Денис Дерюшкин: Россия не должна упустить возможности технологического развития водородной энергетики
В России накоплен значительный опыт в части создания и реализации технологий получения и применения водорода. При этом опыт промышленного получения водорода в последнее время строился на базе технологий зарубежных компаний-лицензиаров, а совместные водородные проекты были направлены на экспорт больших объемов водорода и аммиака в Японию, Южную Корею и страны Европейского союза.
На фоне изменения геополитической ситуации в мире в России были актуализированы приоритетные направления развития отрасли водородной энергетики. Теперь приоритетом стало развитие собственных технологических компетенций и удовлетворение потребностей внутреннего рынка.
Согласно целевым показателям "дорожной карты" "Развитие водородной энергетики", утвержденной в конце декабря прошлого года, в России к 2030 году запланирован рост производства низкоуглеродного водорода до 550 тыс. т в год. Практически весь этот объем планируется направить на внутреннее потребление.
Экспорт водорода в дружественные страны не исключается, однако он рассматривается совместно с экспортом производных веществ (аммиак, метанол и др.), а также с экспортом водородных технологий.
Текущий мировой спрос на водород в качестве сырья для нефтепереработки и химической промышленности восстанавливается и достиг 94 млн т в 2021 году, что на 5% больше, чем в 2020 году, и на 3 млн т больше исторического максимума 2019 года. Крупнейшим производителем (33 млн т в год) и потребителем водорода остается Китай. Активно развиваются проекты в Индии, Северной Америке и Европе. Согласно наиболее оптимистичному сценарию, общий мировой спрос на водород вырастет до 140 млн т в год к 2030 году, из которых около трети придется на КНР.
Общее же мировое производство водорода для водородной энергетики, хотя и остается невысоким (не более 40 тыс. т), растет ускоряющимися темпами. По оценкам международных организаций (IEA, IRENA), низкоуглеродный водород может обеспечить до 20% конечного потребления энергии к 2050 году. Большая его часть, в диапазоне 60–70%, будет производиться с использованием возобновляемых источников энергии при помощи электролиза, а остальная – за счет ископаемых топлив при условии улавливания и захоронения углекислого газа.
Общий объем мирового экспорта низкоуглеродного водорода и соединений на его основе в рамках уже заключенных соглашений составит, как считают эксперты, к 2026 году более 2,4 млн т в год, а к 2030 году – более 12 млн т в год.
Именно поэтому России сейчас, как никогда ранее, необходимо не упустить возможности технологического развития, чтобы и в дальнейшем оставаться на конкурентоспособном уровне по себестоимости производства водорода. В условиях действующих ограничений первоочередной задачей станет замещение критически значимых для промышленности иностранных технологий в кратчайшие сроки, чтобы в дальнейшем планомерно наращивать объемы производства водорода не только в традиционных отраслях промышленности, но и в сфере водородной энергетики.
Для производства промышленных объемов водорода в России, как и во всем мире, наиболее часто применяется метод паровой конверсии метана. По разным оценкам, на него приходятся 50–60% всего текущего мирового производства водорода. Несмотря на планы ряда стран (в первую очередь ЕС) по снижению этой доли, превалирование производства водорода из природного газа в течение ближайших 10 лет – это реальность, на которую невозможно закрыть глаза.
При наличии больших запасов природного газа метод паровой конверсии метана с применением технологий улавливания углекислого газа не потеряет своей актуальности для Российской Федерации еще долгие годы. В качестве примера можно привести проект строительства завода по производству водорода из природного газа мощностью до 100 тыс. т в год на острове Сахалин.
Если говорить о разработке перспективных технологий производства водорода, то особое внимание российские компании уделяют развитию технологий пиролиза природного газа как наиболее эффективного метода, позволяющего получить газообразный водород и углерод в твердом виде без выбросов CO2 в атмосферу.
Параллельно нужно решить важнейшую задачу по снижению выбросов парниковых газов при производстве водорода. Общий объем мировых выбросов СО2 при производстве водорода превышает 900 млн т в год, причем более половины из них приходится именно на долю конверсии метана, а остальное – на производство водорода из угля и нафты. Поэтому улавливание СО2 на этих производствах или замена производственного процесса на более экологичный позволит значительно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу.
Внедрение современных технологий улавливания, использования и захоронения CO2 (CCUS) позволяет улавливать до 90% парниковых газов (сейчас в среднем этот показатель равен 55–60%) при производстве водорода из природного газа, а использование технологий закачки CO2 в пласт для повышения производительности добычи ископаемых углеводородов позволяет существенно повысить эффективность проектов. При этом данные технологии давно отработаны и активно используются российскими компаниями.
Что касается электролизного водорода, то и здесь возможны проекты использования избыточной мощности ГЭС и АЭС, однако их реализация, возможно, будет сдерживаться недостаточным пока развитием промышленного выпуска оборудования для производства и транспортировки водорода. Аналитики АЦ ТЭК считают, что применение энергии ветра и солнца для производства водорода в России будет ограничено по этим же причинам.
Однако при продвижении производства в первую очередь "зеленого" водорода часто упускают одну важную деталь: при сравнении эмиссионного следа "голубого" и "зеленого" водорода не учитывается весь объем негативного воздействия на окружающую среду. При кратном росте производства и утилизации солнечных панелей, ветрогенераторов и электролизеров, используемых при производстве "зеленого" водорода, возникают значительные объемы загрязнения при добыче и переработке редкоземельных металлов и других полезных ископаемых, необходимых для их изготовления.
Что касается оценки жизненного цикла водорода, произведенного из природного газа с последующим улавливанием и захоронением углекислого газа (CCS), особое внимание нужно уделить сокращению утечек метана, так как его влияние на парниковый эффект в 25 раз выше, чем CO2. Таким образом, увеличение на несколько процентов объемов утечек при транспортировке газа может полностью перекрыть все положительные эффекты от CCS.
С учетом этого для России экологический эффект от снижения выбросов парниковых газов в газовой отрасли может оказаться существенно выше, чем от внедрения "зеленого" производства водорода. Развитие крупных водородных проектов сдерживается отсутствием соответствующей инфраструктуры для его хранения и транспортировки. Любые крупнотоннажные международные поставки водорода должны рассматриваться на горизонте 5–10 лет, необходимых для строительства специализированных терминалов, судов или трубопроводов.
Формирование мирового рынка торговли водородом невозможно без широкого внедрения технологий транспортировки и длительного хранения больших объемов водорода. На сегодня большинство технологий крупнотоннажного хранения и транспортировки пока еще находятся на недостаточном уровне готовности и имеют относительно низкую экономическую эффективность. Говорить о рентабельности перевозок водорода преждевременно, так как она напрямую зависит от конечной цены продукта, которую готов заплатить потребитель, а в настоящий момент цена во многом зависит от уровня государственной поддержки и финансирования проектов.
Страны, активно вовлеченные в политику декарбонизации и энергоперехода, выделяют значительные средства на развитие логистической инфраструктуры, так как стоимость доставки водорода может составлять более половины его цены для потребителя. В связи с этим при изменении общеполитической обстановки российский водород может стать вновь актуальным для наиболее дефицитных рынков Азии (Японии, Южной Кореи), а преимущества в логистике могут стать решающими при определении конечной цены продукта.
Европейская стратегия развития "водородной экономики" предусматривает строительство сети водородных трубопроводов, которые смогли бы значительно ускорить обмен водородом внутри ЕС, для чего планируется выделить значительный объем финансирования.
Планы по использованию для этого уже существующей газовой инфраструктуры сталкиваются как с техническими сложностями, так и с дополнительными затратами в связи со снижением плотности передаваемой энергии по трубопроводу при замене части природного газа на водород (водород в газообразном состоянии занимает в три раза больше объема при аналогичной плотности энергии). В связи с этим создание новой специализированной сети водородопроводов выглядит более логичным.
В России же в связи с доступностью природного газа строительство подобных протяженных сетей специализированных трубопроводов не выглядит экономически оправданным. При наличии возможности утилизации и хранения углекислого газа производство водорода "на месте" из природного газа будет гораздо эффективнее.
Многие эксперты сходятся во мнении, что с точки зрения экономической эффективности и технологической доступности наиболее перспективна транспортировка водорода в виде аммиака. Аммиачные технологии используются повсеместно, не требуют дополнительных НИОКР, к тому же сам аммиак может использоваться как топливо для перевозящих его кораблей либо для дальнейшей переработки в химической промышленности. Однако затраты на конверсию-реконверсию аммиака, а также необходимость улавливания токсичных выбросов оксидов азота, образующихся при его горении, снижают эффективность такого метода транспортировки. Затраты энергии на конверсию-реконверсию аммиака сопоставимы с количеством получаемой из водорода энергии.
В нашей стране традиционно применялся способ хранения и транспортировки больших объемов водорода в жидком виде при криогенных температурах (до –259 °С), в первую очередь в рамках советских и российских космических программ. Технологические решения по обеспечению его безопасного хранения и транспортировки были найдены еще несколько десятилетий назад. Сейчас в России разрабатывается проект криогенных контейнер-цистерн для перевозки жидкого водорода, есть и ряд готовых технологических решений для его перевозки автомобильным и железнодорожным транспортом. Тем не менее их дальнейшее масштабирование пока ограничивается отсутствием крупных заказов и недостаточным количеством необходимого оборудования (и производственных мощностей для его изготовления) по сжижению водорода.
Если переходить от производства и транспортировки водорода к его потреблению, то наиболее перспективными направлениями применения водородных энергоносителей в России можно назвать грузовой дальнемагистральный транспорт, погрузочную и иную спецтехнику, энергоснабжение изолированных районов, а в качестве элемента декарбонизации производств водород может применяться в металлургии и химической промышленности.
В мире уже сейчас есть примеры успешного применения водородного грузового и пассажирского транспорта. В Германии, Китае и Японии вышли на маршруты первые водородные поезда, более 240 автобусов на водородных топливных элементах работают в Европе, более 15 тыс. машин на топливных элементах зарегистрировано в США. В то же время говорить о повсеместном распространении легкового водородного транспорта пока преждевременно хотя бы потому, что он весьма недешев в сравнении с традиционным. По оценкам АЦ ТЭК, общие затраты на содержание легкового автомобиля с двигателем внутреннего сгорания не достигнут паритета с затратами на содержание автомобиля на топливных элементах в ближайшие 10 лет.
Массовый запуск водородного транспорта в России в ближайшее время также пока не предвидится, тем не менее концепты своих разработок водородных автобусов и легких грузовиков уже представили КАМАЗ и группа "ГАЗ", проект железнодорожного водородного транспорта представил "Трансмашхолдинг", ряд научных команд и компаний ведут исследования по возможному применению водорода в двигателях внутреннего сгорания. Проекты создания пилотных водородных заправок и разработка образцов водородного транспорта вошли в перечень мероприятий "дорожной карты" по высокотехнологичному направлению "Развитие водородной энергетики", соглашение о реализации которой подписали "Газпром" и "Росатом" с Правительством России.
В планах развития водородного кластера на острове Сахалин ГК "Росатом" предусматривается создание замкнутой цепочки производства, транспортировки и потребления водорода, включая использование водородного транспорта.
В целом же по объемам производства и потребления водорода Россия уверенно входит в пятерку мировых лидеров. Стоит отметить, что практически весь произведенный водород потребляется внутри страны. Однако данный водород имеет мало общего с "водородной энергетикой". Большая его часть используется в нефтегазохимии, производстве удобрений и аммиака. Производство водорода для дальнейшего его использования в качестве энергоносителя используется исключительно для НИОКР и не носит промышленного характера. Ни "голубой", ни "зеленый", ни какой-либо иной водород с низким углеродным следом сейчас в промышленных объемах в России не производится. Ближайший запуск крупнотоннажного производства "низкоуглеродного" водорода и аммиака запланирован к концу 2025 года.
Возможный экспорт "голубого" аммиака в Индию, Китай и иные страны, несмотря на его низкий углеродный след, вряд ли можно считать проектами "водородной энергетики", так как покупатели в этих странах более заинтересованы в аммиаке для использования его в сельском хозяйстве, чем для выработки с его помощью электроэнергии.
Развитие собственных технологий, создание пилотных проектов и водородных кластеров с замкнутым циклом производства и потребления водорода позволят создать в России действующие системы применения водородных энергоносителей, отработать технологии на практике для их дальнейшего масштабирования, развить необходимые компетенции в наиболее перспективных направлениях водородной энергетики, разработать дальнейшую стратегию развития отрасли с учетом мирового опыта и всех особенностей страны.