Водородная энергетика: прекрасное далёко

Если «зеленую» энергетику и электромобили можно считать актуальным трендом последнего десятилетия, то электростанции и автомобили, работающие на чистом водороде — это совершенно футуристичные проекты, становящиеся реальностью сегодня. Автомобили на водородных топливных элементах, такие как Toyota Mirai, уже колесят по мировым дорогам, а из их выхлопных труб выходит лишь дистиллированная вода. Мобильные автономные водородные электростанции Toshiba H2One с помощью энергии Солнца сами производят из воды водород и затем превращают его в электричество. Казалось бы, вот оно, решение всех проблем: человечество подчинило себе самый распространенный во Вселенной элемент и сделало из него абсолютно экологичный энергоноситель. Но не всё так просто, и судьба водородной энергетики очень сложна и неоднозначна.

В условиях нашей планеты водород является крайне неоднозначным энергоносителем. В отличие от нефти, угля или дерева, залежей чистого водорода на Земле нет. Его добыча — это относительно дорогой, ресурсоемкий и часто крайне «грязный» процесс.

Цветовая классификация способов добычи водорода включает пять видов добычи: черный, коричневый, серый, синий и зеленый. К цвету самого газа эта градация не имеет никакого отношения. «Черный» водород производится методом окисления нефти и черного угля, побочным эффектом чего является выброс существенных объемов CO2 — экологичным такой способ получения водорода не назовешь. Для «коричневого» водорода производится окисление редкого и дорогого бурого угля. «Серый» водород получают каталитической конверсией метана в присутствии водяного пара при температуре 1000 °C. На выходе образуются водород и углекислый газ. «Синий» водород является усовершенствованной версией добычи из природного газа, при которой побочный CO2 улавливают, не давая ему попасть в атмосферу.

Цена полученного водорода может варьироваться в зависимости от страны-производителя и цен на ископаемое топливо в ней. Водород из метана в России стоит около $1,1-1,6/кг. В странах Ближнего Востока стоимость килограмма опускается до $0,9/кг, а в Европе доходит до $2,3/кг. Энергетическая ценность 1 кг водорода равна примерно 3,7 л бензина. Выходит, что водород дешевле бензина практически втрое.

Все перечисленные выше способы добычи водорода включают в себя добычу ископаемого топлива и сопутствующие выбросы углекислого газа. Единственным по-настоящему «зеленым» видом промышленной добычи водорода является электролиз воды. Если тут вы вспомнили апокалиптичный отрывок из фильма «Кин-дза-дза!» о превращении всех морей планеты в луц (топливо), то имейте в виду, что для получения количества водорода, соответствующего современной выработке, достаточно всего 1,3% от того объема воды, который сейчас используется в мировой энергетике. И хотя для электролиза предпочтительней пресная вода, опреснение соленой воды добавит к конечной цене водорода не более 1%.

При всей привлекательности «зеленого» водорода на него приходятся смешные 0,1% (100 тыс. тонн) глобального производства, тогда как около 75% добываются из природного газа. Причина, к сожалению, прозаична: для получения текущего годового объема водорода методом электролиза электроэнергии потребуется больше, чем производится всеми электростанциями Евросоюза. Из-за высоких энергозатрат цена «зеленого» водорода находится в среднем на уровне $3,0-7,5/кг, что делает его неконкурентоспособным.

В прошлом году Volkswagen прямо заявил, что когда речь заходит о современных, экологичных и эффективных автомобилях, у компании находится немало аргументов за литий-ионные аккумуляторы и ни одного за водородные топливные ячейки, которые окисляют водород и вырабатывают электричество. И хотя эксплуатация авто на топливных ячейках приводит к выбросу на порядок меньшего объема CO2, чем у электромобилей (2,7 г против 20,9 г), экологичность, в которую входит в том числе экономная трата ресурсов, перечеркивается крайне низким КПД полного цикла эксплуатации водорода в топливных ячейках.

Проведём несложную калькуляцию: допустим, при помощи солнечной электростанции или ветряков было выработано 100 Вт — обычному электромобилю достаточно подключиться кабелем к энергосети, чтобы потребить эту энергию, а затем с небольшими потерями пустить ее на работу электромоторов. 5% мы потеряем на передаче электричества от электростанции к авто, еще 10% от изначального объема придутся на потери при зарядке и разрядке аккумулятора, и еще 5% исчезнут в электромоторе (КПД двигателя электромобиля — около 95%).

В результате из 100 Вт, выработанных электростанцией, мы получаем 80 Вт на электромоторе автомобиля.

В случае с водородными топливными ячейками ситуация пока что не в пример хуже: после выработки 100 Вт на электростанции сперва нужно потратить часть энергии на добычу водорода. При эффективности экологичного электролиза воды до 75%, 25 Вт энергии расходуются на первом этапе.

Полученный водород нужно охладить, сжать, транспортировать до АЗС и закачать в баллоны автомобиля, на что уйдет еще 10 Вт.

Теоретический КПД топливных ячеек в сферически-вакуумных лабораторных условиях достигает 83%, на деле же при преобразовании водорода в электричество в никуда уйдут заметрные 25 Вт. На этом фоне потери в электродвигателе кажутся несущественными. В конечном итоге получается, что от изначальных 100 Вт электромотору достанется менее 40 Вт — 60% выработанной энергии будут потеряны для автомобиля, но оплачены потребителем. Таким образом можно считать, что КПД полного цикла аккумуляторного электромобиля составляет порядка 80%, а КПД авто на водороде — менее 40%. В свете таких результатов скептицизм Volkswagen относительно топливных ячеек более чем понятен.

В случае с водородной энергетикой получается схожая картина, из цепочки лишь исчезает электромотор — вырабатываемое топливной ячейкой электричество отправляется либо в сеть, либо запасается в аккумуляторах. Вырабатывать электроэнергию, чтобы добыть водород и снова преобразовать его в электричество на электростанции выглядит неразумным.

Может сложиться впечатление, что водород как массовый энергоноситель обречен. Однако есть маленький, но очень важный нюанс — водороду есть куда «расти». Задавшись целью, стоимость электролиза можно значительно снизить, как и снизить цены на водород, добываемый из ископаемого топлива, при учете крупных инвестиций в отрасль. Эффективность топливных ячеек также далека от теоретических пределов. Водородная энергетика находится в самом начале своего пути, впереди ее ждет долгое развитие и совершенствование.

Прогресс в области аккумуляторов замедлился практически до стагнации — реальных, а не лабораторных успехов в области автомобильных батарей не было уже очень давно, и даже предвкушение прошлогоднего Tesla Battery Day, на котором Илон Маск обещал представить нечто прорывное, обернулось разочарованием из-за обычного перехода аккумуляторов Tesla на ячейки нового типоразмера. К тому же, цена кобальта, обязательного элемента литий-ионных батарей, весьма высока и очень волатильна: за два первых месяца 2021 года она выросла с $32 тыс. до $52 тыс. за тонну.

Как только цена водорода для конечных потребителей опустится до $4,0/кг, его применение станет экономически целесообразным на грузовом и пассажирском общественном транспорте. Легковые водородные автомобили смогут составить конкуренцию электромобилям только при стоимости водорода не выше $1,5/кг (сейчас на немецких АЗС он продается по $9,0/кг). При стоимости $3,0/кг водород становится неплохим энергоносителем для отопления в странах с дорогой электроэнергией. Да и само электричество будет выгодно получать с помощью топливных ячеек, когда водород будет обходиться в $1,9/кг. В эти ценовые рамки более-менее вписывается водород из ископаемого топлива, но смысла в его использовании на транспорте и в энергетике нет, так как исчезает экологическая привлекательность.

По оценкам объединения Hydrogen Council килограмм «зеленого» водорода можно удешевить до $1,0/кг, но для этого нужно увеличить его производство со 100 тыс. до 12 млн тонн в год к 2030 году. К сожалению, эти смелые планы выглядят утопично.

В Японии при поддержке Toshiba была построен экспериментальный электролитический завод по выработке водорода Fukushima Hydrogen Energy Research Field, работающий от собственной солнечной электростанции. Его производительность составит 900 т в год.