Методологические подходы к экономической оценке применения водородного топлива в транспортной сфере

Введение

За последние несколько лет в мировой энергетической политике наблюдается рост влияния экологических вызовов и развития новых технологий. Политики и бизнесмены во всем мире постепенно приходят к осознанию необходимости принятия мер по смягчению последствий климатических изменений.

Согласно данным International Energy Agency (IEA), на протяжении периода с 1990 по 2020 г. наблюдается рост выбросов СО₂, связанных с энергетической отраслью. Данные представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Глобальные выбросы СО₂ за период 1990–2021 гг. (гигатонны) Источник: [14].

В 2018 году Межправительственной группой экспертов по изменению климата (далее – МГЭИК) был представлен специальный доклад Global Warming of 1,5 °С (в переводе с англ. «Глобальное потепление на 1,5 °С), в котором утверждается, что вызванное деятельностью человека потепление достигло порядком 1 °C (приблизительно, от 0,8 °C до 1,2 °C) выше доиндустриального уровня в 2017 году, повышаясь на 0,2 °C (приблизительно, от 0,1 °C до 0,3 °C) за десятилетие [6].

И.А. Макаров при рассмотрении ключевых проблем изменения климата выделяет основные последствия негативного воздействия изменения климата на мировую экономику:

1. Значительное воздействие на производство сельскохозяйственных культур. Повышение температуры воздуха на 1°C может негативно сказаться на урожайности различных сельскохозяйственных культур (например, уровень воспроизводства пшеницы, риса и кукурузы может снизиться на 10%).

2. Подъем уровня моря за счет таяния ледников повлекут за собой рост числа наводнений и ураганов, что, в свою очередь, повышает риски для прибрежных и островных территорий.

3. Увеличение частоты природных катастроф: штормов и ураганов, наводнений, засух, колебаний температур.

4. Прямое и косвенное негативное воздействие на состояние здоровья населения планеты. Прямой эффект заключается в увеличении заболеваемости и смертности в связи со сложностью приспособления организма к новым климатическим условиям, возникновением очагов опасных заболеваний. косвенный – в увеличении заболеваемости и смертности из-за сельскохозяйственного недопроизводства, а также нехватки пресной воды в ряде регионов. Опасности для здоровья человека таятся также в расширении на север очагов ряда опасных тропических заболеваний [3].

Ответом мирового сообщества на климатические изменения стала разработка политики декарбонизации, целью которой является сокращение выбросов парниковых газов в мировой экономике и предупреждение негативных последствий глобального потепления.

Основная часть

В рамках содействия снижению углеродного следа на общемировом уровне предпринимаются меры по сокращению эмиссий парниковых газов. В 2015 году было принято Парижское соглашение, целью которого являются сдерживание роста средней температуры на уровне не выше 1,5 °С, адаптация к последствиям изменения климата, а также достижения экономики с нулевым уровнем выбросов к 2050 году, путем перехода на низкоуглеродное развитие. Все страны участницы (189 государств, в том числе – Россия), согласно принципу национально определяемых вкладов, ставят перед собой цели по сокращению нетто-выбросов СО₂ и других парниковых газов в атмосферу на период до 2030 года. Например, Россия установила для себя цель по снижению выбросов парниковых газов до уровня 70–75% относительно показателей 1990 года, в том числе с учетом поглощающей способности лесов. Однако, многие страны продемонстрировали повышенную заинтересованность в стремлении к полной углеродной нейтральности (то есть нулевым выбросам СО₂ в атмосферу) к 2050 году [1,2].

Из-за негативных последствий хозяйственной деятельности человека, в частности, глобального потепления и изменения климата мировая энергетическая и транспортная системы претерпевают значительные преобразования, характеризующиеся резким увеличением использования возобновляемых источников энергии (далее – ВИЭ) и альтернативных видов топлива. Одним из ключевых направлений в рамках реализации политики декарбонизации многими странами выделяется водородная энергетика.

Водород, как химический элемент, был открыт в 1766 году британским ученым Генри Кавендишем. Спустя 7 лет французский ученым Жаком Александром Сезар Шарлем была предпринята первая в истории попытка полета на шаре, наполненном водородом. В 1800 году, английским ученым Вильямом Николсоном, был открыт электролиз – процесс получения водорода из воды с использованием электроэнергии. В 1806 французский изобретатель Франсуа Исаака де Риваз разработал первый в мире двигатель внутреннего сгорания, потребляющий водородное топливо. Стоит отметить, что необходимую энергию он получал методом электролиза воды [7].

Хранение и выработка энергии от водорода достигается за счет использования водородных топливных элементов. Одним из первых ученых, достигших успехов в данном направлении был английский ученый Уильям Гроув, сконструировавший в 30-х годах XIX века первый водородный топливный элемент.

К основным преимуществам водорода в качестве топлива можно отнести:

1. Энергоэффективность, так как в водороде содержится почти в три раза больше энергии, чем в ископаемом топливе. В связи с этим потребность в объемах для выполнения какой-либо работы гораздо ниже. Например, по сравнению с электростанцией, работающей на сжигании топлива с КПД 33–35%, водородные топливные элементы выполняют ту же функцию с КПД до 65% [5].

2. Высокая экологичность, так как в процессе сгорания водорода выделяется водяной пар. Стоит отметить, что в процессе эксплуатации принимают участие еще и различные масла, однако уровень углеродных выбросов заметно ниже, чем при применении углеродного топлива.

3. Водород является самым распространенным веществом во вселенной, что дает возможность использования непосредственно в месте производства.

Водород может применяться как:

- топливо на энергоемких производствах, например при производстве алюминия и других черных и цветных металлов, крекинге нефти и др.;

- на сухопутном, морском и воздушном транспорте;

- предмет бытового назначения [4].

Однако, на сегодняшний день существуют барьеры для полномасштабного внедрения водородного топлива в энергетический баланс.

Необходимо решить следующие проблемы:

- производство водорода;

- хранение;

- транспортировка;

- развитие инфраструктуры.

Водород может быть получен в процессе применения различных технологий и ресурсов, многие из которых можно отнести к возобновляемым.

По способу производства водорода выделяют следующие виды:

1. Зеленый водород – наиболее экологически чистый вид водорода, так как в процессе его получения применяется электролиз. В процессе производства применяются: вода, электролизер и электричество в крупном объеме. В том случае, если при производстве применяются ВИЭ, можно говорить об экологичности производства по причине отсутствия вредных выбросов в окружающую среду.

2. Желтый (оранжевый) водород – по принципу производства сопоставим с зеленым водородом, однако в отличие от него, в роли источника производственной энергии применяют мощности, генерируемые атомной энергетикой.

3. Бирюзовый водород – вид водорода, способом получения которого является пиролиз метана. Производственный процесс представляет собой разложение метана на две составляющие – водород и твердый углерод.

4. Серый водород – данный вид водорода производится путем паровой конверсии метана, основным источником данного процесса является природный газ.

5. Голубой водород – аналогичный серому водороду, однако в отличие от него, при производстве происходит улавливание и использование углекислого газа, что приводит практически к двойному снижению вредных выбросов в атмосферу.

6. Коричневый (бурый) водород – представляет собой наименее экологичный вид водорода в связи с тем, что для его производства применяется газификация угля [12].

Для достижения целей декарбонизации предпочтительны альтернативные технологии производства водорода, такие как пиролиз метана и электролиз воды. Данные способы получения водорода характеризуются низким уровнем воздействия на окружающую среду, но только в том случае, если энергия и сырье в основном поставляются из возобновляемых источников. Используемые возобновляемые источники энергии (ВИЭ) включают энергию ветра и солнца, биомассу, гидроэнергию, а также приливную, геотермальную и волновую энергию. Существует огромный глобальный потенциал этих источников, который намного превышает весь мировой спрос на энергию. Тем не менее только часть этого потенциала доступна для эксплуатации из-за географических, социальных и технических ограничений [8].

На протяжении десятилетий хранение водорода было в центре внимания исследований, так как экономически эффективное хранение водорода занимается одно из ключевых направлений в водородной энергетике. Водород характеризуется существенными отличиями по химическим и физическим свойствам от традиционных углеродных источников энергии, что сужает спектр методов хранения.

В настоящий момент ученые и эксперты выделяют два основных метода хранения водорода:

- физический – в основе метода лежат физические процессы (компрессирование и сжижение);

- химический – метод, основанный на химическом взаимодействии водорода с различными материалами.

На сегодняшний день физический метод реализован в следующем виде:

- сжатый газообразный водород (газовые баллоны, стационарные массивные системы хранения, хранение в трубопроводах);

- жидкий (криогенный) водород, хранящийся в стационарных системах хранения или транспортных криогенных контейнерах [13].

Химический метод представляет собой хранение водорода в:

- твердых носителях (гидридах металла);

- высокопористых материалах (углеродные наноструктуры);

- аммиаке [11].

Хранение водорода в сжатом виде несет в себе перечень недостатков, к которым относятся: высокая стоимость баллонов, неудобство хранения, в связи с избыточным весом и громоздкостью баллонов. Необходимое для сжатия, высокое давление также представляет собой проблему безопасности применения, так как водород является чрезвычайно легким газом и несет в себе угрозу утечки, а при взаимодействии с кислородом – взрывоопасным.

Хранение водорода в жидком виде имеет преимущество перед хранением сжатого водорода, которое заключается в обеспечении более компактного и безопасного варианта хранения, однако ключевым минусом данного способа является более высокое потребление энергии, затраченное для процесса сжижения. Сжижение водорода – энергоемкий процесс, который потребляет 25–40% от содержащейся в водороде энергии, по сравнению с 10% потерями энергии на процесс сжатия. Необходимая для сжижения водорода, температура составляет -253°C, выше этой температуры он находится в неконденсирующемся состоянии [15].

Подземное хранилище водорода – перспективная технология хранения для крупномасштабного и сезонного хранения водорода.

Существует три класса полостей для хранения:

1. Хранилище пористых сред.

2. Соляные пещеры.

3. Спроектированные полости.

Хранилище пористых сред включает в себя образования песчаника, известняка, сланца, которые поддерживают высокую проницаемость и пустотные фракции для хранения водорода. Примером таких сред являются истощенные газовые и нефтяные месторождения, а также засоленные водоносные горизонты.

Соляные пещеры являются многообещающим решением для хранения водорода. К основным преимуществам данного способа хранения относятся высокая емкость хранилища в диапазоне до 100 ГВт, низкая проницаемость водорода, обеспечивающая минимальную потерю водорода.

Транспортировка водорода реализуется уже на протяжении десятилетий. Для существующих на данный момент оборотов водородного рынка – технологии являются отработанным и найдут свое применение в будущем. В то же время прогнозируемый многократный рост рынка потребует внедрения новых решений, функционирующих в условиях работы с большими объемами водорода и дальними расстояниями (в том числе межконтинентального масштаба). Выбор способа транспортировки водорода зависит от применяемой технологии хранения (сжиженный, сжатый или газообразный). К основным способам перемещения водорода относятся:

- транспортировка по трубопроводу;

- наземным транспортом в автоцистернах для криогенных жидкостей или газотрубных прицепах.

- морской транспорт;

- железнодорожный транспорт [10].

Трубопроводы для водорода устроены аналогично трубопроводам для природного газа. Уже есть несколько примеров таких водородных сетей в Германии, США, Франции и Бельгии. Они изготавливаются из стали или прочного чугуна и предъявляют высокие требования к сварным швам.

Водород можно перевозить на грузовиках в сжатом или жидком виде.

Сжатый водород можно перевозить грузовиками в газовых баллонах или газовых трубках с давлением от 200 до 500 бар. Обычно несколько баллонов или трубок упаковываются в модули в контейнере на 200 или 400, который монтируется на прицепе. Грузоподъемность и вес резервуаров являются важными переменными при транспортировке водорода на грузовиках. Как правило, большой вес баллонов или труб ограничивает максимальное количество водорода, которое можно транспортировать. Полуприцеп со стальными баллонами может хранить до 25 000 литров водорода, сжатого до 200 бар, что составляет около 420 кг водорода. В настоящее время разрабатываются более легкие материалы для цистерн (композитные материалы для газовых баллонов или газовых трубок), которые могут работать при более высоком давлении, чтобы увеличить объемы транспортировки водорода на один прицеп. Например, были исследованы сверхлегкие цилиндрические материалы, состоящие из углеродного волокна поверх полиэтиленовых вкладышей высокой плотности. Прицепы с такими композитными баллонами могут перевозить до 39 600 литров водорода с уровнем давления 200 бар. Недавно был выпущен гигантский трейлер, который может перевозить 13 000 м3 водорода, сжатого под давлением 500 бар, что составляет вес транспортируемого водорода около 1100 кг [16].

Если водород транспортируется в жидком виде, его необходимо охлаждать до температуры не менее 253 °C с использованием очень энергозатратного процесса. Последние исследования показали, что потребление энергии для сжижения может быть снижено до 6,7–7,5 кВтч/кг. Из-за более высокой плотности энергии, возникающей в результате сжижения, пропускная способность жидкого водорода на задачу подачи выше, чем для сжатого водорода. Кроме того, около 1,65% водорода теряется в процессе сжижения и около 0,3% сжиженного водорода «выкипает» в сутки при транспортировке и хранении. При температуре выше установленной нормы для сжижения жидкий водород переходит в газообразное состояние, вследствие чего, необходимо хранить и доставлять в сосудах, обладающих теплоизоляцией. Масса резервуаров для транспортировки водорода в жидком состоянии в несколько раз меньше резервуаров для газообразного хранения из-за материала, из которого состоят газовые баллоны. Но несмотря на это, существуют значительные сложности: он остается в жидком состоянии при узких температурных пределах, что и является причиной высокой стоимости его сжижения.

Таким образом, водород можно считать перспективным энергоносителем, обладающим необходимыми свойствами для достижения углеродной нейтральности. Главным преимуществом водорода является его экологичность. На сегодняшний день основными барьерами развития водородной энергетики являются высокие затраты на производство, хранение и транспортировку, однако в рамках снижения технологических барьеров ведутся НИОКР, направленные на поиск и промышленное использование инновационных методов и водородных технологий.

При проведении экономической оценки применения водородного топлива необходимо оценить долгосрочные затраты на производство и транспортировку, в разрезе применения различных водородных технологий, в том числе низкоуглеродных. Производственные затраты оцениваются для низкоуглеродного водорода, получаемого в результате электролиза воды, с использованием ВИЭ, а также из природного газа, путем пиролиза метана и использования технологий улавливания углекислого газа.

Результатом работы является нормированная стоимость производства водорода (Levelised cost of hydrogen, далее – LCOH), которая представляет собой среднюю чистую приведенную стоимость водорода, произведенного с помощью рассматриваемой технологии за весь ее срок службы. Поскольку затраты на производство сами по себе не имеют значения для местных затрат на поставку, оцениваются международные транспортные расходы на водород. Сделаем допущение, что только водород из ВИЭ будет транспортироваться на международном уровне (на большие расстояния). Водород из природного газа всегда производится внутри страны, так что местная цена на газ определяет местные затраты на поставку. Затраты на водород при электролизе, пиролизе и NGR с CCS сначала анализируются индивидуально, а затем сравниваются друг с другом.

Оценка затрат на производство водорода LCOH проходит в разрезе стран 𝑛 ∈ 𝑁, лет 𝑦 ∈ 𝑌 и технологии электролиза 𝑒𝑙 (низкая температура, высокая температура) из возобновляемых источников энергии 𝑟𝑒𝑠 (PV, наземные, морские), пиролиз (𝑝𝑙) и конверсии природного газа (𝑟𝑓). Центральный фактор для LCOH каждой технологии – это затраты на финансирование. В предложенной методологии необходимо рассчитать несколько показателей.

Коэффициент амортизации, который включает в себя средневзвешенную стоимость капитала (WACC) и время финансирования и считается постоянным. Коэффициент амортизации 𝑎 для технологии рассчитывается по следующей формуле:

, (1)

где 𝑖 – процентная ставка или WACC (%);

𝑙 – экономический срок службы и срок амортизации соответствующей техники в годах.

Далее необходимо оценить капитальные затраты 𝐶𝐴𝑃𝐸𝑋 на возобновляемые источники энергии 𝑟𝑒𝑠 в стране 𝑛 и году 𝑦. Расчет производится по формуле:

, (2)

где – глобальные совокупные установленные мощности возобновляемых источников энергии 𝑟𝑒𝑠 в отчетном году и базисных годах соответственно.

– скорость обучения сотрудников, определяющая процентное снижение стоимости за каждое удвоение накопленной установленной мощности ВИЭ.

В соответствии с другими основными оценками затрат на электроэнергию, операционные расходы (OPEX) рассчитываются как % от капитальных вложений. Таким образом, изменяются с течением времени параллельно капитальным вложениям. В дополнение к капитальным и операционным затратам, определяющим фактором для затрат на электроэнергию и, следовательно, на водород является коэффициент мощности возобновляемого источника энергии. Он показывает период времени, в течение которого установленная мощность соответствующего резиста полностью используется. Чем выше коэффициент мощности, тем выше коэффициент использования и тем ниже затраты на электроэнергию из возобновляемых источников энергии. Коэффициент мощности зависит от естественных условий для солнца и ветра и, следовательно, сильно варьируется в зависимости от местоположения. Для того чтобы отразить это различие, которое также может иметь место внутри страны, все рассматриваемые возобновляемые источники энергии дополнительно сгруппированы по классам ресурсов для каждой страны, которые объединяют различные значения коэффициентов мощности. Возобновляемые источники электроэнергии, такие как ветер и фотоэлектрические, как правило, характеризуются перебоями и низким уровнем использования – обычно коэффициент мощности ниже 50% для ветра и ниже 25% для фотоэлектрических – даже в самых благоприятных местах. Часы, когда генератор работает почти на полную мощность, относительно редки. Электролизеры являются капиталоемким оборудованием и поэтому должны быть максимально экономичными, чтобы их можно было использовать с высокой эффективностью. Следовательно, объединение электролизера с низким коэффициентом полезного действия, такой как ветряная турбина, соединение электролизера с мощностью генератора в соотношении 1:1, вероятно, не приведет к минимально возможному LCOH для комбинированной системы. Вместо этого может быть более выгодно установить электролизер с мощностью, меньшей, чем у сопряженных ВИЭ. Затем электролизер можно было бы эксплуатировать с более высоким годовым коэффициентом мощности, в то время как часть пиковой мощности ВИЭ пришлось бы сократить. Отношение мощности электролизера к мощности источника питания, обеспечивающее наименьшую LCOH, зависит от следующих составляющих:

- капитальных затрат на электролизер;

- капитальных затрат на ВИЭ;

- профиля нагрузки и коэффициента мощности.

Поскольку все эти факторы являются переменными, вычисление оптимального соотношение между мощностью электролизера и ВИЭ не является тривиальной проблемой. Кроме того, предполагается, что капитальные затраты как на ВИЭ, так и на электролизер со временем снижаются, но разными темпами. Предполагается, что капитальные затраты на ВИЭ различаются в разных странах. Аналогичным образом, коэффициенты мощности ВИЭ и профили почасовой нагрузки различаются в зависимости от местоположения.

Риформинг природного газа с CCS улавливает большую часть выбросов СО2, возникающих в процессе. Эти выбросы необходимо транспортировать и хранить, что отражается в LCOH. Чтобы не игнорировать выбросы, которые не были уловлены, им присваивается цена CO₂.

, (3)

где 𝐿𝐻𝑉 – нижняя граница теплотворной способности водорода;

𝑎𝑟𝑓 – коэффициент амортизации;

эксплуатационные расходы ($∕кВт∕𝑎);

капитальные затраты ($∕кВт H₂);

𝐶𝐹𝑟𝑓 – доступность растения (%);

𝑛, 𝑦 – цена на природный газ в стране 𝑛 и году y ($/кВт);

КПД установки;

количество уловленных выбросов CO₂ (кг СО₂ ∕кг H₂);

количество уловленных выбросов CO₂ (кг СО₂ ∕кг H₂);

стоимость транспортировки и хранения СО₂ для страны 𝑛 ($/тонн);

количество неуловленных выбросов CO₂ (кг СО₂ ∕кг H₂);

цена СО₂ для страны 𝑛 в году 𝑦 ($/тонн).

Производство водорода пиролизом не дает СО₂, а полученный качестве побочного продукта, углерод, потенциально может быть продан, формируя дополнительный доход.

𝐿𝐶𝑂𝐻 от пиролиза природного газа рассчитываются как:

* , (4)

где - выход твердого углерода (кг C / кг H₂);

цена на углерод ($/кг).

Однако, в настоящее время применение данной методологии затруднено в связи с начальным этапом становления водородной энергетики.

В связи с этим считается целесообразным рассмотреть другой аспект эффективности использования водородного топлива, а именно применение водорода в рамках углеродного регулирования.

Методология исследования включает в себя:

1. Расчет объема выбросов парниковых газов (далее – ПГ).

2. Рассмотрение стоимости за единицу выбросов различных видов топлива.

3. Проведение сравнительного анализа водорода с исследуемыми видами топлива.

Транспортный сектор производит значительное количество выбросов парниковых газов:

- диоксид углерода (CO₂);

- метан (CH₄);

- закись азота (N₂O).

По методологии МГЭИК автомобильный транспорт, как один из источников эмиссии ПГ, входит в модуль «Энергетика», так как выбросы ПГ от автотранспорта связаны со сжиганием топлива [6].

Методика расчета выбросов от сжигания топлива на транспорте подразделяется на две части: оценка эмиссий двуокиси углерода (СО₂) и оценка эмиссий других газов. При оценке выбросов CO₂ входными данным для расчета являются количество сгораемого топлива рассматриваемого вида и содержание в нем углерода. Оценка выбросов других газов с парниковым эффектом более сложна, так как зависит от типа автомобиля, топлива, характеристик эксплуатации транспортного средства, типа технологии контроля за выхлопными газами. В связи с этим принято решение о рассмотрении выбросов СО₂.

Расчет выбросов CO₂ от сжигания топлива проводится на основе учета видов топлива и типов транспортного средства (автомобильный, железнодорожный, авиационный).

Для автомобильного транспорта оцениваются общие выбросы CO₂ путем умножения количества потребленного топлива на фактор выбросы для каждого типа топлива и типа транспорта по следующей формуле:

, (5)

где Е – годовой выброс парникового газа (мегатонн/год);

М – количество сжигаемого в год автомобильного топлива (тонн/год);

ТНЗ – теплотворное нетто-значение для сжигаемого вида топлива (Дж/тонн);

К3 – коэффициенты выбросов парниковых газов, СН₄ или N₂O, (тонн/Дж).

Перевод выбросов метана или закиси азота в CO₂ эквивалент производится путем умножения на 21 для СН₄ и на 310 для N₂O.

Количественное определение выбросов от авиационного и железнодорожного транспорта осуществляется основе данных о суммарном расходе авиационного/железнодорожного топлива за отчетный период и коэффициентах выбросов и рассчитывается по формуле:

, (6)

где – расход авиационного/железнодорожного топлива j за период y (тонн);

– расход авиационного/железнодорожного топлива j в объемных единицах для партии k в течение периода у (тыс. литров);

– коэффициент выбросов от сжигания авиационного/железнодорожного топлива j [9].

Среди основных методов, направленных на ограничение и сокращение выбросов парниковых газов, наиболее гибкими и эффективными признаются экономические (рыночные) инструменты. Особенность данных инструментов заключается в создании фактической цены на углерод. Это позволяет заложить в стоимость продукции те издержки, которые экономике придется понести для преодоления последствий выбросов.

По данным Департамента многостороннего экономического сотрудничества Минэкономразвития России, фактическая цена на углерод для более половины всех выбросов не превышает 10 $ за тонну СО₂. По оценкам Мирового энергетического агентства (далее – МЭА), для выполнения целей Парижского соглашения, оптимальная цена варьируется от 75 $ до 100 $ за тонну [6].

Для расчета экономического эффекта от применения инструментов углеродного регулирования необходимо применить формулу:

), (7)

где – экономический эффект;

– цена на углерод, $;

– объемы эмиссии ПГ, подлежащие к выплате.

Представленная методология является одним из инструментов экономической оценки применения различных видов топлива с точки зрения экологичности и минимизации влияний на окружающую среду.

Заключение

Переход к альтернативным источникам энергии – наиболее вероятный вариант развития мировой энергетической системы в долгосрочной перспективе. В качестве наиболее перспективного энергоносителя будущего за счет своих характеристик рассматривается водород. Для внедрения водородного топлива необходимо решить вопросы, связанные со снижением затрат на его производство, хранение, транспортировку и развитие соответствующей инфраструктуры, за счет развития технологий.