Водородная энергетика 2023: тренды и перспективы рынка чистой энергетики

Развитие «зелёной» экономики, сокращение объема потребления нефтепродуктов обуславливает активное развитие водородной энергетики во всем мире. Эксперты считают, что уже в недалеком будущем это позволит достичь экологически чистого производства и транспортировки. На сегодняшний день водородные стратегии утверждены уже в 26 странах мира. Развивающиеся и развитые государства заинтересованы во внедрении водорода как основного инновационного вида топлива. Поэтому уже сейчас создано большое количество пилотных проектов для масштабного производства водорода во многих странах мира. Так, существует ряд способов получения водорода для нужд энергетики, основными из которых являются:

• электролиз воды;

• паровая конверсия метана;

• газификация угля;

• пиролиз.

Из данного списка самым экологичным способом получения водорода является электролиз воды. Единственным минусом данного способа является то, что для получения водорода необходимо использовать электроэнергию, для выработки которой, собственно, и получают водород.

Глобальный рынок водородной энергетики

1. Страны обязаны в период с 2050 г. по 2100 г. ограничить выброс парниковых газов до такого объема, который экосфера способна переработать самостоятельно (без вмешательства человека).
   

2. Развитые страны обязаны выделять деньги в специальный климатический фонд для помощи бедным странам в борьбе с последствиями климатических изменений, а также во внедрении возобновляемой энергетики на территории бедных стран для улучшения экологической ситуации на данных территориях.

Источник: данные РГУ нефти и газа (НИУ) им. И. М. Губкина

Нужно сказать, что основные процессы формирования рынка низкоуглеродного водорода в мире связаны в первую очередь с замещением кэптивного водорода с высоким углеродным следом на низкоуглеродный водород, а также с формированием инфраструктуры водородного транспорта и с началом применения низкоуглеродного водорода в отраслях, где этот газ ранее массово не использовался.

Состояние водородной энергетики в России

Доля России на мировом рынке производства водорода сегодня составляет около 7% (примерно 5 млн тонн в год), страна занимает пятое место в мире после Китая, США, ЕС и Индии. При этом если в Китае более 62% водорода производится из угля путем его газификации, то в России – из природного газа методом паровой конверсии. На производство водорода таким путем используется более 28 млрд м³ природного газа, что составляет порядка 6% от его внутреннего потребления в России.

С 2018 по 2022 гг. производство водорода в России увеличилось на 16,6%: с 2,05 до 2,39 млрд м³. Однако, по сравнению с 2021 годом, производство водорода снизилось на 1,2%.

Рис. 2. Производство водорода в России в 2018-2022 гг. (млн. м³ )

Источник: Росстат, Минэнерго

Потребление водорода в России

Положительная динамика обусловлена, прежде всего, широтой его применения. Основными потребителями водорода в России являются предприятия химической отрасли, которые используют водород для получения аммиака, метанола, пластмасс, хлороводорода, соляной кислоты, а также нефтеперерабатывающие заводы (водород применяется для получения топлива стандарта «Евро 5»).

Потребление водорода в металлургии является незначительным, тем не менее, водород участвует в процессе восстановления некоторых металлов. В энергетике водород выступает альтернативным источником топлива, в медицине задействован при производстве водного раствора перекиси водорода, в пищевой промышленности водород необходим для проверки герметичности при упаковке пищевых продуктов.

Рис. 3. Потребление водорода в России по отраслям

Источник: данные РГУ нефти и газа (НИУ) им. И. М. Губкина

Характерной чертой отечественного рынка водорода является то, что крупнейшие производители данной продукции являются одновременно и ее основными потребителями. Порядка 90% получаемого в России водорода приходится на внутризаводское потребление. Использование водорода в большинстве случаев интегрировано в единые цепочки с производством конечной продукции (аммиака, метанола, полиамидов), что обусловлено дороговизной его хранения и транспортировки.

Водород как энергоноситель является оптимальным решением для снижения выбросов в целом ряде секторов экономики. Так, по мнению главы Национального водородного союза России Дениса Дерюшкина, потенциал сокращения выбросов за счет применения водорода в дорожном транспорте оценивается в 57%, в металлургии – в 63%, а в энергетике – в 20%.

Стратегические документы развития водородной энергетики в России

В рамках развития отечественной водородной энергетики принят ряд основополагающих документов, которые структурируют всю работу в данной сфере. В частности, 09.06.2020 года была утверждена Энергетическая стратегия России на период до 2035 г. (распоряжение Правительства РФ № 1523-р), в которой нашли отражение как традиционные направления развития (СПГ, нефтегазохимия), так и сравнительно новые (газовое топливо на транспорте), и инновационные (водородная энергетика). Впервые газомоторное топливо и водородная энергетика были упомянуты наравне с традиционными источниками.

В октябре 2020 г. Распоряжением Правительства РФ № 2634-р (12.10.2020 г.) утверждается план мероприятий «Развития водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 г.». В документе прописаны основные мероприятия, реализация которых должна позволить достичь паритета в развитии водородной энергетики с ведущими в этой области зарубежными странами.

Затем последовало Распоряжение Правительства РФ от 05.08.2021 г. № 2162-р по утверждению Концепции развития водородной энергетики в Российской Федерации. Параллельно с этим документом вышло Распоряжения Правительства РФ от 23.08.2021 г. № 2290-р по утверждению Концепции по развитию производства и использования электрического автомобильного транспорта в Российской Федерации на период до 2030 г. Концепция развития электротранспорта включает в себя и развитие водородных технологий. Отдельно прописано применение водорода для транспорта.

В феврале 2023 г. Межведомственной рабочей группой по развитию водородной энергетики в Российской Федерации (правительство РФ совместно с ПАО «Газпром» и ГК «Росатом») была утверждена «Дорожная карта» развития высокотехнологичного направления «Водородная энергетика» на период до 2030 г. Согласно дорожной карте, к концу 2024 года промышленность РФ должна вырабатывать 200 тыс. тонн водорода в год и до 12 млн тонн к 2035 году. В части федерального проекта «Чистая энергетика» на развитие водородной энергетики предусмотрены средства федерального бюджета в размере 9,3 млрд руб. на период до 2024 года. К 2030 году Россия намерена занять до 20% мирового рынка водорода.

В дорожной карте предусмотрены следующие меры:

• поддержка пилотных проектов по производству водорода;

• стимулы для экспортеров и покупателей на внутреннем рынке;

Возникший в России в последние годы (в особенности, в 2021 г., после выхода концепции) «водородный ажиотаж» привёл к появлению большого числа заявленных проектов по производству «низкоуглеродного» и «возобновляемого» водорода. Минпромторгом России подготовлен Атлас российских проектов по производству низкоуглеродного и безуглеродного водорода и аммиака. В нем приведен 41 пилотный проект в 18 регионах России, реализация которых будет способствовать созданию в стране полноценной водородной индустрии.

Для России лидерами отрасли остаются углеводородные гиганты с госучастием: «Газпром», «Росатом», НОВАТЭК. Водородными технологиями в России занимается несколько десятков компаний, в том числе «H2 Чистая энергетика», АФК «Система», «Норникель», а также и те, что занимаются добычей газа, как, например, «Газпром». Указанные компании инвестируют в разработку технологий производства, хранения и транспортировки водорода, утилизации СО2, а также работают над использованием водорода в различных областях промышленности. С их участием создаются крупнейшие кластеры по производству водорода на Сахалине (проект «Росатома» по транспортировке «голубого» водорода морем в Китай), в Якутии (проект Северо-Восточного альянса по транспортировке «голубого» водорода в Китай по железной дороге), на Ямале (проект НОВАТЭКа по экспорту «голубого» водорода морем в Германию), в Восточной Сибири (поставки En+ «зеленого» водорода в Китай по железной дороге) и на Северо-Западе (проекты «зеленого» водорода «Росатома», «Роснано», «H2 Чистая энергетика»).

Так, одним из важнейших проектов по производству водородной энергетики следует считать формирование водородного кластера в Сахалинском регионе. Несколько крупнейших компаний, в том числе «Росатом», «H2 Чистая Энергетика», планируют к реализации организационный механизм по производству, экспорту в страны АТР и развитию внутреннего потребления водорода, прежде всего, «зеленого». Территория Сахалина обладает избыточными ресурсами для запуска подобных проектов, в том числе сырьевыми (природный газ, уголь) и энергетическими (развитая инфраструктура генерации с применением ВИЭ). В регионе планируется строительство завода по производству водорода из природного газа методом паровой конверсии метана. Также реализуется пилотный проект по использованию водорода на железнодорожном транспорте, в том числе в перспективе создание железнодорожной ветки, по которой будут ходить только водородные поезда. Власти региона рассматривают в качестве перспективного направления получение «зеленого» водорода и намерены до 2030 года наладить его производство до 100 тыс. т в год. «Росатом» рассматривает Сахалин как ключевую площадку для крупнотоннажного производства водорода.

Рис. 4. Атлас российских проектов по производству низкоуглеродного и безуглеродного водорода и аммиака

Источник: Минпромторг

В Архангельской области и на Камчатке прорабатываются вопросы производства «зеленого» водорода с использованием электроэнергии приливных электростанций. Так, в области планируется использование Мезенской ПЭС мощностью до 12 ГВт с прогнозируемым объемом производства водорода до 500 тыс. т в год к 2030 году и до 1 млн т. в год к 2033 году. Участниками проекта выступают агентство регионального развития Архангельской области и «НордЭнергоГрупп».

Планируется производство «зеленого» водорода и в Калининградской области, где его будут получать электролизом воды с использованием ветровой энергии, а в Мурманской области - «розовый» водород на электричестве от Кольской АЭС. За эти проекты взялся «Росатом». Эти проекты ориентированы на экспорт в ЕС. Кроме того, ЛУКОЙЛ планирует делать «зеленый» водород в Краснодарском крае - до 13 тонн в год.

В рамках соглашения о сотрудничестве (Правительство Российской Федерации, Госкорпорация «Росатом» и ПАО «Газпром») Госкорпорацией «Росатом» до 2030 года будет реализована программа по созданию отечественных технологий в области производства и обращения с водородом, организовано серийное производство российских электролизных установок различной мощности, а также будут вестись работы по проекту создания атомной энерготехнологической станции с высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами и химико-технологической частью (АЭТС с ВТГР и ХТЧ)

Также в марте 2023 года АО «Русатом Оверсиз» (РАОС, входит в Госкорпорацию «Росатом») и компания «Поликом», ведущий поставщик промышленных генераторов водорода, заключили соглашение о консорциуме для развития и продвижения оборудования в сфере водородной энергетики. Стороны планируют объединить усилия для продвижения электролизеров российского производства на внутренние и внешние рынки, а также для организации поставок высокотехнологичного оборудования и услуг потребителям в различных секторах экономики.

Нужно отметить, что с помощью электролизной установки отечественного производства компании «Поликом» на Кольской АЭС в декабре 2022 года уже был произведен первый водород, который необходим для охлаждения турбогенераторов, вырабатывающих электроэнергию на атомной станции. Этот опыт по обращению с водородом позволил Кольской АЭС стать пилотной площадкой для производства водорода в России.

Рис. 5. Водородный кластер

Источник: АО «Русатом Оверсиз»

В сентябре 2022 года АО «Русатом Оверсиз» и ГКНПЦ им. Хруничева (входит в госкорпорацию «Роскосмос») подписали соглашение о намерениях, которое предусматривает сотрудничество в разработке отечественных технологий по хранению и транспортировке водорода, которые будут востребованы в космической отрасли.

Наряду с этим, топливная компания «ТВЭЛ» реализует масштабный инвестиционный проект по созданию в Новоуральске опытно-промышленного производства электролизного оборудования. Так, по заказу АО «Концерн Росэнергоатом» специалистами ООО «НПО «Центротех» была разработана электролизная установка производительностью 50 Нм³/ч (нормальных кубических метров водорода в час).

Оборудование Росатома по производству водорода основано на экологичной технологии электролиза воды с применением уникальной анионопроводящей матрицы. Использование матрицы и выбранные инженерно-конструкторские и технологические решения позволяют обеспечить компактность всей установки, низкое удельное энергопотребление электролизной батареи (не более 4 кВт/ч на один нормальный кубометр производимого водорода), высокие динамические характеристики, безопасную эксплуатацию электролизной установки от нулевого уровня до 115% номинальной производительности, а также требуемую чистоту получаемого водорода.

Кроме того, в России в рамках федерального проекта «Электромобиль и водородный автомобиль» планируется до 2030 года создать линейку машин на электричестве и водородном топливе, а также зарядную и заправочную инфраструктуру для них.

Проекты развития водородного транспорта уже есть. Так, КамАЗ создал водоробус, способный проехать 250 км без дозаправки; на данный момент модель существует лишь в пилотном исполнении. Легковые автомобили на водородных топливных элементах разрабатывают специалисты НАМИ. Компании, входящие в АФК «Система», работают над электрическим катамараном с водородными двигателем и силовой установкой для гражданских беспилотников.

Наряду с этим водород может быть востребован и при реализации российских высокотехнологичных проектов. Водородные топливные ячейки или двигатели на водороде подходят для БПЛА, могут быть востребованы для морского и речного судоходства (в мире такую возможность изучает, в частности, корейская Samsung Heavy Industries). С учетом значительных сухопутных и водных просторов такие сценарии применения становятся все более актуальными для нашей страны. Их коммерческая и техническая реализация зависит от корректной оценки потребностей и затрат по всей цепочке создания стоимости, а также формирования условий для промышленного тиражирования. 

И это только малая часть проектов, реализуемых отечественными корпорациями и учреждениями в целях развития водородной энергетики и масштабирования новых технологий и продуктов отечественного происхождения.

Данные примеры указывают на своевременное выполнение плана перехода к возобновляемой энергетике, в частности водородной.

Но, стоит отметить, что сейчас в России существуют экономические и технические барьеры для добычи и транспортировки водорода. К ним относят:

• отсутствие необходимой инфраструктуры для хранения и транспортировки водорода;

• высокие затраты на транспортировку водорода;

• ограниченность нормативно-правовой базы в области водородной энергетики.
  

Международное партнерство в сфере водородной энергетики

Для скорейшего и менее рискованного внедрения водородной энергетики страны начали объединять свои усилия для разработки передовых технологий по добыче водорода. Потенциальными партнерами для России в данном направлении традиционно считаются Германия, Китай, Корея и Япония. Но в связи с нынешней ситуацией планы по дальнейшему сотрудничеству с Россией у этих государств очень сильно изменились. Единственная страна, с которой Россия продолжает сотрудничество в области водородной энергетики – это Китай, с которым у России не только налажены хорошие дипломатические отношения, но и развивается сотрудничество в области инноваций. Такие отношения могут стать «окном возможностей» для России, но реализовывать их для производства водородного топлива необходимо как можно быстрее, так как в планах у Китая создание Китайского водородного альянса (англ. The China Hydrogen Alliance), который поможет Китаю обойтись при производстве водорода без чьей-либо помощи.

Другими потенциальными партнерами России в области водородной энергетики могут быть:

1. страны Латинской Америки (2 млн т водорода в год);

2. африканские страны (2,2 млн т водорода в год);

3. страны Ближнего Востока (3,2 млн т водорода в год).

С Латинской Америкой и Ближним Востоком проблем, возможно, не будет. Но к странам Африки, как к своим бывшим колониям, может проявить интерес Франция, ведь большая часть северной Африки, которая сейчас является наиболее развитой, исторически была под властью Франции.

Конкурентами России на экспортном рынке водорода будут ОАЭ, Саудовская Аравия, Австралия, Норвегия, Оман, также сделавшие ставку на производство и продажу водорода за рубеж. В гонку включаются Китай и Казахстан. Стоит отметить, что они также являются нефте- и углепроизводящими странами, то есть на первых этапах производство водорода все же останется «серым» и «бурым».

Перспективы развития водородной энергетики

Наибольшее количество инициируемых исследований в области водородной энергетики связано с производством водорода. Именно на этом этапе цепочки создания стоимости отмечается значительное разнообразие технологий, хотя наиболее затратным считается хранение водорода, прежде всего, в силу его высокой взрывоопасности и летучести.

Таблица 1. Топ-10 перспективных водородных технологий

Источник: данные Института статистических исследований и экономики знаний (ИСИЭЗ) НИУ ВШЭ

Большинство национальных исследований сегодня касается производства водородных топливных элементов (ячеек), которые преобразуют химическую энергию в электричество и применяются в промышленности для автономной генерации и накопления энергии, на транспорте (авиа-, авто-, железнодорожном), в электроэнергетике для обеспечения энергией удаленных и труднодоступных районов.

Например, в Индии стратегия развития водородной энергетики предполагает, прежде всего, реализацию проектов создания топливных ячеек для функционирования автомобильного и железнодорожного транспорта. Начиная с 2021 года, в Южной Корее запущена в эксплуатацию самая крупная в мире электростанция на водородных топливных элементах. Ряд крупных японских корпораций (например, Teijin Group) в 2022 году запустили пилотные проекты апробации портативных водородных топливных ячеек сразу в нескольких направлениях: возможность использования их в строительной отрасли, морских перевозках и для авиакосмических целей.

Не менее значимым направлением в научных исследованиях является поиск и создание материалов для водородных компонентов. Только на основе специальных материалов и соединений возможно эффективное функционирование генераторов энергии на основе водорода. Прежде всего, научный интерес касается разработки материалов, используемых для катализаторов, обеспечивающих выработку электроэнергии. Как правило, в катализаторах используется платина, за счет чего водородные топливные ячейки имеют очень высокую стоимость. К слову, каталитические технологии, без которых немыслима вся современная нефтеперерабатывающая и химическая промышленность, нефте- и газохимия, фармацевтическая и пищевая промышленность, составляют основу водородных технологий. Соответственно, сегодня активно изучаются возможности использования других материалов. В 2022 г. специалисты Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе применили вместо платины кристаллы платинокобальтового сплава. В начале 2023 г. российские ученые разработали другой материал для электрокатализаторов – углеродные микротрубки, покрытые композитами на основе никеля и меди, которые делают процесс получения водорода более дешевым и эффективным.

А вот производство экологически чистого «зеленого» водорода, прежде всего, с помощью электролиза воды с использованием ВИЭ, остается дорогостоящей технологией с отдаленными перспективами реализации. Текущий уровень готовности пока не позволяет говорить о коммерциализации этих разработок. Они приобрели популярность в силу масштабных и системных инвестиций в исследования со стороны ряда государств, в первую очередь, стран ЕС. Стоимость электролизеров постепенно снижается (за 2018–2022 гг. вдвое), появляются более мощные и масштабируемые установки, хотя их применение все еще ограничено.

Что касается перспективных разработок хранения водорода, сегодня основная задача состоит в том, чтобы создать такие коммерческие системы его хранения, которые бы отличались энергоэффективностью и вместительностью. Один из наиболее удобных и наименее затратных вариантов для длительного использования в промышленных масштабах – подземное хранение водорода. Еще в 1970-х годах для этих целей были оборудованы подземные солевые шахты, например, в США, Германии. В данном направлении активно разрабатываются проекты в США, где в настоящее время планируется строительство подземного хранилища водорода мощностью 300 ГВт/ч.

Инновационные разработки и научные изыскания сегодня в сфере потребления водорода в основном касаются возможности его использования и масштабирования проектов в рамках развития автомобильного электротранспорта. Флагманами в развитии водородомобильной индустрии являются Япония и Южная Корея. В частности, такие компании как Toyota и Hyundai поставили на серийное производство пассажирских электромобилей, работающих на топливных водородных ячейках. За счет государственной поддержки производства данных компаний за период с 2020 по 2021 годы продажи пассажирского и грузового транспорта на топливных ячейках увеличились более, чем на 66%.

Выводы

В целом, в отношении развития мирового рынка водородной энергетики эксперты разных стран склоняются к тому, что он будет сформирован не ранее начала 2030-х гг. в силу незрелости существующих технологий для внедрения в коммерческих масштабах, а также в связи с дефицитностью законодательного регулирования в данной сфере, обеспечивающего безопасное и эффективное использование водорода.

На фоне высокой неопределенности развития рынка инвесторы пока консервативны в своих ожиданиях: водородные проекты хотя и финансируются, но не столь активно. В 2022 г. в мире было заявлено 680 крупномасштабных водородных проектов стоимостью 240 млрд долл., но только на каждое десятое предложение были выделены инвестиции. Развитию рынка водородной энергетики препятствуют высокие издержки производства и хранения водорода, потери энергии на каждом этапе цепочки создания стоимости, сложности транспортировки и т.д.

Для России в текущих геополитических условиях, породивших отказ от российских традиционных энергоресурсов и затяжной энергетический кризис в западных странах, развитие водородного направления приобретает особую значимость. В этих условиях Россия просто не может позволить себе отказаться от создания водородной энергетики из соображений технологической безопасности страны. Ведь если в мире сформируется новая отрасль энергетики с ее совершенно новым технологическим пакетом, основанная на водородных технологиях, любое технологическое отставание в будущем приведет к неизбежной зависимости от лидеров этой отрасли.

Основной целью водородной энергетики в нашей стране следует считать развитие отечественных технологий, а также обеспечение конкурентоспособности экономики страны в условиях глобального энергетического перехода. Принятая в 2021 г. Концепция развития водородной энергетики в Российской Федерации предусматривает создание сегмента водородной энергетики как части энергетической отрасли с высоким экспортным потенциалом. Для этого наша страна обладает уникальным сочетанием факторов, включая значительные запасы природного газа, собственные научно-технологические заделы, выгодное географическое положение.