Водород зеленеет на глазах

В понедельник 7 июня министерство энергетики США (Department of Energy, DOE) представило первую итерацию своей новой долгосрочной инициативы Energy Earthshots — Hydrogen Shot («Водородный выстрел»).

Сразу же уточним, что в буквальном переводе название комплексной инновационной программы Energy Earthshots звучит несколько странно: «Энергетические выстрелы в Землю / по Земле», — но фактически здесь обыгрывается известный термин moonshot, «лунный выстрел», под которым в технологическом контексте традиционно понимаются различные прорывные проекты и программы дальнего прицела, не рассчитанные на скорое получение экономической отдачи.

Программа Energy Earthshots, упоминание о которой также присутствует в недавно представленном DOE законодательном предложении по бюджету, призвана стимулировать разработку и внедрение сразу нескольких перспективных видов чистого топлива «с нейтральным содержанием углерода» (carbon-neutral fuels).

И в качестве наиболее важной ее составляющей руководство DOE рассматривает именно водородные проекты — точнее, идеи и разработки, ориентированные на производство коммерчески эффективного экологически чистого водорода, который министр энергетики США Дженнифер Грэнхолм в сопроводительном комментарии к первой фазе инициативы Hydrogen Shot назвала «революционным продуктом, который поможет декарбонизировать различные промышленные сектора и транспорт с текущим высоким уровнем вредных выбросов (СО₂), обеспечивая при этом хорошо оплачиваемые рабочие места в сфере чистой энергетики…»

Общий бюджетный запрос министерства энергетики на 2022-й финансовый год предусматривает выделение около 400 млн долларов на поддержку новых водородных проектов, что заметно превышает уровень их текущего финансирования; кроме того, DOE также рассчитывает привлечь дополнительные средства при помощи своего управления программами кредитования (Loan Programs Office).

В рамках начального этапа этой водородной программы министерство опубликовало запрос на предоставление информации о «жизнеспособных водородных демонстрационных проектах, включая предоставление сведений о конкретных местах (районах), которые смогут обеспечить снижение стоимости производства водорода, уменьшить выбросы углерода и загрязнение воздуха, создать хорошо оплачиваемые рабочие места» (причем дедлайн обозначен довольно жесткий — 7 июля 2021 года)

В качестве же генеральной задачи проекта Hydrogen Shot заявлено снижение в течение ближайшего десятилетия стоимости водорода, произведенного с использованием экологически чистой энергии (таковой авторы программы назвали как ВИЭ, так и АЭС), примерно на 80% по сравнению с текущим средним уровнем, то есть примерно пяти долларов за килограмм до одного доллара.

В свою очередь, эксперты Bloomberg New Energy Finance еще в марте прошлого года спрогнозировали: для того чтобы вдвое снизить стоимость производства чистого водорода, в течение следующих десяти лет потребуется привлечь порядка 150 млрд долларов госфинансирования по всему миру.

Сдержанный оптимизм аналитиков

Самым перспективным и наиболее экологичным видом водородного топлива сегодня считается так называемый зеленый водород, получаемый за счет электролиза воды с использованием возобновляемых источников энергии (прежде всего солнечной и ветровой) для питания электролизеров. В то же время он пока и самый дорогой в плане затрат на производство: снижение именно этих затрат на «зеленый» водород, в частности, рассматривается американским DOE как вышеуказанный плановый ориентир.

В настоящее время водород в основном извлекается из природного газа или угля с помощью технологических процессов, при которых выделяется большое количество углекислого газа. Доминирующей технологией, на долю которой приходится около 96% производства водорода, является паровой риформинг метана — реакция конверсии метана водяным паром, — и такой водород принято называть «серым». В основном «серый» водород (его текущая себестоимость в среднем составляет порядка полутора-двух долларов за килограмм) используется в качестве сырья в ряде специфических промышленных процессов, в частности в нефтепереработке, производстве аммиака и метанола, а также в качестве энергоносителя для космических ракет.

В конце мая австралийская Clean Energy Finance Corporation (CEFC) опубликовала новое подробное исследование рыночной конкурентоспособности «зеленого» водорода (и прочих его типов; к числу наиболее важных, помимо «зеленого» и «серого», относится «голубой» водород, более чистая разновидность «серого», также получаемый из природного газа, при производстве которого побочный углекислый газ улавливается и хранится в специальных хранилищах) в 25 ключевых отраслях национальной индустрии и в целом в мире, проведенное аналитиками компании Advisian Ply, в котором, в частности, отмечается, что этот перспективный вид топлива уже приближается к ценовой конкурентоспособности в целом ряде важных сегментов.

Так, уже в ближайшей перспективе к коммерческой привлекательности приближаются следующие сектора: магистральные транспортные средства, дистанционное энергоснабжение, погрузочно-разгрузочные работы и транспортные средства, возвращающиеся на базу (в том числе автобусы).

К 2030 году круг секторов, в которых водород становится коммерчески выгодным для внедрения, по мнению авторов этого доклада, расширится, в том числе в него войдут транспортные средства для горнодобывающей промышленности.

В период до 2050 года этот круг пополнят малотоннажные автомобили, большегрузный железнодорожный транспорт, региональная авиация, паромы, газовые сети (коммерческие и жилые), международная авиация и производство аммиака.

И наконец, к 2050 году «зеленый» водород станет более конкурентоспособным практически во всех ключевых секторах глобальной экономики благодаря «параллельному прогрессу в повышении эффективности затрат на производство и распределение и эволюции технологий его конечного использования».

При этом, по оценкам Advisian/CEFC, к 2050 году «лучшие в своем классе» коммерческие водородные проекты, вероятно, приблизятся к мощностям в 1 ГВт или даже превысят их, а прогнозируемые франко-затраты (без учета транспортных и прочих расходов) составят менее двух долларов за килограмм.

Впрочем, по текущим расчетам австралийских исследователей, вплоть до середины XXI века прогнозируемые затраты на производство низкоуглеродного водорода (или его продвинутой версии — «зеленого» водорода») скорее всего не достигнут стоимостного паритета производства энергии на ТЭС с природным газом (при уровне примерно 1,1 доллара за килограмм). Соответственно, едва ли следует рассчитывать на массовое вытеснение природного газа водородом в ключевом сегменте промышленного отопления раньше этого времени без существенной нормативной или политической поддержки со стороны государственных органов, если только, как уточняют авторы доклада, в ближайшие десятилетия ученым и технологам не удастся добиться более значительного снижения стоимости электролизеров и возобновляемых источников энергии по сравнению с теми базовыми оценками, которые были сделаны в данном исследовании.

Альтернативные способы доставки, предполагающие использование промежуточных химических соединений, таких как аммиак и метанол, по-видимому, могут обеспечить более низкие цены на поставляемый водород, чем базовые способы его сжижения.

И здесь необходимо уточнить, что в последнее время тема «зеленого» аммиака, который в перспективе может стать важнейшим «партнером» «зеленого» водорода, стала особенно популярной в специализированных СМИ.

В отличие от обычного аммиака, при производстве которого в качестве сырья используется природный газ (классической технологией с начала XX века является процесс Габера), «зеленый» аммиак, как и «зеленый водород», производится с помощью ВИЭ и может быть легко разложен крекингом под воздействием катализатора с получением столь желаемого результата — водорода; выделяемый при этом азот не является парниковым газом.

Но в ближайшей перспективе стоимость производства подобных «зеленых» носителей (как самого водорода, так и экологически чистого аммиака), по-видимому, будет значительно превышать стоимость мейнстримных продуктов с высоким уровнем выбросов CO₂. И лишь к 2050 году, по прогнозам Advisian/CEFC, «зеленый» водород будет дешевле, чем традиционный («серый»).

С этими консервативными прогнозами, впрочем, сильно расходятся очень бодрые обещания, выдаваемые в настоящее время рядом инновационных лидеров в критически важном «аммиачном» сегменте, к числу которых прежде всего следует отнести молодой, но очень амбициозный американский стартап AmmPower (его CEO — Гэри Беннинджер, физик по образованию, бывший инженер NASA, ранее также был топ-менеджером одного из ведущих мировых поставщиков автозапчастей Magna International). Официально заявленная цель AmmPower (согласно информации на ее интернет-сайте) — «создание экономически масштабируемого модульного безуглеродного производства аммиака, которое может быть размещено в непосредственной близости от объекта заказчика». AmmPower осуществляет активные R&D в сфере катализа для оптимального производства «чистого» аммиака и рассчитывает «объединить новые технологические и производственные методы для разработки стабильных и надежных установок по производству аммиака», причем уже в 2022 году компания планирует вывести на рынок первые коммерческие образцы. И, как отмечают американские разработчики, «чтобы избежать высоких затрат на развитие водородной инфраструктуры, аммиак можно будет хранить в специальных резервуарах на местных заправочных (водородных) станциях, и извлекать из него водород “по требованию” для непосредственного использования либо в автомобилях на топливных элементах, либо для его преобразования в электроэнергию для тех же электромобилей».

Отметим далее, что в рамках австралийского исследования Advisian/CEFC было также выявлено несколько ключевых факторов, которые будут определять конкурентоспособную стоимость «зеленого» водорода.

При этом ключевым фактором снижения себестоимости производства водорода должно стать дальнейшее устойчивое снижение стоимости возобновляемых источников энергии (солнечной и ветровой энергетики).

Тенденции изменения капитальных затрат на электролизеры будут в основном определяться глобальными факторами — общим устойчивым ростом расходов на НИОКР и увеличением масштабов производства.

Рост коэффициента использования электролизеров будет обеспечивать снижение совокупных затрат на производство водорода в обозримом будущем, для чего, в свою очередь, потребуется большое количество дешевой солнечной и ветровой энергии, поставляемой в сетевые энергосистемы.

Гибкость новых технологий производства водорода также может сыграть ключевую роль в перераспределении будущего глобального спроса на энергоресурсы.

Кроме того, со временем, по мере снижения стоимости электролизного оборудования, затраты на установку и монтаж будут составлять все большую долю от общих затрат, а методы повышения их эффективности будут иметь решающее значение для дальнейшего развития водородной индустрии.

Прочих планов громадье

В сентябре 2020 года Bank of America представил аналитический обзор, в котором отмечалось, что водородная технология находится на переломном этапе развития, который может привести к взрывному росту, а общий потенциал глобального водородного рынка к 2050 году аналитики банка оценили примерно в 11 трлн долларов.

Кратко обозначим в заключение ряд других «больших» перспективных проектов кооперационного типа по водородной тематике, запущенных за последнее время.

В июле 2020 года 11 ведущих компаний, занимающихся развитием газовой инфраструктуры, из девяти стран ЕС выступили с совместной инициативой Hydrogen Backbone Initiative («Водородная магистраль»), представив планы создания к 2030 году 6800 км выделенной водородной транспортной инфраструктуры между так называемыми водородными долинами (в рамках этой программы предполагается использовать 75% переоборудованных газопроводов и создать 25% новых участков).

На сегодняшний день в мире построено всего около 5000 км водородных трубопроводов, в основном в США (2600 км), Бельгии (600 км) и Германии (400 км) — и примерно три миллиона километров уже действующих трубопроводов для подачи природного газа.

И в том же июле 2020-го Евросоюз представил свою новую водородную стратегию (EU Hydrogen Strategy for a Climate-Neutral Europe), конечной целью которой заявлено ускоренное развитие технологий производства чистого водорода «для обеспечения его роли в качестве краеугольного камня климатически нейтральной энергетической системы к 2050 году».

Тогда же был создан специальный «медиум» — «Европейский альянс чистого водорода» (The European Clean Hydrogen Alliance) — «открытый форум, объединяющий промышленность, государственные органы и гражданское общество для координации инвестиций в новые водородные проекты». Эти водородные проекты, в свою очередь, непосредственно будут управляться Совместным предприятием по топливным элементам и водороду (FCH JU) — государственно-частным партнерством, поддерживаемым Еврокомиссией.

А в декабре 2020 года семь крупнейших мировых разработчиков и партнеров новых проектов по производству «зеленого» водорода объединили свои усилия, запустив еще одну амбициозную инициативу Green Hydrogen Catapult, заявленная цель которой — 50-кратное (!) увеличение производства «зеленого» водорода в течение последующих шести лет.

В число партнеров — соучредителей Green Hydrogen Catapult входят ACWA Power (группа компаний по производству экологически чистой энергии в Саудовской Аравии), CWP Renewables (ведущая австралийская компания по производству возобновляемой энергии), Envision Group (крупнейший китайский производитель ветровых турбин), Iberdrola (испанский энергетический гигант), Ørsted (датская транснациональная энергетическая компания), Snam (итальянская компания по развитию энергетической инфраструктуры / газовая группа) и Yara Int. (ведущая норвежская химическая компания — производитель удобрений).

В рамках этого мегапроекта планируется довести производство легко транспортируемого водорода на основе ВИЭ до общей мощности 25 ГВт к 2026 году и тем самым вдвое снизить текущую стоимость водорода менее чем до двух долларов за килограмм (по оценкам, это сделает его конкурентоспособным по сравнению с ископаемым топливом). Для достижения этой цели потребуются совокупные инвестиции в размере около 110 млрд долларов.