Водород: все серьезно

Перспективы использования водорода как альтернативного вида топлива

К "ветровой"исолнечной" составляющим т.н. энергетического перехода в энергетике развитых стран добавится "водородная".

Владимир МИХАЙЛОВ

Водород давно считается перспективным энергоресурсом, но дороговизна технологий делала его перспективы неопределенными. Но есть признаки, что все может измениться, по крайней мере, в Европе. В прошлом году в Австрии начато строительство самого крупного на сегодняшний день завода по производству водорода для промышленных нужд и балансирования энергосистемы. Проект под названием H2FUTURE финансово поддерживает Еврокомиссия в рамках государственно-частного партнерства Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, координирует его крупнейшая энергокомпания Австрии Verbund AG, а в качестве поставщика установки для мембранного электролиза выбрана компания Siemens. Еще одним партнером является сталелитейная компания Voestalpine AG, которая стремится заменить уголь более экологичным энергоносителем на своем заводе в австрийском Линце, где и ведется строительство.

Мощность установки составит 6 МВт, и вырабатываемый водород будет использоваться не только для производства стали. По словам генерального директора Siemens Austria Вольфанга Хесуна, водород также будет использоваться в качестве топлива для транспорта. Выиграет и местная энергосистема — компания Verbund AG производит почти всю возобновляемую энергию в Австрии, и в периоды пиковой генерации избыток ее будет идти на электролиз.

Электролиз — "зеленая" технология, и именно поэтому проект поддерживается на уровне Еврокомиссии. В мире сейчас производится более 500 млрд куб м водорода в год, более 95% этого объема — путем переработки природного газа, сопряженной с выбросами углекислого газа. Т.е. почти весь этот водород не может считаться экологичным энергоносителем, и руководители проекта H2FUTURE убеждены, что он должен быть заменен "безуглеродным" водородом, получаемым с помощью электролиза и энергии ВИЭ.

Похожей позиции придерживаются авторы доклада The Future of Hydrogen, опубликованного недавно Международным энергетическим агентством. По данным МЭА, сейчас в мире потребляется порядка 70 млн т чистого водорода, т.е. молекулярного водорода с очень низким содержанием других веществ и добавок. Основные области применения чистого водорода — переработка нефти и производство аммиака, в основном, для удобрений.

В ряде отраслей также потребляется смесь водорода с другими газами. Общемировой спрос на такой водород оценивается в объеме 45 млн т, водородные смеси применяются для производства метанола и стали (рис.1).

Рис. 1. Структура производства и потребления чистого водорода и водорода с добавками

ИСТОЧНИК

IEA 2019, The Future of Hydrogen

Около трети всего водорода идет на потребности транспортного сектора, включая производство нефтепродуктов (33%) и метанола (11%), используемого в автомобильном топливе. Около 3% потребления приходится на сталелитейное производство.

На водородные автомобили пока приходится менее 0.01 млн т в год (менее 0.03 млн т н.э.) чистого водорода, причем большая часть которого производится из природного газа, т.е. водородный транспорт пока тоже нельзя считать экологичным.

Почти весь водород сегодня делают из ископаемого топлива, причем около 60% общего объема производится на специализированных производствах, т.е. таких, где водород является основным продуктом. Основным сырьем для производства водорода является природный газ, из него делают более 60% водорода. Доля угля примерно вдвое меньше, а нефти и воды совсем ничтожна. Поэтому роль электролиза (вода) пока очень незначительна. Около трети всего водорода производится в качестве побочного продукта. Такой водород часто нуждается в обезвоживании или других видах очистки.

Как уже было казано, почти весь водород – "неэкологичный", менее 0.7% его производится ВИЭ или производствами, оснащенными средствами для улавливания и утилизации углерода. Поэтому водород "ответственен" за выбросы 830 млн т СО2 год. И поскольку все перечисленные выше отрасли будут увеличивать потребление водорода в среднесрочной перспективе, эти выбросы тоже будут расти. В более отдаленной перспективе они могут быть ограничены внедрением низкоуглеродного производства водорода в некоторых сферах, в том числе на сталелитейных заводах (поэтому опыт H2FUTURE, скорее всего, будет использован металлургами разных стран).

В МЭА считают, что технологические проблемы, которые сейчас препятствуют движению в этом направлении, будут преодолены. Теоретически вся первичная сталь может производиться с использованием водорода, и это потребует много электроэнергии — порядка 2 500 ТВтч в год, или около 10% мирового производства электроэнергии сегодня. Понятно, что это будет возможно лишь при очень низких ценах на электроэнергию.

В докладе МЭА рассматриваются технологии производство водорода с экономической точки зрения, и делается вывод, прогресс будет достигнут, но не скоро.

Растет использование электролиза (т.е. безуглеродного производства), причем особенно быстро увеличивается число установок мембранного электролиза, который считается более перспективным и который используется и в проекте H2FUTURE.

Географически большинство проектов получения водорода с помощью электролиза находятся в Европе, хотя есть в Австралии, Китае и Америке. Средняя мощность блока увеличилась с 0.1 МВт в период 2000-2009 гг. до 1.0 МВт в 2015-2019 гг., что указывает на переход от небольших пилотных и демонстрационных проектов к их коммерческому использованию (рис. 2). Это будет создавать эффект масштабирования, который поможет снизить капитальные затраты и расширить цепочки поставок электролизной промышленности. В нескольких проектах строятся установки мощностью 10 МВт или более. Увеличение среднего размера означает повышение экономической эффективности — чем крупнее установка, тем лучше CAPEX проекта.

Рис. 2. Рост числа проектов с использованием электролиза

ИСТОЧНИК

IEA 2019, The Future of Hydrogen

Еще один фактор — стоимость электроэнергии. Для производства недорогого водорода важно наличие дешевой электроэнергии и возможность обеспечить работу установки при относительно высокой полной ее нагрузке. В энергосистеме с большой долей ВИЭ есть дешевая электроэнергия, однако не всегда. Чтобы обеспечить непрерывность работы установки в периоды провалов генерации, можно использовать вырабатываемый водород, но если таких провалов много, то это будет невыгодно. Поэтому новые проекты имеет смысл строить в регионах с большими ресурсами солнечной и ветровой энергии.

В докладе приведена карта стоимости производства водорода с учетом стоимости электроэнергии гибридных солнечно-ветровых станций, которая, как сказано в примечании, составлена "без предубеждения к статусу или суверенитету любой территории, разграничению международных границ, границам и названиям любых территорий, городов или областей". При взгляде на нее, впрочем, в этом возникают сомнения — в некоторых частях мира никаких границ (для ресурсов ВИЭ) не существует, тогда как в других они четко видны и стоимость "зеленого" водорода по разные стороны границы почему-то разная. Ясно видно, к примеру, что в западной Украине водород делать менее выгодно, чем в соседней Польше (хотя климат одинаковый). Не повезло также балканским странам, которые не члены ЕС, а также всему бывшему СССР — советская граница четко видна, и по другую ее сторону водород чудесным образом резко дешевеет, что особенно заметно на Дальнем Востоке. А в Китае солнце светит ярче и ветер дует сильнее, чем у соседей.

Рис. 3. Стоимость производства водорода с использованием электроэнергии гибридных солнечно-ветровых станций в долгосрочной перспективе

ИСТОЧНИК

IEA 2019, The Future of Hydrogen

Во всяком случае, понятно, что в теории электролизом выгоднее заниматься в тропиках и в меньшей степени в некоторых приморских регионах. Пока это не очень актуальная информация — в ближайшей перспективе, то есть до 2030 г., экономически выгоднее будет производить водород из ископаемых топлив. То есть там, где дешевле газ. Уголь также используется в качестве сырья, но его стоимость не так влияет на конечную стоимость водорода. К тому же транспортировка угля дешевле.

Поэтому в обозримой перспективе стоимость водорода будет определяться стоимостью электроэнергии и газа, а также параметрами, влияющими на расходы, связанные с этими энергоресурсами, например, эффективностью преобразования энергии.

В МЭА считают, что в более далекой перспективе, т.е. после 2030 г., удастся повысить экономическую эффективность производства на основе электролиза настолько, что это выведет рынок водорода на новый уровень добавив к нему два больших сегмента — газоснабжение и транспорт. Вернее, доля транспорта вырастет от нынешней символической до заметной. То же произойдет с инфраструктурой — сейчас водородные заправки есть, но лишь в нескольких странах, и их очень мало.

Водород без особых затрат на модернизацию газотранспортной сети можно добавлять в газ. Даже если доля водорода составит 5% от потребления газа, это уже значительно повысит его потребление. Чистый водород тоже можно транспортировать газопроводами, но это потребует серьезных изменений ГТС и, соответственно, больших инвестиций.

Рост потребления еще больше повысит эффективность производства. Конечно, речь идет о безуглеродном производстве, электролизе. До 2030 г. потребление также будет расти за счет уже существующих сегментов, и это тоже поможет развитию новых проектов. "Растущий спрос на водород в основных отраслях промышленности дает возможность создавать центры, которые обеспечивают уменьшение стоимости низкоуглеродистых водородных путей и запуск новых источников спроса", — отмечено в документе.

Поэтому такие проекты, как H2FUTURE, будут создаваться в разных промышленных центрах, по крайней мере в Европе, и получать поддержку на государственном уровне.

Copyright © ЦОИ «Энергобизнес», 1997-2019. Все права защищены
расширенный поиск
Close

← Выберите раздел издания

Искать варианты слов
 dt    dt