На водороде в будущее

Александр Механик
14 декабря 2020, 00:00
№51

Один из ведущих специалистов в области водородных технологий Юрий Добровольский рассказывает о перспективах водородной отрасли в России и мире

ПРЕДОСТАВЛЕНО КОМПАНИЕЙ
Юрий Добровольский: «Мы еще сохранили шансы стать лидерами, поскольку в области водородных технологий не утратили своих компетенций»

Правительство РФ утвердило план мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской федерации до 2024 года». Его цель — организация первоочередных работ по формированию в стране высокопроизводительной экспортно ориентированной отрасли водородной энергетики, развивающейся на основе современных технологий и обеспеченной высококвалифицированными кадрами. 

В преамбуле плана отмечается, что одним из вызовов энергетической безопасности для Российской Федерации является изменение структуры спроса на энергоресурсы, включая замещение углеводородов другими видами энергетических ресурсов, в том числе водородом. Наша страна в этом смысле следует всемирной тенденции: практически все развитые страны — США, Япония, Китай, страны ЕС — в целом приняли свои стратегии развития водородной отрасли и ставят перед собой весьма амбициозные цели. Так, министр экономики и энергетики ФРГ Петер Альтмайер выразил уверенность, что благодаря принятию национальной водородной стратегии Германия будет играть ведущую роль в водородном развитии, как это было двадцать лет назад, когда началось продвижение использования возобновляемых источников энергии. 

Наша страна тоже обладает серьезным потенциалом для организации масштабного производства водорода, развития водородной энергетики и использования водорода в самых разных областях экономики. Можно вспомнить, что именно в нашей стране еще в 1980-е годы был создан и уже летал первый в мире самолет с водородным двигателем. Водород широко используется в российской космической отрасли, для этого были созданы и производственные мощности, и средства доставки и хранения этого газа. Сейчас в стране ведутся серьезные научные и технологические разработки по применению водорода в различных видах транспорта и энергетике.

Мы встретились с одним из ведущих специалистов в этой отрасли, руководителем Центра компетенции НТИ по технологиям новых и мобильных источников энергии, доктором химических наук Юрием Добровольским, чтобы обсудить перспективы развития водородной энергетики в нашей стране.

— Для чего нужна водородная стратегия и чего можно ждать от развития водородной промышленности?

— Наверное, всем уже ясно, что мир так или иначе переходит к «зеленой» энергетике, в первую очередь от углеводородной — к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ).

Понятно, что быстро это сделать невозможно: нельзя построить за десять-двадцать лет столько ветряков, солнечных батарей, приливных и геотермальных станций, чтобы мир прямо завтра перешел к полностью углеродно нейтральной экономике. Но есть возможность принять промежуточные решения, на основе которых можно это сделать, и водород может стать промежуточным энергоносителем на период перехода к возобновляемым источникам тока.

Для этого необходимо постепенно внедрять водород в те области промышленности и техники, где это возможно. Например, в производство удобрений, в металлургию, где всегда присутствуют углеродсодержащие соединения, в нефтехимию, потому что нефтехимия — это не только горючее, но и много полезных вещей, которые мы получаем из нефти. Более того, в отличие от большой энергетики в этих отраслях водород, скорее всего, останется надолго и будет потребляться как химическое сырье в достаточном количестве. 

Градация водорода в зависимости от способа его производства 34-02.jpg
Градация водорода в зависимости от способа его производства

И конечно, существуют большие возможности применения водорода на транспорте. Так или иначе, мы постепенно будем переходить на электрический транспорт, это экологически и климатически обоснованно. Сейчас такой транспорт в основном использует аккумуляторные системы, но у них есть масса недостатков. Во-первых, это не очень большая энергоемкость. Для литий-ионного аккумулятора это максимум 250 ватт-часов на килограмм, а для большого электротранспорта требуется емкость минимум 600–700 ватт-часов на килограмм. Вряд ли это удастся сделать с аккумуляторами в ближайшее время, если не будет какого-то фантастического прорыва в области совершенно новых аккумуляторных материалов. А водородные топливные элементы на автомобилях уже сейчас имеют большую энергоемкость и действительно могут заменить практически любой транспорт, которым мы сейчас пользуемся.

Кроме того, недостатком аккумуляторного электрического транспорта является то, что его приходится довольно долго заряжать. Есть быстрые зарядки, но они, как правило, приводят к быстрой деградации аккумуляторов. А водородом автомобиль заряжается так же, как обычным горючим: за несколько минут.

То есть, с одной стороны, водородная автотехника не сильно отличается с точки зрения потребительских свойств от привычной нам, а с другой стороны, она абсолютно экологически и климатически нейтральна. 

Таким образом, постепенно двигаясь к возобновляемой энергии, мы можем благодаря водороду менять не только энергетику, но и все сферы производства, переводя их на более «зеленые» рельсы. А транспорт, наверное, единственная отрасль, в которой это уже сейчас экономически оправданно. Во всех остальных, о которых я сказал, такой переход пока так или иначе будет удорожать производство. 

Правда, мы пока не видим решения, как заменить аккумуляторами или топливными элементами маршевые двигатели на больших самолетах. Но можно заменить керосиновый двигатель внутреннего сгорания на водородный, и эти технологии известны в России. Единственный в мире летавший на водороде самолет Ту-155 был сделан в нашей стране в конце советского периода. И крупные авиастроительные фирмы собираются к 2035 году показать большие самолеты на водороде. Так что давайте резюмируем, и это очень важно повторить: мир сейчас вступает в переходный период на пути к полностью «зеленой» энергетике и транспорту. И водород в этот период играет ключевую роль. Причем если в самой энергетике он будет важен именно в переходном периоде, то в области транспорта водород останется навсегда.

— А чего вы ждете от концепции, которую правительство предполагает принять в первом квартале следующего года в соответствии с планом мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года»? 

— У нас сейчас в экспертном сообществе и среди ответственных лиц есть три разные позиции по вопросу, как развивать водородную энергетику и нужно ли вообще ее развивать. Крайняя консервативная позиция: нас обманывают наши зарубежные партнеры, водород слишком дорог, поэтому он никогда никому не будет нужен и заниматься этим не надо. У нас много углеводородов, и они важнее. Удивительно, но этой позиции придерживаются некоторые известные ученые, которые активно участвовали в разработке водородной дорожной карты. 

Вторая позиция — промежуточная: если мы хотим сохранить свой экономический потенциал в то время, когда Европа и Азия собираются уменьшать количество потребляемого углеводородного топлива, то давайте производить и транспортировать водород, тем более что самый дешевый водород сейчас получается из углеводородов. 

И третья точка зрения, которой придерживаюсь я: вне зависимости от возможностей поставки водорода на экспорт, чтобы уменьшить риски нашего экспорта, нам надо в первую очередь научиться самим потреблять водород. В какой-то момент его зарубежные покупатели могут нам сказать, что больше водорода им не надо, и это станет возможным, когда они перейдут на ВИЭ. Такие источники можно поставить везде, исчезнет необходимость в логистике водорода: его не надо будет подвозить, его будут производить на месте, там же, где используют. Но если есть внутреннее потребление, своя техника, свои металлургические и другие производства, транспорт, энергетика и городское хозяйство на водороде, то мы будем его производить в первую очередь именно для себя. 

Вот три точки зрения, и какая победит в ближайшее время, мне до сих пор непонятно. Я слежу за этими обсуждениями, сам в них участвую, но не могу предсказать результат этой борьбы экспертных мнений: политических, научных и технических. 

Причем водородная энергетика — это одна из тех отраслей, где мы в ближайшее время можем стать лидерами, и не столько в экспорте водорода как сырья, сколько в его применении. Мы еще сохранили шансы стать лидерами, поскольку в области водородных технологий не утратили своих компетенций, что признают и многие европейские страны, и тем более азиатские. Это позволит нам в перспективе занять достойное место не только на рынке водорода, но и на рынке высоких водородных технологий. 

Производство и потребление «зеленого» водорода 34-03.jpg
Производство и потребление «зеленого» водорода

— То есть, по вашему мнению, концепция должна предусматривать максимальные варианты развития не только и не столько экспорта, сколько внутреннего потребления водорода?

— Совершенно верно. Тем более что с экспортом водорода могут быть и климатические, и политические проблемы. Дело в том, что отношение к водороду на зарубежных рынках определяется способом его производства, в зависимости от которого ему условно присваивается разные цвета: зеленый, серый, оранжевый, голубой, бирюзовый. 

«Зеленый» водород — это водород, полученный электролизом исключительно с помощью ВИЭ — энергии ветра, солнца, воды, любых других источников, которые не использует углеводороды, кроме атомных электростанций. Если водород получен с помощью АЭС, тут же подключаются политики, которые говорят, что он уже не «зеленый», а «оранжевый». И в Европе начинаются политические споры: «оранжевый» — это экологичный водород или нет, можем ли мы его импортировать? 

Моя точка зрения такова: экологичность производства водорода надо оценивать по тому, сколько диоксида углерода при полном цикле его производства выбрасывается в атмосферу. Хорошо считать водород, полученный с помощью ВИЭ, «зеленым», забывая, что на строительство таких систем получения энергии мы тоже потратили углеводороды и выбросили в атмосферу довольно много углекислого газа.

«Серый» водород — это тот, который получается из углеводородов методом парогазовой конверсии, при этом углекислый газ выбрасывается в атмосферу, а «голубой» водород получается тем же способом, но углекислый газ при этом захоранивается или перерабатывается, а не выбрасывается в атмосферу.

Аналогично «бирюзовый» водород, но он получается методом пиролиза. При этом надо учитывать, что «серый» водород от электролизного «зеленого» водорода по себестоимости пока отличается более чем в десять раз.

— Не получается ли так, что затраты энергии на производство самого чистого — «зеленого» — водорода больше, чем стоимость энергии, получаемой при его использовании?

— Конечно, такой водород сейчас дороже, как ни считай. Но вопрос, какие цели человечество ставит перед собой. Моя позиция в том, что человечество наконец доросло до того, что начинает отвечать за свои поступки и несет коллективную ответственность перед будущими поколениями, в том числе за сохранение климата. Я не большой сторонник теории антропогенного загрязнения окружающей среды, хотя вероятность того, что именно мы повлияли на климат, есть, и даже если она минимальная, мы все должны с этим бороться. Что мы оставим нашим детям? Хотим ли мы, чтобы наши дети жили в условиях постоянных наводнений, пожаров и ураганов? Если нет, то человечество просто обязано заняться решением этой проблемы. Хотя бы в техносфере, в которой от него что-то зависит. 

Причем это вопрос не только экономический. Сейчас, когда весь мир, по крайней мере развитые страны, стал достаточно богат, мы можем часть накопленных богатств потратить на то, чтобы восстановить климат и экологически безопасную окружающую среду. 

Тем более что технологии не стоят на месте. Вспомните, что еще десять-пятнадцать лет назад, когда строились первые солнечные электростанции, они были дороги, им была необходима серьезная поддержка государства. Прошло всего десять лет — и государственная поддержка солнечной энергетики во многих странах существенно снизилась, эти направления вполне развиты, себестоимость солнечной электроэнергии упала настолько, что она стала вполне конкурентоспособной. И я думаю, что со временем электролиз станет экономически более выгодным, чем другие виды производства водорода, как за счет совершенствования самой технологии, так и потому, что его можно производить на месте потребления электричества, что позволит достичь существенной экономии за счет логистики и самого водорода, и электричества. 

Вывод простой: чтобы водородные технологии начали активно применяться и подешевели, необходима государственная поддержка, какая раньше существовала в отношении других ВИЭ.

Газ из газа 

— Насколько Россия готова к серьезному производству водорода в том числе на экспорт? И насколько она готова реализовывать свои научно-технологические заделы, которые, как вы говорите, у нас есть?

— Если вы посмотрите водородные стратегии Европы до 2050 года, то увидите, что в них на этот период заложены только пятьдесят процентов «зеленого» водорода, а пятьдесят процентов — «голубого». То есть половина всего потребляемого водорода будет получаться из углеводородов. Нам это выгодно, все-таки мы углеводородная держава. Но нужна логистика. К сожалению, основная стоимость водорода лежит не столько в его производстве, сколько в транспортировке. Потребуется огромная система газопроводов, хотя некоторые из существующих у нас трубопроводов уже сейчас пригодны для транспортировки водорода. Например, «Северный поток — 2»: можно просто подключать на входе водород и качать его прямо в Германию. И это самый дешевый способ передачи водорода. То есть у нас уже есть трубопроводы в Азию и Европу — туда, где водородные программы развиваются, и, на мой взгляд, преимущества наши очевидны: дешевые углеводороды и самый дешевый трубопроводный способ поставки водорода в эти страны. 

— То есть на данном этапе, на ваш взгляд, самое перспективное производство водорода — из природного газа?

— Да. До 2050 года мы обеспечены потребителями такого водорода, если успеем встроиться в цепочку поставок. Но понятно, что после 2050-го доля такого водорода будет падать и падать, пока «зеленый» водород не займет все сто процентов потребления, это для меня очевидно. Эта программа точно будет выполнена, и нам нужно уже сегодня искать способы производства «зеленого» водорода. Источником электричества для такого производства у нас может стать малая гидроэнергетика, которая, в отличие от большой, считается «зеленой», потому что не нарушает биобаланс. Во-вторых, у нас в России много мест, где может активно использоваться солнечная и ветровая электроэнергия. При правильном планировании мы можем у себя потихоньку замещать наш «голубой» водород на «зеленый». У нас на это есть тридцать лет.

— А у нас есть серьезные компании, которые занимаются этой технологией?

— Сейчас пытается эти компетенции у себя собрать «Росатом». У них есть на это специальная программа. Там нет уже большой науки — научные основы получения водорода более или менее разработаны. там нужно отработать технологии. 

Я не могу не сказать и о последнем нашем собственном проекте: мы собственными силами с одной небольшой компанией «Поликом», расположенной у нас же в Черноголовке, делаем первую российскую заправку с электролизером внутри. Сейчас идут испытания электролизера. А одна немецкая фирма по нашему техзаданию сделала заправочный блок, чтобы, взяв от этого электролизера водород, можно было сразу заправить, например, автомобиль или другую технику. 

Я участвую в заседаниях Немецкого энергетического общества, и на них говорят, что примерно к 2030 году в Германии сумеют произвести всего четырнадцать тераватт-часов энергии в водороде, а им нужно по плану девяносто. Чувствуете разницу? Германия честно говорит, что сама не может стать производителем водорода, поэтому выделяет огромные деньги на развитие водородных технологий в странах, которые могут экспортировать водород, — на воспитание будущих экспортеров водорода.

Успеть поделить пирог

— На что в первую очередь делается упор в водородных стратегиях других стран?

— Именно на внутреннее потребление как составную часть «зеленой» энергетики. Цель понятна: сделать так, чтобы там, где более выгоден водород, был именно водород, но чтобы он был «зеленый». На решение этой задачи направлено все: как его транспортировать, как его получать, как создавать инфраструктуру. Но европейские страны — и, кстати, еще и Азия — в основном рассматривают себя в качестве импортеров водорода, что важно для России. 

Но медлить нельзя! Уже через пять лет, гарантирую, водородный рынок будет поделен полностью. И при таком, как сейчас, отношении нашего правительства и нашей общественности к водороду мы можем не попасть в число игроков этого рынка.

— Казалось бы, правительство занялось этим…

— Огромный плюс, что все экспортно ориентированные компании начинают заниматься водородными технологиями, особенно получением водорода и его транспортировкой. В отличие от государственных кабинетов, где споры продолжаются, бизнес понимает, что водородный рынок обязательно возникнет.

Пример таких компаний — «Газпром» и «НоваТЭК», которые начинают заниматься водородными технологиями и активно финансировать НИОКР в этой области. 

К сожалению, позиция «Газпрома» не всегда последовательна. Например, они создали компанию «Газпром водород», которая, по замыслу авторов идеи, должна на территории Германии строить заводы по получению водорода из наших углеводородов. При этом заводы будут выбрасывать там углекислый газ, а мы будем компенсировать эти выбросы тем, что в России будем захоранивать такое же количество углекислого газа. Понятно, что и Германия, скорее всего, на это не пойдет. 

— Действительно, странная идея: строить заводы в другой стране.

— С другим нашим газовым гигантом — «НоваТЭКом» — у нас пока ведутся только предварительные переговоры. А я вам напомню, что перевозка СПГ и перевозка жидкого водорода — это, по большому счету, одна и та же технология. Ведь водород тоже можно возить танкерами. То есть у «НоваТЭКа» уже готова технологическая основа для экспорта водорода, не так сильно ее придется переделывать.

Но самую активную позицию занимает «Росатом», о котором я уже сказал. Государство еще только планирует начать разрабатывать программу развития водородных технологий, а «Росатом» уже вовсю реализует собственную программу.

— Но все-таки правительство решило этим заняться, опубликовало дорожную карту, и предполагается уже в первом квартале будущего года разработать концепцию развития отрасли. Значит, движение идет.

— В первом квартале 2021 года мы только узнаем, какая точка зрения победит и чем будет наполнена эта концепция, которую пишут несколько разных групп. 

Трагично, если реализуется «усредненный» вариант: давайте мы пока поизучаем проблему и займемся НИРами и какими-то экзотическими способами получения водорода. Поэтому я всеми силами борюсь за то, чтобы победил хоть какой-то вариант развития водородной энергетики, а лучше, конечно, если бы возник полномасштабный вариант такой концепции. И я не одинок в этой борьбе, моими союзниками выступают те компании, о которых я сказал, которые понимают, что пришло время строить водородную энергетику. И у нас пока есть возможность продвинуть наш вариант концепции.

Универсальная электрическая автономная автомобильная платформа с источником
энергии на основе водородного топливного элемента разработки Центра
компетенций НТИ 34-04.jpg ПРЕДОСТАВЛЕНО КОМПАНИЕЙ
Универсальная электрическая автономная автомобильная платформа с источником энергии на основе водородного топливного элемента разработки Центра компетенций НТИ
ПРЕДОСТАВЛЕНО КОМПАНИЕЙ

Должен напомнить, что Россия была одним из лидеров этой технологии. У нас прекрасно работали топливные элементы в космосе, под водой, у нас, как я уже сказал, летал первый в мире водородный самолет. За двадцать пять лет мы утеряли большинство технологий и лидерство в науке во многих других областях, но в водородных технологиях мы находимся вполне на мировом уровне.

Да, у нас нет пока водородных автомобилей, которые колесят по Европе уже двадцать лет. Но мы владеем всеми технологиями и можем у себя сделать такие автомобили даже на лучшем уровне, чем на Западе. Мы просто этим не занимались. И это сочетание оставшихся научных школ, научных компетенций в разных областях, промышленного потенциала и желания реализовать эти технологии может стать сильнейшим драйвером развития именно водородной отрасли. Скажем, в производстве литий-ионных аккумуляторов догнать Китай, США или Европу нам уже сложно, если, конечно, мы ничего революционного не изобретем. А вот в водороде у нас пока остался последний шанс вскочить в этот вагон. И это окно возможностей в несколько лет. 

— А что нужно делать, чтобы стимулировать внутренний спрос у нас, в России?

— Тут много чего надо. В первую очередь нужна воля государства. Сейчас мы у себя в Центре компетенций НТИ занимаемся в большой степени водородным автотранспортом. Но, вы понимаете, перед нами стоит извечная проблема яйца и курицы: не будет у нас водородного транспорта, пока нет заправок, а заправки не нужны, пока нет водородного транспорта. Понятно, что инфраструктура — это ответственность государства. Частные компании точно не возьмут на себя задачу построения сети автозаправочных станций на данном этапе. 

А экспортные компании, и не только углеводородные, должны помнить, что сейчас в Европе разрабатывается так называемый углеродный налог на импортируемую продукцию. Импортеры должны будут платить налог, размер которого будет зависеть от того, сколько углекислого газа было выброшено в атмосферу при производстве их продукции.

Пока неизвестны объем и механизмы начисления этого налога, но то, что этот налог будет, уже очевидно. Этот налог призван стать международным драйвером развития «зеленых», в том числе водородных, технологий. Значит, и в России необходимы правовые механизмы и государственная поддержка, чтобы подтолкнуть собственную промышленность к внедрению водородных технологий. Этого пока нет, но разработка таких мер уже начинается. И я счастлив, что, проработав более двадцати лет в водородной отрасли, я сейчас наконец вижу, что дело чуть-чуть начинает сдвигаться, не только на словах, но и в некоторых действиях. 

Постепенно двигаясь к возобновляемой энергии, мы можем благодаря водороду не только менять энергетику, но менять все сферы производства, переводя их на более «зеленые» рельсы

— А какие у нас есть проекты в разных отраслях промышленности по применению водородной техники?

— Таких проектов уже немало. Сейчас по заказу «Росатома» мы заканчиваем работу по первому и далеко не полному анализу технологий, которые существуют в России. И сейчас есть от тридцати до пятидесяти больших проектов. Например, КамАЗ начинает заниматься водородными автобусами, ГАЗ — водородными грузовиками, «Автотор» начинает думать о выпуске легковых автомобилей на водороде. С «Росатомом», как я уже сказал, мы ведем в том числе работы по электролизу. 

РЖД и Трансмашхолдинг начинают с того, что закупают маленькие водородные локомотивы за рубежом и создают вместе с «Росатомом» водородный кластер на Сахалине. А их следующая цель — и мы все будем им в этом помогать — научиться производить такой транспорт в России. 

Причем водородный электротранспорт, в том числе железнодорожный, может стать уже сейчас экономически оправданным — не через пять лет, а в ближайшее время и даже без особой поддержки государства.

Таких локомотивов, причем больших, уже пятнадцать штук в Германии ходит. А водородные автобусы по Европе ездят уже двадцать лет, и там есть достаточное количество заправок для того, чтобы их обеспечивать. Например, в Германии имеется порядка 120–130 водородных автозаправочных станций.

— А в каком состоянии ваши собственные разработки? У вас же и самолет был, и автомобили были водородные.

— Работы идут. К сожалению, коронавирус нас здорово подкосил. А летом значительная часть коллектива не работала, была полностью на карантине. Поэтому мы решили сосредоточиться на тех проектах, которые надо закончить в первую очередь. Мы пока отодвинули, например, плановые летные испытания водородного самолета, еще и потому, что аэродромы были закрыты. Но зато мы довели до ума беспилотную электротранспортную платформу, и она совсем недавно демонстрировалась на открытии участка ЦКАД. Там же стояла и наша заправка. И мы раздумываем над тем, как дальше развивать нашу платформу, поскольку она оказалась весьма популярной. И даже есть шанс, что, задуманная как прототип, она станет после небольших доработок вполне коммерческим продуктом. Причем будет иметь свой искусственный интеллект, отечественный, оригинальный, разработанный специально под эту платформу Институтом проблем управления РАН вместе с фирмой «Электротранспортные технологии». Полезная нагрузка платформы — почти две тонны, и пробег внушительный: 500 километров — легко. По крайней мере, уже в эксперименте она столько проходила.