Экономический потенциал и синергетические эффекты применения голубого и зеленого водорода в Российской Федерации

Введение

Актуальность. В последние годы изменение климата стало одной из самых обсуждаемых мировых проблем. Ещё с конца прошлого столетия начали активно предприниматься шаги по разработке институциональной среды и методов борьбы с данной проблемой. Важным драйвером для развития низкоуглеродной или безуглеродной экономики стало подписание в 2015 году Парижского соглашение, на основе которого государства поставили перед собой цель разными методами достичь углеродной нейтральности к 2030-2060 гг. [25] [34]

Одним из важных элементов решения проблемы изменения климата является водородная энергетика, являющаяся одним из ключевых направлений развития возобновляемых источников энергии. Водородная энергетика имеет высокий потенциал и по оценкам международных энергетических агентств к 2050 году водород может обеспечить до пятой части мировых энергетических потребностей и создать рынок стоимостью 2,5 триллиона долларов США [7]. Фактически водород станет альтернативой ископаемым источникам энергии.

Важным аспектом формирования и развития водородной энергетики также можно назвать CCUS-технологии (прим. CCUS - англ. Carbon capture, use, and storage - Улавливание, использование и хранение углерода), которые по заявлению Международного энергетического агентства (МЭА) способны улавливать до 90% выбросов промышленных объектов [1]. В данном контексте CCUS-технологии, улавливая существенные выбросы углекислого газа, очищают произведённый водород от углеродного следа, что позволяет государству выполнять свои климатические обязательства. Однако все еще остается открытым вопрос о развитии CCUS-технологий для формирования отрасли низкоуглеродной водородной энергетики в РФ.

Изученность темы исследования. Перспективам развития водородной энергетики в Российской Федерации посвящены исследования таких отечественных авторов, как: Линника Ю. Н., Фаляховы Е. Д [23], Городновой Н. В. [6], Размановой С. [14], Саитовой А.А, Ильинского А.А. [20] и др. [12] В своей статье Карасевич В.А., Елистратов В.В., Лопатин А.С., Мингалеева Р.Д., Терников О.В., Путилова И.В. [10] анализировали технологические аспекты развития водородной энергетики в России и пришли к выводу, что Российская Федерация будет самостоятельно разрабатывать собственные технологии в области производства, транспортировки и утилизации водорода. Шуранова А. и Чистиков М. в своём исследовании пришли к выводу, что благодаря развитию водородных технологий Россия сможет получить значительные геоэкономические преимущества и укрепить свой технологический суверенитет. [15] Такие зарубежные исследователи, как Дуракович Г., Креспо Дель Гранадо П., Томасгард А. в своей статье, посвященной вопросу конкуренции рынков зелёного и голубого водорода пришли к выводу, что производство голубого водорода даёт заметные преимущества, а в долгосрочной перспективе эти два вида водорода могут эффективно сосуществовать на рынке, не оказывая негативного влияния друг на друга. [4]

Научный пробел заключается в том, что несмотря на активное развитие водородной энергетики в мировой практике, отсутствует систематизированное исследование синергетических эффектов применения голубого и зелёного водорода для углеродоёмких отраслей производства.

В связи с чем настоящее исследование направлено, во-первых, на анализ институциональной среды как основы развития водородной энергетики, во-вторых, на систематизацию экономических и технологических перспектив и барьеров развития водородной энергетики в РФ, в-третьих, на анализ возможностей применения технологий улавливания, хранения, использования и транспортировки СО₂ для развития водородной энергетики, а также на способы декарбонизации с помощью водородных технологий.

Научная новизна исследования заключается в комплексном подходе к анализу потенциала водородной энергетики в Российской Федерации с учетом международного опыта и национальной специфики. В данном исследовании систематизированы перспективы и барьеры внедрения технологий голубого и зеленого водорода в различных секторах российской экономики, а также изучены возможности применения CCUS-технологий для повышения конкурентоспособности России на международном энергетическом рынке.

Целью исследования стал обзор технологий и состояния водородной энергетики на примере мирового опыта, а также анализ перспектив и барьеров использования и внедрения проектов голубого и зелёного водорода в РФ для достижения углеродной нейтральности и сохранения конкурентоспособности российских углеродоемких секторов экономики.

Для достижения поставленной цели в ходе исследования ставились и решались следующие задачи:

1. Анализ мирового законодательства, способствующей развитию водородной энергетики;

2. Систематизация основных типов водорода;

3. Анализ экономических и технологических перспектив и барьеров внедрения водородной энергетики в Российской Федерации;

4. Анализ синергетических эффектов при использовании водородных проектов для углеродоемких отраслей экономики.

Гипотеза заключается в том, что развитие водородной энергетики в Российской Федерации приведёт к появлению значительного синергетического эффекта, выраженного в развитии смежных отраслей экономики, а также их дальнейшую декарбонизацию.

Формирование институциональной среды, регулирующей водородную энергетику

Парижское соглашение стало одним из главных стимулов развития низкоуглеродной энергетики, и водородной в том числе. Европейский зелёный курс, принятый в 2020 году, стал важным шагом, для чего было выделено 1 трлн. евро на ближайшие 10 лет. На первом этапе до 2030 г. Выбросы СО2 будут снижены на 55% относительно уровня 1990 года, доля ВИЭ в энергобалансе вырастет до 40%, а потребления угля и нефти снизится на 25-30%. Китай, в свою очередь, инвестировал почти 900 млрд. долларов в возобновляемые источники энергии и топлива с 2009 года, к 2050 году доля ВИЭ в общем энергобалансе составит 85% [8] [30]. Серьёзным шагом стимулирования развития водородной экономики стало и создание Европейской системы торговли выбросами (ETS), позволяющая предприятиям покупать и продавать квоты на выбросы, а также пограничная корректировка выбросов углерода CBAM (Carbon Border Adjustment Mechanism), устанавливающая цену на углерод, который выделяется при производстве углеродоемких товаров [34]. На фоне данных событий начало развиваться законодательство и в других развитых и развивающихся странах: начали вводиться углеродные налоги, законы о тарификации загрязнения парниковыми газами и аналогичные системы торговли выбросами.

На основе данных событий большинство стран представили свои цели климатической политики: в основном это достижение углеродной нейтральности к 2050-2060 г. и сокращение выбросов на 35-60% к 2030 году от уровня 1990 или 2005 г. [21]

Однако, видя существенный потенциал в развитие водородной энергетике, государства разработали ещё и водородные стратегии, представленные в таблице ниже.

Если говорить о водородных стратегиях, то в данном случае государства ориентируются на количество потребления водорода, экспорт и виды водородных проектов, разрабатываемых на основе существующей или формирующейся инфраструктуры. К примеру, Европейский союз, Германия и Япония своей целью обозначили наращения производства зелёного водорода. У каждого государства есть определённая уровень производства, который должен быть достигнут к 2030-2050 гг. Норвегия и Нидерланды планируют расширение мощностей электролиза и производства не только зелёного, но и голубого водорода при помощи CCUS-технологий. Китай, в свою очередь ориентируется на значительное внутреннее потребление и импорт зелёного и голубого водорода. Российская Федерация только начала свой путь в формировании законодательства, однако ориентируется как на внутренне потребление, так и на экспорт.

В данный момент водород производится в основном за счёт невозобновляемых ресурсов, таких как: нефть, уголь и природный газ. Всего существует 4 основных типа получения водорода:

1. Зеленый водород, который производится на основе электролиза. [31] Зеленый водород считается чистым источником энергии, поскольку он использует такие источники энергии, как ветер и солнце, которые не выделяют парниковых газов при выработке электричества. Зеленый водород является основным для водородной экономики в целом, но на данный момент является самым дорогим.

2. Жёлтый водород – получают также с помощью электролиза, однако источником электроэнергии является атомная электростанция.

3. Серый водород - производится с помощью ископаемого топлива, к примеру газа или угля. На долю серого водорода приходится около 90% водорода, производимого в мире. [13] Два основных метода производства - паровой риформинг метана и газификация угля. Однако, стоит отметить, что серый водород не считается низкоуглеродным топливом ввиду существенных выбросов углекислого газа в атмосферу.

4. Голубой водород – получается из углеводородов и водяного пара с применением технологий CCUS (улавливания, хранения и использования углекислого газа). [20] [30] Два основных метода производства - паровой риформинг метана и газификация угля, оба с улавливанием и хранением углерода. Голубой водород похож на серый, за исключением того, что большая часть выбросов CO2 секвестрируется. А главное преимущество процесса "голубого водорода" заключается в том, что в настоящее время он позволяет быстрее получать больше дешёвого водорода.

На Рис.1 можно увидеть цепочку получения некоторых типов водорода на основе ВИЭ и ископаемых источников энергии.

Рис.1 Цепочка производства водорода на основе различных источников энергии. Составлено авторами (прим. CCUS - англ. Carbon capture, use, and storage - Улавливание, использование и хранение углерода)

Общая мощность трубопроводов для голубого водорода в настоящее время составляет 8 млн тонн в год, что составляет более 10% от общей мощности по производству низкоуглеродистого водорода.

Поскольку CCUS является ключевой технологией для проектов по производству голубого водорода, такие лидеры энергетического рынка, как Energean, Shell и Equinor, развивают технологии улавливания CO2 при производстве голубого водорода.

Экономические перспективы использования водородной энергетики в Российской федерации

Российская Федерация также стремительно начала свой путь развития водородной энергетики. Россия приняла Парижское соглашение в 2019 году и активно начала разрабатывать собственное законодательство и долгосрочную водородную стратегию, и в последние 5 лет водородная энергетика стала стратегическим направления развития национальной экономики.

В 2020 году была утверждена дорожная карта развития водородной энергетики, благодаря которой реализуются пилотные водородные проекты, также создаётся и совершенствуется нормативно-правовая база. В рамках всех шагов развития Российского водородного законодательства были созданы 4 кластера:

1. Северо-Западный кластер с ориентацией на экспорт в страны Евросоюза.

2. Восточный кластер с ориентацией на экспорт в Азию и развитие водородных инфраструктур в сфере транспорта и энергетики.

3. Арктический кластер с ориентацией на создание низкоуглеродных систем энергоснабжения территорий Арктической зоны РФ и экспорт водорода.

4. Дополнительно может быть создан Южный кластер, который в качестве источника энергии и ресурсов будет базироваться на природном газе и ВИЭ. [24] [28]

До 2021 года в Российской Федерации существовала тенденция несущественного прироста производства водорода, несмотря на многие политические события, препятствующие стремительному развитию водородной энергетики, на 2023 год объём производства составил 2,4 млрд. кубических метров, как мы можем наблюдать на рис. 2.

Рис. 2 Объем производства водорода в России с 2018 по 2023 гг. Источник: [16] [18]

Помимо этого, будут созданы региональные кластеры, в основном ориентированные на экспорт голубого и зелёного водорода, преимущественно в страны Азии. Согласно прогнозам аналитических бюро, водородный рынок в РФ будет стремительно развиваться и к 2035 году составит 2,21-3,87 млрд. долларов (Рис.2). [3]

Рис.3 Прогноз роста российского рынка систем накопления электроэнергии в водородном цикле для экспортных поставок водородного топлива. Источник: [3] [5]

Российские энергетические компании также не остались в стороне и также объявили о своих водородных проектах, которые будут реализованы в ближайшем будущем. К примеру, Росатом в 2025 году на Сахалине планирует запустить проект «Голубой водород/аммиак», предполагающий производство методом паровой конверсии метана с улавливанием CO₂ [32]. К 2030 году планируется выйти на уровень ежегодного выпуска 100 тыс. т водорода. Газпром энергохолдинг планирует производство зелёного водорода с использованием ГЭС. Компанпия “H2 Чистая энергетика” планирует запускать проекты по зелёному водород в Мурманской и Сахалинской областях.

Стоит отметить, что Российская Федерация является одним из лидеров по запасам газа, поэтому интерес в развитии рынка производства голубого водорода только растёт, и в долгосрочной перспективе сможет занять лидирующие позиции и на рынке голубого водорода, так как на протяжении многих десятилетий выработалась инфраструктура для транспортировки газа, которую возможно адаптировать под транспортировку водорода.

Развивая водородную энергетику, и в том числе направление производства голубого водорода РФ получит следующие положительные эффекты: соответствие государства мировым экологическим трендам, что особенно важно для международной торговли ископаемыми ресурсами, высокий экономический эффект и привлечение иностранного капитала. Также для РФ производство голубого водорода станет выгодным ввиду относительно низкой себестоимости производства, высокой конкурентоспособности на мировых энергетических рынках по причине наличия значительной ресурсной базы и потенциальных мест захоронения СО2, однако для этого нужны серьёзные капиталовложения в создание собственных проектов и разработок по использованию CCUS-технологий. [26]

Синергетические эффекты от использования водородной энергетики

Несмотря на масштабные планы 2021 года и ориентацию на экспорт, политические события и санкционное давление существенно поменяло прогнозные значения по экспортной выручке голубого и зелёного водорода.

Таким образом, стоит понимать, что развитие водородных проектов может иметь положительный экономический эффект и на внутреннем рынке, так как водород также может играть существенную роль в декарбонизации углеродоёмких отраслей, потому что является чистым и универсальным энергоносителем. В 2023 году представители Минэнерго подтвердили фокусировку развития водородной энергетики на внутренний рынок [29], также правительство РФ будет компенсировать 70% затрат на разработку технологий, производства и хранения водорода [27]. Исходя из этого рассмотрим основные отрасли, которым водород может помочь стать низкоуглеродными.

Сталелитейная и железорудная промышленность. По данным Worldsteel Россия занимает 5 место по объёмам производства стали в мире в 2023 году и сбавлять обороты, несмотря на все экологические тренды, не собирается, так как сталь является в различной инфраструктуре, медицинском и энергетическом оборудовании и других отраслях экономики [9] Однако, по оценкам МЭА прямые выбросы СО2 при производстве сырой стали составляют от 1,4 до 1,85 тонн СО2 на тонну произведённого продукта. [17]

На помощь может прийти технология DRI (прим. Англ. – Direct reduced iron) – технология прямого восстановления железа с помощью углерода и водорода, получаемых из газа или природного угля, то есть на основе голубого водорода [2] Производство DRI на основе водорода близко к коммерческой зрелости и реализации и с каждым годом появляется всё больше мировых DRI-проектов.

Но несмотря на все положительные моменты, крупные технологические проекты в данной области могут столкнуться с рядом насущных проблем, таких как: потребность в высокосортной железной руде и крупным поставкам водорода, что на данный момент является достаточно капиталоёмким процессом.

Химическая промышленность. Российская Федерация является одним из крупнейших экспортёром химической продукции в мире. В 2023 году общий объём экспорта составил около 30 млрд. долларов [22]. Но стоит отметить, что химический сектор – крупный потребитель энергии и является третьим по величине выбросов СО2 подсектором промышленности.

Для химической промышленности существует несколько основных способ декарбонизации: от повышения энергоэффективности до методов циркулярной экономики, но также не стоит забывать, что здесь могут помочь CCUS-технологии, которые уже активно используются не только в нефтегазовой отрасли, но и в химической промышленности. Следовательно, данная отрасль может активно задействовать голубой водород для достижения своей углеродной нейтральности.

Также некоторые органические вещества, такие как метанол также могут производиться за счёт водорода, но уже зелёного. К примеру, в правительство Чили утвердило первый проект по производству такого метанола, Швеция также заявила о строительстве подобного крупного завода, который планируется запустить в 2024 году. На фоне стремительного развития химической промышленности в совокупности с развитием возобновляемых источников энергии, компания Engie представила проект «электронного метанола» на основе зелёного водорода и биогенного СО2. [9]

Можно предложить, что по мере изучения и удешевления технологий производства зелёного водорода, в химической отрасли со временем будут появляться всё больше видов производства углеродонейтральных химических продуктов на основе ВИЭ, в том числе зелёного и голубого водорода.

Судоходство. Несмотря на все санкции и жёсткие ограничения для судоходства в Российской Федерации, данная отрасль продолжает развиваться и оставаться востребованной для торговли со стратегическими партнёрами. Отдельное внимание стоит уделить стремительно развивающемуся Северному Морскому пути, который является драйвером развития торговли и транспортировки полезных ископаемых и других экспортно-ориентированных товаров, поэтому декарбонизация судоходства в ближайшем будущем станет остроактуальной проблемой для нашего государства. [33]

В транспортном секторе судоходство занимает третье место по объёму выбросов СО2 и составляет 11% от общего объёма, уступая только пассажирским автомобилям и сухопутным грузоперевозкам.

Судоходству также может помочь производимый водород, однако для этого потребуются значительные объёмы производства водорода. Также на данный момент существует ряд технологических ограничений, препятствующих развития данного направления декарбонизации, такие как: низкая плотность водородной энергии, что увеличит потребность в хранении на борту судна, а также высокая капиталоёмкость оборудования, так как исторически все суда используют ДВС, которые требуют колоссальные объёмы топлива для дальних перевозок товаров.

Несмотря на все отрицательные моменты и отсутствия опыта применения водородного топлива на крупных морских судах, транспортные компании активно инвестируют средства в использование оборудования на голубом и зелёном водороде для паромов и небольших судов, поэтому можно смело утверждать, что декарбонизация крупных морских перевозок – вопрос времени.

Резюмируя, можно сказать, что развитие водородной энергетики может оказать мультипликативный эффект на многие экономические отрасли, способствуя модернизации углеродоёмких отраслей и появлению высокотехнологичных производств, что в свою очередь открывает возможности для стабильного выхода на международные рынки, где требования по снижению углеродного следа становятся всё жёстче.

Заключение

Проблема изменения климата, повлекшая за собой глобальные изменения, стала драйвером развития законодательства и рынка водородной энергетики как во всём мире, так и в Российской Федерации. Многие страны разработали собственные водородные стратегии, ориентированные на производство и экспорт зелёного и голубого водорода. Помимо основной водородной энергии, такие отрасли, как сталелитейная, химическая промышленность и судоходство также могут быть декарбонизированы за счёт водородных проектов. В Российской Федерации особо актуальным направлением развития энергетики станет голубой водород, получаемый с помощью применения технологий CCUS, который в будущем будет значительно дешевле зелёного, а в долгосрочной перспективе РФ сможет стать одним из лидеров на рынке голубого водорода.

В данном исследовании была подтверждена гипотеза и раскрыт экономический потенциал водородной энергетики в сталелитейной, химической промышленности и судоходстве, что способствует развитию внутреннего водородного рынка, а также повышению конкурентоспособности российских энергетических компаний в условиях глобального энергоперехода. Однако для более эффективного внедрения водородных технологий требуется время для создания всей необходимой инфраструктуры и совершенствование нормативно-правовой базы.