энергетика на водороде миф или реальность

Алексей Паевский: Пока энергия из водорода дорогая, но скоро все изменится

— Алексей, в России в августе правительство утвердило концепцию развития водородной энергетики до 2050 года. Почему так важно развивать именно это направление? Чем оно лучше традиционных источников энергии?

— Нельзя принципиально говорить, что водородная энергетика заменяет традиционную, атомную или гидрогенерацию. Это совершенно другая история.

Начнем с того, что сейчас во всем мире есть общий тренд на декарбонизацию, то есть на уменьшение выбросов углекислого газа как одного из основных парниковых газов, вызывающих глобальное потепление.

Многие государства приняли на себя обязательства избавиться полностью от выбросов двуокиси углерода — кто к 2050, кто к 2060 году. Это означает отказ от тепловых электростанций.

— Но что делать с остальными источниками энергии и при чем тут водород?

— Естественно, никто использовать водород как горючее для электростанций не собирается: ведь для того, чтобы водород получить, нужно сначала энергию затратить — в чистом виде в природе он не встречается.

Поэтому на данном этапе водород — это источник энергии для разного рода мобильных устройств, в первую очередь транспорта. Ведь один из главных источников выбросов CO2 — это автомобили.

Сейчас все стараются заменять их на электромобили, но у них есть два огромных недостатка — помимо того, что у производства литий-ионных батарей есть собственный углеродный след, они дороги, и они прекрасно горят.

Пробег электромобиля в реальных, подчеркиваю, реальных условиях, а не заявленных производителем — это 100, 150, максимум 200 км. Это нормально для города, но для российских расстояний совсем мало.

Я недавно за десять дней проехал по стране 6,5 тыс. километров. На электромобиле я бы этого не сделал никогда. Российские просторы огромны.

Еще один недостаток: электромобиль заряжается очень медленно. Если вы заряжаете его от обыкновенной розетки, вы тратите на это восемь часов. Если заряжаете ускоренно, это все равно полчаса, что превращается в большую проблему.

Условно говоря, вы, конечно, можете проехать на электромобиле из Москвы в Петербург 800 км по скоростной трассе, но каждые 200 км вы будете останавливаться и ждать зарядки.

Добавьте к времени в пути эти два часа — и зачем тогда нужна эта скоростная трасса? Это если исключить то, что пока скоростных зарядок на этой трассе просто нет. И это проблема.

Но электричество можно хранить не только в аккумуляторах. Еще с первой половины 19 века мы знаем такое устройство, как водородный топливный элемент.

Это химический источник тока, в котором электричество вырабатывается благодаря электрохимической реакции между кислородом и водородом. Фактически, если мы запишем уравнение реакции, оно выглядит таким же, что при горении.

Только собственно горения не будет. Водород соединяется с кислородом при невысоких температурах — около 70-80 градусов. На выходе получается вода и электрический ток.

То есть мы в электромобиль вместо большой литий-ионной батареи ставим более легкий, более энергоемкий в пересчете на единицу массы топливный элемент.

Таким образом, мы получаем автомобиль, который может проезжать уже не 200 км, а 600-800, до тысячи километров. При этом он заправляется как обычный автомобиль — за несколько минут на заправке, только заправка у нас водородная.

Это одно из направлений, в котором развивается водородная энергетика: разработка источников энергии для разных устройств — в первую очередь автомобилей, поездов и даже самолетов.

По Германии и Австрии уже ездят первые поезда на водороде. В России уже есть контракт на постройку таких поездов для Сахалина.

Второе направление — использование водорода для того, чтобы запасать энергию возобновляемых источников энергии, — это ветрогенерация и солнечная генерация.

У них существует общая проблема: неравномерная выработка энергии. Солнечная в полдень дает максимум, ночью не дает совсем. В самый яркий день — избыток электроэнергии, в пасмурный день или ночью ее недостаток.

Та же самая история с ветрогенерацией. Когда ветер есть, энергии много, когда его нет, нет и энергии. Соответственно, на пиках эту энергию нужно запасать, а когда ее не хватает — отдавать.

Хранить эту электроэнергию в литий-ионных аккумуляторах невыгодно экономически, потому что они очень дорогие. Один из вариантов хранения такой энергии — это водород.

На пике выработки подаем энергию на электролиз воды — разложение на водород и кислород, — а когда энергии не хватает, подаем этот водород в топливный элемент и вырабатываем из него электричество.

Этот способ применим и для накапливания избыточной энергии атомных электростанций.

— С точки зрения экономики водородные топливные элементы могут конкурировать с бензином или природным газом?

— Все, безусловно, зависит от масштабов производства. Еще 10 лет назад говорили, что солнечная энергетика никогда не будет выгодной, так как солнечные панели — это очень дорого.

Сейчас же их производят массово и сверхмассово, и стоимость выработки солнечной электроэнергии чуть ли не ниже традиционной. Та же самая история будет и с топливными элементами.

Даже сейчас, если мы не считаем всю экономику, километр пробега на водороде получается дешевле километра на бензине — и намного дешевле.

Недавно ученые Центра компетенции НТИ «Новые и мобильные источники» при ИПХФ РАН, в котором я работаю заместителем руководителя и который занимается проблемами водорода и топливных элементов для всех мобильных источников энергии, опубликовали вместе с коллегами научную статью, в которой как раз рассматривалась экономика жизненного цикла автобусов на водороде, на газе и электробусов.

Получилось, что если считать полный цикл эксплуатации (с учетом утилизации транспортного средства), то единственный автобус, который сейчас будет выигрывать у водородного, это автобус на природном газе, поскольку газ сейчас очень дешевый. Остальные уже проигрывают.

Сейчас пока использование водорода в качестве энергоносителя не очень выгодно, однако совсем скоро, возможно, уже в этом или следующем году, в мире начинают вводить так называемый углеродный налог.

Это налог на товары с учетом того, какой углеродный след они оставляют. И вот в зависимости от величины этого налога (а то, что он будет принят, уже не вопрос) мы и будем понимать, насколько выгодна водородная экономика в целом.

Если этот налог будет очень высокий, то вся традиционная экономика вообще может перестать быть выгодной.

— Сомнительно, что этот налог сразу повысят до того уровня, который «убьет» традиционные энергоносители.

— Я не знаю. Все как раз на эту тему волнуются и ждут. Тут мы ничего не можем предсказать. Это все зависит от регулирующих организаций.

— Какими вы видите перспективы развития водородной энергетики? Какой она может быть лет через 20?

— Масштабное внедрение водородной энергетики — это четвертый энергопереход, следующий после угля, нефти и газа. Сейчас все только начинают пользоваться водородом, и к 2050 году мы постепенно будем переходить на водород. Причем не просто на водород, а на «зеленый» водород.

Водороду присваивают «цвет» в зависимости от того углеродного следа, который он оставляет при получении.

Мы можем получать водород путем электролиза воды при помощи солнечной или ветряной энергии, и это будет «зеленый водород», самый экологичный.

Если мы используем атомную энергию, он считается несколько менее экологичным — это «оранжевый» водород. Есть водород «серый» — самый неэкологичный. Сейчас такого водорода примерно 95% в мировой экономике.

Однако есть возможность сделать этот «серый» водород более экологичным, «голубым», если полученный в результате реакции углекислый газ не выбрасывать в атмосферу, а улавливать и получать из него уксусную кислоту, формальдегид или «сухой лед». То есть углекислоту можно использовать или захоронить.

Есть еще вариант прямого разложения природного газа на углерод, который легче утилизировать, и водород, который тогда называют «бирюзовым».

Если говорить о транспорте, то первыми на водород массово перейдут не легковые автомобили, хотя сейчас и производят несколько типов серийных легковых автомобилей на этом энергоносителе. Первыми на водород массово переведут тяжелую технику. Это коммунальное хозяйство, грузовики и автобусы.

Буквально на днях, 6 сентября, на выставке Comtrans’21 в Москве представили два первых водоробуса — от групп ГАЗ и КАМАЗ. В Европе и Китае такие автобусы уже эксплуатируются вовсю.

Также будут постепенно переходить на водород поезда в неэлектрифицированной части сети железных дорог.

К 2030-35 году появятся и будут массово применяться пассажирские самолеты на водороде. Сейчас уже готовятся перевести на водород первые ближнемагистральные самолеты.

Airbus обещал к 2035 году запустить свои аналоги дальнемагистральных самолетов, которые будут летать на водороде, сжигая его как топливо. Такое тоже в принципе возможно.

Также водород может массово использоваться для резервирования энергии солнечных батарей и ветряков.

Что будет дальше, я прогнозировать не стану, потому что очень многое зависит от решения главной технологической проблемы водородной энергетики, а именно хранения и транспортировки водорода.

Пока что большая часть водорода вырабатывается на месте его дальнейшего использования — где потребляют, там и вырабатывают.

Старые водопроводы это не позволяют. Там используются неподходящие сорта стали. При прокачке водорода эта сталь будет становиться все более хрупкой, будут утечки.

Есть и другие способы транспортировки водорода, например, в связанном виде, в сжатом, сжиженном вариантах. У всех способов есть свои достоинства и недостатки, но место для технологических прорывов тут еще остается.

Пока что это самый «узкий» технологический момент в развитии водородных технологий.

Источник

Водородная энергетика: мифы и реальность

Водород vs нефть: что раньше?

Для последующего анализа важно, что водородно-метановый газ был самым дешевым способом освещения в Лондоне, и это давало ему конкурентные преимущества перед электричеством и керосином вплоть до 1910 года. Впрочем, копоть от газовых горелок и керосиновых ламп была такой сильной, что с развитием электричества от них отказались.

С середины XX века водород был интегрирован в технологии нефтепереработки, производства удобрений из природного газа (80%) и генерации электроэнергии (20%). Значительная часть водорода и сейчас используется для повышения качества удобрений (53%), нефтепродуктов (31%) и стали (8%) – в процессе гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов. Отдельное хорошо освоенное направление – охлаждение генераторов на электростанциях.

Будучи самым распространенным элементом на Земле и в космосе, водород (Н₂) тем не менее остается почти невостребованным: если в 2018 году в мире было добыто 4,4 млрд тонн нефти и 3,86 трлн м 3 природного газа (метана), то объем производства водорода не превышает 70 млн тонн, то есть объем его выработки в 6285 раз меньше, чем нефти и в 5514 раз меньше, чем газа.

Принято разделять водород на «серый» – из угля, нефти и газа, на «голубой» – ПГУ ТЭС или АЭС с технологией CCS, и на «зеленый» – из воды (ВИЭ). Согласно недавним исследованиям Wood Mackenzie, сегодня 99% водорода является «серым» и «голубым», создавая огромный углеродный след, сопоставимый с половиной суммарных выбросов СО₂ всей экономикой России, и только 1% водорода считается «зеленым» (см. «Эмиссия СО₂ по ключевым странам и секторам. »).

Паровой риформинг – это каталитическая конверсия углеводородов (метана, пропан-бутана, бензина, керосина, дизтоплива, угля) в присутствии водяного пара. Преимущество: самый дешевый способ производства водорода, поэтому наиболее распространен. Недостаток – высокая эмиссия CO₂. Применение технологий улавливания и захоронения углекислого газа (CCS) решает проблему эмиссии, но существенно повышает стоимость водорода.

Электролиз – процесс разложения воды под действием постоянного электрического тока на кислород и водород. Химическая реакция идет по схеме: 2Н₂O + энергия —> 2H₂+O₂. Преимущества:

· доступное сырье – деминерализованная вода и электроэнергия;

· во время производства отсутствуют загрязняющие выбросы;

· на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт.

Недостатки: получение водорода дороже, чем при риформинге в 1,5–3 раза. Используется в небольшом объеме и считается потенциальной технологией будущего.

Электролизеры, используемые для производства «зеленого» водорода, могут работать динамически, затрачивая всего нескольких секунд для выхода на максимальную мощность. Таким образом, они легко совмещаются с возобновляемыми источниками, которые работают нестабильно. Кроме того, водород может храниться в течение длительного времени в больших резервуарах для продажи в промышленных целях, интегрироваться в газовую сеть или применяться для питания топливных элементов.

Водородная технологическая революция

Количество прогрессивных проектов с использованием водорода в области большой и распределенной энергетики, накопления энергии и всех видов транспорта, от автомобилей до самолетов и морских судов, переходит в статус «серийных». Складывается впечатление, что именно сейчас, в 2019–2020 годах, в мире происходит электрическая революция. Она может привести к смене уклада энергосистем и постепенному формированию общего мирового рынка энергетики, как это уже случилось после сланцевой революции на газовом и нефтяном рынках в 2008–2013 годах.

Философский камень энергетики Европы

Седрик Нейке, исполнительный директор Siemens AG Smart Infrastructure, охарактеризовал на Азиатском саммите водород как «философский камень энергетики» – универсальную субстанцию, которая превращает электричество в любой химический продукт и сама превращается в электричество.

На многих тепловых электростанциях Европы стоят шунтирующие реакторы для гашения ночной реактивной электроэнергии (если некуда ее слить). Технология электролиза на электростанциях в системах охлаждения генераторов используется давно. В основе технологии заложен принцип более высокого уровня удельной теплоты сгорания водорода (120–140 МДж/кг против 50 МДж/кг у метана). Этот газ имеет малое гидродинамическое сопротивление, почти в семь раз большую теплопроводность по сравнению с воздухом и в 14 раз большую теплоемкость. Данный принцип применяют на АЭС и на ТЭС, построенных еще в 1960–1980 годах, но водород имеет «серое» или «голубое» происхождение.

В 2017 году Enel Green Power Сhile запустила первую в мире на 100% экологически чистую коммерческую микросеть электроэнергии в Чили. Работу сети обеспечивает комплекс гибридных накопителей, состоящий из солнечной электростанции (125 кВт/ч), системы водородных (450 кВт/ч) и литиевых (132 кВт/ч) батарей. Сочетание солнечной электростанции с накопителями общей мощностью 580 кВт/ч превращает энергию солнца в стабильный источник электричества, усиливая гибкость и устойчивость сети. В результате микросеть способна поставлять чистую энергию 24 часа в сутки без поддержки дизель-генератора, в отличие от электростанций такого типа. Это и есть пример «зеленого» водорода (см. «Процесс электролиза от ВИА – «зеленый» водород»).

В апреле 2019 года французская EDF, владеющая 58 атомными энергоблоками, запустила программу Hynamics по поставкам и обслуживанию электролизеров, а также заправке водородного транспорта стоимостью 16 млн евро. Компания заявила о 40 потенциальных проектах во Франции, Бельгии, Германии и Великобритании. Полученный водород на базе электроэнергии АЭС будет иметь минимальный углеродный след.

В 2020 году в Германии должно производиться до 14 ГВт водорода на гидролизерах, в 2030 году – уже 44 ГВт.

Цена водородного киловатта на электролизе сегодня составляет 13 центов. Целевой задачей всех национальных водородных программ является ее снижение. По данным МЭА, с 2010 года в мире вводили в эксплуатацию около 10 МВт электролизеров ежегодно. В 2018 году введено уже 20 МВт, а до конца 2020 года ожидается ввод еще 100 МВт. Wood Mackenzie также прогнозирует рост: «До конца 2019 года должно быть развернуто 252 МВт проектов по «зеленому» водороду. К 2025 году в мире появится дополнительно 3205 МВт электролизеров, предназначенных для производства экологически чистого водорода – увеличение на 1272%» (см. «Суммарные установленные мощности электролизеров в 2020–2025 годах»).

Газовая турбина на водороде

Ключевая технология, необходимая для масштабного использования водорода в газовой электроэнергетике, – водородная турбина. По оценке компании Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS), на существующих газотурбинных установках можно увеличить долю водорода до 20% в смеси его с природным газом без существенных изменений в конструкции. MHPS успешно испытала в Японии сверхмощную газовую турбину серии J в работе на топливной смеси из природного газа (70%) и водорода (30%). Испытания были проведены на заводе в Такасаго на парогазовой установке мощностью 700 МВт (КПД – 63% с температурой газов после камеры сгорания ГТУ – 1600°C). Для сжигания топлива использовались горелки с вихревым перемешиванием. Благодаря водороду выбросы CO₂ сократились на 10%, а выбросы оксидов азота, по мнению компании, «остались на удовлетворительном уровне».

Кроме того, MHPS участвует в пилотном проекте по переводу действующего энергоблока мощностью 440 МВт на ТЭС Магнум в Гронингене (Нидерланды) с газа на 100%-ный водород к 2023 году.

Другие японские компании – Kawasaki Heavy Industries и Obayashi – в 2018 году довели долю водорода в топливном балансе газотурбинной ТЭЦ мощностью 1 МВт в г. Кобе в Японии до 100% (см. «Система управления первой в мире газотурбинной ТЭЦ на 100% водорода»). Подчеркну: это были краткосрочные испытания турбины. Информация об экономике проекта отсутствует. В штатном режиме ТЭЦ пока работает на смеси метана и водорода в пропорциях 80:20, обеспечивая электричеством и теплом международный центр Кобе и офисы 10 тыс. местных жителей.

В порту г. Кобе начали строить инфраструктуру для импорта водорода (по аналогии с терминалом СПГ). 10 ноября 2019 года Kawasaki сообщила о сооружении терминала сжижения водорода в Австралии до 2020 года. Аналогичные проекты по сжижению Н₂ заявлены японскими компаниями в Брунее и Индонезии. Норвегия готовится присоединиться к лиге экспортеров.

Для Европы вопрос транспортировки водорода имеет несколько путей решения. На протяжении 10 лет высказываются предложения использовать имеющуюся инфраструктуру газопроводов. В частности, популярностью в экспертных кругах пользуется идея создания в пустыне Сахара в Африке солнечных электростанций большой мощности с последующим электролизом водорода и передачей его по существующим или новым газопроводам из Северной Африки в Европу для производства энергии. То ли в шутку, то ли всерьез представитель «Нафтогаза Украины» предположил, что магистральные системы газопроводов в будущем могут использоваться под водород. Следует заметить, что металлические трубы не подходят для транспортировки водорода из-за высокой летучести H₂.

Великобритания с целью вдвое сократить выбросы парниковых газов до 2050 года приняла решение использовать газовое хозяйство под водород. В отчете «Переход на водород» британского объединения инженеров и технологов The Institution of Engineering and Technology (IET, июнь 2019 года) говорится, что к 2030 году бόльшая часть британской газовой сети, которая сейчас состоит из металлических труб, станет полиэтиленовой, что позволит без масштабных инвестиций пускать в сеть водород. Генерация в Британии на 40% зависит от газа, и 85% домов отапливаются им. Хуже придется промышленным предприятиям, половина из которых использует газ: газовые устройства там могут потребовать полной технологической замены, либо переделка будет не слишком значительной, но придется добавлять в водород биометан. Именно на этот вариант развития энергетики и рассчитывают в «Газпром экспорте», причем желательно с поставкой метана до страны-потребителе. В этом случае от компании не потребуется никаких существенных изменений.

В различных странах допускаются разные доли водорода в природном газе (метане) – от 0,1% (Бельгия, Новая Зеландия, Великобритания и США) до 10% в Германии и 12% в Нидерландах. Верхний предел определяется национальными технологическими стандартами, связанными с безопасностью газопроводов и генерирующего оборудования электростанций. Для масштабной европейской газотранспортной системы подмешивание 20% водорода, по данным МЭА, снизило бы выбросы СО₂ на 60 млн тонн в год (7%).

Дотации как инструмент развития

Если 150 лет назад газ с водородом был самым дешевым видом топлива, то сегодня технологические решения стоят дорого и могут быть реализованы только при наличии государственных дотаций в той или иной форме. Круг стран, развивающих водородные направления в энергетике, пока не широк.

Япония первой в мире провозгласила курс на построение водородной экономики и приняла соответствующую стратегию. В приоритетном порядке страна развивает два направления: создание распределенной тепловой генерации на топливных элементах (ТЭ) для освещения и отопления жилых домов и офисных помещений и электромобилей с использованием водорода.

Микро-электростанции на топливных элементах (fuel cell CHP) принципиально отличаются от ТЭС тем, что в них химическая энергия непосредственно преобразуется в электрическую (процесс, обратный электролизу) – соответственно, потребность в турбинах отпадает, а эффективность преобразования достигает 50–65% (КПД на уровне лучших ТЭС на природном газе). Станции экологически чисты (в отличие от газотурбинных, которые даже при сжигании 100% водорода загрязняют атмосферу оксидами азота), бесшумны, вырабатывают и тепловую энергию («когенерационные электростанции»), и компактны. Внешне такая станция напоминает холодильник. Они используются в домашних хозяйствах и на малых коммерческих предприятиях.

Рынок микро-электростанций активно развивается также в Южной Корее, отдельных штатах США (Калифорния) и странах Европейского Союза – при активной поддержке государства. В 2017 году была запущена общеевропейская инициатива Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU), которая объединила 89 регионов и городов из 22 стран Европы. Ее участники используют водородные технологии в своих стратегиях в рамках «энергетического перехода» за счет реализации проектов общей стоимостью 1,8 млрд евро в течение пяти лет.

К примеру, в сентябре 2019 года Лёвенский университет (Бельгия) сообщил о создании новой мультисистемы, которая использует солнечную энергию и влажность атмосферного воздуха для синтеза водорода. Установка производит в день до 250 литров водорода, который можно пустить на обогрев дома или офиса.

А в Великобритании разработали первый термодинамически обратимый химический реактор, который производит водород в виде чистого потока – без необходимости отделять его от других химических элементов.

В 2018–2019 годах водородные стратегии приняли Австралия, Южная Корея, Германия, Великобритания, отдельные штаты США.

Правительство Германии отобрало первые 20 крупных инновационных проектов для реализации в индустриальных лабораториях с целью «энергетического перехода» (Reallabore der Energiewende). Крупные компании берут на себя основную часть технико-организационных расходов, а правительство софинансирует проекты на 100 млн евро в год. Для проектов в «регионах структурных изменений» (например, угледобывающих) выделяются дополнительно 200 млн евро. Отобраны проекты:

· строительство 100-мегаваттного электролизера;

· полное преобразование энергетической системы в одном из районов Северной Германии, включающее производство водорода, строительство заправок и внедрение транспортных средств на нем;

· производство водорода методом электролиза с последующим хранением в соляных кавернах и созданием распределительных сетей.

Водородный автомобиль (не) заменит ДВС

Канада первой в мире интегрировала водород в городской транспортный автопарк. Канадская компания Ballard поставила первые ячейки на автобусы Ванкувера еще в 1995 году. За четверть века технологии были отработаны, и транспорт ездит исправно. С 2005 года аналогичный принцип активно используется в Нидерландах, Испании, Германии, Италии, Люксембурге, Исландии. Магистрат Цюриха, к примеру, в этом году купил 130 автобусов Hyundai на водороде плюс к уже имевшимся 150–160 единицам. Основной рывок запланирован на 2021–2023 годы. Масштабные проекты по водородизации городского транспорта реализуются также в Австралии и Китае.

На автосалоне в Ганновере в 2019 году все крупные производители легковых автомобилей представили свои модели на водороде, включая Audi, BMW, Daimler, Ford, GM, Mercedes-Benz.

Легковые электромобили помимо сжатого водорода и ТЭ имеют в системе буферную аккумуляторную батарею для холодного старта и поддержки пиковых нагрузок и ускорений. Выходная мощность серийных моделей – 70–130 кВт, максимальная скорость – 160 км/ч (лимитирована системой программного контроля), потребление водорода – 0,76–1 кг H₂/100 км, водород под давлением 700 бар, дальность – 385–750 км.

Максимальной дальностью поездки в 750 км на одной заправке в 2019 году обладает серийный автомобиль Honda Clarity. В марте 2019-го в Китае был представлен амбициозный концепт-кар Grove, внешне похожий на модели Maserati с дверями в форме бабочки, ТЭ на водороде и дальностью хода 1000 км с выходом на серийное производство в 2020 году. Для сравнения: максимальная дистанция электромобиля (BEV) Tesla на одной зарядке – 590 км.

Власти Японии пообещали в 2020 году обслуживать всех гостей Олимпиады на водородных автомобилях. К этому времени на дорогах страны должно быть, по разным данным, 40–50 тыс. легковых автомобилей и автобусов на водородных топливных батареях и 90–100 водородных автозаправочных станций (ВАЗС). К 2025 году число зарегистрированных в стране машин, работающих на водороде, предполагается довести до 200 тыс., а к 2030 году – до 800 тыс. Слоган инициативы: «Водородная заправка – в 15 минутах от вашего дома».

Впрочем, пока процесс распространения водородных автомобилей сдерживается крайне ограниченным масштабом водородных заправок. В середине 2019 года заправочных станций было только 30 и только в трех крупнейших городах страны –Токио, Нагое, Осаке.

Заправочные станции состоят из системы хранения водорода, охлаждения, компрессора и раздаточных устройств заправки автомобилей. Стандарты проектирования ВАЗС являются международными, а модульная структура позволяет адаптировать их производительность и размер под прогнозируемый объем потребления.

Евросоюз, в свою очередь, одобрил программу «Водородный коридор» (H₂ live), которая предусматривает строительство ВАЗС в 20 минутах езды от потребителя к 2020 году и в 10 минутах езды – к 2030 году. По данным на май 2018 года, Германия уже ввела 180 ВАЗС и к 2023 году их количество превысит 500 штук.

Ряд стран декларирует намерение создать парк водородных электромобилей до 1 млн штук к 2030 году – в сумме эти планы приближаются к отметке в 4,6 млн штук. На фоне имеющегося парка машин на ДВС (более 1 млрд) это небольшой показатель.

Эксперты «Сколково» уверены, что незначительные темпы внедрения водородных ТЭ на автомобилях не смогут полностью вытеснить ДВС до 2030 года. С этим выводом хочется согласиться. Но я предлагаю внимательно наблюдать за Китаем в ближайшие пять лет. До конца 2020 года планируется заменить 200 тыс. такси с ДВС на электромобили, что составит 20% таксопарка Пекина. А к концу 2023 года весь таксопарк столицы Китая должен стать электрическим. С этой целью в пределах пятого транспортного кольца в городе будет создана сеть электрозаправок на расстоянии 5–10 км. Кто знает, не начнет ли «азиатский дракон» штамповать и водородные автомобили после начала их серийного выпуска (заявки пообещали начать принимать на следующем автосалоне в Шанхае).

С учетом недавних инвестиций китайских Weichai-Power-Advance-China-Strategy и Broad-Ocean Motors в канадскую Ballard Power Systems и возможным риском передачи технологий в Китай и установления контроля над компанией, в ноябре 2019 года комитет по водороду The Hydrogen and Fuel Cell Technical Advisory Committee (HTAC) при Департаменте энергетики США планирует обсудить вопрос устранения конкурентной угрозы. В своем промежуточном отчете в августе 2019 года комитет порекомендовал: «Уделить особое внимание бюджетам Управления технологий топливных элементов Министерства энергетики США на 2019–2020 финансовые годы, чтобы сделать упор на устранение конкурентной угрозы: принять срочные меры для обеспечения долгосрочного конкурентного преимущества либо позволить процессу следовать тем же путем, что и в фотоэлектрической и литий-ионной аккумуляторной промышленности».

Перспективы водородной экономики для России

На первый взгляд, Россия не вступила в водородную гонку и продолжает сохранять энергетический нейтралитет. К этому есть предпосылки: энергосистема России имеет самый низкий углеродный след (по доле использования угля в генерации) среди 10 крупнейших энергосистем мира и может себе позволить незначительный временной лаг с целью подождать, когда будут доработаны технологии и снизятся цены на ТЭ.

С другой стороны, территории, которые занимают китайцы, не достаются больше никому – они демпингуют. И тут «право первой ночи» будет работать в интересах более расторопного поставщика. В России большой потенциал для производства водорода, а в соседних Японии и Корее – большой запрос на импорт этого топлива.

В октябре 2019 года на совещании в Минэнерго России при участии Ростеха, «Газпрома», СИБУРа, Росатома было впервые принято решение разработать Национальную программу развития водородной энергетики. Программа будет обсуждена на стратегических сессиях Инфраструктурного центра EnergyNet с учетом представленного уже доклада «Перспективы России на глобальном рынке водородного топлива».

Водород также может повысить эффективность использования генерирующих мощностей в России, считают авторы доклада, и решить проблему запертых мощностей. EnergyNet полагает, что средний коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) генерирующих мощностей за счет загрузки резервов производства водорода вырастет на 5–7% к уровню 2017 года, а затраты на энергоснабжение на удаленных и изолированных территориях снизятся на 27–30%.

В этой части я бы поспорила с коллегами из EnergyNet. Если в энергосистеме за счет накопителей из водорода удастся создать резерв в 20 ГВт, как они прогнозируют, и сгладить суточную и сезонную неравномерность (а есть еще перепады спроса рабочих и выходных дней), то отсутствие пиков потребления приведет к снижению загрузки генерации (КИУМ) и как следствие – к выводу некоторой части установленных мощностей, находящихся в резерве, где избыток и без того составляет 20 ГВт.

У водорода пока еще столько проблем, что работать с ним могут только большие корпорации – окупаемость здесь не так важна, если будет возможность занять у государства на приемлемых условиях. EnergyNet полагает, что источниками производства водорода могли бы быть Кольская и Ленинградская АЭС, работающие не на полную мощность. Росатом активно принимает участие в маркетинговых исследованиях. Тем более что у корпорации есть и дочерняя структура по ветрогенерации, и исследовательские институты по разработке энергоблоков малой мощности.

У России имеется большой ресурс научных разработок по ТЭ, которые могут быть трансформированы в собственные технологии водородной энергетики. Не случайно спустя неделю после первого совещания по водороду в Минэнерго на форуме «Открытые инновации» в Москве был представлен первый российский автомобиль с водородными ТЭ (475 Вт*ч/кг весом 42 кг) с синхронным тяговым электродвигателем 40–60 кВт весом 50 кг. А еще через несколько дней в Санкт-Петербурге вышел на линию первый трамвай на водороде. Отдельные скептики тут же усмотрели зарубежные запчасти, из которых собран автомобиль, и обратили внимание, что в трамвае только восемь сидячих мест, потому что половину салона занимают водородные баллоны и топливные элементы, да и движется он как черепаха – 10 км/ч.

Зато с появлением первых реализованных проектов Россия вступает в клуб мировых технологических лидеров, а разработка отечественных аналогов или доработка технологий – это вопрос времени и инвестиций. Представитель «Горэлектротранса», выпустившего пилотный трамвай, подтверждает, что энергоустановка может быть уменьшена в 10 раз, а значит, салон увеличится. При этом водородному трамваю не нужны тяговые подстанции (100–150 млн рублей каждая), контактная и кабельная сети (14 и 21 млн руб./км, соответственно). Если инвестиции поступят в начале 2020 года, то разработчики обещают усовершенствовать водородный трамвай за три-четыре года.

Если нет, то к концу 2019 года опытный образец «H2» разберут на запчасти. И нет ясности, будет ли собран следующий и когда.

Необходимо принять ряд законодательных и нормативных изменений с целью стимулирования развития новых технологий, и, в первую очередь, обеспечения системного финансирования в России. Возможно, хорошим выходом было бы выделение определенной доли из прибыли или оборотного капитала корпораций ТЭК России на научные разработки по приоритетным отраслям и направлениям – по аналогии с хорошо зарекомендовавшей себя в свое время системой НИОКР.

Автор: НАТАЛЬЯ ГРИБ, Управляющий директор WMT Consult

Источник