Экспертное мнение22.12.2021
Водород? Да! Но есть о чем подумать...
Асем-Бакытжан Аугустин, руководитель проектов компании Green Energy GmbH в Казахстане и Польше
В рамках Парижского соглашения 2015 года 195 стран обязались ограничить глобальное потепление. Это значит, что мир должен очень резко сократить свои выбросы парниковых газов. Согласно оценочному докладу IPCC наш углеродный бюджет составляет 400 Гт СОз, если предел потепления - это < 1,5 °C и около 1000 Гт СОз, если же наша цель < 2 °C. Ограничение глобального потепления величиной 2 °C является наиболее общепризнанной целью. Эта цель должна привести к глубокой декарбонизации всех отраслей промышленности.
Декарбонизация не подразумевает просто переход от ископаемых на возобновляемые источники энергии. Декарбонизация - это организация нашей экономики таким образом, чтобы она минимально или вообще не выбрасывала СО2 в атмосферу. Роль ВИЭ в этом процессе, конечно, огромная, но это не единственное универсальное решение. Существует множество промышленных процессов и секторов, которые сложно или невозможно на сегодняшний день электрифицировать. Нужна топливная альтернатива нефти, углю и природному газу.
Водород может стать такой альтернативой. Он не является новшеством в нашей экономике. Текущий спрос на водород по всему миру исчисляется в 80 млн тонн в год. В основном он применяется как сырье или реагент. 31 млн тонн используется для производства аммиака, который в основном применяется в производстве удобрений. 36 млн тонн водорода задействуется в нефтехимии. 12 млн тонн - в производстве метанола, в металлургии -4 млн тонн и 0,01 млн тонн - в сфере транспорта (отчет МЭА-2018).
Для наших климатических амбициозных целей он интересен тем, что потенциально может быть использован почти везде как чистый или относительно чистый энергоноситель, а также выполнять роль энергонакопителя. Агентство IEA прогнозирует рост мирового рынка водорода до 62 млн тонн к 2040 году и его дальнейший рост в разных сегментах.
Многие страны и концерны объявили о своей углеродной нейтральности к 2050 и 2060 годам. В своих планах и стратегиях по декарбонизации они отводят огромную роль именно «зеленому» водороду. На него возлагаются большие надежды. Для того чтобы чистый водород на самом деле помог человечеству достичь целей, он должен быть технологически эффективным, безопасным, доступным в необходимом количестве, качестве и цене. Эта статья открывает серию материалов, посвященных теме водорода. Мы постараемся раскрыть такие темы, как потенциал водорода для экономики Казахстана, влияние водорода на переформирование глобальной экономики и политики, инфраструктурные вопросы, использование водорода в различных секторах промышленности и т. д. Данная же статья - вводная, своего рода попытка посмотреть на цепочку «производство - хранение/транспорт - использование «зеленого» водорода», а также проанализировать некоторые сложности (или препятствия), связанные с этим.
Итак, что же такое водород?
Водород - это самый простой и широко встречающийся химический элемент во Вселенной. Состоит он из одного протона и одного электрона. Он не обладает ни цветом, ни запахом, ни вкусом и не является ядовитым для нас. Но он очень легко воспламеняется. Для того чтобы водород использовать, его сначала нужно произвести. То есть водород не является источником энергии, но он является энергоносителем. Для его производства есть разные процессы. И в зависимости от этих процессов и экологичности конечного продукта существует определенный код маркировок водорода по цветам.
Рассмотрим некоторые из них.
«Серый» водород производится из природного газа путем парового риформинга. То есть мы смешиваем природный газ с паром и в процессе этой реакции получаем водород и СО2. Сложность этого метода заключается в том, что, во-первых, в этом процессе на каждый 1 кг водорода в атмосферу выбрасывается около 10 кг СО2. А во-вторых, теряется 20-5% энергии - по сути, легче использовать природный газ напрямую.
Процесс производств «голубого» водорода как и в сером, только в нем выбросы СО2 минимизированы путем улавливания и закачки СО2 в подземные хранилища или дальнейшего возможного промышленного потребления. В этом случае в атмосферу выбрасывается около 1 кг СО2 на 1 кг водорода. Но есть и свои сложности. Например, не везде можно организовывать такие хранилища, так как есть определенные геологические, гидродинамические и сейсмические риски. Помимо этого, нужно проводить постоянный мониторинг такого хранилища на его целостность, чтобы избежать каких-либо утечек. Актуальная дороговизна же технологии CCUS наверняка будет сокращаться по мере ее распространения и развития.
«Бирюзовый» водород - пиролиз метана, который разлагается на водород и твердый углерод. Если в качестве источника энергии использовать электроэнергию от ВИЭ, то можно говорить о чистом водороде, так как при этом нет прямых выбросов СО2. Оставшийся углерод можно использовать дальше в промышленности.
«Зеленый» водород производится методом электролиза с использованием электроэнергии от ВИЭ. Вода разбивается на составные части: водород и кислород. Этот процесс наиболее энергоемкий. Для него нужно обеспечить очень большое количество «зеленой» электроэнергии и достаточное количество воды.
Для производства 1 кг Н2 требуется около 9 литров очищенной воды. Это может стать проблемой в районах с дефицитом воды. Rystard Energy полагает, что почти 85% из 206 ГВт заявленных проектов по производству «зеленого» водорода к 2040 году должны быть построены в регионах с дефицитом воды, таких как Испания, Чили и Австралия. Поэтому может потребоваться опреснение морской воды или солоноватых грунтовых вод - энергоемкий процесс, требующий дополнительных возобновляемых источников энергии для обеспечения экологичности водорода, что увеличивает затраты. Поданным аналитической компании Advisian, стоимость опреснения составляет $0,7-3,2 за куб. м очищенной воды в зависимости от размера и местоположения завода.
«Зеленый» водород считается чистым водородом, так как не имеет прямых выбросов СО2 (также, каки «бирюзовый»). Парниковые газы, выбрасываемые при производстве, поставке и строительстве компонентов и материалов для ВИЭ и электролизеров, не учитываются.
Помимо описанных, есть еще такие «цвета», как «коричневый» - газификация угля, «желтый» («оранжевый») - произведен методом электролиза, но на основе атомной электроэнергии. В последнем нет прямых выбросов СО2, но насколько он экологически безопасный и соответствует идее устойчивого развития, вызывает немало дискуссий.
CHALLENGE 1-цена
Сравнивая цены водорода в рамках описанных технологий, нужно упомянуть, что их цена всегда варьирует от места расположения производства. Имеется в виду удачное расположение по отношению к источнику энергии, будь то ископаемое сырье или возобновляемая энергия. Но в общем можно сказать следующее: себестоимость «серого» водорода сейчас чуть ниже 2 евро за килограмм. «Голубой» чуть дороже, около 2,5 евро/кг. «Зеленый» водород сейчас является наиболее дорогим: в зависимости от страны в среднем выходит от4 до 6 евро/кг. Его цена зависит не только от волатильности цены на электроэнергию от ВИЭ и повышение цен на выбросы СО2, но и от затрат и эффективности электролизера.
Щелочной электролиз (англ. Alkaline Electrolysis, АЕ) - наиболее зрелая технология электролиза, которая в основном применялась для производства аммиака. В этой технологии используется жидкий электролит, который смешивается с гидроксидом калия для лучшей проводимости. Здесь есть варианты атмосферного щелочного электролиза. Но также существуют системы под давлением, в которых выходное давление водорода составляет <40 бар. Во многих областях применения необходим водород под давлением, а более высокое выходное давление экономит затраты и энергию по сравнению с использованием компрессоров. Водород под давлением также лучше реагирует на изменения в потребляемой мощности (например, от возобновляемых источников энергии). Однако за эти преимущества приходится платить несколько меньшей эффективностью и более сложной конструкцией и обслуживанием (DNV Energy Technologies Report 2021).
Протонообменная мембрана (англ. Proton Exchange Membrane, РЕМ) характеризуется твердым электролитом (мембраной) и быстрой временной реакцией и обычно находится под давлением. Она примерно на 30% дороже, чем щелочной электролиз, но эффективность - на одном уровне. Также ожидается, что срок службы стека скоро достигнет уровня, аналогичного щелочному электролизу (70-80 тыс. часов), а системы приближаются к 60 тыс. часов. Протонообменная мембрана уже используется в масштабах МВт с крупнейшей установкой в Канаде мощностью 20 МВт и оперативно управляется компанией Air Liquide (DNV Energy Technologies Report 2021).
Электролиз на твердых оксидах (англ. Solid Oxide Electrolysis SOE) - технология в основном известна благодаря высокой рабочей температуре (500-900 °C), высокому КПД и использованию пара вместо жидкой воды. Технология коммерчески доступна, но все еще значительно отстает от предыдущих двух в плане масштаба и зрелости. Срок службы все еще ограничен 20 тыс. часов. А стоимость этого электролиза все еще не в состоянии конкурировать с первыми двумя. Кроме того, мощность стека составляет всего несколько киловатт. Уникальным преимуществом этого электролиза является его способность непосредственно образовывать сингаз с помощью совместного электролиза пара и СО2, а также О2 для получения смеси водорода и азота с помощью совместного электролиза пара и воздуха. Последний вариант выгодно сочетать с производством аммиака, что позволяет экономить затраты на воздухоразделительные установки для получения азота и использовать отработанное тепло для производства пара (DNV Energy Technologies Report 2021).
Анионообменная мембрана (англ. Anion Exchange Membrane, АЕМ) является наименее развитой технологией, которая все еще находится на стадии исследований и разработок. Система коммерчески доступна, но ее мощность составляет всего 2,4 кВт. Технология выглядит многообещающей, поскольку у нее простая конструкция, как у протонообменной мембраны. Но она не требует критического сырья. (В электролизере РЕМ протон (Н+) переносится через мембрану в сильно кислой среде. Поэтому электролизеру РЕМ требуются металлы платиновой группы (МПГ) в качестве катализаторов и дорогие титановые биполярные пластины для выживания в сильно коррозионной кислой среде, в то время как для эффективного производства водорода в электролизере АЕМ достаточно катализаторов без МПГ и стальных биполярных пластин.) Основными проблемами являются нестабильность и ограниченный срок службы. До сих пор испытания превышают всего 2 тыс. часов и показывают высокую степень деградации. Некоторые усовершенствования могут привести к сроку службы 5 тыс. часов, но за это придется заплатить снижением эффективности.
Как подтверждает анализ DNV, основными факторами, влияющими на LCOH «зеленого» водорода, являются потребление электроэнергии, инвестиционные затраты и деградация стеков. Если рассматривать развитие цен на электроэнергию от ВИЭ глобально, то четко видна тенденция на понижение, что, конечно, радует. Цена на электролизеры также показывает тенденцию на спад. В 2015-2019 годах их стоимость упала на 40%. А в совокупности со снижением цены на электроэнергию цена на «зеленый» водород снизилась на 50% в том же периоде (отчет Dentons, декабрь 2020 г.). Эксперты продолжают работать над усовершенствованием технологий для повышения эффективности и снижения капитальных затрат.
На развитие крупномасштабного производства «зеленого» водорода могут потребоваться годы, так как во многих странах энергия из ископаемых источников является самой низкой, так как производится уже на амортизированных электростанциях и/или прямым или косвенным образом субсидируется государством. Следовательно, водород, производимый из ископаемых видов топлива, будет играть важную роль в становлении водорода как значимого энергоносителя. Ясно, что мир не в состоянии в одночасье перейти на дорогой «зеленый» водород, но при этом декларированные обязательства по декарбонизации нужно исполнять уже сейчас. Из этого следует серьезный интерес к «голубому» водороду, чья цена сегодня заманчивее по сравнению с ценой «зеленого» водорода. Технология улавливания углекислого газа (CCUS) и расходы на захоронение газа -тоже н еде ше вое удовольствие. Поэтому возникает конкуренция между «голубым» и «зеленым» «цветами».
Аналитики агентства Aurora, которые специализируются на прогнозировании цен на энергию, попытались определить, когда «зеленый» водород станет конкурентен по отношению к «голубому». Условием было достижение «зеленого» LCOH уровня 2,5 евро/кг. В свою модель они заложили четыре вида подачи электроэнергии к электролизеру: так называемый негибкий (или жесткий) - электричество только из сети и работает при коэффициенте нагрузки 95%; гибкий - также электричество, только из сети с возможностью выбора часов потребления для минимизации LCOH; островной -электролизер, подключенный только к ВИЭ без сети и электролизер, работающий на ВИЭ, но имеющий дополнительное подключение к сети. При этом нужно отметить, что в аналитику вошли европейские рынки с их климатическими, техническими и рыночными условиями.
Результат моделирования показал, что электролизеры станут конкурентоспособными по стоимости по сравнению с «голубым» водородом только к концу 2030-х годов. Однако если электролизеры станут дешевле и эффективнее, а активы ВИЭ достигнут более низких LCOH, этот срок может быть существенно сдвинут на начало 2030-х годов. После 2025 года водород, произведенный в островном режиме, будет дешевле, чем электролизеры, подключенные к сети. Электролизеры, подключенные только к сети (с гибким и негибким управлением), имели самый высокий LCOH. Произошло это из-за высоких средних цен на электроэнергию, высоких сетевых затрат и экологических сборов. При этом в зависимости от страны и ее энергомикса фактически всегда остается риск прямого выброса СО2.
Анализ EY-Parthenon определяет точку паритета также на 2030 год и основывает это на зрелости технологий электролиза и удачного месторасположения к источнику электроэнергии от ВИЭ.
CHALLENGE 2 - хранение и транспортировка
Следующим важным фактором для зарождающейся новой отрасли чистого водорода является безопасное, экономически и технически эффективное хранение и транспортировка. В принципе водород можно транспортировать в том же виде, в котором он хранится: в виде газа (GH2), жидкости (1_Н2) или в твердых и жидких носителях. Для этого можно использовать как автомобильные, морские и железнодорожные пути, так и газопроводные системы. При решении наиболее эффективной формы и транспорта для водорода принципиально важно учитывать его особые свойства.
Атом водорода имеет небольшие размеры, и он очень легкий, поэтому он более подвержен утечке по сравнению с метаном. Водород также особенно склонен к самовоспламенению в местах утечек и атмосферных вентиляционных отверстий. Поэтому фланцевые соединения не должны использоваться в водородных трубопроводах, и хранить его нужно в особо герметичных контейнерах. Помимо этого, многие металлические материалы, включая сталь, подвергаются хрупкости в газообразной среде водорода, таким образом, он способен принести структурный ущерб трубопроводам.
Водород имеет гравиметрическую плотность энергии в три раза выше, чем бензин. Это означает, что в 1 кг водорода содержится примерно в три раза больше энергии, чем в 1 кг бензина. Но при этом он имеет очень низкую объемную плотность энергии при нормальных условиях. Это значит, что для получения того же количества энергии, как, например, из природного газа, водороду требуется в три раза больше объема.
Чтобы в какой-то степени обойти эту проблему, водород можно сжижать при очень низких температурах. Однако процесс сжижения очень энергоемкий: на него расходуется 25-45% энергии сжиженного водорода. Затраты электроэнергии составляют 10-14 кВт*ч на 1 кг Нг и выше. Помимо этого, необходимы постоянное охлаждение, эффективная изоляция и высокая хладостойкость материала емкости, в которой хранится сжиженный водород. Несмотря на все это, всегда есть потери на испарение, что также небезопасно1. Хранение водорода в гидридах имеет ряд преимуществ по отношению к хранению под давлением или в сжиженном виде, а именно: энергозатраты снижаются, транспортировка упрощается, повышается безопасность хранения. Гидриды повышают объемную плотность, как в случае со сжиженным водородом, но не требуют поддержания низкой температуры. Однако есть термодинамические и кинетические ограничения применения. Например, при применении гидрида магния MgH2 не происходит поглощения водорода при температурах ниже 473 °К, а десорбция происходит при высоких температурах выше 673 °К. Для необходимой скорости сорбции и десорбции требуется активация.
Вышеуказанные виды хранения и из них вытекающие условия означают необходимость переоснащения и/или перепрофилирования имеющейся инфраструктуры, а также строительства большего количества новых транспортных ресурсов. Помимо этого, необходимо разработать новые сертификаты качества, норм, стандартов и правил при транспортировке и строительстве трубопроводов, цистерн больших судов и грузовых автомобилей, а также при их эксплуатации. А если речь идет о международном экспортно-импортном отношении, то это изменение международных договоров.
CHALLENGE 3 - промышленное использование
Чтобы чистый водород смог стать драйвером глубокой декарбонизации экономики, промышленность должна перейти на его широкое использование в своих производственных процессах. Речь идет, прежде всего, о тех секторах промышленности, процессы которых невозможно или сложно полностью электрифицировать на основе ВИЭ. Таким сектором является, например, сталелитейная промышленность. Если бы она была страной, ее выбросы углекислого газа занимали бы третье место в мире. Поданным Всемирной ассоциации производителей стали, в прошлом году сталелитейщики произвели более 3 млрд тонн СО2, что составляет 7-9% выбросов парниковых газов, произведенных человеком. При этом в натуральном выражении сталь является доминирующим материалом, и мировой спрос на сталь, по оценкам, увеличится до 2,5 млрд тонн в год к 2050 году. А значит, и экологическое бремя может возрасти, если оставить все как есть. Самым углеродоемким процессом в этой промышленности является переработка железной руды в чугун - основной ингредиент всех видов стали. Именно здесь водород может быть полезен. Связано это с тем, что он имеет потенциал для использования в качестве первичного сырья (замещая углерод в виде кокса в качестве восстановителя в процессе освобождения железа от оксида железа) и в качестве источника энергии (заменяя ископаемое топливо на различных теплоемких стадиях железо- и сталеплавильного процесса). Производство стали на основе водорода - это, по сути, низкоуглеродная модификация метода прямого восстановления железа (DRI), при котором «губчатое железо» производится в шахтной печи в результате реакции водорода и железной руды. Затем DRI необходимо расплавить в электродуговой печи (EAF). Первая сталь, произведенная по технологии HYBRIT, то есть с использованием 100% водорода, не содержащего ископаемого топлива, вместо угля и кокса, уже поставляется первому заказчику-Volvo Group. Несмотря на первые позитивные эксперименты, процесс широкомасштабного внедрения производства стали на основе водорода будет не таким скорым. Для этого требуется не только целый ряд политических инструментов, но, прежде всего, огромные инвестиции на самих производственных площадках. Ведь речь идет об адаптации или полной замене существующего процесса производства на новый процесс на основе водорода. Такие процессы, инвестиции, модернизации не происходят в один день. Эксперты Ernst&Young Parthenon подсчитали, что на технологию DRI + «зеленый» водород потребуется 60-90% дополнительных затрат, а коммерческой стадии можно достичь только через 10-20 лет. Некоторые пионеры, наподобие шведского HYBRIT, готовят свои демонстрационные заводы к 2025-2030 годам. Однако полностью готовый к эксплуатации завод по производству водородной стали в промышленных масштабах ожидается не ранее середины 2030-х годов.
Такие инвестиции очень затратные, и даже гиганты производства говорят, что им нужна помощь государства. И это помощь не только в виде определенных преференций и качественно разработанных долгосрочных концепций по низкой безуглеродной водородной экономике, но и в виде прямых «первоначальных вложений». ThyssenKrupp недавно оценил затраты примерно в 10 млрд евро при плане производства «зеленой» стали в размере 10 млн тонн в год. Salzgitter предполагает 3 млрд евро при производстве? млн тонн в год.
При переходе на производство стали на основе водорода Великобритании потребуется до 25 ТВт*ч водорода для процесса восстановления, плюс еще 3-4 ТВт*чдля прокатки и косвенного нагрева для всего сектора (источник: вебинар ТАТА Steel). Это больше, чем текущее производство водорода в Великобритании, составляющее 27 ТВт*ч (включающее «зеленый» и «серый» водород). То есть очень срочно необходимо производить «зеленую» электроэнергию еще намного в большем количестве только для производства водорода и только для «озеленения» стали.
В свою очередь, основатель BloombergNEF (BNEF) Майкл Либрейх подсчитал, что для замещения текущего годового мирового спроса на «серый» водород «зеленым» потребуется вся ветровая и солнечная энергия, установленная в настоящее время по всему миру. Он также обнаружил, что для удовлетворения прогнозов МЭА по спросу на водород (сценарий «чистый ноль» на 2050 год) исключительно за счет «зеленого» водорода потребуется установить все ветровые и солнечные электростанции, которые, по прогнозам BNEF, будут установлены во всем мире (см. график ниже).
Кроме этого, важным вопросом остается доступность «зеленого» водорода. Любому производству необходимо понимать заранее, на какие объемы поставки, когда, по какой цене оно может рассчитывать объемы того сырья или продукта, от которого как-то зависит промышленный/ производственный процесс. Какими путями, в какой форме его будет наиболее безопасно, а также экономически и технически эффективно доставлять в точку потребления?
Ответов касательно водорода на эти вопросы нет ни у кого. И все-таки, несмотря на вышеперечисленные сложности, и те, которые будут выявляться по пути, ясно одно: мы наблюдаем становление мировой водородной экономики. Ведутся жаркие дискуссии экспертов, политиков, пишутся и принимаются национальные стратегии, аналитики делают прогнозы будущих объемов производства и потребления, создаются «водородные долины» на основе кросс-секторального сотрудничества между производителями, потребителями и поставщиками. Этот момент нельзя упустить. Это шанс для Казахстана не только декарбонизировать экономику, но и развить собственное производство необходимого оборудования, компонентов и сервиса по всей цепочке «производство - хранение/транспортировка - использование водорода». Для этого необходимо провести глубокий и всесторонний анализ потенциала развития водородной экономики. Он должен включать анализ потенциалов как чистого, так и низкоуглеродного водорода, как экспорта, учитывая планы и намерения соседних и дальних стран, так и внутреннего рынка, учитывая проблемы энергоснабжения, развитие авто-, железнодорожного и авиатранспорта, нужды и риски высокоэмиссионных секторов промышленности и возможности научной базы.
В Казахстане объем электроэнергии выработанный ВИЭ достиг 5,92%
SECCA объявил о грантах для исследователей из Центральной Азии по программе «Горизонт Европа»
Строить новые «зеленые» станции становится все сложнее, но в немецкой деревне нашли выход
Стоительство гибридной электростанции в Мангистауской области обсудил премьер с директором по разведке ENI
Новый кран обещает в два раза снизить стоимость установки морских ветряков
В Турции создана первая в стране плавучая СЭС
В Узбекистане строят каскад из шести ГЭС и две СЭС
Кыргызстан и структуры «Росатома» договорились о строительстве ВИЭ
Завод построят там, где счастливые люди и много ветропарков в ФРГ
ЕИБ договорился о выделении $109 млн на «зеленое» финансирование для датских МСП
О стремлении Казахстана к «зеленой» энерготрансформации рассказали на Берлинском диалоге по энергопереходу
Крылатое грузовое судно экономит три тонны топлива в день во время первого рейса
Самый большой самолет мира будет возить ветер: чем интересен Radia WindRunner
Где ВИЭ взять деньги на новые проекты?
Двусторонние солнечные панели могут генерировать больше энергии при значительно меньших затратах
Глобальный альянс по ВИЭ представляет план действий на сумму $10 млрд
Делать солнечные панели изгибаемыми предложили голландские ученые
Запущен проект крупнейшей в мире океанской СЭС с генерацией 5 МВт
ФРГ резко снизила выбросы CO2
Электротранспорт опередил ВИЭ по темпам привлечения инвестиций