Проблемы формирования глобального водородного рынка

Введение

В настоящее время вопрос глубокой декарбонизации экономики среди многих государств и компаний стоит достаточно остро. Борьба с изменением климата направлена на снижение выбросов парниковых газов, образующихся в результате деятельности человека. Наибольшую нагрузку на окружающую среду оказывают энергетические системы, поскольку основной объем эмиссии углекислого газа связан с сжиганием ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ). Мировое сообщество заинтересовано в развитии и внедрении различных технологий, позволяющих сократить выбросы. Например, повышение ресурсоэффективности производств, распространение возобновляемой энергетики, использование технологии улавливания и утилизации углекислого газа. Однако одним из наиболее перспективных направлений декарбонизации является применение низкоуглеродных энергоносителей, в том числе водорода.

Цель данного исследования состоит в анализе положений и результатов имплементации стратегий, а также направлений данных стратегий, направленных на достижение приоритетных целей в области декарбонизации экономики за счет внедрения и распространения водородной энергетики. Научная новизна работы состоит в результатах проведения сравнительного анализа стратегий в области водородной энергетики и выявлении инструментария и механизмов достижения приоритетных целей данных стратегий в странах Европейского союза, Австралии, Японии, Канады и Российской Федерации. Рабочей гипотезой выступает тезис об имплементации стратегий в области водородной энергетики и достижении приоритетных целей в процессе государственно-частного партнёрства, а также интеграции венчурных фондов.

Материалы и методы

В теоретическом аспекте данной работы использован монографический метод, а также метод системного анализа. В эмпирическом аспекте данной работы использованы методы сравнения при проведении анализа национальных стратегий в области водородной энергетики.

Результаты

Теоретическое осмысление и анализ национальных стратегий в области водородной энергетики позволили сформулировать рекомендации и выявить особенности в достижении приоритетных целей, а также определить форму взаимодействия государственно-частного партнёрства с интеграцией венчурных фондов.

Технологии производства и использования водорода

Водород — самый распространенный элемент на поверхности Земли, при этом в «чистом» виде он не встречается, поэтому для его производства необходимы сырье и энергия. Данное вещество обладает высокой теплотой сгорания, а побочным продуктом в реакции горения в кислороде является вода, т.е. не происходит эмиссии парниковых газов [1]. Водородная энергетика играет ключевую роль в уменьшении углеродного следа многих секторов (промышленность, энергетика, транспорт), а международные аналитические агентства прогнозируют сценарии увеличения доли водорода в конечном энергопотреблении.

Мировое потребление водорода в 2020 году составило около 90 млн т [2], при этом наибольшее использование приходится нефтепереработку и промышленность. По оценкам Международного энергетического агентства (МЭА) к 2030 году ожидается увеличение спроса на водород в химической отрасли (для производства аммиака и метанола), в секторе черной металлургии (замена природного газа и угля в доменных печах) и транспорте (применение водородных топливных элементов). На сегодняшний день водород не получил широкого распространения в энергетическом секторе, на его долю приходится около 0,2% от всего производства электроэнергии в мире [2]. Это связано с ограничениями в работе газовых турбин, работающих на водородосодержащем топливе. В настоящее время активно ведутся научные разработки двигателей, использующих 100% водород, которые должны быть коммерчески доступны в ближайшие годы. Таким образом, МЭА прогнозирует увеличение спроса на водород ввиду климатической повестки, появления новых секторов потребления, снижения затрат на производство и улучшения технологий его использования (рисунок 1).

Рисунок 1 – Потенциальные отрасли использования водорода

Источник: Составлено авторами на основе [2]

По данным за 2020 год основным источником сырья для производства водорода являлся природный газ – 48%, из нефти произведено около 30% водорода, из угля – 14%, и только 4% приходится на электролиз воды. В структуре производства в настоящий момент преобладает органическое топливо, т.е. всю водородную энергетику нельзя отнести к экологически чистой [3]. Углеродный след конечного продукта зависит от источников сырья, энергии и технологии производства. Около 80% водорода получают методом парового риформинга метана («серый» водород). Данный процесс сопровождается значительными выбросами углекислого газа [4]. Для того чтобы уменьшить углеродный след при производстве возможно применение технологии улавливания и утилизации углерода CCUS (Carbon Capture Utilization and Storage), которая позволяет предотвратить до 90% выбросов СО₂ в атмосферу. Получаемый таким способом водород называют «голубым» [5]. При этом важно учитывать степень улавливания и дальнейшую утилизацию СО₂, т.к. от этого зависит углеродный след конечного продукта. В условиях недостаточного опыта захоронения углерода в подземных резервуарах стоит вопрос о безопасности и надежности данного метода (возможность появления утечек и непредсказуемость «поведения» углекислого газа в недрах в течение сотен лет). Поэтому в настоящее время наибольший объем улавливаемых парниковых газов идет на увеличение нефтеотдачи. До мест захоронения углерод транспортируется по системе трубопроводов под давлением. Затраты на его транспорт зависят от объема перекачки и составляют от 1 до 8 долл. за тонну СО₂. Таким образом, полный цикл производства «голубого» водорода в настоящее время не получил широкомасштабной коммерциализации ввиду сложности и дороговизны внедрения технологии CCUS [6].

Получение «зеленого» водорода методом электролиза воды сопровождается минимальным углеродным следом, поскольку в качестве источника энергии используются ВИЭ [7]. На сегодняшний день себестоимость водорода, полученного из воды с применением ВИЭ, составляет около 2-6 долл. за 1 кг, при этом производство водорода из природного газа обходится в среднем 1,5-3,5 долл. за 1 кг по данным МЭА [3]. Стоимость производства водорода зависит от цен на сырье и энергию, квот на выбросы углекислого газа, субсидий и налогового окружения, и является уникальной для каждого региона. Для определения стоимости производства «зеленого» водорода необходимо также учитывать стоимость электролизеров и их тип (щелочной или мембранный) и коэффициент использования установленной мощности (КИУМ), который находится в прямой зависимости от КИУМ ветровых и солнечных электростанций, вырабатывающих энергию [8].

Согласно прогнозам, в долгосрочной перспективе при усовершенствовании технологий и активном государственном стимулировании развития водородной энергетики произойдет значительное снижение себестоимости производства «голубого» и «зеленого» водорода. При этом ожидается подорожание «серого» водорода, преимущественно за счет введения ценообразования на СО₂. Большинство сценариев прогнозируют коммерческую конкурентоспособность «голубого» водорода в ближайшем десятилетии за счет масштабирования и усовершенствования технологий его производства, а природный газ как сырье будет предпочтительнее до тех пор, пока доля ВИЭ в электроэнергетике не достигнет 60-70% [6].

Инфраструктура глобального водородного рынка

Крупномасштабное развитие водородной энергетики требует создания комплексной системы хранения и транспортировки, которая бы позволила соединить места его производства с центрами спроса. Согласно анализу МЭА трубопроводный транспорт является наиболее экономичным для расстояний 1500-3000 км в зависимости от пропускной способности трубопровода. Для более значительных расстояний предпочтительнее транспортировка в связанном (в аммиаке или в органических носителях) или в сжиженном состоянии на крупнотоннажных морских танкерах [2].

Технологии транспорта водорода по трубопроводам применяются уже не одно десятилетие. Существующая инфраструктура представляет собой закрытую систему для поставки водорода крупным промышленным потребителям [9]. В мире насчитывается около 5000 км действующих водородопроводов, более 90% из них расположены в Европе и США. Сооружение трубопроводов для транспорта больших объемов водорода требует значительных инвестиций, поэтому перспективным решением является использование уже существующей инфраструктуры, созданной для природного газа [2]. Таким способом водород может быть транспортирован как в чистом виде (перепрофилирование газовых труб) так и в виде газовой смеси в действующих системах [10]. К примеру, по оценке «Газпром экспорта», в магистральном газопроводе «Северный поток» допустимо подмешивание до 70% водорода в природный газ. Ограничения связаны с особенностями работы оборудования и безопасностью эксплуатации системы [11]. В краткосрочной перспективе подмешивание водорода в перекачиваемый газ может способствовать развитию торговли и снижению стоимости создания региональных водородных сетей.

Другим способом перевозки водорода является его транспортировка в морских танкерах [9]. Технология схожа с индустрией сжиженного природного газа (СПГ), однако является более дорогостоящей. Необходимы энергозатраты на сжижение, сооружение многослойной изоляции для поддержания сверхнизкой температуры (-253°С), а поскольку разница температур с окружающей средой очень велика – потери продукта неизбежны [12]. Поэтому для крупномасштабных проектов рассматриваются другие варианты: химическое связывание водорода в аммиаке или в ненасыщенных ароматических носителях LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier), что позволит упростить процесс сжижения [1]. Таким образом, стоимость перевозки водорода будет зависеть от темпов развития технологий морского транспорта.

Для активно развивающейся водородной энергетики необходимо создание инфраструктуры для хранения больших объемов продукта. Закачка водорода в подземный пласт – перспективная технология, которая уже многие десятилетия используется в индустрии природного газа. Соляные пещеры обладают наилучшими свойствами для обеспечения высокой скорости закачки и отбора продукта. В настоящее время функционируют четыре подобных проекта – три в США и один в Великобритании. Однако на стадии разработки находятся несколько пилотных проектов соляных хранилищ водорода в Европе (Нидерланды, Германия, Швеция, Франция и Великобритания). Их запуск ожидается в середине 2022 года [2]. Существуют и другие разработки способов хранения водорода – в водоносных пластах, в криогенных резервуарах, с использованием материалов (межузельные соединения водорода с металлами, жидкостные и поверхностные методы), все они находятся на ранних стадиях исследования и требуют инноваций для масштабного применения [5].

Хотя «зеленый» водород и относится к наиболее эффективному способу хранения возобновляемой электроэнергии и позволяет обеспечить баланс в ее производстве и потреблении, ключевой проблемой развития глобального водородного рынка остается неопределенность в объемах торговли данным видом топлива [8]. Кроме того, на данный момент не сформирована география торговли водородом, что не позволяет определить глобальный и региональный характер рынка. Одним из путей развития водородной энергетики является ее построение по модели газовой отрасли, для которой свойственна централизация при добыче. При этом важно отметить, что производство «зеленого» водорода не зависит от расположения источников сырья, поскольку источником электроэнергии являются ВИЭ. Из этого следует, что для водородного рынка характерны децентрализация, разнообразие масштабов производства (крупнотоннажные и локальные мощности) и потребления (отрасли промышленности, транспорт, теплоэнергетика), что требует тщательного анализа и оценки принимаемых стратегических действий [13].

Механизмы поддержки и их вклад в становление отрасли

В настоящее время помимо барьеров на этапах производства, транспорта и хранения водорода, основным вопросом остается неопределенность в механизмах поддержки новой отрасли, несмотря на то, что энергетическая политика многих стран включает реализацию водородной стратегии и стремление к углеродной нейтральности. Общий размер рынка производства водорода в 2020 году оценивался в 129,6 млрд долл. по данным агентства Precedence Research [14]. Для реализации полного потенциала водорода требуются прямые инвестиции в размере 700 млрд долл. к 2030 году, а для осуществления этого финансирования необходима четкая политика регулирования, нормативно-правовая база и поддержка водородных проектов на ранней стадии развития. Устранение чрезмерных законодательных барьеров (упрощение процессов выдачи разрешений или лицензирования компаний) позволит стимулировать производство низкоуглеродного водорода. Снижение политических рисков возможно за счет создания долгосрочных целевых показателей, дорожных карт или водородных стратегий, что обеспечит возможность прогнозирование рынка и отрасли в целом, а неопределенности в отношении ценообразования на водородном рынке могут быть устранены путем государственных контрактов, например CFD (Contracts for difference) [15].

На текущий момент более 30 стран уже внедрили водородные стратегии для достижения климатических целей и обеспечения декарбонизации экономик (таблица 1). Ключевым игроком на глобальном рынке водорода является Европейский союз, где реализуются национальные программы и пилотные проекты водородной энергетики [16]. К примеру, Германия заявила о стремлении к отказу от ископаемого топлива, увеличению мощностей ВИЭ и финансовую поддержку проектов по производству «зеленого» водорода; стратегия Франции рассчитана на развитие электролиза как основного метода производства водорода; а Великобритания намерена к 2030 году создать 5 ГВт мощностей по производству низкоуглеродного водорода для замены природного газа в энергетике и промышленности. При этом приоритет «зеленому» водороду в Европейском союзе отдается за счет активного развития проектов солнечных и ветряных электростанций, а также ввиду лидирующих позиций промышленности по производству электролизеров. Правительства США, Канады, Японии, Австралии и Южной Кореи также рассматривают водород как неотъемлемую часть процесса декарбонизации экономик [6].

Таблица 1 – Сводный обзор стратегий в области водородной энергетики

К основным механизмам стимулирования водородной энергетики, помимо национальных стратегий развития данной отрасли, относятся различные международные инициативы, объединяющие крупнейшие бизнесы. Наиболее известным является Водородный Совет (Hydrogen Council), в который входят ведущие энергетические, транспортные, промышленные и инвестиционные компании. Целями Водородного Совета являются ускорение инвестиций и коммерциализации водорода, координация проводимых исследований и укрепление международных связей и партнерств в водородной промышленности [19]. Венчурные фонды также играют важную роль в развитии водородной энергетики за счет вложений в технологичные проекты и водородные стартапы. В 2021 году финансирование водородных технологий достигло рекордного значения и составило 694 млн долл. Крупные инвесторы из сферы энергетики и чистых технологий видят большой потенциал в рыночных возможностях водорода, однако, на данный момент большая часть средств поступает от государственных корпораций [20].

Развитие водородной экономики и стремление углеродной нейтральности вносят позитивный вклад в реализацию Целей Устойчивого Развития (ЦУР). Отказ от сжигания ископаемого топлива снижает загрязнение воздуха и положительно влияет на показатели здоровья людей, появление новых отраслей внутри водородного сектора обеспечивает рабочие места и создает возможности для равенства и инклюзивности. Развитие водородной инфраструктуры в транспорте, отоплении и энергообеспечении зданий позволяет создавать устойчивые города и населенные пункты. Таким образом, водородная политика может оказать положительный эффект на социальные ценности и принести пользу обществу (рисунок 2).

Рисунок 2 – Механизмы поддержки водородной энергетики и возникающие эффекты

Источник: Составлено авторами на основе [15, 19]

Заключение

Развитие водородной отрасли и использование водорода как низкоуглеродного энергоносителя в настоящий момент является одним из главных направлений в сокращении выбросов парниковых газов и декарбонизации экономики. Данная сфера находится на начальном этапе своего формирования, поэтому ее развитие сопровождается высокой степенью неопределенности. Поскольку водород не является первичным энергоносителем, его производство – это сложный технологический процесс, требующий большого объема ресурсов и энергии. В настоящее время существует множество технологий получения водорода, находящихся в разных стадиях промышленной апробации, характеризующихся различным углеродным следом и конкурентоспособностью по стоимости. Внедрение инноваций и развитие технологий будет способствовать постепенному удешевлению процесса производства, а введение сертификации водорода по углеродному следу позволит сформировать у ключевых стейкхолдеров прозрачное понимание ценности и вида конечного продукта.

В зависимости от географии и объемов торговли необходимо сооружение комплексной инфраструктуры по транспорту и хранению водорода от мест его производства до конечных потребителей. Данное вещество характеризуется повышенной взрывоопасностью, испаряемостью и химической активностью, поэтому разработка стандартов промышленной безопасности и технического регулирования должны стать приоритетным аспектом в этом направлении. На данном этапе развития водородной энергетики происходит формирование отраслевой структуры и модели потенциального рынка. Крупнейшие игроки оказывают большое влияние на ее становление за счет разработки стратегических программ и запуска пилотных проектов. Водородная энергетика характеризуется различиями в технологической структуре и конструкции будущего рынка, поэтому она не может быть рационально спроектирована по образцу нефтегазовой отрасли, однако, на начальном этапе использование существующих наработок позволит сформировать практическое представление о новой отрасли.

Таким образом, водородная энергетика может внести позитивный вклад в реализацию целей устойчивого развития и стать не только перспективным инструментом в борьбе с изменением климата, но и драйвером усовершенствования технологий и международного сотрудничества, а также возможностью для социального развития, предоставляя новые рабочие места и повышая социально-экономический уровень населения.