CC BY
5Контуры перспективного перехода к новой энергетической системе с использованием водорода в качестве энергоносителя в России и за рубежом
со см о см
о ш т
X
<
т О X X
Капитонов Иван Александрович
к.э.н., доцент, заместитель директора Высшей школы тарифного регулирования РЭУ им. Г.В. Плеханова , ведущий научный сотрудник сектора энергетической политики ИЭ РАН, kapitonov_ivan@mail.ru
В статье анализируется перспективы внедрения водорода и развития водородной энергетики в целом, как экологически чистого и перспективного источника энергии в Российской Федерации до 2050 года. В статье на основе обобщения многочисленных источников выявлены три этапа развития водородной энергетики, от начала массового внедрения водородных технологий до ожидаемого широкого использования в различных отраслях.
Рассматриваются ключевые факторы, такие как стоимость производства водорода и государственная политика, которые будут иметь решающее влияние на темпы развития водородной энергетики. Статья также рассматривает прогнозы стоимости производства водорода и ожидаемые изменения в государственной поддержке этой области, что позволяет предполагать позитивную перспективу как для мировой водородной энергетики, так и для водородной энергетики в России. Рассматриваются факторы, влияющие на этот процесс, включая стоимость производства водорода, инфраструктурные инвестиции и государственную политику.
Ключевые слова: водородная энергетика, энергетический переход, водородные технологии, экологически чистые источники энергии, снижение выбросов парниковых газов, инфраструктура водородной энергетики, государственная поддержка, стоимость производства водорода, энергоперспективы.
Водородная энергетика действительно привлекает все больше внимания в свете растущей обеспокоенности по поводу изменения климата. Современный технологический прогресс в области производства водорода сделал этот источник энергии более доступным и экономически выгодным. Водород обладает потенциалом стать ключевым игроком в снижении выбросов парниковых газов благодаря его экологической чистоте.
Сегодня водород можно использовать в различных отраслях (областях), что позволяет добиваться ощутимого снижения выбросов вредных веществ, включая транспортную индустрию, где его либо (редко) сжигают напрямую либо используют в качестве источника тока, преобразуя водород в топливных элементах. Кроме того, использование водорода в качестве топлива может не только снизить зависимость от традиционных источников энергии, но и привести к снижению стоимости эксплуатации транспортных средств, особенно при ужесточении экологических налогов и сборов. Это особенно важно в условиях стремления к более чистому источнику энергии в автомобильной промышленности.
Итак, водородная энергетика является весьма перспективной, но ее устойчивое развитие требует учета экологических и экономических факторов при выборе источников и методов производства. Традиционно разделяя технологии производства водорода, автор предлагает закрепить понятия «непосредственное» и «опосредованное» получение водорода. Непосредственным является получение водорода из какого-либо источника без электролиза. Электролиз опосредует получение водорода, заведомо снижая эффективность его получения. Не разделив принципиально эти процессы, возможно пойти по ложному пути, который уже многократно пройден, и к примеру, упустить факт, что получение водорода, к примеру на АЭС возможно путем электролиза с использованием относительно недорогой электроэнергии станции (о чем пишут практически все исследователи), либо непосредственной генерацией водорода из газа с образованием водорода и твердого углерода. Аналогично необходимо разделять использование альтернативных источников: энергия солнца может быть использована непосредственно, для производства водорода водорослями (бактериями) в определенных условиях, что дает существенный прогресс в экономической эффективности.
Необходимо отметить, что каждая технология производства (и потребления) водорода имеет свою уникальную совокупность экономических и экологических аспектов. Например, непосредственное производство водорода из природного газа в настоящее время может быть дешевым, но при этом сопровождается выбросами парниковых газов, что негативно влияет на окружающую среду, и с введением платы за углеродный след, а также ужесточением экологических требований, приведет к росту себестоимости производства.
Водород, полученный непосредственно из угля, обычно имеет ещё более высокую себестоимость, чем водород из природного газа, из-за более высокой стоимости угля и более высоких выбросов загрязняющих веществ. Однако угольные тех-
нологии могут быть более эффективными при массовом производстве большого количества водорода, и они могут быть более подходящими для промышленных приложений.
Водород, получаемый в ходе высокотемпературных реакций в ядерных реакторах, из-за технико-технологических особенностей, несмотря на всю перспективность, не рассматривается в данной статье, и будет подробно проанализирован отдельно в следующих исследованиях.
Поэтому поиск экономически-эффективных непосредственных способов производства водорода из более экологически чистых источников, таких как солнечная энергия или биомасса, становится приоритетом. Существуют новые методы производства водорода, повышающие эффективность использования возобновляемых источников энергии для непосредственного производства водорода и электролиза воды для опосредованного. В технологии производства водорода произошло несколько достижений, которые сделали ее более осуществимой и экономически эффективной.
1. Более эффективный электролиз - процесс, в котором вода расщепляется на водород и кислород с помощью электричества (опосредованное производство водорода). Прогресс в этой технологии сделали ее более энергоэффективной, а снизив количество необходимой энергии снизилась и стоимость производства.
2. Более широкое использование возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнце, для опосредованного (электролизного) производства водорода, позволило дополнительно снизить стоимость электроэнергии и сделать процесс генерации водорода более экономически целесообразным и устойчивым.
3. Развитие технологий парового риформинга метана -непосредственного процесса, при котором природный газ преобразуется в водород и двуокись углерода, как более эффективной и рентабельной технологии непосредственного производства.
4. Открытие более эффективного (и, соответственно, более рентабельного) процесса производства «солнечного» водорода по фотоэлектрической технологии, позволяющей производить водород из воды с использованием бактерий (водорослей) и солнечной энергии. «Солнечный» водород — это еще один потенциальный источник водорода, который может иметь более низкую себестоимость по сравнению с традиционными источниками. Однако «солнечные» технологии непосредственного производства водорода все еще находятся в стадии разработки, и их себестоимость пока значительно выше.
5. Улавливание и утилизация углерода (УУУ), т.е. улавливание выбросов двуокиси углерода в ходе промышленных процессов и использование их для производства водорода. Этот технологический процесс позволяет снизить углеродный след от непосредственного производства водорода из угля и газа, что важно в процессе перехода к чистым технологиям.
6. Развитие технологии получения «биомассового» водорода, который обычно имеет более низкую стоимость, чем водород, полученный из ископаемых видов топлива, благодаря более низкой стоимости биомассы и несколько меньшему количеству выбросов по сравнению с производством водорода из угля. Однако биомасса не всегда доступна в достаточном количестве, и ее массовое использование конкурирует с другими видами технологий производства водорода.
Резюмируя, данные технологические прорывы сделали производство и использование водорода более рационально-обоснованным и экономически эффективным. С развитием новых методов производства, таких как "зеленый" водород (получаемый из возобновляемых источников) и "голубой" водо-
род (получаемый из природного газа с улавливанием и хранением углерода), перспективы водородной энергетики выглядят многообещающими, что позволяет, в свою очередь, водороду стать более значимым «игроком» в энергетическом секторе
Проведенное исследование позволило установить факт, что существует довольно большое разнообразие прогнозов соотношения потребления водорода по сравнению с другими источниками энергии в мире и по странам до 2030-2050 годов. Разнообразные прогнозы схожи в одном - в росте доли потребления водорода, которое зависит от нескольких факторов, таких как технологический прогресс, государственная политика и потребительский спрос. Таким образом, в ближайшие годы ожидается значительный рост потребления водорода по мере увеличения спроса на чистые и устойчивые источники энергии.
Согласно различным отчетам и исследованиям международных агентств, использование водорода в различных отраслях промышленности, таких как транспорт, производство электроэнергии и промышленные процессы, будет расширяться от десятилетия к десятилетию, с последовательным внедрением и совершенствованием технологий производства и потребления водорода, и уже в ближайшие десятилетия ожидается значительное увеличение использования водорода как энергоносителя. Например, ожидаемое увеличение использования автомобилей на водородных топливных элементах, приведет к росту спроса на водород в качестве топлива и росту его предложения. Кроме того, ожидается, что растущий спрос на водород в различных отраслях промышленности, таких как транспорт, отопление и производство электроэнергии, будет стимулировать рост рынка водорода в ближайшие годы. Правительства всех развитых стран мира, и ряд организаций инвестируют в водородную инфраструктуру и исследования, что, как ожидается, будет способствовать дальнейшему развитию и внедрению водородной энергетики.
В целом, перспективы водородной энергетики в активно развивающихся инфраструктурных условиях выглядят позитивно, и ожидается, что ее потенциал в качестве ключевого источника энергии будет только расти по мере дальнейшего развития и широкого внедрения технологий непосредственного производства, прежде всего, из альтернативных источников.
Обобщая многочисленные прогнозы по использованию водорода в качестве энергоносителя авторитетных агентств, а также Концепцию развития водородной энергетики в Российской Федерации[2], возможно выделить несколько этапов его внедрения до обозримого периода 2050 г.
В течение первого этапа (до 2030 г.) возможно ожидать начало массового внедрения водородных технологий производства и потребления водорода в различных отраслях экономики, таких как транспорт, промышленность и энергетика.
В рамках этапа, к 2030 году, ожидается, что 1-2% мирового производства автомобилей будут использовать водород в качестве топлива[4]. Также уже в это десятилетие могут быть внедрены масштабные пилотные проекты по использованию водорода для производства электроэнергии[1].
На втором этапе (в десятилетии 2030-2040 гг.) большинством прогнозов предполагается дальнейший существенный рост использования водородных технологий. Так, ожидается, что к 2040 году около 15% автомобилей будут использовать водород[4], а также начнется массовое внедрение водородных электростанций[3].
В третьем десятилетии, с 2040 по 2050 год, прогнозируется активное развитие водородных технологий и их широкое применение в различных отраслях[1], не только в рамках наземного (частного и коммерческого), но и воздушного и водного транспорта, энергетики.
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о
м «
fO CN О
cs
О Ш
m
X
<
m о x
X
Ожидается, что к 2050 году более 70% автомобилей будут использовать водородное топливо[5], что позволит существенно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу. Кроме того, водород станет доступнее (дешевле) и сможет стать основным источником энергии для производства электричества, заменив традиционные виды топлива, такие как уголь и нефть.
Также в это время будут активно развиваться технологии хранения и транспортировки водорода, что позволит обеспечить его доступность и безопасность использования[5].
Таким образом, возможно констатировать факт, что рост потребления водорода прежде всего зависит от доступности технологии производства водорода и инфраструктуры, а также от стоимости производства и распределения.
Говоря о стоимости, исходя из приводимых нами данных о технологиях производства, и темпах роста инфраструктуры, возможно прогнозировать, что стоимость производства и распределения водорода будет снижаться с течением времени. Обобщая различные источники, также, как и в предыдущем прогнозе производства и потребления, возможно (условно) разделить на 3 десятилетия обозримый период энергоперехода к водородной энергетике.
В первом десятилетии (2020-2030 годы) стоимость производства водорода будет составлять около 5-7 долларов за килограмм. Данную стоимость производства водорода возможно признать высокой из-за нескольких причин. Во-первых, в настоящее время большая часть водорода производится из природного газа, который сам по себе является дорогим источником энергии. Во-вторых, технологии производства водорода еще не достаточно развиты, что также влияет на стоимость. В-третьих, для хранения и транспортировки водорода требуются значительные инфраструктурные инвестиции.
Во втором десятилетии (2030-2040 годы) ожидается снижение стоимости до 3-5 долларов за килограмм. В третьем десятилетии (2040-2050 годы) прогнозируется дальнейшее снижение стоимости до 1-3 долларов за килограмм.
Кроме того, государственная политика и нормативные акты, направленные на поощрение использования чистых источников энергии, будут играть решающую роль в определении темпов роста потребления водорода по сравнению с другими источниками энергии.
В заключение следует отметить, что, развитие водородной энергетики представляет собой важный шаг в направлении получения экологически чистого источника энергии, что актуально в свете глобальных проблем изменения климата и необходимости перехода к устойчивым энергетическим решениям. До 2050 года водород станет значимым игроком в энергетическом секторе России и ведущих стран мира в связи с ростом эффективности производства, а также вариантов применений в различных секторах экономики.
Однако для успешного внедрения водорода необходимо решение ряда технических, экономических и инфраструктурных задач, включая снижение стоимости производства водорода и развитие инфраструктуры для его транспортировки и хранения. Государственная поддержка и регулирование также будут играть важную роль в стимулировании перехода к водородной энергетике. С учетом текущего темпа развития технологий и уровня государственной поддержки, можно быть оптимистичными относительно перспектив водородной энергетики в будущем.
Литература
1. Водородный совет (Hydrogen Council), Глобальный статус водорода 2021 (2021 год). Режим электронного доступа: https://hydrogencouncil.com/wp-
content/uploads/2021 /06/Hydrogen-Insights-2021-Report.pdf
2. Концепция развития водородной энергетики в Российской Федерации. Утверждена Распоряжением Правительства РФ 5 августа 2021 г.
3. Международное энергетическое агентство (IEA), "World Energy Outlook 2020."
4. Международное энергетическое агентство (IEA), Energy Technology Perspectives 2020, Прогноз развития энергетики мира до 2050 года (2020 год). Режим электронного доступа: https://www.iea.org/reports/energy-technology-perspectives-2020
5. Международное энергетическое агентство (IEA), Global Energy Technology Outlook 2020 (GET0-2020). Режим электронного доступа: https://www.iea.org/reports/global-energy-technology-outlook-2020
6. Н.И. Дорогов, И.А. Капитонов, Н.С. Кулясов. Теория и практика углеродного регулирования и адаптации к изменениям климата : учебник под ред. Н.И. Дорогова. — Москва : РУСАЙНС, 2023. — 178 с. ISBN 978-5-466-04469-0
7. Green Energy Revolution Perspectives in Modern Russian Economy / I. A. Kapitonov, A. A. Shulus, M. V. Simonova [et al.] // International Journal of Economic Perspectives. - 2016. - Vol. 10, No. 3. - P. 166-175.
8. Kapitonov, I. A. Development of low-carbon economy as the base of sustainable improvement of energy security / I. A. Kapitonov // Environment, Development and Sustainability. - 2021. - Vol. 23, No. 3. - P. 3077-3096. - DOI 10.1007/s10668-020-00706-0.
9. Kapitonov, I. A. Strategic directions for increasing the share of renewable energy sources in the structure of energy consumption / I. A. Kapitonov, V. I. Voloshin // International Journal of Energy Economics and Policy. - 2017. - Vol. 7, No. 4. - P. 90-98.
Outlines of a promising transition to a new energy system using hydrogen as
an energy carrier in Russia and abroad. Kapitonov I.A.
Plekhanov Russian University of Economics
JEL classification: H87, F02, F15, F29, F40, F42, F49_
The article analyzes the prospects for the introduction of hydrogen and the development of hydrogen energy in general, as an environmentally friendly and promising energy source in the Russian Federation until 2050. Based on the generalization of numerous sources, the article identifies three stages of the development of hydrogen energy, from the beginning of the mass introduction of hydrogen technologies to the expected widespread use in various industries. The key factors, such as the cost of hydrogen production and government policy, which will have a decisive impact on the pace of development of hydrogen energy are considered. The article also examines the forecasts of the cost of hydrogen production and the expected changes in state support for this area, which allows us to assume a positive outlook for both the global hydrogen energy and hydrogen energy in Russia. Factors influencing this process are considered, including the cost of hydrogen
production, infrastructure investments and government policy. Keywords: hydrogen energy, energy transition, hydrogen technologies, environmentally friendly energy sources, reduction of greenhouse gas emissions, hydrogen energy infrastructure, state support, cost of hydrogen production, energy prospects. References
1. Hydrogen Council, Global status of hydrogen 2021 (2021). Electronic access mode:
https://hydrogencouncil.com/wp-content/uploads/2021/06/Hydrogen-Insights-2021-Report.pdf
2. The concept of hydrogen energy development in the Russian Federation. Approved
by the Decree of the Government of the Russian Federation on August 5 2021 .
3. International Energy Agency (IEA), "World Energy Outlook 2020."
4. International Energy Agency (IEA), Energy Technology Perspectives 2020, World
Energy Development Forecast until 2050 (2020). Electronic access mode: https://www.iea.org/reports/energy-technology-perspectives-2020
5. International Energy Agency (IEA), Global Energy Technology Outlook 2020
(GETO-2020). Electronic access mode: https://www.iea.org/reports/global-energy-technology-outlook-2020
6. N.I. Dorogov, I.A. Kapitonov, N.S. Kulyasov. Theory and practice of carbon
regulation and adaptation to climate change : textbook edited by N.I. Dorogov. — Moscow : RUSAINS, 2023. — 178 p. ISBN 978-5-466-04469-0
7. Green Energy Revolution Perspectives in Modern Russian Economy / I. A.
Kapitonov, A. A. Shulus, M. V. Simonova [et al.] // International Journal of Economic Perspectives. - 2016. - Vol. 10, No. 3. - P. 166-175.
8. Kapitonov, I. A. Development of low-carbon economy as the base of sustainable
improvement of energy security / I. A. Kapitonov // Environment, Development and Sustainability. - 2021. - Vol. 23, No. 3. - P. 3077-3096. - DOI 10.1007/s10668-020-00706-0.
9. Kapitonov, I. A. Strategic directions for increasing the share of renewable energy sources
in the structure of energy consumption / I. A. Kapitonov, V. I. Voloshin // International Journal of Energy Economics and Policy. - 2017. - Vol. 7, No. 4. - P. 90-98.
