Водородная энергетика в России: современное положение и перспективы развития

В статье рассматривается современное состояние рынка водородной энергетики и возможности для его развития в России и мире. Показана краткая история вопроса, проведен анализ основных проектов и технологий и возможности их применения в Российской Федерации.

Ключевые слова: водородная энергетика, водород, водородный транспорт, возобновляемые источники энергии, возобновляемая энергетика, устойчивое развитие.

Повышение внимания научного сообщества к проблеме изменения климата оказывает существенное влияние на глобальный энергетический комплекс. Год от года усиливаются меры поддержки для углеродно-нейтральных, экологически устойчивых проектов. Передовые в этом плане государства акцентирую внимание на необходимости энергоперехода — перехода на возобновляемые источники энергии. В связи с данной повесткой после осознания несовершенства традиционных энергоносителей во время кризиса в 70-е, началось активное развитие водородной энергетики.

Водород — первый и наиболее распространенный элемент на Земле. Водород входит в состав организмов животных, глины, нефти, древесины, угля и природного газа, массовая доля водорода в воде 11,19 %. Содержание водорода в литосфере и гидросфере по массе 1 %, но по количеству атомов 16 %. Свободного водорода на Земле практически нет (0,0001 % по числу атомов), он находится в связанном состоянии в решетках и молекулах различных соединений. [1, с. 400–402]

В России первым о водороде как об источники энергии заговорил К. Э. Циолковский, предлагавший использовать водородно-кислородную смесь в качестве топлива для двигателей в 1903 году [2, c. 64]

Исторически первый водород был получен при помощи разложения воды. В наше время этот способ называют «электролизом», благодаря этому методу получается зеленый водород — самый чистый с точки зрения выбросов при его производстве. Так как в процессе производства зеленого водорода участвует только вода, то по итогу получается сам водород и кислород как побочный продукт. Однако этот способ на данный момент энергетически невыгодный и дорогой (до 3 квтч/кг H2).

На сегодняшний день более 68 % водорода производят из природного газа, 16 % — из нефти, 11 % — из угля и 5 % — из воды при помощи электролиза. Такой перевес объясняется разницей в стоимости производства. Водород из углеводородов стоит в 2–5 раз дешевле, чем полученный методом электролиза. Суммарный объем производства водорода в мире — 65 млн тонн, однако в России производится от 3 до 9,5 млн тонн [3].

Основные способы промышленного получения водорода сегодня [4]:

1. Паровая конверсия метана;
2. Газификация угля;
3. Коксование;
4. Разложение жидких и твёрдых водородов;
5. Атомно-водородная энергетика;
6. Электролиз;
7. Биотехнологические и альтернативные источники.

Основные направления использования водорода — это нефтеперерабатывающая и химическая промышленность. Основная часть водорода вырабатывается для производства аммиака, идет на процесс гидрокрекинга и гидроочистки. Особенно перспективно использование водорода в качестве ракетного топлива. Наиболее популярные направления использования показаны на рисунке 1.

Рис. 1. Направления использования водорода в мире [3, с.6]

Предпосылками для осознания необходимости энергоперехода становится усложнение добычи сырой нефти и газа, истощение запасов, удорожание эксплуатации месторождений, добыча в северных регионах в экстремальных условиях. На фоне этой ситуации на рынке традиционных энергоносителей, находят своё место новые источники энергии, в числе которых и водород.

Среди основных драйверов развития водородной энергетики можно выделить следующие:

– Необходимость снижения спроса на традиционные энергоносители;

– Снижение зависимости от поставок для стран, которые не добывают традиционные энергоресурсы;

– Формирование углеродной нейтральности государств;

– Освоение космоса (в ракетных двигателях используют водородное топливо).

Из основных преимуществ водородной энергетики можно выделить низкий объем выбросов вредных веществ в атмосферу в сравнении с традиционными энергоносителями: нефтью, газом или углём. Невысокая себестоимость производства и её снижение в случае формирования устойчивого спроса на продукцию. На сегодняшний день себестоимость одного килограмма водорода находится в пределах от 2 до 10 долларов за килограмм. Высокая энергоэффективность водорода делает его привлекательным источником энергии.

В случае использование водорода в топливном элементе, чистота процесса приближается к 99 %, количество выбросов практически нулевое. На сегодняшний день стоимость энергии, полученной при помощи топливных элементов, достаточно высокая, однако это связано со слабым развитием рынка водородной энергетики, недостаточным количеством запчастей и специалистов, работающих в этой области.

К основным недостаткам водорода как энергоносителя можно отнести трудность его транспортировки. Молекулы водорода очень маленькие и легкие. Водород примерно в 14,5 раз легче воздуха, при температуре выше — 253 градусов по цельсию его молекулы могут просачиваться через атомарную решетку металлического контейнера. Перевозить водород можно несколькими способами: в газообразном и жидком состояниях или в связанном виде с помощью твердых и жидких носителей. В настоящее время водород транспортируется преимущественно в газообразном состоянии по трубопроводам или в сжиженном виде в криогенных цистернах. Транспортировка водорода по трубопроводам далеко не новая идея, впервые она появилась еще в 1830 г. Первый магистральный трубопровод появился в Германии в 1938 году, эксплуатировался около 50 лет без аварий. Сегодня по всему миру насчитывается 16 тыс. км водородных трубопроводов, некоторых из них длиной 200–300 км. [5, c.18]

На сегодняшний день стоимость энергии, полученной при помощи топливных элементов, достаточно высокая, однако это связано со слабым развитием рынка водородной энергетики, недостаточным количеством запчастей и специалистов, работающих в этой области.

Рассмотрим проекты развития водородной энергетики в России.

На Дальнем Востоке в 2019 году Госкорпорация «Росатом» совместно с Министерством по развитию Дальнего Востока и Арктики РФ и Правительством Сахалинской области начали пилотный проект по созданию водородного кластера, в который войдут завод по производству водорода методом паровой конверсии метана, водородный транспорт, промышленные объекты, объекты ЖКХ и энергетики. На выбор локации повлияли крупные запасы природного газа, который планируется использовать в качестве сырья. Прогноз производства — от 35 до 100 тысяч тонн водорода в год, часть которого пойдет на экспорт в Китай в рамках сотрудничества «Русатом Оверсиз» и China Energy Engineering Group. Помимо Китая «Росатом» рассматривает экспорт водорода в Японию, Южную Корею и Вьетнам. Ориентация на азиатские рынки не являлась приоритетной на старте проекта. В 2021 году французская компания Air Liquide, производитель промышленных газов, не продлили соглашение по водородному заводу. По этой причине «Росатом» перенаправил активы на восток.

Правительство Сахалина совместно с МФТИ на Всероссийском энергетическом форуме объявили о намерении построить солнечную электростанцию и завод для получения водорода методом электролиза для автономного энергоснабжения. Со временем планируется на основе этого проекта заменять ветродизельные электростанции на ветроводородные для снабжения отдаленных населенных пунктов.

Двигатели на водородных топливных элементах и гибридные двигатели появились сравнительно недавно, но уже выпускаются серийно. В мировой экономике это одно из перспективных и наиболее проработанных направлений развития водородной энергетики. Наиболее известные примеры автомобилей на водородном двигателе: Ford Focus FCV, Mazda RX-8 hydrogen, Mercedes-Benz A-Class, Honda FCX, Toyota Mirai. КПД водородных двигателей достигает 85–90 %, в то время как КПД дизельного двигателя — около 50 %, а ДВС — 35 % [3]. На сегодняшний день на территории Российской Федерации водородный транспорт развивается медленнее, чем в Японии, Германии и других странах. Основная проблема — отсутствие заправочных станций. На территории России есть только одна такая станция — в г. Черноголовке. Сегодня станция работает как пилотный проект и не масштабируется.

Для развития водородной энергетики в направлении автомобильных двигателей России необходимо тесное сотрудничество с автомобильной промышленностью, использование опыта других стран. К примеру, Японии — стране, которая раньше всех начала развивать водородную энергетику.

Со стороны компании «Газпром водород» планируется внедрение проектов на территории Ленинградской области, в частности, строительство химического завода. Произведенный продукт планируется использовать для нужд региона для развития водородного транспорта и судостроения. А также экспортировать, в этом направлении ведутся переговоры с Германией.

Компания НОВАТЭК в 2021 году заключила два внутренних контракта для улучшения декарбонизации производства, ведет изучение рынка поставок водорода с германской компанией Uniperс.

По прогнозам Международного энергетического агентства, к 2040 г. До 35 % электроэнергии будут производится при помощи солнечной и ветряной энергетики. Это значит, что в перспективе возможно появление устойчивого спроса на средства накопления электроэнергии, так как будет производится избыточная энергия. Водород может стать одним из таких средств накопления, конкуренцию ему составят гидроаккумулирующие электростанции, аккумуляторы на основе обратимых химических реакций, накопители на сжатом воздухе.

Таким образом, основные направления для производства водорода в России:

– Источник энергоснабжения для изолированных территорий;

– «Чистый» источник энергии для территорий с особыми требованиями к экологичности проектов (например, Арктика);

– Накопитель энергии, полученной из возобновляемых источников;

– Запуск международных проектов с участием России.

В отличие от взглядов предыдущих лет, на сегодняшний день основными рынками сбыта водорода в случае масштабирования производства видится Азиатско-Тихоокеанский регион, а именно Китай, Япония, Южная Корея. В долгосрочной перспективе возможно сотрудничество со странами Центральной Азии и дальнейшее масштабирование рынков.

Во многом интерес к развитию водородной энергетики, как и любой другой относительно новой сферы, диктуется, в первую очередь, государством. На данный момент принята Концепция развития водородной энергетики в Российской Федерации, в рамках которой намечены среднесрочные и долгосрочные цели. Как важное направление выделено формирование научно-технической базы, подготовка специалистов для работы с высокотехнологичным оборудованием.

Литература:

1. Водород // Химическая энциклопедия: в 5 т / Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Абл—Дар. — С. 400–402. — 623с.
2. Телекова Л. Р. Водород как топливо будущего / Л. Р. Телекова, А. В. Дияковская. — Текст: непосредственный // Научные исследования и инновации. — 2021. — № 2. — С. 63–73.
3. Митрова Т. и др. Водородная экономика-путь к низкоуглеродному развитию //Центр энергетики Московской школы управления СКОЛКОВО. Июнь. — 2019.
4. Шафиев Д. Р. Методы получения водорода в промышленном масштабе. Сравнительный анализ / Д. Р. Шафиев, А. Н. Трапезников, А. А. Хохонов. — Текст: непосредственный // Успехи в химии и химической технологии. — 2020. — № 12. — С. 53–57.
5. Алексеева О. К. Транспортировка водорода / О. К. Алексеева, С. И. Козлов, В. Н. Фатеев. — Текст: непосредственный // Транспорт на альтернативном топливе. — 2011. — № 3. — С. 18–24.