Перспективы водородной энергетики
Институт статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ с помощью системы анализа больших данных iFORA определил десятку наиболее перспективных направлений развития и применения водородных технологий в мире в текущем десятилетии.
На фоне нестабильной ситуации на мировых энергетических рынках последних лет наблюдается новый всплеск интереса к водороду. Сегодня он рассматривается как перспективный энергоноситель, способный обеспечить получение надежной, доступной, стабильной и более экологичной энергии. Во многих странах разработаны стратегии развития и запущены новые инициативы в области водородной энергетики (Китай, Индия, Республика Корея и др.). Большая часть из них направлена на поддержку исследований и разработок, результаты которых смогли бы стать основой для создания жизнеспособных решений в отраслях.
Большая часть актуальной повестки исследований связана с производством водорода (№ 1–6, 9–10). Именно на этом этапе цепочки создания стоимости отмечается значительное разнообразие технологий, хотя наиболее затратным считается хранение водорода в силу его высокой взрывоопасности, летучести и ряда иных свойств.
Наиболее оптимальным и технически отработанным считается производство водородных топливных элементов (ячеек) (№ 1), которые преобразуют химическую энергию в электричество. Они применимы в промышленности для автономной генерации и накопления энергии, на транспорте (авиа-, авто-, железнодорожном), в электроэнергетике для обеспечения энергией удаленных и труднодоступных районов. Так, в Индии значительная часть проектов национального водородного альянса нацелены на разработку топливных элементов для автобусов, автомобилей, поездов. В 2021 г. в Южной Корее запущена крупнейшая в мире электростанция на водородных топливных элементах, рассчитанная на 250 тыс. домохозяйств. Японская компания Teijin Group работает над созданием портативных водородных топливных ячеек для применения в строительстве и на морском транспорте. Изучается возможность использования водорода и в космических аппаратах.
Чтобы обеспечить необходимую функциональность генераторов энергии и иных устройств на основе водорода, применяется целый ряд специальных материалов и соединений (№ 2), прежде всего в катализаторах, которые необходимы для выработки электроэнергии. В них используется чаще всего платина, из-за чего стоимость таких ячеек крайне высока, поэтому 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.
В качестве сырья для получения водорода изучается и солнечная энергия (№ 3), чему во многом способствует господдержка в ряде стран. Однако основным и наиболее дешевым сырьем остается традиционный природный газ, который с помощью паровой конверсии метана трансформируется в водород (№ 4). На него приходится более 60% производимого водорода в мире. В последние годы стали популярны системы улавливания и хранения углекислого газа (CCUS), снижающие выбросы CO2, однако пока число действующих промышленных объектов в мире по производству водорода из углеводородов с CCUS насчитывает не более двух десятков.
Особой задачей остается масштабирование технологий в целях коммерческого получения водорода. Для этого необходимы крупные промышленные установки (№ 5). Каждый такой проект уникален и зависит от задач потребителя, природных особенностей местности и технических характеристик объекта. Так, компания LG Chem к 2025 г. планирует построить в Южной Корее завод по производству водорода мощностью 50 тонн в год. В качестве сырья предполагается использовать метан, образующийся на химических предприятиях корпорации. А в китайской провинции Шаньдун формируется (пока в виде демонстрационного проекта) целая экосистема для разработки и использования водорода, включая скоростную автомагистраль, морские порты, промышленные парки и жилые комплексы. Основной технологией станет электролиз, требующий значительных объемов воды для протекания химических реакций.
Еще один, менее традиционный, способ получения водорода — подземная газификация угля (№ 6) как альтернатива методу добычи из труднодоступных угольных пластов. Несмотря на меньшую популярность среди исследователей, способ может быть актуальным для стран с крупными месторождениями угля, поскольку решает также проблему содержания запущенных шахт. Подобные проекты рассматриваются в Китае и Австралии.
Создание экологически чистого «зеленого» водорода (№ 10), прежде всего с помощью электролиза воды (№ 9) 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. Есть продвижение и в создании солнечных фотоэлектрических систем благодаря новым сферам приложения. Например, в аэрокосмической промышленности фотоэлектрические элементы могут использоваться для энергообеспечения спутников, в медицине — для лечения различных заболеваний легких. Специальный модуль для получения кислорода и водорода с использованием солнечных батарей был установлен в одной из больниц Испании.
Крупный блок задач связан с созданием коммерческих систем хранения водорода (№ 7), повышением их энергоэффективности и вместительности. Выбор наиболее подходящей установки зачастую зависит от объема водорода, продолжительности хранения, требуемой скорости выгрузки, географии поставок и др. В настоящее время водород чаще всего хранится в резервуарах в газообразном или жидком состоянии. Один из наиболее удобных и наименее затратных вариантов для длительного использования в промышленных масштабах — подземное хранение водорода. Метод показывает высокую эффективность и низкий риск смешивания водорода с другими соединениями. В химической промышленности он известен еще с 1970-х гг., когда под такие цели начали использовать подземные соляные шахты. Подобные проекты не теряют своей актуальности и сегодня: крупнейшее в мире подземное хранилище водорода мощностью 300 ГВт-ч планируется построить в США.
В числе наиболее востребованных приложений водорода — автомобильный электротранспорт (№ 8). Лидерами в создании новой индустрии водородомобилей являются Япония и Республика Корея: на них приходится большая часть мировых производственных мощностей в этой сфере. Автоконцерны Toyota и Hyundai лидируют в серийном производстве пассажирских электромобилей на топливных водородных ячейках. В 2020–2021 гг. продажи таких автомобилей благодаря значительной государственной поддержке в мире выросли на 65% (в основном за счет автобусов и грузовиков). Изучается возможность применения топливных элементов и в авиации (концерн Airbus).
Мировой рынок водорода как энергоносителя находится на этапе зарождения. По оценкам экспертов, он сформируется не ранее 2030 г. вследствие целого ряда факторов — от неготовности технологий для коммерческого внедрения до отсутствия нормативно-правовой базы, регулирующей их практическое использование. 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. Глобальный рынок водородной энергетики во многом будет зависеть от создания жизнеспособных решений и их экономической целесообразности для широкого применения. Пока этому препятствуют высокие издержки производства и хранения водорода, потери энергии на каждом этапе цепочки создания стоимости, сложности транспортировки, отсутствие стандартов использования водорода и т. п.
Перспективы для России
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.
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. Ведущие компании (прежде всего ПАО «Газпром» и ГК «Росатом») уже реализуют ряд проектов, среди которых запуск пилотного производства низкоуглеродного водорода на Сахалине (2025 г.), создание транспорта на водородном топливе. Водородные технологии в перспективе способны внести свой вклад в технологическое развитие России при условии широкой кооперации науки, разработчиков и потенциальных пользователей в отраслях.
Источники: расчеты на основе системы интеллектуального анализа больших данных iFORA (правообладатель — ИСИЭЗ НИУ ВШЭ); результаты проекта «Экспертно-аналитическое сопровождение деятельности по развитию высокотехнологичных направлений в 2023 г., включая подготовку ежегодного доклада (“белой книги”) о развитии отдельных высокотехнологичных направлений», тематического плана научно-исследовательских работ, предусмотренных Государственным заданием НИУ ВШЭ.
Материал подготовили Юлия Туровец, Николай Марчук
Предыдущий выпуск серии «iFORA-экспресс»:
«Тренды мировой научно-технической политики в I квартале 2023 года»