Низкоуглеродный водород что это
Водород: эпоха возрождения?
Климатические амбиции крупнейших экономик мира на пути к низкоуглеродной энергетике заставили их снова обратиться в сторону самого легкого и самого распространенного элемента на земле — водорода. По мнению международных экспертов, водород, который имеет двухсотлетнюю историю использования, именно по причине экологической чистоты наконец имеет шансы на успех.
«Хотя за последние 50 лет водород пережил несколько волн интереса, ни одна из них не привела к устойчивому росту инвестиций и более широкому внедрению в энергетических системах. Тем не менее, недавний акцент на декарбонизацию и расширение масштабов и ускоренный рост низкоуглеродных технологий, таких как возобновляемые источники энергии, вызвал новую волну интереса к свойствам и расширению цепочки поставок водорода», — пишет в своем обзоре Goldman Sachs (GS).
Водород содержит в 2,5 раза больше энергии на единицу массы по сравнению с природным газом и бензином, но его очень низкий вес подразумевает гораздо более низкую плотность энергии на единицу объема в его газообразной форме в условиях окружающей среды.
«Водород обладает рядом ценных свойств, два из которых делают его уникальным в эпоху изменения климата:
— отмечают эксперты GS.
Зеленый, серый, бурый и голубой водород
В настоящее время производится около 70 млн тонн водорода, но лишь менее 2% производится экологически чистым способом — путем электролиза воды, когда вода разлагается на свои составляющие — водород и кислород — после подачи электрического тока. Если электроэнергия производится с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) — это «зеленый» водород, что является конечной целью экологически ответственных стран.
Однако, как водится, это наиболее дорогостоящий способ, и сейчас водород производится в основном из ископаемых источников энергии, в частности, из природного газа путем его риформинга — это «серый» водород (75%), поскольку нежелательным продуктом является СО2.
Остальной объем водорода производится путем газификации угля и называется «бурым» водородом.
По данным Международного энергетического агентства (МЭА), около 6% мирового производства газа и 2% угля используется для производства водорода, что приводит к существенным выбросам парниковых газов.
Аналитики Wood Mackenzie подсчитали, что в 2017 году на мировое производство водорода приходилось больше ежегодных выбросов CO2 и других парниковых газов, чем на всю Германию и мировую судоходную отрасль — 830 млн т в год.
На пути к «зеленому» водороду выделяется понятие «голубого» водорода: если при производстве «серого» или «бурого» будут улавливаться парниковые газы за счет систем CCS (carbon capture systems).
Где используется водород
С 1975 года спрос на водород увеличился более чем в три раза — с 18 до чуть более 70 млн т в год, из них около половины — 38 млн т — потребляется в нефтепереработке, около 32 млн т — в химической промышленности для производства аммиака, еще 4 млн т потребляют другие отрасли, в частности, при производстве метанола и стали, подсчитало МЭА.
Эксперты отмечают, что водород может «обезуглеродить» ряд секторов, где это представлялось сложным осуществить, включая перевозки на дальние расстояния, химическую промышленность, а также производство чугуна и стали.
Как пишет GS, ключевые характеристики водорода (малый вес и высокая энергия на единицу массы, короткое время дозаправки, нулевые прямые выбросы при использовании возобновляемых источников энергии) делают его привлекательным кандидатом в качестве транспортного топлива.
На сегодняшний день сжатый водород используется для автомобильного транспорта (включая легковые автомобили, а также автобусы, грузовики и поезда), при этом на легковые автомобили приходится подавляющее большинство используемых электромобилей на топливных элементах. Япония, США, ЕС и Южная Корея лидируют по уровню парка FCEV, но многие другие страны недавно также установили цели по внедрению водорода в транспортном секторе.
«Конкурентоспособность автомобилей на водородных топливных элементах зависит от стоимости топливных элементов и заправочных станций, в то время как для грузовых автомобилей приоритетной задачей является снижение стоимости доставки водорода»,
Количество FCEV в мире почти удвоилось до 25210 единиц в конце 2019 года, при этом было продано 12350 новых автомобилей — почти вдвое больше, чем в 2018 году. По состоянию на конец 2019 года во всем мире работало 470 водородных заправочных станций, что на 20% больше, чем в 2018 году.
Железнодорожная отрасль уже является лидером в европейском энергетическом переходе, генерируя только 0,1% общих выбросов парниковых газов, однако водородные поезда помогут дополнительно снизить выбросы и уровень шума. Первые коммерческие поезда были представлены в 2016 году компанией Alstom, а в 2018 году они введены в эксплуатацию в Германии. Хотя они все еще находятся на ранней стадии разработки и, по данным Alstom, их первоначальные затраты на 25% выше, экологический, технический и экономический профиль делает водородные поезда привлекательными для замены парка с дизельными двигателями, считают эксперты GS.
При использовании для бытового и промышленного отопления водород можно добавлять в существующие газопроводы с наибольшим потенциалом использования в многоквартирных и коммерческих зданиях, особенно в густонаселенных городах, в то время как более долгосрочные перспективы могут включать прямое использование водорода в водородных котлах или топливных элементах.
Добавление до 20% водорода в газораспределительную сеть требует минимальных или потенциально нулевых модификаций сетевой инфраструктуры или бытовых приборов конечного пользователя, отмечает МЭА.
Проект GRHYD во Франции, который начал подмешивать 6% водорода в сеть природного газа в 2018 году, уже достиг 20% в объемном выражении в 2019 году, демонстрируя техническую осуществимость этого подхода.
Закачка водорода в магистральные газопроводы является более сложной задачей из-за несовместимости материалов при высоких давлениях и более низкого допуска по концентрации водорода в смеси, которую могут принять промышленные пользователи. Однако в рамках некоторых пилотных экспериментов изучается возможность впрыска водорода в такие газопроводы, а проект, разработанный Snam в Италии, уже продемонстрировал возможность подмешивания водорода в объеме до 10%.
На промышленных предприятиях по переработке нефти, производству аммиака, метанола и стали «зеленый» или «голубой» водород может использоваться в качестве топлива (обеспечивая высокотемпературное тепло, требуемое на промышленных предприятиях) или как сырье, помогая сделать соответствующие производства экологически чистыми. Одним из ключевых промышленных применений чистого водорода, которое в последнее время привлекло внимание промышленности, является производство углеродистой стали с нулевым содержанием углерода. В настоящее время осуществляется ряд проектов по развитию этих процессов и продвижению к коммерциализации.
В производстве электроэнергии водород является одним из ведущих вариантов хранения возобновляемой энергии, а водород и аммиак можно использовать в газовых турбинах для повышения гибкости энергосистемы.
Аммиак можно также использовать на угольных электростанциях для сокращения выбросов.
Сколько стоит водородная экономика
Основной статьей затрат при производстве «серого» водорода является стоимость сырья — от 45% до 75% себестоимости, считает МЭА.
При этом, если добавить в схему использование уловителей СО2, затраты вырастают примерно на 50%:
Конечно же, доля сырья в себестоимости для стран, импортирующих газ, выше, чем в странах-производителях.
Согласно отраслевым исследованиям, использование технологий улавливания выбросов при производстве водорода может снизить их на 90%. В настоящее время по всему миру работает 20 крупных объектов CCS (в основном в США, Канаде и Норвегии) с общей мощностью, превышающей 35 млн тонн в год.
Наиболее широко применяемой и зрелой технологией является щелочной электролиз, характеризующийся относительно низкими капитальными затратами на электролизер (менее дорогие, поскольку обычно используется меньше драгоценных металлов по сравнению с другими технологиями электролиза, и с относительно высокой эффективностью, обычно варьирующейся от 55% до 70%).
Эксперты полагают, что «голубой» водород, вероятно, будет в ближайшей и среднесрочной перспективе основным проводником низкоуглеродной энергетики, пока «зеленый» водород не достигнет паритета затрат.
Аналитики МЭА отмечают, что в связи со снижением затрат на возобновляемую электроэнергию, в частности, солнечную энергию и энергию ветра, интерес к электролитическому водороду растет, и в последние годы было реализовано несколько демонстрационных проектов.
Если бы весь водород производился бы сейчас путем электролиза, это привело бы к потребности в электроэнергии в 3600 ТВт*ч, что превышает годовую выработку электроэнергии в Европейском Союзе, подсчитали аналитики агентства.
При снижении затрат на солнечную и ветровую генерацию строительство электролизеров в местах с отличными условиями для возобновляемых ресурсов может стать недорогим вариантом поставки водорода даже с учетом затрат на передачу и распределение при транспортировке водорода из удаленных мест, где используются возобновляемые источники энергии.
Согласно исследованию Wood Mackenzie, к 2040 году затраты на экологически чистый водород упадут на 64%. Так, считают эксперты, с учетом заявленных за последние десять месяцев проектов по «зеленому» водороду, объемы будут достаточно большими и достаточно стабильными, чтобы можно было масштабировать зарождающийся рынок.
«В среднем, к 2040 году затраты на производство зеленого водорода будут равны затратам на водород, вырабатываемый из ископаемого топлива. В некоторых странах, таких как Германия, это произойдет к 2030 году.
Учитывая масштаб, который мы наблюдали до сих пор, 2020-е годы, вероятно, станут десятилетием водорода»,
— отмечают аналитики WoodMac.
В то же время росту конкурентоспособности «зеленого» водорода будет способствовать и рост цен на ископаемые виды топлива. В то время как в 2020 году «серый» водород является самым дешевым водородом, за исключением Китая, Wood Mackenzie ожидает, что к 2040 году затраты на него вырастут на 82%, в основном, из-за роста цен на газ. В Саудовской Аравии и США «серый» водород по-прежнему будет самым дешевым водородом до 2040 года, считают они.
Стоимость «голубого» водорода к 2040 году вырастет, по мнению WoodMac, на 59%. «Успех „голубого“ водорода связан с успехом технологии CCS, которая страдает от высоких затрат и отмены проектов. Как и в случае с „серым“ водородом, прогнозируемый профиль затрат в значительной степени определяется ценами на природный газ», — считают они.
Решение за политиками
«Даже с учетом множества проблем, которые ждут зарождающийся рынок экологически чистого водорода, мы твердо уверены, что в ближайшее время возникнет какая-то форма низкоуглеродной водородной экономики. Учитывая степень четкой политики, корпоративной и социальной поддержки, которая процветала в 2020 году, зеленый водород будет успешно масштабироваться и обеспечивать значительное снижение производственных затрат», — уверены в WoodMac.
«В 2019 году водородные технологии продолжали развиваться, что вызвало большой интерес у политиков. Это был рекордный год для ввода в эксплуатацию электролизных мощностей, и на ближайшие годы было сделано несколько важных заявлений», — полагают аналитики МЭА.
В 2020 году производство низкоуглеродного водорода, как ожидается, составит около 0,46 млн т, уже анонсированы проекты, которые позволят к 2023 году производить 1,45 млн т, а к 2030 году стоит задачу увеличить производство до 7,92 млн т в год, отмечают в агентстве.
Европейский Союз летом текущего года заявил о намерении отказаться от использования ископаемых источников топлив к 2050 году и использовать декарбонизированные газы.
Европа является крупнейшим потребителем российских нефти и газа — основных источников пополнения российского бюджета.
Значит, России придется искать новые пути к своему традиционному партнеру.
«Газпром» уже пытается застолбить для себя нишу в производстве водорода, принимая участие в общественных дискуссиях, проведенных Европейской комиссией по проекту водородной стратегии. «Те предложения, которые мы высказали, — применение пиролиза метана для производства низкоуглеводного водорода — также включены в уже опубликованную стратегию ЕС. И водород, произведенный из природного газа, обладает как экономическими, так и экологическими преимуществами. То есть он может быть произведен без выбросов СО2», — сказал начальник отдела департамента 623 «Газпрома» Константин Романов.
По его словам, сейчас из природного газа в Европе производится более 8 млн тонн водорода в год, и на это используется более 30 млрд кубометров газа. Тогда как по планам ЕС предполагается производить лишь 1 млн тонн водорода с использованием электролиза воды.
«Мы ведем с европейскими партнерами дискуссии, переговоры о реализации пилотных водородных проектов в Европе, в том числе стратегия позволяет использовать и грантовую систему, механизмы грантов Еврокомиссии для развития пиролиза. Мы считаем, что природный газ по-прежнему останется важным источником для водорода и в целом для ЕС», — заключил Романов.
Светлана Кристалинская
Чистый водород из природного газа
Фото: ПАО «Газпром», ПАО «Газпром нефть», Depositphotos, Shutterstock, European Union, 2020.
* Мнения, представленные в данной статье, могут не отражать официальную точку зрения Группы «Газпром» и (или) государственных органов РФ, и ответственность за них несет только автор.
** Исследования проводятся при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках проекта «Влияние новых технологий на глобальную конкуренцию на рынках сырьевых материалов».
Заявленная Евросоюзом цель декарбонизации экономики и газовой отрасли создает возможности для взаимодействия России и ЕС, далеко выходящего за рамки традиционных поставок российского газа в Европу. Оно могло бы включать сотрудничество сторон на новом технологическом уровне — в производстве и использовании чистого водорода, получаемого из российского природного газа без выбросов CO2, в рамках экспортно ориентированной декарбонизации российской газовой отрасли.
Еврокомиссия заявляет, что достижение «углеродной нейтральности» (carbon neutrality) к 2050 году является приоритетной задачей, на решение которой будут направлены все имеющиеся в распоряжении ЕС ресурсы. Я бы, однако, предпочел назвать ее климатической нейтральностью, поскольку цель ЕС — обнулить выбросы CO2, влияющие на изменение климата. Поэтому выбор неточной/некорректной терминологии может привести — и уже зачастую приводит — к подмене понятий, а значит, и целеполаганий, и инструментов для достижения цели, на которые в ЕС уже выделено более 1 трлн евро. Согласно новому «Зеленому курсу» Еврокомиссии (Green New Deal), главная ставка сделана на использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и декарбонизированных газов, в первую очередь водорода. При этом водород рассматривается и как энергоноситель, и как средство накопления избыточной электроэнергии, вырабатываемой ВИЭ в периоды активного солнца и ветра, когда ее производство превышает спрос потребителей.
Постпандемический восстановительный рост экономики ЕС будет основываться на модели низкоуглеродной энергетики, еще более «зеленой», чем планировалось до пандемии COVID-19. Это может означать меньшую, чем в прежние времена, востребованность российского природного газа рядом традиционных отраслей, но также и формирование новой сферы спроса на него — в качестве сырья для производства водорода, особенно востребованного, если это будет чистый (без выбросов CO2) водород.
Поскольку в трансграничной производственно-сбытовой газовой цепи Россия — ЕС 80% выбросов парниковых газов происходит на стороне потребителя, наиболее рациональным для обеих сторон является декарбонизация газа (производство водорода из него) в местах будущего конечного потребления водорода и использование существующей (единой для России и ЕС) газотранспортной системы (ГТС) для доставки газа как сырья для производства водорода к местам его производства, максимально приближенным к потребителям.
Технологии производства
В настоящее время существуют три основные технологические схемы производства водорода, которые находятся на различных этапах развития (жизненного цикла). Первая — это электролиз воды («зеленый» водород, по терминологии ЕС). Этот способ рассматривается в ЕС как самый перспективный для зависимых от импорта энергоресурсов стран Евросоюза, хотя он и наиболее дорогой (см. рисунок ниже), в первую очередь потому, что наиболее энергоемкий.
Источник: Jose M Bermudez. IEA: The Future of Hydrogen // IEA Webinar “The Swiss Army knife of the Circular Carbon Economy: hydrogen has the potential to Reduce, Reuse, Recycle and Remove carbon emissions”, 3 June 2020 (www.iaee.org)
Затраты на производство водорода, по данным МЭА за 2018 г., долл. США/кг
Согласно данным ПАО «Газпром», для получения 1 куб. м водорода методом пиролиза метана требуется всего 0,7–3,3 кВт‧ч, а электролиза — 2,5–8 кВт‧ч, то есть почти втрое больше. По данным немецкой компании BASF, различие в энергоемкости этих технологий почти десятикратно. Однако ЕС делает ставку на «зеленый» водород, производимый именно по этой схеме.
Для сокращения издержек производства водорода методом электролиза (и одновременно для компенсации неравномерности производства солнечной и ветровой электроэнергии и балансировки ее пиковых значений относительно графика электрической нагрузки) предполагается использовать «избыточную» электроэнергию ВИЭ по нулевым или отрицательным ценам, чтобы уменьшить (сократить до нуля) энергетическую компоненту издержек. С другой стороны, триггером снижения издержек предлагается сделать «эффект масштаба», или «эффект концентрации мощности». Для этого ставится задача освоить производство и использование промышленных электролизеров в ЕС с сегодняшних уровней единичных мощностей, измеряемых киловаттами, до уровней, измеряемых сначала мегаваттами (то есть тысячами киловатт), а затем и гигаваттами (то есть миллионами киловатт).
Промышленная группа «Водородная Европа» (Hydrogen Europe) в своем недавнем фундаментальном исследовании (известном как «Инициатива 2×40 ГВт») обосновывает необходимость массированного развития системы электролизеров гигаваттной мощности как внутри самого ЕС, так и в соседних с ЕС странах (Северная Африка, Украина и др.) для поддержки производства «зеленого» водорода. В докладе утверждается, что электролизеры гигаваттной мощности, установленные вблизи ветровых и солнечных электростанций, смогут конкурировать с производителями низкоуглеродного водорода (1,5–2 евро/кг) к 2025 году и «серого» водорода, производимого из органического топлива без улавливания CO2 (1–1,5 евро/кг), — к 2030 году.
В опубликованной 8 июля нынешнего года «Водородной стратегии для климатически нейтральной Европы» Европейская комиссия (ЕК) ставит целью значительное увеличение масштабов производства водорода, чтобы как можно быстрее добиться снижения его цены до уровня 1–2 евро за 1 кг (эти цифры присутствуют в майской предварительной версии стратегии, однако, в окончательной июльской версии они отсутствуют) за счет организации производств «зеленого» водорода на территории ЕС и за его пределами (с отсылкой к вышеуказанной «Инициативе 2×40 ГВт»), главным образом, на специальных «фабриках зеленого водорода», интегрированных с мощностями ВИЭ (ветряными или солнечными установками).
Но для этого потребуется либо создание специализированной магистральной сети для транспортировки водорода (такие планы существуют у той же «Водородной Европы»), либо использование существующей газотранспортной сети для транспортировки метано-водородной смеси (MВС) до пунктов назначения с разделением этих двух газов уже на выходе из трубы. Обе схемы приведут к значительному удорожанию водорода по сравнению с его производством, привязанным к местам потребления.
Вторая технологическая схема — паровой риформинг метана (MSR) и (или) автотермический риформинг (ATR), представляющий собой наиболее продвинутую сегодня технологию получения водорода, которая значительно дешевле технологии «зеленого» водорода. Однако этот процесс сопровождается выбросами CO2 и поэтому требует использования технологий улавливания и захоронения CO2 (CCS), что добавляет по меньшей мере 20–40% к себестоимости водорода, производимого методом MSR (MSR+CCS — это «голубой» водород, согласно терминологии ЕС), а по приводимым в Водородной стратегии ЕС данным, может увеличивать ее вдвое.
Третья схема — это набор технических решений для получения водорода из метана без доступа кислорода (пиролиз и ряд других методов) и, следовательно, без выбросов CO2, то есть чистого водорода. Это означает, что при прочих равных условиях пиролиз метана (и иные аналогичные технологии производства чистого водорода из природного газа, то есть сразу без выбросов CO2) будет дешевле, в расчете на единицу произведенного водорода, по сравнению как с электролизом (в 2,5–10 раз менее энергоемкие) так и с паровым/автотермическим риформингом метана (нет нужды в дорогостоящей технологии улавливания и захоронения CO2). Более того, решение проблемы маркетинга получаемого при пиролизе в качестве побочного продукта твердого углерода, или сажи (которая является климатически нейтральной против CO2/CO, которые эмитируются при риформинге), будет не увеличивать, а дополнительно уменьшать затраты на производство водорода. Если же объемы твердого углерода окажутся избыточными для эффективного маркетинга (производительного использования), то, во-первых, его захоронение (или временное, пусть и долгосрочное, хранение) не является технически сложной и социально чувствительной (в отличие от захоронения CO2) проблемой, поскольку он не является климатически агрессивным.
В ЕС придерживаются точки зрения, что конечная желанная цель — получение «возобновляемого», или «зеленого», водорода (производимого электролизом на основе ВИЭ). И понятно почему: поскольку подспудной и не афишируемой широко вслух в ЕС целью является замена «грязных» импортных молекул (пусть это даже наиболее чистый из всех видов органического топлива природный газ) на «чистые» отечественные (произведенные в ЕС и на отечественном оборудовании) электроны.
Однако эту цель невозможно достичь к 2050 году без параллельного производства и использования водорода, получаемого из природного газа. Но в рамках общественных обсуждений в ЕС под последним обычно понимается исключительно вариант MSR/ATR+CCS. Вариант пиролиза обычно не рассматривается.
Так, например, в фундаментальном и очень подробном документе под названием «Дорожная карта водородной энергетики Европы» говорится: «Производство водорода в Европе будет комбинацией преимущественно электролиза и SMR/ATR с CCS». Кроме того, в документе указывается, что «там, где технология CCS технически неосуществима, единственными методами производства ультранизкоуглеродного водорода будут риформинг биометана, электролиз воды и, в долгосрочной перспективе, газификация биомассы». Получение чистого водорода из природного газа даже не упоминается.
В опубликованном в конце июля по заданию ЕК исследовании «Производство водорода в Европе: обзор затрат и основных выгод» признается, что «существует много альтернативных методов производства водорода, которые находятся на разных этапах технологического освоения». И тут же говорится, что исследование концентрируется, во-первых, на нескольких электролитических решениях по производству водорода, во-вторых — «на основных широко обсуждаемых технологиях производства водорода из органического топлива, увязанных с технологиями улавливания, хранения и использования углерода (CCUS). Эти две технологии: (SMR + CCUS) и (ATR + CCUS)». Всё это в итоге дает основание не только мне, но и некоторым западным специалистам и даже журналистам (как, например, обозревателю известного международного газового журнала Natural Gas World Чарльзу Эллинасу) заявить, что «так называемый бирюзовый водород, получаемый методом пиролиза, при производстве которого в качестве побочного продукта имеем твердый углерод, пригодный для полезного использования или подлежащий легкому удалению в качестве отхода, несомненно игнорируется».
«Зеленый» водород или чистый водород?
Хотя понятия «зеленый водород» и «чистый водород» используются в документах ЕС как взаимозаменяемые и понимаются общественностью ЕС как синонимы, это неправильно, поскольку вся технологическая цепочка, связанная с изготовлением оборудования ВИЭ (преимущественно в Китае), и предшествующие ей звенья вовсе не являются «зелеными». Это всё еще экологически грязная цепочка процессов, начиная со стадии добычи редкоземельных металлов. Таким образом, «грязная» часть технологических процессов, обеспечивающих производство «чистой» электроэнергии ВИЭ, оказывается просто вынесена (со всеми их негативными экологическими и климатическими эффектами) далеко за пределы ЕС — преимущественно в азиатские страны. Но ведь глобальная климатическая проблема является не региональной, внутриеэсовской, а именно глобальной!
Поэтому локализация «грязных» технологий в развивающихся странах для обеспечения «чистого» производства электроэнергии ВИЭ внутри ЕС является не решением этой глобальной проблемы, а очередной подменой понятий. Почему очередной? Мы наблюдали аналогичный перенос энергоемких грязных производств в развивающиеся страны из промышленно развитых государств-энергоимпортеров в 1970-е годы, когда резко выросли цены на нефть и такой перенос обеспечивал последним частичную экономию (сдерживание роста) издержек за счет замещения более дорогой энергии (энергетическая составляющая издержек) более дешевым живым трудом (затраты на рабочую силу в издержках).
Является ли водород чистым или нечистым, должно зависеть не от присутствия (CН4) или отсутствия (Н2О) молекул углерода на входе в процесс производства водорода, а от наличия или отсутствия выбросов CO2 на выходе из этого процесса. Водород, получаемый из природного газа методом MSR/ATR без CCS, не является чистым, но водород, получаемый из метана пиролизом, плазмохимическим и (или) иными методами без доступа кислорода и без выбросов CO2, действительно является чистым, и его производство не требует дополнительных затрат, связанных с CCS. И он полностью соответствует требованиям ЕС по декарбонизации и «углеродной нейтральности» без применения CCS, хотя и представляет собой «голубой» (в классификации ЕС) водород, поскольку производится из природного газа. Это означает, что классификация водорода, производимого из различных источников, по цветовому признаку, широко используемая в ЕС, может вводить (и вводит) в заблуждение.
Понятие «углеродная нейтральность» тоже вводит в заблуждение: экологически нейтральный твердый углерод, побочный продукт пиролиза, попадает в ту же категорию, что и выбросы парниковых газов, включая CO2 (побочные продукты SMR/ATR), что может формировать (и формирует) негативное представление о процессе пиролиза, который (с точки зрения выбросов CO2) является экологически нейтральным, в отличие от экологически вредных (ибо сопровождаются выбросами CO2) процессов SMR/ATR.
«Лукавая буква»
Еще одним существенным, но малозаметным для непрофессионалов элементом подмены понятий является некорректное использование и расшифровка термина CCS/CCUS — технологии, повсеместно рассматриваемой за рубежом как один из основных инструментов решения климатической проблемы, борьбы с выбросами CO2, их утилизации. На Западе аббревиатура CCS расшифровывается как carbon capture and storage (улавливание и хранение углерода), а CCUS, соответственно, как carbon capture utilization and storage (улавливание, использование и хранение углерода).
Первая подмена понятий — замена в термине CCS/CCUS экологически вредной газообразной двуокиси углерода (CO2) на климатически нейтральный твердый углерод (С).
Вторая подмена — расшифровка S как «хранение», в то время как речь идет о «захоронении». Почувствуйте разницу! «Хранение» — это процесс временного выведения из хозяйственного оборота того или иного товара, который от этого не перестает быть товаром, то есть не теряет своих потребительских свойств и качеств и может быть впоследствии возвращен в хозяйственный оборот и монетизирован. Пример — подземное хранение газа, когда для компенсации сезонных или конъюнктурных колебаний спроса используется его закачка и (или) отбор в подземные хранилища газа (ПХГ). Тот же механизм работает и с коммерческими запасами нефти и нефтепродуктов. Да и с любыми иными товарными запасами. То есть хранение — это двусторонний процесс, «туда-обратно». Поэтому затраты на создание мощностей по хранению — это коммерчески окупаемые инвестиции. «Захоронение» же — это односторонний процесс, только «туда». Сегодня — по преимуществу в отработанные месторождения углеводородов (например, в Северном море). Там под воздействием высокой температуры и давления CO2 вступает в физико-химическую реакцию с горной породой и минерализуется. Он более непригоден для дальнейшего использования. Поэтому затраты на создание мощностей по захоронению — это коммерчески безвозвратные затраты.
Когда же речь идет о расшифровке U (использование), то основное направление использования CO2 — это его закачка в продуктивные пласты нефтяных месторождений для повышения нефтеотдачи. Но это означает его применение, а значит, и получение CO2, в апстриме, у производителя, вблизи устья добывающих скважин. То есть это скрытая форма побуждения к производству водорода у производителя (в случае России — в Западной Сибири) и крупномасштабный (для реализации «эффекта концентрации»), дальний (на многие тысячи километров) транспорт водорода, по-видимому, в виде МВС по существующей (но, скорее всего, модернизированной под МВС) ГТС в Европу. Призывы такого рода неоднократно приходится слышать не только от европейских, но и от ряда российских коллег (ссылаясь на то, что в Германии, например, апробирована техническая возможность доведения содержания водорода в МВС до 20%), причем некоторые предлагают переводить новые современные газопроводы (например, «Северный поток — 2») на транспортировку МВС или только водорода. Скрытая аналогия с «Инициативой 2×40 ГВт», инкорпорированной в Водородную стратегию ЕС: производство водорода апстрим и дальний его транспорт в ЕС.
Мне кажется, что это абсолютно несостоятельные предложения. То есть они приемлемы и вполне желанны для ЕС, но контрпродуктивны для России. Взаимовыгодным для РФ и ЕС, на мой взгляд, является иной путь. И вот об этом пойдет речь далее.
Также отмечу, что игнорирование в публичном пространстве ЕС пиролиза и аналогичных технологий происходит в результате формирования если не «образа врага», то в лучшем случае — «временного попутчика» декарбонизации, а соответствующая расшифровка аббревиатуры CCS/CCUS создает этой технологии «имидж друга».
«Трехходовка Аксютина» — основа для сотрудничества
С учетом изложенного одним из возможных вариантов участия России в декарбонизационной программе ЕС мог бы стать трехэтапный подход, предложенный заместителем Председателя Правления ПАО «Газпром» Олегом Аксютиным на заседании Рабочей группы 2 «Внутренние рынки» Консультативного совета Россия — ЕС по газу (РГ2 КСГ), состоявшемся в Санкт-Петербурге в июле 2018 года (см. рисунок ниже). Поэтому для лучшей узнаваемости я называю эту концепцию трехходовкой Аксютина.
Экспертная оценка выполнена на основании данных по:
— удельным выбросам СО2 при использовании различных видов топлива (U.S. Energy Information Administration estimates);
— углеродному следу различных видов моторных топлив (European Natural gas Vehicle Association report, 2014–2015);
— выбросам парниковых газов ЕС (Национальный доклад о кадастре антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, не регулируемых Монреальским протоколом за 1990–2016 гг., Международное энергетическое агентство).
Источник базового графика: O. Aksyutin. Future role of gas in the EU: Gazprom’s vision of low-carbon energy future. // 26th meeting of GAC WS2, Saint-Petersburg, 10.07.2018 (www.minenergo.gov.ru; www.fief.ru); PJSC Gazprom’s feedback on Strategy for long-term EU greenhouse gas emissions reduction to 2050 // ec.europa.eu
Инновационный метано-водородный сценарий низкоуглеродного развития ЕС в рамках «третьего видения ЕС»: «трехходовка Аксютина»
Первый шаг — замещение угля газом в электроэнергетике и жидкого топлива компримированным и (или) сжиженным природным газом (КПГ/СПГ) на транспорте. Это структурная декарбонизация. Далее следует двухэтапная технологическая декарбонизация.
Второй шаг — на основе производства метано-водородной смеси на компрессорных станциях (КС) и ее использование в качестве топливного газа вместо метана на этих КС, что позволит снизить выбросы CO2 примерно на треть.
Третий шаг — глубокая декарбонизация на основе перехода к производству водорода из метана без выбросов CO2 (см. рисунок ниже).
Сотрудничество между российскими и европейскими научно-исследовательскими институтами и компаниями в целях скорейшей коммерциализации последней группы технологий может стать беспроигрышным взаимовыгодным вариантом для РФ и ЕС. Такое сотрудничество позволит расширить область применения российского газа в ЕС, создавая для него новую спросовую зону, будет стимулировать совместные разработки по созданию инновационных предприятий по производству чистого водорода для использования в рамках поначалу Большой энергетической Европы (включающей как ЕС, так и Россию, а также другие территории, охватываемые широко диверсифицированной трансграничной ГТС), а в долгосрочной перспективе — и с более широким географическим охватом. Это позволит снизить затраты на декарбонизацию (достижение климатической нейтральности) для ЕС и таким образом приведет к росту благосостояния российских и европейских граждан.
«Альянс по производству чистого водорода из природного газа»
Предлагаю организовать сотрудничество РФ — ЕС по производству чистого водорода из природного газа в рамках, например, специализированной секции, открытой для вступления новых членов, в составе Альянса чистого водорода (Clean Hydrogen Alliance), анонсированного в рамках Водородной стратегии ЕС. Обсуждение оптимальных параметров такого сотрудничества может происходить (как минимум такое обсуждение может быть начато) под эгидой РГ2 КСГ или, если стороны найдут более приемлемый формат, в рамках этого нового формата.
Обнародованная 8 июля 2020 года Водородная стратегия ЕС объявила об официальном начале работы с того же дня Европейского альянса чистого водорода, объединяющего государственные власти, бизнес и гражданское общество с целью формирования соответствующей инвестиционной повестки и отбора проектов. Но еще до формального запуска этого Альянса, после того как Еврокомиссия в марте текущего года в информационном письме о Новой индустриальной стратегии для Европы только объявила о своих планах его создания и пояснила, что Альянс будет опираться на имеющиеся заделы по определению технологических потребностей, инвестиционных возможностей, регуляторных барьеров и механизмов реализации, то уже к началу июня, по данным ассоциации «Водородная Европа», эту инициативу поддержали более 90 гендиректоров европейских компаний. Таким образом, практическое движение «за чистый водород» в ЕС уже началось, и моей стране весьма важно, во-первых, чтобы оно продолжилось в правильном (экономически обоснованном, а не политически мотивированном), а не искривленном (осознанно или по незнанию) направлении и, во-вторых, не остаться от него в стороне. Ибо это будет означать либо расширение, либо, наоборот, схлопывание спросовой ниши для российского газа в Европе (на основном нашем экспортном рынке, под который выстроена вся капиталоемкая газотранспортная стационарная трансграничная инфраструктура) в долгосрочной перспективе, заделы подо что формируются уже сегодня.
Предлагаемое мною формирование новой секции этого Альянса, но уже не как внутриеэсовского предприятия, а вынесенной — если в рамках Консультативного совета РФ — ЕС по газу — на межгосударственный Россия — ЕС уровень, могло бы дать ей название «Альянс по производству чистого водорода из природного газа», поскольку на сегодняшний день еэсовская концепция Альянса чистого водорода, по-видимому, будет ограничена в основном или даже исключительно концепцией «зеленого» водорода в понимании ЕС.
Пока еще нигде в мире не существует специализированных предприятий по производству чистого водорода из природного газа на промышленном уровне, и это направление стоит незаслуженно игнорируемым особняком по отношению к двум другим технологическим схемам производства водорода. Во всяком случае мне не удалось найти ничего по этой теме среди представленных на сайте ассоциации «Водородная Европа» 229 проектов.
Существует не так много компаний или институтов, занимающихся проработкой этой «третьей схемы» производства водорода, то есть преобразованием метана в водород без выбросов CO2. В России это, например, ПАО «Газпром» и Томский политехнический университет, в Германии — BASF, Wintershall Dea, Linde, Uniper, Технологический институт Карлсруэ, в Испании — Мадридский политехнический университет и еще несколько организаций в других странах. Некоторые из них выступали с презентациями на прошлых заседаниях РГ2 КСГ. Выгоды такого сотрудничества заинтересованных сторон очевидны — оно может приблизить момент выхода на «кривую обучения» и ускорить снижение затрат при движении по ней. Сотрудничество в области получения чистого водорода из природного газа может стать одним из основных направлений дальнейшей работы РГ2 КСГ наряду с традиционной газовой повесткой.
«Водородная Европа» может выступить координатором этого направления со стороны ЕС. В своей последней публикации «Водородная стратегия ЕС: 10 ключевых рекомендаций ассоциации «Водородная Европа» эта отраслевая ассоциация предлагает создать Альянс чистого водорода и определить водород как ключевой элемент глобальной климатической дипломатии и политики добрососедства ЕС и как ключевой компонент действующего энергетического сотрудничества ЕС — Украина, партнерства ЕС — Африка и Евро-Средиземноморского партнерства.
КСГ Россия — ЕС может добавить тему «Чистый водород из природного газа» к своему списку тем без ущерба для уже упомянутых партнерских программ ЕС. Эта тема предлагается не вместо, а в дополнение к другим прорабатываемым в ЕС технологическим схемам производства низкоуглеродного и (или) чистого водорода, исходя из их географической взаимодополняемости в рамках концепции Большой энергетической Европы.
Координатором этого направления со стороны России может стать «Газпром», ибо именно он является ключевым участником в теме «Чистый водород из природного газа». В рамках действующего в РФ законодательства (когда ПАО «Газпром» как агент государства — собственника природных ресурсов является монопольным экспортером природного газа по трубопроводам) именно поставки газа «Газпромом» до мест производства водорода в глубине ЕС будут обеспечивать окупаемость соответствующих «водородных» инвестиций. «Газпром» является ключевым участником в создании эффективных технологий преобразования метана в водород (при использовании природного газа как сырья) и выработки электрической и тепловой энергии из метана (необходимой для энергообеспечения технологических процессов производства водорода из природного газа). Тема «Альянса чистого водорода из природного газа» может быть добавлена к работам, проводимым под эгидой Минэнерго России по водородной тематике, в частности в рамках подготовки водородной стратегии России.
Сотрудничество на основе взаимодополняемости технологий
В рамках Большой энергетической Европы можно выделить несколько географических зон, в которых определенные технологии производства водорода имеют (могут иметь) естественное конкурентное преимущество (см. рисунок ниже). Если, как было обещано, в ЕС будет применяться технологически нейтральный подход к регулированию, все эти технологии получат свои конкурентные ниши и смогут внести свой вклад в декарбонизацию ЕС.
Источник карты: Европейская сеть операторов газотранспортных систем (ENTSOG).
* Штрих-пунктирные линии — по итогам бесед А.Конопляника с Ральфом Дикелем; точечно-пунктирные линии — с добавлением Украины и Северной Африки согласно документу «Инициатива 2×40 ГВт» ассоциации «Водородная Европа» приводятся в иллюстративных целях с учетом скептицизма автора в отношении дальней транспортировки водорода, произведенного в этих географических регионах.
Примерные возможные зоны распространения (преимущественного применения) основных технологий производства водорода в Европе при государственном регулировании ЕС, основанном на принципах «технологического нейтралитета»*
Что касается электролиза на базе ВИЭ, то одни регионы ЕС богаче солнечной энергией (Испания, Средиземноморье), другие — энергией ветра (прибрежные районы Северного моря), а третьи имеют развитую гидроэнергетику (скандинавские страны). Во Франции, стремящейся к энергетической самодостаточности за счет высокой доли ядерной электроэнергетики, для электролиза можно использовать энергию АЭС, вырабатываемую в ночные часы, для выравнивания графика электрической нагрузки.
В настоящее время технологию MSR с CCS активно развивают норвежская компания Equinor с партнерами, включая улавливание CO2 с промышленных установок, расположенных на побережьях Северного и Балтийского морей, с последующей его доставкой и закачкой в выработанные североморские месторождения. Норвежский нефтяной директорат уже предлагает выработанные нефтяные и газовые пласты североморских месторождений для утилизации CO2. Эта зона может стать полигоном испытания технологии SMR/ATR с CCS на конкурентоспособность.
Наконец, пиролиз метана и подобные технологии будут распространяться (в случае их ускоренного перехода от стадии лабораторных испытаний и пилотных установок к стадии промышленного применения, в том числе в рамках сотрудничества России и ЕС в этой сфере) в континентальной Европе на базе обширной разветвленной трансграничной газотранспортной сети, как предусмотрено шагами два и три упомянутой «трехходовки Аксютина».
Каков возможный план действий?
На 29-м заседании РГ2 КСГ в Берлине в октябре 2019 года, на котором присутствовало более 60 участников с обеих сторон, сопредседатели инициировали обсуждение потенциальных совместных исследований по ключевым вопросам декарбонизации, представляющим взаимный интерес. Вот одна из идей для дальнейшего рассмотрения.
Организовать производство чистого водорода из метана (без выбросов CO2) в первую очередь у центров спроса на водород (у потребителя ЕС), вблизи существующих компрессорных станций (КС) трансграничной газотранспортной сети в пределах Большой энергетической Европы. Природный газ, транспортируемый по этой сети, необходимо в таком случае использовать следующим образом.
В качестве энергоресурса:
a) для производства МВС на КС ГТС для потребления в качестве топливного газа в этих КС по маршрутам доставки российского газа в ЕС (запатентованная и отрабатываемая в настоящее время ПАО «Газпром» технология адиабатической конверсии метана) для обеспечения транспортировки газа по трансграничной ГТС (эффект уменьшения выбросов CO2 на треть);
b) в качестве источника энергии для производства чистого водорода на заводах/установках, которые будут (должны быть) построены рядом с КС ГТС, расположенных у центров потребления водорода в ЕС, в масштабах, соответствующих ожидаемому спросу на водород на прилегающей территории (это моя предлагаемая альтернативная интерпретация термина ЕС «водородные долины/острова»).
В качестве сырья для установок по производству чистого водорода из метана, которые будут расположены вблизи этих КС и нацелены на удовлетворение локального спроса на водород в рамках «водородных долин/островов» ЕС.
Мощность установок по производству чистого водорода вблизи существующих КС ГТС в ЕС будет зависеть от местного локального спроса на водород (в пределах «водородных долин/островов»). Такая модель позволит свести к разумному минимуму расходы на дорогостоящую транспортировку водорода по новым водородным трубопроводным сетям и (или) по существующей ГТС, которую в противном случае потребуется адаптировать под транспортировку МВС или чистого водорода.
Кроме того, такой вариант декарбонизации позволит продлить срок службы существующей трансграничной капиталоемкой стационарной газовой инфраструктуры в пределах Большой энергетической Европы. Имеется в виду по сравнению с предлагаемыми доминирующими сценариями, согласно которым чистый водород получают из энергии ВИЭ далеко за пределами ЕС на электролизерах гигаваттной мощности для достижения экономии на издержках производства за счет «эффекта масштаба», хотя такая экономия в производстве будет нивелирована дополнительными затратами на развитие новой инфраструктуры для транспортировки водорода на дальние расстояния (вспоминается справедливо относящаяся к такому случаю российская пословица: «За морем телушка — полушка, да дорог перевоз»).
На предстоящих заседаниях РГ2 КСГ мы планируем продолжить неформальное обсуждение сотрудничества России и ЕС по производству чистого водорода из природного газа в рамках Водородной стратегии ЕС, чтобы обе стороны смогли извлечь взаимную выгоду из сотрудничества в этой сфере.