Пятый элемент энергетики будущего

8 июля Европейский союз представит свою водородную стратегию. Это одна из частей плана восстановления экономики ЕС после пандемии коронавируса. В стратегии изложены основные способы использования водородного топлива, оценена его роль в сокращении парниковых выбросов, усиливающих изменение климата. В сети уже появился черновик этого документа. Из него следует, что в экологической трансформации мировой энергетики важную роль сыграют «зеленый» и «синий» водород. В цветах топлива, а также в его экономических основах разбирался Plus-one.ru.

Каким бывает водородное топливо

Большинству людей водород известен как химический элемент, из которого состоит вода. На самом деле он составляет 90% материи во Вселенной. А это три четверти от ее массы. Тем не менее на Земле нет естественных отложений водорода, его нужно извлекать из других соединений с помощью химических процессов.

Водород, получаемый из угля и газа, называют «серым». Если при производстве улавливается и захоранивается CO₂ — «синим». Экологичную альтернативу — «зеленый» водород — получают из воды с помощью электролиза, при использовании электроэнергии, выработанной на базе возобновляемых источников. Под воздействием тока вода разлагается на водород и кислород.

Сегодня водород в качестве топлива используется ограниченно — в основном в нефтеперерабатывающей и химической промышленности.

Именно «зеленый» водород может сыграть решающую роль в сокращении выбросов СО₂ до нуля в рамках Парижского соглашения. В отличие от ветра и солнца, он может использоваться независимо от погоды и времени суток. Его техническое преимущество отметил Клаус-Дитер Борхардт, заместитель директора Генерального директората по вопросам энергетики Европейской комиссии:

«Лучший бизнес-кейс для „зеленого“ водорода — производить его из избыточной электроэнергии от ВИЭ с помощью электролиза, когда цены очень низкие или даже отрицательные. Это поможет избежать затрат на остановку работы ВИЭ».

В 2017 году такая недовыработка составила 5,6 ТВт·ч, что сравнимо с двухдневным потреблением электричества во всей России.

Почему «зеленый» водород понадобился сейчас

Коронавирус оказался серьезным вызовом для всего мира. Но последствия климатических изменений могут оказаться еще серьезнее. Они способны поставить под угрозу выживание всего человечества. Поэтому эксперты ООН, Международного энергетического агентства (МЭА), Всемирного банка и Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) призывают государства инвестировать в новые низкоуглеродные технологии для восстановления экономики после COVID-2019. Одна из таких технологий — «зеленый» водород.

Сегодня все больше компаний ставят амбициозные цели по достижению углеродной нейтральности. О нулевых выбросах к 2050 году уже заявили крупные нефтегазовые компании Shell, BP, Total. Однако без «зеленого» водорода полная декарбонизация экономики невозможна. Он необходим, чтобы заменить традиционные углеводороды в тех сегментах, где полная электрификация невозможна: дальние грузоперевозки, морской транспорт, авиация, теплоснабжение зданий, химическая отрасль.

Кроме того, «зеленый» водород — недостающее звено энергетических систем будущего, в которых до двух третей электроэнергии может вырабатываться от солнца и ветра. Он может приводить электросети к сбалансированному состоянию в те моменты, когда ВИЭ производят больше электричества, чем нужно. Произведенный из излишков водород может долго храниться в соляных пещерах или в уже существующих хранилищах газа. И выступать пятым элементом устойчивой энергетики будущего вместе с солнечными, ветряными, атомными и гидроэлектростанциями.

Сколько стоит водородное топливо

Основной барьер, который стоит на пути развития «зеленого» водорода, — это затраты на его производство. Пока «зеленый» водород стоит в 2–5 раз дороже «серого» или «синего». В стоимость его производства входят затраты на электричество от возобновляемых источников энергии, стоимость электролизера и коэффициент его нагрузки.

По оценкам Международного агентства по возобновляемой энергии (IRENA), для того чтобы «зеленый» водород мог составить конкуренцию «синему», затраты на его производство должны упасть ниже $2,5 за кг. Черновик стратегии ЕС ставит целью снизить стоимость производства «зеленого» водорода до €2 за килограмм. Для этого стоимость электроэнергии, произведенной на базе ветра или солнца, должна быть не выше 1–2 центов за кВт·ч. В 2018 году уровень в 2–3 цента был зарегистрирован в Египте, Индии, США (Техас), Саудовской Аравии. Стоимость электролиза также должна упасть до $200 за кВт·ч с сегодняшних 840. Но даже при цене в $1,5 за кг водород будет дороже природного газа. Для повышения его конкурентоспособности потребуется более высокий налог на выбросы СО₂.

«Мы, вероятно, находимся в той же ситуации, что и десятилетие или два назад с возобновляемой энергией, когда „зеленый“ водород все еще стоит дороже, чем альтернативы. Но даже сегодня он дороже всего лишь в два-три раза, а не в 100. При дальнейшем развитии и прорыве на политическом уровне технология скоро станет конкурентоспособной», — оценил перспективы «зеленого» водорода заместитель директора по инвестициям в устойчивые ресурсы в Европейском банке реконструкции и развития Кристиан Карраретто.

Что, кроме высокой цены, мешает внедрению водорода

Еще один вызов для отрасли — производство электролизеров. Сейчас оно находится на начальной стадии. Проекты реализуются в Великобритании, Норвегии, Японии, Канаде и других странах. К 2021 году может быть установлено до 730 мВт новых мощностей. В Нидерландах об инвестициях в электролизеры объявили сразу несколько компаний, в том числе Shell, BP, Engie, Orsted. Если инициативы будут реализованы, то к 2030 году в стране появится от 5 до 10 ГВт мощностей электролизеров. Но для этого необходима поддержка государства, считает профессор университета Гронингена Катринус Джепма.

«Если мы хотим, чтобы водород использовался в уже существующей газовой инфраструктуре, нужны стандарты, регулирующие качество газа. Нужно решить вопросы безопасности во всей производственной цепочке. Предпочтительно, чтобы правила были выработаны на европейском уровне».

Водород может сыграть ключевую роль в достижении нулевых выбросов в промышленности и транспорте. Но для этого нужно в разы больше электроэнергии, а также большие объемы воды.

«Чтобы заменить половину объема топлива, используемого в авиации и морских перевозках, синтетическим, потребуется от 1 до 6 тысяч гигаватт ВИЭ. Сегодня же в мире установлено только 1200 ГВт», — рассказал Дольф Гилен, директор центра IRENA по инновациям и технологиям.

С водой, по словам экспертов, проблем в ближайшее время не возникнет. Тем не менее угроза истощения водных запасов существует, и это нужно учитывать при моделировании.

Как связаны водород и Цели устойчивого развития

«Зеленый» водород может способствовать достижению сразу нескольких Целей устойчивого развития — прежде всего, борьбе с изменением климата. Роль водорода в декарбонизации — ключевая. «Зеленый» водород позволит сократить выбросы СО₂ даже в тех отраслях, где раньше это было проблематично: в грузоперевозках, в тяжелой промышленности, в энергоснабжении зданий. Реструктуризация углеродной экономики в водородную улучшит состояние окружающей среды и здоровье людей.

В долгосрочной перспективе «зеленый» водород может стать ключевым элементом энергетических систем, полностью основанных на возобновляемой энергии.

Какие цели по водороду ставят разные страны

Самую амбициозную цель — построить «водородное общество» — поставила перед собой Япония. У нее из-за географического положения (густонаселенные острова) и аварии на Фукусиме не осталось других способов провести декарбонизацию к середине века. Ставка на водород делается в первую очередь в промышленности. К 2050 году водородные машины и автобусы должны стать основным средством передвижения. Первые из них появятся на перенесенных Олимпийских играх в 2021 году. В марте 2020 года вблизи разрушенной атомной станции Фукусима-Дайичи открылась водородная станция на солнечной энергии. Завод позволит заправлять ежедневно 560 автомобилей на топливных элементах.

10 июня национальную стратегию по водороду приняла Германия. В ее рамках планируется увеличить производство до 5 ГВт к 2030 году и до 10 ГВт к 2040 году. На это выделены €7 млрд.

В июле водородную стратегию представит Европейский союз. Судя по черновикам документа, попавшим в сеть, приоритетным является развитие «зеленого» водорода.

Более 30 регионов в 13 европейских странах вступили в ассоциацию The European Hydrogen Valleys Partnership (Европейское партнерство по водородным долинам). «Долиной» может стать город, регион или промышленный кластер, где водород используется в производственных цепочках. Один из примеров — HEAVENN в Нидерландах, где нефтегазовый концерн Shell и нидерландская газовая компания Gasunie планируют реализовать крупнейший в Европе проект по производству экологически чистого водорода: до 800 тыс. тонн к 2040 году.

У России также есть все шансы стать ведущим игроком на рынке как «синего», так и «зеленого» водорода благодаря значительным запасам пресной воды, излишним генерирующим мощностям и недозагруженности ГЭС и АЭС, потенциалу развития ВИЭ и развитой газовой инфраструктуре. Многие компании уже сейчас заинтересованы в разработке водородных технологий для экспортных рынков, в том числе Японии. Перспективы использования водорода на внутреннем рынке невелики из-за отсутствия целей по декарбонизации. Пилотные проекты могут быть запущены в городах с грязным воздухом.