По воде на водороде

Николай Ульянов
заместитель главного редактора, редактор отдела промышленности журнала «Эксперт»
4 октября 2021, 00:00
№41

Полномасштабное внедрение водородных энергосистем в судостроении тормозится отсутствием инфраструктуры, ценой «зеленого» водорода и спецификой его применения. Это дает шанс другим видам топлива

ПРЕДОСТАВЛЕНО КОМПАНИЕЙ ABB
Питер Тервиш не считает водород источником энергии

Весной этого года компания Kawasaki представила первый в мире танкер, предназначенный для перевозки сжиженного водорода из Австралии, где он будет производиться, в Японию, которая к 2050 году планирует добиться нулевых выбросов парниковых газов.

Ожидается, что первая партия сжиженного водорода поступит в Японию весной будущего года. В специальном созданном танке объемом 1250 кубометров судно будет перевозить водород, охлажденный до минус 253 градусов Цельсия.

Вместе с тем основная силовая установка этого танкера — три дизельных двигателя мощностью 1,32 МВт каждый, потребляющих, соответственно, углеводородное топливо.

Использование водорода в судоходстве — одна из составляющих декларируемого энергоперехода, который предполагает отказ от ископаемого топлива и декарбонизацию экономики.

Перспективы перевода водного транспорта на водород «Эксперт» обсудил с Питером Тервишем, президентом бизнеса «Автоматизация процессов» компании ABB, членом исполнительного комитета Европейского альянса чистого водорода (European Clean Hydrogen Alliance, ECH2A).

— Считаете ли вы, что энергопереход, основанный на водороде, назрел и существуют технологические предпосылки, чтобы он состоялся?

— Я не рассматриваю водород как источник энергии. Я рассматриваю водород как энергоноситель, переносчик энергии, если хотите. Водород — это точно не источник энергии, потому что для его получения всегда требуются другие источники. Он представляет собой некое промежуточное звено, требуя либо электричества, в том числе из возобновляемых источников, либо углеводородов, и потому не является источником энергии сам по себе.

Что касается технологических предпосылок для энергетического перехода, то здесь нужно смотреть на решения, которые будут использоваться в течение следующих десяти лет, то есть до 2030 года. Мы уже располагаем знаниями, которые помогут достичь наших целей на этом временном промежутке, и это дает нам время для дальнейшего усовершенствования уже имеющихся технологий, а также исследований и разработки новых технологий, которые будут необходимы после 2030 года.

— Что вы имеете в виду под этими технологиями? Вы собираетесь производить электролизеры, топливные элементы, автоматику для обслуживания водородных систем или что-то еще?

— Наши решения позволяют снижать неизбежные для водородной энергетики капитальные расходы и операционные затраты в процессе получения водорода. В этой сфере наша компания очень активно инвестирует в технологии электрификации, автоматизации, цифровизации. А разработкой конкретных технологий, в частности электролизеров или топливных элементов, занимаются уже наши партнеры, с которыми мы плотно сотрудничаем.

— Насколько технологически мы готовы к переходу на использование водорода в качестве источника энергии? Необходимое оборудование — топливные элементы, электролизеры — уже существует, его уже можно устанавливать на поезда, суда и так далее?

— Думаю, сейчас мы находимся на той стадии, когда сами технологии уже готовы, но сценарии их использования все еще дорабатываются. Например, по вопросам масштабирования и применения новых технологий в судостроительной отрасли мы сотрудничаем с известным производителем топливных элементов компанией Ballard Power Systems. Их топливные элементы мы интегрируем в судовые системы. В настоящее время эти элементы используются для замены вспомогательных двигательных систем, а не основных двигателей. В то же время для малых судов мы поставляем силовые установки полностью на водородных топливных элементах. То есть уже существуют океанские суда со вспомогательными водородными двигателями и малые суда, полностью работающие на водородных топливных элементах.

— Насколько много таких судов? Если мы так стремимся к безуглеродной экономике и водород — один из способов достижения этой цели, почему это не становится массовым явлением?

— Тут стоит учитывать два момента. Первый, конечно, деньги. С этой точки зрения водород, особенно «зеленый» водород, все еще экономически невыгоден по сравнению с другими видами топлива, в частности на фоне низкого углеродного налога во многих странах. В связи с этим, как я уже говорил, ключевую роль играет снижение капитальных вложений, а также операционных и производственных затрат. Это что касается экономики. Второй фактор можно сравнить с вопросом «Что было раньше — курица или яйцо?». Спрос возможен только при наличии инфраструктуры. А инфраструктура не появится там, где нет спроса. Здесь очень важна роль государств. Они могут, с одной стороны, способствовать созданию необходимой инфраструктуры, а с другой — прогнозировать и планировать спрос потенциальных потребителей для повышения уверенности производителей.

«Зеленый» пока дорогой

— Насколько велика роль углеродного налога, который собираются вводить, в распространении водородных технологий?

— Плата за выбросы углекислого газа — в виде сбора, повышения цены или налога (в зависимости от экономической системы того или иного государства) — имеет важное значение для развития «зеленых» технологий. Для обеспечения устойчивого развития и снижения влияния на климат необходимы высокие сборы за углеродный след и выбросы углекислого газа. Иначе, как мне кажется, мы не сможем добиться распространения технологий «зеленого» водорода в обозримом будущем и уж тем более в сроки, установленные Парижским соглашением. В ближайшее время «зеленый» водород не сможет конкурировать, например, с углем. В связи с этим углеродный налог — это, без сомнения, важный фактор для ускоренного развития «зеленой» энергетики и применения «зеленого» водорода.

— Не получится ли так, что суда, которые имеют водородную энергетическую установку, будут очень дорогими, в результате чего их не будут покупать и их станет меньше, сократятся перевозки, станут дороже товары из-за сокращения перевозок? Не приведет ли переход на более дорогой источник энергии к удорожанию всего?

— С экономической точки зрения очевидно, что в этой сфере нужны инвестиции. А любые инвестиции — это всегда расходы для одних и доходы для других. Некоторые товары, например углеводороды, сейчас слишком дешевы. Поэтому они будут дорожать. В то же время контроль за выбросами углекислого газа рождает новые возможности. Появляются новые рабочие места и источники дохода. Мы технологическая компания, и наша роль заключается в том, чтобы обеспечить эффективное решение задач контроля за выбросами углекислого газа и способствовать минимизации инвестиций, а также тому, чтобы со временем стоимость производства водорода стала максимально низкой. Вот вклад, который мы как технологическая компания можем внести. Существует вопрос, сможет ли электричество конкурировать с водородом в процессе создания «зеленой» экономики. На мой взгляд, они идеально дополняют друг друга. Как пример: электроэнергия из возобновляемых источников питает электролизер или аккумулятор (в зависимости от ваших требований к аккумулированию энергии), а затем высвобождается из аккумулятора или из совершенно другой фазы в определенный момент времени через топливный элемент. Эти две технологии прекрасно дополняют друг друга. Поэтому мы очень активно работаем в обоих направлениях.

Наша компания работает не только над аспектами, связанными с водородом как транспортным топливом, но и над цепочкой его получения. Мы используем различные подходы, в том числе небольшие модульные или крупные цепочки, для производства водорода на основе углеводородов или «зеленого» электричества в разных частях света. Мы уже осуществляли поставки для проектов в этой области по всему миру, в том числе для проектов, связанных с электрификацией, автоматизацией или цифровизацией. Порой мы работали над всеми тремя типами проектов одновременно.

— Как соотносится цена энергетической установки на традиционном топливе (углеводородах) и цена сопоставимой по мощности водородной установки? Что дороже, что дешевле?

— Это зависит от специфики того, что мы рассматриваем. Например, «голубой» водород производится из угля или газа, то есть в этом случае стоит дополнительно учитывать применение и хранение углеводородов, и поэтому к первоначальной стоимости энергии надо добавить затраты на разделение и секвестрацию. Сейчас «голубой» водород стоит дешевле, чем водород, полученный с использованием «зеленой» энергии от ветряных электростанций или солнечных электростанций. Тем не менее мы видим, что стоимость «зеленой» электроэнергии продолжает снижаться по мере увеличения объемов ее производства. Перед нами стоит цель приблизить стоимость «зеленого» водорода к стоимости «голубого». Но чтобы не столкнуться с вопросом «курица или яйцо?», о котором мы говорили ранее, нельзя просто ждать, когда появится полностью «зеленое» производство, и уже потом переходить на водород. Должна быть фаза сосуществования «голубой» и «зеленой» энергии, в ходе которой будет осуществляться постепенный переход от одного типа энергии к другому, а не внезапный переход ко все еще дорогостоящим решениям, которые необходимы для борьбы с изменением климата и снижения выбросов углекислого газа.

— Я имел в виду стоимость самой энергоустановки без учета топлива, которая приводит в движение судно, например.

— Нужно смотреть на всю цепочку, потому что водород — это не источник энергии, а только энергоноситель. Кроме того, важно учитывать затраты на производство «зеленой» электроэнергии. Общая стоимость зависит от капитальных затрат и эффективности преобразования. Сначала необходимо сравнить стоимость и эффективность электролизера и топливного элемента. Только после этого можно переходить к конечному использованию. Если рассматривать этап за этапом, то я бы сказал, что в ряде стран стоимость производства электроэнергии из возобновляемых источников начинает приближаться к стоимости энергии на основе углеводородов. Это позволяет снизить рыночную цену электроэнергии в странах, где много света для солнечных батарей или ветра для ветроэлектрических установок. Сегодня стоимость начинает достигать уровня, аналогичного значениям при производстве электроэнергии на основе углеводородов. Вырос также КПД электролизеров и топливных элементов. В России, как мне кажется, водородная энергетика вряд ли сможет удовлетворить все требования потребителей в ближайшее время. Экономический переход возможен в том случае, если вы работаете в специфической отрасли с высоким уровнем использования углерода и ищете способы производства, например, безуглеродной стали, а ваши заказчики готовы платить за это. Сегодня все больше производителей готовы оплачивать дополнительные расходы, связанные со сложностью использования водорода и экологически чистой электроэнергии вместо углеводородов.

— И все-таки: ABB является поставщиком двигательных энергосистем для судостроения. Есть двигательные энергосистемы, в которых источником является органическое топливо (газ, солярка и так далее), и есть энергосистемы, в которых источником энергии является водород. Какова разница в цене между двумя этими системами?

— Я не могу назвать точные цифры. Давайте начнем с того, что это непрерывный процесс. На традиционных судах используется обычная двигательная установка с большим двигателем, который вращает вал, приводящий в движение гребной винт. К примеру, газ с Ямальского месторождения сегодня транспортируется на арктических судах с большими двигателями. Но этот большой двигатель не вращает механический вал. Он запускает генератор, который вырабатывает электричество, и уже оно приводит в движение три гребных винта судна.

Итак, есть чисто механическая традиционная система, а есть электромеханическая традиционная система, которая экономит пятнадцать процентов топлива, но стоит дороже. Она дороже с точки зрения капитальных затрат, однако эксплуатационные затраты у этой системы меньше, и она гораздо лучше подходит для движения во льдах. Такие системы стоят на ледоколах длиной триста метров. Если же ваши суда не работают на углеводородном топливе, то вам могут подойти двигатели внутреннего сгорания, которые в качестве топлива используют непосредственно водород, — такие сейчас находятся в разработке. Это все еще не топливный элемент, а двигатель внутреннего сгорания и силовая установка, которую я только что описал. Наконец, существуют двигатели на водородных топливных элементах. В настоящее время такие двигатели предназначены в основном для судоходства по рекам и на небольшие расстояния. Для охвата сектора дальних морских перевозок мы сейчас работаем с несколькими заказчиками, которые рассматривают другие виды топлива, получаемые из водорода, а не только возможность хранения водорода в чистом виде. Как потенциальные виды топлива они рассматривают, например, аммиак (NH3) или синтетический метанол.

Водородные производные

— Получается, что сегодня нельзя создать достаточно мощную энергосистему движения на водороде, чтобы можно было установить ее на крупные суда. И причина того, что она устанавливается на речные суда, — как раз то, что там нужна небольшая мощность и она достаточна?

— Я думаю, что в некоторой степени это так. Если рассматривать разные способы хранения энергии, то электрические накопители, скажем аккумуляторы, можно сделать большими и энергоемкими. Но электричество может оказаться не самым оптимальным решением для перевозки длительностью больше часа или двух, например на пароме. Водород, вероятно, можно использовать в течение более длительного времени, но из-за таких факторов, как давление, его хранение требует больших затрат. Для протяженных маршрутов через Атлантику, Тихий океан или вокруг света вместо самого водорода, даже если вы получаете его с помощью «зеленого» электричества, проще использовать производные вещества, например аммиак или метанол. То есть «зеленый» водород будет перерабатываться дальше, что позволит снизить стоимость и упростить обработку на борту судна. Таким образом, дело не в недостаточной мощности, а скорее в длительности использования накопителей для конкретного энергоносителя.

Вы можете использовать водородную энергию на морском судне, и я знаю людей, которые серьезно рассматривают возможность хода только на топливных элементах. Мы видим определенный интерес к этой технологии. Технически это осуществимо. Но не стоит забывать об экономической целесообразности. Такой проект может быть реализован, однако он рискует оказаться слишком дорогостоящим.

— Значит ли это, что ставить топливные элементы и использовать водородные системы на больших океанских судах невыгодно?

— Я бы сказал иначе. Если вы заинтересованы в «зеленом» океанском судоходстве, то на сегодняшний день водород не самый оптимальный вид топлива. Однако вы можете рассмотреть альтернативное топливо, полученное из водорода. Этот вариант возможен, но в настоящее время не оптимален для «зеленого» океанского судоходства.

— Например, аммиак, о котором вы говорили?

— Да, NH3 и другие синтетические углеводороды. Сегодня рассматриваются обе эти возможности. И прямо сейчас индустрия, похоже, склоняется в сторону NH3. Но мне кажется, что это не окончательное решение, а скорее промежуточная позиция.

Промышленные активы, будь они в морской или перерабатывающей промышленности, обычно имеют длительный срок службы. Это инвестиции на десятилетия вперед. Поэтому тем, кто сегодня принимает решения, особенно важна возможность выбора, в том числе между «голубым» и «зеленым» топливом или, возможно, товарными видами топлива. Например, природный газ вместе с водородом или аммиак отлично подойдут для такого оборудования, как двигатель внутреннего сгорания, а также для некоторых типов топливных элементов. В рамках текущего переходного процесса возможность выбора имеет большое значение. Это обусловлено высокой степенью неопределенности в отношении использования активов в последующие десятилетия.

— Какую наибольшую мощность сегодня могут выдавать топливные элементы?

— Несмотря на существование мегаваттных топливных элементов, более распространены элементы мощностью до нескольких сотен киловатт, которые могут быть соединены друг с другом. Их чаще выбирают для небольших систем. Такие топливные элементы в некоторой степени схожи с солнечными батареями. Необязательно ставить только большие модули — достаточно взять много маленьких и подключить их друг к другу. На мой взгляд, в связи с этим возникают два вопроса. Первый: элементы какой мощности выбрать? Для судов, я думаю, отлично подойдут мегаваттные топливные элементы. Но тогда возникает второй вопрос: сколько элементов нужно, чтобы достичь нужных мощностей?

— В том-то и вопрос: сколько мегаваттных топливных элементов поместится на судне? Получится разместить их в корпусе столько, чтобы выдать мощность в районе 10–15 мегаватт, необходимую для большого судна?

— В условиях ограниченного пространства для хранения водорода требуется больше места, чем для топливного элемента. Обе технологии относительно сложны. Другой вопрос: предположим, вы хотите использовать водород в качестве топлива. Его можно будет применять в двигателе внутреннего сгорания, если произвести ряд изменений. Но даже при наличии водорода топливные элементы и двигатель внутреннего сгорания — это совершенно разные технологии. Модульность топливных элементов лишь один из их параметров. Боюсь, что на данном этапе технологического прогресса нет ответа в стиле «всегда следует поступать именно так». Есть несколько путей, и каждый из них имеет свои плюсы и минусы.

Существуют поршневые двигатели. Есть газотурбинные двигатели, некоторые из них могут работать на топливной смеси с определенным количеством водорода. А есть топливные элементы. В общем, существуют разные способы превратить водород в электричество. Это и турбины, и двигатели внутреннего сгорания, например поршневые, и широкий ряд технологий топливных элементов. На данном этапе существует целый спектр технологических возможностей. Время и прогресс покажут, какие из них наиболее привлекательны с коммерческой точки зрения.

— Какая из этих технологий наиболее зрелая и готовая к внедрению и использованию?

— Для небольших систем это топливные элементы. Для крупномасштабных — стандартные двигатели, на данный момент они достаточно развиты технологически. Если говорить о сжигании смеси природного газа и водорода, то стоит отметить, что и двигатели внутреннего сгорания, и газовые турбины получили достаточное развитие в этой области.

— Из общего объема заказов компании ABB на двигательные установки какова доля установок на водороде? Я имею в виду сопоставимые суда — только речные, на которых возможно использование водородной установки. И какова динамика объемов этих заказов и прогноз на перспективу?

— В настоящее время подавляющее большинство судов по-прежнему работает на традиционных системах. Но интерес к гибридным системам, в которых топливная двигательная установка отделена от электрической, продолжает расти. Все более популярными становятся электрические двигательные установки. Это может быть гибридная установка или электрическая двигательная установка с питанием от аккумуляторов. Мы видим большой интерес ко всем технологиям, которые мы сегодня обсуждали. В том числе на основе водорода, но в конкретно в этой сфере заказов пока не так много.

— Сколько компания вкладывает в НИОКР, связанные с водородной темой, — в деньгах или в доле от общего объема НИОКР?

— Выделить конкретно водородную тему невозможно. Ранее я объяснял, как работают электрические цепи. Например, что есть электрические преобразователи, необходимые для электролизера или топливного элемента, или гибридные двигательные системы. Эти технологии невозможно отделить друг от друга с точки зрения финансов. Наша компания тратит более одного миллиарда долларов на исследования и разработки, и значительная часть этих средств идет на снижение выбросов и повышение энергоэффективности. Если вы спросите, сколько тратится на технологии, которые мы сегодня обсуждали, то, вероятно, основная часть средств уходит на работу по экологизации промышленности. Однако назвать конкретную сумму у меня вряд ли получится.

— Сотрудничаете ли вы с российскими компаниями в части водородной тематики?

— На данном этапе наша деятельность в России напрямую не связана с водородной энергетикой. У нас есть технологический центр для поддержки решений в области электрификации, автоматизации и цифровизации, а также специальная организация, разрабатывающая необходимые технологии. Но, насколько мне известно, на данный момент мы не сотрудничаем с российскими компаниями в части водородной тематики.

При этом мы определенно обладаем всеми необходимыми компетенциями и с радостью готовы удовлетворить потребности наших российских партнеров и заказчиков в этой области.

СПРАВКА

ABB — международная технологическая компания, подразделения которой расположены более чем в ста странах, число сотрудников — около 105 тыс. человек.

Деятельность четырех бизнесов компании («Электрооборудование», «Автоматизация процессов», «Электропривод», «Робототехника и дискретная автоматизация») сосредоточена на ключевых трендах рынка, таких как электрификация транспорта и промышленности, распределение энергии, энергоэффективность, автоматизированные технологические процессы и дискретное производство, цифровые решения и повышение производительности.

Выручка АВВ по итогам 2020 года — 26,13 млрд долларов, по итогам первого полугодия 2021-го — 14,35 млрд долларов.

Капитализация ABB (NYSE) на 28.09.2021 — 67,755 млрд долларов.

Некоторые проекты АВВ в сфере водородной энергетики

АВВ совместно со швейцарской компанией Axpo разрабатывает модульные установки по производству экологически чистого водорода. Задача — создание оптимальной операционной модели для производства доступного водорода.

АВВ поставила французскому производителю «зеленого» водорода компании Lhyfe систему автоматизированного управления. Эта интегрированная система управления с общей централизованной базой данных позволяет оптимизировать процесс производства водорода.

АВВ сотрудничает с канадской компанией Hydrogen Optimized в части совместной разработки крупномасштабных систем производства «зеленого» водорода. Hydrogen Optimized предполагает использовать свою технологию высокотокового электролиза воды в производстве «зеленого» водорода. АВВ представит решения по оптимизации электроснабжения в рамках проекта.

Компании планируют доказать, что технология водного электролиза Hydrogen Optimized RuggedCell может быть использована для разработки интегрированного решения на основе концепции одномодульной установки мощностью 100 МВт.

В морской промышленности на основе сотрудничества с Ballard Power Systems, ведущим международным поставщиком топливных элементов с протонообменными мембранами, ABB и компания Hydrogène de France, специализирующаяся на водородных технологиях, намерены использовать технологические возможности для производства многомегаваттных энергоустановок на водородных топливных элементах для морских судов.

АВВ участвует в реализации программы по производству чистого водорода в Австралии и дальнейшей его транспортировке в Японию, предоставляя свои решения в области автоматизации, электрификации и контрольно-измерительных приборов. Водород планируется производить из бурого угля, процесс предусматривает улавливание и закачку в землю углекислого газа. Сжиженный водород предполагается поставлять в Японию специально построенным для этого танкером.

АВВ поставила гибридный силовой агрегат на основе топливных элементов с нулевым уровнем выбросов для финского исследовательского судна Aranda, являющегося частью финансируемого Европейским союзом проекта Maranda. При проведении измерений на исследовательских судах необходимо отключать главные двигатели, чтобы минимизировать шум, вибрацию и загрязнение воздуха, которые могут повлиять на результаты. Система генерации энергии на основе топливных элементов ABB мощностью 165 киловатт продолжает обеспечивать питание системы динамического позиционирования и электрического оборудования Aranda во время измерений.

АВВ разрабатывает силовую и двигательную установку на топливных элементах в рамках поддерживаемой ЕС программы Flagships для грузового судна Zulu. Программа Flagships предполагает создание коммерческих судов для внутренних речных и коротких морских операций с нулевым уровнем выбросов.

Совместно с SINTEF Ocean Laboratory в Тронхейме и норвежской верфью Fiskerstrand АВВ изучает практические аспекты переоборудования парома для работы на топливных элементах и аккумуляторных батареях. В ходе испытаний производится моделирование условий, с которыми паром может столкнуться на коротком и часто повторяющемся маршруте.