Мода на водород

Международное энергетическое агентство возвращает моду на водородную энергетику. Глава МЭА Фатих Бироль еще летом представил новое исследование «Будущее водорода: Использование сегодняшних возможностей». Двинуть в медиапространство тему перехода человечества на водородное топливо поручила Япония, выступавшая с лета прошлого года в качестве председателя G20. О том, насколько водородная энергетика конкурентноспособна - в материале журнала "Газпром".

Тема водородной энергетики отнюдь не новая, а, как говорили в ХIX веке, хорошо забытая старая. Необходимость ее возрождения произрастает из простого понимания: ставка на дальнейшее развитие индустрии утилизации энергии солнца и ветра требует немедленных действий по компенсации неравномерности и непредсказуемости производства. Одно дело, когда нестабильные источники энергии обеспечивают 2–3% потребления (а именно такова доля солнца и ветра в мировом энергобалансе, а в производстве электроэнергии – около 10%), и совершенно другое, если речь заходит о нулевом выбросе к 2050 году как желанной или даже обязывающей цели развития.

Поскольку с оптимизацией систем хранения и передачи электричества на дальние расстояния дела особо не клеятся, с дальней полки вновь достали водород как самый распространенный химический элемент и источник безуглеродной энергии. Дело осталось за малым – найти наконец инструменты, как сделать производство водорода в больших количествах экономически конкурентоспособным, а его бытовое использование – хотя бы относительно безопасным.

Второе пришествие

В качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания водород использовали еще два века назад, но нефтепродукты оказались гораздо удобнее и дешевле в эксплуатации. О водороде как о топливе массового применения забыли на 100 лет, хотя научные изыскания в этой области продолжались. В 1960-е топливные элементы на водороде использовали в космической отрасли в США. А следующий большой всплеск интереса произошел в 90-е годы прошлого века и начале первого десятилетия нового, когда впервые заговорили о водородной энергетике будущего. В тех же Соединенных Штатах Америки в 2002 году приняли «Национальную дорожную карту по водородной энергетике», которая, как считали тогда в профильном департаменте страны, является «американским выбором на пути к чистой энергии».

В России этому направлению тоже придавали большое значение. В 2003 году РАН и ГМК «Норильский никель» после совместного заседания президиума академии и правления компании подписали Генеральное соглашение о совместном сотрудничестве и Комплексную программу поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам. Однако ни в Америке, ни в России, ни в других странах мира прорыва не произошло.

Более того, в 2009 году секретарь департамента энергетики США Стивен Чу сказал в интервью, что для широкого внедрения водорода в транспортном секторе должно произойти «четыре чуда» одновременно (необходимо найти способ производства дешевого водорода, обеспечить его безопасное хранение в автомобилях, построить доступную и надежную заправочную инфраструктуру и повысить эффективность самих топливных элементов).

Фото: Pixabay

Сейчас в мире потребляется около 75 млн т водорода, который затем используется в промышленности (в основном в нефтепереработке и производстве аммиака). Только более ¾ этого объема производится из природного газа, для чего требуется более 205 млрд куб. м газа. А почти весь остальной водород «выпаривается» из каменного угля (107 млн т). И лишь 100 тыс. т (около 0,1%) вырабатывается на специальных установках из электричества. В результате, по данным МЭА, при производстве водорода в атмосферу поступает 830 млн т CO2 – больший объем, чем выбрасывает Южная Корея или Германия. При этом общие выбросы от «угольного» водорода сопоставимы с «газовыми», хотя из метана производится втрое больше Н2. И если водородную индустрию перевести на газ, то это одним махом снизит выбросы от отрасли при текущем объеме производства на 30–40%.

Но такие сценарии в исследовании МЭА даже не рассматриваются, а ставятся масштабные задачи по единовременному переходу на так называемый зеленый водород, который вырабатывается из новых ВИЭ (ветра или солнца). Из-за непредсказуемости и волатильности производства электричества ветряками или солнечными панелями и проблематичности его накопления в системе неизбежно возникают периоды избыточного поступления энергии в сеть. В этом случае предлагается часть электроэнергии методом электролиза перерабатывать в водород, а его уже хранить, транспортировать, в том числе по действующим газопроводам, и поставлять потребителям.

Сомнительная эффективность

Себестоимость производства водорода из газа эксперты оценивают в 1,5–3 доллара за 1 кг. В то же время, по мнению МЭА, себестоимость водорода из ВИЭ варьируется от 2 долларов за 1 кг в Китае до 6 долларов в Японии. В опубликованном в августе исследовании BloombergNEF себестоимость производства водорода оценивается в 2,5–6,8 доллара за 1 кг, или в среднем в 4 доллара. Если сравнивать с энергетической ценностью природного газа, то получится, что себестоимость водорода из ВИЭ сейчас выше оптовых цен природного газа в Европе в 6–7 раз, а в США – в 9–10 раз. И это при том, что возобновляемые источники энергии щедро субсидируются, особенно в странах Евросоюза.

Конечно, по мнению сторонников повальной водородизации энергетики, этот разрыв можно и нужно преодолеть в ближайшие 15–20 лет. По расчетам BloombergNEF, к 2030 году при правильном дизайне мощностей по производству водорода из ветряной или солнечной энергии себестоимость может сократиться до 1,4 доллара за 1 кг, а к 2050 году до 80 центов, что уже будет сопоставимо с ценой природного газа на рынке: около 200 долларов за 1 тыс. куб. м. МЭА таких детальных расчетов будущей эффективности не приводит, но тоже утверждает, что водород из возобновляемых источников энергии может стать конкурентоспособным решением для некоторых отраслей.

Но для этого, естественно, требуется обильная поддержка. Хотя прямо о субсидировании отрасли в докладе МЭА не говорится (видимо, субсидировать водород, чтобы повысить эффективность субсидируемых ВИЭ, пока что слишком цинично). Но суть пяти шагов, для того чтобы совершить четыре чуда, о которых 10 лет назад говорил американский секретарь по энергетике, сводится именно к нему. Установление государством долгосрочных целей в сфере производства водорода, введение стимулов для развития потребления, создание инструментов для поощрения первых инвесторов для нивелирования их рисков, продвижение исследовательской работы и гармонизация стандартов. Для большей наглядности на сайте агентства приведен калькулятор стоимости владения и использования легкового автомобиля (бензинового, электрического и на водородных ячейках) сейчас и «в будущем».

Фото: Pixabay

На сегодняшний день при цене топлива 1,5 доллара (около 100 рублей) за литр бензина, 8 долларов за килограмм водорода, 12 центов (около 8 рублей) за 1 кВт‧ч электроэнергии использование автомобиля с двигателем внутреннего сгорания в полтора раза дешевле, чем водородного, и в 1,3 раза выгоднее, чем электромобиля (или около 46 центов на 1 км пробега при среднем пробеге 75 тыс. км в течение пяти лет).

В будущем использование бензинового или дизельного топлива должно подорожать на 2 цента за счет введения углеродного налога в размере 100 долларов за тонну СО2, а автомобили на водородных топливных элементах и элетрокары подешевеют в эксплуатации до 46 и 45 центов на 1 км соответственно. Для этого цена нефтепродуктов не изменится, стоимость электричества должна упасть на треть, а водорода – в два раза. Кроме того, должны вдвое подешеветь электрические батареи и в четыре раза – водородные ячейки.

То есть речь по-прежнему идет о чудесах господина Чу, кроме безопасности бытового использования водорода (об этом говорится не так много, хотя проблема очень велика из-за его повышенной взрывоопасности и подверженности утечкам, даже по сравнению с метаном). Только в сегодняшней политической конъюнктуре их принято считать осуществимыми.

Андрей Егоров