Водородная энергетика: будущее, которое недостижимо

Водород очень привлекателен в качестве топлива - без сомнения, идея получить вместо выхлопных газов воду хороша. Вопрос в том, превратится ли третья за последние десятилетия волна интереса к водородной экономике во что-то серьёзное. Или всё опять закончится штилем.

Привычная позиция экспертов о будущем транспорта подразумевает существенное преобладание электромобилей с аккумуляторами. Однако крупный южнокорейский производитель Hyundai выражает определенный скепсис в отношении отраслевого будущего аккумуляторов, пишет The Economist. Уже несколько месяцев корейцы проводят глобальную медийную кампанию по продвижению на рынок альтернативного источника электроэнергии – топливных элементов.

Если аккумулятор преимущественно накапливает, хранит и отдаёт энергию для приведения автомобиля в движение, то топливный элемент генерирует электрический ток немедленно в результате химической реакции водорода и кислорода с образованием чистой воды. Кислород поступает из воздуха. Сжатый водород хранится в топливном баке транспортного средства. Подобно сжиженному природному газу водитель может пополнить запас топлива на специальной заправочной станции.

К медийной кампании Hyundai привлёк участников музыкальной группы BTS, популярного южнокорейского бойз-бэнда. На рекламных материалах юноши мечтательно смотрят вдаль на фоне природной красоты. Этим самым они якобы напоминают об экологических преимуществах топливных элементов ТЭ - электрохимических устройств наподобие гальванических элементов. В отличие от последних вещества для электрохимической реакции подаются в ТЭ извне.

Вода - лейтмотив медийной кампании. Она падает в виде снега, она бурлит в океанах или она мягко стелится лесным туманом. Пак Чжи Мин из BTS, пытаясь показаться философом, написал: «For rest our rest comes from for-rests» (ред. - Economist иронизирует над странноватым каламбуром, который гипотетически должен означать: «В остальном наше отдохновение приходит из лесов»).

Такой маркетинг выглядит глуповатым, но намерения Hyundai являются серьезными. Производитель уже давно продает аккумуляторные электромобили. Продвигая ТЭ, он хеджирует риски, не складывая яйца в одну корзину. Текущая рекламная кампания поддерживает продажи «паркетника» Nexo, уже второго серийного автомобиля компании на топливных элементах.

Hyundai - не единственная крупная компания, уделяющая внимание водороду. 5 июня Toyota, производитель знаменитого гибридного автомобиля Prius, объявила о создании совместного предприятия с несколькими китайскими автопроизводителями для разработки технологии топливных элементов. Обновленная версия Toyota Mirai, водородный гибридный автомобиль на ТЭ, должна выйти в конце текущего года.

Водород в целом переживает своеобразный период ренессанса. Его рекламируют как топливо для автобусов, грузовиков, судов и даже самолетов. О водороде говорят как о возможной эффективной замене природного газа в качестве источника тепла в коммунальном секторе. Водород может стать способом хранения энергии на солнечных и ветровых электростанциях.

Водород активно используется в качестве реагента на многих химических предприятиях, например, для получение аммиака. Он может использоваться в качестве замены кокса в металлургическом производстве. Если всё это произойдет, то человечество теоретически откажется от углеводородов и наступит так называемая «водородная экономика».

Все вполне серьёзно. Честно

Читатели, представляющие старшее поколение, могут сейчас саркастически ухмыляться. За последние 50 лет минимум дважды – в 1970-е годы после нефтяного кризиса и в 1990-е годы после начала острых споров об изменении климата - были разговоры о замене углеводородов водородом и наступлении водородной экономики. Этого не произошло по двум основным причинам.

Во первых, полноценная замена инфраструктуры ископаемого топлива во всем мире - это невероятно сложная и масштабная работа. Человечество зачастую не совсем готово справиться даже с менее амбициозными задачами.

Во-вторых, у водорода есть несколько неприятных недостатков. Например, у него относительно низкая плотность энергии - сумма энергии, сохраненной в сопоставимом объёме. Так литр дизеля создаёт около 36 мегаджоулей, литр сжиженного газа - 22 МДж, а литр сжатого водорода - примерно 5 МДж. Оговоримся, что плотность энергии аккумулятора даже немного ниже - 2-4 МДж в зависимости от типа батареи.

Что более важно, водорода в чистом виде в природе нет и его нужно выделить из чего-то ещё. Главным способом получения водорода сегодня является паровая конверсия природного газа или метана. Старейший способ выделения водорода - газификация угля. Другими словами, для получения водорода чаще всего используются всё те же ископаемые углеводороды, что делает представление о высокой экологичности водородного топлива без совершенствования технологического процесса спорным.

Наиболее привлекательным - экологически чистым - способом получения водорода, как нам известно со школы, считается электролиз воды: 2H₂O + энергия = 2H₂ + O_2. Но себестоимость получения водорода электролизом пока высокая. Более того, законы термодинамики делают процесс электролиза энергетически неэффективным: на получение водорода тратится больше энергии, чем её содержится в конечном продукте.

Это делает электролиз относительно приемлемым для экологии способом только в одном случае: генерация электричества для получения водорода будет происходить без выбросов парниковых газов. Это может быть сделано на атомных, солнечных, ветровых и гидроэлектростанциях. Электролизом было выработано в 2019 году по всему миру не более 2% водорода. Вопрос рациональности использования электролиза - сокращения используемой энергии путем создания энергетически неэффективного посредника-водорода - остаётся открытым.

На него нельзя ответить в рамках чистой экономической целесообразности. «Зелёная энергетика» сегодня является прежде всего историей о безуглеродной мировой экономике и противостоянии глобальному потеплению, а не о рентабельности. В такой экономике объективно наблюдается ужасное - 0,5 - соотношение «средней отдачи на вложенный капитал» и «взвешенной стоимости вложенного капитала». Это означает, что «зелёная» энергетика пока разрушает капитал инвесторов.

Цивилизация платит за противостояние экзистенциальным рискам. Стоит напомнить, что развитые страны вроде Германии или Британии хотят обнулить выбросы углекислого газа к 2050 году. Это даёт великолепный шанс водороду, так как невозможно радикально изменить структуру источников энергии за несколько десятилетий только за счёт солнечной или ветряной энергетики.

Поиск ниши

Несмотря на энтузиазм Hyundai и Toyota, мало кто из аналитиков всерьёз считает, что автомобили будут заметной частью водородной экономики. Доктор Давид Иоффе из Британского Комитета по изменению климата говорит, что электромобиль с аккумуляторами преобразует 86% содержащихся в них энергии в движение по дороге. Топливные элементы высвобождают 40-45% энергии водорода.

Кроме прочего, водородные электромобили в обозримом будущем будут жертвой дилеммы «курицы и яйца». В отличии от обычных электромобилей водородные нельзя подзарядить дома - обязательно требуются специализированные заправки. Однако должная инфраструктура заправочных станций не появится, пока на дорогах не будет большого количества автомобилей на водороде.

Согласно данным Международного энергетического агентства, в 2018 году во всём мире насчитывалось 11 тыс. водородных автомобилей и более 5 млн автомобилей с аккумуляторами. И количество последних быстро растёт. В 2019 году в Китае продажи электромобилей достигли 1,2 млн ед., или 4,7% от общего объема автомобильного рынка. В Норвегии на электромобили приходится более половины проданных новых автомобилей. Продажи водородных автомобилей по всему миру в 2018 году (последний год, за который имеются достоверные данные) составили всего 4000 ед.

Частными автомобилями весь транспорт очевидно не ограничивается. Имея очень малую плотность энергии, аккумуляторы занимают много места. Для компактных электромобилей, которые в основном совершают короткие путешествия, это не является большой проблемой. Для дальних поездок на грузовиках, говорит технологический аналитик банка Bernstein Марк Ньюман, более высокая плотность энергии водорода становится привлекательной.

По его заверению, водород, сжатый при 700 атмосфер, содержит в два-пять раз больше энергии, чем литий-ионный аккумулятор. Если водород сжижать по подобию природного газа, то плотность энергии вырастет дополнительно. Однако сжижение водорода является пока технологически сложным (потребляется много энергии), а увеличение плотности - незначительным, примерно до 8 МДж. Тем не менее для грузовиков, которые проводят большую часть своего времени на оживленных магистралях, сокращение числа заправок будет ценным.

Дальность поездки будет важным вопросом при будущем выборе между аккумуляторами и водородом в сфере грузовых перевозок. Tesla, инновационный производитель электромобилей, считает, что грузовики могут эффективно питаться от батарей. Компания планирует выпустить модель, которая сможет преодолеть на одной зарядке 800 км. Hyundai уже производит водородный грузовик, но дальность поездки у него пока составляет всего 400 км. Несколько других производителей тоже верят в топливные элементы. В апреле немецкая компания Daimler и шведская Volvo инвестировали €1,2 млрд евро ($1,3 млрд) в совместное предприятие, чтобы исследовать эту идею.

Что касается судоходства, то на его долю приходится около 2,5% мировых промышленных выбросов парниковых газов. Регулирующая отрасль Международная морская организация ООН стремится значительно сократить выбросы парниковых газов. К 2050 году коллективный уровень эмиссий морских и речных судов должен упасть вдвое по сравнению с 2008 годом. Каким образом это можно сделать реально, неясно.

Текущие аккумуляторы не могут спасти малореальный план. Они сохраняют слишком мало энергии для питания больших океанских судов. Инженеры сегодня больше надеются на альтернативы от атомных двигателей до высокотехнологичных парусов. Топливные элементы среди таких альтернатив.

В мартовском обзоре американской некоммерческой организации «Международный совет по экологически чистому транспорту» говорится, что все суда, курсирующие между Китаем и Америкой, могут быть оснащены с соответствующими доработками по схеме, примененной в автомобилях Hyundai. Всем судам придётся всего лишь пожертвовать относительно небольшим грузовым пространством для хранения водорода.

По словам международного консультанта по энергетике Майкла Либрайха, эта идея может быть улучшена. Если провести химическую реакцию водорода и атмосферного азота (реакцию Габера), то на выходе мы получим аммиак. Он занимает значительно меньше места по сравнению с водородом и может быть использован в качестве топлива. Аммиак относится к числу важнейших продуктов химической промышленности, его ежегодное мировое производство относительно стабильно с 2013 года - 175 млн тонн.

Горячая штучка

Водород может заменить природный газ в системах коммунального отопления. Большим преимуществом является возможность использования существующей инфраструктуры после её модернизации. Магистральные трубопроводы тоже могут быть переоборудованы под транспортировку водорода. Некоторые страны, в том числе Австралия, Великобритания и Германия, экспериментируют с этой идеей.

«У нас уже есть газовая сеть, которая прослужит по крайней мере еще 75 лет. Почему бы её не использовать, если мы можем?» - говорит доктор Энтони Грин, инженер госкомпании National Grid (Национальная сеть).

По данным Национальной сети, которая управляет электрическими и газовыми сетями Британии, большинство домашних газовых котлов может без проблем и без модификаций справиться с добавлением к газу 20% водорода. Как утверждает Грин, производители котлов начали предлагать «водород-готовые» модели, которые способны сжигать природный газ или чистый водород на выбор потребителя.

Поскольку котлы обычно меняются каждые десять-пятнадцать лет, то он считает, что газовая сеть может быть готова перейти на водород через пару десятилетий. В мае группа немецких трубопроводных операторов обнародовала план строительства к 2030 году водородной сети длиной 1200 км на основе переоборудованных труб природного газа. Стоимость проекта составляет €660 млн евро.

Экологический эффект использование водорода для отопления пока не рассчитан, но его размер может быть очень существенным. Бытует мнение, что «настоящей альтернативой газу» в качестве источника тепла является исключительно электроэнергия, выработанная возобновляемыми источниками энергии.

Грэм Кули, глава компании по производству водородного оборудования ITM Power, скептически относится к этому мнению. Дома, коммерческие предприятия и заводы Британии ежегодно используют для отопления природный газ с энергетическим эквивалентом около 880 терраватт. Объём потребляемой в Великобритании электрической энергии боле чем в два раза меньше. Таким образом, переход на «возобновляемое электрическое отопление» потребует резкого и дорогостоящего укрепления электросети.

Доктор Давид Иоффе с господином Кули не согласен. По его мнению, необходимость производить водород путём электролиза потребует гораздо больше энергии, чем переход на прямое отопление зданий электричеством из ВИЭ. Водород со всеми его недостатками потребует огромных вложений в энергетическую инфраструктуру.

Ещё одним путём применения водорода является крупномасштабное хранение энергии. По мере распространения ветровой и солнечной энергии баланс спроса и предложения соблюдать будет всё сложнее. Очевидным решением является хранение излишков энергии в хорошие времена для использования их в плохие времена. Одним из способов хранения может стать выработка водорода и закачка его в подземные пещеры, как это происходит в настоящее время с природным газом. Это может настолько увеличить потенциал энергетической сети, что сделает доступным компенсацию не только дневных и ночных колебаний потребления, но и межсезонных.

Помимо прочих идей, тяжелая промышленность имеет множество ниш для использования водорода, говорит доктор Либрайх. Электричество, создаваемое топливными элементами, может очень эффективно заменить природный газ во многих высокотемпературных промышленных процессах, связанных со сталью, керамикой и стеклом.

Но важнейшим потенциальным способом использования водорода в металлургии является не получение энергии. Сейчас железную руду (обычно оксид железа) нагревают с коксом (углерод с примесями) для получения железа и диоксида углерода, то есть углекислого газа. Если заменить углерод водородом, то на выходе будет получаться железо и вода. Крупнейшие компании отрасли - транснациональная ArcelorMittal, финско-шведская SSAB, шведская LKAB и др. - изучают эту возможность.

Элементарная экономика

Все перспективы водорода однако зависят от способности получить водород в промышленных масштабах без выбросов CO2 в атмосферу. Электролиз пока дорог - $2,5-5 за килограмм продукта - и неэффективен энергетически. Сегодня в мире производят около 70 млн тонн водорода в год. Почти весь объём получается методом паровой конверсии природного газа.

При этом способе создаётся целых 7 тонн углекислого газа на 1 тонну водорода. Но этот, как его называют экологи, «серый» водород является дешёвым - до $1,5 за килограмм. На смену «серому» постепенно приходит «голубой» водород. Вместо сброса СО2 в атмосферу, производитель водорода пытается захватить углерод и похоронить его под землёй. Такой водород стоит уже $1,5-3,5.

1 июля норвежская энергетическая фирма Equinor заявила, что построит один из крупнейших в мире «голубых» водородных заводов в северной Англии. Более амбициозные планы раскрыла Япония. Она надеется постепенно сделать «голубой водород» основой энергетики. Мощности по его выработке будут построены на месторождении бурого угля в Австралии. После процесса газификации угля CO2 захоронят на месте, а водород будет доставлен в Японию в танкерах наподобие СПГ-танкеров.

Все это может измениться, если оборудование для электролиза подешевеет из-за масштабирования технологии. По некоторым оценкам, цена килограмма «зелёного водорода», полученного электролизом, к 2050 году может опуститься до уровня $0,7-1,6 за кг. Руководитель специальных проектов компании BNEF Кобад Бхавнагри говорит, что за последние 5 лет оборудование подешевело на 40%. В западных странах комплект можно купить из расчёта $1000-1200 за 1 КВт, а в Китае - и вовсе на уровне $200 за киловатт.

Сокращение операционных расходов при генерации возобновляемой электроэнергии является, пожалуй, самой поражающей и устойчивой тенденцией. Стоимость генерации солнечной энергии, в частности, снизилась на 85% в последнее десятилетие. Возобновляемая энергия в некоторых регионах мира стала дешевле энергии из ископаемых видов топлива. Весьма вероятно, что водород движется по этому же пути.

Это большой газ

Если тенденция сохранится, то водород моет стать важной частью энергетического баланса. Совет по водороду, лоббистская группа из Брюсселя, считает, что этот газ сможет удовлетворить 18% мирового спроса на энергию к 2050 году. Цены на акции фирм, которые делают топливные элементы, электролизное оборудование и тому подобное, сегодня идут вверх.

Однако многие предположения, сделанные в различных прогнозах, основываются во многом на предположении о росте содействия правительств, которые предоставят огромные субсидии для разработки этой технологии. По оценке специалистов BNEF, в ближайшие 10 лет потребуется не менее $150 млрд госсубсидий для вывода водорода на конкурентоспособный уровень. По оценке же МЭА, все глобальные субсидии на водородные технологии в 2018 году составили всего $724 млн.

Тем не менее мы видим растущий интерес правительств. 10 июня Германия объявила о программе субсидирования в размере $7 млрд евро, чтобы сделать ее «мировым лидером» в этой технологии. Недавно произошла утечка проекта Европейского союза по стимулировании экономики после пандемии Covid-19. В проекте содержится амбициозная задача по созданию 40 ГВт электрогенерирующих мощностей на основе «зеленого» водорода к 2030 году.

Китайское правительство надеется увидеть к 2030 году не менее 1 млн топливных элементов в качестве источников питания транспортных средств. Япония, большая сторонница водорода, хочет, чтобы цена на водород в качестве топлива упала на 90% к 2050 году. Южная Корея надеется генерировать четверть всей энергии на базе топливных элементов к 2040 году. Переоснащение глобальной энергетической системы для реализации подобных планов потребует огромных денег. По оценке доктора Бхавнагри, нужно около $600 млрд просто для утроения текущих мощностей по хранению водорода.

В конце концов, влияние водорода вряд ли будет огромным. Это просто «замаскированное электричество», которое неизбежно останется энергетически малоэффективным вариантом. Несомненно, этот газ найдёт себе применение в некоторых сферах и отраслях несмотря на многочисленные недостатки. Но его потолок - заменить прямое электричество из ВИЭ там, где оно будет дорогим или недоступным.