Водород и большая энергетика — проблемы успешного симбиоза

Проблематику энергетического перехода, повышения устойчивости, экологичности и надежности энергоснабжения невозможно сводить только к вопросам «безуглеродности» энергоисточников и роста доли возобновляемых энергоисточников (ВИЭ) в энергобалансе. Значительный рост мощности ВИЭ обусловливает новые проблемы обеспечения устойчивой и надежной работы энергосистем стран, регионов. Новый энергетический уклад, то есть образ будущих адаптивных энергетических систем, должен опираться на симбиоз традиционных и возобновляемых источников, разумное сочетание централизованных и распределенных систем, базовой и пиковой генерации, системных возможностей накопления тепловой и электрической энергии в разных сегментах энергосетей и комплексов.

Применение водорода в энергетике насчитывает более 100 лет, а первые промышленные образцы топливных элементов были созданы более 70 лет назад. Однако водородная энергетика до настоящего времени не получила широкого развития. Основным тормозом к применению водорода в энергетике является то, что для получения водорода расходуется больше энергии, чем выделяется при его использовании. Водород извлекается при электролизе воды, что требует значительных затрат электроэнергии. С энергетической точки зрения процесс, очевидно, не имеет смысла. В то же время водород можно рассматривать как носитель для хранения/накопления электроэнергии, выработанной на ветровых и солнечных электростанциях, отличающейся по своей природе крайней нестабильностью.

Активное и масштабное развитие ВИЭ создает проблемы ведения электрических режимов в энергосистеме Европейского союза. С целью обеспечения необходимого баланса производства и потребления электроэнергии в Европейском союзе реализуются программы развития систем накопителей. Ожидается, что к 2050 году вклад электролизеров в обеспечение электрических режимов будет доминирующим. Прогнозируемая установленная мощность электролизеров должна составить 537–560 ГВт, а их доля — превысить 90% от общей электрической мощности накопителей.

Какую же реальную цель ставит перед собой такое объединение в единый комплекс не слишком эффективной по режимам генерации на ВИЭ и малоэффективной энергетически выработки водорода на электролизерах, в условиях значительной дороговизны такого странного симбиоза? Это скорей попытка ЕС решить непростую задачу увязки растущей нестабильности режимов ВИЭ с распределенным накоплением энергии в виде другого энергоносителя, в том числе проблему дефицита ископаемых энергетических ресурсов на территории Евросоюза и проблемы с надежностью функционирования электроэнергетической системы.

Получение водорода в результате электролиза может быть интересно с точки зрения обеспечения баланса производства и потребления электроэнергии. Потребление энергии электролизерами будет реагировать на изменение баланса в энергосистеме в режиме реального времени. Появление данных технологий ожидается не раньше 2030 года, но это не изменит картину с высокими энергозатратами на электролиз.

Рост доли ВИЭ в энергосистеме приводит к росту стоимости электрической энергии в системе централизованного электроснабжения. Централизованная система электроснабжения промышленных потребителей становится неконкурентоспособной по сравнению с автономными источниками электроснабжения. Сложившуюся кризисную ситуацию в системе централизованного энергоснабжения Германии пока удалось решить путем предоставления промышленным предприятиям, потребляющим электроэнергию в базовой части графика нагрузок, значительных скидок к цене электроэнергии (до 95% к установленным платежам по поддержке ВИЭ и до 80% скидку к сетевым тарифам).

Достижение поставленных стратегических целей по доле ВИЭ в генерации электроэнергии потребует значительных инвестиций не только в дальнейшее сооружение НВЭ, но и в капиталоемкие проекты модернизации сетевой инфраструктуры, систем аккумулирования, маневренных тепловых электростанций, а также затрат на вывод из промышленной эксплуатации ТЭС и АЭС, не предназначенных для работы в режиме ежедневных пусков/остановов.

При переходе экономики ЕС на «зеленый» водород требуемая установленная мощность ВЭС составит 5 655 ГВт и СЭС — 3 658 ГВт, что более чем в 30 раз превышает ее текущие значения. При условии 25-летнего жизненного цикла ВЭС и СЭС ежегодный ввод в эксплуатацию ВЭС и СЭС превысит 220 ГВт и 140 ГВт соответственно. Объем передаваемой электроэнергии вырастет в 5,7 раза с 3 294 ТВт·ч до 18 884 ТВт·ч в год, из которых потребление электролизеров, предназначенных для производства водорода, составит 15 590 ТВт·ч (82,5%).

Учитывая, что КИУМ ВЭС и СЭС в энергосистеме в 2 раза ниже, чем для АЭС и ТЭС, возникает потребность в десятикратном росте пропускной способности электрических сетей. Важно отметить, что установленная мощность ВЭС и СЭС, введенных в промышленную эксплуатацию в 2020 году, составила около 30 ГВт, что более чем в 10 раз ниже требуемого объема для перехода на «зеленый» водород.

При переходе энергосистемы на «зеленый» водород происходит значительный рост ее материалоемкости в результате снижения КИУМ ее элементов и роста удельных показателей материалоемкости основного оборудования. При условии вывода из эксплуатации АЭС такой рост материалоемкости оценивается в 18,6 раза. Это сопровождается значительным изменением структуры потребляемых ресурсов. Если в материалах ТЭС и АЭС до 80% составляет доля бетона, то в «водородных энергосистемах» растет доля углепластика, редких и редкоземельных материалов, платины, титана, лития, кадмия и др. Естественно, это приведет к необходимости кратного роста добычи и переработки этих материалов.

При размещении требуемого количества ВЭС и СЭС страны ЕС с высокой вероятностью столкнутся с острым дефицитом территории. Учитывая требование к минимальному расстоянию между мачтами ВЭС, площадь ветропарков составит до 38,5% от площади европейских стран. Важно отметить, что в Стратегии сохранения биоразнообразия до 2030 года Европейская комиссия предлагает преобразовать не менее 30% европейских земель и морей в эффективно управляемые охраняемые территории, что существенно сократит возможности для размещения ВЭС и СЭС.

Для производства необходимого объема водорода в процессе электролиза воды потребуется около 4 куб. км дистиллированной воды в год. При этом средний расход исходной воды для получения дистиллированной воды превысит минимальный сток всех крупнейших рек ЕС за исключением Дуная. А годовой объем потребления исходной воды превысит годовой сток рек Сены и Тахо и сравним с годовым стоком рек Эльбы и Луары. Кроме того, необходимо срочно решить проблемы утилизации отходов производства дистиллированной воды (рассолов) с учетом экологических требований.

Дополнительно необходимо отметить, что подавляющее большинство населения ЕС (Бельгия, Болгария, Германия, Дания, Венгрия, Испания, Италия, Англия, Нидерланды, Словакия, Польша, Румыния, Чехия, Франция) — около 450 млн чел. имеют очень напряженное положение с водой и водным стоком. Относительно благополучную ситуацию с водными ресурсами имеют страны и регионы с населением в 10 раз меньше — около 50 млн чел. (Австрия, Ирландия, Норвегия, Португалия, Финляндия, Швеция и Швейцария).

При одинаковых условиях (давлениях и температуре) для передачи равного количества энергии пропускная способность водородопроводов (и объем хранилищ водорода) должна быть в 3 раза выше пропускной способности газопроводов (и хранилищ газа). В случае перехода на водородное топливо для перевозки одинакового количества энергии потребуется в 2,5–4,2 раза больше транспортных средств, чем при перевозке ископаемого топлива (бензина, СПГ, природного газа, каменного угля и т. п.).

Насколько массовой может быть такая экзотическая ниша использования водорода в реальных энергетических системах крупных стран? Попробуем представить сводные обобщенные плюсы и минусы надежд активного использования водорода в энергопромышленном комплексе в табличном виде.

Таблица 1. Сопоставление «надежд» и реалий перехода к массовому использованию водорода в энергетике и промышленности (на основе расчетов авторов)

«Надежды» водородной энергетики	Реалии масштабного использования водорода
Массовый переход от углеводородов к водороду позволит значительно сократить выбросы. СО2.	Использование водорода в качестве топлива приведет к определенному росту выбросов NOx.
Применение «зеленого» водорода позволит сгладить пики производства энергии от ВИЭ.	Объединение в единый комплекс самого неэффективного (по EROEI) производства энергии с самым неэффективным производством водорода.
Теплота сгорания 1 кг водорода значительно выше, чем метана.	Для производства единицы энергии водорода по объему потребуется в среднем в 3 раза больше.
Массовое использование водорода повысит КПД централизованной и мощности децентрализованной энергетики.	Реально оправданные добавки водорода к метану составляют не более 25% (КПД растет на 10%). Использование водорода в топливных элементах значительно дороже традиционных видов топлива.
Выбросы от сгорания водорода — это «безвредный» для планеты водяной пар.	Внимательный анализ показывает, что именно водяной пар является более значительным парниковым газом, чем СО2 (0,4% в атмосфере).
Выработка водорода на ВИЭ не влечет за собой использования невозобновляемых ресурсов планеты.	Крупные мощности электролизеров потребуют для работы значительное количество пресной воды (на соленой воде затраты вырастают еще больше).
Хранение водорода не приводит к выбросам парниковых газов.	Хранение водорода (в сжатом или сжиженном виде) также требует значительных затрат энергии.
Материалоемкость «водородной энергетики» сравнима с обычной традиционной энергетикой.	Общий рост материалоемкости оценивается в 18,6 раза (при изменении структуры материалов за счет роста доли углепластика, редких и редкоземельных материалов, платины, титана, лития, кадмия).
Затраты на передачу энергии водородом будут значительно ниже обычных.	Для перевозки одинакового количества энергии потребуется в 2,5–4,2 раза больше транспортных средств, чем при перевозке ископаемого топлива (бензина, СПГ, природного газа, угля и др.).
Работа «водородных энергокомплексов не потребует значительного изменения режимов водопотребления.	Для выработки водорода необходима дистиллированная вода, а годовой объем потребления исходной воды превысит годовой сток рек Сены и Тахо и сравним с годовым стоком рек Эльбы и Луары (~4 км³).
Выработка «зеленого» водорода потребует незначительного роста мощностей ВИЭ.	При переходе экономики ЕС на «зеленый» водород требуемая установленная мощность ВЭС составит 5 655 ГВт и СЭС — 3 658 ГВт, что более чем в 30 раз превышает ее текущие значения.
Размещение дополнительных мощностей возобновляемых энергоисточников не потребует значительного роста площадей.	Учитывая требование к минимальному расстоянию между мачтами ВЭС, требуемая площадь ветропарков составит до 38,5% от площади европейских стран.

Ограниченность ресурсов в странах ЕС, а также неравномерность и малая предсказуемость производства электроэнергии ВЭС и СЭС, величины стока рек, потребления электрической энергии и тепла, топлива ставят серьезные вопросы о достижимости полного перехода экономики на «зеленый» водород. При этом водородная стратегия не решает вопросы со снижением выбросов парниковых газов в секторах: сельское хозяйство, утилизация отходов, ЗИЗЛХ.

В последний год активно обсуждается необходимость для нашей страны следовать в новом модном зарубежном тренде «водородной экономики». К сожалению, имеют место исключительно декларативные заявления без анализа последствий и влияния на конкурентоспособность отечественных товаров и услуг как на внешних, так и внутреннем рынках. Необходимо учитывать, что в соответствии с прогнозом международного энергетического агентства (IEA) переход на «зеленый» водород для Российской Федерации будет означать энергоснабжение отечественной экономики самым дорогим водородом в мире.

Если совсем немного заглянуть в прошлое, то мы увидим, что еще с конца 1970-ых годов (когда Европа начала заниматься энергосбережением из-за резкого роста цен на нефть) в СССР активно развивалась широкая тематика атомно-водородных технологий (получение водорода с помощью высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов ВТГР) под руководством академиков В. Легасова, Н. Пономарева-Степного, Е. Велихова. Здесь не только получение относительно недорогого водорода с помощью ВТГР без выбросов любых продуктов сгорания, но целая линейка установок энерготехнологического комбинирования для металлургии, нефтехимии, отрасли минеральных удобрений, систем дальнего теплоснабжения. Увы, после Чернобыля и распада страны что-то забыто, что-то отправлено в архивы и ждет лучших времен. Уверены, наступает время активного возвращения разноплановых советских разработок в реальную практику.

Вопросы адаптации энергетических систем и комплексов больших и малых стран к совокупности беспрецедентных изменений и вызовов времени, вне всякого сомнения, являются ключевыми вопросами не только выживания цивилизации, но и ее дальнейшего сбалансированного развития в гармонии с природой. Создание интегрированных адаптивных энергетических систем нового поколения, органично использующих разные виды источников и энергоносителей, — грандиозная научно-техническая задача, решение которой требует концентрации интеллектуальных, финансовых и других ресурсов в самое ближайшее время.