Водородный мир

В НИУ ВШЭ 27 октября 2020 года прошёл онлайн-семинар «Перспективы водородной энергетики — ожидания и вызовы». Его участники, среди которых был академик Сергей Алдошин, обсудили перспективы реализации «Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года». В этом недавно утверждённом документе ставится сверхамбициозная цель: переход России от «нефтяной» к «водородной» трубе, то есть превращение в одного из крупных мировых экспортеров водорода, с которым в западном мире сегодня многие связывают безуглеродное будущее. Большинство участников семинара посчитали цели стратегии своевременными, хотя и отметили массу сложностей на этом пути. Главный вопрос: будет ли вообще существовать рынок водорода или речь идёт о временном увлечении без большого будущего?

Мнения

Весь мир считает абсолютно необходимым остановить глобальное потепление. Для этого необходимо найти какую-то замену газу метану. Как известно, 40% всех выбросов диоксида углерода в мире генерируются при получении тепла, а отнюдь не электричества! Однако использовать для его выработки электроэнергию от солнечных и ветровых электростанций практически невозможно. Проблема в том, что зимние пики потребления тепла в странах с умеренным климатом вчетверо выше, чем зимние же пики потребления электроэнергии. Это значит, что покрыть их за счёт ВЭС и СЭС можно будет только если их мощности будут в разы выше уровня летнего потребления. Соответственно, в тёплые сезоны инфраструктура для генерации возобновляемой энергии обречена на простои, а, следовательно, и на чрезмерную дороговизну получаемого с её помощью киловатт-часа.

В таких условиях многие считают выходом использование в качестве накопителя энергии, а также топлива для самолётов, автомобилей и даже обогрева домов —  водород — самый легкий из существующих газов. Тогда летом избыточные мощности ветряков и фотоэлементов можно отправлять на получение водорода электролизом воды. А затем закачивать его в подземные газохранилища, как метан сейчас, и зимой сжигать полученные запасы для покрытия пиковых потребностей в тепле, типичных для холодного времени года. Такая схема кажется логичным и экономически обоснованным путём к полной декарбонизации крупных экономик.

Подобная позиция стала модной и на уровне лиц, принимающих решения в государственных аппаратах ряда европейских стран. Например, в 2020 году Германия приняла «Национальную водородную стратегию», а чуть позже Еврокомиссия представила «Водородную стратегию для климатически нейтральной Европы». Очевидно, что на водородную энергетику возлагают большие надежды: считается, что её развитие поможет снизить зависимость от ископаемых энергоносителей и выполнить амбициозные цели по сокращению эмиссии парниковых газов.

Сергей Соловьёв,
научный руководитель АО «ВНИИАЭС»
Росатома

Сергей Соловьёв, научный руководитель АО «ВНИИАЭС» Росатома, выразил настрой значительной части участников семинара: сочетание высоких оценок перспектив и настороженности по поводу технических проблем «водородной эры». Он отметил: «Я целиком поддерживаю развитие водородной энергетики, но, тем не менее… выступаю против неоправданных темпов её развития. Недавно вышедшее Распоряжение Правительства дополнительно укрепило мои сомнения».

Сергей Соловьёв обратил внимание на то, что согласно этому документу, ключевая задача развития водородной энергетики в нашей стране — ответ на вызов выпадения углеводородов из мирового энергетического баланса из-за предпринимаемых западными странами усилий по декарбонизации их экономик. «И тут сразу встает вопрос: а ждут ли наш [российский] водород за рубежом?» — продолжает эксперт.

Стратегическая цель европейцев — в том числе Германии — состоит в переходе исключительно на «зелёный» водород. Это значит, что он должен быть получен электролизом, посредством электроэнергии от СЭС, ВЭС и сжигания биомассы. Очевидно, что для России эти варианты не подходят: объёмы такой генерации у нас невелики.

Другая большая проблема, озвученная Соловьёвым — тот факт, что водород в принципе сложнее перемещать на большие расстояния, нежели метан. При сгорании одного кубометра водорода (он весит всего лишь 90 грамм) выделяется ~10,8 мегаджоулей или три «тепловых» киловатт-часа. А вот при горении кубометра метана — порядка 35 мегаджоулей, или почти десять «тепловых» киловатт-часов. Выходит, чтобы «доставить» одно и тоже количество энергии через трубу, водорода по ней придётся прокачать втрое больше, а значит и затраты на транспорт будут выше. Кроме того, атомы водорода легко проникают в кристаллическую решетку металлов, делая их более хрупкими. От этого его транспортировка по металлическим трубам, в отличие от метана, может быть небезопасной.

В теории можно транспортировать сжиженный водород, но это потребует его охлаждения до -253 градусов. Это само по себе недёшево, и вдобавок трубопроводам понадобится крайне продвинутая система теплоизоляции. Альтернативой может стать перевозка жидкого водорода в газовозах.

С точки зрения Соловьёва, для атомной энергетики и конкретно «Росатома» развитие водородной энергетики весьма перспективно. Энергия атомных реакторов часто бывает невостребована, и тогда логично использовать её для наработки водорода. Однако не стандартным путем электролиза (у него низкий КПД и потому высокая стоимость), а, в идеале, за счёт использования специальных атомных реакторов, способных нагревать воду до +800 градусов. При таких условиях вода распадается на водород и кислород без затрат электричества. КПД этого процесса выше, чем при электролизе, использующем непосредственно электроэнергию от АЭС.

Предположительно, к 2050 году за счёт такого технологического процесса Россия могла бы получать до 50 миллионов тонн водорода, при том что в мире сегодня его получают 78 миллионов тонн. Однако это потребовало был строительства АЭС общей мощностью 200-250 гигаватт. По мощности это превосходит всю современную энергетику нашей страны.

Реализовать нечто подобное технически вполне возможно. Вопрос только в одном: есть ли надёжные данные, экономические прогнозы, что этот газ будет востребован в таком объёме?

Юрий Стеценко,
профессор НИУ ВШЭ,
руководитель представительства Российского экспортного центра
в Германии

С другой позиции на ситуацию взглянул Юрий Стеценко, доктор технических наук, профессор НИУ ВШЭ и руководитель представительства Российского экспортного центра в Германии. Он акцентировал внимание на том, что для Германии этот вопрос «уже решён». Немецкая сторона, как и ЕС в целом, совершенно однозначно нацелилась на подобные решения и уже начала вкладываться в проекты, которые могут дать нужный ей «зелёный» водород. Например, европейцы уже подписали документы о вложении примерно двух миллиардов долларов в наработку водорода посредством электролиза в Марокко. Источником электроэнергии здесь будут солнечные батареи, условия для работы которых в Северной Африке близки к идеальным.

Стеценко отмечает, что вне зависимости от российской позиции переход на водород в Европе произойдёт. И вопрос состоит не в том, будет ли Россия в этом участвовать, а в том, получит ли она от этого заметные преимущества или нет. Чем раньше мы «войдем» в этот процесс, тем выше наши шансы получить от него экономическую отдачу.

Юрий Мельников,
старший аналитик по электроэнергетике
Энергетического центра бизнес-школы «Сколково»

Юрий Мельников, старший аналитик по электроэнергетике Энергетического центра бизнес-школы «Сколково», обоснованно отметил, что для того, чтобы уверенно экспортировать тот или иной энергоноситель, страна прежде всего должна освоить его сама. По его словам, важно понять, не выйдет ли водород «золотым» для европейских покупателей — если производство этого газа в России будет ориентировано исключительно на экспорт. Он цитирует позицию немецких правительственных источников: «Время водорода пришло». Там его видят ключевым элементом для декарбонизации сталелитейной и автомобильной промышленности.

Однако пока, напоминает он, «Энергетическая стратегия» мало что сообщает о намерении использовать водород внутри страны. Речь идёт только об экспорте. Это выглядит её слабым местом, и такой подход нуждается в пересмотре.

В ходе дискуссии эксперты предположили, что наиболее вероятным приложением водорода в российских условиях может быть его использование в рамках северного завоза. Здесь его можно применять вместо солярки, которая имеет существенный углеродный след и выделяет много вредных веществ при сгорании.

Сергей Алдошин,
академик, научный руководитель
Института проблем химической физики РАН

Достаточно оптимистично на место России в будущей водородной энергетике взглянул академик Сергей Алдошин, долгие годы близкий к разработкам водородных топливных элементов. Он отметил, что в России в последние годы наладили, наконец, производство собственных мембран, что позволяет локализовать производство всех основных компонентов топливных элементов внутри страны. Более того, по его словам, ряд контактов с зарубежными партнерами (из Австрии) показал их интерес к импорту установок на топливных элементах из России.

Проблемы

Чтобы дать читателю более точное представление о глубине проблем, стоящих на пути водородной энергетики, следует напомнить некоторые базовые факты о методах его получения и физических свойствах.

Сегодня 95% всего водорода в мире получают не «зелёным» способом, а, как его обозначает Сергей Соловьёв, «турецким» (в английском языке его ещё называют «коричневым», brown). Это процесс, в ходе которого метан обдают перегретым водяным паром. В результате образуется смесь угарного газа и водорода, последний сепарируют и затем используют. Средняя стоимость такого водорода — 1,3 долларов за килограмм и выше. 

Получение водорода электролизом сегодня крайне непопулярно из-за его высокой стоимости. По чисто физическим и химическими причинам кубометр водорода из воды можно получить, затратив никак не менее 3,6 киловатт-часов электроэнергии. При этом сам он отдает при сжигании всего 3 киловатт-часа («тепловых»). Более того, на практике идеальных установок электролиза не существует, и реально на кубометр водорода уходит не менее 4,5 киловатт-часов. При этом стоимость электричества в мире — не ниже 6 центов за киловатт-час, поэтому в среднем «зелёный» водород не может стоить дешевле 27 центов за кубометр. Даже в условиях сверхдешёвой электроэнергии от крупных ГЭС эта стоимость не упадёт ниже 18 центов. Таким образом один «тепловой» киловатт-час при сжигании «зелёного» водорода стоит 6-9 центов.

Цена же кубометра природного газа колеблется от 0,1 доллара (в США и России) до 0,2 долларов (в Европе), но при сгорании дает ~10 киловатт-часов. Стоимость «теплового» киловатт-часа от него — от 1 до 2 центов. Говоря иначе, энергия от «коричневого» (турецкого) водорода в 2-3 раза дороже, чем от метана. В случае же «зелёного» водорода разница достигает четырёх раз. Сегодня в мире потребляют 3,5 триллиона кубометров природного газа в год. Замена его на «коричневый» водород при нынешних ценах означает рост затрат на энергию более чем на три триллиона долларов в год. А на «зелёный» — более чем на шесть триллионов долларов в год. Источники финансирования подобного перехода пока неясны.

Кроме того, в случае если его предпримет только ЕС, а страны третьего мира воздержатся, конкурентоспособность сталелитейной и ряда других энергоёмких отраслей европейских экономик снизится до нуля. Само их существование станет возможно только при жесткой протекционистской защите местного рынка. Но его закрытие может спровоцировать серию торговых войн с туманным исходом. Впрочем, каким бы он ни был, ясно одно: сами эти войны нанесут крупный ущерб мировой экономике.

Опасной стороной проблемы является то, что здесь нет потенциала резкого падения цены. С ВЭС и СЭС технологии могут снижать стоимость генерации со временем, но водород — это не готовый природный источник энергии (как ископаемый метан), а её носитель, создаваемый человеком. Это значит, что никакое совершенствование технологий не позволит снизить его стоимость настолько, чтобы описанный выше разрыв мог серьёзно сократиться.

Другая проблема водородной энергетики — низкая плотность водорода, во много раз уступающая метану. Поэтому его прокачка по трубам на большие расстояния требует слишком больших затрат энергии. Водород, как указано выше, можно сжижать (хотя это также потребует больших затрат энергии), но в жидком виде он весит 70 килограмм на кубометр — в шесть раз меньше, чем сжиженный метан. Иными словами, одинаковый по объёму бак с жидким метаном будет в 2,5 раза более энергоёмким, чем аналогичный с жидким водородом.

В такой ситуации попытки создания самолётов на водороде автоматически означают резкое сокращение дальности полётов таких машин (в разы). Попутно, в силу того, что даже «коричневый» водород минимум втрое дороже метана и даже дороже керосина, «водородизация» авиации должна привести к заметному росту цен на авиабилеты. В 2,5 раза большая нужда в посадках для дозаправки также повысит стоимость и, кроме того, увеличит время в полете. Насколько мировая авиаиндустрия, особенно с учётом глубокого кризиса из-за пандемии COVID-19, готова на такой технический шаг назад. И намерены ли пассажиры оплатить его?

В области автомобилестроения водородные автомобили на сегодня — явные аутсайдеры. Стоимость машин с топливными батареями выше (даже лучших, типа Mirai), чем у электромобилей Tesla тех же размеров, а динамика заметно хуже. Кроме того, стоимость жидководородной заправки начинается от пары миллионов долларов, а электро — от 50 000 долларов. 

Всё это — ключевые причины, по которым число авто на водороде в современном мире измеряется считанными тысячами, а электромобилей — миллионами.

Чисто теоретически, чуть лучше выглядит ситуация с водородным топливом на рынке обогрева домов. Если получать «зелёный» водород в Европе и перекачивать его на малые расстояния, то для этого вполне годятся газовые пластиковые трубы низкого давления, используемые сегодня в ЕС для природного газа.

Однако и здесь возможны заметные сложности — в первую очередь, в плане готовности потребителей. По данным британской прессы, в Соединённом Королевстве и сегодня бывают зимы, когда число жителей этой страны, умерших от последствий плохого отопления, достигает 15 тысяч в год (это явление называют fuel poverty). Повышение стоимости газового отопления, а именно оно сегодня доминирует в Англии, в три и более раза может увеличить эту цифру. Насколько европейское общество психологически готово заплатить за декарбонизацию подобным образом — пока остается большим вопросом. 

Таким образом, переход к водородной энергетике может состояться только в том случае, если западные государства готовы к нему буквально любой ценой.

В чём нельзя не согласиться с участниками онлайн-семинара, так это с тем, что в теории позиции России в случае мирового перехода к «водородной экономике» выглядят не так плохо. Росатом сегодня доминирует на мировом рынке строительства реакторов, и, судя по некоторым его экзотическим проектам (БН-800 на уран-плутониевом топливе), способен создать реакторы с нестандартными параметрами, чтобы получать «зелёный» водород по умеренным ценам. 

Как сообщил в ходе онлайн-семинара Сергей Соловьёв, цена водорода при таком пути получения может быть 1,15-1,2 доллара за килограмм. Технически это на уровне лучших образцов «коричневого» водорода, и намного меньше, чем у «зелёного». Вместе с готовностью страны производить топливные элементы, это внушает оптимизм. Если водородный рынок в мире состоится, к «нефтяной» и «газовой» игле вполне может добавиться ещё и «водородная».

Однако и здесь не всё так просто. Даже если предположить, что западный мир в самом деле готов заплатить за водородную декарбонизацию — несмотря на то, что водород всегда будет минимум втрое дороже природного газа — далеко не факт, что ЕС психологически готов платить за это российским экспортёрам. Как отметили участники онлайн-семинара, чтобы добиться возможности такого экспорта, придётся провести комплексное исследование, сравнивающее, какое количество углекислого газа на килограмм полученного водорода выбрасывается в российской атомной отрасли и в проектах, использующих ветровые и солнечные электростанции. Только если «атомный» водород в самом деле окажется не менее зеленым, чем «ветровой» и «солнечный», может идти речь о выходе России на такой рынок.
IQ

 

Автор текста: Александр Березин

29 октября, 2020 г.