Водород как топливо практически не используется, главным образом этот элемент применяется в химической промышленности — подавляющая доля уходит на производство аммиака, который нужен для получения азотных удобрений. Однако технологии развиваются, и у водорода появляются перспективы в энергетике и в транспорте.
Декарбонизация
Тема энергетического перехода в последнее время становится все актуальней. Оценки процесса полярны и значительно политизированы. Это связано с тем, что, в отличие от трех предшествующих, четвертый не является стихийным. Предыдущие изменения состояния энергетической системы мира ранее были обусловлены получением технологического доступа к огромным запасам высокоэффективных энергоносителей. Сначала к биотопливу вроде дров прибавилась большая доля каменного угля, затем появилась нефть и, наконец, природный газ. Использование угля, нефти и газа (наряду с научно-техническим прогрессом) значительно ускорили развитие экономики и промышленности, чего нельзя сказать о возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), переход на которые и называют четвертым энергопереходом.
С применением ВИЭ все сложно. Значительное увеличение доли «зеленой» энергии в Европе вызвало трудности, связанные с тем, что солнечные и ветровые электростанции не способны держать пиковые нагрузки потребления, в то же время в периоды его снижения излишки генерируемой энергии остаются невостребованы. Решают эту проблему использованием систем накопления, основанных на литий-ионных батареях, к которым есть вопросы по экологичности, что бросает тень на саму основу концепции «зеленой» энергетики.
И тем не менее эксперты утверждают, что мировую энергетическую трансформацию не остановить — все будут идти по пути декарбонизации, и России следует не отрицать неизбежное, а занять конструктивную позицию. Какие для этого у России есть возможности? Эксперты видят два взаимосвязанных направления: улавливание диоксида углерода (CO2) и водородные технологии.
Для нашей страны ключевой технологией для достижения целей декарбонизации считается CCS (сarbon capture and storage — улавливание и хранение углерода). Продукты сжигания традиционной энергетики улавливаются и захораниваются в большие подземные хранилища. В нашей стране огромные запасы газа, который может быть декарбонизирован за счет CCS, и не менее огромные возможности для захоронения отходов (закачка CO2 в опустевшие в результате добычи газоносные пласты). Есть мнение, что именно поэтому «зеленая» энергетика не будет востребована в России, так как цели перехода к низкоуглеродной экономике достигаются путем CCS, а ВИЭ по эффективности никогда не превзойдет уголь, нефть и газ. Тем не менее Россия может и должна развивать водородные технологии. Во-первых, для точечного применения на внутреннем рынке, во-вторых, для экспорта как водорода, так и самих технологий (оборудования).
Водород — самый экологически чистый вид топлива, ведь продуктом сгорания является вода. Но существует много сложностей до этапа сжигания: получение, хранение, транспортировка. Если их решить, то водород становится перспективным энергоносителем и для транспорта, и для энергетики, в том числе в качестве носителя энергии в системах накопления для ВИЭ (вместо литий-ионных батарей). Постепенно применение таких решений в мире набирает обороты.
На текущий момент рынок водорода и связанных с ним технологий находится на стадии формирования, которое завершится приблизительно к 2028 году. Все те, кто не сможет зайти на этот рынок в ближайшие годы, — не сделают это уже никогда. Нужно ли объяснять, что именно сейчас тот момент, когда Россия должна интенсифицировать работы в этом направлении? Особенно учитывая то, что потенциал для этого есть!
Водород в России
У каждой страны есть свои технологические по-зиции и ресурсные возможности. Специалисты рассматривают следующие водородные технологии, которые могла бы реализовывать Россия:
- собственно, технологии производства, хранения и транспортировки водорода;
- энергетические установки для транспорта (автобусы, локомотивы, речные суда);
- водородный цикл накопления для электростанции на ВИЭ;
- заправочные водородные станции на ВИЭ.
Ведущую роль в этом процессе берет на себя «Росатом». Его стратегическая цель — стать ключевым поставщиком низкоуглеродного водорода и водородных технологий в России и на международном рынке к 2030 году. В 2022 году в корпорации была утверждена стратегическая программа развития, в которую входят несколько проектов, включая завод по производству водорода на Сахалине. Параллельно реализуется большая научная программа — единый отраслевой тематический план, куда входят предприятия не только из состава корпоративного контура — академические вузы, институты РАН. Благодаря накопленному за десятилетия опыту госкорпорация обладает научным, технологическим и исследовательским потенциалом, чтобы реализовывать подготовку кадров и НИОКРы.
Производство
Источником для получения водорода служит либо вода (производство путем различных видов электролиза), либо природный газ (в основном — методом паровой конверсии метана как основного компонента природного газа).
Самый крупнотоннажный способ получения водорода — паровая конверсия (риформинг) метана. Установка для риформинга есть на каждом нефтеперерабатывающем заводе. Однако полученный таким «грязным» методом продукт называют «серым» водородом. Чтобы получить «голубой» («экологически чистый» водород) и достичь целей декарбонизации, нужно риформер метана дополнить системой улавливания и хранения CO2.
Кроме НПЗ, производителем водорода могут стать ВТГР (высокотемпературные ядерные реакторы): имеет смысл профицит тепла направить на паровую или парокислородную конверсию метана и получение водорода, КПД относительно традиционных способов повышается на 30–40%. Также на существующих АЭС возможно создавать системы электролиза, используя профицит электроэнергии.
Производство водорода сегодня — это дорого. Существуют проблемы с инфраструктурой. Но если их не решать, то никакие технологии никогда не разовьются.
Инфраструктура
Специалисты компании «Н2 Тех» считают, что самое оптимальное — перевозка водорода в танк-контейнерах в жидком состоянии. Да, это недешево. Но по большому счету других вариантов у России нет, поэтому данное направление нужно интенсивно развивать. Если говорить о газовозах, то это еще дороже — в два раза, чем в танках.
Танки дешевле, т. к. не требуется дополнительная инфраструктура. Если использовать газовозы, то, во-первых, должен появиться сам газовоз, затем нужны причальные стенки, наливная инфраструктура, хранение, с завода до порта еще надо довезти. В то время как танк-контейнеры обладают свойством мультимодальности — их можно погрузить и на автомобильный транспорт, и на железнодорожный, и на морской, нет необходимости переливать водород в стационарный резервуар, так как их можно использовать в качестве временных систем хранения в конечной точке. И за этот счет получается достаточно низкая цена логистики. Подсчеты показывают, что стоимость перевозки с Дальнего Востока в Азию обойдется в 1,3 доллара (на кило-грамм водорода). Но надо понимать, что этой цифры не будет, если не будет серийного производства.
«Н2 Тех» сейчас занимаемся НИОКРом по танк-контейнерам. Сначала у предприятия были компетенции в штучном производстве, которые теперь доводятся до серийного. И сегодня обсуждается очень важный вопрос — безопасность. Это критически важно. Существуют международные правила перевозки опасных грузов, к которым относится и водород. НИОКР планируется завершить к 2024 году, планово выйдя на производство опытного образца и его сертификацию, соответствующую всем нормам и правилам. И далее есть планы выйти на серийное производство, которое полностью будет российским из российских комплектующих. К сожалению, на данный момент требуемые компоненты в России не производятся, но российские производители близки к тому, чтобы начать производство отечественных. Конечно, это серийное производство создаст рабочие места, налоговые отчисления, что благоприятно скажется на российской экономике.
Точки роста
Важно понимать, что развития технологий просто ради развития технологий не бывает. Мы развиваем какие-то определенные технологии, водородные в том числе, под рынок, который формируется. Развитие водородных технологий без понимания, как они будут использованы на рынке, сформироваться не сможет. Вернее, масштабироваться не сможет. Водородные технологии в России всегда были, начиная с середины прошлого века, но применялись и применяются в очень узких секторах (таких как космос). Поэтому для начала нам нужно решить, что мы будем делать с водородом: экспортировать, применять на внутреннем рынке или и то, и другое?
Должен быть некий баланс. Между экспортом водорода и внутренним потреблением. Потребление водорода на внутреннем рынке тоже должно сформироваться. И вот здесь точкой роста водорода будет в первую очередь транспорт, и топливные элементы для этого как раз крайне необходимы.
Безусловно, без поддержки государства развить потребление на внутреннем рынке невозможно. Государство должно стимулировать использование водорода как чистого вида топлива на транспорте. Это могут быть различные методы стимулирования. Первый — регуляторные меры, например, введение запрета въезда в центры больших городов грязного транспорта. Второе, безусловно, — налоговые льготы, преференции, субсидии, которые бы снижали стоимость промышленной продукции на первых этапах. Это крайне критично, т. к. всегда сложно именно запустить производство промышленной продукции.
Топливные элементы
Центральной частью энергетической установки для водородного транспорта является топливный элемент (ТЭ) — химический источник электрического тока. Насколько эффективен такой подход?
Водоробус от КамАЗа стоит 60 миллионов, столько же, сколько и электробус. При цене водорода в 4–5 долларов водородный автобус выигрывает у электрического. Жизненный цикл — 15 лет. У Московского НПЗ в Капотне цена водорода 2 доллара за килограмм. При цене в 3 доллара за кило водород начинает выигрывать у дизеля. То, что он выигрывает у аккумуляторного автобуса, особенно российского, — это не удивительно. А то, что способен конкурировать с дизелем, — вот это уже интересно. КПД водородного топливного элемента 60–70%, то есть порядка 30% тепла, которого вполне хватает, чтобы обогревать салон в холодных странах, в то время как у аккумуляторного автобуса с этим сложнее.
Зарядка электробуса после того, как он сделает круг (порядка 40 километров), по паспорту 20 минут, реально — 28, если есть очередь — до 2 часов. Как следствие, электробусов на этой инфраструктуре в два раза больше, чем надо. При этом зарядка водородом продолжается от 2 до 5 минут, и ее хватает на 400–500 километров, это больше, чем дневная норма любого московского автобуса. То есть против электрозарядных станций на каждом углу достаточно поставить одну водородную в троллейбусном парке.
Москва стремится к электрификации, планируется введение аккумуляторных водных трамвайчиков. Сравнение водородных судов и аккумуляторных также не в пользу последних. Частая длительная зарядка на короткую дистанцию против быстрой зарядки на длинную. Очевидно, топливный элемент на водороде выигрывает не только у электродвигателей, но и у ДВС.
Мировой рынок водорода
Если целенаправленно развивать водородный транспорт, то внутренний рынок будет жить. Что же можно сказать о внешних рынках сбыта? К сожалению, они ограничены. Раньше это была Япония (именно на нее работал сахалинский проект), сейчас это Китай. Но если говорить о китайском рынке — тот там будет конкуренция и относительно низкая цена. Сможем ли мы конкурировать в таких условиях? С трудом. Но нужно продавать хотя бы небольшие объемы, чтобы обкатать технологию, обкатать логистику, встроиться в международные цепочки, иначе мы упустим шанс на лидерство. К тому же Китай в перспективе собирается полностью перейти на собственное производство водорода. Индия точно так же свои проблемы решит самостоятельно. Водород нужен энергодефицитным странам, для которых он источник «зеленой» энергии. Им все равно что покупать — метан или водород, просто водород — чище (более «зеленый»). Основные рынки водорода — это центральная Европа, Япония, Корея — для нас, очевидно, на текущий момент закрыты. Возможно, в дальнейшем ситуация изменится.
Суверенитет
НАМИ сделал «Аурус» на водороде, а КамАЗ сделал на водороде автобус. Но доля российских компонентов что внутри «Ауруса», что внутри КамАЗа — практически равна нулю. Это следствие того, что в 90-х исчезли многие заводы вместе с компетенциями, и теперь России приходится возвращать технологическую независимость.
Но вот что интересно: если мы посмотрим на мировое научное сообщество, то с удивлением увидим, что оно наполовину состоит из российских ученых (либо проживающих в России, либо эмигрировавших). Больше половины водородных разработчиков — россияне. Nissan и Toyota зака-зывают у российских специалистов разработку своих топливных элементов.
В то же время в России, казалось бы, беда с патентами. Но это только на первый взгляд. Патент без заказчика — вредоносная вещь. Во-первых — любой патент можно легко обойти. Во-вторых — разработчик своим патентом обнаруживает своим конкурентам направления своего движения, подсказывает пути решения. При этом существует огромное количество патентов на элементарные самоочевидные вещи, которые иногда приходится обходить, чтобы не нарушить. Таким образом множество разработок просто не запатентованы и хранятся «в столах».
К сожалению, это все несистемные частности, которые, однако, могут послужить фундаментом.
Если адекватно финансировать научную деятельность, то суверенитет будет достигнут. Бизнес начинается с исследований. Нужны инвестиции в науку как один из важнейших аспектов технологического суверенитета. Необходимо наладить взаимодействие науки и бизнеса. В качестве примера — Китай и даже Иран. Их инвестиции в науку обеспечили им надежные позиции.
«Росатом» открыт к сотрудничеству как с отечественными компаниями, так и с дружественными государствами в интересах отечественной науки и промышленности.
На данный момент у «Росатома» наработан научный задел и компетенции, применимые к водо-родной энергетике. Это и химия редкоземельных металлов, новые композитные материалы, динамика горения смесей газов, включая водород, взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами, физика плазмы, взаимодействие плазмы с газами, конструирование водородных энергетических установок.
Сегодня на рынке существует дефицит протонообменных мембран. Без таких мембран не будет протонообменных электролизеров, топливных элементов для транспорта. «Росатом» ведет работы по получению своего полимера-мономера и мембраны, оптимизирует существующие мембраны путем применения лучевых технологий. Для этого ведется сотрудничество с институтами, которые работают в похожих областях. Нужна не конкуренция между ними, а кооперация.
Что в сухом остатке?
Россия намерена производить водород из природного газа на объектах нефтегазовой отрасли и атомной энергетики, параллельно дополняя их CCS-установками; на базе танк-контейнеров выстроить инфраструктуру для хранения и перевозки и применять полученное топливо в транспорте, при этом какую-то часть экспортируя на внешние рынки. Научные изыскания и подготовку кадров централизует «Росатом», выстраивая сеть из вузов, КБ и НИИ, которые занимаются далеко не только водородными технологиями. КамАЗ и другие производители уже занимаются испытанием транспортных средств на водороде.
Развалившаяся на фрагменты единая система советской науки и промышленности не погибла полностью — часть сегментов выжила и продолжила свой путь. Оставшиеся игроки теперь объединяются, чтобы консолидировать накопленный опыт и обрести былое единство.
Текст подготовлен по материалам научно-практической конференции «Территория энергетического диалога» (11.10.2022).
