Hydrogen economy – opportunities and prospects

Full Text

Введение

В последнее время все чаще на разных уровнях мирового сообщества звучат призывы к развитию «зеленой энергетики» и, в частности, производству водорода, который благодаря своим неистощимым запасам, способен удовлетворить потребности человечества в будущем. Идея применения водорода в качестве энергоресурса крайне привлекательна, так как его можно использовать как полностью сгорающее топливо для производства электроэнергии, в топливных ячейках автомобилей, отопления домов. Побочными продуктами сгорания водорода является вода, а не СО₂ и другие экологически вредные соединения, выделяемые при сгорании традиционного автомобильного топлива.

Следовательно, цель исследования является рассмотрение актуальных проблем развития водородной экономики, на основе анализа научных трудов отечественных и зарубежных ученых, определение направления задач развития водородной энергетики в России, для обеспечения потребностей внутреннего рынка и экспортных поставок. Исходя из вышеизложенного многие промышленно-экономически развитые страны уделяют серьезное внимание исследованиям по развитию водородной экономики. Так, в 2003 г. президентом США Дж. Бушем было выделено 1,3 млрд долл. на разработку автомобилей с водородным двигателем. Евросоюз предоставил 2,3 млрд евро на создание водородных элементов для автотранспорта. В 2005 г. правительство Японии предусмотрело на разработку водородных элементов 559 млн долл. США [1]. Подобные действия предпринимают правительства Канады, Китая и других промышленно развитых стран. Однако, несмотря на проводимые работы, на пути исследования и внедрения водородной экономики еще много проблем, которые мы рассмотрим далее.

В РФ многие вопросы развития водородной энергетики решаются на правительственном уровне. В частности, в конце 2020 года была разработана дорожная карта по развитию водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года, направленная на увеличение производства и расширение сферы применения водорода в качестве экологически чистого энергоносителя, а также вхождение страны в число мировых лидеров по его производству и экспорту. Вопросы развития водородной энергетики также включены в актуализированную Энергетическую стратегию Российской Федерации на период до 2035 года. Все вышеприведенные правительственные меры направлены на стимулирование инвестиционной активности в регионе.

На сегодня практически водород используется в отраслях химической и нефтехимической промышленности в основном как сырье крупнотоннажного производства, а также в металлургии, электронике и фармацевтике. Но водород пока редко еще используется как топливо, за исключением топлива в космических челноках. Договоры о снижении выбросов углекислого газа, а также исчерпаемость обычных видов топлива обуславливают перспективы внедрения водородного топлива практически во все сферы жизни, где требуется топливо.

Таким образом, можно сделать вывод, что водород становиться привлекательным для инвесторов, так как он не просто отвечает современным экологическим требованиям, а является источником энергии с нулевой эмиссией. По оценкам «Hydrogen council», в мировой рынок водорода может составить порядка 2,5 трлн долларов к 2050 году. В натуральном выражении в мировом энергобалансе доля водорода может составить 18 %, что позволит, сократить выбросы CO₂ на 6 гигатонн в год. При этом в транспортном секторе к 2050 году доля водородных автомобилей составит 15–20 %, для достижения этих показателей потребуются вложения ежегодно 20–25 млрд долларов инвестиций до 2030 года. В настоящее время 96 % водорода получают из ископаемого топлива, причем, половина этого объема приходится на парофазный риформинг метана (СН₄). Более затратным процессом – электролизом воды (Н₂О) получают всего 4 % водорода. При этом процесс электролиза очень перспективен, так как ресурсы воды практически неограничены, а для расщепления воды можно использовать атомную энергию или другие альтернативные источники [2].

Далее в статье будет представлен обзор и анализ литературы по проблематике исследования, описания методологии исследования, состояния и перспектив производства водорода в России, выводы, резюмирующие результаты исследования.

 

Теоретико-экономические предпосылки развития водородной экономики

Вопросы развития водородной экономики, в частности, одного из ее разделов – «водородной энергетики» – рассматриваются в научных трудах многих зарубежных и отечественных ученых и специалистов. Так, А.М. Мастепанов, заведующий Аналитическим центром энергетической политики и безопасности ИПНГ РАН в статье «Водородная энергетика России: состояние и перспективы» анализирует состояние и перспективы развития водородной энергетики в России, подробно рассматривает ее главные цели, направления и задачи развития, делает вывод, что этому призваны способствовать в России большие запасы газа, угля, воды, значительный резерв генерирующих мощностей и потенциала в сфере зеленой энергетики. Примерно 1 МВт мощности позволяет производить 200 м³ водорода в час (около 150 тонн в год). Этого объема достаточно, чтобы обеспечить снабжение городского транспорта мегаполиса [2]. 

К.И. Якубсон – ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук, советник директора Института проблем нефти и газа РАН РФ, в статье «Перспективы производств и использования водорода как одно из направлений развития низкоуглеродной экономики в Российской Федерации

 

рассматривает перспективы производства и использования в РФ водорода, предлагается создание территориальных водородных кластеров, обладающих необходимым потенциалом для производства, хранения и экспорта водорода. Сделан вывод по перспективам производства товарного водорода в России методом гидролиза воды до 4 млн тонн в год при сегодняшних объемах готового производства в 160–190 тыс. тонн водорода [3].

В статье «Новая энергополитика ЕС: заменят ли ВИЭ и водород российский газ» А.И. Громов – главный директор по энергетическому направлению, кандидат экономических наук Института энергетики и финансов, проводит анализ последних изменений европейской энергетической политики, связанных с применением на практике европейского «Зеленого пакта». Рассматриваются риски и возможности российско-европейского энергетического партнерства в новой энергетической реальности. В частности, высказывается предположение о возможном устойчивом сокращении газа в ЕС и в этой связи поиск новых взаимовыгодных путей сотрудничества [4; 5].

В условиях набирающего силу тренда на декарбонизацию мировой экономики получает развитие практическое использование водорода в связи с отсутствием выбросов диоксида углерода в атмосферу. Авторы статьи «Роль российского природного газа в развитии водородной энергетики» (О. Аксютин, А. Ишков, К. Романов, Р. Тетеревлев) рассматривают преимущества развития водородной энергетики на основе природного газа. В настоящее время вклад природного газа в мировое производство водорода оценивается в 205 млрд кубометров в год. Делается прогноз, что к 2050 г. доля водорода в глобальном энергобалансе может составить от 3 до 24 % в различных сценариях декарбонизации мировой экономики [6].  

В качестве примера регионального развития водородной энергетики можно привести работу в этом направлении Мурманской области. А.А. Челтыбашева и Я.М. Караченцева в статье «Возможности развития водородной энергетики в Мурманской области» проанализировали возможность реализации проектов по отработке технологии получения «зеленого» водорода для промышленного использования, перечислены возможные источники для его производства. В статье приведен пример реализации проекта по созданию на территории Мурманской области международной научной исследовательской станции по разработке водородных топливных элементов [7].

Аналогичные исследования проводятся иностранными учеными: Arat H.T., Baltacioglu M.K., Germscheidt R., Moreira D., Newborough M., Cooley, G., Sharma Dr., Kumar S., Dawood F. [8–12] Перспективность водородной энергетики обусловила появления большого числа исследований, которые посвящены вопросам технологии производства водорода, возможностей их развития, чистоте получаемого водорода и классификации водорода в зависимости от вышеперечисленного.

В исследованиях Arat H.T., Baltacioglu M.K.[8] обосновывается необходимость разработки дорожной карты развития водородной энергетики на уровне страны. Авторы основываются на использовании возможностей Черного моря для производства водорода в Турции, что также представляет интерес и для регионов РФ, имеющих выход на побережье Черного моря.

Возможности производства водорода на основе природного газа, а также негативные и позитивные стороны такого производства, рассматриваются в исследовании Howarth R.W., Jacobson M.Z. [13]. Для РФ, как крупного экспортера природного газа, его использование в производстве водорода является достаточно привлекательным, однако, как отмечается в исследовании, ожидаемого существенного сокращения выбросов от применения водорода, полученного на основе природного газа, вместо газа не ожидается.

Также следует указать научные работы в данной области авторов настоящей статьи Бобровой В.В. Борисюка Н.К. и Кирхмеер Л.В., исследовавших вопросы мирового производства энергии и топлива, влияние энергетики на развитие отраслей экономики [14–18].

В процессе написания статьи использовались такие методы исследования как анализ и обобщение научных литературных источников, ретроспективный анализ, научная классификация, моделирование и метод обобщения полученной информации.

Обобщая научные исследования по трактовке «водородной» экономики установлена необходимость решения сложной задачи обеспечения баланса производства и потребления «зеленого» водорода с учетом потребности экономики и  экспортных поставок, а также возможных источников получения водорода на основе разработки новых технологий. По оценке исполнительного директора Международного энергетического агентства Фатих Бирол: «в мире нет ни одной технологии, кроме технологии получения водорода, которая пользовалась бы такой всеобщей поддержкой всех прави-
тельств» [19].

 

Свойства и производственные проблемы использования водорода

Водород – самый легкий элемент периодической системы элементов. Его образование связано с остыванием Вселенной после Большого взрыва и сейчас составляет 90 % всех атомов, находящихся в космосе, и 10 % составляет гелий. Водород – топливо звезд, так как каждую секунду на Солнце 600 млн т водорода путем термоядерного синтеза превращаются в гелий и при этом выделяется огромное количество энергии, света и тепла. Водород – также один из широко распространенных элементов на Земле [20].

Физико-химические свойства водорода представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Физико-химические свойства водорода

Table 1 – Physical and chemical properties of hydrogen

Химическая формула	Н2
Внешний вид	Бесцветный газ, без запаха
Температура кипения	252,9 °С
Плотность в жидком состоянии при -253 °С	70,8 кг/м3
Энергоемкость	28670 ккал/кг
Температура самовоспламенения	520 °С
Пределы воспламеняемости на воздухе	4–74  %
Пределы взрываемости на воздухе	15–59  %

 

В природе водород всегда находится в соединении с другими элементами. Два атома водорода присоединенные к одному атому кислорода составляют воду, которая покрывает 70 %  поверхности Земли. Водород входит также в состав углеводородов и находится в каждом живом организме.

Водород, как самостоятельный химический элемент, впервые был открыт в 1766 г. английским ученым Генри Кавендишем, который назвал газ «Горючим воздухом». Водородом (hydrogen) данный газ назвал французский химик Антуан Лаувазье [21].

Первое практическое применение водорода начали в армии, где им наполняли воздушные шары, используемые в разведочных целях. Возможность получать газообразный водород и кислород электролизом воды установили в начале XIX века английские ученые Уильям Николсон и Антони Карлайл [22]. Примерно в то же время водород в смеси с оксидом углерода, полученный при сухой перегонке каменного угля, под названием «светильный газ», широко применялся для отопления и освещения домов, предприятий, а также для освещения улиц.

В то же время с развитием электроэнергетики, ростом добычи нефти и газа, водород потерял свое значение в качестве топлива, но продолжает занимать умы человечества как альтернативное топливо в энергетике. В 1920–х годах канадская компания Electrolyser Corporation Ltd освоила способ получения водорода электролизом воды в промышленных масштабах. Полученный водород использовался не как топливо, а для резания стали и синтеза удобрений.

Наряду с этим немецкие инженеры предприняли попытки использовать водород как топливо для автомобилей, оснащенных двигателями внутреннего сгорания. Интерес к водороду то возрастал, то падал в периоды колебаний цен на нефть и газ, в частности, в 1970, 1980 гг. стимулом к исследованию проблем использования в качестве топлива водорода послужила озабоченность проблемой загрязнения окружающей среды. Именно в это время появилось выражение «водородная экономика» и была создана Международная ассоциация водородной энергетики.

В зависимости от способа и источника получения водорода (термохимическое разложение; электролиз воды; риформинг нефти и нефтепродуктов, метана, различных природных и технических газов; биомассы и других) условно разделяют водород на «зеленый», «серый», «голубой», «бирюзовый», «желтый» и «биоводород». Более подробно о цветовой классификации водорода можно найти в Newborough, M. & Cooley, Graham и Germscheidt, Rafael & Moreira, Daniel [23].

Выделим положительные и отрицательные факторы в перспективе использования водорода в качестве топлива энергетики будущего. Положительные факторы:

– неистощимые запасы водорода в природе (на Земле и в Космосе);

– высокая энергетическая ценность водорода (теплота сгорания 120 МДж/кг против 56 у метанола);

– экологически безопасен (побочным продуктом сгорания водорода является вода);

– наиболее перспективным способом получения водорода является электролиз воды (ресурсы воды практически неисчерпаемы).

Отрицательные факторы:

– высокая реакционная способность водорода (легко связывается с другими элементами);

– в природе водород почти всегда находится в соединении с другими элементами (например, вода (Н₂О) покрывает 70 % поверхности Земли);

– водород не является источников энергии, а служит лишь ее носителем;

– легкость водорода затрудняет его хранение, транспортировку и использование в газообразном виде;

– молекула Н₂ может диффундировать через большинство металлов (сделать, например, сталь хрупкой);

– водород конденсируется в жидкость при очень низкой температуре (-253 °С), которая на 20 °С выше температуры абсолютного нуля;

– на сегодня мировое производство водорода составляет всего 2 % мировой потребности первичной энергии.

В настоящее время водород используется в химической и нефтехимической промышленности в основном как сырье крупнотоннажного производства, в частности, для получения аммиака, очищенных нефтепродуктов и других химических соединений.

Наряду с уже перечисленными проблемами производства и использования водорода серьезным остается вопрос его хранения водорода. Причем, хранение должно быть достаточно дешевым, простым в обращении и безопасным для потребителя. Таким образом, прежде чем использовать водород, его вначале нужно сжать, подвергнуть сжижению или адсорбировать на каком-то твердом носителе.

Все перечисленные способы хранения водорода технологически очень сложны и финансово дороги. Так, при физических способах хранения в виде сжиженного или сжатого газа используются изолированные контейнеры или контейнеры высокого давления. При химических методах используются металлы или другие материалы, которые поглощают водород.

 

Перспективы развития водородной экономики

На современном этапе развития экономики, предполагающей выработку энергии за счет целого ряда таких возобновляемых источников, как гидроэнергетика, геотермальная энергетика, ветроэнергетика, солнечная энергия, биоэнергетика, водородная энергетика, атомная энергия и другие. При этом наиболее разработанным процессом получения водорода является электролиз воды. В то же время электролиз обходится в три-четыре раза дороже, чем производство водорода из природного газа. Однако, с учетом экологической составляющей электролиз представляет собой самый чистый метод получения водорода, в особенности, если будет использоваться дешевая электроэнергия, производимая из возобновляемых источников, или атомная энергия.

Промышленный электролиз представляет собой достаточно разработанную технологию получения водорода, которая используется более ста лет в основном в регионах, где есть дешевая электроэнергия. Так, в Канаде и Норвегии КПД обычного промышленного электролиза составляют около 70–80 %, которые можно повысить за счет нагревания воды до более высоких температур.

Если анализировать другие возможные способы получения водорода, как энергия ветра, солнечная энергия, водород из биомассы, получение водорода с использованием атомной энергии и другие, то в настоящее время 50 % всего производимого в мире водорода получают методом парофазного риформинга, где природный газ, взаимодействуя с паром в реакторе в присутствии катализатора при высоких температурах и давлениях. Но использование ископаемого топлива для получения водорода, по нашему мнению, может быть лишь временным решением проблемы, так как запасы нефти, газа и угля будут в перспективе исчерпаны. Исходя из этого необходимо искать более надежные методы получения водорода, среди которых следует выделить получение водорода электролизом воды.

Россия имеет богатый опыт в области разработки и освоения водородных энергетических технологий. Еще в 30-е годы в МВТУ им. Н.Э. Баумана проводили исследования по добавлению водорода к бензину для автомобильных двигателей.

В 1970-е годы проводили исследования в рамках государственной программы «Водородная энергетика». В последней четверти XX века в России был создан уникальный научно-технический задел – ракетно-космический комплекс «Энергия-Буран», самолет ТУ-155 и другие. В ноябре 2019 года состоялись испытания в Санкт-Петербурге водородного трамвая, а в мае 2020 года – в Московской области появилась первая водородная заправка. Общее производство водорода в России составляет около 5 млн т в год [24].

По оценке Минэнерго, Россия обладает большими конкурентными преимуществами по развитию водородной энергетики: наличием больших запасов газа, угля и воды, значительный резерв генерирующих мощностей и огромный потенциал в сфере зеленой энергетики, что позволяет развивать производство водорода самыми различными методами. Потенциал производства водорода только за счет генерирующих мощностей оценивается в 3,5 млн т. Значительным потенциалом по производству водорода способом паровой конверсии метана и электролизом воды располагает Оренбургская область, о чем свидетельствуют запасы и объемы добычи углеводородного сырья, приведенные в таблице 2, что является стимулятором инвестиционной деятельности.

 

Таблица 2 – Производство топливно-энергетических ресурсов в РФ и Оренбургской области

Table 2 – Production of fuel and energy resources in the Russian Federation and the Orenburg region

Показатели	Годы
	2010		2018		2020
	РФ	Оренбургская область	РФ	Оренбургская область	РФ	Оренбургская область
Газ природный, млн м3	650 311	21 073	728 000	16 190	692 900	16 000
Нефть, газовый конденсат, тыс. т	504 900	22 292	555 840	20 764	518 800	20 754
Производство электроэнергии, кВт/ч	1037 млрд	17 998	1109,2 млрд	11 727	1063,7 млрд	11 362

 

Таким образом, Оренбургская область по потенциалу полезных ископаемых, которые могут быть использованы для производства водорода, имеет вполне ощутимые перспективы для размещения производства водорода.

Вполне очевидно, что о стоимости водорода в больших масштабах говорить пока некорректно, но оценки подобные существуют. Так, эксперты Центра экономического прогнозирования Газпромбанка в 2019 году сделали оценки стоимости производства водорода из природного газа – Россия 1,31 долл./кг, США – 1,52, Европа – 2,32, Китай – 2,38 [25].

Важной региональной задачей реализации плана мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года» является завершение разработки концепции развития водородной энергетики в России.

 

Заключение

Результаты проведенного исследования дают основание полагать, что в последние годы одной из приоритетных задач развития региональной экономики является переход к водородной энергетике. В России признание важности этой проблемы на государственном уровне произошло лишь только в 2020 году. Правительством РФ был принят ряд документов, в которых были сформулированы задачи и сроки развития водородных технологий в стране. Прогнозируемый рост производства водорода с 5 млн тонн в год в настоящее время до 7,8–8,8 млн тонн в 2030–2035 гг. предположительно будет базироваться на ископаемом сырье – метод паровой конверсии метана.

Установлено, что Россия и Оренбургская область обладают необходимым природным и научно-технологическим потенциалом для существенного увеличения производства водорода, необходимого для развития новых водородных технологий и экспортных поставок.

В целях решения проблемы транспортировки и хранения водорода предлагается использовать существующие подземные хранилища газа (ПХГ), что позволит сократить затраты на создание соответствующей инфраструктуры. 

За счет использования метан-водородных смесей в качестве газомоторного топлива на автотранспорте можно снизить и выбросы углекислого газа, составляющие почти 70 % суммарных выбросов.

По нашей оценке, целесообразно включение в программы дополнительного высшего и среднего образования предметов химии и биологии с целью подготовки кадров для отрасли водородной экономики. Представляется, что перспективным направление дальнейшей работы должно стать исследование инструментов стимулирования разработки и внедрения новых технологических подходов к производству и использованию водорода, стимулирования инвестиционной активности производителей.

Материалы данной статьи могут быть использованы при разработке и реализации программ устойчивого развития, в учебном процессе вузов по экономическим специальностям. 

About the authors

Victoria V. Bobrova

Orenburg State University

Author for correspondence.
Email: bobrova1971@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3558-5662

Doctor of Economics, professor of the Department of Customs

Russian Federation, 13, Pobedy Avenue, Orenburg

Nikolay K. Borisyuk

Orenburg State University

Email: konstantinov1947@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4270-1051

Doctor of Economics, Professor of the Department of Management

Russian Federation, 13, Pobedy Avenue, Orenburg

Lyudmila V. Kirkhmeer

Orenburg State University

Email: lkirhmeer@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1403-0599

senior lecturer of the Department of Management

Russian Federation, 13, Pobedy Avenue, Orenburg

References

Supplementary files