Около 95% текущего объёма водорода в мире производится на основе использования первичных ископаемых ресурсов, то есть сопровождаются «антропогенными выбросами CO2». Меньшая его часть синтезируется низкоуглеродными методами на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Значительное расширение применения технологий водородной энергетики с низкими (нулевыми) выбросами углерода считается частью политики «зеленого перехода», заявляемой в технологически развитых странах. В богатых ископаемыми ресурсами странах при этом склоняются к проектам синтеза водорода из природного газа с улавливанием CO2 для последующего экспорта в бедные природными ресурсами регионы Европы и Азии.
В декабре 2022 – январе 2023 года в России была принята Дорожная карта развития высокотехнологичного направления «Водородная энергетика» до 2030/2035 годов (Дорожная карта, ДК), подготовленная межведомственной рабочей группой (МРГ) на основе договоренностей с ПАО «Газпром» и ГК «Росатом» и включающая 20 основных видов деятельности. Дорожная карта заменила более раннюю Концепцию развития водородной энергетики от августа 2021 года, в рамках которой в начале февраля 2022 года обсуждался план развития с объемом вложений до 3 трлн руб (30 млрд долл. США по курсу на осень 2023 г. и около 43 млрд по действовавшему на тот момент курсу) до 2030 года. В ДК поставлена цель организации сети водородных заправочных станций (ООО «Газпром водород») и испытательных полигонов для разработки перспективных водородных технологий на основе электролиза (ГК «Росатом»). В августе 2023 года АФК «Система» была добавлена в пул соглашений ДК (рис. 1).
Целевое количество водородных заправочных станций не менее 1000 (одной тысячи) единиц к 2030 году было утверждено ранее принятыми документами – Концепцией развития электромобилей в России (август 2021 г., направление №7) и Транспортной стратегией России до 2035 года (ноябрь 2021 г.). Однако это целевое число может быть существенно уменьшено, поскольку природный газ в ряде документов МВГ, согласно расчётам, был признан более экономичным топливом, чем водород, для грузового и общественного транспорта до 2030 года.
Объём вложений, утверждённый в ДК до 2023-2024 г., сравнительно небольшой – 9,3 млрд руб. или менее 100 млн долл. США. Однако, до 2030 года данный объём может существенно возрасти в рамках сценарного подхода, о котором сказано выше. Согласно одному из сценариев (умеренно оптимистичный), бюджетные и частные инвестиции в развитие водородной энергетики в этот период могут составить около 1 трлн. руб. (10 млрд долл. по среднему обменному курсу осенью 2023). В этом случае Россия наряду с такими странами, как Индия, Южная Корея, Франция, Германия, Япония, Китай и США, будет входить в десятку стран и их союзов, готовых существенно инвестировать развитие водородных технологий в период 2024-2030 годов (рис. 2).
Одним из способов минимизации затрат на хранение и транспортировку водорода является использование циклов его синтеза в точках потребления, например на заправочных станциях. Создание мини-заводов (установок) по синтезу водорода из природного газа прорабатывается специалистами Горного университета. В Китае первая подобная «комби» - заправка с установкой по синтезу водорода, созданная на основе газозаправочной станции, появилась в январе 2023 года. Прогнозируемые затраты, исходя из проработанных процедур составляющих технологического цикла синтеза, хранения и транспортировки позволяют добиться относительно невысокой цены 1 кг конечного продукта (сжатого или жидкого водорода) на мини-заводах даже с учётом реализации ССUS – улавливания, хранения и утилизации СО2 (рис. 3).
Таким образом, при выборе из технологических альтернатив газо-водородных технологий с циклами утилизации CO2, меньшую стоимость водорода в настоящее время дают «бирюзовые» мини-заводы (установки). Перспективной технологией с эко-экономической точек зрения признан пиролиз метана, который позволяет улавливать CO2 для последующего использования в удобной форме порошка. Реакция метана и водорода дает твердый технический углерод (С), который, в свою очередь, может быть использован при производстве наноструктурированных материалов – фуллеренов и углеродных нанотрубок. В зависимости от типа используемых катализаторов, «входной» стоимости природного газа, а также возможности реализации побочного продукта С наблюдается достаточно широкий диапазон конечной стоимости водорода – от 2,5 до 7 долларов за кг (рис. 4). В настоящее время технология дорабатывается.
Идея, лежащая в основе широкомасштабного использования водорода, заключается в его климатической нейтральности. Однако в некоторых исследованиях по вкладу водорода в парниковый эффект сделан вывод, что водород – «косвенный парниковый газ», увеличение концентрации которого в атмосфере приведет и к увеличению содержания метана. Ключевой технологической проблемой использования первичных природных ресурсов (газа, угля и т. д.) для выработки водорода остается низкое значение комплексного показателя эффективности (КПД) большинства технологий водородной энергетики - порядка 10–30%. Повышение комплексного КПД позволит снизить себестоимость продукции, и потенциально экономически конкурентоспособные технологии крупнотоннажного производства водорода на АЭТС смогут быть доведены до стадии внедрения. В результате, эксперты относят масштабное расширение использования водородных технологий за горизонт 2030–2035 гг., включая строительство АЭТС и получение горячебрекитированного железа (H2-DRI) в металлургической промышленности, например. Имеются прогнозы, что к этому времени актуальные сегодня препятствия в процессах синтеза и использования водорода будут хотя бы частично преодолены, а значит, «чистые» водородные технологии станут и экономически более доступными.
Заключение
Перспективными направлениями развития водородной энергетики в России и некоторых странах, обеспеченных природным газом и имеющим развитые газопроводные сети, являются создание сети «бирюзовых» мини-заводов на базе существующей газозаправочной инфраструктуры (в РФ к 2030 году в РФ планируется открыть более 3000 газовых заправок) и производств водорода средней мощности на основе методов конверсии и (или) пиролиза метана c улавливанием / нейтрализацией выбросов CO2;
Использование природного газа в качестве основного сырья для водородной энергетики в обозримой перспективе обусловливает необходимость поддержки и развития известных технологий хранения и транспортировки как природного газа, так и водорода, а также создание собственного оборудования для крупных и средних заводов по синтезу водорода;
Раннее формирование региональных и отраслевых приоритетов использования водорода в качестве топлива для транспорта и энергетического сырья для энергоемких технологических процессов (металлургия, химические производства) в России может способствовать переориентации поставок части природного газа на водородные генераторы;
В случае снижения объемов поставок трубопроводного газа и СПГ на традиционные рынки за рубежом целесообразно обеспечить возможность использования образовавшихся «излишков» на территории страны. Возможность применения газо-водородных технологий на транспорте и металлургии может выступить рациональным вариантом для решения данной задачи;
Качественные изменения в использовании природных ресурсов и газовых сетей в перспективе распространения водородных технологий в стране и мире к 2030-2035, к 2050 годам потребуют научной и практической доработки, согласования с перспективными зарубежными партнёрами технологических, финансовых вопросов, вопросов стандартизации, сертификации.