Автомобили на водородных топливных элементах уже выпустили на рынок Honda, Toyota, Hyundai и ряд китайских компаний. Но транспорт – далеко не единственное направление водородной энергетики.
За громкими новостями последних лет об огромных оффшорных ветряках, миниатюрной “солнечной черепице”, о накопителях Tesla, о подземном хранении СО2 и других прелестях Energiewende (энергетического перехода) пока не очень разборчиво, но уже слышатся отдаленные раскаты новой грозы всех традиционных поставщиков нефти, газа и электроэнергии. Гроза эта может пройти вдалеке, может штормом разрушить традиционный бизнес энергетических гигантов и экономику стран – экспортеров углеводородов, а может живительным дождем поддержать всходы новой экономики.
Эта новая напасть – всего лишь самый распространенный элемент во Вселенной. Водород. По некоторым прогнозам вокруг этого элемента через 30 лет возникнет индустрия с годовым оборотом в $2,5 трлн. и 30 млн. рабочих мест, которая вытеснит почти 20% ископаемых энергоносителей из мировой экономики.
Каковы шансы на реализацию этих сценариев, пробуем разобраться в этой статье.
Откуда взялся?
С тех пор как 235 лет назад Лавуазье дал водороду имя, он успел занять изрядное место в индустрии. Водород используют для производства аммиака, метанола и пищевого маргарина, с его помощью перерабатывают нефть. “Взять у природы” водород в чистом виде нельзя, приходится перерабатывать другие вещества – основным способом его производства остается паровая конверсия углеводородов. За год в мире производят всего около 65 млн. т водорода (для сравнения: природного газа добывают примерно в 40 раз больше).
На особые свойства водорода как топлива обратили внимание еще в середине прошлого века – его теплота сгорания в несколько раз больше, чем у природного газа, бензина или дизельного топлива той же массы, и при этом не образуется никаких выбросов, кроме водяного пара. В 1970 году в США появились публикации о переводе транспорта на водородное топливо, тогда же получил распространение термин “водородная экономика” – некий образ будущего, в котором американские города полностью уходят от “экономики углеводородов”, применяют водород в качестве топлива для автомобилей, домов, электростанций, а также запасают энергию с помощью водорода и производят его с помощью солнца и ветра там, где это нужно. Другими словами, водородная экономика зиждется на водороде как наиболее универсальном и экологически чистом энергоносителе, связывающем электроэнергетику, теплоэнергетику и транспортный сектор. Вскоре подоспел и нефтяной кризис, и разработкам транспорта на водороде придали большее значение. Так, например, в СССР в 1980-х появились “водородные” микроавтобусы РАФ, самолет на базе Ту-154, ракетный двигатель на водороде для “Энергии”. Судьба этих проектов незавидна – например, в самолете пришлось минимум треть полезного объема пассажирского отсека выделить под топливные баки, что радикально отразилось на себестоимости перевозок.
Почему пока не получилось?
Масштабного перехода транспорта на водород в XX веке не случилось – стоимость километра пробега на водороде была много выше, чем на обычном топливе. Основная причина – дороговизна: производство водорода из углеводородов (паровая конверсия) или воды (электролиз) требует большого количества энергии. Кроме того, паровая конверсия углеводородов сопровождается выделением парникового газа – СО2, на борьбу с которым в том числе и была направлена идея перевода транспорта на водород. Производство водорода методом электролиза (разложение воды на кислород и водород с помощью электроэнергии) было еще дороже, чем паровой конверсией, а для производства нужной электроэнергии приходилось сжигать топливо с соответствующими выбросами. Все это несколько снизило первоначальный интерес, и в целом водородная экономика до самого конца XX века так и оставалась лишь “образом будущего”.
Что изменилось?
“Энергетический переход” в мировой электроэнергетике привел к бурному развитию в 2000-2010-х годах возобновляемой энергетики, прежде всего солнечной и ветряной генерации. Стоимость этих технологий постоянно снижается (приведенная стоимость электроэнергии от ветряной и солнечной генерации в США, по данным Lazard, в 2009-2016 годах сократилась на 70-80%). Рынок растет быстрыми темпами (в 2016 году, по данным IRENA, в мире было введено 71 ГВт солнечных станций на фотовольтаике и 51 ГВт ветряных станций, а в 2017 году, как ожидается, будет подтвержден ввод 90 и 40 ГВт соответственно). Годовые инвестиции в сектор составляют более $250 млрд. – вдвое больше инвестиций в генерацию на ископаемом топливе. Ценовые рекорды солнечной энергетики в Дубае, Мексике, Перу, Чили, Абу-Даби, Саудовской Аравии, ветряной энергетики в Бразилии, Канаде, Германии, Индии, Мексике и Марокко достигли новых отметок. По прогнозам Международного энергетического агентства, к 2040 году доля генерации электроэнергии на солнечных и ветряных электростанциях в мире составит от 13% до 34% (в 2016 году – 5%). Очевидно, что в отдельных регионах доля этих источников будет еще больше.
Таким образом, электроэнергетика все больше переходит на источники генерации, которые стохастичны и зависят от климатических условий и времени суток. Влияние колебаний выработки на солнечных и ветряных электростанциях (когда вдруг перестает дуть ветер или светить солнце) на энергосистему, если их доля в регионе высока, сопоставима с хаотическим включением/выключением крупной ТЭЦ – несколько раз в сутки. Кроме того, иногда эти станции вырабатывают гораздо больше, чем нужно всем потребителям энергосистемы, и тогда стоимость электроэнергии становится “отрицательной” – такие новости регулярно приходят из Германии, например.
Управляться с такими колебаниями научились, создавая накопители энергии, которые “заряжаются” в периоды избытка энергии и “разряжаются” в периоды ее дефицита. Если в XX веке роль таких накопителей исполняли только гидроаккумулирующие станции, то в наши дни бурно развиваются электрохимические накопители, самые известные из которых – это “свежие” проекты Tesla в Калифорнии и Австралии. Navigant Research прогнозирует увеличение ежегодного ввода мощности накопителей для ВИЭ примерно с 2 ГВт в 2018 году до 24 ГВт в 2026 году – в 12 раз за восемь лет. Годовая выручка на этом рынке вырастет пропорционально до $24 млрд. к 2026 году.
Растущая потребность в накопителях энергии заставила опять вспомнить о водороде.
Возобновляемую энергию – в автозаправки
Производить электролизом водород можно было и раньше, но тогда нужно было использовать энергию традиционных тепловых электростанций, сжигающих топливо. Когда же речь идет об избыточной и дешевой электроэнергии от солнечных и ветряных электростанций, свободных от выбросов СО2, то почему бы не преобразовать ее в водород, который использовать в качестве чистого топлива, например, для автомобилей? Тем более что это позволит отказаться от углеводородов как сырья для производства водорода. Ровно по этому пути идет множество инновационных компаний в Европе и мире. Британская ITM Power участвует в проекте Hydrogen Mobility Europe (H2ME), цель которого – запустить сеть из 29 заправочных водородных станций в 10 европейских странах к 2019 году, которые будут обслуживать 200 легковых машин на водородных топливных элементах и 125 гибридных грузовиков. Шведская Nilsson Energy специализируется на изолированных от энергосистемы решениях, в которых энергия солнца и ветра используется для получения и хранения водорода и его использования для заправки автомобилей и энергообеспечения зданий.
Автомобили на водородных топливных элементах уже выпустили на рынок Honda, Toyota, Hyundai и ряд китайских компаний. Целевое видение международного консорциума Hydrogen Council, основанного в Давосе в 2017 году крупнейшими отраслевыми компаниями под председательством Toyota, – более 400 млн. легковых машин, 15-20 млн. грузовиков, 5 млн. автобусов на водороде к 2050 году (то есть около 20-25% от общего количества). 78% топ-менеджеров глобальной автомобильной индустрии, опрошенных KPMG в 2017 году, полагают, что такие автомобили станут прорывом в секторе электромобилей, отодвинув на второй план аккумуляторные машины.
Но транспорт – далеко не единственное направление.
Водород – в каждый дом
Стационарные топливные элементы (fuel cells) – динамично развивающаяся технология, которая позволяет получать электрическую и тепловую энергию из водорода или природного газа непосредственно на придомовом участке или в подвале дома. Выброс при использовании водорода только один – чистая вода, которую можно использовать для кондиционирования воздуха. Компактные модульные установки размером с холодильник абсолютно бесшумны. По прогнозу Navigant Research, мощности стационарных топливных элементов вырастут с 500 МВт в 2018 году до 3000 МВт в 2025 году. Такие установки комбинируются с ВИЭ, электролизерами, накопителями энергии и позволяют создавать полноценные автономные источники энергоснабжения для домохозяйства. Приведенная стоимость электроэнергии от топливных элементов на природном газе в США, по оценке Lazard ($106-167 за МВт-ч) уже примерно равна показателям атомных ($112-183 за МВт-ч) и угольных ($60-231 за МВт-ч) электростанций и меньше приведенной стоимости индивидуальных крышных солнечных панелей ($187-319 за МВт-ч). В Японии благодаря масштабным государственным субсидиям таких установок в 2014 году насчитывалось уже более 120 000, а целевые значения – более 1 млн. к 2020 году и более 5 млн. к 2030-му. По мере удешевления технологий (массовость производства, стандартизация) и выхода на их самоокупаемость, японское правительство планирует приступить к внедрению водородных топливных элементов – ожидается, что это произойдет к 2030 году.
Power-to-Gas
Водород, полученный с помощью возобновляемых источников энергии, можно подмешивать в газотранспортные и газораспределительные сети. Такая станция работает во Франкфурте-на-Майне с 2014 года, добавляя до 2% водорода в местную газораспределительную сеть (такое ограничение содержания водорода позволяет вообще ничего не менять ни в сетях, ни у потребителей). В Германии есть несколько подобных объектов, встречаются они и в Италии, Дании, Нидерландах. Иногда водород подмешивают в биогаз, увеличивая его ценность.
В Великобритании всерьез рассматривают водород как способ радикального сокращения эмиссий от домохозяйств (85% домохозяйств в стране сжигают природный газ для отопления). Для города Лидс с населением более 780 000 человек в 2017 году проведена детальная оценка потребности в инвестициях для полного перевода системы газоснабжения на водород – от замены котлов у потребителей до создания подземных хранилищ водорода и установок паровой конверсии. Этот проект собираются масштабировать на всю страну, тем более что британские города в течение XIX века и первой половины XX века уже использовали искусственный “городской газ”, содержавший до 50% водорода. А пока газовые компании планируют постепенно увеличивать долю водорода до 20%, избегая масштабной реконструкции газовых сетей и котлов у потребителей.
Водород – интегратор газохимии и энергетики
Но самый впечатляющий проект реализуется сейчас на севере Нидерландов. В этом регионе, расположенном прямо над Гронингенским газовым месторождением (причиной “голландской болезни”), уже несколько лет бурно развивается биогазовая энергетика. Уже пять лет назад по улицам ездили автомобили на groen gas – биометане, произведенном здесь же из отходов агропрома региона. Неудивительно, что именно здесь при поддержке Евросоюза год назад стартовал проект Chemport Europe, основная цель которого – создать полноценный газохимический кластер, работающий исключительно на местных биоресурсах и водороде с нулевыми выбросами СО2. Древесная биомасса перерабатывается, образующиеся в процессе углеводы используются в химии. Электроэнергия от офшорных ветряков преобразуется электролизерами в водород и кислород. Кислород и водород используются в химии, а кислород еще и участвует в газификации переработанной биомассы с местных полей площадью более млн. гектаров. Газификация позволяет получить синтетический газ – чистую смесь водорода, СО2 и СО. Туда же добавляется и чистый водород от ветряков. Из этого газа получают азотную кислоту, метанол, этилен, пропилен, бутилен – вещества, которые могут полностью вытеснить нефть и природный газ с их устойчивых позиций сырья для химической промышленности.
Инициаторы проекта заявляют о стремлении приблизить стоимость синтетического газа к стоимости природного. Сингаз можно отправлять на сжижение (био-СПГ), заправлять им автотранспорт и использовать для прочих классических нужд.
Первоначальные инвестиции в проект – 50 млн. евро, из них 15 млн. евро обеспечиваются грантами Евросоюза.
Водородная олимпийская деревня
В Токио к Олимпиаде-2020 возводят олимпийскую деревню, которая примет до 17 000 гостей. Главным источником энергии в деревне будет водород: автомобили, заправочные станции, топливные элементы, тепло и электроэнергия в домах, газ в плитах и котлах – все это будет работать на водороде.
Так ли все безоблачно?
Среди скептиков водородной энергетики не только консерваторы, но и, например, Илон Маск (хотя, конечно, у него конфликт интересов: литий-ионные батареи Tesla – прямой конкурент технологии power-to-gas). Он указывает на опасность обращения с водородом при его хранении: утечки почти невозможно определить, и есть вероятность образования взрывоопасной смеси. Аналогичные опасения высказывают некоторые жители Токио. Можно ли эффективно и дешево решить эти проблемы на фоне развития конкурирующих технологий, покажет время. А пока в центрах мировых столиц продолжают возникать водородные заправки.
Ставки сделаны
Пока что глобальные инвестиции в водородную энергетику составляют, по разным оценкам, около 0,85-1,4 евро млрд. в год. Консорциум Hydrogen Council планирует инвестировать $13 млрд. в течение пяти лет в сети водородных заправочных станций и водородные автомобили. По данным департамента энергетики США, сектор топливных элементов уже дает работу 16 000 гражданам (перспектива роста – до 200 000), а финансовая поддержка от государственного бюджета США составляет около $100 млн. в год на протяжении уже многих лет. Несколько десятков компаний, научных центров и университетов по всему миру работают над сокращением стоимости водородных технологий, в частности, заявлена цель снижения стоимости производства водорода методом электролиза от $11,5 до $5,7 за килограмм, а также уменьшения стоимости топливных элементов (в три-пять раз) и хранения водорода (в два-три раза). Очевидно, когда эти цели будут достигнуты, “водородная экономика” будет куда ближе к нам, чем может сейчас представляться. (ЭлектроВести/Энергетика Украины и мира)