«Зеленый» водород. Ликбез для Украины

Интерес к водородной энергетике в последние годы зашкаливает, именно ее зачастую называют энергетикой будущего и главным козырем в борьбе с климатическими изменениями. А Украину видят чуть ли не главным поставщиком «зеленого» водорода в Европу. Радужные перспективы, если не углубляться в детали.

По сути, нынешний тренд — это «вторая волна» создания водородной энергетической отрасли. Сама концепция замены ископаемых и углеводородных топлив водородом сформировалась в середине 70-х годов прошлого столетия. Правда, тогда ее реализация основывалась на применении высокотемпературного (порядка 700–900°С) газового теплоносителя ядерных реакторов, эксплуатация которых несла понятные риски, и идея «не взлетела». Сейчас же рост возобновляемой энергетики заставил мир снова взглянуть на водород уже под другим углом.

Известная особенность работы энергетических систем — неравномерность нагрузки сети в течение суток. Эта проблема решается посредством аккумулирования, в основном за счет использования гидроаккумулирующих электростанций, ГАЭС (более 96% всей мировой емкости хранения электроэнергии — 184 ГВт установленной мощности). Но в возобновляемой энергетике появляется дополнительная проблема — нестабильность самих вырабатываемых мощностей из-за изменения погодных условий, а также разницы между пиками потребления и выработки. До выработки объектами ВИЭ определенных объемов электроэнергии указанная нестабильность перекрывается существующими системами гидроаккумулирования, однако при увеличении этих объемов, назовем их «излишками», возникает необходимость сооружения дополнительных энергетических объектов, сглаживающих указанную нестабильность.

Да и что делать с излишками электроэнергии, вырабатываемыми с применением ВИЭ? А они, как показало время, могут быть значительными, особенно если есть стимул — «зеленый» тариф. Наиболее приемлемым решением стало использование выработанной объектами ВИЭ электроэнергии для получения водорода электролизом воды — практически неисчерпаемого сырьевого источника, да еще и «зеленого», согласно общепринятой терминологии.

Получается, идеология «зеленого» водорода в значительной мере сформировалась как следствие масштабного сооружения ветровых и солнечных электростанций и возникших проблем с применением в энергосистемах полных объемов выработанной электроэнергии. Иначе трудно объяснить необходимость создания непростых систем получения водорода, организации инфраструктуры его доставки и дальнейшего применения (а это отдельная тема для дискуссии), — и все это вместо непосредственного использования выработанной «зеленой» электроэнергии для эффективного замещения ископаемых и углеводородных топлив, что в полной мере соответствует положениям Парижского соглашения о развитии безуглеродной энергетики.

Оценим некоторые аспекты производства «зеленого» водорода. Реализация Водородной стратегии Евросоюза предусматривает производство к уже недалекому 2024 году 1 млн тонн электролизного водорода, что потребует установки электролизеров мощностью 6ГВт. К 2030 году планируется увеличить этот показатель до 10 млн тонн и, соответственно, установить электролизеры общей мощностью 60 ГВт. При стоимости электролизера порядка 0,5 млн евро за 1 МВт потребляемой электроэнергии это 3 и 30 млрд евро соответственно. Здесь, разумеется, и соответствующая реакция производителей электролизеров на указанные запросы. Например, в Германии, уже известной своими масштабными разработками в этой области, европейская компания Enapter объявила о своей готовности производить 100 тысяч электролизеров в год на своей новой площадке в этой стране. Среди крупных производителей электролизеров британская ITM Power и норвежская NEL.

Любопытно, что у таких крупнейших производителей электролизеров, как Германия и Англия, достигнуты рекордные в мире показатели по удельному весу электроэнергии, вырабатываемой ВИЭ, в общем объеме ее производства. К окончанию 2019 года эти показатели составили 36,6 и 35,0% соответственно, или 224,1 и 113,3 млрд кВт∙ч (Statistical review of world energy 2020/69). Не наталкивает ли это на определенные размышления?

В настоящее время активно обсуждаются перспективы Украины как одного из главных поставщиков «зеленого» водорода в Европу. При этом предполагается размещение к 2030 году мощностей по его производству в 9,8 ГВт, разумеется, электролизом.

Почему в нашей стране? Это ведь потребует строительства новых и значительных по мощности объектов ВИЭ. И еще один немаловажный фактор: у нас ведь не побережье Северного моря с незатихающими ветрами, и мы не Испания по количеству солнечных дней. Эффективность использования установленных мощностей ветро- и солнечной энергетики у нас составляет 13%. Зато Украина оплачивает самый высокий «зеленый» тариф на континенте и в этом плане является весьма привлекательной для отечественных и, что важно, иностранных инвесторов.

Какая у нас ситуация? По состоянию на начало 2020 года нашими ветро- и электростанциями вырабатывалось около 5 млрд кВт∙ч электроэнергии. Применение этого объема в энергетической системе страны обеспечивает экономию порядка 200 млн долл. за счет уменьшения закупок угля (антрацита). Представим, что вся эта электроэнергия используется для получения «зеленого» водорода. Тогда при затратах электроэнергии в электролизерах на получение 1 м³ водорода в 4,6 кВт∙ч получим 1,1 млрд кубометров. При пересчете на природный газ (по калорийности, если направлять в газотранспортную трубу) получится 355 млн кубометров и выигрыш в 106,5 млн долл. Но это ведь не все. Надо закупить электролизеры, а это более 400 млн евро только на их приобретение, не говоря о затратах на инфраструктуру. А если это водородные трубопроводы, то затраты несоизмеримо выше. И возникает вопрос: зачем? Развитие этих технологий потребует от нас в разы больших инвестиций, чем предполагаемая экономия после замены газа водородом. Ответ — интерес зарубежных компаний, желающих продать нам электролизеры.

Есть и другие детали: европейские 9,8 ГВт с учетом 13% их использования — это порядка 260 тыс. тонн водорода. Получение одной тонны водорода электролизом — это 9 тонн дистиллированной воды (или около 20 тонн заборной из наших водоемов), а на круг — это более полумиллиона тонн, есть о чем задуматься. Ведь вода давно стала дефицитным ресурсом в мире, да и в Украине.

Так как же быть? Есть два пути: расширять строительство объектов ВИЭ для обеспечения европейских и отечественных заказчиков «зеленым» водородом или обеспечивать отечественные энергосистемы безуглеродной электроэнергией.

Будем исходить из национальных интересов. В соответствии с данными Госэнергоэффективности, наша энергосистема может использовать максимум 7 ГВт электроэнергии, выработанной объектами ВИЭ, что обеспечивается существующими системами гидроаккумулирования (и это без учета набирающей мощности Днестровской ГАЭС). В первом полугодии 2021-го установленная мощность объектов ВИЭ составила 9,2 ГВт (увеличилась на 8,3%!). При коэффициенте использования 13% это 1,19 ГВт реально производимой электроэнергии. То есть у нас есть значительные возможности для дальнейшего увеличения мощностей безуглеродной энергетики. Чему в значительной мере способствует и наличие разветвленной системы ЛЭП в Украине.

Но означает ли все сказанное, что нам не следует активно включаться в европейскую «зеленую» водородную эпопею? Отнюдь нет. Но в каком направлении? В Европе проводятся активные разработки по применению водорода в промышленности и коммунальном секторе. Согласитесь, это очень перспективные направления, да и инвестиционные потребности в таком случае будет с кем разделить.

Например, масштабный эксперимент уже готовят в Великобритании. В Шотландии около 300 домов в округе Файф бесплатно к концу 2020 года были оснащены водородными топливными котлами и бойлерами. В нашей стране есть и коммунальные предприятия, и промышленные структуры, заинтересованные в автономном обеспечении водородом как альтернативным источником энергии. Даже первопроходцы уже имеются, например, Полтавский ГОК рассматривает возможности установки солнечной электростанции на территории отвалов отходов обогащения железной руды.

В июле текущего года ведущие научно-исследовательские учреждения Украины в сфере производства, транспорта и использования водорода и газоводородных смесей создали научно-исследовательский концерн «ГИДРОГЕН». Его деятельность направлена на проведение и координацию исследований по изучению влияния водорода при его применении в оборудовании, элементах и материалах газопроводов, а также на исследование аспектов использования газоводородных смесей в бытовых газовых устройствах.

В Институте газа НАН Украины в разные годы выполнялись значительные разработки по использованию водородсодерджащих газов (нефтепереработки, коксового) в промышленных печах. Создан Центр водородных технологий, проводятся исследования транспортировки и хранения водорода в трубопроводах, получены интересные результаты по исследованию сжигания смесей природного газа и водорода в бытовых газовых устройствах. База разрабатывается. Важно с умом ею распорядиться.

Все статьи Бориса Ильенко читайте здесь.