Перспективы развития водорода: глобальная стратегия

Практически все сценарии декарбонизации сходятся в том, что будущее – за электрификацией как основным и наиболее экономичным способом «озеленения» экономик. Для этого есть две основные причины. Во-первых, после десятилетий поддерживаемых субсидиями технологических инноваций солнечная и ветровая энергии становятся наиболее дешевыми источниками производства электроэнергии в большинстве стран мира. Во-вторых, технологические достижения позволяют использовать работающие на электроэнергии и более дешевые батареи, тепловые насосы, электродвигатели и т.п. в тех секторах, где в качестве источника энергии традиционно преобладает ископаемое топливо, – таких как транспорт, обогрев зданий, промышленность.

По мере того как глобальные энергосистемы становятся все более электрифицированными, ключевой задачей операторов этих систем будет удовлетворение спроса в режиме реального времени для предотвращения блэкаутов – сбоев в подаче электроэнергии. Но по мере увеличения доли солнечной и ветровой энергии это может становиться все более сложной задачей: а как быть, когда солнце не светит или нет ветра?

Одна из основных причин, по которым водород сейчас «в моде» как химический «носитель энергии», в том, что он удовлетворяет потребности в хранении и гибком использовании возобновляемых источников энергии. Кроме того, он может использоваться в таких сложно декарбонизируемых секторах, как тяжелая промышленность, грузоперевозки, авиация или судоходство.

Водород представляется идеальным дополнением к возобновляемым источникам энергии на пути к декарбонизации, но только в том случае, если он производится путем электролиза на основе самих возобновляемых источников энергии (т.н. «зеленый» водород).

С 1975 г. глобальный спрос на водород вырос более чем втрое до 70 млн тонн в 2018 г. В настоящее время водород используется в нефтепереработке и производстве аммиака. Практически весь водород получают из ископаемого топлива, что делает его источником 830 млн тонн углекислого газа в год, это эквивалентно совокупным выбросам СО2 Индонезии и Великобритании.

Однако водород из возобновляемых источников энергии в настоящее время выглядит все более жизнеспособной перспективой благодаря сокращению затрат на технологии использования энергии ветра и солнца. В то время как затраты на производство водорода на основе ископаемого топлива на 2018 г. оценивались в 0,8–2,7 евро за килограмм, водород на основе возобновляемых источников уже может производиться по 2,5–6,3 евро за килограмм при прогнозируемом дальнейшем снижении затрат. Учитывая это, многие страны разрабатывают стратегии развития «зеленого» водорода.

Мы предлагаем сравнение подобных планов Евросоюза, Великобритании, США, Китая и Японии для понимания текущего состояния стратегий развития «зеленого» водорода в мире.

Водородные амбиции Евросоюза

ЕС ожидает, что водород сыграет значительную роль в сокращении выбросов СО2 в 2030–2050 гг., необходимом для достижения углеродной нейтральности, и по этой причине фокусируется на водороде из возобновляемых источников. В то же время ЕС предусматривает временное использование других форм низкоуглеродного водорода для декарбонизации существующего производства водорода из ископаемого топлива. В целом развитие водорода в ЕС предполагается осуществить в три этапа: 2020–2024 гг. – постепенная декарбонизация существующего производства водорода, 2025–2030 гг. – внедрение водорода в новые производства, 2031–2050 гг. – внедрение в сложно декарбонизируемые сектора. На финальной стадии, как предполагается, доля «зеленого» водорода составит 10% от всего конечного потребления энергии в ЕС (против 1% на второй стадии).

Стратегия ЕС предусматривает два основных рынка использования водорода: промышленное производство и транспорт. В первую очередь промышленное применение будет направлено на сокращение и замену водорода, получаемого на основе ископаемого топлива, для нефтепереработки и производства аммиака, а также частичную замену им ископаемого топлива в сталелитейной промышленности. В долгосрочной перспективе развитие «зеленого» водорода полностью декарбонизирует процесс производства стали в Европе. Для транспортных отраслей наиболее перспективно использование водорода там, где сложнее электрификация: в краткосрочной перспективе это городские автобусы, специфические части железнодорожной сети (где электрификация невозможна), транспортные средства большой грузоподъемности. В долгосрочной перспективе ЕС видит использование водорода для декарбонизации авиационного и морского транспорта: здесь водород может использоваться как в топливных элементах, так и для производства синтетического керосина и аммиака.

Стратегическое видение ЕС дополняет аналогичные национальные стратегии: ряд стран ЕС – Германия, Франция, Испания, Италия – приняли в 2020 г. стратегии развития водорода. Страны также обязались выделить около 11,5 млрд евро на водород на 2021–2026 гг. в рамках проекта Евросоюза Next Generation, в том числе по 3 млрд евро – Германия и Италия, 2 млрд евро – Франция, 1,5 млрд евро – Испания и по 1 млрд евро – Польша и Румыния. Кроме того, в 2020 г. в ЕС запущен Important Project of Common European Interest (IPCEI), призванный ускорить создание общеевропейских производственно-сбытовых цепочек водорода. Уровень амбиций национальных стратегий варьируется, но в некоторых случаях очевидно высок.

Так, Германия ставит целью увеличить мощности электролиза до 5 ГВт к 2030 г. Это около 4% конечного потребления энергии в стране, согласно климатической программе ЕС Fit for 55. Чтобы достичь этого, Германия выделила 9 млрд евро в рамках своей национальной водородной стратегии. Планы Франции еще более амбициозны: к 2030 г. мощность электролиза должна достичь 6,5 ГВт, к этому же сроку государственное финансирование для продвижения использования водорода в промышленности и на транспорте составит 7 млрд евро. Национальная водородная стратегия Италии нацелена на 5 ГВт мощности электролиза к 2030 г., или на 2% конечного потребления энергии, с увеличением до 20% к 2050 г. Испания предполагает достигнуть 4 ГВт с помощью 9 млрд евро государственных и частных инвестиций к 2030 г.

Водородная экономика Великобритании

Великобритания обнародовала свою стратегию развития «ведущей мировой водородной экономики» в августе 2021 г., назвав водород ключевым элементом своего энергоперехода, прежде всего в сферах электроэнергетики, промышленности и ряде транспортных секторов.

Как и Германия с Италией, Великобритания планирует к 2030 г. развернуть 5 ГВт мощностей по производству низкоуглеродного водорода, это должно способствовать тому, чтобы к 2050 г. 20–35% потребления энергии в стране приходилось на водород. Водород призван играть важную роль в декарбонизации тех секторов, для которых он сейчас производится на основе ископаемого топлива (химическая промышленность, нефтеперерабатывающие заводы, отопление жилых домов, некоторые виды транспорта).

Интересно отметить, что Великобритания возлагает большие надежды на водород в отоплении жилых домов. Ожидается, что к 2030 г. около 1 ТВт*ч потребностей в отоплении жилых помещений будет удовлетворено за счет водорода, что предполагает перевод с газа на водород около 67000 домов ежегодно. Затем, согласно стратегии, доля водорода стремительно возрастет до 45 ТВт*ч к 2035 г., или до 10% потребностей в отоплении жилищного сектора.

При этом стратегия не предполагает использования водорода в автомобильном транспорте – только в тех сегментах, которые труднее электрифицировать: судоходство, авиация, грузоперевозки, автобусы, поезда.

Согласно стратегии, водородная экономика Великобритании к 2030 г. составит 900 млн фунтов стерлингов и создаст 9000 рабочих мест, к 2050 г. увеличившись до 13 млрд фунтов стерлингов и 100000 рабочих мест.

Водородные отличия США

В отличие от ЕС, США только приступят к разработке национальной стратегии чистого водорода после принятия закона об инвестициях в инфраструктуру и рабочие места (Infrastructure Investments and Jobs Act – двухпартийное соглашение об инвестициях около $1 трлн в инфраструктуру, в том числе для обеспечения климатических целей и «зеленого» перехода. – Прим. «Эконс»). «Водородный план» и «Водородная стратегия» министерства энергетики США предлагают стратегическую основу для превращения водорода в «недорогую, широко доступную и надежную» технологию и «неотъемлемую часть множества секторов экономики по всей стране».

США предполагают сосредоточиться на производстве водорода на основе как ископаемого топлива, так и возобновляемых источников энергии. Таким образом, США намерены использовать улавливание и хранение углерода (carbon capture and storage, CCS) для сокращения выбросов и продолжать производство водорода из природного газа.

Законопроект об инвестициях в инфраструктуру и рабочие места предусматривает создание как минимум четырех «региональных центров чистого водорода», производящих и использующих топливо для промышленности, отопления и транспорта. По меньшей мере два таких центра, согласно законопроекту, будут в регионах «с наибольшими ресурсами природного газа». Один центр будет производить водород на основе ископаемого топлива, еще один – использовать возобновляемые источники энергии, другой – ядерную энергию. В списке потенциальных источников также указан уголь.

В законопроект не включена цель увеличить производство водорода на основе возобновляемых источников энергии. Кроме того, в нем используется широко обсуждаемое определение чистого водорода – согласно этому определению, килограмм водорода, произведенный с выбросами углерода не более двух килограммов, считается «чистым».

Как и ЕС, США в краткосрочной перспективе предполагают продолжать и увеличивать использование водорода в нефтепереработке. Кроме того, США намерены использовать водород в качестве портативного накопителя энергии. В среднесрочной перспективе водород будет применяться для распределенной стационарной выработки электроэнергии, в топливных элементах автомобилей средней и большой грузоподъемности и при производстве синтетического топлива. В то же время водород заменит ископаемое топливо в промышленных процессах, например, при производстве стали и цемента. В долгосрочной перспективе, как ожидается, водород будет интегрирован в энергетические системы, обеспечивая средне- и долгосрочное хранение, стабилизацию и совместное производство водорода для конечных целей, помимо электричества.

США, кроме того, стремятся использовать инвестиции в исследования и разработки для преодоления технических барьеров и валидации применения водорода, предоставляя гранты на научно-исследовательские и демонстрационные проекты. В то время как инвестиции министерства энергетики в водород были ограничены примерно $150 млн в год, закон об инвестициях в инфраструктуру и рабочие места предполагает $9 млрд инвестиций в период с 2022 по 2026 г. Таким образом, инвестиции США аналогичны инвестициям ЕС в рамках программы Next Generation. $8 млрд из этих $9 млрд будут направлены в региональные центры чистого водорода, использующие топливо, еще $1 млрд направится на исследования, разработки и демонстрационные проекты электролиза.

Если США смогут поддержать свои амбиции, то, по оценкам министерства энергетики, потребление водорода к 2050 г. увеличится в 4–6 раз. Это приведет к тому, что в 2050 г. на долю водорода будет приходиться 14% общего потребления энергии в США.

Водородный Китай

Китай – крупнейший в мире производитель водорода, но не «зеленого», поскольку большая часть водорода в Китае производится на угле. Помимо широко распространенного использования водорода в нефтепереработке и производстве аммиака, у страны также есть цели его применения в транспортной отрасли.

В недавно опубликованном плане 14-й пятилетки водород определен приоритетной отраслью с целью увеличить к 2050 г. долю водорода на основе возобновляемых источников энергии до 50% от общего производства водорода. Это серьезное обязательство, учитывая нынешнюю зависимость страны от угля в производстве водорода. Также предполагается, что технологии CCS, как и в США, будут играть в Китае важную роль в декарбонизации производства водорода.

Ожидается, что будущее применения водорода будет указано в соответствующей национальной стратегии, которая пока не опубликована. На уровне же провинций, например, Шаньдун стремится развивать индустриальные водородные кластеры, в которых переплетаются различные возможности применения водорода. Также запущены пилотные программы по производству стали с использованием водорода на основе возобновляемых источников энергии.

Помимо этого, планы провинций включают в себя строительство водородных заправочных станций и продолжение субсидирования транспортных средств на топливных элементах. Эксперты также ожидают, что текущие субсидии и инвестиционные программы в транспортном секторе будут распространены на инфраструктуру доставки и хранения водорода, а также на технологии CCS и электролиза. Однако объем этих инвестиций остается неясным до тех пор, пока не определена национальная стратегия развития водорода.

Стратегия Японии

Япония приняла свою «Базовую водородную стратегию» в 2017 г. Эта стратегия предусматривает использование водорода как в быту, так и в промышленных целях. Более того, водород интегрирован в 10 из 14 приоритетных технологических областей в японской «Стратегии зеленого роста», опубликованной в 2020 г. Водород является для Японии одним из способов достижения ее давних стремлений стать независимой от импорта ископаемого топлива.

Япония ставит целью увеличить потребление водорода в 20 раз к 2030 г., с текущих примерно 300000 тонн до 6 млн тонн. Подобная экспансия предполагает рост доли водорода в потреблении первичной энергии с текущих 0,2% до примерно 4,5%. Предполагается, что возросший спрос будет удовлетворяться за счет внутреннего производства «зеленого» водорода в объеме 300000 тонн в 2030 г. и 5–10 млн тонн в 2050 г., а также за счет импорта как «зеленого» водорода, так и водорода на основе природного газа. Хотя целевая доля импорта «зеленого» водорода пока не определена, внутреннее производство водорода к 2030 г. будет на 100% основано на возобновляемых источниках энергии.

Как и Китай, Япония использует водород в транспортном секторе с 2000-х гг. Она планирует, что к 2030 г. 800000 автомобилей в стране будут на топливных элементах, что составит около 1% от всех зарегистрированных в настоящее время транспортных средств. Интересно, что Япония также намеревается использовать водород в жилищном секторе: ожидается, что к 2030 г. 5,3 миллиона единиц топливных элементов будут обеспечивать электроэнергией и теплом жилые дома, а также промышленный сектор.

Чтобы добиться такого широкого применения водорода в экономике, Япония устанавливает количественные цели по сокращению затрат и повышению энергоэффективности, при этом с достижением данных целей увязаны масштабные программы исследований и разработок. Япония вкладывает значительные государственные инвестиции в развитие водородной инфраструктуры в стране, сопровождая его соответствующими нормативными реформами, субсидиями, а также созданием международных цепочек поставок водорода.

Выводы

ЕС, Великобритания и Япония в настоящее время имеют наиболее детализированные водородные стратегии, в то время как национальная стратегия Китая остается неопределенной и не ориентированной на «зеленый» водород, а США находятся в процессе формулирования своей стратегии.

Если посмотреть на планируемые вложения, Япония, США и ЕС прогнозируют примерно одинаковый уровень государственных инвестиций в расчете на душу населения. Что касается будущего применения водорода, все страны стремятся использовать его в промышленности, а Британия отличается фокусом на использовании водорода в отоплении жилых домов.

Все страны предполагают постепенный переход к низкоуглеродному водороду, будь то водород на основе возобновляемых источников, как в ЕС и Великобритании, или технологии CCS, особенно в США. Япония играет особую роль, поскольку планирует создание международной цепочки поставок в силу ограниченности собственных ресурсов. В целом, несмотря на все различия, очевидно, что все страны исходят из того, что водород будет важнейшим инструментом декарбонизации их экономик.

Оригинал статьи  опубликован на сайте Bruegel. Перевод выполнен редакцией Econs.online.