Водородный оптимизм давно стал приметой времени. По оценкам Strategy&, к 2050 году производство зеленого водорода (то есть произведенного с помощью возобновляемых источников энергии) может достигнуть 530 млн т. В качестве энергоносителя он вытеснит более 10 млрд баррелей нефтяного эквивалента, что составляет около 37% мировой добычи нефти до пандемии. Экспортный рынок зеленого водорода, по оценкам компании, составит к этому времени $300 млрд в год и создаст 400 000 рабочих мест в отрасли производства водорода и в возобновляемой энергетике. А по оценкам Morgan Stanley, водородный рынок к 2050 году составит $2,5 трлн против $130 млрд в 2017-м.
Однако любые прогнозы на 30 лет заставляют вспомнить притчу об осле и падишахе. Попытаемся разобраться, как водородная отрасль выглядит сегодня и что заставляет экспертов верить в ее грядущий взрывной рост.
Первый элемент
В 2020 году в мире было произведено 87 млн т водорода. Сегодня этот газ используется в основном в промышленности, и не как топливо, а как реактив. Около половины всего водорода расходуется на производство удобрений, еще примерно четверть — на переработку низкосортной нефти. Также водород считается перспективной заменой кокса в металлургии, хотя здесь он пока применяется не очень широко — прежде всего из-за высокой цены.
Но в последние годы растет интерес к водороду и как к энергоносителю. На улицах городов, от Японии до Бразилии, понемногу появляется водородный транспорт. Ведутся разговоры об отоплении помещений и работе газовых электростанций на чистом водороде или смеси его с природным газом.
Дело в том, что единственный продукт сгорания водорода — вода. При этом не образуется никаких вредных веществ, а это серьезный плюс в мире, где загрязнение воздуха уносит более 4 млн жизней в год. Не выделяется при горении водорода и углекислый газ, выбросы которого, по мнению большинства климатологов, ведут к глобальному потеплению. В пересчете на массу (но не на объем) первый элемент в таблице Менделеева — еще и весьма эффективное топливо: он более чем вдвое калорийнее метана.
Водорода в огонь подливают и геополитические неурядицы. В недавнем совместном заявлении германских и норвежских министров развитие водородной энергетики прямо увязывается с необходимостью снизить зависимость от российских энергоносителей. Впрочем, о масштабных инвестициях в водородную энергетику заявляет и Китай, которого не упрекнешь в плохих отношениях с Россией, а также крупнейший экспортер нефти Саудовская Аравия. В 2020 году правительства 10 стран приняли стратегии развития водородной отрасли.
Все стало вокруг голубым и зеленым
Сжигание готового водорода — процесс безуглеродный. А вот с его производством все сложнее. В зависимости от углеродного следа этот газ маркируется как «серый», «голубой» и «зеленый».
Сейчас почти весь водород производится из природного газа или угля. При этом образуется углекислый газ, который выбрасывается в атмосферу. Это «серый» водород. Если улавливать углекислоту, не давая ей попадать в воздух, получается «голубой» газ.
Еще один способ производства водорода — электролиз воды (разложение ее электрическим током). Если это электричество было выработано на тепловых электростанциях, продукт будет опять же «серым». Если на атомных — «желтым» (АЭС не загрязняют воздух и не выделяют углекислый газ, но создают опасные радиоактивные отходы). А «зеленый» водород производится из воды с помощью солнечной или ветровой электроэнергии.
Именно производство «зеленого» водорода считается самым прогрессивным. Правда, забота о климате — дорогое удовольствие. «Серый» водород оценивается в €1-1,5 за килограмм, а вот килограмм «зеленого» может стоить €3-7. Конечно, по мере масштабирования производства эти цифры могут измениться.
Важно понимать, что «зеленый» водород — не источник энергии, а лишь посредник между солнечной батареей и потребителем, своего рода химический аккумулятор. При разложении воды на кислород и водород тратится энергия. При сжигании водорода в кислороде с образованием воды энергия высвобождается. Просто по закону сохранения энергии во втором процессе нельзя получить больше, чем потрачено в первом. А ведь энергия еще и теряется во всех промежуточных звеньях между заводом и потребителем (например, КПД топливного элемента водородомобиля составляет 60-65%). Учитывая фундаментальные ограничения солнечной и ветровой энергетики, не стоит ждать, что «зеленый» водород полностью заменит традиционные энергоносители. Но он может заметно их потеснить.
Встать на колеса
Разумеется, первая цель водородной революции — заменить «серый» водород «зеленым» хотя бы там, где это вещество применяется сегодня. Следующий фронт наступления — водородный транспорт.
Эта отрасль находится в зачаточном состоянии. Даже в Японии не наберется и полутора сотен водородных заправок, а ведь она рекордсмен по этому показателю. В остальных странах количество заправочных станций измеряется единицами и десятками. И все же у тех, кто прочит водородному транспорту большое будущее, есть веские аргументы.
Разберемся в том, как работает водородный автомобиль. Прежде всего, водород в нем не сжигается. Вместо этого он поступает в топливный элемент, где реагирует с кислородом воздуха при температуре всего 70°C. В этой реакции вырабатывается электричество, которое и питает электромотор. То есть водородомобиль — это электромобиль, у которого вместо аккумулятора баллон с водородом.
Такая замена позволяет сохранить многие преимущества электромобилей, избавившись от их недостатков. Как поясняет заместитель руководителя Центра компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» Алексей Паевский, у водородного «аккумулятора» примерно втрое выше плотность запасенной энергии (количество киловатт-часов на килограмм массы). Поэтому водородомобиль может проехать на одной заправке втрое дальше, чем электромобиль. При этом он заправляется за три-четыре минуты, а не за несколько часов (или полчаса быстрой зарядки, создающей проблемы электросети).
Эта разница не столь ощутима при поездках по городу на легковом автомобиле, который совершает небольшой рейс, а потом долго стоит на парковке (читай зарядке). А вот в общественном, грузовом и междугороднем транспорте водородные автомобили выгоднее аккумуляторных.
Кроме того, побочное тепло от топливного элемента можно использовать для обогрева салона. Этим водородный автобус выгодно отличается от электробуса, где приходится использовать дизельную «печку».
Эксперт также отмечает, что мнение об особой опасности водородных автомобилей ничем не обосновано. Да, водород воспламеняется, но бензин и природный газ — тоже не пена огнетушителя. Да и литий-ионные аккумуляторы электромобилей легко превращаются в факел.
Более того, водород гораздо легче воздуха, так что при протечке он быстро улетучивается. Поэтому в экспериментах огонь в водородном автомобиле сам собой затухал за полторы-две минуты. За это же время классическое бензиновое авто сгорает целиком.
Но все-таки что скажут цифры? В прошлом году российские ученые опубликовали статью, в которой пытались выяснить, что лучше использовать в Москве: обычные дизельные автобусы, автобусы на природном газе, электробусы или «водородобусы» (предполагалось, что инфраструктура заправок уже создана). Исследователей интересовали затраты энергии, выбросы углекислого газа и экономическая рентабельность. В энергетических и «углеродных» расчетах авторы учитывали все этапы жизненного цикла машины: производство, эксплуатацию, обслуживание и утилизацию, а также производство топлива или электроэнергии. В финансовых расчетах утилизация не учитывалась.
Рассматривалось три варианта получения водорода: из природного газа («серый»), из него же с улавливанием углерода («голубой») и электролизом воды. Электричество предполагалось брать из столичной городской сети. Высокая доля тепловых электростанций в местной генерации окрашивала электролизный водород в близкие к серому тона.
Оказалось, что по затратам энергии почти все варианты сопоставимы. Резко выбивается из картины только «электролизный» водородный автобус. Ему требуется в два с лишним раза больше энергии, чем старому доброму дизелю.
Меньше всего выбросов CO2 предсказуемо дает «голубой» водородный автобус. Этим он выгодно отличается и от машин с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), и от электромобилей, запитанных от «серого» электричества Москвы. Оно добавило углеродный след и «электролизному» автобусу: выбросы углекислого газа оказались даже больше, чем дизеля!
При этом предполагаемые затраты (без учета утилизации) составили 10 млн рублей на газовый автобус и 15 млн — на дизельный. Электромобиль с аккумулятором на 77 кВт∙ч обошелся бы в 13 млн, а на 460 кВт∙ч — в 44 млн. Транспорт на водороде из природного газа обошелся бы в 16–20 млн в зависимости от стоимости силовой установки, на «голубом» водороде — в 21-25 млн, а на электролизном — в 26-29 млн.
Получается, что водородный транспорт дороже почти любого другого. Но если учесть очень дорогую утилизацию литий-ионного аккумулятора, то «водородобус» окажется дешевле любого электробуса. А в том, что он дороже традиционного транспорта с ДВС, виноваты прежде всего высокие цены на водород.
Летучие инвестиции
Цены на водород могут упасть, когда его станет больше. А предпосылки к этому есть, правда, в основном не в России.
Так, немецкие компании OGE и RWE объявили о запуске масштабного проекта H2ercules стоимостью €3,5 млрд.
Предполагается построить на Северном море завод по зеленому электролизу воды мощностью до 1 ГВт. Готовый водород будет поступать промышленным потребителям на западе и юге Германии по трубопроводам общей длиной до 1500 км (в большинстве случаев это будут переделанные газопроводы). В перспективе планируется экспорт продукции в другие страны Европы. Запланировано также строительство газовых электростанций, готовых работать на водороде, мощностью не менее 2 ГВт. Идея тратить электроэнергию на производство водорода, чтобы потом получать из него электроэнергию, может показаться странной. Но здесь, как и в автомобиле, водород может играть роль аккумулятора. Такие запасы сгладят зависимость солнечной и ветровой генерации от погоды и времени суток.
Крупнейший в мире производитель водорода — Китай с его 33 млн т в год. Почти весь этот водород — «серый», и конечно, он не может в одночасье «позеленеть». Недавно обнародованный план развития водородной энергетики на 2021-2035 годы предусматривает производство к 2025 году лишь 100 000–200 000 тонн зеленого водорода в год, но это только начало.
Саудовская Аравия недавно объявила о строительстве завода мощностью 4 ГВт, благо это государство не испытывает недостатка в солнце, ветре и морской воде. Предприятие стоимостью $5 млрд должно заработать в 2026 году. Правда, продавать нефтяная монархия будет не чистый водород, а его соединение с азотом — аммиак. Это вещество гораздо легче сжижать и перевозить в танкерах.
Конечно же, в стороне от водородной революции не остаются и США. Компания Green Hydrogen International недавно обнародовала планы по созданию крупнейшего в мире центра производства и хранения зеленого водорода. Мощность 60 ГВт обеспечит производство более 2,5 млн т продукции в год.
Время покажет, окупятся ли все эти инвестиции. Но даже если водород окажется не слишком выгодным финансово, за чистый городской воздух можно и заплатить.
Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора