Ведущие прогнозы свидетельствуют о том, что водород в ближайшие десятилетия будет играть активную роль в глобальном энергетическом транзите в сторону декарбонизации. Формируется более широкое понятие – «водородная экономика», так как потенциальная сфера практического использования водорода по сути выходит за пределы исключительно энергетической отрасли.
Важно учитывать, что водород сам по себе не является возобновляемым источником энергии, а способен только накапливать и хранить энергию. Но несмотря на сохраняющиеся при его производстве, хранении и транспортировке проблемы, водород как самый распространенный и де-факто неисчерпаемый химический элемент рассматривается в качестве наиболее перспективного энергоносителя, экологически чистого или по крайней мере оказывающего незначительное влияние на климат в случае с голубым водородом.
«Спецификация» водорода
Для начала целесообразно детально рассмотреть классификацию водорода.
Наиболее распространенная в мире классификация отталкивается от его экологичности, и для удобства восприятия осуществляется по условным цветам. Экологичность водорода определяется методом производства и потребляемыми природными ресурсами.
Коричневый водород – наименее экологичный сегмент, производится путем газификации угля и характеризуется большими эмиссиями парниковых газов (22-24 кг CO2 в экв в случае с углем), несмотря на относительную дешевизну конечной продукции.
Серый водород получается из природного газа с помощью автотермического риформинга или парового риформинга метана, но без применения технологий улавливания и захоронения углерода (carbon capture & storage, CCS). В настоящее время это самая распространенная и дешевая продукция, хотя ожидается, что ее стоимость в ведущих экономиках вырастет из-за стоимости квот на выбросы диоксида углерода. Эмиссии значительные, но меньше, чем в случае с коричневым углеродом.
Голубой водород вырабатывается из природного газа с помощью автотермического риформинга или парового риформинга метана, но c применением технологий CCS, в частности через задействование отработанных месторождений углеводородов для захоронения углерода.
Существующие технологии CCS позволяют обеспечить сокращение выбросов углерода до 98%. При производстве 1 кг водорода из природного газа с помощью CCS потребуется транспортировать и захоронить примерно 8-9 кг CO2 в экв.. Переход от серого водорода к голубому уже сейчас гипотетически мог бы исключить прямые выбросы в объеме около 500 млн тонн СО2 в экв ежегодно.
Себестоимость производства будет не менее чем на 20-30% выше в сравнении с серым водородом в связи с реализацией проектов CCS.
Однако нужно учитывать, что себестоимость производства водорода из природного газа с помощью CCS может значительно варьироваться от региона к региону из-за различий в стоимости сырья. В регионах с низкой стоимостью газа капитальные затраты выступают самым важным компонентом затрат. В регионах с очень высокой стоимостью сырья, именно природный газ – основная составляющая затрат.
Приблизительно 98% глобальной выработки водорода сейчас приходится именно на преобразование метана, газификацию угля или аналогичных материалов, получаемых из ископаемого топлива (например, нефтяного кокса или асфальтенов). Только около 1% производства водорода из ископаемого топлива включает улавливание и захоронение углерода.
Зеленый водород – наиболее экологичный сегмент, конечный продукт производится через электролиз или фотолиз с задействованием электроэнергии от возобновляемых источников энергии.
Выбросы диоксида углерода отсутствуют, но водород как конечная продукция пока еще дорогой. Электролиз, то есть процесс разложения воды на водород и кислород с помощью электричества, характеризуется чрезвычайно высоким потреблением электроэнергии: примерно 50-55 кВт/ч на 1 кг водорода по сравнению с 1,91 кВт/ч на 1 кг H2 в случае с природным газом плюс CCS и 3,48 кВт/ч на 1 кг H2 – с углем плюс CCS (включая электроэнергию, необходимую для производства природного газа или угля). Около 30% энергии теряется в процессе преобразования электричества в H2 посредством электролиза.
Важными факторами затрат в этом сегменте являются капитальные затраты на электролизеры, стоимость электроэнергии и степень использования электролизеров.
По оценкам Международного энергетического агентства, около 0,5% производимого сейчас водорода базируется на электролизном способе с использованием электроэнергии от возобновляемой энергетики, преимущественно солнечной и ветровой.
Важно учитывать, что водород, получаемый путем электролиза, будет считаться зеленым только если он будет производиться на основе возобновляемых источников энергии или, при некоторых допущениях, ядерной энергии. Водород на основе технологии электролиза с задействованием «традиционной» электроэнергии будет характеризоваться менее высокими выбросами диоксида углерода, чем серый водород без CCS, если только электроэнергия, питающая электролизер, имеет интенсивность выбросов не более 165 кг CO2 за 1 МВт/ч.
Производство зеленого водорода требует огромные территории для размещения ветряных и/или солнечных мощностей для генерации электроэнергии. В то же время комплексы на основе ископаемого топлива с CCS на фоне значительно меньших требований к территории (в основном для трубопроводов CO2 и для инфраструктуры закачки) зависят от доступности порового пространства для геологического захоронения диоксида углерода.
Как следствие, там, где отсутствуют крупные и недорогие земельные участки или нет доступа к достаточным мощностям возобновляемых энергоресурсов, но есть ископаемое сырье и поровое пространство для геологического захоронения CO2, оптимальным вариантом будет именно производство водорода из газа или угля на основе CCS.
Есть технические решения, такие как плазмохимический и пиролизный методы, по получению экологически чистого водорода из метана без доступа кислорода, и как следствие без прямых выбросов диоксида углерода и без необходимости CCS. Это направление иногда называют бирюзовым водородом или же классифицируют как подкатегорию голубого водорода.
Побочным продуктом пиролиза является твердый или технический углерод, который по факту является климатически нейтральным в отличие от газообразной двуокиси углерода, и используется для изготовления синтетического графита, углеродных нанотрубок и др. востребованной продукции.
По оценкам компании BASF, сейчас различие в энергоемкости термического пиролиза метана и электролиза воды почти десятикратное не в пользу последней технологии, причем потребности в тепловой и электрической энергии как минимум частично могут закрываться за счет вырабатываемого водорода. Но для термических методов разложения метана характерны высокие температуры (выше 1 тыс. °C), в результате чего возникает необходимость использования специфических конструкционных материалов и катализаторов.
Указанные термические технологии пока не выведены на промышленный уровень, и существуют в виде прототипов (технологическая готовность на уровне не выше TRL 7).
Будущие перспективы
В настоящее время в мире ежегодно производится около 120 млн тонн водорода, из них около 75 млн тонн водорода в чистом виде, а остальное смешивается в составе химических соединений с другими газами, преимущественно с монооксидом углерода в синтез-газе.
Водород в чистом виде преимущественно вырабатывается из природного газа (75%) и угля (23%). Он используется в основном в нефтепереработке (39 млн тонн) и производстве аммиака (33 млн тонн). В электромобилях на топливных элементах используется менее 0,01 млн тонн. Синтез-газ, содержащий остальные 45 млн тонн водорода, используется в основном в производстве метанола (14 млн тонн), железа методом прямого восстановления и других промышленных процессах, в том числе в качестве источника высокотемпературного тепла.
По состоянию на 2019 год мировая торговля чистым водородом составляла только 167 млн долларов (оценка Всемирного банка).
Однако в период до 2040 год ожидается формирование не только локальных и региональных рынков, но и глобального рынка крупнотоннажного водорода как энергоносителя.
Показателен пример Японии, Южной Кореи (потенциальные крупные импортеры) и Австралии (потенциальный ведущий экспортер) как первых государств, стратегически закрепивших водород несколько лет назад, в 2017 и в последних двух случаях – 2019 годах соответственно, в качестве долгосрочного приоритета энергетической политики. В дальнейшем к ним присоединилось еще несколько десятков стран.
Таким образом, он постепенно перестает выступать в качестве исключительно ресурса, используемого в промышленности в основном для производства аммиака и удобрений, а также в секторе нефтепереработки. В ряде случаев, к примеру отдельными странами-импортерами газового сырья, зеленый водород в расчете на долгосрочную перспективу уже рассматривается как потенциальная замена природного газа, который позиционируется как климатически «переходный» энергоресурс. Но в ближайшие годы водород не способен конкурировать с природным газом.
Более того, развитие водородных технологий и спроса на них подтолкнет расширение мощностей возобновляемой энергетики. Важно учитывать, что зеленый водород рассматривается не только как климатически-нейтральный энергоноситель, но и как средство накопления вырабатываемой возобновляемыми объектами избыточной электроэнергии в периоды, когда ее производство превышает спрос.
В международном сообществе постепенно складывается понимание того, что сложившееся в последние годы ориентирование преимущественно на солнечную, ветровую и геотермальной энергию как долгосрочную основу «зеленого» развития не позволяет обеспечить эффективного достижения глобально заявленных целей по декарбонизации. Это видно и на фоне растущих амбиций государств и крупных корпораций по достижению углеродной нейтральности уже в ближайшие два-три десятилетия.
В данном контексте ввиду ожидаемого дальнейшего улучшения релевантных технологий и снижения себестоимости производства, зеленый водород будет значительно более конкурентоспособным и эффективным решением по сравнению с сегодняшней ситуацией, особенно в таких секторах как транспорт, черная металлургия или накопление/хранение энергии. В частности, ожидается, что в период до 2030 года количество автомобилей на топливных элементах достигнет 4,5 млн единиц.
Следует отметить, что в расчете на долгосрочную перспективу водород также может использоваться в газотурбинных энергоустановках для получения электроэнергии. Сейчас промышленных турбин и агрегатов большой мощности исключительно на водородном топливе пока нет, ведутся разработки в этом направлении. Но есть действующие станции, на которых применяется водород в смеси с углеводородным топливом.
Судя по доступной информации, по состоянию на первое полугодие текущего года в эксплуатации находились проекты по производству декарбонизованного водорода общей мощностью электролиза примерно 0,3 ГВт. Крупнейшими электролизными установками на основе ВИЭ пока являются 10 МВт-ные комплексы в Японии (Fukushima Hydrogen Energy Research Field, находится в эксплуатации с марта 2020 года) и в Германии (Shell Energy and Chemicals Park Rheinland, соответственно с июля 2021 года).
Существующие на сегодняшний день в мире по факту единичные и измеряемые в основном киловаттами мощности по электролизному производству зеленого водорода будут в ближайшие годы будут вытесняться значительно более крупными мега- и гигаватными комплексами, интегрированными с ветровыми или солнечными станциями и парками.
По прогнозам IRENA, для недопущения сценария повышения глобальной температуры выше 1,5°C, к 2050 году для ежегодного производства примерно 400 млн тонн зеленого водорода потребуется около 5 тыс. ГВт электролизных мощностей. Для достижения указанной цели среднегодовые инвестиции в электролизные мощности и связанную с ними инфраструктуру экологически чистого водородного транспорта должны быть увеличены примерно до 78 млрд долларов в период с настоящего момента до 2050 года. Для сравнения, в 2017-2019 годах они в среднем составляли менее 1 млрд долларов.
Вписываться в «водородную повестку» будут вынуждены и экспортеры традиционных энергоресурсов, не только в связи с вероятным падением востребованности нефти и природного газа, но и для обеспечения доступа к передовым технологиям и большим инвестиционным потокам, которые будут вкладываться в водородную энергетику.
Согласно оценкам Водородного совета (Hydrogen Council), по состоянию на первую половину 2021 года более 30 государств разработали дорожные карты по водороду. При этом заявлено порядка 230 крупномасштабных водородных проектов по всей цепочке создания стоимости. Европа лидирует по количеству заявленных проектов, за ней следуют Австралия, Япония, Корея, Китай и США.
Если все эти проекты будут введены в коммерческую эксплуатацию, совокупный объем инвестиций в период до 2030 года превысит 300 млрд долларов, что составит около 1,5% финансирования глобального энергетического сектора.
На сегодняшний день из них только около 80 млрд долларов можно считать «зрелыми», то есть охватывающими те проекты, которые либо планируются и получили окончательное инвестиционное решение (45 млрд долларов), либо уже находятся на стадии строительства и эксплуатации (38 млрд долларов). Ввиду технологического прогресса и расширения мер государственной поддержки, проектные показатели Capex далее будут снижаться, в связи с чем будет повышаться эффективность и рентабельность инвестиций, что не в полной мере отражено в существующих прогнозах в силу объективных причин.
Показательно, что правительства ведущих стран одобрили выделение более 70 млрд долларов в качестве государственного финансирования развития водородной энергетики.
Однако скорость и интенсивность перехода на декарбонизированный водород в ближайшие годы будут существенно варьироваться в зависимости от сектора и стран. При этом многие страны с амбициозными целями использования водорода будут не в состоянии обеспечить свои потребности в нем самостоятельно, и будут вынуждены импортировать или электроэнергию для производства зеленого водорода, или импортировать его самого в промышленных масштабах.
В более отдаленной перспективе, к 2050 году, согласно докладу агентства Bloomberg «Перспективы водородной экономики», 24% мировых потребностей в энергии будут покрываться за счет водорода, а его стоимость может упасть до уровня сегодняшних цен на газ (без учета сравнительно временного их всплеска со второго квартала с.г.). Goldman Sachs прогнозирует, что к тому же сроку глобальный рынок зеленого водорода, а именно производство и потребление в ключевых секторах и странах, может достигнуть 10 трлн долларов. Экспортный потенциал зеленого водорода по расчетам компании PwC в состоянии составить 300 млрд долларов в год.
Правда, пока не совсем ясно, каковы в реальности будут перспективные объемы потребления водорода, в том числе в странах, стимулирующих его широкое использование. С учетом перспективных мер государственного стимулирования, не исключен сценарий чрезмерно активного ввода мощностей по его производству, что в ряде регионов может привести к значительному превышению предложения зеленого водорода над реальным спросом.
Кроме того, прогнозируемое производство водорода с помощью электролизеров потребует огромного количества электроэнергии. Для иллюстрации: для производства 530 млн тонн зеленого водорода, то есть объема, который, по прогнозам Водородного совета, может быть достигнут в 2050 году, потребуется 29 тыс. ТВт/ч электроэнергии с почти нулевыми выбросами. Это больше чем текущая валовая глобальная генерация электроэнергии из всех источников.
Даже на фоне прогнозируемого улучшения энергоэффективности технологии электролиза, столь значительный спрос на электроэнергию со стороны одного сектора экономики вызывает существенные риски, в том числе с точки зрения привлечения достаточных инвестиций.
Конкурентоспособен ли водород?
Конкурентоспособность водорода, вырабатываемого через электролиз, по сравнению с производимым из метана зависит прежде всего от цен на сырье (природный газ или электричество) и цен на углерод.
Вместе с тем, стоимость производства «возобновляемого» водорода далее вероятно будет сокращаться быстрее, чем предполагалось ранее, с учетом продолжающегося снижения затрат на проекты возобновляемой энергетики, появления на рынке более дешевых электролизеров и водородных топливных элементов, а также расширения производственно-сбытовых цепочек в рамках будущего глобального рынка водорода.
Ожидается дальнейшее снижение нормированной стоимости электроэнергии от возобновляемых источников, что улучшит показатели рентабельности мощностей по электролизному производству водорода, особенно в таких регионах как Ближний Восток, Китай, Австралия и юг Европы. На некоторых рынках для сокращения издержек электролизного производства водорода вероятно будут активно использоваться избыточные объемы электроэнергии от возобновляемых источников по нулевым или даже отрицательным ценам, в том числе для компенсирования неравномерности солнечной и ветровой генерации с точки зрения балансировки пиковых значений.
Как следствие, отдельные прогнозы демонстрируют, что к 2030 году затраты на производство водорода из возобновляемых источников могут быть в диапазоне от 1,4 до 2,3 доллара за 1 кг в зависимости от региона и макроэкономических условий. Конечно, это будет возможно только при увеличении эффекта масштаба через задействование сбалансированного государственного стимулирования и правового регулирования, модель чего хорошо показала себя с масштабированием возобновляемой генерации в мире в последние полтора десятилетия.
В данном контексте следует вывод, что зеленый водород может сравняться по уровню окупаемости с серым водородом уже в период с 2028 по 2034 год при условии стоимости углеродных квот в рамках действующих систем торговли выбросами парниковых газов около 35-50 долларов за тонну. По мнению экспертов компании E&Y, в случаях, когда он уже задействован как сырье на тех или иных производствах, активный переход на зеленый водород не будет критически капиталоемким, также как и стоимостный разрыв между зеленым и «традиционным» водородом. Это позволит значительно быстрее обеспечить практическое внедрение зеленого водорода в отдельных секторах экономики.
Что касается голубого водорода, то при сценарии активного развития транспортировки и захоронения углерода, этот низкоуглеродный сегмент может выйти на ценовой уровень серого водорода к концу десятилетия при цене углеродных квот около 35-50 долларов за тонну эквивалента диоксида углерода.
Но в настоящее время разрабатывается совершенно новый способ производства электроэнергии, водорода и аммиака с улавливанием СО2, основанный на так называемом «цикле Аллама», в рамках которого возникающий от сжигания газа диоксид углерода используется для привода турбин. Полностью интегрированный завод, который в настоящее время проходит технико-экономическое обоснование, может производить водород со 100%-ным улавливанием CO2 при значительно меньших затратах, чем имеющиеся предприятия по производству голубого водорода.
Важно обратить внимание на то, что увеличение затрат компаний и проектов на квоты на выбросы парниковых газов выступает в качестве очень важного фактора для продвижения зеленого и низкоуглеродного водорода в ведущих экономиках, таких как Европейский союз и США. В частности, зеленый водород способен снизить углеродный след экспортно-ориентированных промышленных секторов. При этом углеродный след на этапе производства самого зеленого водорода является нулевым. В Казахстане торговля углеродом носит все еще формальный характер, что лишает водородную отрасль существенного стимула.
В Европейском союзе с учетом принятия в 2019 году «Зеленого пакта для Европы» (где основная ставка сделана на использование возобновляемых источников энергии и декарбонизированных газов, главным образом водорода) и в ряде других регионов мира конкурентоспособность коричневого и серого водорода в дальнейшем будет неизменно сокращаться. Как в связи с ужесточением регулятивных норм, так и из-за роста стоимости углерода в рамках торговли выбросами парниковых газов, в дополнение к появлению практики введения импортных тарифов на углерод, к примеру в случае расширения номенклатуры товаров, подпадающих под CBAM в Европейском союзе после начала его действия с 2023 года.
При этом коричневый и серый углерод не вписывается в национальные и корпоративные планы достижения чистого нулевого уровня выбросов в период с 2030 по 2060 годы. Как следствие он не сможет претендовать на меры государственной поддержки и «льготный» правовой режим. Стоит отметить, что в Европейском союзе фактически отказываются поддерживать и голубой водород, в том числе из-за политических разногласий с Россией как ведущим поставщиком природного газа.
Потенциал Казахстана
У Казахстана есть значительные перспективные возможности в водородной сфере ввиду наличия крупных запасов природного газа и условий для развития возобновляемой генерации.
Водород в состоянии выступить в качестве дополнительного драйвера для достижения углеродной нейтральности к 2060 году и выполнения Казахстаном обязательств в рамках Парижского соглашения по климату. Кроме того, будет стимулироваться приток крупных прямых инвестиций в страну.
Именно поэтому Президент РК Касым-Жомарт Токаев в последнее время, в том числе в рамках Послания-2021, акцентирует особое внимание на необходимости развития водородной энергетики.
В частности, летом 2021 года немецко-шведская компания Svevind Energy заявила о намерении осуществить в Мангистауской области в период с 2027 по 2031 годы мегапроект по производству до 2 млн тонн «зеленого» водорода. Для сравнения, к 2030 года производство декарбонизованного водорода в мире прогнозируется на уровне 6,7 млн тонн с учетом проектов, находящихся как минимум на стадии практического планирования и согласования окончательного инвестиционного решения.
Для достижения столь амбициозных показателей Svevind Energy предполагает создание порядка 30 ГВт мощностей возобновляемой энергетики. Показательно, что по состоянию на август 2021 года общая установленная мощность возобновляемой энергетики в Казахстане составляла только 1,9 ГВт.
Правда, по указанном проекту есть обоснованные и пока не отвеченные вопросы. Среди прочего, по объему необходимых инвестиций и их источниках, наличию заинтересованности со стороны потенциальных стратегических офтейкеров, доступности опресненных водных ресурсов, а также рентабельности капиталовложений в предлагаемые гигантские мощности ветровой и солнечной генерации, особенно при отсутствии льготных тарифов и на фоне появления к началу 2030-х годов дефицита электроэнергии на внутреннем рынке.
Так, для иллюстрации, стоимость планируемого в Саудовской Аравии к 2025 году комплекса по производству зеленого водорода в объеме «всего» 230 тыс. тонн в год и мощностей возобновляемой энергии в пределах 4 ГВт оценивается приблизительно в 5 млрд долларов.
Даже в случае метано-водородной смеси, сильные финансовые и технологические вызовы также связаны с необходимостью создания способной противостоять водородному охрупчиванию специализированной магистральной сети для транспортировки водорода на длинные расстояния, в том числе на экспорт. Крупные инвестиции в транспортную инфраструктуру вызовут значительное удорожание водорода в сравнении с его производством, привязанным к локальному потреблению.
Стоит признать, что более реалистична реализация в стране значительно менее масштабных, но более жизнеспособных с коммерческой точки зрения проектов производства водорода на основе ориентированного на возобновляемую энергию электролиза или на основе природного газа с технологиями CCS. Тем более, это минимизирует решение вероятных технологических и логистических проблем с экспортом больших партий водорода в Европу и Китай как ключевые рынки сбыта на фоне ограниченности перспективного спроса внутри самого Казахстана.
В указанном контексте потребуется, во-первых, принятие комплексной национальной стратегии развития водородной энергетики в расчете на долгосрочную перспективу до 2035 года, с включением в нее обоснованных расчетов по экспорту и потреблению водорода на внутреннем рынке, экологических и климатических эффектов для страны. Во-вторых, четкое формулирование законодательной поддержки производства и экспорта водорода.
В дальнейшем будет необходимо активное стимулирование внутреннего спроса в Казахстане.
К примеру, приоритетным направлением здесь выступает (1) поддержка использования водородных топливных элементов в отечественном транспортном секторе, особенно в городских агломерациях; (2) задействование водорода и энергетических смесей на его основе как накопителей и преобразователей энергии для усиления эффективности централизованных систем энергоснабжения, а также их локальное применение (возможно и локальное производство) для энергоснабжения изолированных территорий в рамках систем накопления энергии большой емкости в связке с ВИЭ.
