Проблемы внедрения технологий “Power-to-Heat”: новые вызовы и угрозы

Введение. Парадигма развития нашей цивилизации тесно связана с борьбой за обладание новыми видами энергии, которая обеспечивает устойчивое, поступательное развитие государства, борьбой за контроль над энергетическими ресурсами и логистическими маршрутами перемещения на рынки потребления. Энергетические ресурсы, без преувеличения, можно назвать драйверами экономического роста.

Не является секретом постоянное увеличение спроса на энергетические ресурсы. В современных реалиях обеспечение энергетической безопасности страны является важнейшим условием существования и развития государства. В рамках данного исследования под энергетической безопасностью понимается внутреннее и внешнее состояние государства, в котором минимизированы реальные и потенциальные риски государственным интересам, существующие в процессе разведки, добычи, транспортировки, переработки и использования энергоресурсов и получаемых иных на их основе видов энергии, а в случае реализации угроз – обеспечение мер по защите энергетических ресурсов с целью устранения или минимизации негативных последствий. В связи с этим повышение общей энергетической эффективности отраслей страны должно стать одним из национальных приоритетов.

В соответствии с Федеральным законом «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [1] под энергетической эффективностью понимаются характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта, применительно к продукции, технологическому процессу, юридическому лицу, индивидуальному предпринимателю. Поэтому процессы энергосбережения должны обеспечивать траекторию устойчивого роста экономики: от получения конечной продукции с добавлением новой стоимости до определения степени использования возобновляемых видов энергии в валовом внутреннем продукте страны.

В настоящее время лучшая мировая практика эффективного государственного управления свидетельствует о том, что процесс повышения энергоэффективности производства базируется на разработке и применении принципиально новых технологий, способствующих переходу к новому технологическому укладу, имеющих специфические свойства полезности и ценности с точки зрения использования новых источников возобновляемых видов энергии, которые в дальнейшем будут составлять основу безуглеродной экономики. В контексте данного исследования авторы, проанализировав существующие научные исследования в данной области, под термином «безуглеродная экономика» понимают структурное реформирование экономики страны с выходом ее на новый уровень развития в целях обеспечения устойчивого роста, сохранения окружающей среды, снижение выбросов двуокиси углерода от деятельности промышленных предприятий и транспортной отрасли [12] (Lazaryan, Chernotalova, 2017).

Следует заметить, что передовые развитые страны Европы давно форсируют процессы по государственной поддержке возобновляемых источников энергии через разработку дорожной карты, предполагающей поэтапное снижение доли углеводорода при производстве товаров, работ и услуг [24]. В результате проведенных мероприятий в Европейском союзе объемы инвестиций в возобновляемые источники энергии достигли 74,5 млрд долл. США и выросли на 27% по сравнению с прошлым годом. Рост объемов инвестиций связан с внедрением на территории Европы ветроэнергетических установок, что способствовало, в свою очередь, значительному снижению затрат на производство энергии.

По данным Bloomberg New Energy Finance, в 2019 году по сравнению с 2018 годом объемы инвестиций в возобновляемую энергетику увеличились на 1% и составили 282,2 млрд долл. США [21].

Основная мировая тенденция к устойчивому развитию – за счет использования возобновляемых источников энергии добиться сокращения выбросов углекислого газа. Это может привести к смене технологического уклада с формированием нового мирового рынка энергии.

А как оценивается вклад России в мировое производство возобновляемых источников энергии? По различным данным экспертов, доля возобновляемых источников энергии в России составляет всего от 0,1 до 0,2%, что значительно меньше, чем в развитых странах [7] (Virabyan, 2020). Это означает, что Россия находится на самом начальном пути развития и предстоит сделать колоссальные усилия по минимизации новых вызовов и угроз, наращиванию объема инвестиций в возобновляемые источники энергии. В нашей стране исследования в области технологии и применения водородной энергетики начали проводиться в 70-х годах прошлого столетия. Активное участие в их проведении принимали крупные научные коллективы под руководством А.Н. Барабошкина, В.П. Бармина, В.П. Белякова, В.П. Глушко, Н.Д. Кузнецова, В.А. Легасова, Р.Е. Лозино-Лозинского, А.Н. Подгорного, А.А. Туполева, A.M. Фрумкина и других выдающихся ученых и крупных организаторов науки. Однако в этих трудах основное внимание уделялось технико-технологическим проблемам водородной энергетики, практически не уделялось внимание рискам и угрозам, возникающим в результате реализации разработанных методов реализации водородной тематики. Этот пробел авторы данной статьи попытались минимизировать в результате своего исследования.

В качестве новых вызовов и угроз экономической безопасности страны выделяется продолжающаяся длительное время технологическая отсталость от высокоразвитых стран в области использования «зеленого» водорода в целях устойчивого развития, что свидетельствует о наличии системных рисков, отраслевых рисков и рисков регулирования [15] (Permyakova, 2019). В настоящее время в качестве основного технологического процесса производства водорода используется метод электролиза воды – по терминологии профессиональных сообществ «зеленый» водород, который можно получить в процессе переработки угля, природного газа. Специалисты энергетической компании «Газпром» отмечают, что с помощью метода пиролиза метана для производства 1 куб. м водорода необходимо израсходовать 0,7–3,3 кВт⋅ч энергии, методом электролиза – 2,5–8 кВт⋅ч энергии [17].

В целях внедрения и эффективного использования новых технологий необходимо минимизировать влияние негативных рисков. В качестве системных рисков можно отметить:

- отсутствие программных документов по целеполаганию;

- недостаточный объем инвестиций в производство возобновляемых источников энергии;

- затратные мероприятия по получению конечной продукции и др.

К отраслевым рискам относятся:

- техническая отсталость отрасли;

- отсутствие достаточного объема инвестиций на прикладные научные исследования в области разработки и освоения новых технологий, основанных на использовании «зеленого» водорода;

- повышение степени изношенности оборудования.

К рискам регулирования относятся:

- отсутствие налоговых преференций для хозяйствующих субъектов, занимающихся изысканием новых видов энергии;

- отсутствие эффективного взаимодействия механизма государственно-частного партнерства и др.

Методы исследования. В качестве основных методов проведения исследования использованы: системный подход сбора и обработки информации, комплексный подход, методы статистического анализа, экспертных оценок, интуитивной логики, обобщения и сравнения, а также оценки экономической эффективности инвестиционных проектов. При анализе существующей нормативной базы использования водорода в России установлено, что в настоящее время чистый водород используется лишь в сервисной деятельности некоторых отраслей промышленности [9].

Все это свидетельствует об отсутствии в нашей стране эффективной промышленной политики, регулирующей производство, транспортировку, хранение и использование чистого водорода в промышленных масштабах, что существенно повлияло бы на уменьшение выбросов углекислого газа в природную среду [3] (Abu Takha, Daim, 2013).

Если проанализировать влияние налогового законодательства страны на получение экономического эффекта от внедрения новых технологий (например, подпункт 16 пункта 3 статьи 149 Налогового кодекса РФ), то увидим, что существующие нормы не стимулируют хозяйствующих субъектов в участии в инновационных процессах, что сужает сферу применения налогового стимулирования в целях разработки новых технологий по использованию возобновляемых видов энергии [5, c. 218] (Al-Bermani, 2014, р. 218).

Научно-практическая значимость исследования состоит в том, что результаты, полученные в ходе работы, могут быть использованы энергетическими компаниями для оценки сценариев развития возобновляемых источников энергии на основе технологии Power-to-H.

Результаты. Хорошо известно, что водород является самым распространенным химическим элементом и занимает в периодической таблице первое место, на его долю приходится 88,6% всех атомов, однако в чистом виде в природе водород не присутствует, его необходимо производить. Для производства чистого водорода также требуется дополнительная энергия, которая далеко не всегда производится из «чистых» источников [6, c. 102] (Bezrukikh, Bezrukikh, 2014).

Как свидетельствуют рассмотренные данные, в настоящее время водород практически не используется как источник энергии из-за его дороговизны и нормативно-правового неурегулирования вопросов производства, транспортировки и хранения [4, c. 315] (Aksyutin, Ishkov, Romanov, Teterevlev, 2021, р. 315).

Ученые, экологи и политики многих стран мира открыто заявляют о целесообразности перехода на безуглеродную экономику. Нобелевский лауреат премии мира, председатель международного комитета премии «Глобальная энергия» Рае Квон Чунгом [14] справедливо полагает что, будущей основой безуглеродной экономики является водород.

Нет необходимости говорить, что переход на водородные источники является вариантом для решения ряда проблем генерации энергии как для возобновляемых источников энергии, так и для углеводородных ресурсов. С одной стороны, производство водорода теоретически позволит преобразовывать, хранить и накапливать энергию, вырабатываемую любым основным ресурсом [11, c. 384] (Kotov, 2014, р. 384). Водород, с другой стороны, является экологически чистым энергетическим ресурсом из-за отсутствия выбросов загрязняющих веществ на этапе его сжигания. Однако водородная энергетика находится на начальном этапе развития и еще не готова к крупномасштабному и повсеместному внедрению в глобальную энергетическую систему [13, c. 164] (Meshnikov, Terunov, 2010, р. 164).

Если понятие «водородная энергетика», сформированное в середине 70-х годов прошлого века, дало толчок углубленным исследованиям и разработкам, практически заложившим основу современным технологиям водородного топлива, то сегодня все активнее используются возобновляемые источники энергии и водородная энергетика в том числе [16, c. 20] (Popel, Tarasenko, 2020, р. 20).

Проведем краткий обзор развития водородных технологий в наиболее развитых странах мира. Нетрудно заметить, что наиболее активно водородные технологии развиваются в странах, имеющих ограниченные топливные ресурсы и высокое потребление энергии.

Япония, сильно зависящая от импорта углеводородов, наиболее продвинулась в процессе внедрения водородной технологии. По принятой в 2014 году дорожной карте страна приступила к построению базирующегося на водороде общества [18, c. 38] (Shalimov et al., 2013, р. 38). Использование водорода по намеченным планам должно обеспечить рост до 10 млн т в 2050 году по сравнению с 200 т в 2018 году. Уже сегодня по японским дорогам передвигаются машины с водородным двигателем, число которых превысило 2,5 тыс. Наряду с развитием собственных источников водорода Япония прорабатывает планы по его закупкам в Австралии [19, c. 965] (Yazdani-Chamzini, Fuladgar, Zavadskas, Moyni, 2013, р. 965). Правда, это будет газ, получаемый за счет нефтепереработки. Лидерство Японии признано международным научным сообществом и министрами энергетики многих стран – на тематическую встречу Hydrogen Energy Ministerial Meeting в октябре 2018 года в Токио приехали представители 19 ведущих стран мира [20] (Barilo, 2019).

Сосед Японии КНР еще в 2014 году решением КПК страна приступила к «четырем революциям» в энергетике, ориентированной на создание безопасной и эффективной энергетической системы. По производству водорода и топливных элюентов на его основе Китай лидирует в мире. Водород открывает для Китая путь к чистой энергетике, достижению целей энергетической независимости и конкурентоспособности. Страна планирует, что к 2040 году водород будет составлять 10% китайской энергосистемы.

Согласно планам, уже к 2050 г. страна произведет 60 млн тонн в год водорода, что составит 10 % энергопотребления страны. Китайцы планируют к 2030 году обновить автопарк страны за счет производства автомобилей на водородных топливных элементах, число которых планируется довести до 2 млн машин [22, c. 15] (Brandon, Kurban, 2017, р. 15).

В 2017 году Европейский союз запустил проект «Объединенная технологическая инициатива по топливным элементам и водороду». Планируется инвестировать 1,8 млрд евро в пятилетку на энергетический переход к водородному топливу. В мае 2020 года Еврокомиссия представила план восстановления экономики после кризиса, и в нем отмечается, что водородная энергетика может стать одной из основных сфер финансирования. Общий объем финансирования водородного направления составит около € 2 млрд, из которых часть будет направлена на развитие «чистого» железнодорожного транспорта и дополнительно более € 20 млрд – на развитие «чистого» общественного транспорта [28, c. 396] (Zhiznin, Timokhov, Dineva, 2020, р. 396).

В Нидерландах создается «Водородная долина» в провинциях Гронинген и Дренте, зеленый проект получения водорода из воды с помощью возобновляемых источников энергии. Свое согласие участвовать в проекте выразили Engie, Shell, Gasunie, Nuon, BioMCN и другие участники.

Для энергетического развития Великобритания планирует добавление водорода в природный газ, используемый для отопления, так как добавление водорода в метан повышает температуру и скорость горения метано-водородной смеси, на 8–15% снижаются выбросы парниковых газов и канцерогенов.

В 2017 году в Чили запустили проект микросетей производства электроэнергии на водороде [10, с. 103] (Korneev, 2021, р. 103).

В большинстве стран принимаются программы и проекты, направленные на законодательные мотивации создания новой отрасли – водородной энергетики. Кроме тех затрат, которые несут напрямую сами государства, активно поощряется развитие различных форматов частно-государственного партнерства, и здесь можем назвать такие страны, как Япония, Германия, Нидерланды, Великобритания, Соединенные Штаты Америки, Южная Корея, Китай, Сингапур, Бельгия, Дания, Норвегия и Швеция.

Сегодня, по оценкам Водородного совета, мировой спрос на водород составляет около 116 млн тонн. При этом на чистый водород приходится 74 млн тонн в год, и еще около 42 млн тонн водорода используется при смешивании с другими видами газов [8, с. 41] (Glassli, 2014, р. 41).

Несмотря на достаточные запасы энергоносителей, Россия пытается не отставать в развитии водородной энергетики. Минэнерго России разработало дорожную карту «Развитие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года» [2], в соответствии с которой «Газпром» и «Росатом» начнут производить в России «чистый» водород уже в 2024 году. Основной целью документа является стимулирование производства и экспорта водорода на мировой рынок.

Новая энергетика особенно необходима крупным городам. По данным ООН, хотя города занимают всего 3% земной поверхности, в них проживает более половины мирового населения, городская инфраструктура потребляет до 70% производимой энергии, на нее приходится 75% выбросов углекислого газа. Все это является следствием массовой урбанизации, начавшейся с 1950-х годов, которая продолжится, как ожидается, в ближайшие десятилетия [25] (Hajiyev, Smolag, Abbasov, Prasolov, 2020). Таким образом, одна из наиболее важных проблем, с которой придется столкнуться городам, заключается в том, чтобы направить граждан к форме «чистого» потребления энергии, и измерение, над которым смогут работать лица, принимающие решения, – это декарбонизация транспорта. Для достижения этой цели электрическая мобильность может помочь сократить выбросы загрязняющих веществ на дорогах.

Россия имеет высокий уровень урбанизации – более 75% населения проживает в городах и крупных поселениях, где сосредоточены промышленные мощности и высокий уровень автомобилизации населения, что негативно сказывается на экологической безопасности, поскольку превышены допустимые нормы загрязнения окружающей среды. По оценкам экологов, только постоянно растущий автомобильный транспорт дает около 90% объема загрязняющих выбросов. Если учесть прогноз роста автотранспортных средств до 2030 года до 1,6 млрд ед., то обстановка будет только ухудшаться [26, c. 3029] (Hanley, Deane, O'Gallachoir, 2018, р. 3029).

Несмотря на отставание от передовых стран мира, наша страна имеет высокий научный и технологический потенциал, способный решать задачи водородной энергетики на уровне ведущих научных центров мира. В связи с тем, что развитие водородной энергетики достаточно затратное мероприятие и решение задач исключительно за бюджетные средства будет не совсем правильным, необходимо развитие государственно-частного партнерства, в особенности при реализации крупных инфраструктурных проектов. Мешают нам в этом высокая затратность, низкий внутренний спрос на водород и недостаточная конкурентоспособность наших технологий.

В России ситуация неоднозначная: у нас высокая доля углеводородов в энергосистеме сохранится еще достаточно долго, а декарбонизация далека от попадания в драйверы отечественной энергополитики, хотя все больше внимания уделяется возобновляемым источникам энергии и водородной энергетике в том числе. Сегодня небольшая часть энергии производится на возобновляемыет источники энергии – меньше 1%, поэтому не столь остра необходимость развития системы хранения энергии. А что касается энергобезопасности, эта система у нас одна из самых надежных, стабильных, за исключением ряда небольших районов, и подкреплена разнообразием ресурсов [23, c. 2070] (Dodds, 2015, р. 2070).

Какие преимущества есть у России для развития водородной энергетики? В первую очередь – обширные ресурсы для производства водорода: ископаемое топливо, дешевая электроэнергия, гидро- и атомная энергетика, развитая газотранспортная структура, высокий технологический уровень. По мнению исследователей, на сегодняшний день процесс производства водорода можно начать из этих составляющих:

- производство водорода из метана, такой водород называют голубым;

- производство водорода из метана, такой водород называют бирюзовым за счет применения новых технологий по минимизации выбросов углекислого газа, что значительно дешевле чистого водорода.

Все это позволяет нам стать активными игроками на рынке водородной энергетики. Несмотря на разнообразие проектов, обширность географического представления, на первый план выходят риски использования промышленного водорода и его получения из чистых источников энергетики.

Как уже отмечалось ранее, разрабатываемые документы носят не нормативный характер, а декларативный, так как упираются в проблемы промышленного производства водорода и являются энергозатратными с видимым присутствием углеродного топлива, что не решает задач выбросов в атмосферу большого количества загрязнителей. Но несмотря на это, водородная энергетика уже активно развивается, правда, пока в лабораторных условиях. Сформируем проблемные зоны водородной энергетики.

Во-первых, это получение водорода. Развивающиеся сегодня в мире восполняемые энергетические проекты, основанные на реальных научно-технических решениях, обеспечат в ближайшие годы быстрое вхождение водородной энергетики в жизнь индустриально развитых стран.

В мире насчитывается более сотни технологий производства водорода, ряд из которых уже получили распространение – это, например, химические технологии конверсии углеводородного сырья (природного газа и угля). Объем статьи не позволяет всесторонне проанализировать достоинства и недостатки имеющихся методов получения водорода, поэтому предлагается краткий сравнительный анализ (табл. 1).

Таблица 1

Сравнительный анализ методов получения водорода

Как свидетельствует анализ приведенных технологий, производство водорода возможно различными способами на основе самых разнообразных технологий. При этом не исключается использование установившихся промышленных процессов, что позволяет использовать отдельные из рассмотренных методов немедленно; некоторые методы еще находятся на стадии лабораторных исследований; отдельные требуют значительных исследований и развития.

Отдельно отмечается, что конечными потребителями водорода являются сами же производители, что обеспечивает им возможность удержания цены на высоком уровне.

Второй проблемной зоной является хранение и транспортировка водорода. Компактное и безопасное хранение водорода является важнейшей проблемой, от решения которой зависит будущее водородной энергетики.

Для промышленного использования водорода различают крупномасшабные и мелкомасштабные системы, которые должны обеспечивать безопасное его хранение. Системы хранения водорода отличаются от всех других аккумулирующих систем тем, что вынуждены работать в неблагоприятных условиях, криогенных температурах или при очень высоком давлении. В мире широко используются физические и химические методы хранения водорода, которые были предложены департаментом энергетики США.

Объем статьи не позволяет всесторонне рассмотреть все многообразие методов хранения водорода для его дальнейшего использования. Различные технологии хранения с одной стороны, влекут за собой различную структуру затрат на технологии хранения, с другой, приводят к требованиям безопасности, которые создают как проблемы, так и возможности для разработчиков. В таблице 2 рассмотрены некоторые методы хранения, их достоинства и недостатки.

Таблица 2

Сравнение способов хранения водорода

Особенных проблем с транспортировкой водорода не рассматривается. Для современных масштабов рынка водорода технологии транспортировки хорошо отработаны, и не исключено их применение и в будущем. Как показывает практика, его можно транспортировать к месту потребления в различных состояниях. При этом каждое состояние может иметь свою затратную часть, влияющую на стоимость водорода. Дальнейшее развитие водородной промышленности потребует и более совершенных технологий транспортировки водородного топлива.

Одним из возможных технологических решений представляется использование газопроводов для перемещения водорода. Сегодня различными учеными предлагаются как минимум два варианта; по уже существующим трубопроводам природного газа или/и по специальным водородным трубопроводам. Обращение к созданию специализированных трубопроводов, что достаточно затратно в начальной стадии реализации проекта, связано с тем, что традиционно используемые трубы из металла не всегда подходят из-за высокой летучести H2.

В транспортировке водорода, как и в его производстве, основное внимание сегодня уделено снижению затрат, что, на наш взгляд, будет определять темпы развития водородной энергетики.

Не менее проблем безопасности скрывается и в использовании водородного топлива. Рассматриваются варианты замены в долгосрочной перспективе нефти, природного газа и угля. Решение этих вопросов может быть осуществлено за счет наращивания объемов инвестиций в научные и прикладные исследования по разработке и внедрению новых технологий. Достаточно сказать, что при сжигании 1 кг водорода выделяется до 140 МДж энергии, что делает водород самым энергоемким источником химической энергии [27, c. 759] (Prokofieva, Erdyneyeva, Galushkin, et al., 2017, р. 759).

В энергетике водород может использоваться как природный газ, только с более высоким уровнем КПД. С вероятностью в 99% водород станет самым распространенным энергоносителем к середине XXI века. Использование водорода позволит развивать не только мощные электростанции с газовыми турбинами, но и найдет применение в домашних хозяйствах. Применение мини-электростанций снижает значительно риски обесточивания из-за повреждения ЛЭП.

Не будем исключать и другие области применения водорода, это и транспорт, и металлургия, и получение побочных продуктов для химической отрасли.

Еще одной областью применения водорода является производство синтетических газов, востребованных в химической промышленности как сырье и в общей концепции powerto-X, и в частности power-to-ammonia (электроэнергия в аммиак), или power-to-chemicals (электроэнергия в химикаты), или powerto-methane (электроэнергия в метан).

Планируемые тенденции глобального развития водородной энергетики уже сегодня требуют усиления международного сотрудничества как в области научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, так и в вопросах создания и гармонизации национальных стандартов по всем процессам. от производства до потребления водородного топлива. Необходимо формировать международную экспертную группу для надзора и контроля за безопасностью водородных технологий и т.д.

Поэтому вопросы минимизации рисков и безопасности играют ключевую роль в обеспечения развития водородных технологий.

Заключение

Водородное топливо, производимое в целях развития возобновляемых источников энергии, может стать основой безуглеродных технологий в сложнодекарбонизируемых промышленных отраслях. Однако без учета рисков и угроз использование водородной энергетики в современных условиях представляется неэффективным, не преодолена высокая стоимость водородного сырья. Для решения этих вопросов требуются и масштабные инвестиции, и усилия ученых всего мира для решения технологических проблем.

В настоящее время не существует эффективных с экономической точки зрения способов получения водорода в промышленных масштабах, поэтому вопросы снижения стоимости очень актуальны. Для снижения себестоимости производства водорода необходимо совершенствовать технологии производства, хранения, транспортировки, увеличения потребляемых мощностей, снижения стоимости первичных источников энергии. Развитие водородной энергетики сдерживается и отсутствием необходимой инфраструктуры, как мобильной, так и стационарной.

В связи с принятием плана мероприятий по развитию водородной энергетики необходимо кардинально изменить систему налогообложения, сделав упор на развитие стимулирующих функций налогового законодательства страны.

Будущее водородной энергетики, возможно, и лежит в плоскости разрешения поставленных проблем. Россия, располагающая сегодня большими природными ресурсами и мощным интеллектуальным потенциалом, должна совершить прорыв в водородную энергетику. Магистральными путями развиваться должны три элемента «образование – исследования – инновации». Для того чтобы обеспечить реализацию этих мер, необходимо совершенствование (а где-то и создание новой) нормативной базы, которая позволит обеспечить безопасное применение водорода. Предусматриваются также развитие международного сотрудничества в этой сфере и выход на зарубежные рынки.