Водородное озеленение: Европа положилась на самый легкий газ
Германия объявила о намерении открыть в Москве бюро по вопросам производства и экспорта водородного топлива. В целом немцы планируют вложить €2 млрд в международный рынок водорода в течение нескольких ближайших лет. Почему водородное топливо стало настолько востребованным и как развивается его рынок во всем мире и России — в материале «Известий».
Вперед и вверх
В долгосрочных планах большинства крупных государств мира — быстрое развитие возобновляемых источников энергии, которое поможет экономикам стать «углеродно-нейтральными», то есть выделять не больше углекислого газа, чем он поглощается окружающей средой. Евросоюз планирует снизить до нуля чистые выбросы CO2 к 2050 году («Европейский зеленый курс»), Китай — к 2060-му. Недавно свои планы опубликовала и Индия, которая, несмотря на нынешнее колоссальное потребление угля, также обещала углеродную нейтральность ровно к середине века. При этом снижать энергопотребление эти страны и блоки не собираются — напротив (особенно в развивающихся государствах), намерения поддерживать рост экономики и энергетики выглядят вполне ясно.
Решить эту дилемму предполагается за счет возобновляемых источников энергии. С каждым годом их использование растет. В Китае, например, выработка электричества из возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в 2020 году выросла на 8,4%, до 2214 тераватт-часов. Доля таких источников достигла без малого 30% (среди которых, впрочем, более двух третей пришлось на гидроэлектростанции). В Евросоюзе по итогам года 38% произведенной электроэнергии пришлось на возобновляемые источники — на процентный пункт больше, чем из угля и углеводородов. Динамика в большинстве стран мира такова, что ВИЭ со временем будут занимать всё больше и больше места в энергетическом балансе.
Однако на данном пути есть серьезные препятствия, главное из которых заключается в нестабильности альтернативных источников энергии, с которыми не могут справиться даже самые сложные и продуманные энергосети. Солнце светит не всегда, более того, производство солнечной электроэнергии очень часто расходится по пикам с энергопотреблением. То же самое можно сказать и о ветре. Гидроэнергетика дает более или менее стабильный ток (за исключением случаев с экстремальными засухами), но возможности ее расширения довольно ограничены. Одним словом, производить энергии из ВИЭ можно в больших объемах без особых затруднений, но совсем другое дело — хранить ее.
Батареи представляются самым простым решением, но оно имеет свои серьезные ограничения. Плотность энергии у них низкая, так что требуются совершенно циклопические масштабы их производства, чтобы закрыть все потребности. К примеру, объемы производства на крупнейших заводах отрасли, гигафабриках Tesla, таковы, что для полного удовлетворения двухдневного спроса на энергию всех видов в США им потребуется тысяча лет непрерывного производства. Кроме того, расширение их производства потребует роста добычи разнообразных полезных ископаемых (в первую очередь, лития), что потребует еще больше энергии. Разумеется, батареи еще какое-то время будут расти в эффективности и дешеветь, но время экспоненциального роста в этой области уже прошло. Нужно искать еще какие-то альтернативы.
Чистое решение
И вот здесь на первый план выходит водород. По энергетической плотности он почти в три раза превосходит бензин и дизельное топливо, и его действительно можно получать «чистым», не требующим большого количества выбросов CO2 способом. При этом, в отличие от зарядок для электромобилей, сеть которых нужно фактически создавать с нуля, тратя при этом сотни миллиардов, если не триллионы долларов, он отлично подходит к существующей топливной инфраструктуре на дорогах.
Еще одно бесспорное преимущество водорода состоит в быстрой заправке. Зарядка батареи электромобиля сейчас требует от получаса до нескольких часов, тогда как водородный двигатель можно заполнить за пять минут — чуть медленнее, чем обычный бензиновый. Наконец, запас хода для водородного топливного элемента превышает 480 км, что существенно больше того, что могут предложить стандартные электрокары. В принципе, такую дальность в теории могут развивать и электромобили, но для этого им требуются исключительно мощные и большие батареи, что опять же намного увеличивает время заправки.
Идея использовать водород в качестве энергоносителя получила популярность еще в 1950–1960-е годы. Первый автомобиль с водородным двигателем был построен корпорацией General Motors. Некоторые успехи были сделаны и по другую сторону железного занавеса — в 1988 году самолет Ту-154 взлетел с одним из двигателей, работающих на водороде.
Дорогое удовольствие
Технологическая сложность и дороговизна, тем не менее, долго отпугивали потенциальных инвесторов и откладывали выход водородной энергетики на широкий рынок. Второе дыхание она обрела только в 2010-е годы, на фоне увеличения «экологической сознательности» как населения, так и корпораций. Неудивительно, что сторонники зеленой энергетики, видя пробуксовку и объективные пределы роста экономики батарей, решили обратиться к водороду, считая его намного более перспективным.
Объемы производства водорода велики уже сейчас — по итогам 2020 года общий его уровень превысил 70 млн т нефтяного эквивалента, а в стоимостном выражении составил $177 млрд. У этих впечатляющих цифр есть два «но». Во-первых, свыше 90% произведенного водорода на данный момент используется в химической промышленности (при производстве удобрений), в нефтепереработке и при производстве метилового спирта. На водород как энергоноситель уходит крошечная часть выработки соответствующего сектора промышленности. Сейчас в мире выпускается лишь несколько марок машин на водородном топливном элементе, в основном в Японии (наиболее известная — Toyota Mirai, корпорация в конце 2020 года выпустила второе поколение данной модели). Стоимость машин с таким двигателем начинается от $80 тыс., что намного дороже не только бензиновых аналогов, но и электромобилей.
Согласно прогнозу банка Morgan Stanley, к 2050 году рынок водорода достигнет $600 млрд, из которых примерно четверть придется на транспортную отрасль, которая может включать в себя как легковые автомобили, так и коммерческий транспорт. Однако пока это лишь предположение. Реальность скромнее: согласно всем опубликованным в Евросоюзе планам, на протяжении следующего десятилетия в производство водорода должно быть (при помощи государственных субсидий) инвестировано €300 млрд. Однако общая сумма обещанных государствами и компаниями вложений не превышает €80 млрд. 8 млрд евро в год для самого озабоченного вопросами углеродно-нейтрального будущего континента всё же маловато.
Вторая проблема, связанная с водородной экономикой, заключается в том, что на данный момент он не является в полном смысле углеродно-нейтральным. Весь произведенный в мире водород условно подразделяется на цвета в зависимости от источника его выработки. Абсолютное большинство производимого в мире водорода принадлежит к «серой» или «синей» категориям. «Серый» водород производится из природного газа и, соответственно, обладает такими же характеристиками по выделению CO2, только еще и с некоторой потерей энергии. «Синий» также производится из газа (метана), только при этом используется еще и технология захвата углерода. Второй способ, естественно, значительно дороже. Наконец, «зеленый» водород с точки зрения выбросов является более или менее чистым, так как производится через электролиз воды, причем исходное электричество должно также происходить из возобновляемых источников. Однако на данный момент этот способ является исключительно слабо распространенным — менее процента от всего водорода искусственного происхождения делается этим способом. В первую очередь это связано с большими энергопотерями — около 30% только напрямую в процессе электролиза, что куда больше, чем при выработке с использованием природного газа.
Плановый рост
Тем не менее европейские компании наращивают производство водорода, в особенности нефтяные. Это понятно: у них уже наработан большой опыт, связанный с производством водорода и его использованием в процессе переработки. Скажем, Shell строит в Германии завод, который сможет производить 1300 т водорода ежегодно. Масштабные планы на водород имеет и BP, самая активная в развитии возобновляемых источников международная нефтяная компания.
Помимо использования в качестве топлива, водород также имеет смысл для использования при выплавке стали. Сталь ответственна примерно за 10% мировых промышленных выбросов углекислого газа, так что при нынешней европейской политике углеродных квот металлурги начинают активно задумываться об альтернативах. Однако и они пока по большей части используют «серый» или в крайнем случае «синий» водород.
Развитие водородного рынка — для России хорошая новость. В небольших объемах водород производят в стране и сейчас (например, в Магаданской области), но в перспективе производство может вырасти в разы, а то и на порядки. Дело в том, что Россия — энергоизбыточная страна. ВИЭ здесь развиты слабо, но это с лихвой компенсируется мощной гидроэнергетикой, которая опять-таки имеет серьезные перспективы к росту.
Однако поставлять электричество напрямую в Европу или Восточную Азию не очень-то выгодно: потери при транспортировке по сетям будут слишком велики. «Зеленый» водород может это исправить — «лишняя» энергия будет уходить на электролиз и дальнейшие поставки уже в жидком виде. Для транспорта могут быть использованы и существующие мощности газопроводов, напрямую соединяющих Россию и западноевропейские страны.
