Водородная энергетика

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность выбранной темы связана с тем, что водород сейчас становится ключевым компонентом глобального энергетического перехода к низкоуглеродной экономике. Именно эта технология получения энергии пользуется поддержкой правительств большинства мировых держав, принявших участие в Парижском соглашении по климату, принятом ООН. Согласно данному документу значительную часть обязательств, касающихся обеспечения нулевого баланса по атмосферным выбросам к установленному периоду (2050-й год), принимают на себя наиболее устойчивые и развитые из национальных экономик. Однако к настоящему времени эмиссия СО2 не просто держится на историческом максимуме, но и быстро повышается. Это делает особенно актуальным проблему быстрого и целенаправенного развития водородной энергетики во всем мире. Понимая данный устойчивый тренд в мировом экономическом развитии, а также в силу своих лидируюих позиций в качестве поставщика энергоресурсов на глобальном энергетическом рынке, Российская Федерация 12 октября 2020 года приняла план мероприятий «Развитие водородной энергетики в РФ до 2024 года». Следует отметить, что интерес к водородной энергетике является стимулом и для научных разработок, связанных с водородными технологиями как источником энергии (в первую очередь это касается транспортной отрасли), хотя масштабных внедрений пока не происходит.Таким образом, к настоящему времени тема водородной энергетики имеет возрастающую актуальность и требует дальнейшего всестороннего изучения. Объектом настоящего исследования является энергетический сектор экономики. Предмет исследования – водородная энергетика как перспективное направление получения энергии с использованием низкоуглеродных технологий, соответствующих концепции глобального энергетического перехода. Целью работы является изучение возможностей водородной энергетики в качестве перспективной технологии получения энергии. Для этого предстоит выполнить ряд задач:- обозначить значение водородной энергетики в современном мире;- обозначить преимущества и недостатки использования водородной энергии;- выявить основные направления использования водородной энергии;- изучить технологические особенности получения водорода;- оценить перспективы развития водородной энергетики в период «зеленого перехода».Структура работы выстроена традиционно, исходя из поставленных задач: введение, основная часть, закючение и список использованных источников. 1. ЗНАЧЕНИЕ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В СОВРЕМЕННОМ МИРЕВодородная энергетика стала глобальным трендом развития в связи со сложными климатическими процессами, которые стали происходить в мире и привели к решению ООН и мирового сообщества о необходимости декарбонизации экономики. Идея глобальной декарбонизации возникла в ответ на глобальные климатические изменения, спровоцированные антропогенной нагрузкой и высокими выбросами парниковых газов в атмосферу. Переход к низкоуглеродной экономике имеет целью сократить масштабы выбросов, а в идеале совсем их исключить из производственных процессов. Это позволило бы смягчить антропогенное воздействие на мировые климатические процессы и затормозить развитие накопившихся негативных последствий для всей глобальной экологической системы. Развитие современной цивилизации в данном направлении серьезным образом будет сказываться на всей мировой экономике, и соответствующим изменениям подвергнутся целые сегменты промышленности: транспортная отрасль и строительство, сельское хозяйство и отрасли производства, лесо- и землепользование. Ожидается, что больше всего процессы трансформации коснутся энергетики. В частности, низкоуглеродные пути экономического развития повлияют на спрос на ископаемое органическое топливо (снизится его потребление), в связи с чем возрастет роль «зеленых» источников энергии (возобновляемых). Заявленные ООН цели устойчивого развития, рассчитанные до 2030-го года, включают в себя повышение уровня сопротивляемости существующим и предполагаемым климатическим бедствиям, повышение информированности населения планеты о последствиях, возникающих из-за климатических изменений, и пр. Программы ООН рассчитаны на снижение мировыми державами добычи углеводородов, причем устанавливаются достаточно высокие темпы данных процессов – снижение не менее чем на 6 процентов ежегодно. Именно в связи с этим внимание привлекает устойчивый тренд, характерный для энергетического перехода и приобретающий в последнее время популярность – это развитие водородной энергетики. Еще в 2020-м году Еврокомиссией была принята Водородная стратегия до 2050 года, рассчитанная для климатически нейтральной Европы. Данный документ предусматривает инвестиции в строительство объектов возобновляемой энергетики, солнечных и ветряных электространций на сумму в 470 миллиардов евро. Во всем мире крупнейшие корпорации и научно-исследовательские центры стали предпринимать серьезные усилия, направленные на развитие водородных энергетических технологий по разным направлениям:- разрабатываются новые технологии производства водородных установок и систем;- исследуются возможности аккумулирования водородной энергии (для того, чтобы сгладить пики и спады в графиках нагрузки, приходящейся на объекты генерации);- изучаются технологии, позволяющие хранить и транспортировать водород.В Российской Федерации, как и во всем мире, бизнес и наука также активизировались в ответ на новые «зеленые» тренды в энергетике, которые подкреплены государственной политикой. В числе лидеров российских разработок – корпорации «Газпром», «Ростех», «Росатом» и другие. Научно-исследовательскую базу обеспечивают «Сколково» и Российская академия наук. В перспективе согласованные и целенаправленные усилия должны привести к качественному росту производства водорода и повышению показателей экспорта. 2. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГИИСледует отметить, что основным препятствием к развитию и массовому внедрению водородных технологий становится отсутствие соответствующей инфраструктуры. Действительно, самый длинный в Европе трубопровод для передачи водорода имеет общую протяженность всего 400 километров, что совершенно не сопоставимо с поставленными стратегическими задачами.Россия в данном аспекте имеет серьезное преимущество – здесь сформирована достаточно развитая трубопроводная сеть, которая вполне пригодна для передачи на значительные расстояния метано-водородных смесей. При этом получатель этой смеси может уже на месте разделять ее на водород и метан путем сравнительно несложных технологических операций. Развитие водородной инфраструктуры для транспортных средств уже осуществляется достаточно высокими темпами – например, работающие водородные заправки уже суествуют в США, Евросоюзе, Китае и Японии. В частности, в Европе развитием таких заправочных сетей занимаются такие энергетические гиганты, как ки уже работают в США, Японии, Китае и некоторых странах Евросоюза. Развитием водородной заправочной инфраструктуры занимаются такие европейские компании, как Air LiquideAir products, Danish Hydrogen Fuel, Hydrogen Link, и др.Однако существуют и серьезные проблемы, которые предстоит преодолеть на пути развития водородной энергетики и массового их внедрения в экономику. В первую очередь это касается того факта, что технологические процессы производства водорода сопряжены с необходимостью использовать другие энергоносители – то есть те самые нефть, газ, электричество, уголь, которые и становятся основной причиной выбросов парниковых газов в атмосферу. Кроме того, водородное производство имеет повышенные риски с точки зрения взрывоопасности, причем речь идет не только о механических повреждениях в результате взрыва и пожара, но и о масштабных техногенных катастрофах, наносящих значительный вред окружающей среде и требующих серьезных усилий для нейтрализации последствий. Несомненным преимуществом водородной энергетики считаются его отличные показатели с точки зрения эксплуатационных и технологических параметров:- водород имеет низкую вязкость, поэтому его можно без проблем транспортировать через систему газопроводов;- водород имеет продолжительный срок хранения и может быть сохранен в сжиженном, газообразном виде;- коэффициент теплоотдачи водорода очень высок, что делает его качественным топливным энергоносителем, который легко использовать как в промышленности, так и в системе отопления гражданских домов. При этом следует учитывать, что добыча водорода на нынешнем этапе технологического развития сопряжена с определенными трудностями. На данный момент ведется научная разработка систем доставки водородного топлива с учетом всех его специфических особенностей. В частности, разрабатываются специализированные водородные танкеры, автомобильные и железнодорожные цистерны. В настоящее время существуют серьезные сложности, связанные с массовым внедрением и распространением водородных технологий. Достаточно часто производимый водород используется исключительно для собственных нужд – эксперты оценивают подобную практику в 95 % от общего производства. Достаточно часто нефтеперерабатывающие заводы занимаются производством водорода, используя для этого нефтепродукты, при этом произведенный водород используется для получения бензина. Всего в 2021 году в мире произведено более 76 миллионов тонн водорода, и только 5 % от этого количество приходится на товарный водород, который выставлялся на открытом рынке как энергоноситель и химический реагент. Есть предпосылки для того, чтобы в перспективе данный показатель рос, однако на данный момент этого не происходит. Эксперты утверждают, что к 2050-му году доля производимого для открытого рынка товарного водорода вырастет до 140 миллионов тонн ежегодно. Таким образом, можно отметить, что водородное топливо является экологически положительным энергоносителем, так как его использование не приводит к эмиссии парниковых газов. Однако это касается только использования водорода как энергоносителя, ведь собственно его производство требует при нынешнем развитии технологий использования традиционных углеродных источников энергии. Основным недостатком водородной энергетики является слабая технологическая база, а также отсутствие сопутствующей инфраструктуры. 3. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГИИДва основных рынка потребления водорода сегодня — производство аммиака и метанола; на них уходит до 80 % общего объема потребления. В химической промышленности водород также используют в производстве карбамида, мыла и пластмасс. В газопереработке водород необходим для получения смесей, например, с метанолом, этиленом и пропиленом.В перспективе водород будет использоваться в качестве топлива на транспорте. Автогиганты уже сейчас активно экспериментируют с водородными двигателями. Как минимум три автогиганта серийно выпускают легковые автомобили на водородных топливных ячейках: Hyundai ix35 Fuel Cell стоит $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., а Honda Clarity — $59 тыс.Ожидается существенное повышение спроса на водород в нефтеперерабатывающей промышленности - с его помощью будут повышать качество нефти. Водород уже вовсю используют для увеличения глубины переработки, улучшения характеристик нефти, очистки нефтепродуктов от сернистых загрязнений, производства широкой номенклатуры нефтепродуктов: топлив, масел, смазок.Все чаще водород используют в автономных источниках электроэнергии мощностью от одного до нескольких тысяч кВт. Портативные приборы и аккумуляторы, резервные генераторы, системы энергообеспечения собственных нужд различных энергоустановок, робототехника, беспилотные аппараты, энергетические установки, генераторы для постоянного снабжения теплом и электричеством частных домов — все это потенциальные потребители водорода.Водород имеет большой потенциал для применения его в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, поскольку имеет бо льшую эффективность чем бензин или дизельное топливо. При нагреве водород сжигается, но при этом не выделяет диоксид углерода (CO2). Соответственно водород меньше загрязняет атмосферу. Если сравнить один и тот же объём водорода и бензина, то получится, что автомобиль на водороде сможет проехать вдвое дольше. Сегодня существует несколько компаний, которые работают над созданием водородного двигателя для автомобилей. Многие из них (такие компании как Honda, BMW) уже вложили миллиарды долларов в свои исследования, пытаясь создать дешёвые водородные топливные элементы.К 2024 году количество транспортных средств с водородными топливными элементами по всему миру вырастет до 580 тыс., к 2026 году их уже будет 800 тыс., а к 2030 году — около 1,5 млн. Кстати, в этом году по маршруту Букстехуде — Куксхафен в земле Нижняя Саксония (Германия) начнут курсировать два первых поезда с водородным топливом Coradia iLint. Разработчик, компания Alstom, планирует поставить только для этого района 14 таких поездов к 2021 году.В США, Японии и скандинавских странах от энергоустановок с водородными топливными элементами (мощностью более 1 МВт) питают большие бизнес-центры, госпитали, жилые здания. В Японии действует целая госпрограмма создания бытовых автономных водородных станций — в стране их уже несколько тысяч. Также японцы работают над программой широкомасштабного использования водорода, прежде всего посредством модернизации энергетического сектора и увеличения числа электростанций, работающих на водородном топливе.4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДАКонцептуально процесс создания водородного топлива можно описать при помощи следующей схемы: вода на входе + чистая ядерная энергия => водород => водород + кислород = чистая энергия + вода на выходе Использование данной технологии привлекательно еще и тем, что помимо чистой энергии возникает возможность для получения значительного количества опресненной воды. В настоящее время основное водородное производство осуществляется паровой конверсией природного газа (смешение водяного пара, разогретого до 700 градусов по Цельсию с метаном при повышении давления и добавлении катализатора). При этом, надо сказать, на поддержание самого процесса уходит половина используемого природного газа. С целью экономии газа и повышения экологической безопасности процесса была разработана схема конверсии пара, когда тепло подводится от высокотемпературного газоохлаждаемого реактора.Производство по новой технологии имеет определенные преимущества: - повышение производительности (на 3 ГВт тепловой мощности АЭТС приходится до 1 миллиона тонн водорода);- снижение объема потребления природного газа в два раза;- исключение около 4 миллионов тонн парниковой эмиссии ежегодно (за счет замены тепла от сжигания метана ядерными реакторами высокой температуры). В мире сейчас используются следующие способы производства водорода (рис. 1). Рисунок 1 – Пути промышленного получения водорода в миреРазработками в области крупнотоннажного ядерного производства водорода занимаются в лабораториях Айдахо, ORNL и General Atomics (США), институте ядерных и энергетических технологий INET Университета Синьхуа (Китай), Институте атомной энергии JAERI (Япония), Исследовательском институте атомной энергии KAERI (Республика Корея). В ближайшем будущем технологии получения водорода с использованием природного газа на базе ВТГР станут основными.5. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В ПЕРИОД «ЗЕЛЕНОГО ПЕРЕХОДА»В начале 2022 года решением Еврокомиссии был согласован проект «зеленой таксономии», который является частью принятой в 2019 году «зеленой сделки» и направлен на устойчивое финансирование проектов декарбонизации в странах ЕС. Ключевая идея - признание газа и атомной энергии частью «зеленой энергетики» на период энергоперехода. Это решение позволит достичь плановых показателей углеродной нейтральности, минимизируя сопутствующие перестройке европейских энергетических систем риски. Решением лидирующих газотранспортных операторов из 9 стран Евросоюза был разработан и принят план по развитию и обновлению действующей инфраструктуры на базе действующих газопроводов. Уже к 2030-му году планируется ввести в эксплуатацию «водородные долины» общей протяженностью 6800 километров, а к 2040 году увеличить эту цифру до 23 тысяч километров. Перспективное направление развития низкоуглеродных технологий в Европе – это внедрение новых производственных технологий в металлургии, позволяющее минимизировать углеродный след (использование прямого восстановления с применением энергии «чистого водорода»).Таким образом, отдельно следует выделить и еще одно перспективное направление развития низкоуглеродных технологий в Европе – это внедрение новых производственных технологий в металлургии:- увеличение процента производимого путем прямого восстановления железа;- технологическая замена природного газа на водород;- внедрение современных технологий, позволяющих улавливать, утилизировать и хранить углерод;- повсеместный переход на низкоуглеродные энергоисточники. Черная металлургия с использованием традиционного доменно-конвертерного процесса имеет значительный выброс парниковых газов. Однако возможно серьезно снизить эмиссию СО2 в атмосферу при переходе на сталеплавильный процесс (используя прямо восстановленное железо). И еще большей «чистоты» удастся достичь при переходе на водородную металлургию, когда используется оксидное железорудное сырье, а базовым восстановителем железа является водород. На сегодняшний день промышленность не располагает подобными технологиями, однако европейские металлургические производители ставят перед собой достаточно амбициозные цели, стремясь достичь нужных показателей по сокращению углеродных выбросов. В частности, в Испании в 2021 году стателитейный концерн ArcelorMittal начал строительство завода, который производил бы именно железа прямого восстановления. Весь производственный процесс данного завода имеет нулевой углеродный выброс, а для восстановления железорудного сырья используется «зеленый» водород, полученный через электролиз воды электроэнергией, генерируемой низкоуглеродными источниками. Проблема коммерческой целесообразности остается актуальной для использования водорода – при нынешней себестоимости производства 2-9 долларов за 1 кг он не может конкурировать с природным газом (около 1 доллара за 1 кг). Поэтому очевиден вывод, что переход европейских производителей на водородную энергию спровоцирует рост цены на энергоносители. При этом ожидается, что разрыв в стоимости для потребителя стали «грязного» и «чистого» производства, поскольку Еврокомиссия намеревается регулировать издержки производителей стали из стран Европы различными налогами и преференциями.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, изучив состояние водородной энергетики и перспективы ее развития в современном мире, приходим к следующим выводам:- Водородная энергетика стала глобальным трендом развития в связи с политикой «зеленого энергетического перехода», инициированного ООН с целью остановить углеродное загрязнение атмосферы и сопутствующее ему глобальное потепление климата. В перспективе низкоуглеродные пути экономического развития повлияют на спрос на ископаемое органическое топливо (снизится его потребление), в связи с чем возрастет роль «зеленых» источников энергии (возобновляемых). Одним из таких альтернативных энергоресурсов становится водородная энергия. - Основным препятствием к развитию и массовому внедрению водородных технологий становится отсутствие соответствующей инфраструктуры. Кроме того, технологические процессы производства водорода сопряжены с необходимостью использовать традиционные энергоносители, которые и становятся основной причиной выбросов парниковых газов в атмосферу. Также водородное производство имеет повышенные риски с точки зрения взрывоопасности, что может нанести вред окружающей среде. - Несомненным преимуществом водородной энергетики считаются его отличные показатели с точки зрения эксплуатационных и технологических параметров: упрощенная транспортировка по трудопроводам, долгий срок хранения, высокая теплоотдача и др. Водородное топливо является экологически положительным энергоносителем, так как его использование не приводит к эмиссии парниковых газов. - Водород имеет большой потенциал для применения его в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, поскольку имеет большую эффективность чем бензин или дизельное топливо. - Проект «зеленой таксономии» является частью принятой Евросоюзом в 2019 году «зеленой сделки» и направлен на устойчивое финансирование проектов декарбонизации в странах ЕС. Ключевая идея - признание газа и водородной энергии частью «зеленой энергетики» на период энергоперехода. Это даст новые возможности развитию водородной энергетики во всем миру. Таким образом, поставленные в данной работе задачи можно считать выполненными в полном объеме.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Валуева И.Д. Трансформация мировой экономической системы под влиянием климатических угроз: проблемы и перспективы / И.Д. Валуева // Экономика. Налоги. Право. – 2021. - № 11 (32). – С. 198-204.ВТБ Капитал представил оценку декарбонизации для российской экономики и ее отраслей // Официальный портал «ВТБ Капитал». – Режим доступа: https://www.vtbcapital.ru/about/media/cibnews/2021/720868/ (дата обращения 27.05.2022).Декарбонизация нефтегазовой отрасли: мировой опыт и приоритеты для России // Центр энергетики Сколково. НСФ. Московская школа управления. – Март 2022. – Режим доступа: https://energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/Research/SKOLKOVO_EneC_Decarbonization_of_oil_and_gas_RU_22032022.pdf. (дата обращения 27.05.2022).Как промышленность борется с изменением климата, или Почему металлурги оказались в авангарде зеленого тренда // «Ведомости». – 2022, 16 февраля. - № 85. – Режим доступа: https://www.vedomosti.ru/partner/articles/2022/02/16/909302-promishlennost-boretsya-izmeneniem (дата обращения 27.05.2022).Леонард М., Пизани-Ферри Ж., Шапиро Дж., Тальяпиетра С., Вульф Г. Геополитика «зеленой сделки» Европейского Союза // Вестник международных организаций: образование, наука, новая экономика. - 2022. - №2. – С. 185-195.Николаев Ю.Ф. Эволюция подходов к выбору энергоносителей: ретроспективный анализ и перспективы развития / Ю.Ф. Николаев // Вестник экономических наук. Серия Мировая экономика. – 2022. - № 3 (41). – С. 242-250.Парижское соглашение  в рамках Рамочной конвенции ООН об изменении климата (2015). – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.un.org/ru/climatechange/ (дата обращения 26.05.2022).Росконгресс. Переход к чистым нулевым выбросам. Исследование. –[Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://roscongress.org/materials/perekhod-k-chistym-nulevym-vybrosam/ (дата обращения 27.05.2022).GMK.center. Официальный сайт. WorldSteel прогнозирует рост мирового потребления стали в 2021 году на 5,8%. – Режим доступа: https://gmk.center/news/worldsteel-prognoziruet-rost-mirovogo-potrebleniya-stali-v-2021-godu-na-5-8/ (дата обращения 27.05.2022).