Автомобили на водородных топливных элементах уже успели выпустить на рынок такие компании, как Hyundai, Honda и Toyota,  и еще несколько китайских компаний. Но транспорт — это далеко не единственное направление водородной энергетики.

За громкими новостями последних лет о миниатюрной «солнечной черепице», об огромных офшорных ветряках, о подземном хранении СО2, о накопителях Tesla и других прелестях Energiewende (энергетического перехода) пока не особо разборчиво, но уже слышатся далекие раскаты новой грозы всех традиционных поставщиков нефти, электроэнергии и газа. Эта гроза может и вдалеке пройти, а может разрушить штормом весь традиционный бизнес энергетических гигантов и заодно экономику стран, которые экспортируют углеводороды, а может стать и живительным дождем, поддержав всходы новой экономики.
Данная новая напасть — только лишь самый распространенный элемент во Вселенной. Водород. Некоторые прогнозы вокруг данного элемента через тридцать лет возникнет индустрия с годовым оборотом в два с половиной триллиона долларов и тридцать миллионов рабочих мест, которая сможет вытеснить из мировой экономики практически 20% ископаемых энергоносителей.
Попробуем разобраться, каковы шансы на реализацию данных сценариев.

Откуда он взялся?

С тех пор как Лавуазье двести тридцать пять лет назад назвал водород, он смог занять в индустрии изрядное место. Водород используется для производства метанола, аммиака и пищевого маргарина, с его помощью перерабатывают нефть. «Взять у природы» водород в чистом виде невозможно, так что приходится перерабатывать другие вещества — главным способом его производства продолжает быть паровая конверсия углеводородов. В мире всего за год производят около шестидесяти пяти миллионов тонн водорода (если сравнивать: природный газ добывают почти в сорок раз больше).
Обратили внимание на особые свойства водорода как топлива еще в середине прошлого века — его теплота сгорания больше в несколько раз, чем у бензина, природного газа или дизельного топлива той же массы, и при этом не создается никаких выбросов, только водяной пар. В США в 1970 году были публикации о том, чтобы перевести транспорт на водородное топливо, тогда же стал популярным термин «водородная экономика» — это некий образ будущего, в нем американские города совсем уходят от «экономики углеводородов», водород применяют в качестве топлива для домов, автомобилей, электростанций, и энергию запасают при помощи водорода и его производят при помощи ветра и солнца там, где это необходимо. Иначе говоря, водородная экономика основана на водороде как самом экологически чистом и универсальном энергоносителе, который связывает теплоэнергетику, электроэнергетику и транспортный сектор. Скоро и нефтяной кризис подоспел, и разработкам транспорта на водороде придали большее значение. Так, к примеру, в СССР в 1980-х появились «водородные» микроавтобусы РАФ, самолет на базе Ту-154, ракетный двигатель на водороде для «Энергии». Судьба данный проектов незавидная — к примеру, в самолете потребовалось минимум треть полезного объема пассажирского отсека выделить под топливные баки, что сильно отразилось на себестоимости перевозок. 

Почему пока не вышло?

Глобального перехода транспорта на водород в двадцатом веке не произошло — стоимость километра пробега на водороде была намного выше, чем на обычном топливе. Главная причина в дороговизне: производство водорода из углеводородов (паровая конверсия) или воды (электролиз) требует большого количества энергии. Кроме того, паровая конверсия углеводородов сопровождается выделением парникового газа — СО2, на борьбу с которым в том числе и была направлена идея перевода транспорта на водород. Производство водорода с помощью электролиза (разложение воды на кислород и водород при помощи электроэнергии) оказалось еще дороже, чем паровой конверсией, а для производства требуемой электроэнергии надо было сжигать топливо со всеми выбросами. Все это немного уменьшило первоначальный интерес, и водородная экономика в целом до самого конца двадцатого века так и оставалась только «образом будущего».

Что поменялось?

«Энергетический переход» в мировой электроэнергетике привел к тому, что возобновляемая энергетика бурно развивалась в 2000–2010-х годах, прежде всего солнечной и ветряной генерации. Стоимость данных технологий все время снижается (приведенная стоимость электроэнергии от солнечной и ветряной генерации в США, по данным Lazard, в 2009–2016 годах уменьшилась на 70–80%). Рынок вырастает быстрыми темпами (в 2016 году, по данным IRENA, в мире было введено 71 ГВт солнечных станций на фотовольтаике и 51 ГВт ветряных станций, а в 2017 году, как ожидается, будет подтвержден ввод 90 и 40 ГВт соответственно) — так что, только за два последних года в мире ввели больше мощностей ветряной и солнечной генерации, чем совокупная мощность всех электростанций Единой энергосистемы России.  
Годовые инвестиции в сектор составляют более $250 млрд — вдвое больше инвестиций в генерацию на ископаемом топливе. Ценовые рекорды солнечной энергетики в Мексике, Дубае, Перу, Абу-Даби, Чили, Саудовской Аравии, ветряной энергетики в Бразилии, Канаде, Германии, Индии, Мексике и Марокко достигли планки примерно в 1,7 рубля за кВт∙ч (если сравнивать: жители Москвы и области платят за электроэнергию в своих домах в два-три раза больше). 
Как прогнозирует Международное энергетическое агентство, к 2040 году доля генерации электроэнергии на солнечных и ветряных электростанциях в мире будет от 13% до 34% (в 2016 году — 5%). Ясно, что доля этих источников в отдельных регионах будет еще больше.
Так что, электроэнергетика все больше переходит на источники генерации, которые стохастичны и зависят от времени суток и климатических условий. Влияние колебаний выработки на ветряных и солнечных электростанциях (когда перестает вдруг светить солнце и дуть ветер) на энергосистему, если их доля в регионе высока, сопоставима с хаотическим включением/выключением крупной ТЭЦ — несколько раз в сутки. Более того, порой данные станции вырабатывают намного больше, чем всем потребителям энергосистемы нужно, и тогда стоимость электроэнергии оказывается «отрицательной» — подобные новости приходят регулярно из Германии, к примеру.
Управляться с подобными колебаниями научились, создавая накопители энергии, «заряжающиеся» в периоды избытка энергии и «разряжаются» в периоды ее дефицита. Если в двадцатом веке роль подобных накопителей исполняли лишь гидроаккумулирующие станции, то в наши дни активно развиваются электрохимические накопители, самые известные из которых — это «свежие» проекты Tesla в Калифорнии и Австралии. Navigant Research прогнозирует увеличение ежегодного ввода мощности накопителей для ВИЭ примерно с 2 ГВт в 2018 году до 24 ГВт в 2026 году — в двенадцать раз за восемь лет. Годовая выручка на данном рынке вырастет пропорционально до $24 млрд к 2026 году.
Растущая потребность в накопителях энергии заставила опять вспомнить о водороде.

Возобновляемую энергию — в автозаправки

Производить электролизом водород можно было и прежде, но тогда необходимо было пользоваться энергией традиционных тепловых электростанций, которые сжигают топливо. Когда же речь идет об избыточной и дешевой электроэнергии от солнечных и ветряных электростанций, свободных от выбросов СО2, то почему бы не преобразовать ее в водород, который использовать в качестве чистого топлива, например, для автомобилей? Тем более что это позволит отказаться от углеводородов как сырья для производства водорода. Ровно по этому пути идет множество инновационных компаний в Европе и мире. Британская ITM Power участвует в проекте Hydrogen Mobility Europe (H2ME), цель которого — запустить сеть из двадцати девяти заправочных водородных станций в десяти европейских странах к 2019 году, которые будут обслуживать двести легковых машин на водородных топливных элементах и сто двадцать пять гибридных грузовиков. Шведская Nilsson Energy специализируется на изолированных от энергосистемы решениях, в которых энергия солнца и ветра используется для получения и хранения водорода и его использования для заправки автомобилей и энергообеспечения зданий.

Автомобили на водородных топливных элементах уже выпустили на рынок Honda, Toyota, Hyundai и ряд китайских компаний. Целевое видение международного консорциума Hydrogen Council, основанного в Давосе в 2017 году крупнейшими отраслевыми компаниями под председательством Toyota, — более 400 млн легковых машин, 15-20 млн грузовиков, 5 млн автобусов на водороде к 2050 году (то есть около 20–25% от общего количества). 78% топ-менеджеров глобальной автомобильной индустрии, опрошенных KPMG в 2017 году, полагают, что такие автомобили станут прорывом в секторе электромобилей, отодвинув на второй план аккумуляторные машины.
Но транспорт — далеко не единственное направление.

Водород — в каждый дом

Стационарные топливные элементы (fuel cells) — динамично развивающаяся технология, которая позволяет получать электрическую и тепловую энергию из водорода или природного газа непосредственно на придомовом участке или в подвале дома. Выброс при использовании водорода только один — чистая вода, которую можно использовать для кондиционирования воздуха. Компактные модульные установки размером с холодильник абсолютно бесшумны. По прогнозу Navigant Research, мощности стационарных топливных элементов вырастут с 500 МВт в 2018 году до 3000 МВт в 2025 году. 
Такие установки комбинируются с ВИЭ, электролизерами, накопителями энергии и позволяют создавать полноценные автономные источники энергоснабжения для домохозяйства. Приведенная стоимость электроэнергии от топливных элементов на природном газе в США, по оценке Lazard ($106–167 за МВт∙ч) уже примерно равна показателям атомных ($112–183 за МВт∙ч) и угольных ($60–231 за МВт∙ч) электростанций и меньше приведенной стоимости индивидуальных крышных солнечных панелей ($187–319 за МВт∙ч). В Японии благодаря масштабным государственным субсидиям таких установок в 2014 году насчитывалось уже более 120 000, а целевые значения — более 1 млн к 2020 году и более 5 млн к 2030-му. 
По мере удешевления технологий (массовость производства, стандартизация) и выхода на их самоокупаемость, японское правительство планирует приступить к внедрению водородных топливных элементов — ожидается, что это произойдет к 2030 году. Топливные элементы — несомненно, важнейший перспективный сегмент технологий распределенных энергоресурсов, потенциала которых в России в соответствии с недавним исследованием Энергетического центра школы Сколково достаточно для закрытия не менее половины потребности в генерирующих мощностях до 2035 года.

Power-to-Gas

Водород, полученный с помощью возобновляемых источников энергии, можно подмешивать в газотранспортные и газораспределительные сети. Такая станция работает во Франкфурте-на-Майне с 2014 года, добавляя до 2% водорода в местную газораспределительную сеть (такое ограничение содержания водорода позволяет вообще ничего не менять ни в сетях, ни у потребителей). В Германии есть несколько подобных объектов, встречаются они и в Италии, Дании, Нидерландах. Иногда водород подмешивают в биогаз, увеличивая его ценность.
В Великобритании всерьез рассматривают водород как способ радикального сокращения эмиссий от домохозяйств (85% домохозяйств в стране сжигают природный газ для отопления). Для города Лидс с населением более 780 000 человек в 2017 году проведена детальная оценка потребности в инвестициях для полного перевода системы газоснабжения на водород — от замены котлов у потребителей до создания подземных хранилищ водорода и установок паровой конверсии. Сумма инвестиций оценивается в сто шестьдесят миллиардов рублей. Этот проект собираются масштабировать на всю страну, тем более что британские города в течение XIX века и первой половины XX века уже использовали искусственный «городской газ», содержавший до 50% водорода. А пока газовые компании планируют постепенно увеличивать долю водорода до 20%, избегая масштабной реконструкции газовых сетей и котлов у потребителей.
Японские компании с 2013 года обсуждают с «Русгидро» возможность создания завода по производству водорода на российском Дальнем Востоке по технологии power-to-gas с целью его экспорта. Расчет японской стороны строится прежде всего на использовании дешевой электроэнергии от гидроэлектростанций. По соглашению, подписанному на Восточном экономическом форуме осенью 2017 года, Kawasaki Heavy Industries должна актуализировать технико-экономическое обоснование этого проекта. По мере развития инфраструктуры на Дальнем Востоке и удешевления технологий электролиза и логистики водорода интерес к подобным проектам, очевидно, будет только расти. Учитывая огромный потенциал возобновляемой энергетики в этом регионе, можно прогнозировать появление здесь перспективных экспортных проектов.

Водород — интегратор газохимии и энергетики

Но самый впечатляющий проект реализуется сейчас на севере Нидерландов. В этом регионе, расположенном прямо над Гронингенским газовым месторождением (причиной «голландской болезни»), уже несколько лет бурно развивается биогазовая энергетика. Уже пять лет назад по улицам ездили автомобили на groen gas — биометане, произведенном здесь же из отходов агропрома региона площадью в две Москвы. Неудивительно, что именно здесь при поддержке Евросоюза год назад стартовал проект Chemport Europe, основная цель которого — создать полноценный газохимический кластер, работающий исключительно на местных биоресурсах и водороде с нулевыми выбросами СО2. Древесная биомасса перерабатывается, образующиеся в процессе углеводы используются в химии. Электроэнергия от офшорных ветряков преобразуется электролизерами в водород и кислород. Кислород и водород используются в химии, а кислород еще и участвует в газификации переработанной биомассы с местных полей площадью более миллиона гектаров. Газификация позволяет получить синтетический газ — чистую смесь водорода, СО2 и СО. Туда же добавляется и чистый водород от ветряков. Из этого газа получают азотную кислоту, метанол, этилен, пропилен, бутилен — вещества, которые могут полностью вытеснить нефть и природный газ с их устойчивых позиций сырья для химической промышленности.
Инициаторы проекта заявляют о стремлении приблизить стоимость синтетического газа к стоимости природного. Сингаз можно отправлять на сжижение (био-СПГ), заправлять им автотранспорт и использовать для прочих классических нужд.
Первоначальные инвестиции в проект — €50 млн, из них €15 млн обеспечиваются грантами Евросоюза.

Водородная олимпийская деревня

В Токио к Олимпиаде-2020 возводят олимпийскую деревню, которая примет до 17 000 гостей. Главным источником энергии в деревне будет водород: автомобили, заправочные станции, топливные элементы, тепло и электроэнергия в домах, газ в плитах и котлах — все это будет работать на водороде.
Так ли все безоблачно?
Среди скептиков водородной энергетики не только консерваторы, но и, например, Илон Маск (хотя, конечно, у него конфликт интересов: литий-ионные батареи Tesla — прямой конкурент технологии power-to-gas). Он указывает на опасность обращения с водородом при его хранении: утечки почти невозможно определить, и есть вероятность образования взрывоопасной смеси. Аналогичные опасения высказывают некоторые жители Токио. Можно ли эффективно и дешево решить эти проблемы на фоне развития конкурирующих технологий, покажет время. А пока в центрах мировых столиц продолжают возникать водородные заправки.

Ставки уже сделаны

Пока что глобальные инвестиции в водородную энергетику составляют, по разным оценкам, около €0,85-1,4 млрд в год. Консорциум Hydrogen Council планирует инвестировать $13 млрд в течение пяти лет в сети водородных заправочных станций и водородные автомобили. По данным департамента энергетики США, сектор топливных элементов уже дает работу 16 000 гражданам (перспектива роста — до 200 000), а финансовая поддержка от государственного бюджета США составляет около $100 млн в год на протяжении уже многих лет. Несколько десятков компаний, научных центров и университетов по всему миру работают над сокращением стоимости водородных технологий, в частности, заявлена цель снижения стоимости производства водорода методом электролиза от $11,5 до $5,7 за килограмм, а также уменьшения стоимости топливных элементов (в три-пять раз) и хранения водорода (в два-три раза). Очевидно, когда данные цели окажутся достигнуты, «водородная экономика» будет куда ближе к нам, чем может сейчас представляться.
Как это отразится на мировых рынках нефти и газа? Что это будет означать для российской экономики? Как нам найти свое место в мире «водородной экономики»? Все это вопросы, ответы на которые необходимо готовить уже сейчас.