Германия, Япония, Нидерланды и еще десятки стран опубликовали собственные водородные стратегии. Следом за ними энергетические гиганты Total, BP, Shell, Eni, Equinor сделали фокус на водород в своих планах развития. Как зарождались водородные технологии и куда движется мировое сообщество, зарядившись водородными ожиданиями
Наиболее современное определение инноваций ввел в экономическую науку австрийский ученый Й. А. Шумпетер в работе «Теория экономического развития», описав, что циклы экономического роста тесно связаны со зрелостью инноваций и фокусированием капитала на новых технологиях и бизнес-моделях. Вероятно, что стратегия глобальной декарбонизации на фундаменте водорода станет триггером запуска нового экономического цикла роста. И мы стоим на его пороге. Но начнем с ретроспективной справки.
Первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, был построен в 1807 году, а дебаты по поводу использования водорода из электролизеров для замены угля возникли еще в 1863 году. Существуют примеры электролизеров мощностью более 100 МВт, построенные в 1920-х годах для снабжения промышленности удобрений с использованием дешевой гидроэнергии в Норвегии и Индии. Термин «водородная экономика» был впервые введен в употребление в 1970 году химиком профессором Джоном Бокрисом, у которого было видение мира, работающего на водороде, генерируемом солнечной и ядерной энергией.
В том же году в докладе профессора Лоуренса Джонса, физика из Мичиганского университета, был сделан вывод: «Как экологически чистое топливо, водород должен серьезно рассматриваться как логическая замена углеводородам в ХХІ веке». Уже в 2003 году стратегическая инициатива по водороду была озвучена на фоне опасений по поводу «пика добычи нефти», когда президент США Джордж Буш в своем обращении к профсоюзам США объявил об инициативе в области водородного топлива на сумму $1,2 млрд.
Прошло 18 лет. Мы становимся свидетелями и участниками нового водородного ренессанса. Хотя пока нельзя утверждать, что возвращение водорода на повестку дня является окончательным и бесповоротным. Однозначно можно сказать одно – глобальная энергетика никогда не была к нему готова так, как сегодня. Стоимость возобновляемой энергии сократилась до минимальных значений в истории, а именно из нее планируется производить чистый водород методом электролиза. Это концепция превращения зеленых электронов от возобновляемых источников в зеленые молекулы газообразного энергоносителя или сырья.
Одновременно стали неопровержимы климатические изменения, первопричиной которых признали человеческий фактор. А среди нашего рукотворного урона экосистеме именно ископаемая энергетика – один из ключевых факторов влияния. Ну и самое главное – мы не можем продолжать экстенсивно развиваться на базе устаревшего наследия бурного промышленного роста 50-летней давности и заряжать электрические самокаты от угольных электростанций.
Сканируем рынок водорода
Водородной рынок растет с низкой базы, что позволяет докладчикам шокировать цифрами и крутизной графиков на презентациях об ожидаемом росте индустрии. В публикации «Перспективы водородной экономики» Bloomberg New Energy Finance выданы оценки, что к 2050 году водород сможет обеспечивать до 25% мировых потребностей в энергии. И это учитывая, что по оценкам ООН население Земли к 2050 году вырастет еще на 2,5 млрд человек. Однако для развития темы понадобится в ближайшие 10 лет потратить $150 млрд субсидий и запустить существенный рост стоимости углеродного налога в качестве силы принуждения для производственных предприятий к переходу на применение чистых энергоносителей.
Несколько фактов:
- по оценке разных источников, общий объем производства водорода в мире составляет до 70 млн тонн, причем совокупные среднегодовые темпы его роста за последние 20 лет невысокие – около 1,6%;
- более 90% водорода производят на месте его потребления нефтеперерабатывающей и химической промышленностью;
- сегодня в качестве сырья для производства водорода доминируют углеводороды. Более 68% водорода получают из природного газа, 16% из нефти, 11% – из угля и 5% – из воды с помощью электролиза;
- вклад природного газа в мировое производство водорода оценивается в 205 млрд кубометров в год, это 6% от мирового потребления газа (практически половина годового потребления ЕС);
- согласно анализу, проведенному IHS Markit Дениела Ергина, автора бестселлера «Добыча» и «В поисках энергии», инвестиции в проекты «Power-to-X» (преобразование электроэнергии в вещества, в первую очередь, водород) в 2019 году составили всего около $30 млн;
- прогнозируется, что к 2025 году мировой рынок производства водорода достигнет $201 млрд с примерно $130 млрд в 2020 году при среднегодовом темпе роста 9,2% в течение прогнозируемого периода.
Основы стратегии
Похоже, что развитие водородной энергетики будет подчиняться закону Райта. Согласно этому постулату, удвоение совокупного выпуска продукции – чистого водорода, – будет приводить к системному падению затрат на постоянный процент. Эффективность будет расти за счет масштаба. Три ключевых параметра этой модели – скорость обучения (learning curve), затраты и установленная мощность. Так, Фатих Бероль, глава международного энергетического агентства, заявил, что технология готова к масштабированию, и призвал инвесторов вкладывать в водородные проекты. Но сначала стоит понять, где мы находимся, используя классическую методологию НАСА по оценке стадий зрелости и готовности технологий – technology readiness levels.
Реальная ситуация говорит о том, что различные сегменты водородной цепочки создания ценности различаются по степени готовности к практической работе. Например, автомобильные двигатели на водороде полностью готовы, а технологии длительного хранения водорода пока на уровне исследований.
Узким местом остается транспортировка водорода. В мире по состоянию на 2016 год насчитывалось всего 4500 км трубопроводов, спроектированных для транспортировки водорода, – преимущественно в США и четырех странах Европы. Поэтому в ближайшие 10–15 лет нужно определить целесообразное значение домешивания водорода к природному газу в существующие системы магистральных газопроводов. Поэтому в ближайшие 10–15 лет планируется смешивать водород с природным газом в безопасной концентрации и транспортировать по существующим газовым трубам. А позже начать процесс адаптации инфраструктуры к новым чистым энергоносителям.
Вице-президент норвежского гиганта Equinor Стейнар Эйкас считает, что наиболее оптимальным решением для создания цепочки производства, логистики и потребления является адаптация существующей газовой инфраструктуры. Не зря отраслевая инициатива European Hydrogen Backbone (EHB), объединяющая 23 газовые инфраструктурные компании ЕС, представила видение инфраструктуры водородных трубопроводов протяженностью 39 700 км в 21 стране к 2035 году. В ней 69% предложенной водородной сети состоит из адаптированных существующих газотранспортных сетей, а 31% – новая инфраструктура, необходимая для подключения новых производителей.
Также рассматривается вариант морского транспорта. В 2020 году спущен на воду танкер SUISO FRONTIER, спроектированный Kawasaki Heavy Industries специально для морских перевозок сжиженного водорода, который будет перевозиться при температуре -253 °С. При этой температуре он уменьшается в объеме в 800 раз по сравнению с газообразным состоянием. Первый рейс в 2022 году из Австралии в Японию можно будет считать историческим событием создания нового рынка водорода, аналогичным рейсу 1959 года, когда танкер Methane Pioneer впервые доставил сжиженный газ LNG (температура -163 °С) из США в Британию.
«Нам нужны капитальные и эксплуатационные расходы… чтобы довести цену возобновляемого водорода от шампанского до просекко, а затем и столовой воды», – метко сказал Йорго Хатзимаркакис, генеральный секретарь Hydrogen Europe, отраслевого органа, подчеркивая, что отрасль голодна до капитала. Крупнейший в мире производитель электролизеров сейчас может делать скромные 80 МВт в год, а цели у ЕС в сотню раз больше. Потенциал для развития еще большой, ведь издержки будут падать с ростом масштаба.
По окончании начальной фазы 2020–2025 в ЕС, согласно стратегии будет производиться 1 млн тонн чистого водорода в год и будет установлено не менее 6 ГВт мощности электролизеров.
Подитог
Водород может внести коррективы в существующие геополитические и экономические «статусы» различных стран – некоторые импортеры могут превратиться в экспортеров, а традиционные поставщики утратить свое влияние на рынки. Водородные экспортные намерения сохраняются у традиционных производителей энергоресурсов – Саудовской Аравии, РФ, Австралии и, например, Норвегии. Но дверь остается открытой для новых игроков (таких как Украина) с точными стратегиями, гармонизированными юрисдикциями и ресурсным потенциалом.
По данным международного энергетического агентства, в последние годы инвестиции мировых нефтегазовых компаний за пределы их основных направлений деятельности составляли менее 1% от общих капитальных затрат. Разумеется, их принято считать главными оппонентами «энергетического перехода» и развития углеродно-нейтральной энергетики. Но в 2020 году стратегии поменялись. Например, после визита на водородный завод в промышленном комплексе Ла-Порт министр энергетики США Дженнифер Гранхольм заявила, что водород поможет ранее нефтяному Хьюстону оставаться «мировой энергетической столицей», производя (и, возможно, однажды экспортируя) топливо будущего – водород.
Кроме нефтегазового бизнеса, существенный вклад в развитие водородного сектора может сделать атомная энергетика. Это может стать залогом продления сроков эксплуатации энергоблоков АЭС, переориентированных на производство водорода. В США четыре компании оператора АЭС Energy Harbor, Xcel Energy, Exelon, и Arizona Public Service (APS) уже ведут проекты по этому направлению. Атомщикам не нова тема водорода – ведь он производится в электролизных цехах АЭС и используется для охлаждения генераторов турбин.
Сунита Сатьяпал, директор водородного офиса Министерства энергетики США, говорит: «Ключевым преимуществом водорода является то, что он может обеспечить интеграцию всех секторов». Балансирование режимов энергосистем, насыщенных возобновляемыми источниками, может быть выполнено и с помощью водородных технологий. Хороший проект Advanced Clean Energy Storage в штате Юта (США), который планируется ввести в эксплуатацию к 2025 году, станет крупнейшей системой хранения чистой энергии в мире.
«Мы собираемся построить очень большую систему электролиза, которая сможет преобразовывать возобновляемую энергию в водород», – сказал Пол Браунинг, президент и генеральный директор Mitsubishi Power Americas. «Мы собираемся хранить этот водород в соляном куполе в течение длительных периодов времени, чтобы его можно было использовать, когда электросети требуется электричество». Так что не удивляйтесь, что вместе с Водородной стратегией 8 июля 2020 года ЕС опубликовал стратегию интеграции энергосистем для формирования ключевых принципов взаимодействия.
Важно отметить новый технологический виток развития глобальной энергетики, и тут ценность водородной революции намного выше цены, которую мы за него заплатим. В мировой технологической основе образовался застой со времен яркого скачка атомной энергетики и обретения зрелости возобновляемых источников. Последние десятилетия сектором правил тренд реформирования регуляторных режимов при сохранении старой сущности оборудования. А теперь неизбежно наступает эпоха реконструкции.
Обеспечение человечества чистой и надежной энергией требует от корпораций, правительств и сообществ возврата на твердую почву инженерного мышления, законов физики и химии, заводских цехов и университетских лабораторий. Как сказал мне однажды один профессор – электрическая лампочка Эдисона получилась не в результате тысяч лет эволюции парафиновых свечей. И похоже, пришло время следующего витка развития, который обязан прийти на замену устаревшей инфраструктуры ХХ века.
Вы нашли ошибку или неточность?
Оставьте отзыв для редакции. Мы учтем ваши замечания как можно скорее.
