Водородная энергетика: быть или не быть?

К 2050 году Япония и Германия планируют достичь углеродной нейтральности, отказавшись от использования ископаемого горючего и полностью перейдя на возобновляемые источники энергии (ВИЭ) и водородное топливо, на котором будет работать любой транспорт – от обычного легкового автомобиля до дальнемагистрального пассажирского самолёта. Таким образом ведущие страны надеются минимизировать выбросы парниковых газов и создать декарбонизированную экономику.

Почему именно водород сейчас кажется единственной «зелёной» альтернативой природному газу, нефти и углю?

• КПД водородных топливных элементов самый высокий – 60–65 %. Для сравнения: у ДВС он – не более 40 %. При этом в отличие от электрических авто, которые нуждаются в длительной зарядке, водородомобили заправляются так же быстро, как обычные машины, но в отличие от последних они являются углеродно нейтральными и экологически чистыми.

• Генерация электричества из энергии солнца и ветра слишком зависит от атмосферных условий. В случае долгой непогоды может возникнуть дефицит электричества, что и произошло зимой 2021 года в Европе. Жители Старого Света были вынуждены отапливать свои дома не электричеством, а газом, из-за чего запасы голубого топлива быстро иссякли, а цены на него пошли вверх.

• Хотя на Земле водород в чистом виде практически не встречается, его можно получать электролизом обычной воды (пресной или солёной). Правда, для протекания необходимых для этого химических реакций требуется огромное количество электроэнергии. И тут возникает замкнутый круг.

Чтобы получить электроэнергию из водородного топлива, нужно сначала потратить электроэнергию на получение водородного топлива, что, конечно, является нецелесообразным, так что эту проблему учёным и инженерам ещё предстоит решить. И первые удачи уже есть. Например, мобильная водородная электростанция Toshiba H2One, являющаяся, по сути, системой полного цикла «электричество – водород – электричество». Внешне она похожа на обычный грузовой контейнер, только с солнечными панелями, которые снабжают энергией процесс электролиза воды. Полученный в ходе него водород поступает в резервуар, где хранится до того момента, когда уже из него нужно будет добыть электричество. Побочными продуктами работы этого чуда техники являются кислород и горячая вода. Газ просто выпускают в атмосферу, а жидкость поступает в ближайший водопровод или отопительную систему. Сейчас Toshiba H2One используется для стабилизации энергосистем в моменты пиковых нагрузок (например, такие комплексы установлены на железнодорожной станции Мусаси-Мидзонокути в городе Кавасаки) или в местах ЧС.

Вообще, Япония является лидером внедрения водородных технологий в повседневную жизнь. Именно она в 2017 году первой из государств приняла национальную стратегию развития новой отрасли энергетики.

Весной 2020 года в Фукусиме заработала крупнейшая в мире водородная электростанция. Она питается солнечными батареями мощностью 20 МВт, производя в час 1,2 тыс. кубометра водорода.

Весной 2021 года фирма Kawasaki продемонстрировала первый в мире танкер, созданный специально для транспортировки сжиженного водорода (планируется, что газ будет доставляться из Австралии уже в 2022-м). За одну ходку судно сможет перевести 1250 кубов водорода, охлаждённого до –253 ºС.

Без малого 7 лет в Японии продаются Toyota Mirai – авто на водородных топливных элементах. Правда, стоят они дороже своих собратьев на бензиновом или электрическом ходу. Но! Государство возвращает покупателю почти половину цены такой машины, ведь и в эксплуатации она менее выгодна, чем традиционные и электрические авто.

На пятки Японии давно наступает Германия, которая планирует выделить на развитие своей водородной энергетики примерно €10 млрд до 2023 года. Уже сейчас на её территории действует не менее 120 водородозаправочных станций, каждая из которых стоит около $1 млн.

Между городами Нижней Саксонии курсирует произведённая французской компанией Alstom водородная электричка Coradia iLint, которая стоит в 3 раза дороже своего дизельного аналога, однако правительства федеральных земель активно поддерживают новую технологию.

Водород – это решение проблемы перепроизводства, которая возникает на севере Германии в ясные ветреные дни, когда солнечные панели и ветрогенераторы вырабатывают больше электроэнергии, чем потребители могут использовать. Сейчас возникающие излишки немцы продают соседям себе в убыток, а могли бы хранить их в виде водорода, который в случае необходимости станет сырьём для выработки электричества.

Развивая собственную водородную энергетику, ведущие страны мира хотят решить как минимум две проблемы: во-первых, в условиях отсутствия или недостатка своих углеводородов получить надёжный альтернативный источник для выработки электроэнергии и эффективное экологически чистое топливо, а во-вторых, минимизировать антропогенное воздействие на окружающую среду.

Развитие водородной энергетики в России

Первые эксперименты по применению водородного топлива на транспорте были проведены в нашей стране ещё в советское время. Летом 1980 года по Олимпийской деревне в Москве ездили гибридные микроавтобусы РАФ: на небольших скоростях и холостом ходу их ДВС питались водородом. В 1988 году в небо взмыл Ту-155 – один из двигателей этой крылатой машины работал на водороде.

12 октября 2020 года российское правительство утвердило план мероприятий по развитию водородной энергетики до 2024 года, предусматривающий создание «высокопроизводительной экспортно ориентированной области водородной энергетики, развивающейся на основе современных технологий и обеспеченной высококвалифицированными кадрами». Уже с самого начала этого документа ясно, что формировать рынок водородного топлива внутри страны наше государство пока не собирается. Зато в принятой 9 июня 2020 года «Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года» в разделе «Водородная энергетика», занимающем меньше страницы, есть планы развития внутреннего спроса на водородные топливные элементы для транспорта и на водород как накопитель и преобразователь энергии. Правда, показателем успешности формирования новой отрасли энергетики всё равно признаётся увеличение объёма экспорта водорода с 0,2 млн тонн в 2024 году до 2 млн тонн в 2035-м.

Отечественный бизнес тем временем готовит почву для промышленного производства водорода в нашей стране. Так, En+ Group намерена использовать 4 своих ГЭС – Иркутскую, Братскую, Усть-Илимскую и Ондскую – для «добычи» 18 тыс. тонн водорода в год. Плюс, компания собирается создать на Ангаре ещё одну гидроэлектростанцию – Мотыгинскую, которая сможет давать более 115 тыс. тонн водорода в год. Согласно планам, весь полученный энергоноситель уйдёт за границу – в Японию, Южную Корею и другие страны.

Однако учёные и эксперты уверены, что у России есть возможность стать не только крупным экспортёром, но и мощным потребителем водорода, переведя на него некоторые производства, часть жилищно-коммунального хозяйства, отдельные виды техники и т. д. Но, чтобы это произошло, необходима поддержка государства. В первую очередь в создании инфраструктуры и прогнозировании и планировании спроса потенциальных потребителей водорода.

Водородной энергетике быть!

По мнению экспертов Bloomberg, к 2050 году рынок водородного топлива вырастет до $700 млрд. По разным оценкам, это вещество закроет от 18 % до 24 % мировых потребностей в энергии. Правда, практически вся предполагаемая доля будет обеспечиваться высокоразвитыми государствами, которые могут вкладывать в развитие водородной энергетики огромные деньги. В небогатых странах останутся привычные нам топлива – от дров до нефти и газа, да и электричество будут давать не только ВИЭ, но и старые добрые ГЭС, АЭС, а может быть, и ТЭС. То есть в мировом масштабе водород потеснит, но не заменит другие топлива и энергоносители. И это хорошо, ведь только разнообразие является основой устойчивости.