Водородная энергетика – отрасль энергетики, основанная на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки, производства и потребления энергии. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики). Водородная энергетика относится к альтернативной энергетике.

Общемировая структура производства водорода распределена по трём основным источникам: 18% приходится на переработку угля, 4% обеспечивается за счёт «зелёного» водорода, получаемого посредством возобновляемых источников энергии (ВИЭ), главным образом при электролизе воды. Наконец, подавляющий объём – а это 78% – составляет переработка природного газа и нефти.

На настоящий момент наиболее экономически выгодным считается производство водорода из ископаемого сырья. Снизить уровень выбросов углерода в производственных отраслях можно за счет водорода, полученного с использованием низкоуглеродных технологий, для этого можно применять технологии улавливания и хранения углекислого газа, а также электролиза воды, «в первую очередь с помощью энергии объектов атомной, гидро-, ветряной и солнечной энергетики».

Цветовая градация водорода зависит от способа его выработки и углеродного следа, то есть количества вредных выбросов:

• «зелёный» – произведён с помощью энергии из возобновляемых источников методом электролиза воды, считается самым чистым;
• «голубой» – произведённый из природного газа; в этом случае углекислый газ накапливается в специальных хранилищах;
• «жёлтый» – произведенный при помощи атомной энергии;
• при производстве «серого» водорода вредные выбросы идут в атмосферу.

Себестоимость «зеленого» водорода около 10 долларов за кг; «голубой» и «жёлтый» водород в несколько раз дешевле «зелёного» – от 2 долларов за килограмм.

В настоящее время существует множество методов промышленного производства водорода: разрабатывались технологии производства водорода из мусора, этанола, металлургического шлака, биомассы и другие технологии.

Паровая конверсия природного газа / метана

Паровая конверсия природного газа / метана – в настоящее время данным способом производится примерно 90-95 % всего водорода. Водяной пар при температуре 700-1000 °C смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора. Себестоимость процесса $2–5 за килограмм водорода.

Газификация угля

Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают с водяным паром при температуре 800—1300 °C без доступа воздуха. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. Себестоимость процесса 2–2,5 долл. за килограмм водорода.

Используя атомную энергию

Использование атомной энергии для производства водорода возможно в различных процессах: химических, электролиз воды, высокотемпературный электролиз. Себестоимость процесса $2,33 за килограмм водорода.

Электролиз воды

Обратная реакция происходит в топливном элементе. Себестоимость процесса $6–7 за килограмм водорода.

Водород из биомассы

Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500-800 °C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H₂, CO и CH₄.

Себестоимость процесса $577 за килограмм водорода.

В биохимическом процессе фиксации азота водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.

Инфраструктура производства и доставки

Снижение цены водорода возможно при строительстве инфраструктуры по доставке и хранению водорода. В США действует 750 километров, а в Европе – 1500 километров водородных трубопроводных систем. Трубопроводы действуют при давлении 10—20 бар, изготовлены из стальных труб диаметром 25—30 см.

Старейший водородный трубопровод действует в районе германского Рура: 210 километров трубопровода соединяют 18 производителей и потребителей водорода; трубопровод действует более 50 лет. Самый длинный трубопровод длиной 400 километров проложен между Францией и Бельгией.

Водород может передаваться по существующим газопроводам природного газа. Он в настоящее время, в основном, применяется в технологических процессах производства бензина и для производства аммиака.

Сферы применения

Малые стационарные применения

Производство электрической и тепловой энергии в топливных элементах мощностью от 0,75 кВт до 10 кВт.

Домашние энергетические станции имеют мощность 0,75-1 кВт, предназначены для выработки электроэнергии в течение 8 часов в сутки и выработки тепла и горячей воды 24 часа в сутки.

Популярность малых домашних комбинированных (электричество + тепло) установок связана с тем, что они имеют высокий КПД, малые выбросы СО₂, легко могут быть встроены в существующую инфраструктуру. Такая энергетическая установка занимает размер сравнимый с домашним бойлером, может работать на природном газе.

Стационарные применения

Подводная лодка класса U212 (Германия) с силовой установкой на водородных топливных элементах

Производство электрической и тепловой энергии в топливных элементах мощностью более 10 кВт.

Отопление

В отопительных системах возможно и обычное сжигание водорода вместо природного газа. Так, в британском городе Лидс энергетическая компания Northern Gas Networks планировала во всем городе полностью перевести отопление с природного газа, метана, на водород.

Гибридные установки: топливный элемент/газовая турбина.

Для повышения эффективности, снижения себестоимости энергии и для утилизации тепловой энергии применяются установки, совмещающие топливные элементы и газовые турбины.

Компания FuelCell Energy (США) разработала гибридную версию SOFC топливного элемента и газовой турбины. В этой схеме топливный элемент производит 4/5 энергии, а остальную часть из тепловой энергии — турбина. КПД данной схемы приближается к 70 %. Испытывается электростанция мощностью 40 МВт, состоящая из 10 топливных элементов и одной турбины мощностью 10 МВт.

Использование в транспорте

Использование электрической энергии для автомобилей, водного транспорта и т. д. Отсутствие водородной инфраструктуры является одним из основных препятствий развития водородного транспорта после высокой стоимости топлива и двигателей.

• Praxair;
• Air Liquide;
• BOC Group;
• Iwatani International (производит 40 % водорода в Японии);
• Linde (Германия).

Воздушный транспорт

Корпорация Boeing прогнозирует, что топливные элементы постепенно заменят в авиации вспомогательные энергетические установки. Они смогут генерировать электроэнергию, когда самолет находится на земле, и быть источниками бесперебойного питания в воздухе. 

Железнодорожный транспорт

Здесь требуется большая мощность, а размеры силовой установки имеют малое значение.

В Германии в 2018 году началась эксплуатация пассажирского поезда на водородных топливных элементах Coradia iLint

В соответствии с правительственной дорожной картой по развитию водородной энергетики в России до 2024 года запланировано создание в стране опытного образца железнодорожного транспорта на водороде. Само соглашение о разработке и эксплуатации поездов на водородных топливных элементах было подписано в начале сентября 2019 года на Восточном экономическом форуме между Сахалином, «РЖД», «Росатомом» и «Трансмашхолдингом» (ТМХ).

Водный транспорт

В Германии производятся подводные лодки класса U-212 с топливными элементами производства Siemens AG. U-212 стоят на вооружении ВМФ Германии, поступили заказы из Греции, Италии, Кореи, Израиля. Под водой лодка работает на водороде и практически не производит шумов.

Японская подводная лодка Urashima с топливными элементами PEMFC производства Mitsubishi Heavy Industries была испытана в августе 2003 года.

Примеры государственных программ развития

Успехи в развитии водородных технологий показали, что использование водорода приведет к качественно новым показателям работы агрегатов. Результаты технико-экономических исследований говорят о том, что применение водорода, несмотря на свою вторичность в качестве энергоносителя, во многих случаях экономически целесообразно. Поэтому работы в этой области во многих, особенно в промышленно развитых странах, относятся к приоритетным направлениям и находят всё большую поддержку со стороны как государственных структур, так и частного капитала. Лидируют считанное число государств, уделявших водороду серьезное внимание в течение многих лет или даже десятилетий – Япония, США, Германия, Великобритания и Южная Корея, которых постепенно догоняет Китай.

ЕС

Базовым элементом новой европейской энергетической реальности стал принятый Еврокомиссией «Зелёный курс» (Green New Deal) с его акцентировкой внимания к ВИЭ и декарбонизированным газам – и речь в данном случае идёт прежде всего о водороде. Более того, «Водородная стратегия для климатически нейтральной Европы» распределяет объём инвестиций к 2050 году в рамках следующих финансовых параметров: оценочно от 180 до 470 млрд евро в пользу «зелёного» водорода и только 3–18 млрд евро приходится на вложения в переработку из ископаемого топлива.

Фактом текущей энергетической повестки становится пока только складывающийся полноценный глобальный рынок экспортно-импортных операций с водородом. Сейчас вряд ли возможно привести те транснациональные энергокорпорации, которые не имели бы в своей структуре направлений, непосредственно связанных с научно-исследовательскими программами и прикладными разработками в сфере водородной энергетики. Тем более что одна из наиболее амбициозных европейских водородных стратегий — германская — даже в случае успешной реализации её второй фазы, приходящейся на 2024–2030 годы, предполагает за страной статус одного из крупнейших на западном рынке импортёров «зелёного» водорода. И это несмотря на заявленные Берлином планы по вводу в строй до 2030 года энергоустановок по производству «зелёного» водорода суммарной мощностью до 5 Гвт и с дополнительным вводом аналогичного объёма мощностей уже к 2040 году.

8 июля 2020 г. ЕС принял стратегию развития водородной энергетики до 2050 г. С целью уменьшения выбросов углекислого газа, в программе приоритет отдается выработке водорода методом электролиза воды при помощи электроэнергии, полученной из возобновляемых источников энергии — солнечной и ветряной энергии. За первые 5 лет, c 2020 по 2024 гг. запланировано ввести в действие электролизеров для получения водорода общей мощностью 6 ГВатт для получения 1 миллиона тонн водорода ежегодно. Затем, к 2030 г. мощности электролизеров будут увеличены до 40 ГВатт и производство водорода будет увеличено до 10 миллиона тонн в год. При этом к 2050 г. намечено снизить себестоимость производства водорода из возобновляемых источников энергии до 1 долл. за кг.

По мнению эксперта-регионоведа Рината Резванова, наиболее перспективными с позиции водородной генерации на базе возобновляемой энергии являются такие регионы ЕС, как страны Скандинавии, акватории Северного и Балтийского морей, а также Южная Европа.

Ключевой специализацией Европейского Севера являются гидроэнергетические технологии выработки водорода (скандинавские страны) и ветроэнергетические технологии (акватерриториальные комплексы ВИЭ). Европейский Юг (страны Средиземноморья) богат солнечной энергией.

Южная Корея

Министерство Коммерции, Индустрии и Экономики Ю. Кореи в 2005 году приняло план строительства водородной экономики к 2040 году. Цель – производить на топливных элементах 22 % всей энергии и 23 % электричества, потребляемого частным сектором.

Россия

В 1941 году техник-лейтенант войск ПВО, защищавших Ленинград во время Великой Отечественной войны, Борис Шелищ предложил использовать «отработанный» водород из заградительных аэростатов войск ПВО в качестве топлива для двигателей автомобилей ГАЗ-АА. Полуторки использовались в качестве транспортно-энергетической единицы поста противовоздушной обороны — лебёдка автомобиля, приводимая в движение от двигателя ГАЗ-АА позволяла осуществлять подъем-спуск аэростатов. Это предложение было внедрено в 1941-1944 годах в блокадном Ленинграде, было оборудовано 400 водородных постов ПВО.

В 1979 году творческим коллективом работников НАМИ был разработан и испытан опытный образец микроавтобуса РАФ, работающий на водороде и бензине.

В конце 1980-х – начале 90-х проходил испытания авиационный реактивный двигатель на жидком водороде, установленный на самолёте Ту-154.

В 2003 году создана Национальная ассоциация водородной энергетики (НП НАВЭ); в 2004 году президентом ассоциации избран П. Б. Шелищ, сын легендарного «водородного лейтенанта».

В апреле 2021 стало известно о российской Концепции развития водородной энергетики до 2024 года, где говорится, что страна планирует поставлять на мировой рынок от 7,9 до 33,4 млн тонн экологически чистых видов водорода, зарабатывая на экспорте водорода от 23,6 до 100,2 миллиарда долларов в год, и нацелена занять к 2030 году 20 % этого рынка. «Водородный кластер» планируется создать на Сахалине.

В Японии заработала первая водородная газотурбинная электростанция (сентябрь 2020)

В июне 2020 года в Японии на НПЗ компании Tao Oil заводская газотурбинная электростанция «Мидзуэ» установленной мощностью 80 МВт заработала на новом топливе – водороде.

К применению водорода в качестве топлива для электрогенерации готовятся и другие компании. Например, концерн Siemens готовит модификацию промышленной газовой турбины SGT-400, адаптированную для сжигания чистого водорода. Она будет установлена во Франции на ТЭЦ завода по вторичной переработке бумаги Smurfit Kappa PRF. Все крупные производители энергетических газовых турбин – Mitsubishi Hitachi Power Systems, GE Power, Siemens Energy и Ansaldo Energia — сегодня разрабатывают их модели, способные работать на чистом водороде как при постоянной нагрузке, так и на пиках потребления. Очевидно, это — консолидированный ответ энергетического машиностроения на ужесточение требований к уровням атмосферной эмиссии. При этом водород претендует на звание основного катализатора для европейской энергетической трансформации, известной как «энергопереход».

Газотранспортные компании ЕС представили план водородных сетей протяженностью 23 тыс. километров (июль 2020)

Европейский Союз опубликовал окончательную версию своей водородной стратегии («Водородная стратегия для климатически нейтральной Европы»).

Водород может служить источником энергии для секторов, для которых не годится электрификация, и обеспечивать хранение энергии для балансирования переменных потоков ВИЭ, отмечает Европейская комиссия. Приоритетом является разработка возобновляемого водорода, производимого в основном с использованием энергии ветра и солнца.

Технологическая позиция Европы на мировом рынке водорода оценивается как лидирующая, и ожидается, что в водородном секторе Европы, по всей его цепочке, может быть создано порядка 1 млн рабочих мест.

ЕС будет направлять до 800 ТВт*ч электроэнергии на производство водорода к 2050 г (февраль 2020)

Предполагается, что в ближайшее время в Европе будет установлена цель: достижение «климатической нейтральности» к 2050 году. Она предполагает сокращение выбросов СО2 в ЕС на 95% от уровня 1990 года. В связи с этим инфраструктурные организации, Объединение операторов европейских газотранспортных систем (ENTSOG) и Европейская сеть системных операторов передачи электроэнергии (ENTSO-E), начали формировать совместные сценарии функционирования газового и электрического хозяйства в условиях полной декарбонизации ЕС. В интервью журналу EURACTIV топ-менеджеры этих организаций обрисовали предварительную, но довольно подробную картину трансформации европейской энергетической системы, её газового и электрического хозяйства.

В соответствии со сценариями, согласованными с Парижским соглашением, спрос на газ в ЕС упадет с примерно 5000 ТВт*ч сегодня до примерно 4000 ТВт*ч в 2050 году. Однако до 2030-х годов потребление газа будет незначительно расти в связи с закрытием угольной генерации. При этом ожидается, что к тому времени потребление неочищенного от углерода природного газа упадёт до нуля. Газ, остающийся в системе к 2050 году, может быть возобновляемым или очищенным от углерода — до или после того, как он достигнет Европы.

По расчётам операторов, в 2050 году от 300 до 800 ТВт*ч электроэнергии, выработанной в Европе на основе ВИЭ, будет направляться на работу электролизёров. Для сравнения, производство электроэнергии в Российской Федерации составляет сегодня примерно 1000 ТВт*ч в год. Таким образом, можно сделать вывод, что постепенно вырисовывается более-менее четкая и комплексная, охватывающая все сектора конечного потребления энергии, технологическая картина энергетического перехода в Европе.