020 г. в Токио стали первой вехой, демонстрирующей технические характеристики, товарность и масштабируемость текущих демонстрационных проектов [17].
Япония уже является одним из лидеров в развертывании транспортных средств на топливных элементах и заправочных станций. По состоянию на конец 2018 г. в Японии насчитывается более 100 заправочных станций – ​больше, чем 39 станций в Соединенных Штатах и 45 в Германии в сумме [18]. Однако для достижения целевых показателей в секторе мобильности потребуется гораздо больше станций, сокращение производственных затрат и смягчение правил строительства и эксплуатации заправочных станций.
Производство электроэнергии может стать наиболее важным фактором спроса на водород в долгосрочной перспективе. Исходя из объема топлива, необходимого электростанциям, производство электроэнергии может перевесить все другие секторы и обеспечить до 64 % спроса Японии на водород в 2050 г. [19]. Однако для того, чтобы привлечь достаточные исследовательские усилия и инвестиции, правительству страны необходимо будет включить целевые показатели водородной стратегии в долгосрочный национальный энергетический план.
По оценкам правительства, японский рынок водородного оборудования и инфраструктуры может достичь примерно 10 млрд долл. в 2030 г. и 75 млрд долл. в 2050 г.

Стационарные топливные элементы: когенерация тепла и электричества (TEC) в домах

Существуют различные типы топливных элементов, каждый из которых назван в соответствии с электролитом, используемым в системе. Двумя наиболее коммерчески продвинутыми вариантами являются полимерный электродный элемент (PEFC) и твердооксидный топливный элемент (SOFC).
Они обычно работают либо на природном газе, либо на пропане и применяются в когенерации тепловой и электрической энергии (ТЕС),

Олимпийские объекты в Токио
ориентированы на использование водорода.
Открытие Олимпиады в Токио, 2020 г.
Источник: depositphotos.com

В 2009 г. консорциум крупнейших японских поставщиков энергии и производителей топливных элементов запустил стационарные топливные элементы для домашних хозяйств под названием Enefarm. Enefarm – ​это микро-­когенерационная система для отопления и распределенной подачи электроэнергии, которая поставляется элементами PEFC и SOFC, причем модель PEFC охватывает 90 % продаж. При установленной мощности 700 Вт и 1000 Вт Enefarm не предназначен для удовлетворения всей потребности дома в электроэнергии, скорее он покрывает часть потребности в электроэнергии и весь спрос на горячую воду.
В настоящее время японское правительство предлагает субсидии, основанные на типе топливного элемента, используемого в системе (PEFC или SOFC), цене (должна находиться в пределах многоуровневого ценового предела) и переменных факторах, таких как тип топливного газа или переоборудование здания. Клиенты стимулируются более высокими субсидиями на покупку и установку более дешевых систем, что направлено на повышение конкурентоспособности затрат и улучшение производительности среди заводов по выпуску оборудования. Более высокие субсидии предоставляются SOFC, которые показывают лучшие технические характеристики, но из-за более высокой стоимости они составляют меньшую долю продаж. Средняя цена PEFC составляет около 7000 долл., система SOFC может быть приобретена примерно за 9000 долл. По сравнению с обычными системами электроснабжения и отопления капитальные затраты на системы PEFC или SOFC в 2,5–3,5 раза выше, но владельцы могут окупить свои инвестиции примерно за 7–8 лет без субсидий. К 2050 г. японское Министерство экономики и торговли (METI) планирует установку 5,3 млн единиц по всей стране, или примерно в 10 % японских домохозяйств. По оценкам МЭА, замена 10 % систем отопления топливными элементами в Японии снизит общий спрос на энергию в жилых помещениях на 3 %, что приведет к сокращению выбросов углекислого газа на 4 % по сравнению с газовыми котлами и сетевым электричеством для энергоснабжения жилых помещений.

Производство электроэнергии и тепла

Производство электроэнергии с использованием аммиака сопровождается развитием производства тепловой энергии на водородном топливе, которое может стать единственным крупнейшим драйвером водородного рынка к 2050 г., если будет доведено до полного технического потенциала, на долю которого приходится 64 % нового спроса на водород. По расходу топлива 1 ГВт мощности производства электроэнергии требует примерно 3 млн м3/год водородного топлива, в то время как один FCV требует примерно 1000 м3/год. При пиковом количестве FCV, ожидаемом к 2030 г., потребность в топливе всего национального парка в Японии будет равна доле потребности одной электростанции. Производство водородной энергии все еще находится в зачаточном состоянии, поскольку технология сжигания находится в стадии исследований и разработок. Его будущая коммерциализация и внедрение на массовый рынок зависят от готовности правительства поддержать этот источник энергии и от роли ядерной энергетики в энергетическом балансе.
Электричество может быть произведено путем сжигания водорода, как в виде чистого водорода, так и в виде смеси природного газа или угля. В целом существующие газовые электростанции приспособлены для совместного сжигания водорода. Турбины с перемешиванием до 50 % в комбинированном цикле интегрированной газификации угля (IGCC) уже коммерциализированы. Установка сжигания чистого водорода работает в Италии с 2010 г., а японские компании, такие как Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS) и Kawasaki Heavy Industries, также работают как над технологиями прямого, так и совместного сжигания.

Порт Moji ku на острове Китакюсю в Японии
Источник: depositphotos.com

Несмотря на отсутствие сопутствующих выбросов, при сжигании водорода образуется оксид азота (NOx) – ​загрязнитель воздуха и парниковый газ. Совместное сжигание природного газа может быть вдвой­не загрязняющим, когда слишком быстрая реакция приводит к нестабильному горению и высоким температурам пламени. Чтобы противостоять этому, изучаются такие меры, как инъекции воды для охлаждения пламени и разбавление топлива инертными газами. Ожидается, что производство электроэнергии за счет сжигания водорода будет более рентабельным, чем производство электроэнергии стационарными топливными элементами, благодаря масштабируемости.

Промышленность

Практически весь водород, потребляемый японской промышленностью сегодня, – ​это побочный продукт промышленного процесса. При нефтепереработке побочный водород повторно используется в той же установке, что и сырье для десульфурации нефти. В последнее время, учитывая растущий спрос на более высокие переделы нефтехимии, нефтеперерабатывающие заводы в Японии и других странах мира начали покупать водород у других заводов, поскольку они больше не могут удовлетворить свой собственный спрос. В настоящее время в Японии крупнейшим поставщиком водорода является каустическая содовая промышленность, которая продает высокочистый побочный водород автозаправочным станциям и другим заводам. Однако производство каустической соды переходит на более энергоэффективный газодиффузионный электродный метод, который не выделяет водорода, поэтому на него нельзя полагаться при планировании снабжения водородом в будущем. Сталеплавильное производство также производит побочный водород, часть которого продается. Объем и качество побочного водорода могут варьироваться в зависимости от типа сырья и производственного процесса.
В Японии нет целей декарбонизации промышленного водорода, в отличие, например от Франции, которая выбрала промышленный водород в качестве первого шага к своему рынку «зеленого» водорода. Согласно французской стратегии, 10 % промышленного водорода (100 000 т Н2) будет получено из электролиза с нулевым выбросом к 2023 г., а 20–40 % – ​к 2028 г. Вместо этого Япония решила сосредоточиться на новых технологиях производства водорода, которые в конечном итоге должны стать безуглеродными и конкурентоспособными по стоимости, а также на новых рынках конечного использования, таких как FCV, Enefarm и производство электроэнергии. По прогнозам, эти новые рынки будут потреблять 300 тыс. т Н2 в год в 2030 г. и 10 млн т Н2 после 2050 г. В то время как объем текущего рынка водорода составляет всего 1,3 млн т/год, из них 98 % – ​это побочный продукт химического и сталелитейного производства. Высокие цены на энергоносители и зависимость от импорта энергоносителей в Японии привели к высокой оптимизации заводов, и любые дальнейшие требования по контролю выбросов нанесут ущерб их конкурентоспособности.

Вопрос хранения водорода остается открытым
Источник: depositphotos.com

Как и Франция, Япония продвигает производство водорода с помощью электролиза, но главное отличие заключается в высокой стоимости возобновляемых источников энергии. В то время как появляется тендерное ценообразование, многие проекты оцениваются по схеме включенного тарифа. В 2018 г. солнечная энергия (от 10 кВт до 2000 кВт) стоила 0,18 долл./кВт·ч. В дополнение к высокой стоимости электроэнергии перебои с возобновляемыми источниками энергии снижают коэффициент мощности электролиза, тем самым повышая предельные затраты на производство водорода. Поэтому даже в 2030 г. внутренний водород из солнечной и ветровой энергии, по прогнозам, будет стоить около 3 долл./м3 Н2 и может оставаться более дорогим, чем импортный водород из природного газа с улавливанием и хранением СО2 и гидроэнергии.
Промышленные парки являются отличными испытательными площадками для пилотных проектов по водороду благодаря налаженной инфраструктуре распределения и хранения. В долгосрочной перспективе промышленное применение может выйти за рамки исходного сырья, поскольку водород потенциально может заменить ископаемое топливо в котлах, когенерации и прямом отоплении. Таким образом, отрасли смогут сократить свои выбросы перейдя на «зеленый» водород, как только он станет дешевле. По оценке Института экономики энергетики Японии (IEEJ), к 2050 г. промышленность Японии теоретически может потреблять 645 млрд м3 или 58 млн т Н2 в год. Наибольший объем поглощения можно ожидать в химической промышленности (37 % от общего объема поглощения водорода промышленностью), целлюлозно-­бумажной промышленности (25 %) и металлургии (13 %).

«Водородный город» – ​Китакюсю, Япония

Город Китакюсю в префектуре Фукуока был признан ОЭСР первым городом модели «зеленого роста» в Азии за его многочисленные инновационные и международные усилия по обеспечению устойчивого развития. В 2004 г. правительство префектуры Фукуока стало соучредителем стратегической конференции по водородной энергетике – ​организации, состоящей из представителей частного, академического и государственного секторов Японии, вместе они создали Фукуокскую водородную стратегию (Нi-­Life Project), ориентированную на НИОКР и коммерциализацию водорода и топливных элементов, а также развитие человеческих ресурсов.
Город Китакюсю осуществил первый в мире демонстрационный водородный проект на уровне сообщества, который проходил в период с 2011 по 2014 гг. Его цель состояла в том, чтобы проверить подачу побочного водорода с близлежащего сталелитейного завода в жилые, коммерческие и общественные объекты с помощью трубопровода. В частности, в рамках проекта были протестированы следующие аспекты: подача водорода по трубопроводу, работоспособность топливных элементов в различных областях применения, транспортные средства на топливных элементах, небольшие вилочные погрузчики и велосипеды поставка электроэнергии от FCV домашним хозяйствам и интеллектуальное распределение электроэнергии в сообществе. Хотя испытания в «водородном городе» Китакюсю были завершены в 2014 г., в 2016 г. префектура Фукуока и город Китакюсю объявили о своем намерении возобновить проект. Цель состоит в дальнейшем снижении затрат на водородные технологии.

Производство водорода из возобновляемых источников энергии

Гидроэнергетика является наиболее распространенным источником энергии для электролиза, поскольку солнечная и ветровая энергия очень волатильны. Фактически на протяжении 1900‑х гг. гидроэлектроэнергия обеспечивала электролиз для производства удобрения аммиака, пока природный газ не стал дешевле. Продолжающееся снижение стоимости солнечной и ветровой энергии, повышение загрузки мощностей и развитие аккумуляторных технологий постепенно превращают крупномасштабный возобновляемый электролиз в жизнеспособный вариант. В частности, в электролизе экономия от масштаба проявляется в снижении стоимости компрессоров, газгольдеров, трансформаторов и балансового оборудования.
Внутреннее производство водорода повысит энергетическую безопасность Японии и снизит ее зависимость от импортных рисков, волатильности цен, геополитики и оттока капитала. Местные предприятия могут быть размещены вокруг центров производства водорода, особенно в сельских районах с обширными пространствами для крупных возобновляемых проектов. Экономическое возрождение обезлюдевших сельских районов является одной из наиболее острых социальных проблем и одним из главных инвестиционных приоритетов японского правительства.
Более высокая стоимость возобновляемой энергии в Японии – ​более 10 центов США/кВт·ч –способствует заметно более высокой стоимости внутреннего производства водорода, но он компенсируется отсутствием больших затрат на сжижение, транспортировку и регазификацию в случае импортного водорода, что делает внутренние поставки сопоставимыми с некоторыми импортными.

Tokyo Dome City, Япония
Источник: depositphotos.com

Одним из факторов, способствующих повышению стоимости производства на основе возобновляемых источников энергии, является фактор низкого коэффициента использования мощности. Из-за перебоев в солнечной и ветровой энергетике производственные мощности остаются простаивающими в течение длительных периодов времени, поэтому при расчете принимается коэффициент использования мощности 20 %. Если энергоснабжение можно стабилизировать, например, включив комбинированную солнечную и ветровую системы, то эффективность производства улучшается, тем самым снижая предельные издержки производства из возобновляемых источников.

Выводы

Будучи бедной ресурсами, но экономически и технологически развитой страной, Япония однозначно вынуждена заняться производство водорода в своей энергетической системе в ближайшие десятилетия в качестве ответа на энергетические и климатические вызовы.
Правительство нацелено на разработку и внедрение всей цепочки поставок водорода с нулевым содержанием углерода от его производства до транспортировки и применения в различных отраслях.
Стратегия Японии включает в себя участие внутренней и зарубежной промышленности и государственных заинтересованных сторон в ряде межсекторальных пилотных проектов. По результатам текущих пилотных проектов после 2020 г. будет рассмотрен вопрос об интеграции водорода в более широкие экономические и энергетические планы.
Декарбонизация энергетического сектора Японии по-прежнему опирается на ядерную энергетику, природный газ, энергоэффективность и ВИЭ.
Успех водородной энергетики будет зависеть от способности Японии производить, закупать и использовать большие объемы водорода с нулевыми выбросами парниковых газов по цене, конкурентоспособной с альтернативными видами топлива. Достижение паритета затрат также в значительной степени зависит от появления эффективного ценообразования на углерод.
Глобальная координация политики в области водородной энергетики и климата и сотрудничество между отраслями необходимы для достижения целевых показателей.