8 августа на Национальном стадионе в Токио погас первый в истории олимпийский огонь, топливом для которого стал водород – газ, на который Япония делает ставку как на источник энергии будущего. На следующий день в России утвердили собственную концепцию развития водородной энергетики, однако за «золото» в поставках водорода для Японии уже борются и другие страны. Для победы всем претендентам потребуется решить проблемы с производством и транспортировкой, а самой Японии – обеспечить конкурентоспособную цену решений на водороде.
«Водородная экономика» – термин, который сегодня звучит почти на каждом мероприятии по устойчивому развитию и энергопереходу. Самый легкий газ во Вселенной, который сейчас имеет лишь небольшое число промышленных применений, собираются использовать и в качестве топлива для автомобилей, и для отопления домов, и даже для балансирования нестабильной генерации от возобновляемых источников.
Ажиотаж вокруг водорода связан в первую очередь с повесткой устойчивого развития и необходимостью достижения целей Парижского соглашения: этот еще в недавнем времени экзотический газ может быть ключом к минимизации выбросов углекислого газа сразу во многих секторах экономики. Для Японии, в условиях ресурсных ограничений и слабых возможностей по развитию возобновляемой энергетики, становление водородной экономики выглядит наиболее привлекательным вариантом для достижения цели по углеродной нейтральности к 2050 году.
Как Япония собирается использовать водород и откуда страна сможет получать необходимые объемы этого газа? Для ответа на этот вопрос необходимо пройтись вдоль цепочки производства и потребления водорода, правда, в обратную сторону.
Водородные автомобили – японский ответ Илону Маску
Одним из наиболее перспективных применений водорода на сегодняшний день считается его использование в автомобильном транспорте в качестве более экологичной замены бензину и дизелю. Так, в начале 2000-х активно тестировалось сжигание водорода в двигателях внутреннего сгорания, что позволило бы уменьшить выбросы от автомобилей без значительного изменения конструкции. Среди примеров таких автомобилей в Европе – BMW 7 серии на водороде, а в США – соответствующий концепт от Ford. Конструкции обоих автомобилей предполагали сжигание водорода в модифицированных двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Япония в те годы также имела соответствующие разработки: компания Mazda еще с 1990-х работала над специальным роторным ДВС и с 1991 по 2007 гг. выпустила, как минимум, шесть автомобилей такого типа.
Тем не менее, сжигание водорода оказалось не самым перспективным вариантом для автомобилей в силу сразу нескольких причин. Во-первых, бака со сжатым водородом, который зачастую занимает много места, хватает на гораздо меньшее расстояние, чем типичного бензобака. Даже в самой современной разработке этого года проблема вполне заметна: в недавней 24-часовой гонке, где принимала участие Toyota Corolla с водородным ДВС, машине пришлось заправляться 35 раз, в то время как ее бензиновым конкурентам хватило лишь 20 заправок. Во-вторых, сжигание водорода – отнюдь не лучшее решение и с точки зрения экологии. В результате процессов горения из выхлопной трубы в атмосферу выбрасываются оксиды азота (NOx) – в большинстве своем ядовитые газы, которые негативно влияют как на состояние атмосферы, так и на здоровье человека. Если на электростанциях и промышленных объектах эти газы еще можно улавливать, то в автомобиле это реализовать пока не получается.
В связи с проблемами водородных ДВС и параллельным развитием электрокаров, в последнее время все больше обращает на себя внимание технология водородных топливных ячеек, и здесь Япония оказалась быстрее и успешнее остального мира. Доказательством этому стала представленная в 2013 г. на Токийском автосалоне Toyota Mirai – это первый серийный автомобиль на водородных ячейках. Принцип его работы основан на химической реакции водорода из бака внутри машины и кислорода из воздуха, забираемого снаружи. В результате реакции образуется энергия, идущая на питание электродвигателя, а также обычная вода, уходящая в выпускную трубу. В освоении технологии топливных ячеек Toyota добилась столь впечатляющих результатов, что теперь уже BMW для своих новых электромобилей будет закупать ячейки у японской компании, а китайские автопроизводители заключают с Toyota соглашения и создают совместные предприятия.
Впрочем, не все согласны с тем, что водородные ячейки – это будущее автомобильной промышленности. Так, Илон Маск и CEO Volkswagen Герберт Дисс небезосновательно критикуют водород за сложность и дороговизну хранения и транспортировки по сравнению с т.н. «прямой электрификацией», то есть созданием электромобилей на аккумуляторах. Учитывая затраты на строительство заправочной инфраструктуры и дорогие водородные баки, с этим сложно не согласиться.
Однако здесь на помощь корпоративным инициативам приходит государство. Еще в середине 2014 г. японское правительство приняло «Стратегическую дорожную карту по водороду и топливным ячейкам», обновленную в 2019 г. Документ заложил основу для широкомасштабной поддержки технологии водородных ячеек и развития водородного транспорта. Позже была также принята «Основная водородная стратегия», в которой более подробно описаны планы по развитию отрасли и меры стимулирования. В результате, сегодня государство активно субсидирует строительство и функционирование водородных заправок, а также компенсирует порядка 15% стоимости автомобилей. В планах – 200 тыс. автомобилей на водородных ячейках к 2025 г., и только на этот год для достижения цели выделено 30 млрд иен ($270 млн).
Планы Японии по производству автомобилей на водородных ячейках
Помимо легковых автомобилей, в планах правительства и развитие автобусов и грузовиков на водороде. Согласно некоторым исследованиям, крупногабаритный водородный транспорт быстрее окажется конкурентоспособным: в отличие от легковых электромобилей, аккумуляторные батареи для автобусов и грузовиков отнимают слишком много полезной нагрузки.
Первые японские водородные автобусы уже участвовали в транспортировке спортсменов и организаторов на Олимпиаде в Токио, однако назвать их перспективной заменой дизельным пока сложно: в пересчете на год эксплуатации водородные автобусы оказываются в 10 раз дороже обычных, и даже государственные субсидии в 80% их стоимости пока не делают их конкурентоспособными. Впрочем, проблема, похоже, связана не с юнит-экономикой, а с малым масштабом производства автобусов и высокой ценой водорода – обе эти проблемы как раз и призван решить комплексный подход государства к построению «водородного общества» в Японии.
Не только транспорт: водород в энергетике и ЖКХ
Помимо автомобилей на водороде, есть и другие применения этого газа, которые реже попадают в поле зрения СМИ, но являются не менее интересными и перспективными. Так, в электроэнергетике водород может рассматриваться как один из видов топлива для тепловых электростанций, работающих на природном газе. Именно такое применение, в частности, описывается в японской водородной стратегии. Водородные ТЭС будут иметь преимущество за счет отсутствия выбросов СО2, хотя с оксидами азота по-прежнему придется бороться.
Первая небольшая электростанция на водороде установленной мощностью всего лишь в 360 кВт будет введена в строй уже в марте следующего года. Согласно планам правительства, к 2030 г. страна планирует иметь 1 ГВт установленных мощностей на водороде, для чего потребуется 300 тыс. тонн газа ежегодно. Впрочем, достижению должного уровня конкурентоспособности водороду, как и в транспорте, мешает малый масштаб: в водородной стратегии указано, что для выхода на уровень цен, сопоставимый хотя бы с генерацией из СПГ, необходимо ежегодно сжигать 5-10 млн тонн водорода, что соответствует 15-30 ГВт установленных мощностей.
Переход электроэнергетики на водород потребует значительных усилий, однако другого выхода у Японии, возможно, и нет. Так, развитие атомной энергетики после катастрофы на АЭС Фукусима в 2011 г. надолго остановилось. Хотя в последние годы электростанции в Японии стали перезапускаться, недоверие к атомной отрасли по-прежнему сохраняется. В свою очередь другие источники возобновляемой энергии уже исчерпывают свой потенциал. Так, новые гидроэлектростанции в стране практически не строятся, за исключением микроГЭС. Доступные площади под строительство солнечных электростанций тоже постепенно заканчиваются, а вырубка лесов в горах под новые СЭС может стать дополнительным фактором опасности при оползнях, как это, по некоторым данным, произошло в начале июля в городке Атами префектуры Сидзуока. И хотя новый премьер-министр Ёсихидэ Суга делает ставку на ветряные электростанции, водород в энергобалансе Японии точно будет не лишним.
Следует отметить, что водород может рассматриваться не только как альтернатива другим источникам возобновляемой энергии, но и как необходимое «зеленое» дополнение. С одной стороны, электростанции, сжигающие водород, в отличие от солнечных и ветряных, могут регулировать выработку электроэнергии, и работать в качестве балансирующих мощностей, покрывая пики потребления и недостаток выработки в дни, когда не хватает солнца и ветра. С другой стороны, водород может использоваться как форма хранения избыточной энергии. В дни, когда нерегулируемая выработка от ВИЭ превышает спрос, энергию можно пускать на электролиз воды, вырабатывая по-настоящему «зеленый» водород. Хотя о государственной политике в этой сфере пока речи не идет, как минимум, один такой завод по производству водорода уже построен консорциумом крупных компаний в префектуре Фукусима.
Кроме централизованной генерации, в Японии уже существуют и решения для использования водорода в формате распределенной энергетики. Так, в стране много лет распространены небольшие генераторы для обеспечения частных домов электричеством и теплом. Хотя большинство из них работает на природном газе, уже более 10 лет доступны и модели на водороде, которые, правда, пока достаточно дороги для масштабного распространения. Однако, учитывая, что правительство хочет добиться снижения цены на водород с текущих 1100 иен ($10) до 220 иен ($2) за килограмм, решение в перспективе может стать привлекательным.
Транспортировка – ключ к снижению стоимости водорода
Высокая стоимость водорода в Японии сегодня во многом обусловлена малым масштабом применения соответствующих технологий. Тем не менее, уже в течение одного десятилетия потребность страны в водороде, как ожидается, вырастет до 3 млн тонн, и ключевой проблемой станет уже не масштабирование, а дефицит производства внутри страны. Сейчас страна производит немногим более 50 тыс. тонн этого газа, и увеличения этого объема сразу в 60 раз к 2030 г. достичь будет просто невозможно.
Прогнозируемое потребление водорода в Японии (тыс. тонн)
В этой связи японское правительство уже сейчас делает ставку на развитие цепочек поставок водорода из-за рубежа и технологий транспортировки газа. Страна активно ищет партнеров за рубежом, и первым поставщиком водорода в Японию уже стал Бруней, где с 2019 г. функционирует завод по производству водорода из природного газа, построенный усилиями японской компании Chiyoda. Тем не менее, проект является пилотным, и объемы ежегодного импорта не превышают 210 тонн в год.
В свою очередь первым крупным поставщиком водорода может стать Австралия, откуда водород может начать прибывать по морю уже в феврале-марте следующего года. Для перевозок компания Kawasaki Heavy Industries уже разработала и спустила на воду специальный корабль Suiso Frontier, который способен перевозить сжиженный водород, охлажденный до -253°C. К 2030 г. компания планирует иметь два таких судна, которые ежегодно смогут перевозить 225 тыс. тонн водорода.
Несколько амбициозных проектов также возможны и со странами ЕС. Так, порт Муроран на острове Хоккайдо рассматривает планы по транспортировке водорода из Великобритании по Северному морскому пути: город в мае заключил соглашение с Абердином о сотрудничестве в сфере водорода. Кроме того, компании Chiyoda и Mitsubishi готовят технико-экономическое обоснование проекта транспортировки водорода из порта Роттердам в Нидерландах. Японская сторона планирует использовать инновационную технологию преобразования водорода в метилциклогексан – особую химическую жидкость, которую можно хранить и транспортировать при нормальной температуре и давлении.
Среди других стран, с которыми японский бизнес уже заключает соглашения и меморандумы о взаимопонимании – Саудовская Аравия и ОАЭ. Так, с ОАЭ Япония заключила соглашение на уровне министерств, согласно которому эксперты из двух стран проведут исследование возможности производства и поставок водорода. С Саудовской Аравией перспективы выглядят интереснее: так, нефтяной гигант Saudi Aramco уже поставляет в Японию аммиак – важное сырье для азотных удобрений, содержащее водород, и планирует расширить эти поставки в будущем.
Япония, со своей стороны, также рассматривает аммиак как одну из наиболее удобных форм транспортировки водорода. В частности, за импорт водорода в виде аммиака выступают крупнейшие энергетические компании, такие как Tokyo Gas и JERA. Удобство аммиака объясняется сразу несколькими факторами. Во-первых, так как это соединение используется в качестве основы для химических удобрений, в мире уже выработаны нормы и правила его транспортировки, а также давно существуют все необходимые для этого емкости. Во-вторых, условия транспортировки аммиака проще, чем водорода: аммиак перевозят в жидком виде практически без охлаждения и без необходимости создавать давление. В свою очередь, водород чаще всего необходимо охлаждать до сверхнизких температур с целью сжижения, а при смешении газа с кислородом образуется взрывоопасный гремучий газ. В-третьих, для некоторых применений, из аммиака даже не нужно выделять водород: вещество можно сжигать на электростанциях с достаточно высокой эффективностью и без выделения углекислого газа.
Вместе с тем, вне зависимости от того, в каких формах будет поставляться водород, для достижения целей снижения выбросов Япония необходимо обеспечить импорт газа с минимальным, а желательно нулевым углеродным следом – это одна из центральных задач в рамках программы создания «водородного общества». Контроль углеродного следа, в свою очередь, накладывает ряд ограничений на возможных поставщиков, большинство из которых сегодня не производят т.н. «зеленый» водород. Для того, чтобы понять, что такое «зеленый» водород и где Япония сможет его найти, необходимо немного погрузиться в процесс производства этого газа.
Метан, уголь и вода: как производят водород и как сделать его «зеленым»?
Водород – первый элемент периодической таблицы и по совместительству самое распространенное вещество во Вселенной. Однако, как ни парадоксально, на Земле этот газ в чистом виде практически не встречается и выделяется с помощью различных химических реакций. Среди наиболее популярных выделяются паровой риформинг метана, реакция с участием водяного пара и угля, а также различные виды электролиза, включая электролиз воды и водных растворов солей. При этом большую часть водорода как в чистом виде, так и в форме синтез-газа, получают на основе реакций с метаном и углем, в то время как электролиз на данный момент используется для производства лишь 2% всего водорода, получаемого ежегодно.
Производство водорода по основным методам (%)
Источник: Statista
Реакции с участием газа и угля – наиболее дешевый метод получения водорода. К тому же, этот вариант хорошо подходит для одного из основных промышленных применений водорода – производства аммиака, для которого можно использовать не только водород в чистом виде, но и его смесь с углеродом – синтез-газ. Вместе с тем, риформинг метана и реакции с углем дорого обходятся природе: мировое производство водорода выбрасывает в атмосферу объем CO2, сопоставимый, например, с показателями Индонезии и Великобритании вместе взятых.
Достичь цели снижения выбросов оказалось возможно при помощи современных технологий и возобновляемых источников энергии. Первое, в частности, включает в себя улавливание, хранение и переработку углекислого газа (CCS/CCUS): так водород из метана, который называют «серым», превращается в «голубой». Тем не менее, так как углекислый газ все равно выделяется, и его нужно дальше использовать, полностью проблему этот метод не решает.
Вместе с тем, распространение возобновляемых источников энергии по всему миру позволяет заняться производством по-настоящему «зеленого» водорода, которое бы сочетало использование чистой энергии и электролиз воды. Помимо отсутствия выбросов, для нерегулируемых ВИЭ, таких как ветряки и солнечные панели, производство водорода от избытков генерации будет играть роль накопителя энергии, которую можно использовать в моменты пикового спроса на электричество. Проекты в этом направлении активно создаются, однако кардинального снижения стоимости конечного продукта можно ожидать лишь к 2050 г. К тому же моменту, по данным BloombergNEF, «зеленый» водород окажется дешевле, чем природный газ.
Текущие цены на водород, произведенный разными методами ($）
Источник: IEA
Помимо «зеленого» водорода, есть и другие виды чистого водорода, получаемого путем электролиза, которые обычно маркируют желтым и розовым цветами. «Желтый» водород предполагает использование электроэнергии не напрямую от источника, а из электрической сети: для таких проектов не нужны договоренности с генерирующими компаниями или строительство собственных мощностей ВИЭ, но и углеродный след такого водорода зачастую сложно точно подсчитать. «Розовый» или, как его еще называют, «фиолетовый» водород от таких проблем не страдает. Это газ, получаемый электролизом с использованием электричества от АЭС, и он также имеет минимальный углеродный след.
Основные технологии производства водорода
| Термин | Технология | Сырье / источник электроэнергии | Углеродный след |
| Зеленый водород | Электролиз | ВЭС, СЭС, ГЭС, ГеоЭС, ПЭС | Минимальный |
| Розовый водород | Электролиз | АЭС | Минимальный |
| Желтый водород | Электролиз | Электроэнергия из сети от разных источников | Средний |
| Голубой водород | Риформинг газа или газификация угля с улавливанием CO2 | Природный газ или уголь | Низкий |
| Бирюзовый водород | Пиролиз | Природный газ | Твердый углерод |
| Серый водород | Риформинг газа | Природный газ | Средний |
| Коричневый водород | Газификация угля | Бурый уголь | Высокий |
| Черный водород | Газификация угля | Каменный уголь | Высокий |
Источник: Global Energy Infrastructure
География чистого водорода и возможности для России
Хотя крупных центров производства низкоуглеродного водорода сегодня в мире фактически не существует, уже сейчас можно предположить, какие страны могут стать крупными игроками на этом рынке и выступить в качестве основных поставщиков чистого водорода для Японии – в первую очередь «зеленого» и «розового».
У текущего ключевого водородного партнера Токио – Австралии – шансов не так много, как кажется на первый взгляд. Основной ресурс для производства водорода в стране прямо сейчас – уголь, запасы которого на континенте огромны. Соответственно, для производства относительно чистого водорода австралийским компаниям придется вложиться в технологии улавливания и переработки углекислого газа. Для первого совместного проекта, в рамках которого водородный танкер Suiso Frontier будет перевозить водород в Японию, действительно предполагается производство именно «голубого» водорода, однако масштабирование технологий улавливания CO2 находится под вопросом: в большинстве случаев юнит-экономика такого решения опирается на государственные субсидии, поэтому говорить о масштабном производстве «голубого» водорода в настоящее время сложно.
Аналогичная проблема стоит и перед странами Персидского залива, которые также стремятся стать партнерами Японии в поставках водорода. Здесь основная текущая возможность для производства водорода связана с использованием природного газа и попутных нефтяных газов, что вновь приводит нас, максимум, к «голубому», но не «зеленому» водороду.
Впрочем, как Австралия, так и арабские страны имеют значительный потенциал для развития солнечной энергетики и могут организовать производство водорода на мощностях ВИЭ. Тем не менее, в этой области ситуация выглядит перспективнее в первую очередь для Саудовской Аравии, которая наращивает солнечную генерацию огромными темпами – страна планирует иметь 3,6 ГВт установленных мощностей к 2023 г. при том, что первый проект мощностью в 300 МВт был запущен лишь весной этого года. К 2030 г. королевство хочет увеличить долю ВИЭ в энергобалансе до 50% и делает основную ставку именно на солнечную энергетику.
В Австралии уже сегодня установлено около 18,5 ГВт солнечных панелей, однако большая ее часть – это распределенная генерация на крышах домов, а не электростанции промышленного масштаба. В свою очередь перспективы крупных проектов пока туманны: так, проект по установке солнечных панелей и ветряков мощностью 26 ГВт на западе страны в июне этого года был свернут, а масштабные идеи австралийского миллиардера Эндрю Форреста пока далеки от реализации.
Учитывая, что текущим партнерам Японии в ближайшие годы еще не смогут наладить масштабное производство водорода с низким углеродным следом, шансы есть у ближайших соседей – России и Китая.
КНР стабильно остается на первом месте в мире по объему установленных мощностей солнечной и ветряной генерации и активно ведет строительство атомных электростанций. Водородная стратегия у страны также есть, и водород признан одной из отраслей будущего согласно 14-му пятилетнему плану. Тем не менее, планы Китая в первую очередь нацелены на развитие различных применений водорода, а не его производство, и, учитывая китайские масштабы, логично предполагать, что весь произведенный в Китае водород будет там же и потребляться. Более того, учитывая планы китайских гигантов солнечной генерации, таких как Longi, по переходу к масштабному производству электролизеров, Китай может стать еще и крупным экспортером оборудования для производителей водорода в других странах.
В России 9 августа утвердили собственную концепцию водородной энергетики. В отличие от Китая, правительство нашей страны делает акцент не на потребление, а именно на производство водорода с ориентацией на экспорт в ближайшие 30 лет. Для достижения целей по производству 0,2 млн тонн водорода в 2024 г. и 15-50 млн тонн к 2050 г. планируется сделать ставку на различные методы производства водорода, и в том числе на значительные ресурсы возобновляемой энергетики – в первую очередь на атомные и гидроэлектростанции.
Тем не менее, если внимательно прочитать концепцию, выяснится, что, например, среди технологий, которые планируется развивать в приоритетном порядке, в качестве первого пункта указан все же не электролиз, а «получение водорода и энергетических смесей на его основе из ископаемого сырья». В этом же контексте речь идет и про АЭС: на атомных электростанциях действительно можно получать дешевый пар для производства водорода из угля и газа, однако «розовым» этот водород уже не будет. На приоритет «серого» или, максимум, «голубого» водорода намекает и известный состав новой межведомственной рабочей группы по развитию водородной энергетики – это в основном компании нефтегазового сектора. На начальном этапе развития водородного рынка, когда многие потребители ищут практически любой источник относительно дешевого водорода, такая ставка выглядит разумной, однако уже на горизонте десятилетия приоритизация мировыми потребителями чистого водорода может стать более явной.
В целом, пока сложно предсказать, в какую сторону двинется развитие водородной энергетики в нашей стране, однако все шансы для налаживания масштабного производства «зеленого» и «розового» водорода у России есть. Страна находится на седьмом месте в мире по установленным мощностям гидроэнергетики и входит в четверку мировых лидеров атомной энергетики. С японской стороны перспективы тоже есть: несмотря на известные политические разногласия, Япония давно сотрудничает с российскими энергетическими компаниями. Более того, и в российском правительстве уже есть понимание того, что именно Япония в перспективе станет одним из крупнейших потребителей водорода. Остается лишь не поддаваться соблазну простых и дешевых решений и уже сейчас закладывать основу для экспорта чистого водорода. Тогда Россия сможет обеспечить себе место надежного поставщика для Японии и получить долгосрочную выгоду от амбиций восточного соседа по созданию «водородного общества».
Автор выражает благодарность Надежде Клениной за консультирование в процессе подготовки материала.
