В статье авторы ставят перед собой задачу определить наиболее эффективные и экономически целесообразные методы производства водородного топлива.
Ключевые слова: водородная энергетика, паровая конверсия метана, водородное топливо, производство водорода
За последнее десятилетие стремление мира снизить негативное воздействие, оказываемое человеком на окружающую среду, возросло, в связи с чем появилось понятие “зеленой экономики”. “Зеленая” трансформация затронет все сферы деятельности людей, особенно остро этот вопрос встает перед сферой промышленности и энергетики. В данной ситуации возникает необходимость выбора наиболее экономически выгодной технологии, а также наиболее перспективного топлива, которым может служить водород.
Водородные технологии в последние годы привлекают все больше внимания со стороны государства, инвесторов, а также энергетических компаний, так как использование водородного топлива позволит уменьшить выброс парниковых газов в атмосферу, так как продуктом его сгорания является не углекислый газ, вызывающий парниковый эффект, а вода. [1]
Водород можно использовать в топливных элементах как источник энергии, выделяемой в ходе химических реакций, водородным топливом можно заправлять автомобили и другие виды транспорта. Более широкое применение водорода может помочь снизить зависимость от традиционных видов топлива, таких как нефть, уголь, природный газ, а переход на водородную энергетику может стать стимулом для развития новых рынков и индустрий, связанных с производством и использованием водорода Водород является одним из самых эффективных и экономичных видов топлива, поскольку его производство может осуществляться из различных источников энергии, включая возобновляемые источники, такие как солнечная и ветровая энергия. [2]
Развитие водородной энергетики также может оказать положительное влияние на экономику в целом, так как переход на водородную энергетику может стать стимулом для развития новых технологий и инноваций в сфере энергетики, что может привести к созданию новых рабочих мест и повышению экономической активности.
Водородная энергетика имеет широкие перспективы развития, что подтверждается также повышением внимания многих развитых государств к рынку водородных технологий, так как его развитие идет параллельно с развитием нефтегазовой отрасли в целом. Это также связано с тем, что передовые страны стремятся прийти к низкоуглеродной экономике, в связи с чем в будущем экспертами прогнозируется повышения спроса на альтернативные виды топлива и источники энергии, которые наносят меньший вред окружающей среде. Поэтому одной из перспективных стратегических инициатив является создание водородных промышленных и технологических центров, так как из-за перехода к низкоуглеродной экономике энергетический сектор в первую очередь затронут перемены, также по оценкам экспертов Института народнохозяйственного прогнозирования (ИНП) РАН спрос на водород возрастет к 2050 году почти в 8 раз и составит 540 млн т.
Таким образом, многие отрасли промышленности перейдут на использование водорода в производстве, также более востребованным станет водородный транспорт и работающие на водородных топливных элементах энергетические системы снабжения. Что касается России, разработка конкурентоспособных способов производства водорода позволит выйти на мировой рынок, а также даст толчок в развитии сектора альтернативной энергетики. [3]
Водород можно производить большим количеством различных способов, в чем главным образом заключается одно из его преимуществ перед другими способами перехода к низкоуглеродной экономике и энергетике. В настоящее время существует несколько технологий производства водорода, находящихся на разных этапах разработки и коммерческой зрелости.
Рассмотрим наиболее популярные технологии производства — электролиз и паровую конверсию метана (ПКМ) с точки зрения их экономической выгодности. В работе мы проанализируем два соответствующих существующим стандартам ESG способа производства водорода, а именно — электролиз и паровую конверсию метана с улавливанием и хранением углекислого газа. При этом, для электролиза авторами будут рассматриваться следующие технологии: щелочные электролизеры и электролизеры с твердополимерной мембраной (ТПМ), работающие в сочетании с альтернативными источниками генерации электроэнергии, например, с такими как ветряные или солнечные электростанции. [4]
В самом простом представлении электролиз является процессом получения водорода и кислорода из воды при помощи электричества. В случае щелочного электролиза, чтобы увеличить эффективность получения водорода, в воду добавляется электролит. При производстве водорода с применением электролизеров с твердополимерной мембраной процесс электролиза происходит в самой мембране, а благодаря твердой структуре мембраны и ее низкой газопропускной способности, на выходе мы можем получить высокую чистоту продукта. Так, производство водорода с применением электролиза не требует сложного оборудования, однако в промышленности наибольшее распространение получила технология щелочного электролиза. Что касается преимуществ использования электролиза в качестве метода получения водорода, то можно утверждать, что это устоявшаяся коммерчески успешная технология, также на выходе мы имеем чистый конечный продукт, но вместе с этим появляется риск усиления конкуренции с использованием технологий альтернативной энергетики напрямую. Произведенный электролизом водород также принято называть “зеленым”, который, в свою очередь, рассматривается в настоящее время во многих развитых экономиках как тренд. [5]
Что касается технологической схемы производства водорода методом паровой конверсии метана, то она происходит в несколько этапов. Первый этап заключается в расщеплении метана и водородного пара на водород и углекислый газ, затем происходит процесс отделения водорода. Он осуществляется в паровых реформерах при высоких температурах (более 750°C). Именно паровая конверсия метана является самой популярной технологией получения водорода.
Что касается стоимости производства водорода вышеописанными методами, в данной статье авторами проводятся расчеты приведенной стоимости водорода (levelized cost of hydrogen, LCOH). Составляющие формулы дисконтировались в течение всего цикла производства, а именно: капитальные затраты (САРЕХ), операционные затраты (ОРЕХ) и затраты на входящий энергоноситель:
где t — порядковый номер года в жизненном цикле проекта (t [1;T]); d — ставка дисконтирования; CAPEX — первоначальные инвестиции в «водородную фабрику»; REPL — инвестиции в замену стэков электролизера, не учитывается для ПКМ; OPEX — условно-постоянные операционные затраты; EfR — удельный расход энергоносителя на единицу произведенного водорода; P — цена единицы потребляемого энергоносителя; V — годовой объем производства водорода.
С экономической точки зрения, смысл данного показателя в том, что он отражает самый низкий уровень цен на водород и гарантирует, что инвестиции в «водородную установку» достигнут безубыточности, то есть чистая приведенная стоимость проекта (NPV) будет равна нулю. Также для повышения достоверности оценки учитываются затраты на замену стэков электролизера по мере необходимости, также важная особенность формулы заключается в том, что электролизер используется с альтернативным источником генерации энергии, поэтому коэффициент использования установленной мощности электролизера будет равен коэффициенту использования установленной мощности генератора энергии. Показатель цены электроэнергии рассчитывается по похожей формуле, показатели которой дисконтируются в течение всего жизненного цикла (постоянные, топливные и операционные затраты). [6]
Исходные данные, использованные для расчетов представлены в таблице (табл. 1). Стоимость используемой электроэнергии принята на основе LCOE типовых российских электростанций (АЭС, ГЭС и ВИЭ). (Здесь и далее расчеты будут проводиться в постоянных ценах — долларах США 2020 года без учета влияния внешних инфляционных факторов).
Таблица 1
Исходные данные для расчета LCOH [6]
|
Показатель |
Тип электролизной установки |
Паровая конверсия метана с улавливнием и захоронением углекислого газа |
|||
|
Щелочной электролиз |
Электролиз с применением твердополимерной мембраны |
||||
|
2020–2025 гг |
2030–2035 гг |
2020–2025 гг |
2030–2035 гг |
||
|
График потребления |
базовый |
переменный |
базовый |
||
|
CAPEX ($/кВт2) |
1000 |
600 |
1220 |
600 |
9,8 долл/кг водорода в год |
|
Сроки строительства, лет |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
|
OPEX (% CAPEX) |
2 |
2 |
2 |
2 |
$0,35/кг водорода |
|
Затраты на замену стэков (% CAPEX) |
25 |
25 |
20 |
20 |
- |
|
Служба стэка, лет |
8 |
11 |
6 |
8 |
- |
|
Срок эксплуатации системы, лет |
20 |
20 |
20 |
20 |
30 |
|
Потребление энергоносителя |
51,2 кВт·ч/ кг Н2 |
49,8 кВт·ч/ кг Н2 |
54,6 кВт·ч/ кг Н2 |
50,5 кВт·ч/ кг Н2 |
6,15 м3/кг водорода |
По итогам проведенных расчетов приведенная стоимость производства водорода методом щелочного электролиза оценивается в $3,25 на кг, а методами электролиза с применением твердополимерной мембраны и паровой конверсией метана с улавливанием углекислого газа $3,7 и $1,7 на кг соответственно.
Таким образом, на основе проведенных расчетов мы выяснили, что наиболее экономически целесообразным решением будет производство водорода с помощью метода паровой конверсии метана, необходимые капитальные вложения составляют 93 тысячи долларов, что в перспективе компенсируется за счет дешевизны производства водорода, а именно стоимостью $1,7 на кг.
Водородная энергетика является очень перспективным направлением, но как и любая отрасль, она включает в себя множество рисков, к примеру:
1) Дороговизна производства водорода: это является наиболее сильным препятствием для развития и интеграции водородной энергетики в мировой энергобаланс. На данном этапе отсутствует самый оптимальный способ производства водорода, который одновременно будет являться экономичным с финансовой точки зрения, а также максимально экологичным. Стратегии мировых лидеров в водородной энергетике направлены на удешевление технологий по производству водородного топлива посредством снижения капитальных затрат на электролизеры.
2) Отсутствие инфраструктуры: для широкомасштабного производства водородного топлива необходимо решить вопросы с транспортировкой и хранением водорода. Большинство проблем связано с физическими характеристиками водорода, а именно:
- Взрывоопасностью; наибольшую взрывоопасность водород имеет при контакте с кислородом
- Низкой температурой сжижения; у водорода этот показатель достигает -252 градусов, в сравнение температура сжижения природного газа составляет -158 градусов.
- Низкой плотностью в газообразном виде.
Именно эти факторы приводят к необходимости разработки эффективных с экономической и технической точек зрения, а также безопасных систем транспортировки и хранения водорода, которые требуют больших капитальных вложений. [7]
Россия обладает конкурентным положением в развитии водородной энергетики. У страны большая ресурсная база, а также множество незагруженных мощностей. Стоит отметить географическое положение России- близкое расположение к странам-потребителям водородного топлива и наличие транспортных инфраструктур также является преимуществом. Именно эти факторы могут позволить Российской Федерации занять лидирующее место производителя водородного топлива.
В марте 2022 года состоялся круглый стол «О реализации приоритетных проектов в области водородной энергетики в Российской Федерации» в Совете Федераций.
На мероприятие поднималась тема технологической стратегии развития водородной энергетики до 2035 года и результатов от ее внедрения в будущем. Наиболее важным эффектом от реализации стратегии является повышение уровня импортозамещения, в современных реалиях это поможет отказаться от импортного оборудования и достичь технологической независимости России в водородной энергетике. Также развитие российских технологий и проведение исследований на тему развития водородной энергетики позволит повысить конкурентоспособность России на мировом рынке водородной энергетики и занять лидирующие позиции.
Проекты по водородной энергетике являются очень перспективными и не менее затратными, поэтому в планах РФ стоит инвестирование 9,3 млрд рублей до 2024 года. На данном этапе среднегодовой объем производства водорода в стране составляет 5 млн т., с ростом инвестиций в отрасль, этот показатель также будет повышаться.
Водород является очень перспективных направлением и большое количество стран и организаций уже ввели долгосрочные программы по внедрению водородной энергетики, которые поддерживаются различными льготами и финансируются из бюджета государства. [8]
На данный момент наиболее освоенным методом является получение водорода посредством паровой конверсии метана. Более 80 % водорода получают этим методом; это обусловлено высокой эффективностью процессов и невысокой себестоимостью.
Если говорить о “водородной экономике”, то переход к ней неизбежен, но какие технологии в итоге получат наибольшее распространение, на данный момент определить достаточно трудно
Литература:
- Шансы на экспорт российского водорода существенно сократились. — Текст: электронный // Газета «Независимая»: [сайт]. — URL: https://www.ng.ru/economics/2023–04–24/1_8714_hydrogen.html# (дата обращения: 09.01.2024).
- Десятилетие водорода тейс ван де граф. — Текст: электронный // Международный валютный фонд: [сайт]. — URL: https://www.imf.org/ru/Publications/fandd/issues/2022/12/hydrogen-decade-van-de-graaf (дата обращения: 09.01.2024).
- Зеленая экономика. — Текст: электронный // Евразийская экономическая комиссия: [сайт]. — URL: https://eec.eaeunion.org/comission/department/dep_makroec_pol/zelenaya-ekonomika/ (дата обращения: 09.01.2024).
- Альтернатива традиционным источникам энергии. — Текст: электронный // ЦДУ ТЭК: [сайт]. — URL: https://www.cdu.ru/tek_russia/issue/2023/4/1135/ (дата обращения: 09.01.2024).
- Щелочной электролиз в противовес электролизу с использованием ионно-обменных мембран. — Текст: электронный // Технологии электронной промышленности: [сайт]. — URL: https://tech-e.ru/2011_6_22.php (дата обращения: 09.01.2024).
- Technologies for Hydrogen Production. — Текст: электронный // National Energy Technology Laboratory: [сайт]. — URL: https://www.netl.doe.gov/research/carbon-management/energy-systems/gasification/gasifipedia/technologies-hydrogen (дата обращения: 09.01.2024).
- Водородная энергетика. — Текст: электронный // RENWEX 2024: [сайт]. — URL: https://www.renwex.ru/ru/ii/vodorodnaya-ehnergetika/?ysclid=lrdoc60cam163090625 (дата обращения: 09.01.2024).
- В Совете Федерации обсудили реализацию проектов в области водородной энергетики в России. — Текст: электронный // Совет Федерации: [сайт]. — URL: http://council.gov.ru/events/news/133913/ (дата обращения: 09.01.2024).
