Водень – паливо майбутнього?

Чому ми взагалі говоримо про водень?

Трохи більше 300 років тому запрацював перший паровий двигун. Із цього почалася промислова революція: ми навчилися використовувати викопне паливо для заміни м’язової сили. Основу нафти, газу і вугілля – саме з них людство зараз отримує 80 % усієї енергії – складає вуглець, хімічний елемент “С”. А під час згоряння палива утворюється вуглекислий газ, СО2. Цю ж сполуку ми видихаємо, її потребують рослини для росту. Також вуглекислий газ допомагає підтримувати парниковий ефект на планеті. В атмосфері Землі суміш різних газів і водяної пари утворюють шар, який поглинає випромінюване землею тепло. Без цього шару температура на планеті була б постійно нижче нуля і життя було б неможливим.

Спалюванням викопного палива людство збільшило концентрацію парникових газів в атмосфері, чим посилили парниковий ефект. Тому клімат на планеті почав змінюватися. Цей процес відбувається швидше, ніж будь-коли в історії планети (за винятком виверження вулканів, які змінювали клімат на кілька років через викиди дрібного пилу в атмосферу). За висновками Міжурядової групи експертів з питань змін клімату Рамкової конвенції зі змін клімату ООН, така швидка зміна є загрозою для цивілізації та біорізноманіття.

Зараз людство намагається втримати потепління у рамках 1,5 С. За такого глобального потепління екосистеми та господарство ще мають шанс адаптуватися. Задля утримання зміни клімату у вказаних межах ми маємо перестати спалювати викопне паливо. На заміну йому приходять відновлювані джерела енергії (ВДЕ): сонце, вітер, вода, тепло Землі, біомаса та деякі інші.

Чому водень може стати паливом майбутнього

Основна характеристика, що робить водень привабливою альтернативою традиційному паливу, – це його здатність горіти (точніше – окислюватися з виділенням енергії) без утворення СО2. Теоретично, ним можна замінити усе інше паливо, яке людство сьогодні спалює для отримання енергії. Наявні технології дозволяють виробляти водень без викидів СО2, використовуючи лише воду й електрику. Друга важлива характеристика – у формі водню енергію можна зберігати довше, ніж в акумуляторах. За потреби, ця енергія може бути знову перетворена в електрику, або ж спалена у формі газу, замість викопного палива.

Споживання електрики залежить від потреб споживачів, які змінюються протягом доби та року. Генерація електрики від сонячних та вітрових електростанцій (зараз це основні потужності ВДЕ) залежить від мінливої погоди, сонце та вітер не можна вмикати чи вимикати. Для безаварійної роботи електричних мереж генерація та споживання у будь-який момент часу мають збігатися. Тому зі зростанням частки ВДЕ, країни все більше зусиль витрачають для балансування електромереж. Для цього застосовують різні інструменти: нижчі ціни вночі; резервні електростанції, які вмикаються у період найбільшого споживання; та інші. Гідроакумуляційні електростанції (ГАЕС) забезпечують збереження 95 % від усієї електрики, що акумулюється для балансування. У періоди надмірної генерації станції закачують воду у водосховище з нижньої течії річки, а коли виникає потреба – спускають, генеруючи електрику. Зазвичай, при цьому страждає екосистема річки. Крім того, ГАЕС розміщують на річках зі значною течією, яких небагато і які уже дуже зарегульовані. Інший спосіб зберігання – літій-іонні батареї. Відомий приклад – станція на 100 МВт, яку Ілон Маск побудував в Австралії за 100 днів. Виробляючи водень у період надлишку потужностей і конвертуючи водень в електроенергію в моменти “провалу”, водень допомагає пристосувати непрогнозовану генерацію електрики від ВДЕ до можливостей мереж та потреб споживачів (див. рис. нижче)

У промисловості водень використовують із середини ХХ століття. Зараз більшість водню отримують із газу. При такому виробництві на 1 кг водню утворюється 9,3 кг СО2. Також водень можна отримувати з газифікованого вугілля, але в процесі виходить більше викидів СО2.

“Зеленим” або “чистим” називають водень, отриманий шляхом електролізу і для виробництва якого використано енергію з ВДЕ. Далі в цій статті ми матимемо на увазі саме “чистий” водень. Водень, який виробляють за допомогою відновлювальних джерел енергії – один із ключових елементів стратегії Євросоюзу щодо вирішення проблеми зміни клімату та розвитку сталої економіки. За даними BNEF, до 2050 року “зелений” водень зможе забезпечити близько 24 % світового споживання енергії. Зараз він дорожчий за “традиційний” водень: 2,5-5,5€/kg проти 1,5-2 €/kg у традиційного. Подальше зниження ціни електрики, а також введення податку на викиди СО2 може швидко змінити ситуацію. За оцінками ЄС, до 2030 року в місцях з дешевою енергією від ВДЕ “зелений” водень почне конкурувати з “традиційним”.

Де водень зможе замінити викопне паливо?

У перспективі водень може знайти застосування у значно більшій кількості секторів. Якщо ціна виробництва і використання водню падатиме, транспорт, житловий сектор і енергетика почнуть його використовувати. Майже будь-які види транспорту можуть їздити на водні, або заснованих на водні паливах. Для опалення і охолодження будівель водень може доповнити чи замінити природний газ, або електрику. Водень може замінити викопне паливо в секторах, де перехід на електрику неможливий із технічних причин, наприклад, хімічна промисловість або металургія. І це ще одна причина, через яку водень відіграватиме ключову роль для переходу світу до повного енергозабезпечення від ВДЕ.

У транспорті. Зараз транспортний сектор майже повністю працює на нафті, а його споживання становить 30 % від усієї енергії, споживаної людством. Для потреб транспорту водень можна використовувати завдяки паливним елементам (fuel cells)*, або прямо в двигунах внутрішнього згорання (ДВЗ).

У Великобританії воднево-дизельні двигуни у сфері перевезень мають до 70 % менші викиди. Можливість заправляти ці двигуни лише дизелем усуває обмеження у максимальній відстані. Дизельні двигуни потребують незначних змін в конструкції і встановлення в машині балонів з тиском 350 бар для зберігання водню. Концерн BMW у 2005-2007 роках випустив лімітовану серію преміум-седанів BMW Hydrogen 7, двигун яких міг спалювати як водень, так і звичайний бензин. Машина споживала 13 літрів бензину чи 50 літрів водню на 100 кілометрів. Така різниця обумовлена низькою енергоємністю рідкого водню, що втричі нижча за аналогічний показник бензину.

Використання водню у паливних елементах втричі ефективніше, ніж його спалювання у ДВЗ. У 2013 році представлено перший масовий автомобіль на паливних комірках – Hyundai Tucson FCEV. Тривають дослідження застосування паливних елементів для вантажівок, автобусів, човнів, мотоциклів та велосипедів.

Акумуляторні батареї конкурують із паливними комірками і у сфері транспорту, оскільки обидві технології заміщують викопне паливо. В розробку електромобілів вкладається значно більше грошей, тому зараз вже і в Україні електромобілів багато, а от автомобілів на водневих паливних комірках ще немає. Схоже, порівняно з акумуляторами, паливні комірки вигідніше застосовувати для комерційного та великого транспорту: вантажівки, автобуси, кораблі (3). На заваді їх поширенню – безпечне і дешеве зберігання потрібного об’єму водню на транспортному засобі.

У житловому секторі. Зараз компромісним виглядає застосуванням водню в житловому секторі змішуючи його з природним газом. Для цих потреб у 2030 році може використовуватися до 4 млн тонн водню. Це допоможе знизити викиди парникових газів у секторі. Найвищий потенціал для застосування водню з природним газом мають багатоквартирні та комерційні будівлі, зокрема у густонаселених містах, де теплові насоси застосувати складно. В довготерміновій перспективі, сам газ чи водневі паливні комірки зможуть використовуватися безпосередньо в котельнях (3).

У чому складнощі?

Щоб водень зміг повністю замінити природний газ у економічному циклі, потрібно у 3-4 рази більше сховищ, для чого знадобиться 637 млрд $ інвестицій до 2050. Зберігання великих об’ємів водню є одним із найбільших викликів водневої економіки. Водень зможе стати так само поширеним, як зараз природний газ, за наявності масштабної і скоординованої програми підтримки для оновлення та будівництва інфраструктури. У багатьох випадках, наявної газової інфраструктури недостатньо, щоб просто закачати в неї водень (4).

У порівнянні з акумуляторами, зберігати енергію у формі водню дешевше після 13 години зберігання (8). Ймовірно, ці технології розвиватимуться паралельно і використовуватимуться для різних потреб: акумулятори балансуватимуть енергосистему у короткому проміжку часу, а водень – у довшому. Більше про застосування різних технологій зберігання можна почитати в статті. У матеріалах конференції Hydrogen4Europe наведено такий приклад: лише в Німеччині і Литві у 2017 році ~7800 ГВт-год електроенергії втрачено через перевиробництво. Якби її використали для виробництва водню, то 1 мільйон автомобілів на паливних комірках міг би їздити цілий рік.

Як зараз підтримують водень і які перспективи?

На конференції “Водень для кліматичних дій” у жовтні 2019 керівники європейських країн та бізнесу висловилися на підтримку водню. Ряд проектів вже реалізуються і мають цікаві назви, типу Hydrogenius або Unhycorn. За словами віцепрезидента Єврокомісії, переробити наявну газотранспортну систему ЄС під потреби водню нескладно. Так само, як і переробити під водень заправки, що зараз використовують газ. У рамках конференції презентували 11 проектів зеленої водневої енергетики, затверджені Єврокомісією. Упродовж наступних 5-10 років на їх реалізацію виділять понад 60 мільярдів євро. Головна мета – зменшення викидів вуглекислого газу (приблизно 35 млн тонн на рік). Європейська воднева стратегія, анонсована у липні 2020, передбачає 40 ГВт і 10 млн тонн “зеленого” водню. А до 2050 водень має стати головним енергоносієм і замінити викопне паливо у секторах економіки, які складно декарбонізувати. Найбільша електроенергетична компанія у Європі Enel планує з наступного року запустити бізнес у сфері водневої енергетики. Єврокомісія виділяє Україну як пріоритетного партнера у розвитку водневої енергетики, –про це заявив наш міністр закордонних справ після презентації Європейської водневої стратегії у липні 2020. У повідомленні на сайті МЗС також йдеться про будівництво 10 ГВт установок для генерації водню (електролайзерів). У травні 2020 ЄС започаткував ініціативу Альянс чистого водню, до якої вже приєдналися українські ДТЕК, ТОВ «Грін Енерджі Токмак» та Українська Воднева Рада. Альянс займатиметься розвитком інвестицій та економічних зв’язків у сфері водню. Плани промисловості передбачають 430 млрд євро інвестицій у сферу водню до 2030 року.

У своїй аналітиці (3) за 2019, Міжнародна енергетична агенція зазначає: “Лише декілька країн встановили конкретні цілі щодо використання водню у сфері електроенергетики. Японія – одна з них. Вона планує досягнути 1 ГВт потужності, заснованої на водні, до 2030 року”. Однак, як можна зрозуміти з зазначено вище, ситуація дуже швидко розвивається на користь водню. ЄС – це глобальний економічний гравець. Ще у 2019 ніяких конкретних цілей по водню у ЄС не було, а вже в 2020 з’являється воднева стратегія з амбітними планами до 2030 року.

За даними цього ж звіту, виробляти водень будуть завдяки генерації сонячної та вітрової енергії. За розрахунками, вартість 1 кг водню складатиме $0,8 – 1,6 з урахуванням зберігання та транспортування, що приблизно відповідає сьогоднішній вартості природного газу в енергетичному еквіваленті.(4).

На економічні перспективи водню впливатиме ще один фактор, який складно передбачити – введення та/чи ріст податку чи інших обмежень на викиди СО2. Для досягнення цілей Паризької кліматичної угоди, ціна на викиди СО2 має зрости до 50-100 $/т. СО2 до 2030 року. В ЄС податок на СО2 відрізняється залежно від країн: від 0,10 $ у Польщі до 119 $ у Швеції. В Україні податок на СО2 становить 0,36 $ за тону СО2. Перспективи водню залежать від росту ціни і появи інших обмежень на викидами СО2. Ціни у 32 $ може бути достатньо, щоб водень почав конкурувати з газом у сфері маневрової електрогенерації (4).

ЄС вивчає можливості імпортних обмежень на продукцію з певним вуглецевим слідом. Передусім, це зачепить галузі, де використовується вугілля. В Україні це стосуватиметься усієї промислової продукції, оскільки значна частина електрики виробляється на старих вугільних котельнях. Але, в перспективі, і для природного газу це створить економічні перешкоди. А для водню – переваги.

Для порівняння вартості впровадження водневих технологій з традиційним, треба брати до уваги не лише капітальні витрати на впровадження, але і майбутні експлуатаційні витрати. Перші для водню будуть вищими, але другі – можуть бути значно нижчими. Більше того, в розрахунках потрібно враховувати втрати суспільства від забруднення, спричиненого традиційними технологіями. Якщо провести таке порівняння, то водень для людства вже зараз може виявитися більш вигідним паливом, ніж газ чи нафта.

Як Україна може виграти від водню?

Виходячи із заяв високопосадовців, українська газотранспортна система (ГТС) зі сховищами газу може бути адаптована до потреб водневої енергетики. Україна зможе виробляти і постачати суміш водню і природного газу ЄС. Крім того, підземні газосховища в Україні зможуть брати участь у технологічному процесі для виробництва газових сумішей. Співпраця ЄС та України в поширенні водневих технологій – одна з домовленостей української урядової делегації в Брюсселі. Україна може стати однією з перших країн, які почнуть розвивати водневу енергетику. Є ризики, що це не окупиться, якщо інші країни не підтримають. В іншому разі, якщо водень буде активно розвиватися у світі, Україна може виграти від інвестицій, ставши майданчиком для тестування водневих технологій. Правильні сигнали від влади дозволять привабити кращих спеціалістів для розвитку ринку водню. Українська ГТС та кадровий потенціал у нафтогазовому секторі створюють для цього гарне підґрунтя. Європейський інвестиційний банк пропонує зарезервувати близько 4 млрд євро для реалізації пілотних водневих проєктів на території України. Щоб це сталося, потрібні гарантії повернення інвестицій та законодавче підґрунтя для водневої енергетики. Для цього треба змінити 6 законів та близько 50 нормативів, які регулюють газовий ринок.

Що Україні треба зробити, щоб виграти від “водневої революції”?

У цьому розділі наведені рекомендації Міжнародної енергетичної агенції (3), адаптовані автором до потреб України.

• Встановити цілі і впровадити політики. Державні і приватні зобов’язання, які сигналізуватимуть про наміри розвивати водень. Чим більше таких правдивих намірів буде заявлено, тим легше вдаватиметься залучати інвестиції. Перші такі кроки ми вже робимо: в апараті Ради з національної безпеки та оборони України (РНБО) створено робочу групу з розвитку водневої енергетики. Але рухатися потрібно значно швидше. Уряд має ініціювати зустрічі та обговорення перспектив водневої енергетики, підсумком яких має стати розробка і затвердження національної водневої стратегії. Або ж розділу, присвяченого водню, у Енергетичній стратегії 2035, яка потребує оновлення. Оскільки основні переваги водню пов’язані з відсутністю викидів, державні плани в сфері низьковуглецевої економіки теж мають бути більш амбітними. При чому, потрібні плани як на найближчі 10, так і на 30 років, оскільки водень – це технологія на століття.
• Підтримувати створення попиту на зелений водень. Наприклад, підняти податок на СО2, щоб стимулювати заміщення метану воднем. На рівні підприємств чи міст також мають з’являтися цілі по скороченню викидів. Серед інших інструментів: податкові пільги, спеціальне маркування та державні закупівлі низьковуглецевої продукції.
• Зниження інвестиційних ризиків. Україна може зробити це, заручившись підтримкою ЄС для реалізації водневих проектів на своїй території. Наприклад, міжнародні домовленості можуть гарантувати ринок збуту для послуг (зберігання) чи продукції (водень, обладнання) водневого сектору в Україні.
• Дослідження та інновації. Фінансувати наукові і пілотні проекти у сфері водневої енергетики, стимулювати обмін знаннями та інформацією.
• Узгодження законодавства і усунення перешкод. Внесення змін до наявних та розробка нових законів для сфери водневої енергетики, затвердження необхідних стандартів, які дозволять почати застосовувати водневі технології без ризиків порушення законодавства. Зокрема, варто налагодити співпрацю із зацікавленим у водневій енергетиці бізнесом і залучати його до розробки таких документів якнайшвидше.

Загрози та протиріччя

Хоча водень зараз у всіх на слуху, реальних планів і впроваджених політик ще не багато. Ці політики зосереджені, здебільшого, на вартісному застосуванні водню для транспорту, а бюджети таких програм низькі. Більш перспективні, промислові застосування водню фінансують лише за рахунок грантів на демонстраційні проекти. Щоб воднева індустрія розвинулася, необхідна підтримка попиту з пропрацьованими політиками, що координуються на міжнародному рівні. Також знадобиться 150 млрд $ субсидій до 2030 року (4).

Теоретичні викладки на підтримку водню можуть обернутися великими практичними перешкодами на шляху до сталої енергетики. Атомна енергетика може намагатися використати розвиток водню собі на користь. У вересні 2020 року Нафтогаз і Енергоатом підписали меморандум про розвиток водневої енергетики. За оцінкою голови Нафтогазу, в Україні в осяжній перспективі може з’явитися 40 ГВт потужності для виробництва водню. До речі, такі ж потужності планує в себе встановити Євросоюз до 2030 року. Однак атомна енергетика не є сталою, вона створює радіоактивні відходи, загрожує аваріями та конкурує за ресурси з ВДЕ.

Власне, це один з проявів іншої загрози – ще більшого посилення енергетичних корпорацій за рахунок державної підтримки водню. В Україні та світі добре відомо, що енергетичні гіганти, що виросли, використовуючи викопне паливо, можуть значно впливати на ухвалення рішень на свою користь і не на користь безпечного майбутнього. Найбільшими технологічними загрозами зараз виглядають спроби поєднання водню та викопних палив, а також захоронення вуглецю, що при цьому може утворюватися. Таким чином державна підтримка може надаватися не сталим рішенням в енергетиці.

Своєю чергою це може вести до так званої неоколонізації таких країн, як Україна, на території яких будуть розміщуватися сумнівні технології з низькою доданою вартістю з тим, щоб багаті країни отримували чисту електрику.

Тому держави мають підтримувати розвиток водневої енергетики у тому випадку, якщо водень генерується з використанням лише ВДЕ.

Позиція Екодії щодо використання водню

Матеріали:

1. Технологічні перспективи в енергетиці, Міжнародне Енергетичне Агентство

2. Європейський зелений курс, Представництво України при ЄС

3. Майбутнє водню, Міжнародне Енергетичне Агентство

4. Огляд водневої економіки, Bloomberg New Energy Finance

5. Воднева стратегія ЄС

6. Матеріали конференції Hydrogen4ClimateAction

7. Зберігання енергії: аналіз чутливості, Національна лабораторія з ВДЕ (США)

*Паливний елемент – це електрохімічний елемент на кшталт побутової батарейки чи акумулятора, який перетворює хімічну енергію палива (часто водню) і окислювача (часто кисню) в електрику за допомогою пари окисно-відновних реакцій. Паливні елементи відрізняються від більшості батарейок тим, що вимагають постійного джерела палива і кисню для підтримки хімічної реакції, тоді як в батареї хімічна енергія зазвичай виходить від металів і їх іонів або оксидів, які зазвичай вже присутні в батареї. У паливних елементів на водні відбувається окислення цього газу з утворенням води. Паливні елементи можуть виробляти електрику безперервно до тих пір, поки подаються паливо і кисень.