Пятьдесят оттенков водорода

Водород ворвался на Олимп «топлива будущего» благодаря целям по достижению выбросов углерода, объявленным многими развитыми странами. Россия, являющаяся одним из мировых лидеров добычи и экспорта углеводородов, которые могут оказаться за бортом мировой энергетики, не может не вписаться в эту повестку. Наша страна ставит перед собой задачи сделать водород одним из драйверов спроса на газ, снизить за счет водорода углеродный след основных экспортно-ориентированных производств, а также стать непосредственно экспортером нового энергоносителя и не допустить технологического отставания.

Европейские и другие развитые страны на пути достижения цели по снижению выбросов парниковых газов, в частности, СО2, активно двигаются к переходу на другой энергоноситель — водород. Для России это грозит потерей рынка сбыта своих традиционных экспортных товаров — нефти, газа, угля, усилением конкуренции между экспортерами. Кроме того, возможно технологическое отставание в области энергетики.

В октябре прошлого года правительство утвердило план мероприятий по развитию водородной энергетики до 2024 года, то есть на ближайшие 2,5 года. Минэнерго РФ определило основные положения концепции развития водородной энергетики в России, которая обозначает цели, задачи, стратегические инициативы и ключевые меры по развитию водородной энергетики в стране на среднесрочный период до 2024 года, долгосрочный период до 2035 года, а также основные ориентиры на перспективу до 2050 года. Концепция почти согласована и в скором времени будет опубликована.

Развитие производства и потребления водорода, вхождение в число мировых лидеров по его производству и экспорту прописано в Энергетической Стратегии РФ до 2035 года: к 2024 году страна намерена экспортировать 0,2 млн тонн; к 2035 году — 2 млн тонн. В проекте концепции Минэнерго обозначает более смелые замыслы: в 2021–2024 годах предполагается создание водородных кластеров и реализация пилотных проектов для достижения производства и экспорта водорода не менее 0,2 млн тонн к 2024 году (оптимистичная цель — 1 млн т), а также применения водородных энергоносителей на внутреннем рынке.

В течение 2025–2035 годов предполагается запуск первых коммерческих проектов производства водорода с достижением объемов экспорта не менее 2 млн т в 2035 году (оптимистичная цель — 7 млн т).

С 2036 по 2050 годы планируется широкомасштабное развитие мирового рынка водородной энергетики. Объемы поставок водорода на мировой рынок могут достигнуть 7,9 млн т к 2050 году (оптимистичная цель — 33,4 млн т). На этом этапе РФ рассчитывает стать одним из крупнейших экспортеров водорода и энергетических смесей на его основе, а также промышленной продукции для водородной энергетики в страны Азиатско-Тихоокеанского региона и Евросоюза и поставщиком технологий водородной энергетики на мировой рынок. На внутреннем рынке ожидается начало широкого коммерческого применения водородных технологий на транспорте, в энергетике и промышленности.

Однако на пути реализации этих планов, как всегда, много препятствий: во-первых, страны, стимулирующие использование водорода, до сих пор не определились с возможным объемом потребления водорода, во-вторых, стоимость климатически нейтрального водорода пока существенно проигрывает стоимости ископаемых источников энергии, в-третьих, не все технологические вопросы его использования еще решены, в-четвертых, нет ясности, достаточно ли будет ресурсов для его «чистого» производства.

И кроме того, у ученых есть сомнения, действительно ли «зеленый» водород сократит выбросы парниковых газов или увеличит их.

В настоящее время водород используется в основном как сырье (для производства аммиака — 32 млн т/г) или в технологических процессах нефтепереработки (на установках каткрекинга, гидроочистки топлив — 38 млн т) и производится в месте потребления на специализированных установках, то есть рынка как такового у него нет.

Еще около 42 млн т водорода используется в смеси с другими газами в качестве сырья или топлива при производстве тепловой и электрической энергии (производство метанола — 12 млн т, металлургия — 4 млн т смеси).

Переход же к низкоуглеродной экономике предполагает, что водород получит новые сферы применения: для накопления, хранения и доставки энергии, а также рассматривается в качестве перспективного универсального энергоносителя. Так, водород можно использовать на транспорте при условии распространения электродвигателей на топливных элементах, в энергетике — как энергоноситель, в системах накопления электроэнергии, в метано-водородных смесях и т. д.

С социально-экономической точки зрения водород рассматривается Евросоюзом как драйвер экономического роста, то есть для привлечения инвестиций. Кроме того, ожидается, что водородная энергетика к 2050 году создаст 5,4 миллиона новых рабочих мест.

Вице-премьер РФ Александр Новак отмечает, что диапазон оценок глобального спроса на водород к 2050 году колеблется в пределах от нескольких десятков до почти 700 млн тонн в год.

Сейчас водород производится в основном из газа (около 200 млрд кубометров или 2% мирового потребления) и угля (около 100 млн тонн угля, также 2% мирового спроса) — «серый» водород. Евросоюз рассчитывает в перспективе производить водород из воды методом электролиза с использованием энергии, вырабатываемой с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ) — это называется «зеленый водород».

Краеугольным вопросом для развития водородной энергетики является стоимость производства «зеленого» водорода.

По оценке Российского энергетического агентства (РЭА) Минэнерго, наибольшие выбросы СО2 (14,4-25,3 кг) получаются при производстве 1 кг водорода путем газификации угля, зато стоимость его будет наименьшей ($1-1,9 за кг). Далее следует паровой риформинг метана (выбросы 10,7-16 кг, стоимость — $1-2,2 за кг).

Однако если добавить к этим двум основным текущим методам производства системы улавливания и хранения СО2, то для парового риформинга показатели станут следующими: выбросы 3-5,9 кг при стоимости $1,9-2,3/кг, а для газификации угля — выбросы 0,8-5,2 кг, а стоимость — $2,2-2,7 за кг. А водород станет классифицироваться как «голубой».

Текущие же выбросы от производства водорода путем электролиза воды в случае, если электроэнергия берется из российской энергосети, будет выше, чем при паровом риформинге метана (если будут использованы ВИЭ, то 0,5-2,5 кг выбросов СО2 на кг водорода). Стоимость выработки водорода из воды будет варьироваться от $4,6- 14,9 за кг в зависимости от источника энергии подсчитали в РЭА.

Однако заместитель начальника департамента — начальник управления «Газпрома» Александр Ишков в ходе Российско-Германского сырьевого форума призвал обратить внимание на тот факт, что массовое сжигание (окисление) водорода приведет к огромному количеству воды в атмосфере, а вода — основной парниковый газ на Земле (70-80%), то есть человечество получит обратный эффект.

Второй аспект, отметил он, при использовании водорода нельзя будет избежать утечек, как любого газа, и когда в атмосфере водород будет вступать в конкуренцию с радикалом ОН, снова будет образовываться вода, но будет накапливаться и метан. То есть, даже если прекратить использовать метан (природный газ) в энергетике, который тоже является одним из основных парниковых газов, также будет обратный результат.

Директор Института Фрица Хабера Общества Макса Планка профессор Роберт Шлёгль признал, что работа с водородом «явно будет связана с какими-то негативными последствиями, потому что невозможно представить, чтобы широкое применение какой-то одной технологии не оказывало негативного влияния».

«Надо конкретно просчитать климатическое влияние использования водорода в глобальных энергосистемах, биологических системах нашей планеты, потому что эта эйфория нового энергоносителя конечно, очень хороша, но как только мы выходим на уровень глобальных измерений — это совершенно другой вопрос. У меня тоже есть определенный вопрос в отношении того, какое количество водяных паров мы будем выбрасывать в атмосферу, какое количество свободных радикалов и т. д.», — сказал он.

«Мы действительно столкнемся с совершенно новым круговоротом веществ, который на данный момент в природе не наблюдаем, поэтому должны будем понимать, к каким последствиям это приведет. Нам необходимо будет избежать утечек водорода, потому что это газ, который обладает высокой способностью вступления в химические реакции», — подчеркнул Шлёгль.

Для транспортировки водорода к местам потребления нужны надежные системы транспортировки, поскольку это очень взрывоопасный газ — его можно транспортировать по трубам в сжиженном или компримированном виде (это потребует высокого давления и низких температур) или же в связанном состоянии (в виде аммиака или жидких органических носителей). По оценке экспертов, транспортировка занимает в среднем 30% цены.

Другой немаловажный вопрос — будет ли достаточно запасов пресной воды для производства «зеленого» водорода.

Серьезным сдерживающим фактором являются технологии улавливания, хранения, транспортировки и использования углекислого газа (CCUS). В РЭА полагают, что соляные пещеры являются наиболее конкурентоспособным способом для долгосрочного хранения СО2 (в газообразном виде), а в сжиженном или компримированном виде углерод лучше хранить на короткий срок.

Так, по расчетам, представленным РЭА на основе различных экспертных оценок, на хранение 1 кг СО2 в соляной каверне придется потратить $0,13, в сжатом виде — $0,18-0,19, в сжиженном — $0,92.

Наиболее эффективным способом производить низкоуглеродный водород в РЭА считают паровой риформинг метана, газификацию угля с использованием CCUS или электролиз воды на базе атомной энергетики — «желтый» водород.

В Европе тоже понимают, что на пути к использованию «зеленого» водорода придется воспользоваться более дешевыми и доступными источниками.

По оценке РЭА, стоимость «зеленого» водорода может упасть до цены «голубого» водорода, производимого в России, только к концу 2040-х годов, а сравняться со стоимостью «голубого» водорода из ЕС — к началу 2040-х годов. В расчетах учтен углеродный налог и постепенный его рост до примерно $150 за т к 2050 году.

По разным экспертным оценкам, стоимость электролизеров на ВИЭ благодаря снижению стоимости энергии и эффекту масштаба к 2050 году может упасть в 10 раз — с текущих $1000-1200 за кВт до $100-200 кВт, таким образом, цена «зеленого» водорода опустится ниже $2 за кг. Субсидии от правительств могут ускорить этот процесс. Так, активное субсидирование возобновляемой энергетики в Европе уже сделало возобновляемую энергию конкурентоспособной с традиционными источниками энергии.

Сейчас Евросоюз активно обсуждает возможность введения так называемого «углеродного налога». По оценке KPMG, в случае введения Евросоюзом углеродного трансграничного регулирования Россия, экспортирующая углеродосодержащую продукцию, может потерять от 225 млрд до 475 млрд рублей каждый год.

В этом смысле водород для России может стать способом для снижения углеродоемкости производимой продукции. Наиболее приоритетными отраслями для применения, считают в РЭА, здесь являются металлургия (внедрение технологии прямого восстановления железа, DRI) и химическая промышленность (использование низкоуглеродного водорода в качестве сырья при производстве аммиака и метанола). Кроме того, низкоуглеродный водород может использоваться других отраслях промышлености (стекольной, электротехнической и т. д.).

Кроме того, это может повысить шансы на привлечение «зеленого финансирования» — уже многие европейские банки отказываются предоставлять заемные средства на углеводородные проекты.

Развитие нового источника также может обеспечить энергией изолированные регионы и системы энергоснабжения.

Развивая водородную энергетику, Россия рассчитывает добиться нового технологического уровня производственной базы топливно-энергетического комплекса с обеспечением его конкурентоспособности и развить отечественные технологические компетенции в области водородной энергетики с обеспечением импортозамещения и дальнейшим переходом к экспорту технологий и промышленной продукции на зарубежные рынки.

Как заявил в ходе российско-германского сырьевого форума руководитель департамента «Энергетическая политика — тепло и эффективность» министерства экономики и энергетики ФРГ Торстен Хердан, у Евросоюза будет гигантская потребность в водороде и «в одиночку мы ее покрыть не сможем. Нам нужны партнеры, с которыми можно выстроить надежные отношения». Он отметил, что с Россией Германия не только торгует энергией, но и технологиями.

В настоящее время многие российские компании заключают соглашения о сотрудничестве с лидерами технологий в водородной энергетике.

Как заявил Александр Ишков, «Газпром» занимается научно-исследовательскими, опытно-конструкторскими и практическими вопросами получения и использования водорода уже практически 10 лет: на предприятиях компании производится более 350 тыс. т водорода для использования в технологических процессах, причем часть этого водорода является низкоуглеродным.

«Технологически „Газпром“ достаточно быстро может удовлетворить спрос на водород, который может возникнуть на рынке.

Но все большие проекты реализуются так: сначала заключается соглашение о намерениях потребителя, а под эти потребности реализуется большой коммерческий инвестпроект. Некоммерческие проекты, которые реализуются за счет бюджетов и субсидий, имеют другую подоплеку», — сказал он.

Он отметил, что у компании уже есть сотрудничество и обмен информацией с немецкими компаниями, в частности, с BASF, которая занимается технологией пиролиза метана (в процессе получается твердый углерод). «По консолидированной однозначной оценке, пиролиз метана на сегодняшний день — самая дешевая и самая нейтральная технология получения водорода. Конечно, она имеет перспективы. У „Газпрома“ есть завод, который производит углерод пиролизом метана, и эта технология — без выбросов СО2», — добавил Ишков, отметив, что пиролизом метана интересуются многие компании, в том числе американские, немецкие и голландские.

В «Росатоме» тоже идет проработка пилотных проектов, развитие отечественных технологий. «Мы предусматриваем развитие лидерских позиций в области производства водородного оборудования. Ведем активные исследования в области производства, транспортировки, хранения, потребления водорода, исследуем концепции производства низкоуглеродного водорода, при этом исходим из максимальной технологической нейтральности, параллельно развиваем технологии конверсии метана и электролизного производства, свои решения по улавливанию и утилизации углекислого газа», — сказал вице-президент по маркетингу и развитию бизнеса «Русатом Оверсиз» (входит в «Росатом») Антон Москвин.

Программа реализуется и с отечественными, и зарубежными партнерами. «Сейчас у нас серьезный технологический задел, чтобы предложить конкурентоспособные решения в ближайшие годы по этим направлениям», — считает он.

Очевидно, что началась новая глобальная война за технологическое преимущество — вопрос, у кого больше хватит инвестиций. По оценкам, инвестиции в водородные проекты к 2030 году могут достигнуть $70-150 млрд, основными драйверами станут Япония, Германия, Нидерланды, Великобритания, США, Южная Корея, Китай, Сингапур, Бельгия, Дания, Норвегия и Швеция — они уже в числе стран с наиболее развитыми водородными технологиями, внедряющими их в жизнь.

Светлана Кристалинская