Водородная энергетика: этапы развития, проблемы и перспективы Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Водородная энергетика:

этапы развития, проблемы и перспективы

Попадько Наталия Владимировна,

к.т.н., доцент кафедры стратегического управления ТЭК РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, popadko.n@gubkin.ru

Панков Сергей Викторович,

студент РГУ нефти и газа navi4ok.pankov@yandex.ru

Попадько Артем Михайлович,

магистрант РГУ нефти и газа apopadko@gmail.com

(НИУ) имени И.М. Губкина,

(НИУ) имени И.М. Губкина,

В последнее десятилетие экологические вызовы стали оказывать все большее влияние на мировую энергетическую политику. Политика декарбонизации, как способ противодействия глобальным изменениям климата, является важнейшим драйвером глобального энергоперехода. В качестве локомотива выступают возобновляемые источники энергии и водородные технологии.

Водород необходим для химической и пищевой промышленности, нефтепереработки, металлургии, все большее распространение он получает, как экологически чистое автомобильное топливо.

Прогноз Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) [1] говорит о том, что к 2050 году 8% валового общемирового энергопотребления будет обеспечивать «зеленый водород», а для его производства будет использовано 16% всей вырабатываемой электроэнергии. Столь масштабный переход на водородные технологии способен значительно снизить углеродный след ряда промышленных секторов.

Становится очевидным, что для успешного широкомасштабного внедрения водородных технологий требуются трансформация существующих моделей распределения и потребления энергии, развитие технологий и инфраструктуры производства.

Ключевые слова: энергопереход, декарбонизация, водородные технологии, углеродный след, экологические преимущества

Водородная экономика относится к понятиям XXI века. Впервые на российском государственном уровне перспективы развития водородных технологий обсуждались на совещании в Минэнерго лишь 29 августа 2019 года [2], тогда как в Японии приступили к разработке дорожной карты по развитию водорода и топливных элементов в марте 20l 1 года после аварии на Фу-кусиме. На текущий момент опыт Японии как лидера в области водородной экономики широко используется в мировом энергетическом секторе (Рисунок 1).

В 2017 г. была запущена общеевропейская инициатива Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU), которая по состоянию на май 2018 г. объединила уже 89 регионов и городов из 22 европейских стран (Рисунок 2).

♦ »»• 1, PltWftptMMI |ф* И<ПОЛЫО»*НМ« ЦПЛИ*ИМ< WtM»* о« (ГЭ) н* (in аодород*

2010: tHBWtwr цги к» водород до уровне, наир«лги 1ж?го ценам на др угие аидм >впмн дм гибрноны*

201 Si <н»имщ«с цг" и« нготбнм и* ii» Г5 до уровня цен гибридны мтомобкпей

Щг

Фа«а ( • р«диы ■ 2020-х; £Чр*№ГИЧгСкИ« о '1 риупии — Я/и) и СОПЛ»*** «пмм 2010: начало эксплуатации овъсято импортного таплим, Массовое »и* 2- Со1д«ни< системы поставок «од« рода

рч«иой систем.« распределение ю • по прош »одет »у, транспортировке дремие re»«олотмй генерации »лет порода «ранению водорода на бл *е »>«»сргии hi 6а je водорода

*

•im 1. Создание 6»*угл*родноА с ист» мы постами водород«

хранению водорода

Рисунок 1 - Развитие «водородной экономики» по японской

модели

Источник: ¡3]

На данный момент производство водорода осуществляется тремя основными способами.

Первый способ: паровая конверсия метана ^М^) -из природного газа или в процессе газификации угля. Данный водород называется «серым» из-за значительного углеродного следа.

X X

о го А с.

X

го m

о

Рисунок 2 - Члены европейской водородной программы FCH JU

Источник: [4]

м о м о

о сч о сч

о ш m

X

<

m О X X

Альтернативой является производство «серого» водорода в комбинации с технологиями по улавливанию и хранению углекислого газа (CCUS), такой продукт получил название «голубой (или синий)» водород. «Голубой водород» считается СО2-нейтральным.

Еще одной альтернативой «серому» водороду является «зеленый» водород, получаемый путем электролиза воды, причем для электролиза используется исключительно энергия из НВИЭ. Зачастую комплексы по производству водорода из НВИЭ включаются в общую цепочку технологии Power-to-Gas, позволяя генерировать водород с минимальными выбросами СО2 [5].

Общий объем производства водорода в мире в настоящее время оценивается различными источниками в 70 млн тонн. Более 90% водорода производят на месте его потребления и менее 10% поставляют специализированные компании, работающие на рынке промышленных газов.

Главные направления использования водорода сегодня -нефтепереработка и химическая промышленность (Рисунок 4).

Рисунок 4. Направления использования водорода Источник: [4]

Возможность кратко- и долгосрочного хранения -это базовое преимущество водорода как энергоносителя. Главная особенность транспорта водорода -разнообразие применяемых способов (рисунок 5).

Рисунок 5. Способы транспортировки и хранения водорода Источник: [6]

По мнению европейских экспертов, следует продолжать развивать технологии для децентрализован-

ного производства, хранения и распределения водорода. В краткосрочной перспективе, с учетом стоимостных показателей, наиболее перспективным будет являться вариант развития нейтрального («голубого») водорода. Для полноценной реализации данного способа необходимо создание комплексов по улавливанию СО2. В долгосрочной перспективе надежды возлагаются на производство «зеленого водорода» и альтернативные методы производства водорода, на текущий момент находящиеся на стадии исследований и разработок, такие как пиролиз природного газа. Такие методы могут в будущем внести значимый вклад в процесс декарбонизации.

Стоит отметить, что для водорода не обязательно создавать собственную трубопроводную систему -можно использовать уже имеющуюся, созданную для природного газа. В настоящее время, согласно действующим европейским правилам, в газовую сеть можно вводить от 0,1% (Бельгия) до 12% (Нидерланды) водорода. Газопроводы могут транспортировать и более значительное количество водорода с природным газом, однако отдельные компоненты сети, устройства, установки, а также подземные хранилища не рассчитаны на избыточное содержание водорода. Для ряда производственных процессов даже незначительные колебания содержания компонентов (в том числе водорода) в природном газе могут привести к негативным результатам. По оценке ПАО «Газпром» в современных газопроводах (например, «Северный поток») можно транспортировать до 70% водорода в газовой смеси. Таким образом, европейским странам для развития водородной энергетики и экономики необходимо совершенствовать газовую инфраструктуру с целью ее адаптации к водороду. По оценкам МЭА добавка 20% водорода к природному газу позволит снизить выбросы углекислого газа почти на 7% [7].

Ряд европейских стран приступили к реализации водородных проектов уже сегодня. Необходимые для этого задачи и мероприятия прорабатываются в Германии в рамках создания Национальной водородной стратегии, которая должна быть утверждена на государственном уровне до конца 2020 года [8, 9].

Две провинции Нидерландов, Гронинген и Дренте, планируют совместно создать на своих территориях «Водородную долину». Разработан Национальный план развития водородной энергетики до 2030 г. стоимостью 2,8 млрд евро, основанный на использовании водорода, получаемого электролизом воды с помощью возобновляемых источников энергии. При производстве водорода традиционным способом (конверсией природного газа) образующийся в процессе конверсии углекислый газ будет закачиваться в подземные хранилища для исключения парниковых выбросов. Подобные технологические процессы уже отработаны в производстве на малых установках и пока обходятся достаточно дорого. Авторы плана рассчитывают снизить себестоимость производства и транспортировки водорода благодаря эффекту масштаба. План включает 33 конкретных проекта, среди которых: строительство подземного водородного хранилища в соляных пещерах в Зюйдвендинге, создание сети водородных заправочных станций, добавление водорода и синтез-газа в существующие газопроводы и т.д. В проектах будут участвовать известные компании, такие как Shell, Nuon, Engie, BioMCN (производитель биомета-

нола), Gasunie (оператор газопроводной сети) и др. Бизнес готов взять на себя часть затрат, ожидая, что остальные средства поступят из бюджетов как Нидерландов, так и Евросоюза.

Мощность установок для электролиза воды планируется довести сначала до 1 МВт, а затем - до 1 ГВт. Кроме того, в планах разработка и строительство «водородных» ветровых турбин со встроенными электролизёрами. Электростанцию в Эмсхавене (1,32 ГВт) планируют частично перевести с природного газа на водород. После этого подземное хранилище водорода превратится в огромный аккумулятор энергии. С 2020 г. в законодательство Нидерландов начнут вводиться поправки, необходимые для развития национальной водородной энергетики [10].

Проект H21 North of England, который развивает местная газовая компания в партнерстве с Equinor, предполагает перевод газовых сетей и оборудования на севере Англии на водород. Строительство новых водородопроводов позволит перевести почти 4 млн предприятий и домовладений на использование водорода для отопления, а выбросы углекислого газа снизятся на 20 млн тонн в год. Общая стоимость проекта оценивается почти в 30 млрд долларов.

В первую очередь водородные технологии нужно внедрять в сектора, где они на текущий момент практически отсутствует, такие как транспорт, электроэнергетика, коммунальное хозяйство.

Расширение использования водорода связано с рядом проблем:

- производство водорода является весьма дорогостоящим;

- темпы расширения водородной инфраструктуры незначительные, масштабное распространение чистой энергии имеет точечный характер из-за отсутствия взаимодействия между органами власти, промышленностью и инвесторами;

- используемые методы для производства водорода приводят к значительным выбросам CO2, 10 тонн диоксида углерода на тонну водорода (tCO2 / t№) образуется при паровой конверсии водорода из природного газа, 12 тонн СО2 / АН - из нефтепродуктов и 19 тонн СО2 / АН - из угля. Суммарное количество образовавшегося углекислого газа составляет около 830 млн т CO2 в год, что соответствует совокупным выбросам CO2 в Индонезии и Великобритании.

Отдельного внимания заслуживает вопрос обеспечения безопасности водородных технологий. Водород взрывоопасен в смеси с воздухом при определенных условиях; пламя горящего водорода бесцветно и потому невидимо; водород характеризуется высокой диффузией, приводящей к охрупчиванию металлов и проблемам с хранением водорода. Все эти особенности водорода определяют особые требования к производству, хранению и использованию водорода, но не ограничивают его перспективы. В каждой стране вопросы безопасности решаются в рамках национальных программ. Так, в рамках европейской программы FCH JU существует инициатива European Hydrogen Safety Panel. Для перехода водорода на уровень нового мирового энергоресурса необходима разработка единых подходов к обеспечению промышленной безопасности водородных технологий.

Резюмируя, стоит отметить, что для успешного широкомасштабного внедрения водородных технологий

требуются трансформация существующих моделей распределения и потребления энергии, развитие технологий и инфраструктуры производства.

Принятые мировым сообществом цели по снижению выбросов парниковых газов (выраженные в CO2-эквиваленте) должны в обязательном порядке сочетаться с обеспечением энергетической безопасности и устойчивости энергетики.

Крупнейшие энергетические агентства сходятся во мнениях о том, что доля новых возобновляемых источников энергии (НВИЭ) в мировом энергобалансе будет возрастать, так в энергобалансе Европе доля ВИЭ достигнет 50% в среднесрочной перспективе. Для обеспечения безопасности европейского энергетического комплекса необходимо наличие стабилизирующего элемента с устойчивой генерацией, которым может стать природный газ [5, 9]. Европа, оставаясь крупнейшим импортером природного газа, требует от природного газа соответствия экологическим требованиям. На волне «жесткой» декарбонизации водород является более предпочтительным вариантом, который устраивает всех участников рынка [8, 9].

На настоящий момент достигнут значительный прогресс в использовании водорода, но новым энергетическим технологиям требуется время, чтобы проникнуть на существующие рынки и устранить имеющиеся недостатки.

Мнения экспертов в оценке масштабности перспектив водородных технологий сильно расходятся. Специалисты Hydrogen Council [11] прогнозируют, что водород к 2050 г будет обеспечивать до 18% конечного потребления энергии на планете, тогда как эксперты IRENA оценивают перспективы водорода не столь значительно - на уровне 8% [1]. IRENA сдержанно оценивает потенциал производства электроэнергии из водорода с помощью топливных элементов в обозримой перспективе из-за низкого КПД всего цикла «электроэнергия — водород — электроэнергия» и высоких капитальных затрат.

По оценкам Международного энергетического агентства (МЭА) [7], себестоимость производства водорода из природного газа составляет $1,5-3,5 за 1 кг. Себестоимость килограмма водорода, полученного с помощью ВИЭ, выше — $2-6. В Китае она минимальная, а в Японии максимальная. В то же время расходы на генерацию посредством НВИЭ сокращаются с каждым годом. По прогнозу МЭА в 2030 году расходы на производство водорода снизятся на 30%. Эксперты Bloomberg в исследовании New energy outlook 2019 прогнозируют, что к 2030 году себестоимость производства водорода из ветровой или солнечной энергии может сократиться до $1,4 за 1 кг, а к 2050 году — до $0,8. Однако межтопливная конкуренция в свою очередь приводит к снижению цены на природный газ. По данным ПАО «Газпром» в третьем квартале 2019 года средняя цена реализации 1 тыс. куб. м газа в ЕС уже составила $169,8, что является самой низкой ценой за последние 15 лет.

В целом переход мировой экономики на водород по оценкам Hydrogen Council потребует суммарных инвестиций в размере $20-25 млрд/год по всему миру [4].

Минэнерго со ссылкой на экспертов оценивает мировой рынок водородного топлива к 2040 г. в $32-164 млрд [2]. По мнению специалистов EnergyNet в России водородная энергетика может быть сформирована в период 2025-2035 гг., для этого потребуются значительные инвестиции в $2,2-3,9 млрд в год, ожидаемый

X X

о го А с.

X

го m

о

м о м о

о

CS

о

CS

о ш m

X

<

m О X X

доход составит $1,7-3,1 млрд в год [11]. Эксперты выделяют следующие положительными аспекты для развития российских водородных технологий:

- водород нужно рассматривать как новый экспортный продукт, создающий спрос на электроэнергию (что актуально при наличии незагруженных генерирующих мощностей в ЕС и возможности строительства новых мощностей, в том числе на НВИЭ);

- водород - эффективный способ энергоснабжения изолированных территорий;

- водород - наиболее предпочтительный энергоноситель для территории с особыми требованиями по экологичности (например, для Арктики).

При использовании только имеющихся и не загруженных электроэнергетических мощностей Россия может производить водорода до 3,5 млн тонн в год. Имеющаяся газотранспортная инфраструктура и растущая отрасль СПГ создает долгосрочные предпосылки для развития производства «голубого» водорода с минимальными затратами на сырье и экспорта его трубопроводным транспортом. Все перечисленные аспекты будут учтены при разработке программы развития водородной энергетики России [2].

Следующее десятилетие будет иметь решающее значение для определения перспектив водорода в мировом и российском энергетическом секторе. Водород имеет все возможности стать топливом XXI века: доступным, технологичным и экологичным.

Литература

1. IRENA. Global energy transformation: A roadmap to 2050 (2019 edition), 2019 - 52 с. [Электронный ресурс] - Режим доступа - URL: https://www.irena.org/publications/2019/Apr/Global-energy-transformation-A-roadmap-to-2050-2019Edition

2. В России появится программа развития водородной энергетики. [Электронный ресурс] - Режим доступа -https://www.vedomosti.ru/business/articles/2019/09/01/8101 61-minenergo-razrabotaet-programmu

3. Водородная энергетика - тренд 21 века. [Электронный ресурс] - Режим доступа - URL: http://atomicexpert.com/hydrogen_energy

4. Водородная экономика - пусть к низкоуглеродному развитию// Центр энергетики Московской школы управления СКОЛКОВО. - М., 2019. - 62 с. [Электронный ресурс] - Режим доступа - URL: https://energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/ Research/SKOLKOVO_EneC_Hydrogen-economy_Rus.pdf

5. Попадько Н.В., Полаева Г.Б., Попадько А.М. Переход к низкоуглеродной энергетике в Германии: проблемы и перспективы//Инновации и инвестиции. -2018. - №6. - С. 113-116.

6. Hydrogen as an energy carrier. An evaluation of emerging hydrogen value chains / DNV GL, 2018. [Электронный ресурс] - Режим доступа - URL: https://www.dnvgl.com/publications/hydrogen-as-an-energy-carrier-134607

7. IEA. World Energy Outlook 2018. [Электронный ресурс] - Режим доступа - URL: https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2018

8. Газовый Диалог 2030//Dialogprozess Gas 2030 -Erste Bilanz. [Электронный ресурс] - Режим доступа -URL: https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Downloads/C-

D/dialogprozess-gas-2030-erste-bilanz.pdf?_blob=publicationFile&v=4

9. Попадько А.М. Место природного газа в энергетической стратегии Германии до 2030 года. [Электронный ресурс] - Режим доступа - URL: https://www.imemo.ru/files/File/ru/conf/2019/13122019/05 -Popadyko-02.pdf

10. Водородная энергетика. [Электронный ресурс] -Режим доступа - URL: https://energy.hse.ru/hydrenergy

11. Официальный сайт EnergyNet: [Электронный ресурс] - Режим доступа - URL: https://energynet.ru

Hydrogen Energy: Stages of Development, Problems and Prospects

Popadko N.V., Pankov S.V., Popadko A.M.

National University of Oil and Gas «Gubkin University» Over the past decade, environmental challenges have increasingly influenced global energy policy. Decarbonization policy to counteract global climate change is the most important driver of global energy consumption. Renewable energy sources and hydrogen technologies are used as locomotives.

Hydrogen is necessary for the chemical and food industries, oil refining, metallurgy; it is becoming increasingly common as an environmentally friendly automotive fuel. The forecast of the International Renewable Energy Agency says that by 2050, eight percent of the gross global energy consumption will be provided by "green hydrogen", and for its production will be used 16% of all generated electricity. Such a large-scale transition to hydrogen technology can significantly reduce the carbon footprint of a few industrial sectors. It becomes obvious that successful large-scale introduction of hydrogen technologies requires transformation of existing models of energy distribution and consumption, development of technologies and production infrastructure. Keywords: energy transfer, decarbonization, hydrogen

technologies, carbon footprint, environmental benefits References

1. IRENA. Global energy transformation: A roadmap to 2050

(2019 edition), 2019 - 52 p. [Electronic resource] - Access mode - URL:

https://www.irena.org/publications/2019/Apr/Global-energy-transformation-A-roadmap-to-2050-2019Edition

2. A program for the development of hydrogen energy will appear

in Russia. [Electronic resource] - Access mode - URL:

https://www.vedomosti.ru/business/articles/2019/09/01/8101

61-minenergo-razrabotaet-programmu

3. Hydrogen energy is a trend of the 21st century. [Electronic

resource] - Access mode - URL: http://atomicexpert.com/hydrogen_energy

4. Hydrogen economy - even for low-carbon development // Center for Energy, Moscow School of Management SKOLKOVO. - M., 2019 .-- 62 p. [Electronic resource] -Access mode - URL: https://energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/Re search/SKOLKOVO_EneC_Hydrogen-economy_Rus.pdf

5. Popadko N.V., Polaeva GB, Popadko A.M. Transition to low-

carbon energy in Germany: problems and prospects // Innovations and Investments. - 2018. - No. 6. - S. 113-116.

6. Hydrogen as an energy carrier. An evaluation of emerging

hydrogen value chains / DNV GL, 2018. [Electronic resource] - Access mode - URL:

https://www.dnvgl.com/publications/hydrogen-as-an-energy-carrier-134607

7. IEA. World Energy Outlook 2018. [Electronic resource] - Access

mode - URL: https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2018

8. Gas Dialogue 2030 // Dialogprozess Gas 2030 - Erste Bilanz.

[Electronic resource] - Access mode - URL: https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Downloads/C-D/dialogprozess-gas-2030-erste-bilanz.pdf?_blob=publicationFile&v=4

9. Popadko A.M. The place of natural gas in the energy strategy

of Germany until 2030. [Electronic resource] - Access mode -

https://www.imemo.ru/files/File/ru/conf/2019/13122019/05-

Popadyko-02.pdf

10. Hydrogen energy. [Electronic resource] - Access mode - URL: https://energy.hse.ru/hydrenergy

11. Official EnergyNet website: [Electronic resource] - Access mode - URL: https://energynet.ru