Перспективы и недостатки водородной энергетики

Для хранения и выработки энергии от водорода используются топливные элементы. Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах 19 века. Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

В 1959 году Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовались правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

В отличие от кислорода водород практически не встречается на земле в чистом виде и поэтому извлекается из других соединений с помощью различных химических методов.

По этим способам его разделяют на цветовые градации.

Зеленый — производится из возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого: вода, электролизер и большое снабжение электроэнергией.

Голубой — производится из природного газа, а вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее идеально чистым этот метод не назовешь.

Розовый или красный — произведенный при помощи атомной энергии.

Серый — водород получают путем конверсии метана. При его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.

Коричневый — водород получают в результате газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы.

Еще существуют технологии получения биоводорода из мусора и этанола, но их доля чрезвычайно мала.

На переработку угля приходится 18% производства водорода, 4% обеспечивается за счет зеленого водорода и 78% — переработкой природного газа и нефти. Методы производства, основанные на ископаемом топливе, приводят к образованию 830 млн тонн выбросов CO₂ каждый год, что равно выбросам Великобритании и Индонезии, вместе взятым. И тем не менее водород — это более чистая альтернатива традиционному топливу.

В мире три основных источника выбросов, способствующих потеплению климата: транспорт, производство электроэнергии и промышленность. Водород может использоваться во всех трех областях. При использовании в топливных элементах водородная энергия оставляет минимальные потери, а после использования в качестве побочного продукта остается только вода, из которой снова можно добывать водород.

Согласно докладу МЭА, к 2050 году мировой спрос на водород должен достичь 528 млн тонн — против 87 млн в 2020, — а его доля в мировом потреблении составит 18%, из них 10% будет приходиться на зеленый водород.

К 2050 году МЭА планирует снизить затраты на производство этого экологически чистого вида топлива до 2 $ за килограмм, что существенно ниже нынешних 10 $. Это произойдет благодаря развитию технологий ВИЭ и удешевлению производства энергии ветра и солнца.

В июне 2020 года Германия объявила о реализации национальной водородной стратегии с инвестициями в 7 млрд евро, чтобы стать лидером в этой области.

Япония, Франция, Южная Корея, Австралия, Нидерланды и Норвегия начали свой курс на водород раньше Германии, а Япония сделала это раньше всех — в декабре 2017 года.

В июле 2020 года Минэнерго подготовило план развития в РФ водородной энергетики на период 2020—2024 годов. Производить водород собираются «Росатом», «Газпром» и «Новатэк». В дорожной карте предусмотрены следующие меры:

• поддержка пилотных проектов по производству водорода;
• стимулы для экспортеров и покупателей на внутреннем рынке;
• первые водородные установки запустят в 2024 году на атомных электростанциях, объектах добычи газа и переработки ископаемых.

В 2021 году HydrogenOne Capital — первый в мире инвестиционный фонд, ориентированный на зеленый водород, заявил о листинге на Лондонской бирже. Фонд инвестирует в проекты мощностью 20—100 МВт с возможностью их расширения до 500 МВт.

Высокая применимость. Электрификация транспорта поможет снизить выбросы в атмосферу, но авиацию, морские и грузовые перевозки на дальние расстояния трудно перевести на использование электроэнергии, потому что для этих секторов требуется топливо с высокой плотностью энергии. Зеленый водород может удовлетворить эти потребности. Например, Airbus представил концепции самолетов с водородным двигателем и надеется ввести его в эксплуатацию к 2035 году.

Nikola строит полуприцепы, работающие как на аккумуляторных батареях, так и на водороде. Компания заявляет, что ее топливные элементы могут работать при более низких температурах, чем батареи. И они легче, что делает их более практичными для грузовиков и другой тяжелой техники. Nikola также утверждает, что дальность хода такого грузовика составит 900 миль на баке с водородом. Для сравнения: у Tesla Semi с батарейным питанием, который может быть запущен в производство в конце этого года или в 2022 году, заявленная дальность — 200—300 миль.

Также свои аналогичные модели транспорта представили компании Toyota, Honda и BMW.

Время заправки электромобиля на топливных элементах в среднем составляет менее четырех минут. При этом в отличие от батарей они не нуждаются в перезарядке. Поскольку они могут работать независимо от сети, то могут использоваться как запасные генераторы электричества или тепла.

Важный элемент перехода на водород — его применение в ЖКХ. Кроме пилотных проектов в Великобритании Лидс станет первым городом, энергоснабжение которого будет полностью водородным. Согласно плану, все газовые сети и транспортное оборудование переведут на него.

Запасы водорода практически безграничны. Так как он встречается почти всюду, его можно использовать там, где он производится. В отличие от батарей, которые не могут хранить большое количество электроэнергии в течение продолжительного времени, водород можно производить из избыточной возобновляемой энергии и хранить в больших количествах.

Энергоэффективность. Водород содержит почти в три раза больше энергии, чем ископаемое топливо, поэтому для выполнения какой-либо работы его требуется гораздо меньше. Например, по сравнению с электростанцией, работающей на сжигании топлива с КПД от 33 до 35%, водородные топливные элементы выполнят ту же функцию с КПД до 65%. Для примера, у солнечных элементов КПД — 20%, а у ветряных — 40%.

Весной 2020 года в городе Фукусима была запущена самая крупная в мире электростанция, работающая на водороде. Для питания электролизных установок на ней размещены солнечные батареи общей мощностью 20 МВт. Всего станция вырабатывает 1,2 тысячи кубических метров водорода в час.

В автомобилях топливные элементы используют 40—60% энергии топлива, а также обеспечивают сокращение его расхода на 50%.

Зеленый водород — отличная среда для хранения энергии. Например, у Германии существует проблема с энергосистемой. В ясные и ветреные дни солнечные экраны и ветряные турбины на севере производят больше электроэнергии, чем может потребить эта часть страны. Из-за этого Германия вынуждена продавать излишки электроэнергии соседним странам себе в убыток. Избыток электроэнергии из ВИЭ можно хранить в виде водорода, а затем сжигать для выработки электроэнергии, когда это необходимо.

Стоимость зеленого водорода. Как уже говорилось выше, именно стоимость добычи самого чистого вида водорода ставит наиболее сильные препятствия в его развитии. По словам и прогнозам Минэнерго РФ, перспективы водородной энергетики связаны с удешевлением стоимости водорода, производимого электролизом воды. В качестве основных факторов обеспечения конкурентоспособности зеленого водорода рассматривается перспективное снижение капитальных затрат на электролизеры, а также стоимости электроэнергии из ВИЭ.

При масштабировании производства электролизеров их стоимость может снизиться с текущих 1000 до 200 $/кВт к 2050 году, по оценке J. P. Morgan — даже до 100 $/кВт. При реализации такого сценария к 2050 году стоимость электролизеров может снизиться до уровня менее 2 $/кг. Но с учетом применения различных программ государственного субсидирования водородной энергетики эти сроки могут быть сокращены.

Горючесть. По сравнению с бензином, природным газом и пропаном водород огнеопаснее в воздухе, малейшие трещины в баке могут привести к трагедии. Но некоторые критики заблуждаются, когда говорят, что с развитием водородной энергетики «мир сядет на огромную пороховую бочку». Поскольку водород очень легкий — примерно в 57 раз легче, чем пары бензина, — он может быстро рассеиваться в атмосфере, и это положительный для безопасности фактор.

Хранение и транспортировка. Так как водород — самый легкий среди химических элементов, в заданном объеме его помещается значительно меньше, чем других видов топлива. Например, потребуется гораздо больший баллон с газообразным водородом, чтобы проехать заданное расстояние на автомобиле. Существующие бензобаки при этом слишком малы, чтобы вмещать количество водорода, которое необходимо для расстояния, которое покроет полный бензобак. Для решения этой проблемы сейчас модернизируют способы перевода водорода в жидкое или газообразное состояние. Его необходимо либо охладить до −253 °C, чтобы сжижать, либо сжать до давления, в 700 раз превышающего атмосферное, чтобы его можно было доставить в виде сжатого газа.

В настоящее время водород транспортируется по специальным трубопроводам, в автоцистернах для низкотемпературных жидкостей, в трубчатых прицепах, перевозящих газообразный водород, по железной дороге или на баржах.

В свою очередь, правительства стран уже сейчас «бронируют» будущие объемы водородного сырья, проводя переговоры и подписывая соответствующие международные соглашения. В качестве примеров можно привести германо-марокканское Соглашение о сотрудничестве в сфере зеленого водорода в июне 2020 года, японо-австралийское Совместное заявление о сотрудничестве в сфере водорода и топливных ячеек в январе 2020 года и российско-германскую Декларацию о намерениях по сотрудничеству в сфере устойчивой энергетики.

В водородной энергетике большой выбор компаний. Крупнейшие представители — это производители водорода, которые в основном используют самый дешевый метод производства — паровой риформинг. Небольшие компании сосредоточены исключительно на конкретных аспектах использования водорода. Их в основном можно разделить на производителей электролизеров и производителей топливных элементов. Некоторые компании работают над тем, чтобы стать полностью вертикально интегрированным поставщиком водородной энергетики. Разберем каждую категорию отдельно.

Air Products. Основное направление деятельности компании Air Products — производство атмосферных и технологических газов и сопутствующего оборудования для различных отраслей, включая нефтепереработку, нефтехимию и металлургию.

Компания в 2020 году объявила о планах строительства завода по производству экологически чистого водорода в Саудовской Аравии, работающего на ветряной и солнечной энергии мощностью 4 ГВт, — сейчас это крупнейший в мире проект. Завершенный завод будет производить 650 тонн зеленого водорода ежедневно, чего достаточно для работы около 20 тысяч автобусов.

Linde — одна из крупнейших в мире компаний, специализирующихся в области промышленных технологий по подготовке, разделению и сжижению природного газа. В 2021 году компания объявила, что подписала долгосрочное соглашение с Infineon Technologies о производстве и хранении экологически чистого водорода. Linde будет строить, владеть и эксплуатировать двухмегаваттный электролизный завод в Австрии. Завод будет производить зеленый водород с использованием технологии протонообменной мембраны (PEM) от ITM Power.

Cummins представила водородную стратегию в ноябре 2020 года. В 2019 году компания приобрела Hydrogenics, в результате чего получила технологию производства топливных элементов и электролизеры.

Все это большие компании с большим опытом в области промышленного газа. Их основное внимание сегодня уделяется серому водороду, но они также переходят на более чистые решения. Акции этих компаний привычно растут вместе с рынком, и можно говорить, что среди остальных представителей они разумно оценены.

Ballard Power Systems специализируется на интеграции топливных элементов в автобусы и грузовики. Ballard предоставляет системы топливных элементов для других компаний, которые интегрируют их в свои автомобили.

Bloom Energy производит сервера на топливных элементах, они представляют собой стационарные энергосистемы, в основном предназначенные для резервного питания. Предприятие также производит электролизеры и представило водородную стратегию в июле 2020 года.

FuelCell Energy работает в том же секторе, что и Bloom Energy. Производит электростанции на базе стационарных топливных элементов.

Plug Power стремится стать крупным производителем экологически чистого водорода. Компания приобрела предприятия по производству собственных электролизеров и водородных заправочных станций. Plug Power работает с производителями экологически чистой энергии Brookfield Renewable Partners (BEP) и Apex Clean Energy над строительством водородных заводов. Компания строит общенациональную сеть экологически чистого водорода.

PowerCell Sweden производит топливные элементы в основном для транспортных систем. У компании заключена сделка с Bosch. Bosch может производить и продавать топливные элементы на основе дизайна PowerCell Sweden.

Мы не будем подробно разбирать каждую из компаний, поскольку все они торгуются пока на внебиржевом рынке. Эти компании убыточны, поэтому сюда не включен коэффициент P / E.

В 2020 году возобновляемые источники энергии пережили необычный бум популярности. Этому способствовали и год окончания правления республиканцев в США, и привлекательность ESG-инвестиций, а также мягкая кредитная политика. Все это создало экономически привлекательную среду для многих компаний в этой сфере.

Хотя существует множество вариантов инвестирования в экономику экологически чистого водорода, пока входить в рынок рискованно. Эти компании все еще растут, и им необходимо достичь больших масштабов, чтобы получать прибыль в будущем. Сегодня для инвестирования в водород важна хорошая база для выбора, основанная на деятельности, оценках, партнерах и менеджменте.