Водород вместо углерода. Как изменит мир новый глобальный фетиш - декарбонизация

Промышленность, жилье, транспорт, вообще все, что до сих пор работало на угле и углеводородах (природном газе, нефти, нефтепродуктах), будет приучаться к "зеленому" водороду — ради того, чтобы снизить выбросы углекислого газа и остановить глобальное потепление.

В результате изменится весь мир. Но прежде чем говорить о переменах для потребителей, поясним, как будет налажено производство нового топлива.

Как производят "зеленый" водород

Водород — превосходное топливо по своим энергетическим характеристикам. И абсолютно безвредное с точки зрения экологии. В отличие от углеводородов, которые при сгорании дают углекислый газ и всякие отравляющие вещества, водород при сгорании дает только водяной пар.

Однако мир, как известно, несовершенен. Земля создала для нас месторождения нефти и природного газа, а водорода — нет. Ближайшее к нам хранилище этого газа — атмосфера Юпитера, которая, наверное, еще не скоро подвергнется промышленному освоению.

Поэтому приходится создавать водород искусственно. "Зеленым" называется такой водород, который нравится экологам: при его производстве никоим образом не используются углеводороды. Он производится из воды путем электролиза, то есть расщепления ее на водород и кислород при прохождении через нее электрического тока. Причем необходимая для этого электроэнергия, опять же, должна вырабатываться без сжигания углеводородов. На данный момент уже придуманы и осваиваются технологии производства водорода, работающие на самых разных возобновляемых источниках энергии.

На гидроэнергии. Крупнейший в мире завод по производству "зеленого" водорода построит в канадской провинции Квебек немецкая компания Thyssenkrupp. Соглашение подписано в январе 2021 г. Электролизная установка мощностью 88 мегаватт обеспечит ежегодные поставки 11 тыс. т "зеленого" водорода для транспортного сектора Канады. Запуск предприятия намечен на конец 2023 г. Обеспечивать завод электроэнергией (ну и водой тоже) будет государственная энергокомпания Hydro-Québec, владеющая 63-мя гидроэлектростанциями.

На энергии ветра. Рекорд канадцев продержится недолго. Его собрался побить консорциум нидерландских компаний Gasunie, Groningen Seaports и Shell Nederland, к которому в декабре 2020 г. присоединились норвежская Equinor и немецкая RWE. Совместными усилиями они хотят создать в Северном море ветропарк NortH2 для питания огромной электролизной установки, которая будет построена в нидерландском порту Эмсхавен для производства "зеленого" водорода. Электростанция заработает в 2027 г., а затем будет постепенно расширяться. Ее начальная мощность составит 1 гигаватт (то есть 1000 мегаватт), в 2030-м она должна вырасти до 4 ГВт, а к 2040-му — до 10 ГВт. В результате NortH2 выйдет на производство 1 млн т "зеленого" водорода в год. Существующая инфраструктура газопровода Gasunie позволит осуществлять крупномасштабную транспортировку и хранение производимого водорода, который будет в первую очередь питать промышленные кластеры в Нидерландах и Германии, а остатки пойдут на нужды транспорта и жилых домов.

Собственные гигантские планы имеет немецкий концерн Siemens. В январе 2021 г. стало известно, что его дочерние компании Siemens Energy и Siemens Gamesa намерены вложить 120 млн евро в интеграцию технологий ветряной турбины и электролизера, чтобы получить турбину, которая будет прямо на месте производить водород. "Мы должны полностью переоборудовать турбину, которая была спроектирована для производства электроэнергии", — заявил генеральный директор Siemens Gamesa Андреас Науэн.

На солнечной энергии. Испанские компании Enagas и Naturgy в декабре 2020 г. объединились, чтобы построить завод по производству "зеленого" водорода мощностью около 9 тыс. т в год. Электролизер мощностью 60 МВт будет питаться от солнечной фотоэлектрической станции мощностью 400 МВт. Завод будет размещен в городке Ла Робла в провинции Леон, поблизости от тепловой электростанции, которую Naturgy закрыла летом 2019 г. Производимый "зеленый" водород будет поставляться потребителям по существующей газовой сети и в будущем может экспортироваться в Северо-Западную Европу.

Еще более мощный проект анонсировала Португалия в своей Национальной водородной стратегии, обнародованной в августе 2020 г. К 2030 г. возле порта Синиш должна заработать промышленная установка по производству "зеленого" водорода с общей мощностью электролизеров не менее 1 ГВт, работающая на энергии Солнца и ветра. В документе прогнозируется, что инвестиции в этот проект могут превысить 1,5 млрд евро.

И на атомной энергии тоже. Комиссия по ядерному регулированию США в сентябре 2020 г. окончательно одобрила сертификацию ядерного мини-реактора компании NuScale Power. Это открывает ей дорогу на рынок с небольшими компактными реакторами мощностью 50 МВт. А уже в декабре NuScale Power сообщила о технологии, которая позволяет с помощью одного такого реактора получать 18 тыс. т "зеленого" водорода в год. Реакторы NuScale безопаснее обычных АЭС, поэтому их можно строить ближе к потребителю. При этом конструкцию можно масштабировать, объединяя 4, 6 или 12 реакторов в один массив.

Кто перейдет на "зеленый" водород

В нынешнем десятилетии прочно войдет в обиход слово декарбонизация. Звучит как химический термин, но на самом деле это понятие экономическое и даже политическое. Все сферы потребления избавляются от карбона, то есть углерода. А наилучшим заменителем зачастую оказывается "зеленый" водород.

Водородные меткомбинаты. Обычно для получения стали требуется доменная или электродуговая печь, где спекаются железная руда, известняк и кокс (каменный уголь, прокаленный при высоких температурах для устранения примесей). Однако можно заменить кокс на водород, а также использовать водород для питания дуговых печей. Тогда производство стали станет полностью свободным от эмиссии углекислого газа.

В феврале 2021 г. шведский консорциум H2 Green Steel объявил о планах открыть такой завод на севере страны в 2024 г. В производстве будет использоваться "зеленый" водород. Бюджет проекта — $3 млрд. К 2030 г. консорциум рассчитывает выпускать 5 млн т высококачественной стали ежегодно. Это будет первое крупное сталеплавильное предприятие, не использующее ископаемое топливо. Продукция завода — горячекатаная, холоднокатаная и оцинкованная сталь — пойдет на выпуск автомобилей, труб большого диаметра и крупной бытовой техники.

Водородные дома. Компания SGN, отвечающая за газовую сеть в Шотландии и на юге Англии, при финансовой поддержке британского регулятора Ofgem и правительства Шотландии осуществляет проект H100 Fife. Уже в 2022 г. около 300 домов в округе Файф на восточном побережье Шотландии подключатся к сети, которая будет обеспечивать их "зеленым" водородом для отопления помещений и приготовления пищи. Водород будет производиться электролизной установкой, работающей от расположенной поблизости морской турбины.

В ноябре 2020 г. британский премьер Борис Джонсон обнародовал план "зеленой промышленной революции", который включает в себя цель к концу этого десятилетия "построить первый город, полностью отапливаемый водородом". Уже в апреле 2021-го в Лоу-Торнли на северо-востоке Англии появятся два двухквартирных дома, в которых кухонные плиты, духовки и бойлеры работают исключительно на водородном топливе. Жить там никто не будет — дома будут открыты для посещения всеми, кто желает посмотреть, как работают нагревательные приборы на водороде. Власти надеются, что эти здания дадут публике "возможность заглянуть в потенциальный дом будущего".

Водородные поезда. Австрийские железные дороги (ÖBB) в декабре 2020 г. завершили 10-недельное тестирование поездов на водородных топливных элементах, разработанных французской компанией Alstom. Профильное министерство осталось довольно испытаниями и выдало разрешение на массовую эксплуатацию поездов Coradia iLint. Постепенно водородные поезда полностью заменят дизельные составы на всех маршрутах Австрии.

Alstom и ÖBB ежедневно проводили испытания с реальными пассажирами на четырех сложных маршрутах. Поезда Coradia iLint состояли из двух вагонов, развивали скорость до 140 км/ч и двигались по рельсам практически бесшумно.

Германия тестирует водородные поезда Alstom с 2018 г. и уже одобрила их эксплуатацию. Правительство ФРГ оформило крупный заказ — 41 водородный поезд будет доставлен на территорию Германии к 2022 г. Итальянский железнодорожный оператор Ferrovie dello Stato планирует декарбонизировать железные дороги к концу десятилетия за счет компании Snam. А Великобритания сейчас использует поезда HydroFLEX, произведенные компанией Porterbrook, на ограниченных маршрутах. Если испытания пройдут успешно, HydroFLEX начнут заменять обычные поезда в 2023 г.

Водородные автомобили. Пионером в развитии водородного автотранспорта стала японская корпорация Toyota. В ноябре 2020 г. она объявила о выводе на рынок уже второго поколения автомобилей Mirai на водородных топливных элементах. В ближайшие несколько лет Toyota планирует выпустить 100 тыс. таких машин.

Американская компания Hyzon Motors в феврале 2021 г. объявила о строительстве двух крупных предприятий по производству водородных топливных элементов для грузовиков на территории США. Ожидается, что производство начнется в четвертом квартале 2021 г. Это позволит выпускать по 12 тыс. водородных грузовиков в год.

Немецкий концерн Siemens в феврале 2021 г. заключил меморандум о взаимопонимании с британским стартапом Riversimple. Концерн профинансирует строительство на территории Великобритании двух новых заводов, каждый из которых будет ежегодно производить по 5 тыс. автомобилей на водородных топливных элементах. Коммерческое производство должно быть запущено в 2023-2024 гг.

Водородные суда. Норвежская TECO Maritime Group в феврале 2021 г. объявила о строительстве первой гигафабрики для обеспечения судоходной промышленности стабильными поставками "зеленого" водородного топлива. Предприятие будет получать энергию от солнечных панелей и ветрогенераторов и станет центром норвежской водородной промышленности. Оно обещает удовлетворить большую часть европейского спроса судоходства на водород — производственная мощность завода составит 1,2 ГВт в год. Ввод его в эксплуатацию намечен на 2022 г.

Водородные самолеты. Европейский авиастроительный концерн Airbus в сентябре 2020 г. объявил о проекте ZEROe. Как можно понять уже из названия, речь идет о разработке пассажирских самолетов, которые будут иметь нулевой уровень вредных выбросов. К 2035 г. планируется создать семейство пассажирских самолетов с двигателями, работающими на водороде. В декабре прошлого года инженеры Airbus показали результат своих экспериментов — съемную капсулу, в которой помещаются двигательный агрегат, бак с водородным топливом и прочее оборудование. По задумке, шесть таких капсул будут размещены на крыльях самолета, благодаря чему освободится много места в салоне для размещения пассажиров и багажа.

Водородные аэропорты. Французские авиакомпании Airbus и Air France-KLM, аэропорты ADP Groupe и агентство Choose Paris Region в феврале 2021 г. создали альянс с целью разработки инфраструктуры для водородных самолетов. Новая стратегия охватывает все аэропорты Парижа и предполагает интеграцию водорода во все виды деятельности ADP Groupe.

Кто оплатит праздник

По данным глобальной инициативы Hydrogen Council, на начало 2021 г. более 30 стран опубликовали стратегии развития водородной энергетики и выделили средства на декарбонизацию экономики через водородные технологии. Анонсированы 228 крупных проектов по производству и применению "зеленого" водорода в сферах крупномасштабной промышленности, транспорта и инфраструктуры на общую сумму свыше $300 млрд. Абсолютным лидером в развитии водородных технологий стала Европа — она финансирует почти 60% проектов.

Самым дешевым способом транспортировки водорода на короткие и средние расстояния станет переделанный трубопровод — в том случае, если в регионе имеется стабильный спрос на водород. В условиях колебаний спроса дешевле использовать грузовики. Для перевозок на большие расстояния удобнее обращаться к морскому транспорту.

По прогнозу Hydrogen Council, к 2030 г. в мире будет 4,5 млн водородных автомобилей, для которых будут работать 10,5 тыс. водородных заправочных станций. А вообще к концу десятилетия в мире будет производиться 6,7 млн тонн водорода в год. Всего лишь год назад в аналогичном отчете называлась втрое более скромный объем — 2,3 млн тонн в год. Трехкратный рост прогноза отображает тот грандиозный ажиотаж, который возник вокруг "зеленого" водорода в прошлом году. И мы, похоже, только в самом начале этой волны.