CC BY
215Анализ мирового опыта развития производства водородного топлива. Возможности Российской Федерации
Халова Гюльнар Османовна
д.э.н., профессор кафедры мировой экономики и энергетической политики РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, khalovag@yandex.ru
Юдин Денис Андреевич,
инженер, РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, yudin2406@gmail.com
В статье авторами проводится анализ мирового опыта развития производства водородного топлива, особое внимание уделяется опыту таких стран, как США, Германия и Китайская Народная Республика. Показаны существующие виды водородного топлива, представлена специфика их производства. Отмечаются факторы, влияющие на дальнейший рост потребления водородного топлива в мире. В статье анализируются возможности превращения Российской Федерации в ключевого экспортера водородного топлива на мировой энергетический рынок, представлены основные этапы развития водородной отрасли страны. Авторами представлена государственная стратегия развития водородной энергетики, предлагается привлечение иностранных инвесторов из стран, ускоренными темпами развивающих водородные технологии. Отмечается, что существующие в России технологии по производству водорода на атомных электростанциях позволят государству закрепить положение лидера на мировом рынке водородной энергетики и положительно скажутся на её социально-экономическом развитии.
Ключевые слова: водородное топливо, зеленый водород, водородная энергетика, технологии производства водорода, Россия, Китай, сШа, Германия.
см о см
О!
^
I-О ш т х
<
т о х
X
По мнению специалистов, водородное топливо станет одним из самых востребованных источников энергии в ближайшие 20 лет, с учетом его распространенности в окружающей среде, отсутствием вредных выбросов, простоты использования.
Водород (Н2) - альтернативный вид топлива, получаемый из нефти, газа, биомассы и мусора. На сегодняшний день существуют следующие виды водородного топлива:
Зеленый водород - самый экологически чистый вид водорода, так как способ его получения заключается в электролизе. При данном способе производства водорода нужны лишь три главные составляющие - вода, электролизер и большое количество электричества. В случае, если используемое электричество было получено из возобновляемых источников, то можно считать, что при производстве водорода вредные выбросы в окружающую среду отсутствуют полностью.
Желтый (оранжевый) водород - также является одним из самых экологически чистых, принцип соответствует принципу производству зеленого водорода, однако источником энергии выступает атомная энергетика.
Бирюзовый водород - данный вид водорода менее экологичен, однако производство является практически безотходным. Сам процесс получения водорода заключается в разложении метана на две составляющие - водород и твердый углерод с использованием пиролиза, получаемый углерод можно использовать для производства стали или же батарей.
Серый водород - данный вид водорода производится путем паровой конверсии метана, основным источником данного процесса является природный газ.
Голубой водород - аналогичный серому водороду, однако в отличие от него, при производстве происходит улавливание и использование углекислого газа, что приводит практически к двойному снижению вредных выбросов в атмосферу.
Коричневый (бурый) водород - представляет собой наименее экологичный вид водорода в связи с тем, что для его производства используется уголь. Производство водорода из угля выглядит следующим образом - производится газификация угля, которая приводит к возникновению синтез-газа, включающего в себя смесь углекислого газа (С02), окиси углерода (СО), водорода, метана и этилена. В связи с тем, что СО и СО2 после производства водорода являются бесполезными, данный вид водорода можно считать самым неэкологичным.
Специалисты отмечают, что определяющими факторами дальнейшего роста использования водородного топлива являются:
- нулевой уровень вредных выбросов в окружающую среду от использования водородного топлива;
- возможность заправки транспорта аналогично бензину;
- высокий уровень эффективности водородного топлива по сравнению с бензином и дизельным топливом.
ИМММ.1
бп СС11в сССиб бм ССиЗ сССОб б«ССиб еССУб бмССиб еССЦб 6вС018 е ССий
I Эксплуатационные расходы
Капитальные затраты
Рисунок 1 - Затраты на производство водорода с использованием природного газа в разных регионах Источник: [5].
Ряд стран мира начали активное изучение возможностей производства и использования данного вида топлива.
По оценкам специалистов, к 2050 г. на долю водорода будет приходится порядка 1/5 от общего объема потребляемых энергоресурсов. В соответствии с «Зеленым пакетом» европейские автопроизводители планируют к 2040 г. прекратить производство авто с бензиновыми и дизельными двигателями и перейти на водород.
Отметим, что Россия уже несколько десятилетий назад начала активное изучение возможности технологии формирования базы производства водорода, а также анализируются возможные объемы экспорта водородного топлива.
Анализ зарубежного опыта показывает, что на сегодняшний день многие страны сделали шаг на пути к декарбонизации своих экономик, для чего ими были приняты программы перехода на водородную энергетику к 2050 г.
Углеродный с-Чй 6 эчк/ро>н«ргим. г- кВт-ч
0 100 Л» » « 5» «О « »0 »
Рисунок 2 - Углеродный след в электроэнергии в странах мира
Источник: [6].
Например, министерством энергетики Соединенных штатов Америки был опубликован План развития водородной энергетики в стране, согласно которому особое внимание уделяется развитию водородных технологий, увеличению объемов его производства, транспортировки, хранения, а также увеличение доли его использования в различных сферах.
Одной из ключевых задач Плана является использование низкоуглеродных источников энергии для производства водорода. К низкоуглеродным источникам энергии можно отнести возобновляемые источники энергии (ВИЭ), атомную энергетику, а также ископаемое топливо - углекислый газ, который планируется улавливать, использовать и хранить («CCUS»).
Помимо США, важно выделить Китай, который также за последнее время активизировал развитие водорода в стране, при чем, с более ускоренными темпами. В Китае активно начато производство автобусов, автомобилей, грузовиков, работающих на водороде. Так, за 2019 г. установленная мощность водородных топливных элементов в Китае выросла более, чем в 6 раз [4].
Для Китая, который является крупнейшим в мире импортером энергоресурсов, развитие нового вида источника энергии позволит не только снизить зависимость от поставок энергоресурсов в страну, но также и положительно скажется на экологической обстановке, позволит внедрить чистые технологии в процессы производства продукции, идущей на экспорт. Согласно прогнозам правительства Китая, уже к 2040 году на долю водорода будет приходиться 1/10 от энергобаланса страны.
На сегодняшний день 20 городов КНР активно обеспечивают развитие водородных технологий в стране путем формирования водородных кластеров.
Ниже представим ключевые кластеры, которые были сформированы в ходе развития водородных технологий в КНР:
- Пекин-Тяньцзинь Хэбэй между Пекином и Чжанцзя-коу. Планируется, что к концу 2021 г. будет производство 3 тыс. транспортных средств на водородном топливе, формирование водородного коридора в столицу, а также создание резервной энергосистемы и слияние водородной системы сс инфраструктурой газа в стране.
- Дельта реки Янцзы в провинции Шанхай Цзянсу. Планируется, что к концу нынешнего года будет построено более двух десятков скоростных водородных автомагистралей, а также более полутысячи заправочных станций, которые соединят все города региона, а также дельту реки Чжуцзян.
Несмотря на то, что перспективы производства, использования и хранения водорода в Китае являются амбициозными, также существует значительное число препятствий его развитию. На наш взгляд, китайским специалистам предстоит решить проблемы по стандартизации безопасности в области водородной энергетики. Положительно в данном аспекте сказывается факт наличия частного сектора и его активное участие, что значительно ускорит решение проблем развития водородной энергетики уже в краткосрочной перспективе, а также позволит объединить водородную инфраструктуру с существующей нефтегазовой.
Рассматривая развитие водородной энергетики в Европейском Союзе, хотелось бы выделить Германию. Страна первая сформировала стратегию развития водородной энергетики, согласно которой планируется направить более 10 млрд евро до 2023 г. на её реализацию. Так, порядка 7 млрд евро будет направлено на «запуск рынка», а именно - модернизация нормативно-правовой базы под нужды водородной энергетики, стимулирование спроса на водород в стране, около 2 млрд евро на сотрудничество с другими странами в области водородной энергетики, еще 1 млрд евро планируется
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю
2 О
м
направить в промышленный сектор страны для обеспечения внедрения водорода и становления Германии как одного из крупнейших импортеров водорода в мире.
см о см
О!
О Ш
т
X
3
<
т о х
X
Северное море
ВЕЛИКОБРИТАНИЯ
ФРАНЦИЯ
— Действующие газопроводы С -- Проегсгируемые газопроводы
Рисунок 3 - Схематическая карта будущей водородной сети в Германии Источник: [2].
Стоит отметить, что для обеспечения ускоренного развития производства «зеленого водорода» стране понадобятся значительные мощности, например, ветроге-нерирующие на побережьях Северного и Балтийского морей.
Планируется, что в дальнейшем «зеленый водород» заменит другие виды водорода, при производстве которых происходит выделение углекислого газа, негативно влияющего на окружающую среду. В стратегии также отмечается, что в полной мере обеспечить внутренние потребности в водороде у Германии не получится, из-за чего, выделенные на сотрудничество с другими странами средства, будут направлены на развитие производства электроэнергии из ВИЭ в странах Северной Африки и Марокко.
Рисунок 4 - Участники европейской водородной программы
рои ли
Источник: [3].
Россия достаточно быстро сможет стать экспортером продуктов для «зеленого водорода» Германии и занять лидирующие позиции на рынке, а также подойти для пилотных проектов производства водорода. По планам Минэнерго РФ, к 2035 г. на долю России должно приходится порядка 15-16% от мирового рынка водорода.
Стоит отметить, что на уровень экономического развития и уровня благосостояния граждан России значительное влияние оказывает экспорт углеводородов, в
связи с чем, диверсификация производственных мощностей путем формирования нового направления - производства водорода является логичным и приведет к ускорению экономического развития страны.
Однако препятствием развития водородной энергетики в стране являются существующие бизнес-модели российских энергетических корпораций, которые пока не подготовлены к энергопереходу. В дальнейшем это может негативно сказаться на их экспорте и прибыли, так как Германия, реализующая Стратегию развития водородной энергетики, снизит долю углеводородов в собственном энергобалансе в недалеком будущем.
Как показал пилотный проект использования водорода для общественного транспорта в г. Санкт-Петербург в конце 2019 г., крупные российские города могут стать успешным примером использования данных технологий, в связи с чем, в дальнейшем могут положительно сказаться на имидже России и позволят восстановить и укрепить сотрудничество со странами Евросоюза.
Потенциал данного сотрудничества был отмечен в Энергетической стратегии России до 2035 г., которая была опубликована в тот же день, что и Стратегия развития водородной энергетики Германии. В Энергетической стратегии России на водород возлагаются большие надежды и отмечается, что он обладает значительным экспортным потенциалом и является продуктом с высокой добавленной стоимостью.
Ярким примером производства водорода в РФ является компания ПАО «Татнефть», запустившая в этом году проект нефтеперерабатывающего комплекса «ТА-неко» в Нижнекамске.
Сейчас там штатно работают новые установки по производству водорода, необходимого для многих производственных процессов, а также российских автомобилей «Auшs» на водородных двигателях, которые недавно были представлены в Елабуге.
Спрос на топливо для парка дорожных автомобилей значителен, он будет расти по мере увеличения спроса на персональные транспортные средства и грузоперевозки, в особенности, в развивающихся странах. На запущенном производстве Елабуге можно будет выпускать до 5 тыс. автомобилей в год, что будет, в свою очередь, делать водород еще более востребованным и развивать отечественные технологии в сторону зеленой энергетики.
Во второй половине 2020 года Минэнерго РФ подготовило план развития в России водородной энергетики. В результате реализации этого плана, наша страна может стать крупнейшим экспортером водорода. Производить его могут такие компании-гиганты, как «Росатом», «Газпром» и НОВАТЭК. В данном контексте, ключевыми становятся вопросы реализации собственного промышленного производства водорода, проведения НИОКР и создания пилотной (головной) Атомной энерготехнологической станции (АЭТС) (например, на базе Кольской АЭС). В РФ имеется задел по производству высокотемпературных гелиевых реакторов, так как в СССР были отработаны ядерные двигательные установки для космических программ, перестройки направлений внутренней политики ТЭК и реформирования общественных институтов для активизации инновационной деятельности. При хорошем сценарии к 2024 году российский экспорт водорода может составить 0,2 млн т, а к 2035 вырасти до 2 млн т. Уже сегодня ряд российских корпораций пе-
ресматривают свои бизнес-модели и развивают водородную энергетику, ведь «энергетический переход» неминуемо приведет к снижению спроса на нефтепродукты и природный газ в ближайшем будущем.
В этом ключе в специальной научной литературе обсуждаются следующие этапы развития новой отрасли в России до 2024 года, представленные ниже.
Первым этапом является стратегическое планирование, а также мониторинг развития водородной энергетики в России, который будет включать в себя следующие важные этапы:
- разработка концепции по развитию в России водородной энергетики;
- разработка предложений, направленных на увеличение доли использования водорода в ключевых отраслях экономики России.
Вторым этапом является проведений мероприятий, направленных на государственное стимулирование развития водородных технологий в России, а именно:
- разработка мер, направленных на реализацию пилотных проектов по производству энергетического водорода;
- разработка мер, направленных на экспорт энергетического водорода.
- разработка мер, которые будут стимулировать спрос на использование водорода в ключевых отраслях экономики России;
- формирование кластеров, а также полигонов для проведения исследовательских работ и дальнейшего внедрения технологий водородной энергетики в ключевых отраслях экономики России.
Третьим важным этапом является формирование потенциала производства водорода, который включает в себя следующие этапы:
- определение приоритетных проектов в перечне пилотных проектов водородной энергетики;
- формирование мер, направленных формирование и развитие водородных инжиниринговых центров.
Четвертым этапом является реализация определенных ранее приоритетных проектов, которая будет заключаться в следующем:
- формирование опытных полигонов по производству низкоуглеродного водорода на уже существующих объектах переработки нефти и газа, а также объектах добычи углеводородов;
- расширение возможностей использования водорода, в том числе, в железнодорожном транспорте;
- изучение возможности использования мощностей атомных электростанций для производства водорода.
Пятым этапом можно считать развитие научно-технических решений, которые будут включать в себя:
- разработку технологий, позволяющий значительно снизить выбросы в окружающую среду на всех этапах использования водорода;
- разработка отечественных водородных технологий, являющихся энергоэффективными, в области производства, транспортировки и использования.
Ну и заключительным этапом является международное сотрудничество, в котором предлагается проработать следующие вопросы:
- проработать возможность осуществления двустороннего сотрудничества со странами, являющиеся производителями и потребителями водорода;
- проработать возможность участия страны в международном сотрудничестве в области водородной энергетики;
- разработка мероприятий, направленных на укрепление позиций России на международных рынках водорода.
Таким образом, на наш взгляд, логичным будет разработка государственной стратегии или программы по инвестированию в водородную инфраструктуру, которая будет включать в себя не только строительство пи-ролизных установок, но и создание сети водородных заправок. Очевидно, что на развитии водородной энергетики в России положительно сказалось бы также привлечение иностранных инвесторов, в особенности, европейских, которые проводят проекты «зеленой экономики». В связи с переходом на зеленую энергетику ЕС, гигантские потребности Евросоюза в электроэнергии многократно вырастут.
Ряд российских компаний разрабатывают стратегию по выходу на рынок водорода. Так, по данным ПАО «Газпром», до конца 2021 г. планируется закончить разработку и провести испытания газовой турбины, работающей на метано-водородном топливе, а до 2024 г. закончить исследования по использованию метано-водород-ного топлива как в газовых установках, так и в качестве топлива для различного транспорта.
Создание специальном компании «Газпром водород» для проектов в водородной энергетике.
оставок водорода о трубопроводам из России в Европу с
реверсом углекислого газа обратно в Россию ля его захоронения
Рисунок 5 - Планы «Газпрома» по выходу на рынок водорода Источник: [1].
ГК «Росатом» планирует в 2024 г. закончить строительство полигона для исследования возможности использования водородного топлива в железнодорожном транспорте. При такой декарбонизированной технике, российские компании смогут увеличить производство отечественного водородного топлива, а также со временем модернизировать технологии его использования.
Все это позволит России в долгосрочной перспективе занять лидирующие позиции по экспорту водорода на глобальном рынке, а проект АЭТС и его реализация за рубежом может сделать Россию безоговорочным лидером по экспорту атомных станций для производства водорода, так как реализовать данный проект на мировом рынке способна только страна, имеющая полный технологический цикл атомно-водородной энергетики.
Литература
1. Абдрахимов Ю. Р. Перспективные направления получения альтернативных видов топлива для России, Безопасность труда в пром-сти. — 2015. — № 7. — С. 55-60.
2. Водород вместо газа из России: Германия готовит первый шаг. [Электронный ресурс]. - URL: httpsV/www.dw.coiTi/ш/водород-вместо-газа-из-россии-германия-готовит-первый-шаг/а-53570204 (дата обращения: 21.05.2021)
X X
о го А с.
X
го m
о
ю
2 О
м
3. Водородная экономика - путь к низкоуглеродному развитию. [Электронный ресурс]. - URL: https://energy.skolkovo.rU/downloads/documents/SEneC/R esearch/SKOLKOVO_EneC_Hydrogen-economy_Rus.pdf (дата обращения: 27.06.2021)
4. Водородная энергетика в Китае. [Электронный ресурс]. - URL: https://prc.today/vodorodnaya-energetika-v-kitae/ (дата обращения: 13.06.2021)
5. Hydrogen Production - how much will be sustainable, how sustainable, when, and how? [Электронный ресурс]. - URL: https://www.biofuelsdigest.com/hydrogen/2019/08/06/hydro gen-production-how-much-will-be-sustainable-how-sustainable-when-and-how/ (дата обращения: 19.06.2021)
6. Pymex. [Электронный ресурс]. - URL: https://pymex.com (дата обращения: 21.06.2021)
Analysis of world experience in development of hydrogen fuel
production. Opportunities of the Russian Federation Khalova G.O., Yudin D.A.
Russian State University oil and gas named by I. M. Gubkin JEL classification: H87, F02, F15, F29, F40, F42, F49
In the article, the authors analyze the world experience in the development of hydrogen fuel production, paying special attention to the experience of countries such as the United States, Germany and the People's Republic of China. The existing types of hydrogen fuel are shown, the specifics of their production are presented. The factors influencing the further growth of hydrogen fuel consumption in the world are noted. The article analyzes the possibilities of turning the Russian Federation into a key exporter of hydrogen fuel to the world energy market, presents the main stages in the development of the country's hydrogen industry. The authors present a state strategy for the development of hydrogen energy, and propose attracting foreign investors from countries that are rapidly developing hydrogen technologies. It is noted that the technologies existing in Russia for the production of hydrogen at nuclear power plants will allow the state to consolidate its position as a leader in the world market for hydrogen energy and will have a positive effect on its socio-economic development.
Keywords: hydrogen fuel, green hydrogen, hydrogen energy, hydrogen production technologies, Russia, China, USA, Germany.
References
1. Abdrakhimov Yu. R. Prospective directions of obtaining alternative types of
fuel for Russia, Labor safety in the industry. - 2015. - No. 7. - S. 55-60.
2. Hydrogen instead of gas from Russia: Germany is preparing the first step.
[Electronic resource]. - URL: https://www.dw.com/ru/hydrogen- instead of-gas-from-russia-germany- prepares-first-step/a-53570204 (date of access: 21.05.2021)
3. Hydrogen economy - the path to low-carbon development. [Electronic
resource]. - URL:
https://energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/Research/SK OLKOVO_EneC_Hydrogen-economy_Rus.pdf (date accessed: 27.06.2021)
4. Hydrogen energy in China. [Electronic resource]. - URL: https://prc.today/vodorodnaya-energetika-v-kitae/ (date accessed: 13.06.2021)
5. Hydrogen Production - how much will be sustainable, how sustainable,
when, and how? [Electronic resource]. - URL: https://www.biofuelsdigest.com/hydrogen/2019/08/06/hydrogen-production-how-much-will-be-sustainable-how-sustainable-when-and-how/ (date accessed: 19.06 .2021)
6. Pymex. [Electronic resource]. - URL: https://pymex.com (date accessed:
21.06.2021)
CS
0
CS
01
о ш m
X
<
m О X X
