Развитие "зеленой" экономики обуславливает активный рост водородной энергетики во всем мире. На сегодняшний день водородные стратегии утверждены уже в 26 странах. Реализуется большое количество пилотных проектов по масштабному производству водорода. Рассмотрим основные тенденции в данной сфере, наиболее актуальные на сегодняшний день.
Глобальный рынок водородной энергетики
Ускорению развития водородной энергетики способствовало Парижское соглашение, подписанное 12 декабря 2015 года и вступившее в силу 4 ноября 2016 года. Согласно данному документу, страны-участницы обязаны в период с 2050 по 2100 год ограничить выброс парниковых газов до такого объема, который экосфера способна переработать самостоятельно (без вмешательства человека). Кроме того, развитые государства обязаны перечислять финансовые средства в специальный климатический фонд для помощи бедным странам в борьбе с последствиями климатических изменений.
В начале XXI века начал формироваться и глобальный водородный рынок. Так, в 2022 году в мире было произведено 98 млн т водорода (в 2020-м – 90 млн т, в 2021-м – 94 млн т). Согласно докладу Международного энергетического агентства (МЭА), к 2050 году мировой спрос на водород должен достичь 528 млн т, а его доля в мировом энергобалансе составит 18% (в том числе 10% будет приходиться на "зеленый" водород).
По консолидированным оценкам, к 2030 году объем глобального рынка низкоуглеродного водорода достигнет $500–800 млрд в год.
Активно формируется и глобальный рынок оборудования для водородной энергетики, в первую очередь электролизеров и топливных элементов. Его объем уже сегодня составляет $5–7 млрд, а к 2050 году может достичь $200–225 млрд.
В 2022 году основным потребителем водорода в мире были следующие отрасли: нефтепереработка (45%), производство аммиака и метанола (36% и 14% соответственно) и металлургия (5%). Потребление водорода на энергетические нужды и в сфере транспорта составило примерно 40 тыс. т (0,04 % от общего показателя).
Основные тенденции данного рынка – замещение водорода с высоким углеродным следом на низкоуглеродный, а также формирование инфраструктуры водородного транспорта и начало применения водорода в отраслях, где этот газ ранее массово не использовался.
Состояние водородной энергетики в России
Доля России в глобальном производстве водорода сегодня составляет около 7%, страна занимает пятое место в мире после Китая, США, ЕС и Индии. С 2018 по 2022 год производство водорода в России увеличилось на 16,6%: с 2,05 до 2,39 млрд куб. м. Однако по сравнению с 2021 годом оно снизилось на 1,2% (см. рис. 1).
При этом если в Китае более 62% водорода производится из угля путем его газификации, то в России он получается в основном из природного газа методом паровой конверсии. На производство водорода направляется более 28 млрд куб. м природного газа, что составляет порядка 6% от его внутреннего потребления в РФ.
Рис 1
Основными потребителями водорода в России являются предприятия химической отрасли, которые используют его для получения аммиака, метанола, пластмасс, хлороводорода, соляной кислоты, а также нефтеперерабатывающие заводы (для выпуска топлива стандарта "Евро 5", см. рис. 2).
Потребление водорода в металлургии является незначительным (он применяется в процессе восстановления некоторых металлов). В энергетике водород выступает в роли альтернативного вида топлива, в медицине задействован при производстве водного раствора перекиси водорода, в пищевой промышленности он необходим для проверки герметичности при упаковке продуктов.
Рис 2
Характерной чертой отечественного рынка водорода является то, что крупнейшие производители данной продукции являются одновременно и ее основными потребителями. Порядка 90% получаемого в стране водорода направляется на внутризаводское нужды. Использование водорода в большинстве случаев интегрировано в единые цепочки с производством конечной продукции (аммиака, метанола, полиамидов), что обусловлено дороговизной его хранения и транспортировки.
Водород как энергоноситель является оптимальным решением для снижения выбросов в целом ряде секторов экономики. Так, по мнению главы Национального водородного союза России Дениса Дерюшкина, потенциал сокращения эмиссии СО2 за счет применения водорода в дорожном транспорте оценивается в 57%, в металлургии – в 63%, а в энергетике – в 20%.
В целях развития отечественной водородной энергетики принят ряд основополагающих документов. В частности, 9 июня 2020 года была утверждена Энергетическая стратегия РФ на период до 2035 года (распоряжение Правительства РФ № 1523-р), в которой нашли отражение как традиционные направления развития ТЭК, так и сравнительно новые (газовое топливо на транспорте) и даже инновационные (водородная энергетика). Впервые газомоторное топливо и водородная энергетика были упомянуты наравне с традиционными источниками.
В октябре 2020 года распоряжением Правительства РФ № 2634-р утверждается "План мероприятий развития водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года". Целью данного документа является достижение паритета в развитии водородной энергетики с ведущими в этой области зарубежными странами.
Затем последовало распоряжение Правительства РФ от 05.08.2021 № 2162-р, утвердившее Концепцию развития водородной энергетики в РФ. Почти одновременно с этим документом вышло распоряжение Правительства РФ от 23.08.2021 № 2290-р по утверждению Концепции по развитию производства и использования электрического автомобильного транспорта на период до 2030 года. Данная концепция включает в себя и развитие водородных технологий.
В рамках федерального проекта "Чистая энергетика" на развитие водородной энергетики предусмотрено выделение средств федерального бюджета в размере 9,3 млрд рублей в период до 2024 года. Предполагается, что к 2030 году Россия займет до 20% мирового рынка водорода.
В феврале 2023 года Межведомственной рабочей группой по развитию водородной энергетики в Российской Федерации (сформирована Правительством РФ совместно с "Газпромом" и "Росатомом") была утверждена "дорожная карта" развития высокотехнологичного направления "Водородная энергетика" на период до 2030 года. Согласно ей, к концу 2024 года в РФ должно производиться 200 тыс. т водорода в год, а к 2035 году – 12 млн т.
В "дорожной карте" предусмотрены поддержка пилотных проектов по производству водорода, а также стимулы для экспортеров и покупателей на внутреннем рынке. Первые водородные установки планируется запустить в 2024 году на атомных электростанциях, объектах добычи газа и переработки полезных ископаемых.
Согласно планам Правительства, до конца 2024 года российские научно-технологические центры должны разработать отечественные технологии производства водорода и создать собственные полигоны для их апробации.
В феврале 2023 года был создан Национальный союз развития водородной энергетики (Национальный водородный союз). Его учредителями выступили "Русатом Оверсиз", стартап-студия "ТехноСпарк" (входит в сеть Фонда инфраструктурных и образовательных программ "Роснано"), а также "H2 Инвест" (принадлежит "Газпромбанк-Развитию"). Предполагается, что он объединит компании, потребителей, финансовые институты и научные организации в целях развития новой отрасли, а также для подготовки предложений по ее государственному стимулированию. Союз также будет способствовать взаимодействию и обмену опытом с международными организациями и создателями водородных технологий и инфраструктуры.
Ключевые проекты в России
После принятия вышеупомянутой концепции в нашей стране возник настоящий "водородный ажиотаж". Как уже писал ИнфоТЭК, Минпромторгом России подготовлен Атлас российских проектов по производству низкоуглеродного и безуглеродного водорода и аммиака, в котором содержится 41 пилотный проект, реализуемый в 18 регионах страны.
Лидерами отрасли остаются углеводородные гиганты с госучастием: "Газпром", "Росатом", "Новатэк". Также водородными технологиями занимается несколько десятков компаний, в том числе "H2 Чистая энергетика", АФК "Система", "Норникель".
Крупнейшие кластеры по производству водорода создаются на Сахалине (проект "Росатома" по транспортировке "голубого" водорода морем в Китай), в Якутии (проект "Северо-восточного альянса" по поставке "голубого" водорода в КНР по железной дороге), на Ямале (проект "Новатэка" по экспорту "голубого" водорода морем в Германию), в Восточной Сибири (поставки En+ "зеленого" водорода в Китай по железной дороге) и на Северо-Западе (проекты "зеленого" водорода "Росатома", "Роснано", "H2 Чистая энергетика").
Одним из важнейших проектов следует считать формирование водородного кластера на Сахалине, где имеются достаточные сырьевые ресурсы (природный газ, уголь) и развитая инфраструктура генерации на базе ВИЭ. В регионе планируется строительство завода по производству водорода из природного газа методом паровой конверсии метана. Также реализуется пилотный проект по использованию водорода на железнодорожном транспорте. Власти региона намерены до 2030 года наладить производство "зеленого" водорода в объеме до 100 тыс. т в год.
В Архангельской области прорабатываются варианты производства "зеленого" водорода на Мезенской ПЭС (мощность до 12 ГВт) – до 500 тыс. т в год к 2030 году и до 1 млн т в год к 2033 году. Участниками проекта выступают Агентство регионального развития Архангельской области и "НордЭнергоГрупп".
Планируется производство "зеленого" водорода и в Калининградской области, где его будут получать электролизом воды с использованием ветровой энергии. А в Мурманской области намерены производить "розовый" водород на базе электроэнергии, вырабатываемой Кольской АЭС (эти проекты реализует "Росатом"). В свою очередь, "Лукойл" собирается производить "зеленый" водород в Краснодарском крае (до 13 т в год).
"Росатом" планирует до 2030 года реализовать программу по созданию отечественных технологий в области производства и обращения с водородом, организовать серийное производство электролизных установок различной мощности, а также создать атомную энерготехнологическую станцию с высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами и химико-технологической частью.
В марте 2023 года "Русатом Оверсиз" (входит в "Росатом") и компания "Поликом" (ведущий поставщик промышленных генераторов водорода) заключили соглашение о создании консорциума для продвижения на внутренний и внешний рынок отечественного водородного оборудования, в частности электролизеров.
В декабре 2022 года на Кольской АЭС уже был произведен первый водород с помощью электролизной установки отечественного производства, что позволит данной АЭС стать пилотной площадкой в России.
В сентябре 2022 года "Русатом Оверсиз" и ГКНПЦ им. Хруничева (входит в "Роскосмос") подписали соглашение о намерениях. Оно предусматривает сотрудничество в разработке отечественных технологий по хранению и транспортировке водорода, которые будут востребованы в космической отрасли.
Топливная компания "ТВЭЛ" реализует масштабный инвестиционный проект по созданию в Новоуральске опытно-промышленного производства электролизного оборудования. Так, по заказу АО "Концерн Росэнергоатом" специалистами НПО "Центротех" была разработана электролизная установка производительностью 50 нормальных кубических метров водорода в час.
Оборудование "Росатома" по производству водорода основано на экологичной технологии электролиза воды с применением уникальной анионопроводящей матрицы. Использование матрицы и выбранные инженерно-конструкторские и технологические решения позволяют обеспечить компактность установки, низкое удельное энергопотребление электролизной батареи (не более 4 кВт·ч на один нормальный кубометр производимого водорода), высокие динамические характеристики, безопасную эксплуатацию, а также требуемую чистоту получаемого водорода.
Кроме того, в России в рамках федерального проекта "Электромобиль и водородный автомобиль" планируется до 2030 года создать линейку машин, работающих на электричестве и водородном топливе, а также зарядную и заправочную инфраструктуру для них.
Проекты развития водородного транспорта уже есть. Так, КамАЗ создал водоробус, способный проехать 250 км без дозаправки (правда, на данный момент модель существует лишь в пилотном исполнении). Легковые автомобили на водородных топливных элементах разрабатывают специалисты НАМИ. Компании, входящие в АФК "Система", работают над электрическим катамараном с водородным двигателем и силовой установкой для гражданских беспилотников.
Наряду с этим водород может быть востребован и при реализации российских высокотехнологичных проектов. Водородные топливные ячейки или двигатели на водороде подходят для БПЛА, могут применяться для морского и речного судоходства (в мире такую возможность изучает, в частности, корейская Samsung Heavy Industries). С учетом значительных сухопутных и водных просторов РФ, такие сценарии применения становятся все более актуальными для нашей страны. Их коммерческая и техническая реализация зависит от корректной оценки потребностей и затрат по всей цепочке создания стоимости, а также от формирования условий для промышленного тиражирования.
И это только малая часть проектов, реализуемых отечественными корпорациями и учреждениями в целях развития водородной энергетики и масштабирования новых технологий и продуктов отечественного происхождения. В перспективе возможно создание целых кластеров потребления водорода (см. рис. 3).
Рис 3
Но стоит отметить, что сейчас в России существуют экономические и технические барьеры для роста водородной энергетики. К ним относят, во-первых, отсутствие необходимой инфраструктуры для хранения и транспортировки водорода. Во-вторых, высокие затраты на реализацию логистических проектов. Наконец, в-третьих, неразвитость соответствующей нормативно-правовой базы.
Международное водородное партнерство
Для скорейшего и безопасного внедрения водородных технологий многие страны начали объединять свои усилия. Потенциальными партнерами для России в данном направлении традиционно считаются Германия, Китай, Южная Корея и Япония. Но в связи с нынешней геополитической ситуацией многие ранее рассматривавшиеся планы были отложены. Единственная страна, с которой РФ продолжает сотрудничество в области водородной энергетики, – это Китай. Однако России надо как можно скорее воспользоваться этим "окном возможностей", поскольку в планах у Пекина – создание Китайского водородного альянса (The China Hydrogen Alliance), который поможет КНР обойтись при производстве водорода без чьей-либо помощи.
Другими потенциальными партнерами России в области водородной энергетики могут быть государства Ближнего Востока (текущее производство – 3,2 млн т водорода в год), Латинской Америки (2 млн т), а также африканские страны (2,2 млн т).
Конкурентами России на мировом рынке водорода будут ОАЭ, Саудовская Аравия, Австралия, Норвегия, Оман, также сделавшие ставку на производство и продажу водорода за рубеж. В гонку включаются Китай и Казахстан. Стоит отметить, что они также являются нефте- и углепроизводящими странами, то есть на первых этапах производство водорода все же останется "серым" и "бурым".
Перспективы водородной энергетики
Сегодня водород рассматривается как перспективный энергоноситель, способный обеспечить надежное получение доступной и экологичной энергии. Поэтому в последние десятилетия в мире разработано большое число новых технологий в области производства, хранения и транспортировки водорода (см. таблицу).
Таблица 1
Большинство исследований сегодня касается производства водородных топливных элементов (ячеек). Они преобразуют химическую энергию в электричество и применяются в промышленности для автономной генерации и накопления энергии, на транспорте (авиа-, авто-, железнодорожном), в электроэнергетике для обеспечения энергией удаленных и труднодоступных районов. Например, в Индии стратегия развития водородной энергетики предполагает, прежде всего, реализацию проектов по созданию топливных ячеек для автомобильного и железнодорожного транспорта. В Южной Корее в 2021 году запущена в эксплуатацию самая крупная в мире электростанция на водородных топливных элементах. Ряд ведущих японских корпораций (например, Teijin Group) в 2022 году запустили пилотные проекты апробации портативных водородных топливных ячеек сразу в нескольких отраслях: строительстве, морских перевозках и авиакосмической индустрии.
Не менее значимым направлением научных исследований является поиск и создание материалов для водородных компонентов. Прежде всего речь идет о материалах, используемых для катализаторов, обеспечивающих выработку электроэнергии. Каталитические технологии, без которых немыслима вся современная нефтеперерабатывающая и химическая промышленность, нефте- и газохимия, фармацевтическая и пищевая отрасли, составляют также основу водородных технологий. Как правило, в катализаторах используется платина, за счет чего водородные топливные ячейки имеют очень высокую стоимость. Поэтому сегодня активно изучаются возможности использования других материалов. В 2022 году специалисты Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе применили вместо платины кристаллы платинокобальтового сплава. В начале 2023 года российские ученые разработали другой материал для электрокатализаторов – углеродные микротрубки, покрытые композитами на основе никеля и меди. Это делает процесс получения водорода более дешевым и эффективным.
А вот производство экологически чистого "зеленого" водорода путем электролиза воды с использованием ВИЭ остается дорогостоящей технологией с отдаленными перспективами реализации. Текущий уровень готовности пока не позволяет говорить о коммерциализации этих разработок. Они приобрели популярность в силу масштабных и системных инвестиций в исследования со стороны ряда государств, в первую очередь стран ЕС. Стоимость электролизеров постепенно снижается (за 2018–2022 годы – вдвое), появляются более мощные и масштабируемые установки, хотя их применение все еще ограничено.
Что касается сферы хранения водорода, то сегодня основная задача состоит в том, чтобы создать такие коммерческие системы, которые бы отличались энергоэффективностью и вместительностью. Один из наиболее удобных и наименее затратных вариантов для длительного использования в промышленных масштабах – подземное хранение водорода. Еще в 1970-х годах для этих целей были оборудованы подземные солевые шахты, например в США и Германии. В Соединенных Штатах в настоящее время планируется строительство крупнейшего подземного хранилища водорода.
Флагманами развития водородомобильной индустрии являются Япония и Южная Корея. Компании Toyota и Hyundai наладили серийное производство пассажирских электромобилей, работающих на топливных водородных ячейках. За счет государственной поддержки продажи пассажирского и грузового транспорта на топливных ячейках увеличились в 2021 году более чем на 66% по сравнению с 2020 годом.
***
Эксперты в целом склоняются к тому, что мировой рынок водородной энергетики будет сформирован не ранее начала 2030-х годов. Это обусловлено незрелостью существующих технологий, а также отсутствием необходимого законодательного регулирования, обеспечивающего безопасное и эффективное использование водорода. Развитию водородного рынка также препятствуют высокие издержки производства и хранения водорода, потери энергии на каждом этапе цепочки создания стоимости, сложности транспортировки и т. д.
На фоне такой высокой неопределенности инвесторы пока консервативны в своих ожиданиях: водородные проекты хотя и финансируются, но не столь активно. В 2022 году в мире было заявлено 680 крупномасштабных водородных проектов стоимостью $240 млрд, но только каждый десятый из них получил финансирование.
Для России в текущих геополитических условиях развитие водородного направления приобретает особую значимость. Наша страна из соображений технологической безопасности просто не может позволить себе отказаться от создания водородной энергетики. Ведь если в мире сформируется новая отрасль ТЭК с совершенно новым технологическим пакетом, то любое технологическое отставание в будущем приведет к неизбежной зависимости от лидеров этой отрасли. К тому же наша страна обладает уникальным сочетанием факторов для развития водородной энергетики, включая значительные запасы природного газа, существенный научно-технологический задел и выгодное географическое положение.