Водород — бесцветный газ без вкуса и запаха, первый и самый легкий химический элемент периодической таблицы Менделеева — давно и хорошо изучен. Он широко применяется в самых разных отраслях, в том числе в металлургии, энергетике, в нефтехимической, химической, фармацевтической, пищевой, стекольной, электронной и электротехнической промышленности, при обогащении руды, производстве ядерного топлива. Сжиженный водород используется как ракетное топливо (рис. 1).
Рис. 1. Применение водорода в промышленности
Изображение: открытые источники
В прошлом веке в научной литературе была обоснована перспективность использования водорода для хранения «избыточной» электроэнергии, вырабатываемой солнечными и ветровыми станциями. Дело в том, что пики выработки электроэнергии на солнечных и ветровых станциях не всегда совпадают с пиками ее потребления, в результате чего может возникать ситуация избытка энергии, превышения выработки над потреблением. В этой ситуации надо либо останавливать работу солнечных и ветровых станций, что экономически нерационально, либо накапливать эту избыточную электроэнергию, чтобы использовать ее позднее по мере необходимости.
Большинство экспертов сходятся во мнении, что наилучшим решением для этой задачи является водород (имеется в виду конвертация энергии, выработанной на солнечных и ветровых станциях, в водород путем электролиза воды). В отличие от батарей, которые способны хранить энергию ограниченное время и емкость которых будет в среднесрочной перспективе отставать от потребностей развития энергосистем, прирастающих главным образом за счет ВИЭ, водород может храниться долго и в сколь угодно больших объемах. Поэтому водород и электролизеры рассматриваются сегодня в качестве обязательного составного компонента энергосистем с высокой долей солнечной и ветровой генерации, обеспечивающего их устойчивую, бесперебойную работу1.
Однако в последние годы интерес к водороду вышел далеко за рамки накопления энергии. Теперь он рассматривается в качестве ключевого звена, необходимого для декарбонизации различных отраслей экономики и достижения к середине текущего века климатической нейтральности (баланса антропогенных выбросов в атмосферу и изъятия из атмосферы парниковых газов) в соответствии с целями и задачами Парижского соглашения и теми конкретными обязательствами по переходу на путь низкоуглеродного развития, которые взяли на себя страны — участники соглашения. Многие из них сформировали национальные водородные стратегии, планы построения водородной экономики и специальные бюджеты для решения соответствующих научно-технических и производственных задач.
Как известно, водород не добывается в чистом виде из месторождений, его необходимо произвести. Поэтому главный вопрос, вокруг которого сегодня ломаются копья, — это выбор технологии, способа производства водорода.
В настоящее время водород производится в основном из ископаемого топлива — прежде всего из природного газа, но также из нефти и угля. При этом в атмосферу выбрасывается значительное количество парниковых газов. С точки зрения решения климатических задач это неприемлемо. Весь смысл перехода на водород состоит именно в возможности сокращения выбросов парниковых газов. Очевидно, что ископаемый водород (его еще называют «серым») для этого непригоден. Но его можно декарбонизировать с помощью технологий улавливания и хранения углекислого газа (CCS). Водород, получаемый из ископаемого топлива с использованием технологий улавливания СО2, называют «синим». Водород, который производится электролизом воды с использованием возобновляемой энергии, называют «зеленым», или «возобновляемым», а если используется энергия от атомных электростанций, то «розовым», или «красным».
В рамках климатического дискурса декларируется безусловный приоритет «зеленого» водорода. Сырьевые компании продвигают «синий» водород, страны с большой долей атомной энергии — «красный». Европейская водородная стратегия пытается примирить все заинтересованные стороны и оперирует таким понятием, как «низкоуглеродный водород» (Low-carbon hydrogen), куда входят все перечисленные разновидности водорода, кроме «серого».
Несмотря на оживленные дискуссии о перспективной роли водорода и выданные авансы, его производство и применение в мире для решения климатических задач остается на начальной стадии. Инициируемые и реализуемые в этой сфере проекты (пусть и довольно многочисленные) носят преимущественно пилотный характер и предусматривают во всех случаях государственную поддержку вплоть до прямого софинансирования из бюджета по причине новизны применяемых технологий и отсутствия полноценных рыночных цепочек создания стоимости.
При этом все прогнозы предрекают значительный рост производства, экспорта/импорта и потребления низкоуглеродного водорода в мире, а также снижение его стоимости (цены) к 2050 году, хотя и сильно расходятся в количественной оценке этих параметров.
Так, по оценке Водородного Совета (Hydrogen Council), годовое потребление водорода вырастет к 2050 году с нынешних 94 миллионов тонн (данные за 2021 года) до 660 миллионов тонн. МЭА считает, что сценарию достижения углеродной нейтральности в глобальном масштабе к 2050 году соответствует увеличение годового потребления водорода до 530 миллионов тонн. По прогнозу DNV GL, производство водорода в 2050 году составит примерно 330 миллионов тонн. Нефтегазовый концерн BP в своем свежем прогнозе мирового энергетического развития указывает для водорода диапазон ожидаемого потребления в 2050 году от 146 до 446 миллионов тонн в зависимости от сценария. По оценке Energy Transitions Commission, к 2050 году мировой спрос на чистый («зеленый» и «синий») водород и его производные, такие как аммиак и синтетическое авиационное топливо, достигнет 500–800 миллионов тонн в год, при этом водород будет обеспечивать от 15% до 20% конечного потребления энергии.
Такая неопределенность объясняется в первую очередь неясностью перспектив развития отраслей, в которых водород предполагается использовать. Другим фактором является сравнительная эффективность самого водорода на фоне имеющихся низкоуглеродных альтернатив.
Все эксперты признают, что водород необходим для декарбонизации таких отраслей, как металлургия и производство удобрений. А вот преимущества использования водорода для теплоснабжения зданий не столь очевидны. Более предпочтительными здесь выглядят меры по энергосбережению, тепловые насосы, а также технологии рекуперации тепла от систем вентилирования и кондиционирования помещений. Не вполне ясны и перспективы водорода в контексте декарбонизации автотранспорта и производства электромобилей. Заряжаемые батареи превосходят водородные решения как в легковом, так и в грузовом сегментах.
Впрочем, ставить точку в этом вопросе рано. Водородные технологии находятся сегодня на подъеме и могут обойти конкурентов, если их кривая снижения удельных издержек по мере увеличения продаж окажется более крутой.
Например, по мнению компании Rethink Energy, выпустившей в январе текущего года доклад о перспективах развития водородного рынка, «зеленый» водород станет дешевле «серого» уже через два года. Компания Wood Mackenzie (WoodMac) прогнозирует, что к 2030 году стоимость «зеленого» водорода во многих странах упадет ниже $2 за килограмм, а в отдельных странах — ниже $1 за килограмм. А еще норвежская компания NEL (крупный производитель электролизеров) заявила в январе 2021 года, что ее цель — «зеленый» водород по цене $1,5 за килограмм к 2025 году. В свою очередь, эксперты BloombergNEF (BNEF), основываясь на результатах проведенного ими анализа рынков, утверждают, что «зеленый» водород будет заведомо дешевле «синего», поэтому инвестировать в производство «синего» водорода большого смысла нет.
Но есть и противоположные оценки. Так, в 2020 году консалтинговая компания Prognos подготовила по заказу немецкого Федерального министерства экономики и энергетики (BMWi) доклад «Стоимость и пути преобразования энергоносителей, произведенных на основе электричества», в котором крайне пессимистично оценила конкурентоспособность «зеленого» водорода и производимых на его основе синтетических видов топлива по сравнению с традиционными энергоносителями на горизонте до 2050 года. А в 2021 году немецкий исследовательский центр Agora Energiewende подсчитал, что даже если цена выбросов парниковых газов повысится до €200 за тонну СО2, то это не сделает «зеленый» водород конкурентоспособным.
Много вопросов вызывает логистика водорода и ожидаемые объемы его международной торговли (экспорта-импорта).
По прогнозам Водородного Совета (Hydrogen Council), в 2050 году 400 миллионов тонн водорода из производимых 660 миллионов тонн, то есть около 60%, будет транспортироваться на дальние расстояния с помощью трубопроводов и морских судов. В то же время эксперты DNV GL считают, что водород в чистом виде будет поставляться в основном на малые и средние расстояния, зато аммиак (вещество, содержащее водород) будет торговаться по всему миру, поскольку он более удобен для транспортировки.
Им возражают представители европейского электроэнергетического сообщества, которые утверждают, что импортировать водород в Европу нецелесообразно и невыгодно, что надо строить больше энергетических мощностей на ВИЭ и производить водород на месте. Этот вывод поддерживается целым рядом аналитических исследований (например, доклад британской консалтинговой компании Aurora Energy Research, совместная работа DIW Econ и Вуппертальского института климата, окружающей среды и энергетики или доклад немецкого аналитического центра Agora Energiewende), в которых показано, что высокие транспортные издержки, а в случае морских перевозок — еще и затраты на сжижение, делают транспортировку водорода на дальние расстояния нерентабельной. Дешевле будет производить водород на месте, а импортировать не водород, а синтетическое топливо на основе водорода (например, аммиак).
Все это не означает, что перспективы водорода туманны и что у традиционных технологий поэтому есть шанс надолго продлить свой век. Решения о декарбонизации энергетической отрасли и в целом мировой экономики приняты на самом высоком уровне при участии всех стран, и водород призван сыграть в этом важную роль.
Сегодня водородная экономика переживает период становления, многие ее параметры еще не определены и будут уточняться в процессе. Но уже ясно, что просто заменить поставки ископаемого топлива поставками водорода и его производных вряд ли будет возможно. Потребуется более глубокая интеграция экономик и энергосистем многих, если не всех, стран для обеспечения их надежного, бесперебойного энергоснабжения и устойчивого низкоуглеродного развития на основе «зеленых» технологий и возобновляемых источников энергии с применением, где это необходимо и экономически целесообразно, водорода или иных доступных решений.
1 См., например, известную книгу Джереми Рифкина «Третья промышленная революция» 2011 г., в которой описано широкое использование водорода в качестве аккумулятора энергии, средства, обеспечивающего интеграцию возрастающих объемов солнечной и ветровой электроэнергии.
Фото на обложке: panophotograph / iStock
