В России планируется развитие нового энергетического направления — водородного

Внушительные запасы нефти и газа в России и их активное использование не мешают нашей стране развивать альтернативные источники энергии. Тем более что мы взяли курс на «зеленую» экономику, которая подразумевает снижение уровня эмиссии парниковых газов. Помочь в решении этой задачи может использование водорода в промышленности, на транспорте и в других сферах.

РИА Новости

По прогнозам Международного энергетического агентства, уже к 2030 году использование водорода всеми странами вместе взятыми может вырасти до 156 миллионов тонн в год, что на 37 миллионов больше, чем в наши дни. Растущий спрос связан в первую очередь с тем, что водород имеет целый ряд преимуществ: способен снизить углеродную нагрузку на окружающую среду, его можно хранить и перевозить, и в отличие от солнечной и ветряной генерации его производство не зависит от погодных условий. Кроме того, вырабатывать водород можно из целого ряда источников. От этого зависит, насколько экологичным он окажется на выходе.

Самым чистым считается «зеленый» водород, который производится с использованием возобновляемых источников энергии. При таком варианте в атмосферу не выделяется вредных веществ. Однако себестоимость производства, а значит, и цена полученного таким образом водорода, самая высокая. Именно поэтому в общем объеме производства «зеленый» водород занимает лишь символическую долю.

Самая большая часть, по разным оценкам, в пределах 60-70 процентов, принадлежит «голубому» водороду. Его вырабатывают из природного газа. Продукты, выделяемые при получении водорода таким образом, улавливают и используют повторно. И хотя этот метод нельзя назвать идеально чистым, он позволяет найти баланс между стоимостью производства и нагрузкой на окружающую среду. Себестоимость «голубого» водорода в пять раз меньше, чем «зеленого».

Эксперты уверены, что у России есть все условия для того, чтобы производить водород в больших объемах. Речь идет прежде всего о «голубом» водороде. Этому будут способствовать не только богатые запасы природного газа в нашей стране. Уже сегодня разработаны технические решения по улавливанию углекислого газа, который выделяется при производстве водорода. В частности, предлагается использовать специальные абсорбенты, которые удаляют CО2 из газообразных выбросов, а извлеченный диоксид углерода утилизировать методом закачки в геологические хранилища и отработанные месторождения. Специальные насосы для такой перекачки уже выпускает одна из отечественных компаний. Строится и завод по производству необходимых абсорбентов.

Задачи по развитию водородного направления определены в «Энергетической стратегии РФ на период до 2035 года». Ее разработчики уверены, что Россия может занять 20 процентов мирового рынка водорода. Прогнозировалось, что к 2050 году наша страна сможет зарабатывать на его продаже до 100 миллиардов долларов в год, если нарастит поставки за рубеж до 33,4 миллиона тонн.

Правда, в октябре 2022 года заместитель председателя правительства Александр Новак сообщил, что планы по экспорту водорода будут пересмотрены в сторону снижения.

«В текущей ситуации мы ощутили влияние санкций в том числе на проекты в области водородной энергетики, тем не менее считаем, что направление развития водородных технологий по-прежнему является одним из самых приоритетных. При этом нужно скорректировать целевые показатели программы в пользу увеличения доли отечественных технологий и сокращения экспортных планов», — сказал вице-премьер в ходе заседания межведомственной рабочей группы по развитию в России водородной энергетики.

Самая большая доля рынка принадлежит «голубому» водороду, получаемому из природного газа

На этом заседании отечественные компании представили проекты в области производства и использования водорода. Среди них поезд на водородных топливных элементах на Сахалине и развитие водородной заправочной инфраструктуры в Красноярском крае.

Главным рычагом для активного развития водородного направления является заинтересованность и активная поддержка государства, полагают эксперты.

«Правительство может предпринимать стимулирующие меры, такие как налоговые льготы, субсидии на производство и использование водородного топлива, а также стандарты эмиссий и другие регулятивные меры, чтобы поддержать развитие рынка водородного топлива, — считает ассистент кафедры экономики промышленности РЭУ им. Г.В. Плеханова Федор Загуменнов. — Кроме того, необходимы инвестиции в исследования и разработки в области водородной энергетики для того, чтобы способствовать развитию более эффективных и экономически целесообразных методов производства и использования водорода».

Одного пятикилограммового баллона с водородом, а это средний объем для легкового автомобиля, хватает на 500 километров пробега

Стимулом для наращивания производства может стать использование водорода в качестве топлива для автомобилей. Конечно, нельзя в одночасье убрать весь бензиновый транспорт, но эксперты говорят, что водород может стать в перспективе заменой традиционного топлива. Более того, такой транспорт может потеснить даже набирающий популярность электрический, поскольку водородные двигатели более энергоэффективны. Так, емкость водородного аккумулятора в десять раз больше литий-ионного. И одного пятикилограммового баллона с водородом (средний объем для легкового авто) хватает на 500 километров пробега.

«Водород как прогрессивное моторное топливо может составить серьезную конкуренцию электромобилям и транспорту на СПГ», — считает президент Национальной палаты инженеров Игорь Мещерин.

Водород в качестве топлива всерьез рассматривается многими странами. В Японии, например, на него уже перешла часть общественного наземного транспорта. В 2018 году, специально к Олимпиаде в Токио, компания Toyota стала выпускать пассажирские автобусы, работающие на водородном топливе. Годом ранее та же Toyota совместно с компаниями Nissan и Honda построила сеть водородных заправочных станций.

Колесят водоробусы и по просторам Китая. По данным Deloitte, на конец 2019 года их насчитывалось в Поднебесной более двух тысяч единиц.

Общественный транспорт, работающий на водороде, должен появиться и в России. Согласно утвержденной в 2021 году Концепции развития водородной энергетики, в нашей стране должны быть запущены пилотные проекты по выработке низкоуглеродного водорода, созданы консорциумы по производству оборудования и комплектующих, сформирована инфраструктура для хранения и транспортировки водорода, созданы территориальные производственные кластеры. В свою очередь государство окажет поддержку производителям в виде субсидий, компенсаций на покрытие расходов на научные исследования, возможности заключения специальных инвестиционных контрактов.

Россия планирует с нуля создать будущее мировой энергетики

Водорода в мире сейчас производится гораздо меньше, чем о нем говорят. Мирового рынка водорода не существует, а спрос на этот ресурс локален и ограничен. Европа, США и страны Азии, пока особенно не заинтересованы в заметном увеличении производства водорода, но и быть против такого пути развития энергетики не могут. Это ничем не противоречит общему тренду на декарбонизацию.

Инфографика «РГ» / Леонид Кулешов / Сергей Тихонов

Концепция развития водородной энергетики, принятая в августе правительством, — это собственная программа действий России в мировой климатической повестке. Нашей стране не придется принимать чужие правила игры — Евросоюза или других стран — и будет что противопоставить пограничным мерам углеродного регулирования.

Вряд ли сама по себе водородная энергетика получила бы в России такой импульс, если бы не вызовы со стороны потребителей традиционных энергоносителей, особенно из Европы, считает эксперт Аналитического центра при правительстве РФ Александр Курдин. По его мнению, экологическая повестка, конечно, требует от человечества серьезного пересмотра подходов к производству и потреблению энергии, но у этих изменений есть и перераспределительные эффекты, и есть бенефициары, которые форсируют темпы ее развития.

Европе, где традиционные ресурсы почти иссякли, надоело самой оплачивать свои эксперименты с солнечной и ветровой энергетикой, которая по-прежнему живет за счет преференций, субсидирования и льгот (в разных странах от 20 до 50%. — «РГ»), говорит глава Фонда национальной энергетической безопасности Константин Симонов. Поэтому в ЕС придумали пограничный углеродный налог, который перенес бы нагрузку финансирования развития возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на страны, экспортирующие углеводороды.

В ответ на это Россия предложила развивать водородную энергетику, которая позволяет использовать в качестве сырья углеводороды, но при этом считается низкоуглеродной. Проблема только в том, что если сфера традиционных ВИЭ в Европе активно развивается уже пару десятилетий, то водородная энергетика пока находится в зачаточном состоянии. Теперь перед Россией стоит задача создать и быстро развить новую отрасль. В плюс нам идет то, что определенная база для этого в нашей стране уже есть. Это технологии и сырье.

С точки зрения партнера GКEM Analytica Евгения Гавриленкова, окажется ли российский водород востребован на внешних рынках и насколько, пока неясно. А вот переход на более широкое использование водорода как топлива внутри страны должен позволить снизить углеродный след в самой России, что поможет вписаться во взятые на себя международные обязательства.

Пока совокупный ежегодный спрос на водород — 72 млн тонн, а включая смеси с другими газами — 116 млн тонн в год. В России производится ежегодно около 5 млн тонн водорода, который весь предназначается для внутреннего рынка — для промышленности и нефтепереработки. Аналогичная ситуация в других странах, водород производится рядом с предприятием его использующим. Причина в том, что транспортировка водорода в промышленных масштабах пока невозможна.

Вопрос о транспортировке водорода является важным, но пока не стоит на повестке, так как видимых путей его решения нет, отмечает директор практики стратегического и операционного консалтинга КПМГ в России и СНГ Максим Малков. Водород нельзя транспортировать, потому что он просто просачивается через металл и улетучивается. Поэтому сейчас производить водород можно только в местах его потребления. А главная проблема — это создание дешевой технологии его производства, уточняет эксперт.

«Сегодня водород из природного газа уже может конкурировать в отдельных странах в определенных сегментах потребления, в частности, на транспорте и в распределенной генерации», — говорит старший консультант VYGON Consulting Екатерина Колбикова. При сегодняшней оптовой цене российского газа себестоимость «серого» водорода (из газа без улавливания CO2. — «РГ») составляет 0,9 доллара за кг, тогда как стоимость «голубого» водорода (из газа с использованием технологий улавливания и хранения СО2) на 70% выше. Водороду, получаемому путем электролиза воды на базе АЭС и ВИЭ («желтый» и «зеленый» водород соответственно. — «РГ»), пока сложно конкурировать с альтернативой из углеводородного сырья — в текущих условиях производство «желтого» и «зеленого» обойдется в 4,4 и 5,4 доллара за кг соответственно, уточняет эксперт.

Для Европы приоритетом является получение «зеленого» водорода. Но обеспечение заявленных потребностей только за счет ветра и солнца, скорее всего, будет невозможно, отмечает директор департамента налогов и права «Делойт» в СНГ Юлия Меньшикова. В ЕС отмечают важность развития других технологий. А Россия как экспортер с перспективами в области производства «голубого» водорода, имеет все шансы занять важное место на европейском рынке.

Поставлять в Европу «зеленый» водород наша страна едва ли сможет. Сектор ВИЭ в России развит слабо. К тому же никаких конкурентных преимуществ перед водородом местного производства или сделанного в странах с высоким КПД солнечной и ветровой генерации (южных или прибрежных) у нашего водорода не будет.

Развитие водородной энергетики внутри страны поможет снизить углеродный след

При этом импорт «зеленого» водорода из РФ может быть привлекательнее по сравнению с собственными производствами в странах, где высокие цены на газ и электроэнергию. К примеру, в Южной Корее себестоимость выпуска «зеленого» водорода в среднем составляет 10,2 доллара за кг. Поэтому конкурентоспособность может быть обеспечена за счет развития технологий в транспортировке водорода, считает Колбикова.

Пока технологий транспортировки нет, Россия, например, может поставлять газ до места потребления водорода в Европе и здесь производить «голубой» водород, забирая в хранилища улавливаемый СО2, предполагает Малков. Но, по сути, это будет все тот же экспорт газа, уточняет эксперт.

По мнению руководителя научного проекта в области повышения энергоэффективности и снижения выбросов в атмосферу ANSELM Максима Канищева, наибольшие перспективы у нашей страны в производстве «желтого» водорода. У нас есть возможность производить водород дешевле, чем это делают европейцы, благодаря наличию большого количества атомных станций и компетенций по их строительству. При этом ветровая и солнечная генерация дороже, а их негативное влияние на окружающую среду скоро будет оценено Европой и объем инвестиций в эти виды генерации будет существенно скорректирован, считает Канищев.

При этом на повестке дня также остается вопрос безопасности хранения водорода. Пока его решение обходится слишком дорого и все равно не дает стопроцентной гарантии безопасности. Водород при утечке из хранилища и при соединении с кислородом очень взрывоопасен и горюч. В 2019 году в Норвегии взорвалась водородная заправка. К счастью, обошлось без жертв, но серьезно пострадало около 500 машин в радиусе полкилометра от заправки. Бензиновые АЗС тоже могут загореться, но масштабы аварий несопоставимы.

Водородная энергетика: начало большого пути

Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: c ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.

На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.

Водородные топливные элементы

Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов. Источник: James Humphreys / Wikimedia Commons

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.

Принцип работы водородного топливного элемента. Источник: Geek.com

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.

Проблемы добычи

Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.

Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро

Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba H2One.

Мобильная электростанция Toshiba H2One

Мы разработали мобильную мини-электростанцию H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м 3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м 3 водорода станции требуется до 2,5 м 3 воды.

Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.

Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.

Монтаж системы H2One в городе Кавасаки

Водородное будущее

Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.

Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.

• Блог компании Toshiba
• Энергия и элементы питания
• Экология

При подготовке материала использовались источники:
https://rg.ru/2023/04/24/vodorodnaia-alternativa.html
https://rg.ru/2021/08/18/rossiia-planiruet-s-nulia-sozdat-budushchee-mirovoj-energetiki.html
https://habr.com/ru/companies/toshibarus/articles/428511/