Зеленый водород для зеленого будущего: почему все так одержимы водородной энергетикой?

Рассказываем про одну из самых горячих тем последних лет в сфере энергетики.

Водородную энергетику многие страны рассматривают как ключ к достижению нулевых выбросов. Помимо больших перспектив у «главного элемента» экономики будущего есть трудности, связанные с инфраструктурой и регулированием.

Чистый водород должен стать главным носителем для накопления, хранения и транспортировки энергии. Масштабное внедрение водорода позволит декарбонизировать энергетическую отрасль и промышленность и замедлить изменение климата.

Идея водородного топлива появилась более 200 лет назад. В 1806 году французский изобретатель Франсуа де Риваз создал первый поршневой двигатель, работающий на смеси газообразного водорода. Приемником технологии стал англичанин Уильям Гровер и в 1939 году представил миру первый водородный топливный элемент.

Некоторые писатели-фантасты конца XIX века мечтали, что именно водород станет постоянным источником электричества и заменит ископаемое топливо. Например, об этом часто рассуждал основатель научной фантастики Жюль Верн. В 1927 году его предположения сбылись: норвежская компания Norsk Hydro Electrolysers выпустила первый промышленный электролизер. А уже в 1966 году на дороги выехал водородный автомобиль от General Motors. Технологию подхватили и в СССР — 1987 год ознаменовался запуском мощнейшей ракеты-носителя «Энергия» на жидком водороде.

Водородная энергетика выделилась в отдельную отрасль после мирового нефтяного кризиса 1973-го. Тогда многие страны озадачились поиском независимого от углеродных поставок сырья. Так, чаще всего водород стали использовать в транспортной сфере, его до сих пор активно применяют для авто и беспилотников.

В нынешних реалиях водород стал одним из инструментов борьбы с глобальным изменением климата. Если верить данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), водород сможет внести 10% вклада на пути к нулевому уровню выбросов CO2, снижению углеродного следа в тяжелой промышленности и дальнемагистральном транспорте, а также обеспечит сезонное хранение энергии.

В 2021 году мировой объем производства водорода составил 90 млн тонн. До сих пор более 90% водорода получают из ископаемых источников, что противоречит зеленой повестке. Примерно треть получаемого водорода отправляется на синтез аммиака для удобрений и около 20% — на метанол и для сталелитейной промышленности. А еще водород важен для нефтепереработки, стекольной промышленности, в энергетике для охлаждения турбин ТЭЦ и АЭС.

В зависимости от способа производства, водороду присваивают цветовые маркеры.

• Серый водород

Его производят из метана путем конверсии — смешивания с водяным паром и нагреванием. Это самый дешевый, самый грязный и самый популярный способ — занимает порядка 75% мирового производства. Объем вредных выбросов сопоставим с сжиганием привычного углеводородного топлива. Производство серого водорода оценивают в $1-2 за килограмм.

• Бурый (коричневый) водород

Добывается с помощью газификации угля — процесс подразумевает окисление под воздействием высоких температур. Этот вид водорода занимает 20% мирового производства. Стоимость и вредные выбросы коричневого водорода соразмерны серому.

• Голубой (синий водород)

Получают путем паровой конверсии метана с технологией улавливания углекислого газа, который закачивают в специальные хранилища. Для производства голубого водорода нужно больше сырья и энергии, чем для серого и коричневого. Голубой считают не экологически чистым — объем вредных выбросов в атмосферу в сравнении с серым ниже всего на 9-12%. Стоимость этого водорода выше, чем у предшественников — $2,8 - 3,5 за 1 кг.

• Бирюзовый водород

Продукт пиролиза метана — разложения газа под действием высоких температур без доступа кислорода. Бирюзовый водород считают относительно экологичным, а при его производстве образуется твердый углерод, который можно дальше использовать в промышленности, например, сталелитейной. Цена — около $2 за килограмм.

• Зеленый водород

Тот самый водород, призванный спасти мир от глобального потепления. Зеленый водород производят электролизом: энергию генерируют с помощью возобновляемых источников энергии, например солнечных и ветряных электростанций, а также ГЭС. Добытая электроэнергия поступает на разложение воды с помощью электрического тока на водород и кислород. Экологичный водород по праву занимает первенство в ценовой битве цветов — около $7-10 за 1 кг. Стоимость обусловлена дороговизной ВИЭ-генерации в сравнении с традиционными источниками энергии.

Есть еще один тип полностью экологичного водорода — желтый или розовый, с его цветом пока не определились. Желтый водород тоже получают с помощью электролиза, только энергию добывают не от ВИЭ, а от АЭС. Пока в мире есть лишь один демонстрационный проект по его производству — установка мощностью 1 МВт в США.

Процесс получения зеленого водорода позволяет избежать выбросов парниковых газов и других вредных загрязнений, что делает его экологически чистым видом топлива. По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), зеленый водород имеет потенциал сократить выбросы углерода на 34–91% по сравнению с традиционными видами водорода, производимыми из природного газа.

Перспективы для развития отрасли такие: Международное энергетическое агентство (IEA) подсчитало, что для выполнения обязательств по борьбе с изменением климата, к 2030 году объемы добычи экологичного водорода должны достигнуть 34 млн тонн, а к 2050 году — 100 млн тонн. Ставку делают на голубой и зеленый водород, которые сейчас занимают 1% и 0,1% мировой добычи соответственно.

Так, чтобы нарастить объемы производства чистого водорода, в первую очередь необходимо добиться снижения цен на электролизеры — установки для промышленного получения сырья, не говоря уже про реализацию десятков сопутствующих проектов. Но, первые подвижки уже есть: водородные электролизеры постепенно становятся более эффективными и дешевыми. По данным IEA, снижение стоимости зеленого водорода ожидается благодаря увеличению масштабов его производства и технологическим усовершенствованиям. Прогнозируется, что к 2030 году стоимость зеленого водорода может снизиться на 50%.

В данный момент ученые со всего мира ищут эффективные решения для удешевления производства водорода. В США, например, специалисты предложили использовать более дешевые материалы для процесса электролиза. Китайские ученые изменили свойства катализаторов, задействованных в электролизе, и сумели эффективно выделить водород из морской воды. В России разработали способ получения водорода окислением частиц алюминия в воде под воздействием лазерного излучения — этот процесс вдвое менее энергозатратный, чем традиционный электролиз.

Зеленый водород представляет собой не только экологически выгодное решение, но и экономически привлекательную инвестицию. Многие страны и компании активно инвестируют в развитие этой области. Например, в Германии запущены проекты по строительству заводов по производству зеленого водорода общей мощностью более 5 гигаватт.

Согласно аналитическим данным, глобальный рынок зеленого водорода будет расти экспоненциально каждый год. McKinsey Global Institute прогнозирует, что к 2030 году рынок зеленого водорода может достигнуть объема 140 миллиардов долларов в год, а к 2050 году — до 2,5 триллиона долларов. Такие прогнозы говорят о том, что зеленый водород может стать ключевым компонентом будущего глобальной энергетики и сыграть одну из ключевых ролей в борьбе с изменением климата и переходе к устойчивому развитию.

Зеленый водород может быть использован в тепловых станциях с водородными топливными элементами (ВТЭ), где водород реагирует с кислородом из воздуха, создавая электрическую энергию и воду как побочный продукт. Процесс обладает высокой эффективностью и может работать непрерывно, обеспечивая стабильное производство электроэнергии.

ВТЭ становятся все более популярными в автомобильном и общественном транспорте. Машины на водороде имеют значительный запас хода и могут быстро заправляться, что делает их конкурентоспособными по сравнению с электромобилями. Водород также может быть использован в железнодорожном и воздушном транспорте, что может снизить выбросы углерода в атмосферу. А еще чистый водород могут использовать для производства аммиака и сельскохозяйственных удобрений.

Одним из главных потребителей водородной энергетики остается транспортная отрасль. Водородные автомобили сходят с конвейеров Toyota и Hyundai, также недавно Honda представила свой водородный кроссовер. Самолеты на водородных двигателях активно тестируют компании ZeroAvia и Universal Hydrogen.

В Китае и Германии запустили водородные поезда. Япония тоже не отстает активно развивает инфраструктуру водородных топливных элементов в автотранспорте. По стране уже курсируют автобусы на водороде, а также строятся заправочные станции для обслуживания такого транспорта. Кроме того, в Японии запущены проекты по использованию водорода в промышленности и энергетике, включая создание топливных элементов для домашнего использования и производство водорода из ВИЭ.

Проекты, призванные озеленить эту транспортную среду, реализуются по всему миру — на долю транспорта приходится около 40% выбросов CO2, оставшиеся 60% — на промышленность и энергетику.

Что касается производства зеленого водорода, то первенство, традиционно, за Китаем — там работает самый мощный в мире электролизер на 150 МВт, способный производить 24 тысяч тонн чистого водорода в год. По прогнозам IEA, рост мощности электролизеров в 2022 году составит 1,4 ГВт, и отводит Китаю 40%. Компания Sinopec строит во Внутренней Монголии крупнейший завод Ordos по получению 30 тысяч тонн водорода в год и завод Kuqa на 20 тысяч тонн в провинции Синьцзян. В планах компании нарастить объемы добычи до 2 млн тонн в год к 2025 году.

Американская Green Hydrogen International (GHI) планирует построить в Техасе целый хаб по производству, хранению и транспортировке водорода мощностью 60 ГВт — Hydrogen City. Объемы после запуска всего комплекса составят 3 млн тонн зеленого водорода в год, который будут направлять в том числе на получение чистого аммиака и авиационного топлива. Первая очередь на 2 ГВт ожидается в 2026 году.

Также стоит отметить амбициозный проект «WindH2» в Германии, который нацелен на применение ветровой энергии для производства водорода. Он включает в себя разработку электролизеров с большой мощностью, способных использовать избыток энергии ветра для эффективного производства водорода.

Австралия тоже вложила значительные средства в развитие инфраструктуры для производства зеленого водорода. Например, проекты «Renewable Hydrogen and Ammonia Supply Chain Pilot Project», финансируемые правительством, направлены на создание масштабных производственных мощностей для производства водорода из возобновляемых источников. Также страна является партнером в проекте «Hydrogen Energy Supply Chain», который строится совместно с Японией для поставок водорода.

В Нидерландах запущен проект «North Sea Energy» с фокусом на использовании морских ветровых ферм для производства зеленого водорода. Проект включает в себя строительство электролизеров на морских платформах для непосредственного производства водорода на месте добычи энергии.

О зеленых намерениях заявляет и Индия: производитель ВИЭ Adani Green Energy анонсировал электролизный проект мощностью 2 ГВт за $5 млрд. Питаться завод от солнечной и ветряной энергии и сможет обеспечить страну к 2030 году 1 млн тонн водорода.

В Европе тоже разворачивается множество водородных проектов, преимущественно в транспортной отрасли. Крупнейший производитель экологичного газа, компания Iberdrolla, запустила завод в Пуэртольяно с электролизером мощностью 20 МВт. Предприятие сможет выдавать до 3 тыс. т чистого водорода в год, который станет сырьем для производства зеленого аммиака — топлива для речных и морских судов.

1. Отсутствие доступных технологий транспортировки и хранения: водород взрывоопасен, обладает низкой плотностью и просачивается даже через высокопрочные стали. Специалисты предлагают перевозить водород в виде газа в баллонах, что приводит к существенному удорожанию сырья. Хранят водород в специализированных подземных хранилищах, которые есть далеко не у всех заинтересованных стран. Чтобы облегчить ситуацию, компании Mitsubishi Power Americas и Magnum Development LLC строят подземное хранилище в штате Юта (США), которое призвано войти в число крупнейших хранилищ в мире. Его мощность составит 300 ГВт.

2. Водород производят и потребляют в одном и том же месте или недалеко друг от друга, так как для транспортировки этого газа нет инфраструктуры. Длина водородных трубопроводов по разным оценкам составляет порядка 4–5 тыс. км. В качестве альтернативы эксперты предлагают использовать уже существующую газотранспортную сеть, но это тоже сложно реализуемо: водород в составе природного газа делает металл хрупким.

3. Зеленый и серый водород имеют одинаковый химический состав и достоверно определить, с помощью какой технологии был получен водород, пока невозможно. Системы подтверждения качества есть лишь в Японии, Китае и Австралии. Впрочем, IEA уже порекомендовало странам создать четкую нормативно-правовую базу.

Россия производит около 10% водорода в мире – 10 млн тонн. Отраслевая стратегия до 2022 года была нацелена на экспорт и к 2030-му планировалось поставлять 2 млн т газа в Китай, Японию, Германию и другие страны. Однако, из-за геополитической обстановки планы нарушились. Газ активно применяется внутри страны в химической промышленности для производства аммиака, метанола, и других химических соединений, в металлургии для восстановления металлов из их оксидов.

Зеленый водород только начинает занимать свою нишу в энергетическом секторе России. Несмотря на то, что страна является одним из крупнейших производителей и экспортеров обычного водорода (в основном получаемого из природного газа), государство поддерживает развитие зеленого водорода в связи с растущим интересом к экологически чистым источникам энергии.

Один из крупнейших, хоть и не совсем зеленых проектов в стране — водородный кластер на Сахалине, который создают несколько компаний, в том числе «Росатом» и «H2 Чистая энергетика». Кластер включит в себя завод по производству голубого водорода, железнодорожную сеть с водородными поездами, а также мощности для получения 100 тыс. т зеленого газа к 2030 году.

Чистый водород может стать ключевым элементом в развитии возобновляемых источников энергии в России. Он может быть использован для хранения избыточной энергии из солнечных и ветровых источников, а также для производства электроэнергии с помощью водородных топливных элементов.

***

Источник вдохновения: