Нынешний год уже стал вехой в истории водородной промышленности. Технологии производства и использования водорода уже не просто опыт отдельных компаний и прогнозы аналитиков. Они превратились в реальные национальные и надгосударственные стратегии с солидными бюджетами. Инициатором стал ЕС и отдельные страны Европы.
Причины интереса к водороду на примере Германии
Германия относится к числу европейских стран, наиболее активно постулирующих достижение углеродной нейтральности. Правительство Германии 10 июня 2020 года приняло «Национальную водородную стратегию». Почему водород?
По-видимому, одна из ключевых причин в том, что масштабное наращивание возобновляемых мощностей в Германии практически закончилось, тенденция стала очевидна даже для сторонних наблюдателей еще в прошлом году. «В Германии падение объемов строительства ВИЭ произошло в 2018 году, но с чем это связно — пока непонятно», — прокомментировал гендиректор АО «НоваВинд» (входит в Росатом, занимается строительством ВЭС) Александр Корчагин на форуме «Российская энергетическая неделя‑2019». В первом полугодии 2019 года были построены только 290 МВт новых ветромощностей — снижение на 80 % по сравнению с 2018 годом. А в 2018 году объемы новых мощностей упали почти вдвое по сравнению с 2017 годом.
Почему инвестиции в ВИЭ было решено фактически по-тихому свернуть?
Первая и главная причина — провал ставки на ветер и солнце как источники генерации в одиночку способные радикально снизить объем выбросов парниковых газов. Лишь в 2018 году выбросы стали снижаться, до этого они росли. Парадокс в том, что снижение выбросов в Германии происходило параллельно со снижением объемов строительства ветростанций, на которую приходится наибольший объем мощностей среди ВИЭ.
Вторая — существующий объем установленной мощности ВИЭ уже на 25 % выше стагнирующего спроса на электроэнергию. По данным портала energy-charts.de на 3 июля 2020 года, общая установленная мощность ВИЭ в Германии составляет 125,76 ГВт при базовом уровне потребления около 40 ГВт и пиковом — 80–100 ГВт.
Третья — нестабильный характер генерации и, как следствие, снижение объема гарантированных поставок. «На фоне этих изменений объем гарантированной мощности в Германии снизится в 87,2 ГВт в 2017 г. до 54,8 ГВт в 2030 г., что, конечно же, понизит надежность поставок электроэнергии в стране с ее пиковыми нагрузками на уровне 80–100 ГВт и существующими возможностями», — отмечает в одной из своих статей профессор кафедры энергораспределения и высоковольтной техники Бранденбургского технологического университета Гаральд Шварц (Harald Schwarz).
Четвертая — резкие скачки цен на электроэнергию и разбалансированность диспетчеризации: «К сожалению, часто возобновляемая генерация растет тогда, когда энергия нужна меньше всего. И несколько раз в неделю выработанные возобновляемыми источниками излишки начинают поступать из региональных сетей в и без того перегруженные сети напряжением 400 кВ», — продолжает Гаральд Шварц.
Пятая — неразвитость сетей для перетоков больших и нестабильных объемов электроэнергии. German National Energy Agency опубликовало исследование, в соответствии с которым надо построить около 10–20 тыс. км ЛЭП 110 кВ по всей Германии. Однако, как отмечает профессор Шварц, из-за бюрократических проволочек в течение последних десяти лет были построены лишь несколько сот километров новых линий.
Шестая — отсутствие свободного места для размещения новых солнечных ферм и ветропарков. Они уже начали раздражать местных жителей своей близостью и вызывать у них опасения по поводу влияния на здоровье.
Седьмая — рост объемов ВИЭ вызвал рост тарифов на электроэнергию. Властям приходится обещать гражданам страны отсутствие нового повышения цены.
Наконец, восьмая, которая еще не до конца осознана, — как утилизировать высокопрочные ветровые установки, первые партии которых начали выходить из эксплуатации.
Резюме: в Германии признали, что наращивание возобновляемой генерации не решило поставленные задачи и не снизило выбросы парниковых газов, но создало проблемы со стабильностью энергообеспечения, ростом цен, изменило ландшафты и создала новый источник высокотехнологического мусора.
Немецкий опыт, конечно, по-своему уникальный, но, одновременно, является предупреждением для всех, кто считает, что ВИЭ могут является основой энергоснабжения высокоразвитой экономики. Очевидно, что политические соображения не позволят Германии отказаться от ВИЭ, но проблемы со стабильностью энергообеспечения надо как-то решать. Выходом было признано создание водородной энергетики. Другого выхода, в условиях одновременного отказа от угля и атомной энергетики, отсутствия больших накопителей и новых сетей, пока нет.
Кто, кроме Германии
Внимание к водородной энергетики проявили и другие страны. «Практические все страны-члены ЕС дополнили свои Национальные энергетические и климатические планы планами по развитию чистой водородной энергетики; 26 стран присоединились с так называемой «Водородной инициативе», а 14 стран включили водород в свою национальную политику развития инфраструктуры альтернативных источников энергии. А некоторые из них уже утвердили национальные стратегии или находятся в процессе их принятия», — отмечают авторы европейской стратегии. Вот несколько примеров.
В Испании в последней версии закона, стимулирующего переход к альтернативным источникам энергии, водород назван ключевым. На базе Каталонского института энергетики при участии 40 испанских компаний был создан проект «Taula de l’Hidrogen», цель которого — продвижение водородных технологий.
В России водород — один из трех компонентов «Концепции развития рынка систем хранения электроэнергии в Российской Федерации».
Франция в 2018 году разработала «План по развитию водорода в рамках энергетического перехода». Этот план будет включен в Долгосрочную энергетическую программу, рассчитанную на период 2019–2028 годов.
Министерство энергетики США готово частично профинансировать проект по размещению электролизеров на АЭС американской энергокомпании Exelon.
Производство водорода лоббирует и частный сектор. Крупнейшие электроэнергетические компании и ассоциации Европы (Akuo Energy, BayWa re, EDP, Enel, Iberdrola, MHI Vestas, SolarPower Europe, Ørsted, Vestas и WindEurope) обратились с открытым письмом в Еврокомиссию, в котором отметили: «Инвестиции в чистый водород имеют большой потенциал с точки зрения создания новых рабочих мест и обеспечения экономического роста».
Наконец, водородную стратегию разработал и Евросоюз. Обращает на себя внимание, что «чистым» назван водород, произведенный с помощью электроэнергии исключительно из возобновляемых источников: «Чистый водород — это водород, полученный с помощью возобновляемых источников энергии». Опыт Exelon и, как мы увидим, Росатома, доказывает, что безуглеродное производство возможно и на атомных электростанциях. Атомные позиции на водородном рынке на международном уровне защитил гендиректор Foratom Ив Дебазиль (Yves Desbazeille): «С учетом тех серьезных вызовов, с которыми Европа столкнется в следующие 30 лет, очень важно сделать так, чтобы законодатели не ограничивали свои усилия только возобновляемыми источниками энергии. Трансформация нашей энергетической системы потребует использования ВСЕХ низкоуглеродных решений, доступных нам сейчас. И политика Евросоюза должна их учитывать».
Кто оплатит водород
Серьезность намерений правительств, по-видимому, измеряется опубликованными сроками и суммами. Такие, например, есть у проекта Exelon и у стратегии Германии.
Проект Exelon оценивается в 7.2 млн долларов. Объем господдержки — 3,6 млн долларов. Предполагается, что к марту 2021 года компания выберет площадку, где будет проводить электролиз, проведет 30 % нужных работ и проверит работу на симуляторе. Проект нужен для диверсификации бизнеса и повышения доходов АЭС: «Exelon с 2018 г. ищет пути перепрофилирования своих атомных электростанций, чтобы сделать их работу более эффективной экономически. Компания проводила совещания с представителями научного сообщества, бывшими сотрудниками и представителями регулирующих органов. И за несколько лет интенсивной работы мы пришли к выводу, что у нас, по сути, есть единственное решение — водород. Именно на нем мы хотим сосредоточиться в дальнейшем. Мы считаем, что за водородной энергетикой будущее», — сообщает журнал Power, цитируя вице-президента Exelon Скотта Гринли (Scot Greenlee).
Объем и источники поддержки водородной отрасли Германия предельно всеобъемлюще и четко изложила в самом начале своей стратегии: «…в период с 2016 по 2026 гг. будет предоставлено финансирование в размере 1,4 млрд евро. Дополнительно федеральное правительство использует средства, выделенные в рамках Программы исследования в области энергетики, на создание научно-исследовательской базы. В период с 2020 по 2023 гг. Фонд энергетики и климата выделит 310 млн евро на проведение практических исследований в области «зеленого» водорода. В тот же период планируется выделить дополнительно 200 млн евро на практические исследования технологий получения водорода. Кроме того, в 2020–2023 гг. будут выделены 600 млн евро на обеспечение «регулятивной песочницы для энергетического перехода», которая сократит время от разработки технологий и инновационных решений, в том числе водородных, до их вывода на рынок. В рамках национальной программы декарбонизации будут предоставлены средства на развитие технологий и переоснащение крупных производственных объектов, использующих водород для декарбонизации своих производственных процессов. На эти цели в период с 2020 по 2023 гг. будет выделено более 1 млрд евро. Кроме того, существуют программы, направленные на использование водорода в производстве сырья, а также для сокращения выбросов углерода в промышленности. Эти программы призваны стимулировать инвестиции в разработку и применение водородных технологий. 3 июля 2020 г. Коалиционный комитет принял «пакет мер для будущего», предусматривающий выделение еще 7 млрд евро на ускорение вывода на рынок Германии водородных технологий и 2 млрд евро на развитие международного сотрудничества в этой области. Точные объемы финансирования по каждой из программ будут определены соответствующими министерствами».
В стратегии Евросоюза в разделе инвестиций подсчитали: «В период с настоящего времени и до 2030 г. инвестиции в электролизеры составят от 24 до 42 млрд евро. Дополнительно в тот же период может потребоваться 220–340 млрд евро на постройку и прямое подключение к электролизерам солнечных и ветровых генерирующих мощностей объемом 80–120 ГВт. Инвестиции в оснащение половины существующих электростанций системами улавливания и хранение углерода оцениваются примерно в 11 млрд евро. Кроме того, 65 млрд евро потребуется на создание систем транспортировки и хранения водорода, в том числе водородных заправочных станций. Инвестиции в производственные мощности в Евросоюзе на период до 2050 г. составят 180–470 млрд евро».
Почему не раньше?
Часть ответа заключается в том, что панацею от роста выбросов раньше видели исключительно в ВИЭ. Часть — в собственных проблемах водородной энергетики, которые стали известны почти век назад. Использовать водород пробовали много раз для разного транспорта, но по разным причинам проекты не получили широкого распространения.
Первая проблема — взрывоопасность соединений водорода с кислородом и отсутствие надежных систем для хранения водорода, которые не будут взрываться. Именно из-за взрывоопасности дирижабли не смогли занять свое место в небе. Проблема до сих пор актуальна. Так, в июне 2019 года в норвежском Сандвике прогремел взрыв на водородной заправке. Жертв не было, но компания Uno-X, которой принадлежала заправка, прекратила продажи водорода на всех трех заправках в Норвегии, а также в других странах Европы.
Вторая проблема связана с высокой летучестью водорода и наименьшим в природе размером его атомов. При малейшей разгерметизации бака транспортное средство можно остаться без топлива. А теперь представим, что это самолет. Следствие — удорожание систем хранения (например, создание баков, состоящих из нанотрубок, заполненных водородом), увеличение общего веса и объема транспортного средства, проблема хранения оптовых объемов водорода. Гаральд Шварц предлагает закачивать водород в газохранилища, но пока это только предложения.
Третья проблема связана с комфортом для потребителя: транспорт — один из драйверов отрасли. Например, инфраструктура для автомобилей на водородном двигателе гораздо менее развита, чем инфраструктура для электрокаров на литий-ионных батареях. За счет эффекта масштаба электрокары дешевле, максимальный пробег между заправками у них больше.
Четвертая проблема — необходимость извлечь из экосистемы промышленный объем воды. В глобальном масштабе она никуда не исчезнет, но для конкретного озера или реки надо будет считать водный баланс.
Наконец, главная проблема водорода, особенно применительно к стратегии декарбонизации — его происхождение и цена. Самый дешевый и потому распространенный способ — паровая конверсия метана. Самый старый способ — газификация угля. Самый приемлемый, но и самый дорогой — электролиз. Полученный этим методом водород считается зеленым (см. «Словарь» ниже). По данным экспертов, составлявших водородную стратегию для Франции, себестоимость производства водорода электролизом составляет 4–6 евро/кг при цене на электроэнергию 50 евро за МВтч и времени использования установки 4–5 тыс. часов в год. Для сравнения, себестоимость производства водорода по технологии газового риформинга, составляет 1,5–2 евро/кг. Но авторы стратегии считают, что себестоимость электролиза может упасть до 2–3 евро/кг. В европейской стратегии себестоимость «зеленого» водорода — 2,5–5,5 евро/кг, но, по мнению авторов, она должна снижаться из-за эффекта масштаба.
Еще одна особенность, влияющая на цену — транспортировка. По данным французской стратегии, она увеличивает цену для конечных потребителей в таких отраслях, как пищевая промышленность, металлургия, электроника, производство стекла, до 10–20 евро/кг, редко — ниже 8 евро/кг. Можно было бы предположить, что транспортировка делает производство водорода локальным продуктом, но, например, стратегия Германии предполагает импорт части водорода из возобновляемых источников как через северную границу (Северное и Балтийское моря), так и через южную.
По сумме факторов без государственных усилий и лоббирования водород считается приемлемым, но не самым привлекательным энергоносителем. Например, по данным «Русатом Оверсиз» (входит в Росатом), лишь Toyota, Honda, Daimler, Nissan, GM создают автомобили с водородным двигателем, тогда как практически все мировые производители выпускают электрокары.
Сравнительно недавно начало развиваться направление электропоездов на водороде. Самый успешный эксперимент — водородный поезд Coradia iLint, который курсирует в Нижней Саксонии на расстояние 600 км. Технологию разработала немецкая компания LHB (сейчас входит в Alstom). К 2022 году правительство Нижней Саксонии планирует переоснастить еще 14 водородных поездов. Такой поезд сможет ехать 1 тыс. км без дозаправок и развивает скорость до 140 км/ч. В феврале 2020 года в Англии в свой первый рейс отправился водородный поезд Hydroflex. Правда, его батареи хватает лишь на расстояние до 75 миль. В июне 2020 года Alstom подписал пятилетнее соглашения с Snam, одной из крупных компаний в области энергетической инфраструктуры, разработку водородных поездов в Италии.
Резюме: создание крупномасштабной новой отрасли в энергетике требует от заинтересованных сторон больших инвестиций, направленных на то, чтобы удешевить новый источник энергии. Без них водородная промышленность развивалась бы, но, вероятно, лишь в нескольких нишах: например, в сегменте междугородних пассажирских железнодорожных перевозок на расстояние до 1000 км.
Особенности рынка
Поскольку рынок водорода разворачивается за счет политической воли, стимулировать приходится не только производство, но и спрос и регуляторную базу: «Мера № 13: Активная поддержка гармонизации (унификации) международных стандартов, касающихся водородного транспорта и водородных топливных элементов (в частности, стандартов заправочных станций, качества водорода, способов калибровки, утверждения типов водородных транспортных средств, лицензирования судов и тд.)», — говорится в водородной стратегии Германии.
В черновике европейской стратегии мировое производство водорода оценивается в 74 млн тонн, из которых только 4 % — «зеленые». С учетом требуемой цены в 1,5–2 евро за килограмм можно подсчитать, что текущая емкость мирового рынка в деньгах — около 150 млрд евро в год. Прогноз о будущих объемах потребления и производства приводить не будем, потому что реальность показала бесперспективность прогнозирования на долгий срок.
Разработки Росатома
Росатом занимается разработками технологий по производству водорода уже почти полвека.
ОКБМ им. Африкантова, крупный научный, конструкторский и производственный центр атомного машиностроения (входит в Росатом), разработал проект атомной энерготехнологической станции с реактором МГР-Т для выработки электроэнергии и водорода из разного сырья.
Физико-энергетический институт им. Лейпунского (входит в Росатом) разрабатывает жидкометаллические электрохимические генераторы водорода. Специфика технологии заключается в том, что жидкий металл используется не только для передачи тепла, но и в качестве химического реагента. Суть технологии такова: водяной пар поступает в нижнюю часть емкости с расплавом. В результате реакции получается газообразный водород и растворенный в расплаве кислород. Тепломассообмен в расплаве интенсифицируется, водород легко отделяется в конденсаторе от не вступившей в реакцию воды. Сейчас проект находится на стадии проведения НИОКР.
Еще одна разработка — высокотемпературные гелиевые реакторы (ВТГР). Его особенность — работа при температуре 1000 °C. Создана экспериментальная база, разработаны и экспериментально отработаны ключевые технологии реактора, керамического топлива, системы преобразования энергии, оборудования и конструкционных материалов.
С развитием внимания к водородным технологиям во всем мире в 2017 году направление «водородная энергетика» вошла в стратегию научно-технического развития госкорпорации.
Новый проект, инициированный осенью прошлого года, — железнодорожное сообщение с использованием поездов на водородных топливных элементах на острове Сахалин. Это пилотный проект, на котором будут созданы и апробированы технологии, межкорпоративное взаимодействие и эксплуатация. Роль Росатома — поставка топливных элементов.
Проект движется: в июне 2020 года АО «Всероссийский Научно-исследовательский институт по эксплуатации атомных электростанций» (ВНИИАЭС, входит в Росатом) получил от концерна «Росэнергоатом» (электроэнергетический дивизион Росатома) заказ на обоснование проекта создания на Кольской АЭС Центра компетенций по атомно-водородной энергетике. «Задачами такого Центра будет отработка перспективных технологий производства электролитического водорода, его хранения и транспортировки. Сейчас мы находимся в самом начале пути», — пояснили в пресс-службе концерна. Кроме того, ВНИИАЭС должен будет подготовить техническое задание на разработку проекта, конструирование и изготовление демонстрационного комплекса водородной заправочной станции и обликовый проект криогенного танка-хранилища водорода для транспортировки его на средние и дальние расстояния на морских судах, а также эффективную модульную установку ожижения водорода. Отдельно “Росэнергоатом” заказал ВНИИАЭС обоснование и разработку техзадания для системы аккумулирования водорода на жидком органическом носителе, его хранения и транспортировки морскими танкерами ледового класса через Северный морской путь в Японию.
На Кольской АЭС уже работают два электролизера, которые производят 20,5 и 21,33 куб.м./час. Собственные потребности станции в водороде составляют 4,5 тыс. куб.м. в год. Несложно подсчитать, что номинально существующих мощностей более чем достаточно для производства водорода для нужд клиентов. Однако электролиз более эффективен с использованием высокотемпературного пара, так как тепловая энергия частично заменяет электрическую и отношение произведенного водорода к затраченной электроэнергии растет, поэтому вполне вероятно, что исследование ВНИИАС покажет, что технологию надо будет дополнять или менять.
Резюме: Росатом обладает собственными разработками в сегменте водородной энергетики и продолжает наращивает свои компетенции, чтобы занять долю этого рынка.
Деньги на водород в Германии
В период с 2016 по 2026 гг.:
В период с 2020 по 2023 гг.:
3 июня 2020 г. Коалиционный комитет утвердил финансирование в объеме:
Деньги на водород от Евросоюза до 2030 года (согласно стратегии)
Инвестиции в производственные мощности в Евросоюзе на период до 2050 г. составят 180–470 млрд евро.
Словарь
Из «Национальной водородной стратегии» Германии:
Серый водород — водород, полученный с использованием ископаемого топлива (углеводородов). Серый водород производится преимущественно путем парового риформинга природного газа. В зависимости от используемого углеводородного сырья его производство связано со значительными выбросами углерода.
Голубой водород — водород, полученный с использованием систем улавливания и хранения углерода. Это означает, что CO2, образовавшийся в процессе производства водорода, не попадает в атмосферу, и потому такое производство может считаться соответствующим принципам углеродной нейтральности.
Зеленый водород — водород, полученный путем электролиза воды; электричество, используемое в процессе электролиза, должно быть произведено возобновляемыми источниками энергии. Вне зависимости от применяемой технологии электролиза, такое производство водорода является безуглеродным, поскольку вся используемая электроэнергия поступает из возобновляемых источников.
Бирюзовый водород — водород, полученный путем термического разложения метана (пиролизом метана). Побочным продуктом данной технологии является твердый углерод, а не CO2. Условием ее углеродной нейтральности является достижение высокой температуры в химическом реакторе за счет возобновляемых или углеродно-нейтральных источников энергии и полное связывание выделяемого углерода.
