Развитие водородной энергетики – уникальный шанс для Казахстана

Энергетическая революция, о которой говорили в мире последнее десятилетие, похоже, свершилась. 14 июля 2021 года Еврокомиссия представила экологический план EU Green Deal по снижению к 2030 году выбросов диоксида углерода на 55% к уровню 1990 года. Заявленное введение трансграничного углеродного налога (Carbon Border Adjustment Mechanism, CBAM) на импорт в страны ЕС взбудоражило бизнес и правительства стран, традиционно экспортирующих сырье – нефть и газ, металлы, цемент и удобрения. Налогом будут облагаться все товары с углеродным следом уже с 2023 года. Меры по достижению углеродной нейтральности Европы предполагают запрет на инвестиции в углеводородный сектор с 2026 года, прекращение производства автомобилей с двигателем внутреннего сгорания к 2035 году и переход на альтернативную энергетику, в т.ч. на водородном топливе. Какие возможности и риски для Казахстана возникают в связи с развитием водородной энергетики?

Водородная энергетика – ключевой тренд технологической революции в предстоящие 30 лет. По оценкам Bloomberg NEF к 2050 году 24% мировых потребностей в энергии будет покрывать водород, отрасль привлечет около $11 трлн инвестиций, а ежегодные продажи водородного топлива в мире достигнут $700 млрд.

Ведущие индустриальные державы уже включились в гонку по развитию альтернативной энергетики. Программы развития водородной энергетики реализуются в Германии, Великобритании, Индии, Китае, США, Японии, Южной Корее с середины 2000-х годов. А в 2018-2020 гг. в этих странах приняты долгосрочные национальные стратегии для реализации конкретных практических задач. Так, Япония приняла Базовую водородную стратегию в 2017 году, Южная Корея – новую дорожную карту водородной энергетики в 2018 году, в 2019 году – Китай Белую книгу водородной энергетики и Австралия – национальную стратегию, а в 2020 году ЕС – общеевропейскую стратегию развития водородной энергетики до 2050 года.

Водород рассматривается как энергоноситель 21 века ввиду сочетания преимуществ традиционного углеводородного топлива с требованиями «зеленой» экономики. Нулевой углеродный след (при сгорании водорода образуется вода) вкупе с возможностями конверсии электроэнергии в топливо, хранения и транспортировки делают водород незаменимой альтернативой нефти и газу. Причем водород может использоваться как в существующих двигателях внутреннего сгорания (ДВС) на бензине, природном газе, так и в топливных элементах, преобразующих химическую энергию в электрическую напрямую. А высокая удельная теплота сгорания (в 3-3,5 раза выше, чем бензин) делает водородное топливо рентабельным даже при ценах на рынке сегодня (1,5 – 5 USD/кг). На начало 2021 года инвестиции в водородную энергетику в мире превысили 90 млрд. долл.

Национальные стратегии указанных стран включают 4 основных направления развития водородной энергетики:

1. Развитие транспорта на водороде, прежде всего автомобилей
2. Развитие мощностей по производству водорода
3. Водородная логистика (распределение, хранение и транспортировка)
4. Развитие электростанций на водороде.

Сегодня массовое производство автомобилей на водородном топливе осуществляется японскими компаниями Тойота – модель Mirai более 12 тыс. автомобилей на начало 2021 года (в т.ч. 7 тыс. в США), Хонда – модель FCX Clarity – более 38 тыс. авто. К 2030 году парк «водородомобилей» в Японии составит 800 тыс. авто.

Корейская Хёнде продала более 14 тыс. моделей NEXO и ix35, став лидером продаж в 2020 году с объемом 5 тыс. водородных авто. В планах довести количество водородного транспорта в Корее до 6,2 млн. к 2040 году.

Стоимость на рынке Тойота Mirai – $58,550, Хонда Clarity – $58,490, Хёнде NEXO – $58,735. При этом правительства Японии и Кореи субсидируют покупку авто до $24 тыс. долларов.

В Китае на конец 2020 года насчитывалось 7352 транспортных средства, работающих на топливных элементах. Согласно Белой книге Китайской водородной ассоциации к 2025 году парк составит 50 000 ед., а к 2035 году – более 15 млн. авто на водороде. Помимо китайских подразделений Тойота и Хёнде о планах по производству «водородных» авто заявили китайские компании SAIC, BAIC и GreatWall.

Тойота отмечает, что водородные автомобили вне конкуренции для стран с умеренным и северным климатом, т.к. не теряют заряд и мощность при низких температурах в отличие от электромобилей.

Производство водорода в мире в 2018 году составило по данным МЭА 74 млн. тонн в основном для нужд нефтехимии и металлургии. Прогнозы по развитию водородной энергетики и транспорта предполагают прирост спроса в 30-35 млн. тонн чистого водорода к 2030 году. Т.е. совокупное потребление составит $600-700 млрд. в год при существующих ценах, или треть мирового рынка нефти (~$1900 млрд.). Водородная энергетика может стать мощным драйвером развития для стран, имеющих возможности производства водорода, включая Казахстан.

В зависимости от способа получения водород делится на т.н. «серый», «голубой» и «зеленый». «Серый» водород получают из нефтепродуктов, газа или угля методом паровой конверсии с попутным образованием углекислого газа СО2. «Голубой» водород получают тем же методом из метана, но с утилизацией СО2. «Зелёный» водород получают через электролиз воды, т.е. расщепление на водород и кислород электрическим током, полученным из возобновляемых источников энергии (солнечные батареи, ветроустановки).

Национальные стратегии водородной энергетики ведущих стран (Европы, Кореи, Японии) хотя и ставят долгосрочную цель по собственному производству «зеленого» водорода, в большей степени ориентированы на импорт ввиду низкой себестоимости «серого» и «голубого» водорода ($1,5-3 за 1 кг против $5-10 за 1 кг «зеленого» водорода). Так, Германия должна производить в 2021 году 1,4 ГВт водорода на электролизёрах с ростом к 2030 году до 5 ГВт, или 0,8 млн. тонн. ЕС планирует к 2030 году производить на электролизёрах до 10 млн. тонн «зелёного» водорода и столько же импортировать. Рост потребления водорода в Южной Корее и Японии к 2030 году также планируется довести до 2 млн. тонн и 10 млн. тонн в год соответственно. При этом импорт составит до 80%.

В Китае производство водорода в 2020 году составило 20 млн. тонн, а к 2030 году вырастет до 35 млн. тонн в год, к 2050 году – 100 млн. тонн. При этом объемы потребления будут опережать внутреннее производство за счет импорта.

Национальные стратегии стран-основных потребителей водорода полагаются в значительной степени на импорт топлива, в основном по экономическим причинам - высокой себестоимости «зелёного» водорода. О долгосрочных планах поставок водорода на экспорт заявили Австралия, Россия и Саудовская Аравия, имеющие энергетический задел для генерации.

Сеть заправочных станций – ключевой показатель серьезности намерений по развитию водородной энергетики. На конец 2020 года количество водородных АЗС составило в Японии – 135 (план -10 тыс. к 2030 году), в Китае – 128 (1000 к 2025 г.), Корея - 34 (310 к 2022 г.), Германия – более 40 (100 к 2022 г.), ЕС – 1000 к 2030 году. Стоимость стандартной водородной АЗС – $1 млн.

Основные виды силовых установок на водороде – это топливные элементы (КПД до 83%), газовые турбины (до 74%) и двигатели внутреннего сгорания (до 35%). Если в газовых турбинах и ДВС используется тепловая энергия сжигания водорода, то в ТЭ химическая энергия преобразуется в электрическую, как в гальванических батареях напрямую. Очевидно, что ТЭ рассматриваются как главное направление развития водородной энергетики. Кроме высокого КПД топливный элемент может использовать разное топливо (водород, метан) и применяться как на транспорте, так и на электростанциях для обеспечения электроэнергией отдельных зданий, производств и крупных городов. Причем электростанции на ТЭ мобильны и могут быть установлены в любом месте.

Основными производителями ТЭ в ближайшие 10 лет станут Китай, США, Южная Корея, Япония и ЕС. В 2019 году в мире было продано более 70 тыс. ТЭ различного типа и мощности.

Стоимость ТЭ и систем хранения водорода остается пока высокой, до 50% стоимости автомобилей на водороде. Вместе с тем предполагается, что при массовом производстве стоимость ТЭ снизится в несколько раз.

Таким образом, развитие водородной энергетики формирует новый мировой рынок с совокупным объёмом более $1500 млрд. к 2030 году, т.ч. водородного топлива – около $400 млрд. в год (при базовом сценарии), силовых установок на ТЭ и систем хранения водорода совокупной мощностью 150-200 ГВт – более $1трлн. (при базовом сценарии).

Возможности водородной энергетики для Казахстана

Казахстан располагает исключительно благоприятными возможностями для производства водородного топлива. К предпосылкам развития водородной энергетики следует отнести следующее.

1. Избыток мощностей электростанций Казахстана. При совокупной установленной мощности электростанций Казахстана около 20 ГВт регулярный избыток мощности составляет около 3 ГВт (т.н.«ночные провалы» нагрузки), а с учётом недельных и сезонных провалов нагрузки на крупнейших ГРЭС потенциал незадействованной мощности достигает 7 ГВт.

2. Крайне низкая себестоимость электроэнергии в Павлодарской и Мангистауской областях менее $1 за 100 кВт*ч.

3. Налаженное производство водорода для собственных нужд на ГРЭС Павлодарской области и МАЭК в Мангистауской области.

Справочно. Водород, обладающий высокой удельной теплоемкостью и теплопроводностью (выше воздуха в 14 и 7 раз соответственно), используется в системах охлаждения энергоустановок электростанций.

4. Казахстан может производить водород до 1 млн. тонн ежегодно на существующих мощностях электростанций (7 ГВт) методом электролиза без ущерба для основной деятельности. Этого достаточно для решения проблем пиковых нагрузок на всех электростанциях страны, или для ежедневной заправки 270 тыс. городских автобусов.

5. Цена производства водорода составит при электролизе – $1-1,4 за 1 кг водородного топлива, при конверсии природного газа – $0,83 за кг, при газификации угля – $1 за кг, при газификации нефтяных остатков – $2,2 за кг.

Все это означает, что Казахстан располагает возможностями по производству 1 млн. тонн водородного топлива, или $1,5-2 млрд. в год на существующей базе ГРЭС в Павлодарской области. Возможности производства водорода из природного газа и угля требуют дополнительного изучения.

6. Производственная база заводов в Костанае, Алматы и ВКО позволяет создать совместные предприятия с ведущими компаниями Тойота и Хёнде по сборке водородных автомобилей и автобусов более 80 тыс. ед. в год.

7. Потребность в модернизации общественного транспорта в Казахстане составляет 1200-1500 автобусов в год.

8. Согласно статистике 2020 года на рынке Казахстана спрос на авто в ценовом сегменте свыше $55 тыс. составляет более 1500 ед.

9. Спрос на водородный транспорт в Казахстане ограничен из-за отсутствия инфраструктуры (заправочных станций) и государственных мер поддержки продаж водородного транспорта.

Следовательно, емкость рынка Казахстана – 300 автобусов на водороде и 500 легковых автомобилей ежегодно при строительстве в Алматы, Нур-Султане, Павлодаре, Караганде и Актау по 1-2 водородных АЗС в каждом городе, а также мер господдержки.

10. Казахстан располагает значительными запасами редкоземельных и благородных металлов, необходимых для производства катализаторов и комплектующих для топливных элементов.

11. Кроме того, имеется значительная производственная и научная база для создания и серийного производства катализаторов, средств хранения и доставки водорода, топливных элементов, прежде всего на предприятиях Казатомпрома.

Для получения выгод и интеграции в глобальный рынок водородной энергетики Казахстану необходимо разработать и приступить к реализации национальной стратегии развития водородной энергетики в ближайшие сроки.

Казахстан располагает уникальными возможностями для развития водородной энергетики. Уже сейчас есть база для запуска производства водородного транспорта в стране. Производство водорода уже имеется и может быть масштабировано не только на базе электростанций. Для инвесторов в углеводородном секторе рано или поздно встанет вопрос о диверсификации нефте- и, особенно, газодобычи в производство водородного топлива. Научный потенциал также имеет задел по решению принципиальных вопросов технологий производства топливных элементов и средств хранения и доставки водорода. Поэтому научным исследованиям в области водородной энергетике следует придать наивысший приоритет в финансировании.

Развитие водородной энергетики позволит реализовать преимущества Казахстана и провести диверсификацию углеводородного сектора, обеспечит опережающую трансформацию экономики в новый технологический уклад и получение масштабных выгод, необходимых для динамичного социально-экономического развития страны.

Фархад Куанганов, заместитель Председателя Совета Директоров Международного научного комплекса «Астана».