Большая водородная надежда

Когда «зелёный» лучше «серого»

В начале октября Испания анонсировала десятилетний план развития индустрии «зелёного водорода» (водород, получаемый методом электролиза воды с использованием возобновляемой энергетики), на осуществление которого планируется потратить $10,5 млрд. Согласно этому документу, к 2030 году страна обязуется запустить системы электролиза водорода мощностью 4 ГВт, что составляет десятую часть от всех электролизных мощностей Европы. Реализация плана позволит заместить четверть из 500 тыс. тонн водорода, получаемого в результате сжигания ископаемого топлива, а также выпустить на дороги общего пользования тысячи транспортных средств на водородных ячейках.

На сегодняшний день большая часть водорода производится из природного газа методом так называемой паровой конверсии метана (англ. steam methane reforming – SMR). Такой водород из-за углеродной нагруженности процесса его производства принято называть «серым». Также выделяют «жёлтый» водород – его производят методом электролиза воды при помощи атомной энергии и «голубой» – то же, что и «серый», но без выбросов в атмосферу: в этом случае образующийся в процессе производства СО₂ чаще всего закачивается обратно в пласты.

Обилие солнечного света и больших открытых пространств делают Испанию идеальной страной для производства «зелёного водорода» с использованием солнечной и ветровой энергетики. Большую часть необходимых для осуществления плана средств испанское правительство намерено привлечь из частного сектора, обязуясь со своей стороны оказать поддержку инвесторам.

План Испании – часть общеевропейской политики по развитию водородной энергетики. В начале июля Европейская комиссия обнародовала свою «Водородную стратегию», предполагающую строительство к 2030 году электролизных установок на базе ВИЭ мощностью 40 ГВт. На это планируется потратить около $430 млрд. Пока же на энергию на базе водорода приходится менее 1% всего энергопотребления в Евросоюзе.

Не менее бурно водородная энергетика развивается и за пределами ЕС. Саудовская Аравия при технологической поддержке американской компании Air Products строит в своём «городе будущего» Неом крупнейшую в мире (по словам создателей) «зелёную» электролизную установку стоимостью $5 млрд и производительностью 650 тонн водорода в сутки. Установку будут снабжать электричеством ветровая и солнечная электростанции совокупной мощностью 4 ГВт, а полученный водород послужит топливом для грузовиков и автобусов. Ожидается, что водородная фабрика заработает к 2025 году.

Свои дорожные карты по развитию водородной индустрии обнародовали Корея и Япония. Первая планирует наладить производство топливных ячеек общей мощностью 40 ГВт, а также выпустить более 6 млн водородных автомобилей к 2040 году. Вторая уже построила одну из крупнейших в мире «зелёную» водородную фабрику в Фукусиме производительностью 1,2 тыс. куб. м водорода в час. Стоит добавить, что японские и корейские автопроизводители одними из первых вывели на рынок водородные легковые автомобили: Toyota Mirai и Hyundai Nexo. По оценкам отраслевого аналитика, научного сотрудника Атлантического совета Ариэля Коэна, рынок «водородной мобильности» (транспортных решений на базе водорода) достигнет в ближайшие десять лет $70 млрд.

Вероятно, крупнейший водородный проект современности осуществляется сейчас на западе Австралии. В «Азиатском хабе возобновляемой энергии» в горнопромышленном центре Пилбара строятся солнечные и ветровые электростанции общей площадью 6,5 тыс. кв. км. Они будут производить более 50 ТВт/ч «зелёной» энергии, большая часть которой пойдёт на производство водорода. Проект стоимостью $16 млрд планируется запустить в 2027 году.

Исследовательский центр Bloomberg New Energy Finance (BNEF) оценивает все реализуемые сегодня проекты в области водородной энергетики (включая «серый», «зелёный» и «голубой» водород) в сумму свыше $90 млрд. Институт экономики энергетического сектора и финансового анализа (IEEFA) насчитал десятки строящихся сегодня установок электролиза на базе ВИЭ суммарной мощностью 50 ГВт и стоимостью $75 млрд. При всех гигантских масштабах инвестиций в сектор, предложение ещё долго будет отставать от спроса. Согласно отчёту того же IEEFA, все реализуемые проекты обеспечат прирост поставок «зелёного» водорода всего на 3 млн тонн в год, тогда как глобальный спрос на этот вид топлива составит к 2030 году 8,7 млн тонн ежегодно.

Разрыв между спросом и предложением на «зелёный» водород к 2030 году (данные IEEFA)

Воды, воды!

Одна из проблем, с которыми в обозримой перспективе столкнутся производители «зелёного водорода», – недостаток чистой воды. По оценкам экспертов отраслевого портала Oilprice, для производства одной тонны водорода методом электролиза требуется девять тонн воды. При этом «сырьё» нельзя просто взять из ближайшей реки – оно требует специальной подготовки и очистки. Так, чтобы подготовить одну тонну деминерализованной воды, пригодной для электролиза, нужно две тонны обычной воды. Иными словами, производство тонны водорода требует восемнадцать тонн воды.

Простейший способ очистки воды для электролиза – дистилляция – требует 0,717 кВт/ч электричества на литр. Кажется, не так много, но, если говорить о промышленных масштабах, цифры не выглядят такими уж незначительными.

Обозреватель Oilprice Ирина Слав приводит расчёты на примере Германии, заявляющей об амбициозных планах в сфере водородной энергетики. Средняя стоимость электричества для коммерческих потребителей в этой стране – около $0,19 за кВт/ч. Таким образом, на производство литра дистиллированной воды при энергозатратах в 0,717 кВт/ч уйдет $0,14. На производство тонны – $135,14. Стоимость же очистки восемнадцати тонн воды, необходимых для производства тонны водорода, составит $2 432. И это при условии использования самого дешёвого, хоть и довольно медленного, способа очистки.

Ещё одна статья расходов – транспортировка этой очищенной воды к электролизным установкам. Чтобы её сократить, такие установки имеет смысл строить вблизи источников воды или водоочистительных заводов, а также, если речь идёт о «зелёном» водороде, около источников солнечной или ветровой энергии, что кратно снижает число возможных локаций. И вода, и энергия в изобилии находятся рядом с оффшорными ВЭС, однако капитальные затраты на такие электростанции вчетверо выше, чем, скажем, на солнечные.

«Странно, что никто не хочет обсуждать стоимость воды, в том числе команда по реализации «Зелёной сделки» в Европейской комиссии, – пишет Ирина Слав. – Возможно, стоимость доставки, хранения и очистки воды не столь значительна в сравнении с другими затратами. Но всё же эти затраты также необходимо учитывать при оценке того, как далеко продвинулась технология производства водорода из ВИЭ и в какой степени она жизнеспособна».

Дело – труба

Ещё одна задача, которую предстоит решить на пути развития водородной энергетики, – транспортировка водорода. Сейчас основные объёмы этого топлива перевозятся морскими танкерами, способными взять на борт от 12 до 18 тыс. тонн водорода в сжиженном виде.

По мнению аналитиков отраслевого агентства Platts, ключевая проблема этого типа транспортировки – в выкипании продукта. Так, за 11 дней – именно столько танкер идёт из Австралии в Японию, – теряется около 2% груза, притом что ёмкости оборудованы системами охлаждения.

Существенно дешевле доставлять водород по трубам, однако из-за эффекта так называемого водородного охрупчивания, которому подвержены стальные трубы, запускать водород в действующие газотранспортные системы можно, только смешав его с природным газом, что означает дополнительные затраты на извлечение. Что же до специализированных трубопроводов для транспортировки водорода, они только начинают создаваться. Так, этим летом 11 газотранспортных операторов из девяти стран Евросоюза договорились о создании общеевропейской системы по транспортировке водорода. К 2030 году система должна объединить 6,8 тыс. газопроводов, соединяющих кластеры производства и потребления H₂. Стоимость проекта варьируется от 27 до 64 млрд. евро. Для сравнения: протяжённость обычных газопроводов четырёх крупнейших операторов Старого Света составляет сегодня более 100 тыс. км. По данным Platts, на 2016 год в мире было лишь 2,8 тыс. миль специальных труб для транспортировки H₂, 1,6 тыс. км из которых приходилось на США. Общая же протяжённость наземных газовых трубопроводов в одних только США составляла 300 тыс. миль.

Глобальная протяжённость трубопроводов по транспортировке H2

В Platts полагают, что наиболее перспективный путь транспортировки H₂ – химическое включение водорода в другие жидкости, способные сохранять структуру при температуре и давлении окружающей среды. В числе наиболее перспективных жидких носителей водорода называют метанол и аммиак. Они намного плотнее газообразного водорода (GH₂), что позволяет перевозить больше H₂ на единицу объёма, избегая при этом проблемы, связанной с необходимостью изолировать жидкий водород. Впрочем, такая процедура тоже сопряжена с дополнительными издержками: преобразование H₂ в аммиак требует от 7 до 18% энергии водорода.

Спасти радикалов

Помимо проблем с сырьём для производства водорода и его транспортировкой, учёные отмечают ещё одну, которая ложится вразрез всей концепции развития «зелёной» энергетики. Профессор Университета Мельбурна Грэм Пирман (Graeme Pearman) и профессор Калифорнийского университета Майкл Пратер (Michael Prather) указывают, что использование H₂ в качестве топлива может только усугубить проблему глобального потепления. Статью с подробным обоснованием этого тезиса Пратер выпустил ещё 13 лет назад.

Суть в том, что водород, попадая в атмосферу, снижает концентрацию в ней гидроксильных радикалов – мощных оксидантов, нейтрализующих вредные продукты человеческой жизнедеятельности, в том числе парниковые газы, по сути очищающих воздух.

Концентрация водорода в атмосфере (в ppb – миллиардных долях)

Учёные отмечают, что за последние 25 лет концентрация водорода в атмосфере увеличилась на 4%, а с развитием водородной энергетики этот рост угрожает стать взрывным.

«Нам ещё предстоит лучше разобраться с циклом обращения водорода, в том числе с тем, как его поглощает земная поверхность. Пока же мы должны попытаться свести утечки H₂ к минимуму», – пишут учёные.

Так или иначе, пока до полного и окончательного водородного триумфа в энергетике далеко. По оценкам аналитиков из Rystad Energy, лишь половина из запущенных в мире «зелёных» водородных проектов будет реализована до 2035 года. При этом подавляющему большинству проектов потребуется господдержка.

Реализуемые сегодня проекты в сфере производства «зелёного» водорода с разбивкой по континентам

«Несмотря на растущее число проектов, мы прогнозируем, что менее половины от их совокупной мощности (30 из 60 ГВт) будет введено в строй к 2035 году, так как девелоперам потребуется снижать производственные затраты, – говорит глава департамента возобновляемой энергетики Rystad Energy Геро Фарруджио (Gero Farruggio). – Для сложных проектов, в особенности связанных с поставками энергии от оффшорных ВЭС, правительственная поддержка потребуется быстрее, чем для остальных».