О проблемах водородной экономики

08.05.2021 JeeesAdmin 2021-01 0

Дегтярев Кирилл Станиславович [0000-0002-1738-6320]1,2,

Березкин Михаил Юрьевич [0000-0002-6945-2131]1,3

1Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия

2E-mail: kir1111@rambler.ru

3E-mail: mberezkin@inbox.ru

Аннотация. В статье рассматриваются планы развития водородной экономики в мире. Выявляются технологические, экологические и экономические барьеры на пути реализации амбициозных сценариев роста производства и потребления водорода и проводится оценка реалистичности данных сценариев. Оспаривается распространённое утверждение о водороде как агенте декарбонизации и состоятельность экологической аргументации водородной экономики. Рассматривается ряд возможных реальных причин продвижения идей и планов водородной экономики.

Ключевые слова: водород, водородная экономика, энергетика,  проблемы водородной экономики

1. Введение.

Новый интерес к водороду и преимущества водорода в качестве энергетического ресурса

Водород производится и используется уже давно, но с 2018-2020 гг. обозначилось резкое повышение интереса к нему как к потенциальному энергетическому ресурсу, получил распространение термин «водородная экономика» (hydrogen economy), и в ряде стран были продекларированы планы многократного увеличения производства водорода.

Появилось множество публикаций на водородную тематику разного формата, включая книги, статьи, материалы многочисленных форумов и конференций. Можно сказать, что интерес к водороду как потенциальному источнику энергии принял взрывной характер.

В первую очередь, водород позиционируется как экологически чистый вид топлива, не оставляющий «углеродного следа при сжигании», и рост его производства и использования рассматривается в контексте «декарбонизации» (decarbonization) и снижения потребления ресурсов [1].

В пересчёте на массу водород обладает высокой теплотворной способностью. Для сравнения – если у природного газа (метана CH4) она примерно 40-50 МДж (12-15 кВтч) на 1 кг, то у водорода — 120-140 МДж(35-40кВтч), или в 3 раза выше. Водород может использоваться разными способами — как для выработки тепловой и электрической энергии – в том числе, как аккумулятор энергии, так и в качестве транспортного топлива.

Ряд стран сейчас принимает или разрабатывает программы развития водородной экономики.  Рассматриваются также перспективы создания мирового рынка водорода с превращением водорода в биржевой товар [2] с большими объёмами торгов. 

2. Текущая ситуация с производством водорода и программы его увеличения

В 2017-2019 гг. общий годовой объём производства водорода в мире составлял 55-65 млн. тонн [3], при этом среднегодовые темпы роста на протяжении первых двух десятилетий XXI века не превышали 2%.

Его основные потребители – химическая и нефтеперерабатывающая промышленность, а основной способ получения – почти 70% всего водорода – конверсия метана, при этом, на электролиз приходится всего 5%.

Энергетическое использование водорода – в частности, в качестве транспортного топлива, до последнего времени носило, скорее, экспериментальный характер, представленный отдельными проектами – в частности, проект «водородного шоссе» HyNor в Норвегии [4] и сходные проекты в других странах Европы, США, Японии.

С 2017-2020 гг. ряд стран принимает масштабные водородные программы, предполагающие кратное увеличение производства водорода с перспективами его использования уже в энергетических целях – для получения тепла и электроэнергии, а также в качестве транспортного топлива.

В частности, ЕС опубликовал Дорожную карту развития водородной экономики [5]. Согласно европейской дорожной карте, по состоянию на 2015 год суммарный конечный спрос на энергию в ЕС составлял величину порядка 14 000 ТВтч, из которых на водород приходится 2%, или 325 ТВтч (что эквивалентно около 8 млн. тонн водорода). Далее рассматривается два сценария – инерционный — businessasusual,и амбициозный – ambitious (табл. 1). Во всех случаях предполагается рост использования водорода во всех секторах хозяйства. При этом, предполагается общее сокращение спроса на энергию – на 35% к 2050 году. При инерционном сценарии годовой объём поставок водорода на рынок ЕС должен составить к 2030 году 12 млн. тонн, к 2050 – более 18 млн. тонн; при амбициозном сценарии – соответственно, более 16 млн. и около 55 млн. тонн.

В Японии аналогичная Дорожная карта — Strategic Roadmap for Hydrogen and Fuel Cells [6] предполагает рост объёмов использования водорода к 2050 году до 10 млн. тонн в год.

Всего в мире заявлено 228 водородных проектов [7] на всех континентах, при этом основная их часть – в Западной Европе и Восточной Азии.

В России, в свою очередь, программа развития водородной энергетики находится в стадии разработки [8]. Также о стимулировании производства водорода в России, развитии неизкоуглеродных технологий для его производства и задачах увеличения экспорта (до 0,2 млн. тонн к 2024 году и до 2 млн. тонн к 2035 году) заявлено в Энергетической стратегии Российской Федерации до 2035 года [9]. Пока же из конкретных крупных водородных проектов в России пока можно назвать только проект Сахалинского водородного кластера [10].

Иными словами, в ближайшие десятилетия речь идёт о наращивании рынка водорода на десятки млн. тонн в год. При этом, прогнозы рынка резко различаются.

По сравнительно консервативным оценкам IRENA, Shell, ARENA, годовой объём мирового рынка водорода составит 500-2000 ТВтч к 2050 году [3].

Отметим, что это означает увеличение доли водорода в мировом энергобалансе [11] всего до 0,25%-1,0%. Это означает также рост мирового производства водорода на 12-50 млн. тонн в год, или на 20%-80% относительно нынешнего уровня, что ниже даже отдельно взятого амбициозного европейского сценария. В то же время, более смелые прогнозы по мировому рынку в 5-10 раз выше –  до 15 000 ТВтч (400 млн. тонн), или 7%-8% в мировом энергобалансе, и выше.

Более того, по некоторым оценкам, до 24% мирового потребления энергии к 2050 году будет удовлетворяться за счёт водорода [12] (что равносильно производству около 40 000 ТВтч, или 1 млрд. тонн водорода). Однако, в настоящее время отсутствует ответ на вопрос о наличии ресурсов для столь мощного наращивания, тем более, если речь идёт о производстве исключительно «зелёного» водорода за счёт ВИЭ. К этому мы ещё вернёмся.

Большой разброс в оценках неизбежен, исходя из того, что в планах развития водородной экономики пока недостаточно конкретики, представленные цифры носят, в большей степени, декларативный характер.

3. Проблемы использования и наращивания производства водорода

Планы резкого увеличения производства водорода, прежде всего – в Западной Европе и Японии, и их мотивация (декарбонизация экономики) вызывают вопросы.

Основная проблема в том, что водород не является первичным энергоносителем [13], а его производство само по себе является энергозатратным и требует наличия развитой энергетической инфраструктуры и вовлечения больших энергетических ресурсов. 

Способ производства водорода, считающийся экологически чистым  – электролиз воды, требует примерно 40-50 МВтч электроэнергии на 1 тонну водорода, тогда, как теплотворная способность 1 тонны водорода ниже 40 МВтч (около 36 МВт) даже при 100%-ном КПД. Таким образом, затраты энергии на производство водорода при электролизе выше энергетической ценности получаемого водорода.

 При этом, вряд ли водород, даже полученный электролизом, может считаться «зелёным», если электроэнергия для его производства вырабатывается на ископаемом топливе. Экологический смысл его производство имеет только на основе ВИЭ.

Амбициозные планы ЕС предполагают рост годового потребления водорода к 2050 году до 50 млн. тонн. Для производства такого количества водорода посредством электролиза воды потребуется не менее 2000 ТВтч электроэнергии. В 2019 году производство электроэнергии в странах ЕС составило менее 4000 ТВтч [14], из которых на ВИЭ, включая гидроэнергию, пришлось около 1500 ТВтч, или 38%. Таким образом, для производства заявленного объёма водорода потребовалось бы задействовать более 50% всей производимой в настоящее время электроэнергии,  а всей выработки электроэнергии за счёт ВИЭ было бы недостаточно.

То же верно и в отношении Японии. Производство способом электролиза 10 млн. тонн водорода требует более 400 ТВтч электроэнергии. В 2019 году в Японии было всего произведено 1040 ТВтч, в том числе за счёт ВИЭ (включая ГЭС) – около 200 ТВтч, или около 20%. Заявленное производство водорода, в таком случае, требует 40% всей производимой в стране электроэнергии и в 2 раза превышает всё производство электроэнергии за счёт ВИЭ.

Таким образом, заявленные амбициозные планы, во-первых, не имеют ресурсной базы; во-вторых, означали бы не декарбонизацию, а обратный процесс – рост выбросов углерода из-за роста производства электроэнергии, необходимой для получения водорода, из невозобновляемых источников.

Если же рассматривать в качестве варианта импорт водорода этими странами, то в этом случае карбонизация просто «сбрасывается» в страны – экспортёры, а ЕС и Япония сохраняют или даже усиливают свою зависимость от импорта энергоносителей.

Другая группа проблем и нерешённых вопросов имеет технологический характер. Она была детально рассмотрена, в частности, в [15; 16].

Технологические проблемы связаны, в значительной степени, с физическими свойствами водорода — при большой теплоотдаче на массу, он обладает низкой плотностью: 0,09 кг/м3, что в 8 раз ниже, чем у природного газа (0,75 кг/м3); таким образом, теплоотдача на объём у водорода в 2,5-3 раза ниже, чем у природного газа. При этом, водород также в высокой степени взрывоопасный газ. Всё это создаёт большие сложности с хранением и транспортировкой водорода.

Существующая газовая инфраструктура не подходит для транспортировки и хранения водорода [15]. Создание же собственно водородной инфраструктуры сопряжено с большими затратами. В частности, только строительство водородной газотранспортной сети в Европе (протяжённостью более 20 тыс. км) оценивается в величину 27 – 64 млрд. евро [17], а 3-4-кратный рост инфраструктуры хранения водорода в мире потребует до 2050 года объёма инвестиций более, чем в $600 млрд [18].

Общие затраты на производство водорода методом электролиза — 2-6 €/кг [19], или 5-15 евроцентов/кВтч в пересчёте на энергетический эквивалент при КПД, равном 100%. По данным IEA, стоимость производства «зелёного» водорода из возобновляемых источников энергии в 2018 году составляла $3,0-7,5/кг [20]. Таким образом, затраты на производство 1 млн. тонн водорода при текущих ценах составят более €2 млрд., на 50 млн. тонн – более €200 млрд. в год.   При этом не учитывается стоимость хранения и транспортировки водорода.

Кроме того, водородный транспорт в перспективе рассматривается как конкурент электротранспорту. Однако, как показали недавние исследования, проведённые Scania [21], водородные двигатели проигрывают электрическим как с точки зрения стоимости, так и по другим показателям.

Наконец, не вполне решённым остаётся вопрос и об экологических последствиях масштабного использования водорода, в том числе – при неизбежных утечках некоторого количества. В частности, высказываются опасения, не исключённые на данный момент, по поводу возможного негативного воздействия водорода на стратосферу [22].

Исходя из этого, представления о масштабном увеличении производства водорода для целей декарбонизации экономики выглядят необоснованными.

4. Возможные реальные причины роста интереса к водороду 

Возможно, что рост интереса к водороду связан не с экологическими, а какими-либо другими, хотя и реже называемыми, причинами.

Прежде всего, водород может рассматриваться как аккумулятор энергии.  Рост доли ВИЭ в энергопотреблении увеличивает нестабильность энергосистемы и повышенную потребность в аккумуляции. Водород может рассматриваться в качестве способа решения данной проблемы. Иными словами, развитие водородной экономики должно идти в одной связке с возобновляемой и, возможно, атомной энергетикой. 

Кроме того, в данный момент в западных странах – в США, Японии и Западной Европе идёт снижение энергопотребления. Так, по данным [14], в странах ЕС (включая Великобританию), пик потребления энергии пришёлся на 2006 год – 21,9 тыс. ТВтч, после чего оно постепенно снижается – до 20,5 тыс. ТВтч в 2019 году; потребление электроэнергии – соответственно, с 3,7 тыс. ТВтч в 2008 году до 3,5 тыс. ТВтч в 2019. В Японии общее потребление энергии снизилось с 6,2 тыс. ТВтч в 2005 году до 5,2 тыс. ТВтч в 2019; электроэнергии – с 1,2 тыс. ТВтч в 2008 до 1,04 тыс. ТВтч в 2019. В США годовое потребление энергии с 2000 года варьируется в диапазоне 25-27 тыс. ТВтч с пиком в 2007 году – 26,9 тыс. ТВтч; электроэнергии — с 2007 года колеблется вокруг уровня около 4,4 тыс. ТВтч. Вероятно дальнейшее уменьшение производства и потребления энергии в западных странах.

Это можно связать как с успехами в энергосбережении, так и с изменениями экономической структуры – смещением энергоёмких производств в другие регионы, и общими экономическими проблемами. Следствием этого может стать образование избытка генерирующих мощностей, требующих загрузки. Кроме того, создание новой зоны роста — производства водорода, может рассматриваться как стимул экономического развития и средство преодоления экономической стагнации, возможно, в связке с какими-либо другими направлениями технологического развития. 

Наконец, водород в перспективе рассматривается как биржевой товар, что означает использование его в качестве нового глобального финансового инструмента.

В то же время, данный ряд причин вряд ли может в полной мере объяснить амбициозные планы и максимальные прогнозы увеличения производства водорода. Также в переходе к «водородной экономике» не просматривается явного положительного экономического и экологического эффекта для общества в целом, что рождает дополнительные вопросы.

Исходя из этого, наиболее реалистичными представляются умеренные, консервативные прогнозы роста производства водорода в мире, представленные выше.

5. Выводы

Водород в качестве потенциального энергоносителя обладает определёнными физическими и экологическими преимуществами, а продвижение идей и планов развития «водородной экономики» чаще всего объясняют экологическими соображениями – необходимостью декарбонизации экономики. В настоящее время в ряде регионов, прежде всего, в Западной Европе и Японии, продекларированы масштабные планы увеличения производства водорода, при реализации амбициозных сценариев – на порядок, а доля водорода в энергобалансе должна к середине текущего столетия вырасти до 20% и более.

В то же время, водород не является первичным энергоносителем, а, напротив, требует высоких затрат энергии при производстве, превосходящих энергетическую ценность получаемого водорода, что само по себе означает не декарбонизацию, а обратный процесс – рост выбросов в окружающую среду. Более того, для производства водорода в заявленных объёмах в Западной Европе и Японии недостаточно энергетических мощностей.

Помимо этого, высоких затрат потребует создание инфраструктуры хранения, транспортировки и использования водорода, а функционирование этой системы может быть сопряжено с пока не просчитанными негативными экологическими эффектами.

Исходя из этого, можно предположить, что реальные причины продвижения водорода отличаются от чаще всего декларируемых и связаны, прежде всего, с необходимостью аккумулирования энергии, в более широком плане — оживления экономики западных стран и, возможно, другими мотивами, пока не до конца понятными и требующими дальнейших исследований. На данный момент наиболее адекватными представляются консервативные прогнозы увеличения производства водорода в мире к середине XXI века – в пределах 20%-80% относительно нынешнего уровня.

Литература

  1. Hydrogen Decarbonization Pathways // Hydrogen Council. URL: https://clck.ru/TyGQE , дата обращения 26.03.2021.
  2. Invest in the Green Economy: Hydrogen Stocks to Watch. URL: https://capital.com/hydrogen-stocks , дата обращения – 26.03.2021.
  3. Митрова Т., Мельников Ю., Чугунов Д. Водородная экономика – путь к низкоуглеродному развитию // Центр энергетики Московской школы управления Сколково, 2019.
  4. Andersen, Otto. Unintended Consequences of Renewable Energy. Problems to be Solved // Springer Science & Business Media, 2013.
  5. Hydrogen Roadmap Europe. Report. 2019. URL: https://clck.ru/TyGSC , дата обращения – 26.03.2021.
  6. Hydrogen Law and Regulation in Japan URL: https://clck.ru/TyGU6 , дата обращения – 26.03.2021.
  7. Hydrogen Insights.McKinsey&Company. February 2021.
  8. План мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года» // Распоряжение Правительства Российской Федерации от 12 октября 2020 года №2634-р.
  9. Энергетическая стратегия Российской Федерации до 2035 года // Распоряжение Правительства Российской Федерации от 9 июня 2020 года № 1523-р.
  10. Водородный кластер планируют создать на Сахалине URL: https://clck.ru/TyGWG, дата обращения – 26.03.2021.
  11. Дегтярев К.С. Динамика мирового энергопотребления в XX–XXIвв. и прогноз до 2100 года // Окружающая среда и энерговедение, №2/2020, стр. 35-48.
  12. Водородная энергетика России и Европы: перспективы рынка на $700 млрд. URL: https://clck.ru/TyGZw, дата обращения – 26.03.2021.
  13. Борзенко В.И. Водородная энергетика – состояние и перспективы // Окружающая среда и энерговедение, №3/2020, с.13-23.
  14. BP Statistical Review of World Energy. 2020. URL: https://clck.ru/TyGb5, дата обращения 26.03.2021.
  15. В. С. Литвиненко, П. С. Цветков, М. В. Двойников, Г. В. Буслаев (2020) Барьеры реализации водородных инициатив в контексте устойчивого развития глобальной энергетики. Записки Горного Института. Том 244. С. 428-438. DOI: 10.31897/pmi.2020.4.5.
  16. Владимир Литвиненко: Водород не может быть ресурсом глобальной энергетики из-за физических законов окружающего нас мира. URL:  https://clck.ru/TyGcU, дата обращения 26.03.2021.
  17. Газотранспортные компании ЕС представили план водородных сетей протяжённостью 23 тыс. километров // Региональная энергетика и энергосбережение, 20.07.2020.  URL: https://clck.ru/TyGdX дата обращения 26.03.2021.
  18. Bloomberg NEF. Hydrogen Economy Offers Promising Path to Decarbonization URL: https://clck.ru/TyGez дата обращения 26.03.2021.
  19. Ball,M., . Weeda, M. The hydrogen economy: Vision or reality URL: https://clck.ru/TyGgA дата обращения 26.03.2021.
  20. The Future of Hydrogen. IEA. Technology report, June-2019 URL: https://clck.ru/TyGhd, дата обращения 26.03.2021.
  21. Scania Ditches Fuel Cell Trucks To Focus On Full Electric . 30/01/2021 URL: https://clck.ru/TyGiz /, дата обращения 26.03.2021.
  22. Tracey K. Tromp, et al. Potential Environmental Impact of a Hydrogen Economy on the Stratosphere Science 300, 1740 (2003); DOI: 10.1126/science.1085169.

References

  1. Hydrogen Decarbonization Pathways // Hydrogen Council. URL: https://clck.ru/TyGQE , reference date 26.03.2021.
  2. Invest in the Green Economy: Hydrogen Stocks to Watch. URL: https://capital.com/hydrogen-stocks , reference date – 26.03.2021.
  3. Mitrova T., Mel’nikov Yu., Chugunov D. Hydrogen Economy as a Way to Low-Carbon Development // The Energy Centre of Moscow School of Management Skolkovo, 2019.
  4. Andersen, Otto. Unintended Consequences of Renewable Energy. Problems to be Solved // Springer Science & Business Media, 2013.
  5. Hydrogen Roadmap Europe. Report. 2019. URL: https://clck.ru/TyGSC , reference date – 26.03.2021.
  6. Hydrogen Law and Regulation in Japan URL: https://clck.ru/TyGU6 , reference date – 26.03.2021.
  7. Hydrogen Insights.McKinsey&Company. February 2021.
  8. Activity Plan «Development of Hydrogen Energy Industry in Russia up to 2024» // Edict of the Government of Russian Federation of 12 October 2020 №2634-р.
  9. Energy Strategy of Russian Federation up to 2035 // Edict of the Government of Russian Federation of 9 July 2020 № 1523-р.
  10. Hydrogen Cluster is to be Created on Sakhalin URL: https://clck.ru/TyGWG, reference date – 26.03.2021.
  11. Degtyarev K.S. Trends of World Energy Supply in XX–XXI Centuries and  Outlook 2100 // Journal of Environmental, Earth, and Energy Study №2/2020, pp. 35-48.
  12. Hydrogen Energy Industry of Russia and Europe: Market Prospects of $700 Billion. URL: https://clck.ru/TyGZw, reference date – 26.03.2021.
  13. Borzenko V.I. Hydrogen Energy – State and Prospects // Journal of Environmental, Earth, and Energy Study, №3/2020, pp.13-23.
  14. BP Statistical Review of World Energy. 2020. URL: https://clck.ru/TyGb5, reference date 26.03.2021.
  15. V. S. Litvinenko, P. S. Tsvetkov, M. V. Dvoynikov, G. V. Buslaev (2020). Barriers of Realization of Hydrogen Initiatives in the Context of World Energy Industry Sustainable Development. Institute of Mines Papers. Vol. 244. P. 428-438. DOI: 10.31897/pmi.2020.4.5.
  16. Vladimir Litvinenko: Hydrogen Can’t be a Resource of Global Energy Industry due to the Physical Principles of Our World. URL:  https://clck.ru/TyGcU, reference date 26.03.2021.
  17. Gas-transporting Companies of EU Presented a Plan of Hydrogen Network of 23 Thousand Km Length // Regional Energy and Energy Saving, 20.07.2020.  URL: https://clck.ru/TyGdX дата обращения 26.03.2021.
  18. Bloomberg NEF. Hydrogen Economy Offers Promising Path to Decarbonization URL: https://clck.ru/TyGez reference date 26.03.2021.
  19. Ball,M., . Weeda, M. The hydrogen economy: Vision or reality URL: https://clck.ru/TyGgA reference date 26.03.2021.
  20. The Future of Hydrogen. IEA. Technology report, June-2019 URL: https://clck.ru/TyGhd, reference date 26.03.2021.
  21. Scania Ditches Fuel Cell Trucks To Focus On Full Electric . 30/01/2021 URL: https://clck.ru/TyGiz reference date 26.03.2021.
  22. Tracey K. Tromp, et al. Potential Environmental Impact of a Hydrogen Economy on the StratosphereScience 300, 1740 (2003); DOI: 10.1126/science.1085169.