«Зелений» водень. Лікнеп для України

Інтерес до водневої енергетики в останні роки зашкалює, саме її найчастіше називають енергетикою майбутнього й головним козирем у боротьбі з кліматичними змінами. А Україну бачать мало не головним постачальником «зеленого» водню в Європу. Райдужні перспективи, якщо не заглиблюватися в деталі.

По суті, нинішній тренд — це друга хвиля створення водневої енергетичної галузі. Сама концепція заміни викопних і вуглеводневих палив на водень сформувалася в середині 70-х років минулого сторіччя. Щоправда, тоді її реалізація ґрунтувалася на застосуванні високотемпературного (приблизно 700–900°С) газового теплоносія ядерних реакторів, експлуатація яких несла зрозумілі ризики, й ідея «не злетіла». Нині ж зростання відновлюваної енергетики змусило світ знову подивитися на водень уже під іншим кутом.

Відома особливість роботи енергетичних систем — нерівномірність навантаження мережі протягом доби. Цю проблему вирішували з допомогою акумулювання, в основному за рахунок використання гідроакумулюючих електростанцій, ГАЕС (понад 96% усієї світової ємності збереження електроенергії — 184 ГВт встановленої потужності). Але у відновлюваній енергетиці з'являється додаткова проблема — нестабільність самих вироблюваних потужностей через зміну погодних умов, а також різницю між піками споживання й вироблення. До вироблення об'єктами ВДЕ певних обсягів електроенергії зазначена нестабільність перекривається наявними системами гідроакумулювання, однак при збільшенні цих обсягів, назвемо їх «надлишками», виникає потреба споруджувати додаткові енергетичні об'єкти, що згладжують зазначену нестабільність.

Та й що робити з надлишками електроенергії, які виробляються із застосуванням ВДЕ? А вони, як показав час, можуть бути значними, особливо якщо є стимул — «зелений» тариф. Найбільш прийнятним вирішенням стало використання виробленої об'єктами ВДЕ електроенергії для одержання водню електролізом води — практично невичерпного сировинного джерела, та ще й «зеленого», згідно із загальноприйнятою термінологією.

Виходить, ідеологія «зеленого» водню значною мірою сформувалася як наслідок масштабного спорудження вітрових і сонячних електростанцій і проблем, що виникли із застосуванням в енергосистемах повних обсягів виробленої електроенергії. Інакше важко пояснити потребу створювати непрості системи одержання водню, організовувати інфраструктури його доставки й подальшого застосування (а це окрема тема для дискусії), — і все це замість безпосереднього використання виробленої «зеленої» електроенергії для ефективного заміщення викопних і вуглеводневих палив, що повною мірою відповідає положенням Паризької угоди про розвиток безвуглецевої енергетики.

Оцінимо деякі аспекти виробництва «зеленого» водню. Реалізація Водневої стратегії Євросоюзу передбачає виробництво до вже недалекого 2024 року 1 млн тонн електролізного водню, що потребуватиме встановлення електролізерів потужністю 6 ГВт. До 2030 року планується збільшити цей показник до 10 млн тонн і, відповідно, встановити електролізери загальною потужністю 60 ГВт. При вартості електролізера приблизно 0,5 млн євро за 1 МВт споживаної електроенергії це 3 і 30 млрд євро відповідно. Тут, звісно, й відповідна реакція виробників електролізерів на зазначені запити. Наприклад, у Німеччині, уже відомої своїми масштабними розробками в цій галузі, європейська компанія Enapter оголосила про свою готовність виробляти 100 тисяч електролізерів на рік на своєму новому майданчику в цій країні. Серед великих виробників електролізерів британська ITM Power і норвезька NEL.

Цікаво, що в таких найбільших виробників електролізерів, як Німеччина й Англія, досягнуто рекордних у світі показників за питомою вагою електроенергії, вироблюваної ПДЕ, у загальному обсязі її виробництва. До закінчення 2019 року ці показники становили 36,6 і 35,0% відповідно, або 224,1 і 113,3 млрд кВт∙год. (Statistical review of world energy 2020/69). Чи не наштовхує це на певні роздуми?

Нині активно обговорюються перспективи України як одного з головних постачальників «зеленого» водню в Європу. При цьому передбачається розмістити до 2030 року потужностей із його виробництва в 9,8 ГВт, зрозуміло, електролізом.

Чому в нашій країні? Це ж потребуватиме побудови нових і значних за потужністю об'єктів ВДЕ. І ще один важливий чинник: у нас же не узбережжя Північного моря з нестихаючими вітрами, і ми не Іспанія за кількістю сонячних днів. Ефективність використання встановлених потужностей вітряної і сонячної енергетики в нас становить 13%. Зате Україна оплачує найвищий «зелений» тариф на континенті й щодо цього досить приваблива для вітчизняних і, що важливо, іноземних інвесторів.

Яка в нас ситуація? Станом на початок 2020 року наші вітро- й електростанції виробляли близько 5 млрд кВт∙год. електроенергії. Застосування цього обсягу в енергетичній системі країни забезпечує економію приблизно 200 млн дол. за рахунок зменшення закупівель вугілля (антрациту). Уявімо, що вся ця електроенергія використовується для одержання «зеленого» водню. Тоді при витратах електроенергії в електролізерах на одержання 1 м³ водню в 4,6 кВт∙год. одержимо 1,1 млрд кубометрів. При перерахунку на природний газ (за калорійністю, якщо направляти в газотранспортну трубу) вийде 355 млн кубометрів і виграш 106,5 млн дол. Але це ж не все. Треба закупити електролізери, а це понад 400 млн євро тільки на їхнє придбання, не кажучи вже про витрати на інфраструктуру. А якщо це водневі трубопроводи, то витрати непорівнянно вищі. І виникає запитання: навіщо? Розвиток цих технологій потребуватиме від нас у кілька разів більших інвестицій, ніж передбачувана економія після заміни газу на водень. Відповідь — інтерес зарубіжних компаній, що бажають продати нам електролізери.

Є й інші деталі: європейські 9,8 ГВт з урахуванням 13% їхнього використання — це приблизно 260 тис. тонн водню. Одержання однієї тонни водню електролізом — це 9 тонн дистильованої води (або близько 20 тонн забраної з наших водойм), а загалом — це понад пів мільйона тонн, є про що задуматися. Адже вода давно стала дефіцитним ресурсом у світі, та й в Україні.

То як же бути? Є два шляхи: розширювати будівництво об'єктів ВДЕ для забезпечення європейських і вітчизняних замовників «зеленим» воднем або забезпечувати вітчизняні енергосистеми безвуглецевою електроенергією.

Будемо виходити з національних інтересів. Відповідно до даних Держенергоефективності, наша енергосистема може використовувати максимум 7 ГВт електроенергії, виробленої об'єктами ВДЕ, що забезпечується наявними системами гідроакумулювання (і це без урахування Дністровської ГАЕС, що набирає потужності). У першому півріччі 2021-го встановлена потужність об'єктів ВДЕ становила 9,2 ГВт (збільшилася на 8,3%!). При коефіцієнті використання 13% це 1,19 ГВт реально виробленої електроенергії. Тобто в нас є значні можливості для подальшого збільшення потужностей безвуглецевої енергетики. Чому значною мірою сприяє й наявність розгалуженої системи ЛЕП в Україні.

Та чи означає все сказане, що нам не слід активно включатися в європейську «зелену» водневу епопею? Аж ніяк ні. Але в якому напрямі? В Європі здійснюються активні розробки щодо застосування водню в промисловості й комунальному секторі. Погодьтеся, це дуже перспективні напрями, та й інвестиційні потреби в такому разі буде з ким розділити.

Наприклад, масштабний експеримент уже готують у Великій Британії. У Шотландії близько 300 будинків в окрузі Файф безплатно до кінця 2020 року було оснащено водневими паливними котлами й бойлерами. У нашій країні є й комунальні підприємства, й промислові структури, зацікавлені в автономному забезпеченні воднем як альтернативним джерелом енергії. Навіть першопрохідники вже є, наприклад, Полтавський ГЗК розглядає можливість встановити сонячну електростанцію на території відвалів відходів збагачення залізної руди.

У липні поточного року провідні науково-дослідні установи України в сфері виробництва, транспорту й використання водню й газоводневих сумішей створили науково-дослідний концерн «ГІДРОГЕН». Його діяльність спрямована на здійснення і координацію досліджень із вивчення впливу водню при його застосуванні в устаткуванні, елементах і матеріалах газопроводів, а також на дослідження аспектів використання газоводневих сумішей у побутових газових пристроях.

У Інституті газу НАН України в різні роки виконувалися значні розробки з використання водневмісних газів (нафтопереробки, коксового) у промислових печах. Створено Центр водневих технологій, проводяться дослідження транспортування й зберігання водню в трубопроводах, отримано цікаві результати з дослідження спалювання сумішей природного газу й водню в побутових газових пристроях. База розробляється. Важливо з розумом нею розпорядитися.

Усі статті Бориса Ільєнка читайте тут.