Валерий Агеев
Объем рынка использования водорода в топливных элементах для транспортных средств оценивается в 180 миллиардов долларов. Фото Reuters
Согласно докладу Международного энергетического агентства (МЭА), к 2050 году мировой спрос на водород должен достичь 528 млн т – против 87 млн в 2020 году. Его доля в мировом потреблении составит 18%.
Целевой рынок использования водорода как энергоносителя – транспортные средства: колесный безрельсовый и рельсовый наземный транспорт, водный и воздушный транспорт. Перспективными считаются стационарные энергетические установки с топливными элементами (ТЭ) для распределенной энергетики. Объем рынка водородных ТЭ для транспорта оценивается в 180 млрд долл., для стационарного применения – 210 млрд.
Все цвета водородной радуги
В 1806 году Франсуа Исаак де Риваз создал первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде. Изобретатель производил водород путем электролиза воды.
В России первым о водороде как об источнике энергии заговорил Константин Циолковский, предлагавший использовать водородно-кислородную смесь в качестве топлива для двигателей в 1903 году.
В 1941-м в блокадном Ленинграде бензин был в дефиците, но водород имелся в большом количестве. Военный техник Борис Шелищ предложил использовать воздушно-водородную смесь для работы установок заградительных аэростатов. На водород перевели двигатели внутреннего сгорания автомобилей – установок аэростатов заграждения: для работы их лебедок подъема и опускания аэростата. Во время блокады в осажденном городе на водороде работало около 600 автомобилей «ГАЗ-АА».
В 1976 году в СССР был построен экспериментальный автомобиль с водородным двигателем на шасси серийного «Москвича». А в 1982-м – разработан опытный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с электроприводом на щелочных топливных элементах.
В отличие от кислорода водород практически не встречается на земле в чистом виде. Он извлекается из других соединений с помощью различных химических методов. По этим способам водород разделяют на цветовые градации.
«Зеленый» – производится из возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого, – вода, электролизер и большое снабжение электроэнергией. Побочный продукт в этом процессе – кислород.
«Голубой» – производится из природного газа, а вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее идеально чистым этот метод не назовешь.
«Розовый» («Красный») – произведенный электролизом воды с использованием электроэнергии от атомных источников.
«Серый» – получают в процессе конверсии метана. При его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.
«Коричневый» – это водород как результат газификации угля.
Существуют технологии получения биоводорода из органических отходов и этанола. Но доля этих способов чрезвычайно мала.
Больше водорода!
В Энергетической стратегии России на период до 2035 года, основном документе стратегического планирования в сфере энергетики, нашли отражение как традиционные направления развития (СПГ-сектор, нефтегазохимия), так и сравнительно новые (газовое топливо на транспорте) и инновационные (водородная энергетика). Впервые газомоторное топливо и водородная энергетика были упомянуты наравне с традиционными источниками.
На процесс газификации угля сегодня приходится 18% производства водорода, 4% обеспечивается за счет «зеленого» водорода и 78% – переработкой природного газа и нефти. Методы производства, основанные на ископаемом топливе, приводят к образованию 830 млн т выбросов CO2 каждый год, что равно выбросам Великобритании и Индонезии, вместе взятым.
Концепция развития электротранспорта включает в себя и развитие водородных технологий. В феврале 2023 года Межведомственной рабочей группой по развитию водородной энергетики в Российской Федерации была утверждена Дорожная карта развития высокотехнологичного направления «Водородная энергетика» на период до 2030 года.
«Водород на сегодняшний день является одним из наиболее перспективных энергоресурсов в мире, и у России на этом рынке высокий потенциал. Мы заинтересованы в привлечении крупных индустриальных партнеров из частного сектора для расширения сферы использования водорода в качестве экологически чистого энергоносителя, достижения углеродной нейтральности и технологического лидерства нашей страны», – отмечает вице-премьер правительства Александр Новак.
Для реализации проектов водородной энергетики необходимо разработать и финансировать отечественную программу развития водородной энергетики от производства водорода в качестве топлива (сейчас водород – это технический газ), его транспортировки, хранения и применения в виде энергоустановок на топливных элементах для различных транспортных и стационарных объектов.
К сожалению, нам быстрого прорыва в этой области ждать не приходится. Надо догонять зарубежных партнеров.
Водород вместо паруса
На сегодняшний день на территории Российской Федерации водородный транспорт развивается медленнее, чем в Японии, Германии и других странах. Основная проблема – отсутствие заправочных станций. На территории России есть только одна такая станция – в Черноголовке.
В развитии водородной энергетики важно стимулировать не только производителя, но и потребителя. В Японии, например, реализуется программа NEDO, в соответствии с которой правительство выделило только в 2015 году 81 млрд иен (около 700 млн долл.). В Стране восходящего солнца уже установлено более 100 тыс. водородных энергоустановок, так называемых топливных ячеек, обеспечивающих жилые дома электроэнергией.
Но водородные технологии сегодня активно осваивают не только сушу, но и водную стихию. Остановимся на этом секторе водородной энергетики немного подробнее.
Для внедрения водородных топливных элементов в морской транспорт в Европе в 2003 году был создан консорциум FellowSHIP (Fuel Cells for Low Emissions Ships). В него входят компании Det Norske Veritas (DNV), Eidesvik Offshore, MTU CFC Solutions, Vik-Sandvik и Automation Norway.
Нидерланды и другие страны уже давно строят суда-прототипы на водороде с использованием топливных элементов. Так, голландская верфь Concordia Damen построила корабль под названием Antoni для местной судоходной компании. Судно достигает 135 м в длину и весит внушительные 3700 т; оснащено двигателем на водородных топливных элементах.
В июне 2025 года DNV подписало контракт на классификацию четырех современных судов для пусконаладочных работ, заказанных норвежским оператором офшорной ветроэнергетики Edda Wind. Суда будут подготовлены к работе с нулевым уровнем выбросов на основе концепции жидкого органического водорода (LOHC). Суда планируется поставить в 2025–2026 годах.
Итальянское классификационное общество RINA и компания Eni также в июне подписали соглашение о совместной разработке проектов в сфере декарбонизации, в том числе водного транспорта. В соглашении затрагивается возможность использования биотоплива, гидрогенизированного растительного масла (HVO), производимого Eni на своих заводах по переработке биоотходов, а также других энергоносителей. В частности, речь идет о «синем» или «зеленом» водороде и аммиаке, произведенных из биогенного или отработанного сырья с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Индия намерена стать мировым центром заправки «зеленых» торговых судов и с этой целью увеличит производство самого доступного в мире экологически чистого водорода, аммиака и метанола. Об этом заявил индийский министр энергетики и возобновляемых источников энергии Радж Кумар Сингх, выступая в Нью-Дели на конференции «Пилотные проекты использования «зеленого» водорода в Индии». «Судоходная отрасль станет «зеленой» в ближайшие 5–10 лет», – цитирует министра газета The Times of India. Планируется применение водородной энергетики и на судах. На сегодняшний день насчитывается около 10 таких концепт-проектов.
У финнов, норвежцев, голландцев и еще в ряде стран на судах уже используются такие двигательные установки.
От Сибири до столицы
Технологиями применения водорода на водном транспорте занимается и в России ряд научных организаций. Так, Сибирский государственный университет водного транспорта (СГУВТ) в рамках государственного заказа в 2023 году приступил к выполнению НИОКР по теме «Водородная энергетика на водном транспорте, разработка систем хранения и использования новых экологичных видов топлива».
Между тем Крыловский государственный научный центр, один из крупнейших мировых исследовательских центров в области кораблестроения и проектирования судов, вот уже более 40 лет работает над созданием энергоустановок на топливных элементах. Начиналась эта работа с корабельных установок для подводных лодок. Для гражданского применения на предприятии были созданы опытные образцы энергоустановок для транспортных и стационарных объектов.
По утверждению экспертов Крыловского ГНЦ, для установки мощностью 4 МВт при месячном плавании судно сэкономит 200 т горючего. Если оснастить это же судно литий-ионными аккумуляторными батареями, то их нужно 210 штук стоимостью 1700 долл. каждая, а их вес составит 4,5 т! Так что применение водорода очень выгодно.
28 февраля 2023 года Крыловский государственный научный центр и акционерным обществом «Судостроительная корпорация «Ак Барс» произведена закладка корпуса первого в России прогулочно-экскурсионного судна проекта 00393 с энергетической установкой на водородных топливных элементах с системой электродвижения. Длина судна – 14,9 м, вместимость – 12 человек, скорость хода – более 12 км/ч, мощность энергетической установки – более 70 кВт, автономность плавания на одной заправке – 5 часов.
Другой пример. В транспортную систему столицы будут включены и 23 электрических судна на водороде для речного транспорта столицы. Суда на 80 посадочных мест будут обслуживать пассажиров – москвичей и гостей столицы. Такой речной трамвайчик с ЭХГ по своему жизненному циклу в четыре раза выгоднее, чем трамвайчик на аккумуляторе, отмечают в центре. При этом по сравнению с литийионными аккумуляторными батареями заправка энергоустановок на водородных топливных элементах может быть обеспечена в течение 3–5 минут, что позволит значительно повысить эксплуатационные характеристики водного транспорта.
Топливные элементы и электрические гибридные системы могут обеспечить более эффективное использование пространства на судах, поскольку они позволяют распределять электрооборудование по всему судну.
Как бы там ни было, по оценкам отечественных экспертов, эпоха электродвижения наступит на горизонте 10–20 лет.
