Эксперты многих стран мира считают, что уже в первой половине XXI века заметную роль в развитии мировой энергетики предстоит сыграть водороду.

Наиболее последовательно в этом отношении выступает Евросоюз. Так, в World Energy Technology Outlook-2050 — WETO H2, выполненном экспертами Еврокомиссии, наряду с базовым представлен и водородный сценарий развития мировой экономики, предусматривающий значительное участие технологий водородной энергетики. Важное место в исследовании отведено анализу этих двух альтернативных сценариев.

На рис. 1 показаны структура и объемы производства водорода в мировом энергобалансе на период до 2050 г. Причем 2/3 объема водорода до 2030 г. будет производиться на традиционных источниках энергии (ТИЭ), из которых 40% — паровым риформингом природного газа и 60% — газификацией угля. Впоследствии из-за высокой стоимости технологий улавливания и хранения двуокиси углерода производство водорода на базе угля и природного газа упадет до 10%, хотя физический объем увеличится. Доля ВИЭ в производстве водорода к концу рассматриваемой перспективы составит 50% и АЭС — 40%.

При этом доля биомассы в производстве водорода составляет 70% от всех ВИЭ. Около 65% предприятий по производству водорода на базе ТИЭ в 2050 г. будут оснащены технологией улавливания и хранения (ТУХ) двуокиси углерода по сравнению с 35% в 2030 г.

На рис. 2 приведена структура производства водорода в мире.

Согласно водородному сценарию в 2050 г. доли АЭС и ТЭС на угле и природном газе в производстве электроэнергии соответственно составят 38 и 32%, доля ВИЭ (включая большую и малую гидроэнергетику, геотермальные, ветровые и солнечные электростанции, а также электростанции на биомассе и отходах) — 29%. В то же время при производстве водорода будут лидировать ВИЭ — 52%, на втором месте АЭС — 38%.

При этом около 90% произведенного водорода в основном будет использоваться на транспорте, остальные 10% в бытовом секторе для производства электроэнергии и тепла, а также в промышленности (рис. 3).


Базовый сценарий


Сценарий предусматривает производство водорода на ТИЭ с одновременным созданием инфраструктуры по хранению, транспортировке и использованию водорода в качестве энергоносителя для выработки электроэнергии и тепла, а также на транспорте.

Технологии производства водорода паровым риформингом природного газа и газификацией углей обеспечивают его низкую себестоимость.

Данная концепция направлена на дальнейшее развитие переработки природного газа, причем как централизованного, так и локального, например, на АЗС, а также на ускоренное развитие низкозатратной газификации углей с использованием технологий улавливания и хранения диоксида углерода. Предполагается, что большая часть произведенного водорода будет применяться на ТЭЦ для производства электроэнергии и тепла.

Транспортироваться газообразный водород в основном должен трубопроводным транспортом, а сжиженный водород — в криогенных контейнерах автомобильным или железнодорожным транспортом. Кроме того, должна быть создана сеть трубопроводов природного газа для его переработки на местах конечного потребления водорода. В ближайшей перспективе наиболее предпочтительный способ транспортировки водорода — специальный грузовой транспорт. Стоимость такого способа — 8—15 долл./ГДж при рентабельности доставки на расстояние 500—800 км. В более отдаленной перспективе потребуется создание капиталоемких систем трубопроводного транспорта водорода от мест централизованного и локального производства до потребителя.

Таким образом, водородная технологическая цепочка «производство на базе термохимической конверсии традиционных органических топлив — инфраструктура транспортировки — хранение и распределение — потребление» может стать рентабельной.

В перспективе будет возможно использовать водород в двигателях внутреннего сгорания.


Водородный сценарий


Предусматривается производство водорода электролизом воды и практически полное его использование на транспорте. Этот способ стимулирует применение избыточных мощностей АЭС и ВИЭ (в провалах суточного и годового графиков нагрузки. — Прим. ред.). Значимые прорывы на этом направлении развития водородных технологий будут связаны с существенным ростом объемов экологически чистой электроэнергии АЭС и ВИЭ и снижением ее себестоимости, а также с созданием нового поколения высокоэффективных установок электролиза воды (УЭВ). Сейчас на производство 1 м3 водорода затрачивается 4—5 кВт•ч, а удельные инвестиции в УЭВ составляют 1000—3000 долл./1 м3/ч водорода. 

Можно размещать УЭВ в непосредственной близости от конечных потребителей водорода. В этом случае он транспортируется на короткие расстояния в небольших количествах автомобильным или железнодорожным транспортом в контейнерах для хранения газообразного или сжиженного водорода.

Размещение УЭВ, например на АЗС, обеспечивает до-ступность водорода для транспорта и обусловливает необходимость создания локальных систем его хранения. 

Использование для производства водорода избыточных мощностей АЭС и ВИЭ принципиально. В этом случае станции работают с КПД, близким к оптимальному, и с максимально возможным отпуском электроэнергии внешнему потребителю, благодаря чему минимизируются удельные постоянные эксплуатационные затраты и снижается себестоимость производства электроэнергии.

Перспективы реализации сценария связаны с экономически обоснованными тарифами на экологически чистую электроэнергию АЭС и ВИЭ. При этом издержки производства электроэнергии на большинстве типов ВИЭ все еще неконкурентоспособны с издержками производства электроэнергии на ТИЭ.

В рассматриваемом сценарии использование полученного электролизом воды водорода для производства электроэнергии и тепла представляется малозначимым. Однако в ряде случаев производство «вторичной» электроэнергии на водороде может быть конкурентоспособным по сравнению с производством электроэнергии на традиционном топливе, например, в изолированных энергосистемах (ИЭС) малой мощности, где ВИЭ, геотермальные или малые гидростанции, ветровые и солнечные электростанции являются системообразующими.

Этот сценарий предполагает, что промышленное и бытовое использование водорода произойдет в основном после его широкого внедрения на транспорте.


Стоимостные показатели сценариев развития водородных технологий

Развитие водородных технологических цепочек в сценарии с производством водорода на основе традиционных топлив и в концепции на основе электролиза воды с использованием избыточных мощностей АЭС и ВИЭ при приемлемых затратах является необходимым условием становления водородной экономики. Очевидно, что стоимость водорода должна быть на уровне стоимости бензина или дизтоплива. Например, потребительская цена бензина в Европе составляет в среднем 1,2 долл./л, что эквивалентно 36 долл./ГДж; цена дизельного топлива несколько меньше — около 30 долл./ГДж. При этом 60—80% конечной потребительской цены этих топлив составляют налоги. Так, себестоимость производства бензина в Европе составляет 7,5—12 долл./ГДж.

Оба сценария развития водородных технологий предусматривают интенсивное использование водорода на транспорте, полагая, что расширение масштабов его внедрения будет стимулировать снижение затрат по всей водородной технологической цепочке.

При текущих ценах на традиционное моторное топливо широкомасштабное использование водорода на транспорте может стать конкурентоспособным, если налоги на водород будут ниже, чем на бензин и дизтопливо. По прогнозам, цены на традиционные источники энергии, особенно на нефть и природный газ, в перспективе имеют устойчивую тенденцию к росту, в то время как инвестиционные затраты на альтернативные, в том числе ВИЭ, и соответственно себестоимость производства электроэнергии на них будут иметь тенденцию к снижению. Поэтому в перспективе стоимость производства водорода на базе ТИЭ может расти, в то время как издержки его производства электролизом воды будут падать.

Эксперты Еврокомиссии считают, что до 2050 г. объемы производства водорода электролизом воды от электроэнергии АЭС (400 млн т н.э.) и ВИЭ (545 млн т н.э.) смогут покрывать потребности транспорта в водороде лишь частично.

В таблице представлены стоимостные показатели основных технологий водородной технологической цепочки.

Следовательно, производство водорода на АЭС уже к 2025 г., а на ВИЭ к 2050 г. становится конкурентоспособным по сравнению с производством водорода термохимической конверсией традиционных топлив.

В перспективе оба сценария развития водородных технологий имеют хорошие шансы занять достойное место в системе энергообеспечения транспортного и энергетического секторов мировой экономики.