Водородная экономика: разрушит ли новое топливо «ископаемую» цивилизацию

За громкими новостями последних лет об огромных офшорных ветряках, миниатюрной «солнечной черепице», о накопителях Tesla, о подземном хранении СО₂ и других прелестях Energiewende (энергетического перехода) пока не очень разборчиво, но уже слышатся отдаленные раскаты новой грозы всех традиционных поставщиков нефти, газа и электроэнергии. Гроза эта может пройти вдалеке, может штормом разрушить традиционный бизнес энергетических гигантов и экономику стран — экспортеров углеводородов, а может живительным дождем поддержать всходы новой экономики.

Эта новая напасть — всего лишь самый распространенный элемент во Вселенной. Водород. По некоторым прогнозам вокруг этого элемента через 30 лет возникнет индустрия с годовым оборотом в $2,5 трлн и 30 млн рабочих мест, которая вытеснит почти 20% ископаемых энергоносителей из мировой экономики.

Каковы шансы на реализацию этих сценариев, пробуем разобраться в этой статье.

Откуда взялся?

С тех пор как 235 лет назад Лавуазье дал водороду имя, он успел занять изрядное место в индустрии. Водород используют для производства аммиака, метанола и пищевого маргарина, с его помощью перерабатывают нефть. «Взять у природы» водород в чистом виде нельзя, приходится перерабатывать другие вещества — основным способом его производства остается паровая конверсия углеводородов. За год в мире производят всего около 65 млн тонн водорода (для сравнения: природного газа добывают примерно в 40 раз больше).

На особые свойства водорода как топлива обратили внимание еще в середине прошлого века — его теплота сгорания в несколько раз больше, чем у природного газа, бензина или дизельного топлива той же массы, и при этом не образуется никаких выбросов, кроме водяного пара. В 1970 году в США появились публикации о переводе транспорта на водородное топливо, тогда же получил распространение термин «водородная экономика» — некий образ будущего, в котором американские города полностью уходят от «экономики углеводородов», применяют водород в качестве топлива для автомобилей, домов, электростанций, а также запасают энергию с помощью водорода и производят его с помощью солнца и ветра там, где это нужно. Другими словами, водородная экономика зиждется на водороде как наиболее универсальном и экологически чистом энергоносителе, связывающем электроэнергетику, теплоэнергетику и транспортный сектор. Вскоре подоспел и нефтяной кризис, и разработкам транспорта на водороде придали большее значение. Так, например, в СССР в 1980-х появились «водородные» микроавтобусы РАФ, самолет на базе Ту-154, ракетный двигатель на водороде для «Энергии». Судьба этих проектов незавидна — например, в самолете пришлось минимум треть полезного объема пассажирского отсека выделить под топливные баки, что радикально отразилось на себестоимости перевозок.

Почему пока не получилось?

Масштабного перехода транспорта на водород в XX веке не случилось — стоимость километра пробега на водороде была много выше, чем на обычном топливе. Основная причина — дороговизна: производство водорода из углеводородов (паровая конверсия) или воды (электролиз) требует большого количества энергии. Кроме того, паровая конверсия углеводородов сопровождается выделением парникового газа — СО₂, на борьбу с которым в том числе и была направлена идея перевода транспорта на водород. Производство водорода методом электролиза (разложение воды на кислород и водород с помощью электроэнергии) было еще дороже, чем паровой конверсией, а для производства нужной электроэнергии приходилось сжигать топливо с соответствующими выбросами. Все это несколько снизило первоначальный интерес, и в целом водородная экономика до самого конца XX века так и оставалась лишь «образом будущего».

Что изменилось?

«Энергетический переход» в мировой электроэнергетике привел к бурному развитию в 2000–2010-х годах возобновляемой энергетики, прежде всего солнечной и ветряной генерации. Стоимость этих технологий постоянно снижается (приведенная стоимость электроэнергии от ветряной и солнечной генерации в США, по данным Lazard, в 2009–2016 годах сократилась на 70–80%). Рынок растет быстрыми темпами (в 2016 году, по данным IRENA, в мире было введено 71 ГВт солнечных станций на фотовольтаике и 51 ГВт ветряных станций, а в 2017 году, как ожидается, будет подтвержден ввод 90 и 40 ГВт соответственно) — таким образом, только за два последних года в мире было введено больше мощностей солнечной и ветряной генерации, чем совокупная мощность всех электростанций Единой энергосистемы России. Годовые инвестиции в сектор составляют более $250 млрд — вдвое больше инвестиций в генерацию на ископаемом топливе. Ценовые рекорды солнечной энергетики в Дубае, Мексике, Перу, Чили, Абу-Даби, Саудовской Аравии, ветряной энергетики в Бразилии, Канаде, Германии, Индии, Мексике и Марокко достигли планки примерно в 1,7 рубля за кВт∙ч (для сравнения: жители Москвы и области платят за электроэнергию в своих домах в два-три раза больше). По прогнозам Международного энергетического агентства, к 2040 году доля генерации электроэнергии на солнечных и ветряных электростанциях в мире составит от 13% до 34% (в 2016 году — 5%). Очевидно, что в отдельных регионах доля этих источников будет еще больше.

Таким образом, электроэнергетика все больше переходит на источники генерации, которые стохастичны и зависят от климатических условий и времени суток. Влияние колебаний выработки на солнечных и ветряных электростанциях (когда вдруг перестает дуть ветер или светить солнце) на энергосистему, если их доля в регионе высока, сопоставима с хаотическим включением/выключением крупной ТЭЦ — несколько раз в сутки. Кроме того, иногда эти станции вырабатывают гораздо больше, чем нужно всем потребителям энергосистемы, и тогда стоимость электроэнергии становится «отрицательной» — такие новости регулярно приходят из Германии, например.

Управляться с такими колебаниями научились, создавая накопители энергии, которые «заряжаются» в периоды избытка энергии и «разряжаются» в периоды ее дефицита. Если в XX веке роль таких накопителей исполняли только гидроаккумулирующие станции, то в наши дни бурно развиваются электрохимические накопители, самые известные из которых — это «свежие» проекты Tesla в Калифорнии и Австралии. Navigant Research прогнозирует увеличение ежегодного ввода мощности накопителей для ВИЭ примерно с 2 ГВт в 2018 году до 24 ГВт в 2026 году — в 12 раз за восемь лет. Годовая выручка на этом рынке вырастет пропорционально до $24 млрд к 2026 году.

Растущая потребность в накопителях энергии заставила опять вспомнить о водороде.

Возобновляемую энергию — в автозаправки

Производить электролизом водород можно было и раньше, но тогда нужно было использовать энергию традиционных тепловых электростанций, сжигающих топливо. Когда же речь идет об избыточной и дешевой электроэнергии от солнечных и ветряных электростанций, свободных от выбросов СО₂, то почему бы не преобразовать ее в водород, который использовать в качестве чистого топлива, например, для автомобилей? Тем более что это позволит отказаться от углеводородов как сырья для производства водорода. Ровно по этому пути идет множество инновационных компаний в Европе и мире. Британская ITM Power участвует в проекте Hydrogen Mobility Europe (H2ME), цель которого — запустить сеть из 29 заправочных водородных станций в 10 европейских странах к 2019 году, которые будут обслуживать 200 легковых машин на водородных топливных элементах и 125 гибридных грузовиков. Шведская Nilsson Energy специализируется на изолированных от энергосистемы решениях, в которых энергия солнца и ветра используется для получения и хранения водорода и его использования для заправки автомобилей и энергообеспечения зданий.

Автомобили на водородных топливных элементах уже выпустили на рынок Honda, Toyota, Hyundai и ряд китайских компаний. Целевое видение международного консорциума Hydrogen Council, основанного в Давосе в 2017 году крупнейшими отраслевыми компаниями под председательством Toyota, — более 400 млн легковых машин, 15-20 млн грузовиков, 5 млн автобусов на водороде к 2050 году (то есть около 20–25% от общего количества). 78% топ-менеджеров глобальной автомобильной индустрии, опрошенных KPMG в 2017 году, полагают, что такие автомобили станут прорывом в секторе электромобилей, отодвинув на второй план аккумуляторные машины.

Но транспорт — далеко не единственное направление.

Водород — в каждый дом

Стационарные топливные элементы (fuel cells) — динамично развивающаяся технология, которая позволяет получать электрическую и тепловую энергию из водорода или природного газа непосредственно на придомовом участке или в подвале дома. Выброс при использовании водорода только один — чистая вода, которую можно использовать для кондиционирования воздуха. Компактные модульные установки размером с холодильник абсолютно бесшумны. По прогнозу Navigant Research, мощности стационарных топливных элементов вырастут с 500 МВт в 2018 году до 3000 МВт в 2025 году. Такие установки комбинируются с ВИЭ, электролизерами, накопителями энергии и позволяют создавать полноценные автономные источники энергоснабжения для домохозяйства. Приведенная стоимость электроэнергии от топливных элементов на природном газе в США, по оценке Lazard ($106–167 за МВт∙ч) уже примерно равна показателям атомных ($112–183 за МВт∙ч) и угольных ($60–231 за МВт∙ч) электростанций и меньше приведенной стоимости индивидуальных крышных солнечных панелей ($187–319 за МВт∙ч). В Японии благодаря масштабным государственным субсидиям таких установок в 2014 году насчитывалось уже более 120 000, а целевые значения — более 1 млн к 2020 году и более 5 млн к 2030-му. По мере удешевления технологий (массовость производства, стандартизация) и выхода на их самоокупаемость, японское правительство планирует приступить к внедрению водородных топливных элементов — ожидается, что это произойдет к 2030 году. Топливные элементы — несомненно, важнейший перспективный сегмент технологий распределенных энергоресурсов, потенциала которых в России в соответствии с недавним исследованием Энергетического центра школы Сколково достаточно для закрытия не менее половины потребности в генерирующих мощностях до 2035 года.

Power-to-Gas

Водород, полученный с помощью возобновляемых источников энергии, можно подмешивать в газотранспортные и газораспределительные сети. Такая станция работает во Франкфурте-на-Майне с 2014 года, добавляя до 2% водорода в местную газораспределительную сеть (такое ограничение содержания водорода позволяет вообще ничего не менять ни в сетях, ни у потребителей). В Германии есть несколько подобных объектов, встречаются они и в Италии, Дании, Нидерландах. Иногда водород подмешивают в биогаз, увеличивая его ценность.

В Великобритании всерьез рассматривают водород как способ радикального сокращения эмиссий от домохозяйств (85% домохозяйств в стране сжигают природный газ для отопления). Для города Лидс с населением более 780 000 человек в 2017 году проведена детальная оценка потребности в инвестициях для полного перевода системы газоснабжения на водород — от замены котлов у потребителей до создания подземных хранилищ водорода и установок паровой конверсии. Сумма инвестиций оценивается в 160 млрд рублей. Этот проект собираются масштабировать на всю страну, тем более что британские города в течение XIX века и первой половины XX века уже использовали искусственный «городской газ», содержавший до 50% водорода. А пока газовые компании планируют постепенно увеличивать долю водорода до 20%, избегая масштабной реконструкции газовых сетей и котлов у потребителей.

Японские компании с 2013 года обсуждают с «Русгидро» возможность создания завода по производству водорода на российском Дальнем Востоке по технологии power-to-gas с целью его экспорта. Расчет японской стороны строится прежде всего на использовании дешевой электроэнергии от гидроэлектростанций. По соглашению, подписанному на Восточном экономическом форуме осенью 2017 года, Kawasaki Heavy Industries должна актуализировать технико-экономическое обоснование этого проекта. По мере развития инфраструктуры на Дальнем Востоке и удешевления технологий электролиза и логистики водорода интерес к подобным проектам, очевидно, будет только расти. Учитывая огромный потенциал возобновляемой энергетики в этом регионе, можно прогнозировать появление здесь перспективных экспортных проектов.

Водород — интегратор газохимии и энергетики

Но самый впечатляющий проект реализуется сейчас на севере Нидерландов. В этом регионе, расположенном прямо над Гронингенским газовым месторождением (причиной «голландской болезни»), уже несколько лет бурно развивается биогазовая энергетика. Уже пять лет назад по улицам ездили автомобили на groen gas — биометане, произведенном здесь же из отходов агропрома региона площадью в две Москвы. Неудивительно, что именно здесь при поддержке Евросоюза год назад стартовал проект Chemport Europe, основная цель которого — создать полноценный газохимический кластер, работающий исключительно на местных биоресурсах и водороде с нулевыми выбросами СО₂. Древесная биомасса перерабатывается, образующиеся в процессе углеводы используются в химии. Электроэнергия от офшорных ветряков преобразуется электролизерами в водород и кислород. Кислород и водород используются в химии, а кислород еще и участвует в газификации переработанной биомассы с местных полей площадью более миллиона гектаров. Газификация позволяет получить синтетический газ — чистую смесь водорода, СО₂ и СО. Туда же добавляется и чистый водород от ветряков. Из этого газа получают азотную кислоту, метанол, этилен, пропилен, бутилен — вещества, которые могут полностью вытеснить нефть и природный газ с их устойчивых позиций сырья для химической промышленности.

Инициаторы проекта заявляют о стремлении приблизить стоимость синтетического газа к стоимости природного. Сингаз можно отправлять на сжижение (био-СПГ), заправлять им автотранспорт и использовать для прочих классических нужд.

Первоначальные инвестиции в проект — €50 млн, из них €15 млн обеспечиваются грантами Евросоюза.

Водородная олимпийская деревня

В Токио к Олимпиаде-2020 возводят олимпийскую деревню, которая примет до 17 000 гостей. Главным источником энергии в деревне будет водород: автомобили, заправочные станции, топливные элементы, тепло и электроэнергия в домах, газ в плитах и котлах — все это будет работать на водороде.

Так ли все безоблачно?

Среди скептиков водородной энергетики не только консерваторы, но и, например, Илон Маск (хотя, конечно, у него конфликт интересов: литий-ионные батареи Tesla — прямой конкурент технологии power-to-gas). Он указывает на опасность обращения с водородом при его хранении: утечки почти невозможно определить, и есть вероятность образования взрывоопасной смеси. Аналогичные опасения высказывают некоторые жители Токио. Можно ли эффективно и дешево решить эти проблемы на фоне развития конкурирующих технологий, покажет время. А пока в центрах мировых столиц продолжают возникать водородные заправки.

Ставки сделаны

Пока что глобальные инвестиции в водородную энергетику составляют, по разным оценкам, около €0,85-1,4 млрд в год. Консорциум Hydrogen Council планирует инвестировать $13 млрд в течение пяти лет в сети водородных заправочных станций и водородные автомобили. По данным департамента энергетики США, сектор топливных элементов уже дает работу 16 000 гражданам (перспектива роста — до 200 000), а финансовая поддержка от государственного бюджета США составляет около $100 млн в год на протяжении уже многих лет. Несколько десятков компаний, научных центров и университетов по всему миру работают над сокращением стоимости водородных технологий, в частности, заявлена цель снижения стоимости производства водорода методом электролиза от $11,5 до $5,7 за килограмм, а также уменьшения стоимости топливных элементов (в три-пять раз) и хранения водорода (в два-три раза). Очевидно, когда эти цели будут достигнуты, «водородная экономика» будет куда ближе к нам, чем может сейчас представляться.

Как это отразится на мировых рынках нефти и газа? Что это будет означать для российской экономики? Как нам найти свое место в мире «водородной экономики»? Все это вопросы, ответы на которые нужно готовить уже сейчас.