Водородная энергетика: ключевые направления развития, пересмотр планов, инвестиции

Водород как энергоноситель, выполняет роль важного инструмента по сокращению выбросов парниковых газов, декарбонизации энергетики, транспортного сектора и промышленности. Роль водорода в энергобалансе будет возрастать. Во-первых, идет процесс декарбонизации, переход к безуглеродной энергетике. Во-вторых, остро стоит вопрос сбалансированности системы, построенной на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ).

Подписывайтесь на Telegram-канал!

Читайте свежие исследования в удобном формате!

Для того чтобы обеспечить надежность энергосистемы, необходимо отработать технологии хранения энергии. И роль водорода как элемента системы хранения будет расти. В третьих, все государства стремятся к энергобезопасности, энергонезависимости. Именно водород сегодня находится в центре мировой энергетической повестки, и даже самые консервативные оценки говорят о том, что к 2050 году его роль в энергобалансе может составить порядка 18−20%. Фактически он будет сопоставим с такими энергоносителями, как газ, нефть, уголь.

Принято выделять цветовые градации водорода, соответствующие степени его экологичности и способу получения.

Рис.1. Способы получения водородного топлива

Источник: ACIL ALLEN Consulting, анализ ИЦ «Энерджинет»

В настоящее время порядка 75% объема мирового производства водорода приходится на «серый» водород. Для его получения природный газ нагревают и смешивают с паром, что является самым дешевым и одновременно наименее экологич-ным способом производства водорода. В данном процессе выделяется большое количе-ство углекислого газа.

Больше 20% водорода относится к «коричневому» или «бурому» типу. Его получают путем газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы.

«Голубой» водород получают из природного газа, при этом вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее, идеально чистым этот метод назвать нельзя, поскольку диоксид углерода нужно утилизировать, а это снижает экономическую эффективность энергетики.

«Розовый» или «красный» водород производят при помощи атомной энергии.

Для получения «бирюзового» водорода природный газ нагревают до 900 °C в вакууме. Побочным продуктом такого метода производства является твердый углерод, который можно использовать в промышленности и легко утилизировать.

Но самым экологически чистым считается «зеленый» водород - он производится из возобновляемых источников энергии (ВИЭ) методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого: вода, электролизер и большое количество электроэнергии. Именно на «зеленый» водород делают ставку в альтернативной энергетике, т.к. он в будущем может полностью заменить ископаемое топливо.

Состояние водородной энергетики в мире.

Ведущие страны мира, отдельные регионы и крупные корпорации декларируют свои долгосрочные стратегические цели по снижению выбросов парниковых газов (или углеродного следа в выпускаемой продукции) для борьбы с глобальным изменением климата.

Таблица 1 - Заявленные национальные цели по сокращению выбросов парниковых газов

Источник: Центр энергетики СКОЛКОВО

В десятку лидеров по абсолютным значениям выбросов парниковых газов входят такие страны, как Китай, США, Индия, Россия, Япония, Германия, Южная Корея, Иран, Саудовская Аравия и Канада, на долю которых в 2021 г. пришлось 68 % общих мировых выбросов.

Согласно умеренному сценарию специалистов Центра EnergyNet, принятому в ка-честве базового, к 2025 г. мировой рынок водородной энергетики должен достичь 26 млрд.долл., при этом в период 2025–2040 гг. цены на водородное топливо должны сни-жаться с 4 тыс. до уровня 2 тыс. долл. за тонну.

Рис. 2. Три варианта прогноза развития объемов мирового рынка водородного топлива

Источник: данные Центра EnergyNet.

Согласно прогнозам компании Persistence Market Research, в период 2020–2025 гг. среднегодовой рост мирового рынка водорода в целом составит 6,1 % и к концу 2025 г. стоимость рынка достигнет 200 млрд. долл.

Следует подчеркнуть, что водородный рынок – это не только сам водород, но и способы его производства, транспорта, использования. Это большой зарождающийся ры-нок разнообразной продукции машиностроения, химии и новых материалов. Оценка его объемов на нынешнем этапе – весьма приблизительная. В настоящее время этого рынка, по сути, нет. Почти все 90 млн тонн производимого водорода используются на месте, для удовлетворения собственных нужд. Согласно сценарию APS (Announced Pledges Scenario) МЭА, заложенный в водородных стратегиях государств объем годового производства должен вырасти в среднем до 150 млн т в 2035 г. и 250 млн т в 2050 г.

Таблица 2 – Основные характеристики мирового рынка водорода

Источник: данные МЭА

Из приведенных данных видно, что официально декларируемая доля водородной энергетики в мировом масштабе в 2050 г. в лучшем случае составит 0,5% в массовом (в пересчете на тонны условного топлива), 2% в энергетическом и 2,5% в денежном исчислении. С финансовой точки зрения такая доля соответствует уровню сегодняшнего рынка каменного угля; с точки зрения энергоемкости – находится на уровне сегодняшней гидроэнергетики.

По прогнозу МИЭ к 2030 году общее потребление чистого водорода и водорода в смеси в мире составит 156 млн тонн, что на 37 млн тонн превышает нынешний объем по-требления этого продукта, который оценивается в 119 млн тонн.

Рис.3. Динамика потребления чистого водорода и водорода в смеси в мире по сегментам производства, млн тонн

Источник: МИЭ

Несмотря на мировые тенденции перехода на возобновляемый водород, большая доля технологий производства водорода в ближайшее время будет основываться на про-изводстве ископаемого водорода с улавливанием углекислого газа. Этот факт находит подтверждение в действующих национальных водородных стратегиях.

Анализируя водородные стратегии, следует заключить, что начало масштабного производства чистого водорода в большинстве стран намечено на 2030 - е годы. В пере-ходный период, до 2050 - х годов, политика стран по применению водорода в качестве энергоносителя, не направлена на единственное применение технологий «зелёного» про-изводства водорода. По планам и перспективам большинство стран намерены реализовы-вать декарбонизацию промышленности в сочетании нескольких производственных про-цессов, в том числе используя технологии улавливания CO2 или применяя атомную энергетику.

Таблица 3 – Выдержки из водородных стратегий некоторых стран мира

Кроме того, более 20 стран и объединений обнародовали свои стратегии, концепции и «дорожные карты» в сфере водородной энергетики. Условно их можно разделить на три группы:

• Ориентированные на внутреннее производство и / или импорт водорода – страны Европейского союза (в частности, Германия), Япония, Республика Корея и другие;
• Ориентированные на внутреннее производство и экспорт водорода – Россия, Австралия, Чили и другие;
• Ориентированные на внутреннее производство и потребление водорода – Великобритания, Китай.

Нормативно-правовая база по развитию водородной экономики в России

Тренд на декарбонизацию, предложенный Парижским соглашением по климату (2015), поддержан Россией, что свидетельствует о взвешенной позиции страны в обозначенном вопросе.

В настоящее время в России сформирован пакет нормативно-правовых актов и стратегических документов, нацеленных на активизацию производственных мощностей внутри страны и завоевание мирового рынка водородной энергетики.

Рис.4. Стратегические документы, стимулирующие развитие водородной
экономики в России

Источник: АРВЭ

Первые цели и задачи по развитию производства и потребления, экспорта водорода из России и вхождению РФ в число мировых лидеров в этой отрасли были зафиксированы в июне 2020 года в Энергетической стратегии РФ. Согласно данной стратегии, водород, используемый сегодня в основном в химической и нефтехимической промышленностях, в перспективе способен стать новым универсальным энергоносителем и сформировать «водородную экономику».

В октябре 2020 года была утверждена «дорожная карта» развития водородной энергетики до 2024 года, в которой приводится комплекс мероприятий, направленных на успешную реализацию проектов в области водородной энергетики в России, поддержку НИОКР, а также на совершенствование нормативно-правового регулирования и соответствующих механизмов государственного стимулирования.

В августе 2021 года Правительство утвердило Концепцию развития водородной энергетики. Совместно с «дорожной картой» эти два документа определяют цели и задачи развития новой индустрии на различных горизонтах планирования. В числе стратегических инициатив Концепции выделены:

• запуск пилотных проектов по производству низкоуглеродного водорода,
• создание консорциумов по производству оборудования и комплектующих,
• формирование инфраструктуры для хранения и транспортировки энергоносителя.

Помимо этого, отмечается необходимость создания водородных и промышленных кластеров, развитие возобновляемых и иных низкоуглеродных источников энергии для производства водорода.

Положения Концепции водородной энергетики России декларируют создание минимум четырех территориальных производственных водородных кластеров в целях именно комплексного развития водородной энергетики, включающего генерацию ВИЭ, электролиз, производство, хранение и транспортировку водорода:

1. Северо-Западный кластер с ориентацией на экспорт в страны Евросоюза.
2. Восточный кластер с ориентацией на экспорт в Азию и развитие водородных инфраструктур в сфере транспорта и энергетики.
3. Арктический кластер с ориентацией на создание низкоуглеродных систем энергоснабжения территорий Арктической зоны РФ и экспорт водорода.
4. Дополнительно может быть создан Южный кластер, который в качестве источника энергии и ресурсов будет базироваться на природном газе и ВИЭ.

Последние данные Минэнерго утверждают создание 5 кластеров, включающих ре-ализацию производства водорода и аммиака:

• Сахалин (проект «Росатома» по транспортировке «голубого» водорода морем в Китай).
• Якутия (проект Северо-Восточного альянса по транспортировке «голубого» во-дорода в Китай по железной дороге).
• Ямал (проект НОВАТЭКа по экспорту «голубого» водорода морем в Германию).
• Восточная Сибирь (поставки En+ «зеленого» водорода в Китай по железной до-роге).
• Северо-Запад (проекты «зеленого» водорода «Росатома», «Роснано», «H2 Чистая энергетика»).

Одним из важных документов, стимулирующих развитие водородной энергетики в России, является Стратегия социально-экономического развития РФ с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года. Реализация Стратегии предусматривает создание комплексов по производству низкоуглеродного водорода, создание экспортного сек-тора для выхода на международный рынок, наращивание доли водорода в экспортируемой продукции.

В первых числах декабря 2021 года утверждена «дорожная карта» развития высокотехнологичной области «Развитие водородной энергетики и декарбонизация промышленности и транспорта на основе природного газа» с целью развития конкурентоспособных отечественных технологий производства «низкоуглеродного» водорода из природного газа, хранения, транспортировки и применения водорода, определения геологических структур, пригодных для закачки и хранения диоксида углерода, а также развития экономически и технически обоснованных технологий по улавливанию, хранению и использованию диоксида углерода и др.

Все вышеперечисленные документы нацелены на то, чтобы Россия стала ведущим игроком на мировом рынке водородной энергетики, что обусловило в настоящее время активное взаимодействие государственных органов власти и бизнеса в этом направлении. По инициативе и координации «РОСНАНО» крупнейшие компании РФ сформиро-вали Рабочую Группу по разработке комплексной национальной Программы развития отрасли водородной энергетики РФ. В состав рабочей группы вошли 26 крупнейших энергетических компаний РФ, представителей финансовых организаций и институтов развития. Сегодня в стадии доработки находится комплексная программа развития отрасли низкоуглеродной водородной энергетики в Российской Федерации до 2035 года. Направление развития водородных технологий по-прежнему является одним из самых приоритетных, несмотря на санкционное давление. В настоящее время корректируются целевые показатели программы в пользу увеличения доли отечествен-ных технологий и сокращения экспортных планов.

Состояние водородной энергетики в России

В настоящее время водородными технологиями в России занимается несколько де-сятков компаний, в их числе «Газпром», «Росатом», «РОСНАНО», НОВАТЭК, H2 Чистая Энергетика и др. Данные компании разрабатывают и инвестируют в разработки технологий производства, хранения и транспортировки водорода, утилизации СО2, а также над использованием водорода в различных областях промышленности, в энергетике и транспорте.

Все планируемые к реализации проекты по производству водородной энергетики в России представлены в Атласе российских проектов по производству низкоуглеродного и безуглеродного водорода и аммиака, подготовленном Минпромторгом РФ. В данном атласе приведены 41 пилотный проект в 18 регионах России, реализация которых будет способствовать созданию полноценной водородной индустрии в России.

Рис.5. Атлас российских проектов по производству низкоуглеродного и безуглеродного водорода и аммиака

Источник: Минпромторг РФ

Одним из ключевых 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).

Планируется строительство завода по производству водорода из природного газа методом паровой конверсии метана, реализуется пилотный проект по использованию водорода на железнодорожном транспорте, в том числе, в перспективе создание железнодорожной ветки, по которой будут ходить только водородные поезда. Также власти региона рассматривают в качестве перспективного направления получение «зеленого» водорода и намерены до 2030 г. наладить его производство до 100 тыс. т/год. «Росатом» рассматривает Сахалин как ключевую площадку для крупнотоннажного производства водорода.

Таблица 4 – Российские проекты по производству водородной энергетики на Сахалине

Источник: по данным Минпромторга РФ

В Мурманской области планируется реализация 6 пилотных проектов по производству водорода, в частности, крупный пилотный проект по производству низкоуглеродного водорода на площадке Кольской АЭС.

Таблица 5 – Российские проекты по производству водородной энергетики в Мурманской области

Источник: по данным Минпромторга РФ

В Архангельской области и на Камчатке прорабатываются вопросы производства «зеленого» водорода с использованием электроэнергии приливных электростанций. Так, в Архангельской области рассматривается Мезенская ПЭС мощностью до 12 ГВт с про-гнозируемым объемом производства водорода до 500000 т/год к 2030 году и до 1 млн т/год к 2033 году. Ключевыми участниками проекта выступают Агентство регионального развития Архангельской области и НордЭнергоГрупп. В Камчатском крае - Пенжинская ПЭС мощностью до 100 ГВт с производством водорода до 5 млн т/год к 2031 году. Клю-чевыми участниками проекта являются H2 Чистая Энергетика и Корпорация развития Камчатского края.

Переход на производство водорода и метано-водородной смеси рассматриваются в качестве вариантов низкоуглеродного развития «Газпрома» до 2050 года. Одним из направлений низкоуглеродного развития госкомпании может стать переход на производство и использование водорода и метано-водородных смесей для диверсификации и повышения эффективности использования природного газа, говорится в документе. Компания «Газпром энергохолдинг», которая является дочерней структурой «Газпрома» в электроэнергетике, планирует начать производство «зеленого» водорода в Мурманской области в 2024 году. При этом, прогнозный объем производства H2 в 2024 году составит 2 тыс. т, а в 2030 году будет увеличен в 10 раз - до 20 тыс. тонн. Предполагается, что участниками проекта наряду с «Газпром энергохолдингом» станет «ТГК-1» и другие партнеры.

Перспективы России в сфере водородной энергетики

Основной целью водородной энергетики в России следует считать - развитие отечественных технологий в сфере водородной энергетики, а также обеспечение конкурентоспособности экономики страны в условиях глобального энергетического перехода.

Ключевыми направлениями использования водорода в перспективе следует считать:

• Экспорт
• Декарбонизацию промышленности;
• Декарбонизацию транспорта;
• Декарбонизацию сектора ЖКХ;
• Робототехника.

Российская политика нацелена на производство, прежде всего:

• «Низкоуглеродного» водорода (паровая конверсия метана и газификация угля с CCUS, в т.ч. на базе АЭТС, электролиз на базе АЭС, ГЭС)
• «Возобновляемого» водорода.
• Ориентируясь на содержание Концепции развития водородной энергетики РФ и Программы развития низкоуглеродной водородной энергетики, существует четыре сце-нария развития водородной энергетики в России:
• «Развитие экспорта водорода» (базовый) – экспорт водорода 2,75–2,9 млн т к 2030 г.; 11,3–11,9 млн т – к 2050 г.
• «Ускоренное развитие экспорта водорода» – экспорт водорода 6,4 млн т к 2030 г. и 30 млн т к 2050 г.
• «Сценарий Минэнерго» – экспорт водорода и рост внутреннего потребления до 0,2 млн т к 2030 г. и 4 млн т к 2050 г. Производство 0,5–2 млн т водорода для транспорта и 1–4 млн т для заправок в 2030–2050 гг.
• «Интенсивное развитие внутреннего рынка водорода» –производство 0,6–1,2 млн т водорода для внутреннего потребления, а также 1,5–5,25 млн т для транспорта и 3– 10,5 млн т для заправок.

Специалистами Центра EnergyNet представлен прогноз роста рынка систем накопления электроэнергии для экспортных поставок водородного топлива из России на основе создания крупнотоннажного электролизного производства водорода и систем его дальнейшей транспортировки.

Рис. 6. Прогноз роста российского рынка систем накопления электроэнергии
в водородном цикле для экспортных поставок водородного топлива

Источник: данные Центра EnergyNet.

Согласно прогнозам EnergyNet, в ближайшие годы рынок водородной энергетики в России будет активно развиваться и в 2025–2035 гг. может достичь объемов в 2,2–3,9 млрд. долл. (объем мирового рынка в 2025 г. составит 26 млн. долл.). К 2030 г. Россия сможет производить уже 3,5 млн. тонн водородного топлива.

Таблица 6 - Планируемые объёмы импорта и экспорта водорода в ряде стран, млн т

Источник: данные ИПЕМ

Однако, в связи с началом военных действий на Украине Минэнерго ухудшило прогноз по экспорту водорода из РФ в своем проекте комплексной программы развития водородной энергетики до 2030 года. С началом СВО, Россия потеряла крупнейших мировых импортеров «голубого» и «зеленого» водорода (Германия, Япония и Южная Корея). Рынок сбыта в итоге может сжаться только до Китая. Фактический же экспорт из РФ может снизиться с 2,2 млн до 1,4 млн тонн в год к 2030 году. На создание производства в РФ потребуется $21,1 млрд инвестиций, экспортная выручка в настоящее время оценивается в $12,8 млрд.

Таблица 7 - Сравнение России и её потенциальных конкурентов по экспорту водорода

Источник: данные ИПЕМ

Конкурентные преимущества России на мировом рынке водорода: существующие резервы производственных мощностей, близость к потенциальным потребителям (страны ЕС, КНР, Япония), наличие действующей инфраструктуры транспортировки природного и сжиженного природного газа.

Однако, по данным отечественных специалистов, развитию водородной энергетики препятствует ряд серьёзных барьеров:

• высокие издержки производства «возобновляемого» и «низкоуглеродного» водо-рода;
• отсутствие оптимальных и доступных по цене технологий транспортировки и хранения водорода;
• отсутствие технологий по улавливанию и хранению углекислого газа в ряде стран, стремящихся стать значимыми производителями «низкоуглеродного» водорода;
• дефицит пресной воды в ряде стран, планирующих крупномасштабное производство водорода методом электролиза.

В частности, по данным Hydrogen Council за 2021 год производство голубого и зеленого водорода сопровождается высоким уровнем издержек.

Таблица 8 - Издержки производства водорода в мире, долл. / кг Н2

Источник: Hydrogen Council

В связи с наметившейся перспективой перехода к низкоуглеродной энергетике в XXI веке прогнозируется резкое увеличение спроса на водород, так как многие отрасли перейдут на новые способы производства высококачественной продукции с использованием водорода, будут востребованы экологически чистый транспорт и системы распределенного энергоснабжения, работающие на водородных топливных элементах.

Ключевая задача молодой водородной энергетики: в целях наметившейся декарбонизации мировой энергетической системы развернуть эффективное производство водо-рода в промышленных масштабах.

В случае организации крупного конкурентоспособного отечественного производства водорода для нашей страны откроются возможности выхода на мировой рынок водорода и сопутствующих продуктов с высокой добавочной стоимостью. Установленный курс на водородную энергетику может стать мощным стимулом для развития сектора возобновляемой энергетики в России.

Учитывая, что в перспективе до 2050 года основной рост спроса на зарубежных рынках будет приходиться именно на «зеленый» водород, необходимо усиливать под-держу развития возобновляемой энергетики для реализации крупных проектов по производству и экспорту низкоуглеродного водорода на базе ВИЭ. Тогда это позволит ВИЭ быть более конкурентоспособными по сравнению с другими видами генерации.

Актуально

Проектное финансирование - комплексное сопровождение привлечения инвестиций