Ученые нашли бесперебойный способ получения недорогого «зеленого» водорода
Для производства водорода с помощью энергетических ветряных установок морского базирования необходим устойчивый заряд электричества. Иначе может пострадать качество топлива, а в отдельных случаях даже произойти авария. Исследовали нашли способ, как обезопасить получение «зеленого» водорода. Он основан на методе синтетической инерции, который без включения в систему дополнительных устройств позволяет сохранять ее устойчивость и вырабатывать более экономичный и качественный водород. Работа выполнена сотрудниками Томского политехнического университета (ТПУ).
«Зеленый» водород получают методом электролиза воды (нагревом электрическим током). Его главное преимущество заключается в минимальных антропогенных (связанных с человеческой деятельностью) выбросах углекислого газа (CO2) в атмосферу.
«Водород сам по себе считается самым чистым топливом. Однако процесс его добычи загрязняет окружающую среду даже сильнее, чем традиционная энергетика. Получение «зеленого» водорода — это несомненный тренд, к которому стремятся многие страны. Оптимальное размещение такого «производства» — энергетические ветряные установки морского базирования. Это позволяет сделать весь процесс на 100% эко: вода берется из океана, электричество за счет ветра. Но для его производства необходим устойчивый заряд электричества. Иначе может пострадать качество топлива, а в отдельных случаях даже привести к авариям», — поясняет и. о. руководителя отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Игорь Разживин.
Для придания энергосистеме устойчивости ученые предложили использовать синтетическую или виртуальную инерцию — систему управления для устройств возобновляемых источников энергии, которая при перебоях частоты извлекает дополнительную кинетическую (движущуюся) энергию из ветра и стабилизирует частоту в системе.
Предложенный подход ученые протестировали с помощью разработанной в вузе многопроцессорной программно-аппаратной системы «Всережимный моделирующий комплекс реального времени ЭЭС», в том числе при аварийных режимах. Исследования показали, что внедрение синтетической инерции позволяет получить более плавные колебания без резких скачков при изменении напряжения в системе.
На фото: Разработанный в ТПУ «Всережимный моделирующий комплекс реального времени ЭЭС»
«Есть альтернативные варианты решения этой же задачи. В них коллеги предлагают внедрить в систему дополнительный стабилизатор управления напряжением и суперконденсатор. Это рабочий метод. Однако он требует покупки дорогостоящего оборудования, которое необходимо настраивать и контролировать в системе, а также синхронизации его работы с другими системами цепи. Наш метод проще и дешевле аналогов за счет того, что мы модернизируем саму систему управления энергосистемы. К тому же с его помощью проще обезопасить установку от аварийных ситуаций, а значит получать качественный водород бесперебойно», — добавляет Игорь Разживин.
Исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России, его результаты опубликованы в одном из международных изданий.
«Зеленый водород»: настоящее и будущее низкоуглеродной энергетики РФ
Развитие возобновляемой энергетики в России идет в русле мировых трендов на увеличение доли ВИЭ в энергобалансе. Частный бизнес и госкомпании вкладывают в экологически чистую генерацию серьезные ресурсы. Самая «зеленая» компания в стране — «Роснано», которая начала заниматься развитием ВИЭ в России в ту пору, когда отношение к этим источникам энергии было еще совсем консервативным.
Механизмом стимулирования развития возобновляемой энергетики в России служат две утвержденные правительством программы поддержки ВИЭ. Первая рассчитана до 2024 года, вторая действует в период 2025–2035 гг. Предполагается, что в стране в рамках этих программ будет введено около 15 ГВт ВИЭ в солнечной, гидро- и ветрогенерации.
Несмотря на столь значительную величину вводов, доля «зеленой» электроэнергии ВИЭ в энергобалансе составит не более 4% к 2035 году. Согласно международному опыту, при доле ВИЭ не более 10–15% нет необходимости в использовании каких-либо специальных инструментов балансирования выработки возобновляемых источников в действующей электросетевой инфраструктуре.
Смотря в будущее, «Роснано» фокусируется на том, что нужно сегодня достроить в области возобновляемых источников энергии — и по локализации, и по развитию технологий, знаний, компетенций и образования. Так, образованием и подготовкой кадров для ВИЭ в России системно занимается Фонд инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП) Группы «Роснано».
С помощью энергии ВИЭ можно вырабатывать так называемый «зеленый» водород, являющийся и топливом для самых разных потребителей, и энергоносителем для выработки электроэнергии. Его можно использовать также как элемент накопления энергии для балансирования графиков выработки солнечных и ветроэлектростанций.
«Роснано» активно развивает тематику низкоуглеродного, в том числе «зеленого», водорода, поскольку это прямой вклад в уменьшение углеродного следа экономики РФ. Совместно с партнером компания «Роснано» прорабатывает первый в России пилотный проект по производству «зеленого» водорода, использующего энергию строящейся ветроэлектростанции в Мурманской области. Проект должен начать работу в 2024 году. Водород либо «зеленый» аммиак будет производиться на базе щелочного или твердополимерного электролизера в ежегодном объеме не менее 12 тыс. тонн и поставляться потребителю в России и/или Европе в рамках долгосрочных контрактов.
Также при координации «Роснано» крупнейшие компании России сформировали рабочую группу по разработке комплексной национальной Программы развития отрасли низкоуглеродной водородной энергетики РФ. Создаваемая программа позволит в короткие сроки построить новую экспортоориентированную отрасль с существенным мультипликативным эффектом для отечественной экономики, отвечающую на внешнеэкономические вызовы. Создание программы поддержали ключевые министерства и Правительство РФ. Уже в первом квартале 2022 года программа будет готова для представления в Правительство РФ. Ожидается, что она позволит объединить усилия бизнеса, науки и органов власти для развития низкоуглеродной водородной энергетики в России.
Компании, участвующие в рабочей группе, прорабатывают возможность формирования некоммерческого профессионального объединения — Российского Водородного Союза. Он будет объединять и представлять интересы крупных российских индустриальных компаний, финансовых институтов, потребителей и научных организаций, заинтересованных в развитии отрасли низкоуглеродной водородной энергетики РФ.
Согласно прогнозам по потреблению водорода в Европе и в Азиатско-Тихоокеанском регионе, в России целесообразно создание нескольких экспортных кластеров по производству низкоуглеродного водорода в тех регионах, где есть высокий потенциал развития низкоуглеродной генерации, в том числе ВИЭ, а также портовая или газотранспортная инфраструктура для его транспортировки по морю или газопроводу.
В наборе самых эффективных технологий для выработки «зеленого» водорода — источники энергии, использующие силы оншорного и офшорного ветра. Благодаря первой программе поддержки ВИЭ были локализованы оншорные ветроустановки мультимегаваттного класса. Для производства «зеленого» водорода потребуется дополнительно решить задачи локализации оборудования для офшорных ветроустановок, а также технологий по электролизу, хранению и транспортировке этого нового вида топлива.
Объем планируемого в рамках текущих стратегических документов правительства экспорта водорода огромен — от 2 до 12 млн тонн к 2035 году. «Роснано» считает, что может быть обеспечен трансферт из-за рубежа ряда водородных технологий, которые будут востребованы в рамках развития отрасли. Все это потребует значительных кадровых и материальных ресурсов. Также для поставки водорода на экспорт придется использовать суда, имеющие низкий углеродный след.
Формирование новой отрасли потребует значительных инвестиций в создание существенной инфраструктуры энергетики, производства, хранения и транспортировки низкоуглеродного водорода. Большинство технологий и сервисов планируется к локализации в России, что позволит нашей стране получить все необходимые компетенции и технологии для независимого от других стран масштабного развития водородной энергетики.
© Информационное агентство ТАСС
Свидетельство о регистрации СМИ №03247 выдано 02 апреля 1999 г. Государственным комитетом Российской Федерации по печати.
Что такое зеленый водород и зачем он нам нужен
Зеленый водород может стать важным фактором глобального перехода к устойчивой энергетике и экономике с нулевым уровнем выбросов.
Во всем мире существует беспрецедентный импульс для реализации многолетнего потенциала водорода как решения для экологически чистой энергии.
Д-р Эмануэле Тайби рассказывает, как обстоят дела с водородом сейчас и как он может помочь в достижении чистого, безопасного и доступного энергетического будущего.
Настало время использовать потенциал водорода, чтобы сыграть ключевую роль в решении важнейших энергетических проблем. Недавние успехи технологий возобновляемых источников энергии и электромобилей показали, что политика и технологические инновации способны создать глобальные отрасли экологически чистой энергетики.
Водород становится одним из ведущих вариантов хранения энергии из возобновляемых источников энергии с водородным топливом, потенциально способным транспортировать энергию из возобновляемых источников на большие расстояния — из регионов с богатыми энергетическими ресурсами в энергоемкие районы за тысячи километров.
Зеленый водород фигурировал в ряде обязательств по сокращению выбросов на Климатической конференции ООН COP26 как средство обезуглероживания тяжелой промышленности, дальнемагистральных грузовых перевозок, судоходства и авиации. И правительства, и промышленность признали водород важной опорой экономики с нулевым уровнем выбросов.
Зеленая водородная катапульта, инициатива Организации Объединенных Наций по снижению стоимости зеленого водорода, объявила, что она почти удвоила свою цель для зеленых электролизеров с 25 гигаватт, установленных в прошлом году, до 45 гигаватт к 2027 году. Европейская комиссия приняла ряд законодательных предложения по обезуглероживанию газового рынка ЕС путем содействия использованию возобновляемых и низкоуглеродных газов, включая водород, а также по обеспечению энергетической безопасности для всех граждан Европы. Объединенные Арабские Эмираты также наращивают амбиции: новая водородная стратегия страны направлена на то, чтобы к 2030 году удерживать четвертую часть мирового рынка низкоуглеродного водорода, а Япония недавно объявила, что инвестирует 3,4 миллиарда долларов из своего фонда зеленых инноваций для ускорения исследований и разработок. продвижение использования водорода в течение следующих 10 лет.
Термины «серый», «синий», «зеленый» могут встречаться при описании водородных технологий. Все упирается в способ его производства. Водород выделяет только воду при сгорании, но его создание может быть углеродоемким. В зависимости от методов производства водород может быть серым, синим или зеленым, а иногда даже розовым, желтым или бирюзовым. Тем не менее, зеленый водород является единственным типом, производимым экологически нейтральным способом, что делает критическим достижение нулевого уровня выбросов к 2050 году.
Мы попросили доктора Эмануэле Тайби, руководителя отдела стратегий трансформации энергетического сектора Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), объяснить, что такое зеленый водород и как он может проложить путь к нулевым выбросам. В настоящее время он работает в Центре инноваций и технологий IRENA в Бонне, Германия, где отвечает за оказание помощи странам-членам в разработке стратегий преобразования энергетического сектора и в настоящее время руководит работой над гибкостью энергосистемы, водородом и хранением в качестве ключевых факторов. средства для энергетического перехода. Д-р Тайби также является одним из кураторов платформы Strategic Intelligence Всемирного экономического форума, где его команда разработала карту преобразования водорода.
Зеленые водородные технологии
Что побудило вас развивать свой опыт в области энергетических технологий и какой вклад в это вносит ваша работа в IRENA?
Это было во время моей магистерской диссертации. Я прошел стажировку в Итальянском национальном агентстве энергетики и окружающей среды (ENEA), где узнал об устойчивом развитии и энергетике, а также о связи между ними. Я написал об этом свою диссертацию по инженерному менеджменту и решил, что это та область, на которой я хочу сосредоточить свою трудовую жизнь. Забегая вперед, имея почти 20-летний опыт работы в области энергетики и международного сотрудничества, докторскую степень в области энергетических технологий и время, проведенное в частном секторе, исследованиях и межправительственных организациях, я в настоящее время возглавляю группу по преобразованию энергетического сектора в IRENA с 2017 года.
Моя работа в IRENA заключается в том, чтобы внести свой вклад вместе с моей командой и в тесном сотрудничестве с коллегами из агентства и внешними партнерами, такими как Всемирный экономический форум, в поддержку наших 166 стран-членов в переходе к энергетике, уделяя особое внимание поставкам возобновляемой электроэнергии и их использовать для обезуглероживания энергетического сектора с помощью зеленых электронов, а также зеленых молекул, таких как водород и его производные.
Что такое зеленый водород? Чем он отличается от традиционного «серого» и синего водорода с интенсивными выбросами?
Водород — самый простой и самый маленький элемент в периодической таблице. Независимо от того, как он производится, в итоге получается одна и та же безуглеродная молекула. Однако пути его производства очень разнообразны, как и выбросы парниковых газов, таких как двуокись углерода (CO2) и метан (CH4).
Зеленый водород определяется как водород, полученный путем расщепления воды на водород и кислород с использованием возобновляемой электроэнергии. Это совсем другой путь по сравнению с серым и синим.
Серый водород традиционно производится из метана (CH4), расщепленного паром на CO2 — главного виновника изменения климата — и H2, водород. Серый водород все чаще производится также из угля, при этом выбросы CO2 на единицу произведенного водорода настолько высоки, что его часто называют коричневым или черным водородом, а не серым. Сегодня он производится в промышленных масштабах, а связанные с ним выбросы сопоставимы с совокупными выбросами Великобритании и Индонезии. Он не имеет значения энергетического перехода, как раз наоборот.
Синий водород следует тому же процессу, что и серый, с дополнительными технологиями, необходимыми для улавливания CO2, образующегося при отделении водорода от метана (или из угля), и его хранения в течение длительного времени. Это не один цвет, а очень широкая градация, так как не 100 процентов образующегося СО2 можно уловить, и не все способы его хранения одинаково эффективны в долгосрочной перспективе. Суть в том, что, улавливая большую часть CO2, можно значительно снизить воздействие производства водорода на климат.
Существуют технологии (например, пиролиз метана), которые обещают высокую степень улавливания (90-95 процентов) и эффективное долгосрочное хранение CO2 в твердой форме, потенциально настолько лучше, чем синий, что они заслуживают отдельного цвета в » радуга таксономии водорода», бирюзовый водород. Тем не менее, пиролиз метана все еще находится на экспериментальной стадии, в то время как зеленый водород быстро расширяется на основе двух ключевых технологий — возобновляемой энергии (в частности, солнечной фотоэлектрической энергии и ветра, но не только) и электролиза.
В отличие от возобновляемой энергии, которая сегодня является самым дешевым источником электроэнергии в большинстве стран и регионов, электролиз для производства зеленого водорода необходимо значительно расширить и снизить его стоимость как минимум в три раза в течение следующего десятилетия или двух. Однако, в отличие от CCS и пиролиза метана, электролиз сегодня коммерчески доступен и может быть приобретен в несколько международных поставщиков прямо сейчас.
Зеленые водородные энергетические решения
Каковы преимущества решений по переходу к «зеленой» водородной экономике? Как мы можем перейти к зеленой водородной экономике с того места, где мы сейчас находимся с серым водородом?
Зеленый водород является важной частью энергетического перехода. Это не следующий немедленный шаг, так как сначала нам необходимо ускорить внедрение возобновляемой электроэнергии для декарбонизации существующих энергосистем, ускорить электрификацию энергетического сектора, чтобы использовать дешевую возобновляемую электроэнергию, прежде чем, наконец, декарбонизировать секторы, которые трудно электрифицировать. например, тяжелая промышленность, судоходство и авиация — через зеленый водород.
Важно отметить, что сегодня мы производим значительное количество серого водорода с высокими выбросами CO2 (и метана): приоритетом будет начать обезуглероживание существующего спроса на водород, например, путем замены аммиака из природного газа зеленым аммиаком.
Недавние исследования вызвали споры о концепции голубого водорода в качестве переходного топлива до тех пор, пока зеленый водород не станет конкурентоспособным по стоимости. Как зеленый водород станет конкурентоспособным по стоимости по сравнению с голубым водородом? Какие стратегические инвестиции необходимы в процессе разработки технологий?
Первый шаг — подать сигнал о том, что синий водород заменит серый, поскольку без платы за выброс CO2 у компаний нет экономического обоснования для инвестиций в сложную и дорогостоящую систему улавливания углерода (CCS) и геологические хранилища CO2. Когда структура такова, что низкоуглеродный водород (синий, зеленый, бирюзовый) конкурирует с серым водородом, возникает вопрос: должны ли мы инвестировать в CCS, если риск состоит в том, чтобы иметь брошенные активы, и как скоро зеленый станет дешевле, чем синий.
Ответ, конечно, будет отличаться в зависимости от региона. В чистом нулевом мире, цели, к которой стремится все больше и больше стран, оставшиеся выбросы от голубого водорода должны быть компенсированы отрицательными выбросами. Это будет дорого стоить. Параллельно с этим цены на газ в последнее время были очень неустойчивыми, в результате чего цена на голубой водород сильно коррелирует с ценой на газ и подвержена не только неопределенности цен на CO2, но и волатильности цен на природный газ.
Однако для зеленого водорода мы можем стать свидетелями той же истории, что и с фотоэлектрическими солнечными батареями. Это капиталоемко, поэтому нам необходимо снизить инвестиционные затраты, а также стоимость инвестиций за счет расширения производства технологий возобновляемых источников энергии и электролизеров, создавая при этом альтернативу с низким уровнем риска для снижения стоимости капитала для инвестиций в экологически чистый водород. Это приведет к стабильной и снижающейся стоимости зеленого водорода, в отличие от нестабильной и потенциально растущей стоимости синего водорода.
Технологии использования возобновляемых источников энергии уже сегодня достигли уровня зрелости, который позволяет производить конкурентоспособную электроэнергию из возобновляемых источников по всему миру, что является необходимым условием для конкурентоспособного производства экологически чистого водорода. Однако электролизеры по-прежнему используются в очень небольших масштабах, и в следующие три десятилетия их необходимо увеличить на три порядка, чтобы снизить их стоимость в три раза.
Сегодня идет работа над проектами по зеленому водороду, чтобы сократить вдвое стоимость электролизеров до 2030 года. Это, в сочетании с крупными проектами, расположенными там, где есть лучшие возобновляемые ресурсы, может привести к тому, что конкурентоспособный зеленый водород будет доступен в масштабе в следующем > годы. Это не оставляет много времени для голубого водорода — все еще находящегося сегодня на экспериментальной стадии — для масштабирования от пилотного до коммерческого масштаба, развертывания сложных проектов (например, долгосрочного геологического хранения CO2) в коммерческом масштабе и по конкурентоспособной цене, а также для возврата инвестиций, сделанных в следующие 10-15 лет.
Несколько правительств уже включили технологии водородного топлива в свои национальные стратегии. Учитывая растущие потребности в переходе к декарбонизации экономики и внедрению технологий с более высоким уровнем улавливания углерода, что бы вы посоветовали политикам и лицам, принимающим решения, которые оценивают плюсы и минусы зеленого водорода?
Нам понадобится зеленый водород для достижения нулевых выбросов, в частности, для промышленности, судоходства и авиации. Однако то, что нам нужно срочно, это:
3) ускоренный рост производства возобновляемой энергии.
Как только это будет достигнуто, у нас останется ок. 40 процентов спроса должны быть обезуглерожены, и именно здесь нам нужен зеленый водород, современная биоэнергетика и прямое использование возобновляемых источников энергии. Как только мы продолжим расширять использование возобновляемых источников энергии для обезуглероживания электроэнергии, мы сможем и дальше расширять мощности возобновляемых источников энергии для производства конкурентоспособного зеленого водорода и обезуглероживания секторов, которые трудно сократить, с минимальными дополнительными затратами.
Будущее зеленого водорода
Как вы видите развитие энергетических технологий, связанных с водородом, к 2030 году? Можем ли мы ожидать появления коммерческих автомобилей на водороде?
Мы видим возможность для быстрого внедрения зеленого водорода в следующем десятилетии, когда потребность в водороде уже существует: обезуглероживание аммиака, железа и других существующих товаров. Многие промышленные процессы, в которых используется водород, могут заменить серый цвет зеленым или синим, при условии, что CO2 будет иметь адекватную цену или будут внедрены другие механизмы для обезуглероживания этих секторов.
С судоходством и авиацией ситуация несколько иная. Сменные виды топлива, основанные на зеленом водороде, но практически идентичные топливу для реактивных двигателей и метанолу, полученному из нефти, могут использоваться в существующих самолетах и кораблях с минимальными корректировками или вообще без них. Однако эти виды топлива содержат CO2, который необходимо откуда-то улавливать и добавлять к водороду, чтобы снова высвободить при сгорании: это снижает, но не решает проблему выбросов CO2. Синтетическое топливо может быть внедрено до 2030 года, если будут созданы правильные стимулы для оправдания дополнительных затрат на сокращение (но не полное устранение) выбросов.
В ближайшие годы корабли могут перейти на зеленый аммиак, топливо, получаемое из зеленого водорода и азота из воздуха, не содержащего СО2, но потребуются инвестиции для замены двигателей и баков, а зеленый аммиак в настоящее время намного дороже, чем горючее.
Водородные (или аммиачные) самолеты еще дальше, и это будут, по сути, новые самолеты, которые должны быть спроектированы, построены и проданы авиакомпаниям для замены существующих самолетов на реактивном топливе, что явно невозможно к 2030 году: в этом смысле зеленый реактивный самолет топливо, произведенное из сочетания зеленого водорода и устойчивой биоэнергетики, — это решение, которое может быть реализовано в ближайшем будущем.
В заключение, основными действиями по ускорению декарбонизации до 2030 года являются: 1) энергоэффективность 2) электрификация с использованием возобновляемых источников энергии 3) быстрое ускорение производства возобновляемой энергии (что еще больше снизит и без того низкую стоимость возобновляемой электроэнергии) 4) расширение масштабов устойчивого , современная биоэнергетика, необходимая, среди прочего, для производства зеленого топлива, для которого требуется CO2 5) декарбонизация серого водорода зеленым водородом, что позволит увеличить масштабы и снизить стоимость электролиза, сделав зеленый водород конкурентоспособным и готовым к дальнейшему наращивать масштабы в 2030-х годах для достижения цели достижения нулевого уровня выбросов к 2050 году.
Всемирный экономический форум является давним сторонником повестки дня в области чистого водорода с 2017 года, помогая, среди прочего, в создании Совета по водороду, создании проблемы инноваций в области водорода в партнерстве с Mission Innovation и создании вместе с Комиссия по энергетическому переходу платформы «Выполнима миссия» по оказанию помощи секторам, в которых трудно сократить выбросы, к нулевым выбросам к 2050 году. Подробнее об инициативе «Ускорение использования чистого водорода» читайте здесь.
«В последние годы произошел громадный скачок в развитии зеленой водородной энергетики»
Развитие технологий производства и транспортировки водорода в последние годы значительно ускорилось благодаря поддержке многими государствами усилий по сокращению выбросов CO2 и масштабным инвестициям в проекты в области возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в период пандемии, а также из-за текущих геополитических изменений, которые вносят существенный вклад в формирование глобальной энергетической повестки. При этом развитые страны делают ставку на зеленый водород как способ хранения и передачи энергии, произведенной в различных регионах мира с использованием возобновляемых источников. О последних трендах в мировой и российской индустрии водородной энергетики рассказал профессор Высшей школы бизнеса НИУ ВШЭ Михаил Аким.
— Эксперты международной организации Hydrogen Council (Совет по водороду) несколько лет назад прогнозировали, что к 2050 году доля водорода в глобальном энергобалансе составит 18 % и мир будет потреблять 550 млн тонн водорода в год. Как вы считаете, эти оценки реалистичны?
— Если мы говорим про горизонт 2050 года, здесь пока корректнее говорить о трендах, а не о конкретных цифрах, поскольку мы находимся в условиях сложной геополитической ситуации, которая так или иначе влияет на весь мир. Какие-то конкретные цифры для прогнозирования на 25–30 лет достаточно сложно рассчитать.
— Как сейчас в основном используется водород? Меняются ли области его применения?
— Сейчас речь идет в основном об использовании водорода для промышленности (металлургия, производство удобрений). Но в последнее время тенденция такова, что водород из химического элемента, который используется в ряде технологических процессов, постепенно трансформируется в метод хранения зеленой энергии, энергоноситель.
Чтобы понять, как это происходит, стоит посмотреть на развитие мировых процессов производства энергии из возобновляемых источников. Сегодня различными странами, в особенности Китаем, вводится громадное количество мощностей ВИЭ. Например, мощность возобновляемых источников энергии Китая достигла 1213 ГВт в 2022 году, что составляет 47,3% от общей генерирующей мощности этой страны. Стоимость производства солнечной и ветровой энергии сейчас крайне незначительна по сравнению с тем, что мы наблюдали 5–10 лет назад: практики строительства оптимизируются, и мощности растут.
Европа, которая одной из первых вступила в гонку по созданию мощностей ВИЭ, прежде всего ветрогенерации, сейчас столкнулась с недостатком и дороговизной площадей для строительства ветростанций. Около 10 лет назад европейские компании уже пытались использовать Африку как место для строительства мощностей ВИЭ, но на тот момент проект оказался слишком дорогостоящим и труднореализуемым, в частности из-за сложности и стоимости передачи энергии из Африки в Европу.
Развитие водородных технологий способно решить две ключевые проблемы, возникшие в связи с ростом производства энергии из возобновляемых источников. Во-первых, это проблема транспортировки. Наиболее высокая производительность ветрогенерации, как правило, наблюдается недалеко от моря или в море, то есть на определенном расстоянии от потребителя. Есть несколько методов, как в принципе доставлять электроэнергию, полученную с помощью ВИЭ. Традиционный метод — это высоковольтные линии электропередачи переменного тока, но на таких линиях теряется огромное количество энергии. Другой способ — строительство высоковольтных линий электропередачи постоянного тока, что дорого и сложно. Оба метода, в частности, требуют большого количества меди для кабелей. А медь дорожает вместе с ростом спроса, связанного в том числе с развитием альтернативной энергетики. Трансформация энергии в водород (как носитель) может составить конкуренцию двум этим способам.
Вторая проблема связана с хранением энергии, она вызвана несоответствием между предложением и спросом. Очевидно, что энергия генерируется, когда дует сильный ветер и светит солнце, а не именно тогда, когда она вам нужна. Газ вы можете хранить, так как есть газохранилища, у вас в этом нет никаких ограничений — это один из факторов, объясняющих популярность газовой генерации. Но когда у вас есть дневные или сезонные колебания предложения со стороны генерации на основе ВИЭ, вам эти колебания нужно нивелировать. Соответственно, вам нужно создать буфер в виде технологии хранения энергии. В настоящее время в крупнотоннажном объеме единственный такой буфер, который можно представить на ближайшие годы, — это водород или его производные.
ПОДРОБНОСТИ
Аммиак получают путем синтеза из водорода и азота. Чтобы транспортировать водород, можно использовать несколько способов: трубопроводным транспортом, с помощью контейнерных перевозок, а также в криогенных цистернах или в носителях, таких как аммиак или гидриды металлов. Например, для перевозки в криогенных цистернах водород необходимо превращать в жидкость и охлаждать до очень низких температур — это дорогостоящий и энергоемкий процесс, для которого в настоящее время нет подходящей инфраструктуры, в отличие от технологий, связанных с аммиаком. После доставки аммиака в страны назначения его можно снова разделить на водород и азот или использовать напрямую.
— Какие технологии, связанные с водородом как носителем энергии, вы могли бы выделить?
— Проблема в том, что водород опасно и дорого транспортировать. Прорыв двух последних лет, который позволил резко нарастить объемы проектов по созданию новых водородных мощностей, — это переход от транспортировки водорода к транспортировке аммиака, фактически конвертация водорода в аммиак. При этом энергетическая способность аммиака выше, чем у водорода. Кроме того, по всему миру уже есть устоявшиеся схемы транспортировки аммиака через газопроводы и танкеры — это давно известные и опробованные технологии. Таким образом, именно это звено, которое еще три-четыре года назад являлось одним из основных препятствий для внедрения водородной энергетики, разрешается в обозримом будущем с помощью этой технологии.
— Можно ли говорить, что будущее именно за зеленым водородом, учитывая, что пока доля голубого водорода в мире остается самой высокой?
— Здесь важно отличать, говорим ли мы о том, что имеем сейчас, или о тенденции. Сейчас доля водорода в энергобалансе в целом очень мала. В промышленности действительно преимущественно используется голубой водород. А если мы говорим про тенденцию — для чего вообще водородная энергетика развивается, — да, будущее в первую очередь за зеленым водородом. Довольно много исследований показывали, что углеродный след водорода при производстве его из метана значительно выше, чем след от использования непосредственно метана. Как бы нам ни хотелось рассказывать, что метан — это «наше все» в энергетике, надо понимать, что это не так. В ближайшее время, скорее всего, производство энергии из метана будет оставаться дешевле (в зависимости от региона), но в принципе при продолжающемся уменьшении стоимости строительства мощностей ВИЭ, при сокращении стоимости производства водорода и его дальнейшей конвертации в аммиак водородная энергетика может, по сути, стать могильщиком метана.
ПОДРОБНОСТИ
Цветовые обозначения водорода
В соответствии с методами производства и обусловленной ими экологической чистотой водороду присваивают разные цветовые коды. Важно отметить, что пока они не стандартизированы, поэтому в водородных стратегиях разных стран и в различных публикациях на эту тему встречаются разные обозначения.
Экологически безупречный водород называют зеленым. Он производится методом электролиза воды, при этом электричество должно поступать исключительно из возобновляемых источников. По вопросу отнесения атомной энергии к чистым видам мировое сообщество все еще не достигло консенсуса, поэтому некоторые эксперты называют водород, произведенный методом электролиза на АЭС, также зеленым, другие же выделяют для него отдельный код — желтый, оранжевый или розовый (пурпурный).
Водород, произведенный из природного газа, обычно называют голубым. Здесь также есть нюансы. В последнее время голубым чаще называют водород, произведенный методом паровой конверсии метана с использованием технологий улавливания СО2, если же такие технологии не используют, то водород, произведенный из ископаемых источников, называют серым, при этом иногда дополнительно выделяют черный водород — произведенный из угля (встречается и расширенная классификация, в которой в зависимости от типа используемого угля в дополнение к черному еще выделяется бурый, или коричневый, водород). Можно встретить бирюзовый код — это водород, произведенный методом пиролиза метана, и изумрудный — произведенный из биометана или природного газа с помощью термоплазменного электролиза.
Белым называют природный водород, огромные запасы которого предположительно скрыты глубоко под землей. Некоторые компании уже ведут поиски таких залежей, чтобы «застолбить» их первыми, как это было на заре нефтяной эры.
— Если сравнить то, как вы оценивали перспективы развития водородной энергетики два-три года назад, с тем, как оцениваете сейчас, то что изменилось? Развитие происходит быстрее или медленнее, чем предполагалось?
— Развитие невероятно ускорилось, и геополитика здесь стала ключевым фактором. Европейский энергетический рынок в прошлом году начал очень сильно трансформироваться. И одним из путей трансформации является переход от использования газа к поиску других источников, а также регионов, которые могут стать производителями энергии из возобновляемых источников и поставщиками этой энергии для Европы. Германия при этом является инженерным центром, сфокусированным на разработке оборудования для водородной энергетики. Соответственно, возникают альянсы между Германией как потенциальным потребителем водорода и одновременно потенциальным производителем оборудования и теми странами, где энергию из возобновляемых источников можно недорого производить. Если говорить о США, то при текущей геополитической ситуации эта страна самодостаточна в вопросах энергетики, а Китай вводит громадное количество солнечных и ветровых электростанций и является бенефициаром в получении дешевых энергоносителей. У Китая есть, с одной стороны, поставки газа и нефти из России, с другой — возобновленная поставка угля из Австралии, плюс к этому идет строительство атомных электростанций, а происходящее в Европе стало дополнительным стимулом для развития ВИЭ.
Не менее важными факторами развития водородных проектов стали инвестиции в ВИЭ в период пандемии и вливания в эту отрасль так называемых «вертолетных денег» (прямая финансовая поддержка граждан и бизнеса за счет средств государства. — Прим. ред.), а также общая повестка по декарбонизации с целью стабилизации климатических изменений. Эти факторы обеспечили громадный скачок в направлении развития зеленой водородной энергетики.
— Можно ли говорить, что водородный бум — это потенциал не только для развитых, но и для развивающихся стран, где есть условия для наращивания мощностей ВИЭ?
— Да, безусловно. Очень интересно, как будет в принципе происходить интеграция водородной энергетики в глобальные цепочки. Если посмотреть, например, на Индию, которая является одной из крупнейших быстрорастущих экономик, то эта страна планирует наращивать производство и экспорт водорода. Любой быстрый рост требует энергетических ресурсов, соответственно, возникает некоторый диссонанс: с одной стороны, на развитие экономики Индии нужно очень много энергии, с другой — Индия сама выходит на громадные объемы производства энергии из возобновляемых источников и заявляет о своих амбициях как поставщика водорода. Если следить за этим трендом, то получается, что скорость введения мощностей ВИЭ должна быть выше, чем необходимость потребления электричества растущей промышленностью.
— Какие еще страны на сегодняшний день имеют потенциал для развития водородной энергетики?
— Нужно отметить, что наращивание мощностей по производству водорода — это в целом очень положительный сценарий для стран, где развиты другие низкоуглеродные энергетические отрасли, такие как атомная и гидроэнергетика. В частности, если говорить про гидроэнергетику, то один из крупнейших известных проектов по зеленому водороду намечен в Бразилии. Когда мы анализировали возможности производства конкурентного по цене водорода в России, то мы также пришли к тому, что это именно водород, полученный с использованием мощностей ГЭС.
С развитием технологий появятся новые регионы, которые могут стать крупными производителями энергии из возобновляемых источников для последующего производства водорода. Например, Австралия с ее большим потенциалом для введения мощностей ВИЭ, Чили, имеющая большую береговую линию, которая дает возможности для строительства ветромощностей, Бразилия, про которую я уже говорил, и, наконец, страны Африки.
— Можем ли мы сказать, что глобальный рынок водорода уже сформирован, или он в процессе формирования? От чего в ближайшие годы будет зависеть возможность появления на нем новых игроков? Это могут быть частные компании, или водородные технологии — это, скорее, история государственного масштаба?
— В каком-то смысле это уже сложившаяся ситуация. Как я ранее упоминал, в период пандемии ведущими развитыми странами были влиты сотни миллиардов долларов на развитие возобновляемой энергетики на государственном уровне.
Европа, которая объективно страдает от недостатка энергетических ресурсов, чтобы отвязать свое потребление от рынка углеводородов, готова и вынуждена вкладываться в развитие технологий и строительство мощностей. Интересен следующий вопрос: что окажется более конкурентоспособным в долгосрочной перспективе — получение зеленой энергии из различных регионов посредством транспортировки водорода (вне зависимости от места его производства или в меньшей зависимости) или собственные европейские мощности ВИЭ?
Любой этап конвертации затратен — и с точки зрения КПД, и с точки зрения стоимости в целом. Если производительность ветровых и солнечных установок станет значительно выше в ближайшее время и позволит сохранить относительно невысокую стоимость, то вполне возможно, что, с учетом совершенствования технологий, через 20–30 лет Европа по мощностям окажется конкурентной с другими регионами, откуда будет привозиться водород. Условно: в Бразилии вы произвели энергию на ГЭС, потом преобразовали ее в водород, затем в аммиак, далее на танкерах повезли в Германию и в конце конвертировали его обратно в энергию. Скажем, если вы можете построить по европейскому берегу достаточное количество эффективных ветроэлектростанций (в достаточном объеме для европейского потребления), вполне возможно, что исключение шагов по трансформации и транспортировке может быть вполне целесообразным при определенном развитии технологий в области возобновляемой энергетики.
— Россия сейчас делает ставку на голубой водород, в том числе произведенный с помощью ядерных реакторов, а широкомасштабное производство зеленого водорода с использованием мощностей АЭС пока не планируется, во всяком случае на горизонте 2030 года. Как вы думаете, изменится ли ситуация в дальнейшем?
— Я думаю, что история с голубым водородом — это во многом инертность системы планирования, потому что в принципе стратегия по развитию водородной энергетики в России создавалась до мирового водородного бума. Когда миропорядок и технологии настолько быстро меняются, стратегия, которая создавалась 10 или даже 5 лет назад, может быть не вполне актуальной.
«Атомный» же водород может быть очень интересным направлением, так как ЕС, скажем, признает атом низкоуглеродным источником энергии. Если мы смотрим в настоящее время с точки зрения загрузки существующих атомных мощностей, то производство водорода — это идеальный способ наиболее эффективного их использования. Водород идеален для того, чтобы максимально использовать, хранить и передавать энергию, произведенную на АЭС в непиковое время. Однако вопрос масштабного развития проектов по зеленому водороду у нас пока не стоит, так как в России ввод мощностей ВИЭ все еще очень незначителен.
— Если сейчас для России в связи с геополитической ситуацией европейские экспортные рынки закрыты, основной фокус должен делаться на внутренний спрос?
— Я думаю, что да. Я бы не рискнул прогнозировать это с точки зрения возможного изменения в геополитике. Понятно, что в настоящее время поставки энергии и энергоносителей из России в Европу крайне ограничены, а водород — тот же самый энергоноситель. Я не вижу причин, почему водород может выбиваться из общего тренда зависимости энергетических поставок от геополитических рисков.
При этом нужно понимать, для чего водород нужен потребителю: как энергоноситель или для промышленного использования. Еще одна развилка, о которой нужно упомянуть, — это транспорт. Например, компания Toyota разработала прорывную технологию автомобиля на водороде и во многом благодаря помощи японского правительства сумела ее коммерциализировать более 10 лет назад. Очевидно, что в тот момент, когда водород станет дешевым, такой транспорт станет конкурентоспособным.