Водородная логистика: перспективы, проблемы, задачи для России

В условиях современной природоохранной повестки создание рынка водородного топлива и постепенная замена водородом ископаемых энергоносителей рассматривается ведущими мировыми экономиками в качестве одного из наиболее эффективных средств достижения климатической нейтральности. В частности, ЕС активно расширяет правовую архитектуру перспективного водородного рынка, внося положения, касающиеся Н₂, в большинство выпускаемых в рамках макростратегии «Европейский зеленый курс» документов.

Водороду уделяется внимание как непосредственно в выпущенной Европейской комиссией в июле 2020 г. «Водородной стратегии для климатически-нейтральной Европы», так и, к примеру, в «Стратегии ЕС по интеграции энергосистемы» (июль 2020 г.), «Стратегии ЕС по развитию возобновляемой энергетики в прибрежных морских районах» (ноябрь 2020 г.) и других документах. В частности, в европейскую «водородную стратегию» заложено намерение европейцев к 2030 г. создать по 40 ГВт мощностей электролиза водорода из воды на территории ЕС и в странах «Восточного и Южного Соседства».

Россия не входит в указанные группы стран, однако официальные представители ЕС неоднократно заявляли о заинтересованности в сотрудничестве с ней по водороду. В частности, об этом говорил исполнительный заместитель председателя Еврокомиссии по Европейскому зеленому курсу Ф. Тиммерманс.

Водородная логистика ставит перед научным сообществом и деловыми кругами целый ряд сложных проблем с точки зрения дальнейшего удешевления процессов хранения и транспортировки Н₂, которое позволило бы ему быть конкурентоспособным видом топлива. Постепенное сокращение утечек водорода может быть достигнуто путем создания и применения в водородной логистике более подходящих материалов, а также при помощи модернизации существующей ГТС трубами, изначально рассчитанными в том числе на водород. В качестве удачного решения можно выделить возможность применения таких труб при плановых ремонтах ГТС.

Несмотря на высокую стоимость водорода и его логистики, представляется, что основные экономические партнеры России в долгосрочной перспективе продолжат постепенный переход от природного газа к водороду, что повышает актуальность наращивания усилий с целью заключения предварительных межправительственных соглашений и коммерческих контрактов на его перспективную поставку до формирования рынка.

Это создаст дополнительные опции с точки зрения переговоров, а также позволит потеснить потенциальных конкурентов и занять более значительную долю рынка.

Текущая водородная повестка

В условиях современной природоохранной повестки создание рынка водородного топлива и постепенная замена водородом ископаемых энергоносителей рассматривается ведущими мировыми экономиками в качестве одного из наиболее эффективных средств достижения климатической нейтральности. В частности, ЕС активно расширяет правовую архитектуру перспективного водородного рынка, внося положения, касающиеся Н₂, в большинство выпускаемых в рамках макростратегии «Европейский зеленый курс» документов.

Водороду уделяется внимание как непосредственно в выпущенной Европейской комиссией в июле 2020 г. «Водородной стратегии для климатически-нейтральной Европы», так и, к примеру, в «Стратегии ЕС по интеграции энергосистемы» (июль 2020 г.), «Стратегии ЕС по развитию возобновляемой энергетики в прибрежных морских районах» (ноябрь 2020 г.) и других документах. В частности, в европейскую «водородную стратегию» заложено намерение европейцев к 2030 г. создать по 40 ГВт мощностей электролиза водорода из воды на территории ЕС и в странах «Восточного и Южного Соседства».

Маргарита Афанасьева:
Станет ли зеленый водород нефтью завтрашнего дня в ФРГ?

Россия не входит в указанные группы стран, однако официальные представители ЕС неоднократно заявляли о заинтересованности в сотрудничестве с ней по водороду. В частности, об этом говорил исполнительный заместитель председателя Еврокомиссии по Европейскому зеленому курсу Ф. Тиммерманс.

Россия, как и многие другие страны, осознавая происходящие изменения, закладывает в свои стратегии развития соответствующие меры и строит планы на различных уровнях власти. Так, Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 г. предусматривает создание потенциала (в том числе доработку соответствующих технологий и ввод в промышленную эксплуатацию необходимых мощностей) для экспорта 200 тыс. т водорода уже к 2024 г. и 2 млн т к 2035 г., а заместитель министра энергетики Российской Федерации П. Сорокин в ноябре 2020 г. заявлял о потенциальной возможности поставлять в будущем десятки миллионов тонн водорода в год.

В свою очередь правительства стран, которые потенциально будут зависеть от импорта нового вида топлива, спешат «забронировать» будущие объемы водородного сырья, проводя переговоры и подписывая соответствующие международные соглашения. В качестве примеров можно привести германо-марокканское Соглашение о сотрудничестве в сфере зеленого водорода (июнь 2020 г.), японско-австралийское Совместное заявление о сотрудничестве в сфере водорода и топливных ячеек (январь 2020 г.) и российско-германскую Декларацию о намерениях по сотрудничеству в сфере устойчивой энергетики. Интересны и заявления немецких политиков, в частности главы Министерства экономики и промышленности ФРГ П. Альтмайера, в отношении перспектив сотрудничества с Россией.

Крупнейшие отечественные, зарубежные и международные компании ТЭК, убедившись в серьезности намерений страновых и наднациональных правительств, также приступили к проработке возможности генерации водорода в требующихся значительных объемах. Российскими примерами может служить соглашение о совместном продвижении проектов в области «чистого» водорода в России и в Европе, подписанное Госкорпорацией «Росатом» и французской EDF в апреле 2021 г., а также работа ПАО «Газпром» с немецкой Wintershall DEA по изучению возможностей для реализации совместных водородных проектов.

И действительно, использование водорода обладает рядом значительных преимуществ по сравнению с другими возможными вариантами «декарбонизации». В частности, Н₂ является одним из наиболее распространенных в мире элементов, уже используется в промышленности (впрочем, в основном не в качестве отдельного энергоресурса), а технологии по его производству, пусть и требуют проведения серьезной работы по снижению издержек и увеличению производительности, уже существуют или находятся на приемлемой стадии готовности.

Проблемы водородной логистики

Тем не менее помимо высокой текущей и потенциальной стоимости производства водорода относительно добычи его ближайшего конкурента — природного газа, ускоренному развитию рынка Н₂ в значительной степени мешает логистическая составляющая.

Такие свойства водорода, как высокая взрывоопасность, низкая температура ожижения, низкая плотность в газообразном виде, а также негативное воздействие на свойства инфраструктурных конструкций, приводят к необходимости разработки эффективных с экономической и технической точек зрения, а также безопасных систем хранения и транспортировки водорода.

С точки зрения транспортировки Н₂ с той или иной степенью экономической эффективности могут использоваться традиционные для газового сырья методы доставки: в газообразном виде при помощи газопроводов, а также в сжатом или сжиженном виде с использованием возможностей наземного (автомобильного, железнодорожного) и, с недавних пор, морского транспорта.

Основной проблемой для водородной логистики в целом являются молекулярные параметры водорода, позволяющие ему с той или иной скоростью просачиваться сквозь материалы, из которых выполнены системы хранения и транспортировки. Кроме того, согласно проводившимся исследованиям, для передачи по одному и тому же трубопроводу равного количества энергии в виде природного газа и водорода требуется разный объем энергии. Для водорода ее необходимо приблизительно в 4,6 раза больше. Это приводит к тому, что при использовании его в качестве топлива для компрессорных станций при транспортировке на расстояние 2,5–4 тыс. км будет передано лишь 80–70% водорода соответственно, что ведет к его удорожанию для конечного потребителя.

С учетом высокой стоимости генерации водорода (см., к примеру, прогноз МЭА) такие потери значительно увеличивают его стоимость для конечного потребителя. Достаточно остро стоит вопрос создания новых материалов и приведения ГТС в большее соответствие с задачей снижения потерь при транспортировке водорода.

Дмитрий Попцов:
Водородная стратегия ФРГ

Безусловно, с учетом развития технологий генерации водорода и увеличения производственных масштабов стоимость этого вида топлива будет снижаться. Тем не менее, даже принимая за основу минимальную прогнозную цену МЭА на водород в 2060 г. для наиболее оптимального метода с точки зрения стоимости производства и нагрузки на окружающую среду (из природного газа с использованием технологий улавливания и хранения составляет приблизительно 1,2 долл. за кг), можно отметить, что 20% потерь при транспортировке без учета прочих факторов приводят к росту итоговой цены на 25%, т. е. она составит уже 1,5 долл. за кг.

С учетом более высокой удельной теплоты сгорания водорода (119,83 МДж/кг) относительно природного газа (41–49 МДж/кг, примем для расчета показатель в 41 МДж/кг), напрямую влияющей на их КПД в качестве видов топлива, можно заметить, что для генерации одного и того же количества энергии необходимо использовать приблизительно в 2,9 раз больше природного газа, чем водорода.

Принимая во внимание даже текущие (сравнительно высокие) цены на газ (на июнь 2021 г. — около 349 долл. за 1000 м3 на бирже ICE), т. е. не учитывая потенциальные колебания рынка в сторону их понижения, а также возможности снижения себестоимости его производства в долгосрочной перспективе, можно отметить, что 1 т водорода, по упомянутым прогнозам имеющая даже в отделенном 2060 г. себестоимость производства в 1200 долл., условно может конкурировать с ценовой точки зрения с идентичными по удельной теплоте сгорания 2,9 т природного газа, которые в настоящее время стоят порядка 1125 долл.

Тем не менее, принимая во внимание повышение стоимости водорода для конечного потребителя до 1500 долл./т с учетом потерь при транспортировке по ГТС (и без учета множества прочих удорожающих факторов), можно говорить о значительном ценовом преимуществе природного газа над водородом даже в весьма отдаленной перспективе, что будет влиять на дальнейшее формирование рынка водорода.

При этом в условиях отсутствия подобного текущему кризиса на энергетических рынках природный газ стоит значительно дешевле; к примеру, ПАО «Газпром» для своего перспективного СПГ-терминала в Усть-Луге закладывает гораздо более низкую стоимость с доставкой до Европы. В еще менее выигрышной ситуации находится водород, генерируемый методом электролиза, в котором в наибольшей мере заинтересованы, к примеру, европейцы. Вероятно, развитые страны продолжат вводить меры по прямому и косвенному налогообложению производства и использования газа для сокращения его преимуществ.

Другим способом доставки водорода является его транспортировка в сжатом виде в стальных цилиндрических контейнерах автомобильным и железнодорожным транспортом. В настоящее время наиболее распространенные типы контейнеров работают под давлением в 16–24 МПа и — в связи с низкой плотностью газа — позволяют транспортировать от 100 до 700 кг водорода. Столь малые объемы значительно удорожают доставку, а также — с ростом водородного рынка — потребуют большого автотранспортного парка. Преимуществом этого способа доставки являются низкие потери сырья.

Относительно транспортировки жидкого водорода следует сказать, что при однократном захолаживании автоцистерны теряется до 15% водорода, а связанные с несовершенством теплоизоляции потери составляют 0,5% в сутки от объема транспортируемого водорода. При каждой заправке автоцистерны теряется приблизительно 4% продукта, ещё 1,5% водорода требуется для создания перепада давления между установкой сжижения и емкостью. Транспортировка ж/д транспортом создает такие же проблемы.

Что касается морского транспорта, первое специализированное судно построено в Японии совсем недавно и спущено на воду 24 мая 2021 г., поэтому эффективность его работы только предстоит оценить, однако можно ожидать, что морской транспорт столкнется с типичными проблемами транспортировки водорода, описанными выше, что как минимум осложняет межконтинентальную перевозку Н₂. Заявленная небольшая грузоподъемность судна по водороду (75 т) заранее ставит вопросы о коммерческой эффективности эксплуатации и потенциально необходимого размера флота для перевозки промышленных объемов водорода.

Что касается хранения, несмотря на разнообразие его методов, все они имеют проблемы с точки зрения технических или экономических аспектов промышленного использования.

Хранение газообразного водорода под давлением отличается простотой и невысокой стоимостью реализации, представляется удобным с точки зрения отсутствия энергозатрат на отбор газа из хранилищ. Тем не менее даже при использовании баллонов, выдерживающих давление в 70 МПа, энергетическая плотность сжатого до этого уровня водорода (4,4 МДж/л) низка по сравнению с традиционными источниками энергии (к примеру, составляет 14% от энергетической плотности бензина в 31,6 Мдж/л). Это создает дополнительные сложности при хранении на борту транспортных средств. При этом в связи с необходимостью использования дорогостоящих материалов, в т. ч. углеродного волокна, производство емкостей повышенного давления для промышленного хранения водорода в текущих условиях неэффективно с коммерческой точки зрения.

С учетом заинтересованности ряда стран в генерации водорода из воды путем электролиза отдельного внимания заслуживают сравнительно новая концепция хранения в башнях ветряных турбин, где практически все свободное внутреннее пространство может быть использовано для этих целей.

Достоинством хранения водорода в жидком состоянии является сравнительно высокая плотность: 70,8 кг/куб. м. Основными проблемами при этом являются высокие требования к материалам хранилищ по хладостойкости и необходимость реализации энергозатратных процессов с применением сравнительно дорогого оборудования для ожижения (расходует 20-45% энергии сжиженного Н₂) и постоянного охлаждения, а также значительные потери за счет испарения.

Елена Маслова:
Экологический диалог Россия — ЕС: собеседники поневоле

Наиболее эффективным с коммерческой точки зрения признается хранение сжатого газа в подземных хранилищах газа (ПХГ), сочетающих в себе такие достоинства, как сравнительно низкая стоимость строительства, малые объемы утечек, быстрое заполнение и извлечение водорода и т. д. Лучшими показателями среди ПХГ отличаются соляные каверны, однако это ставит перед отраслью дополнительную проблему: отсюда следует, что эффективное хранение водорода зависит от геологии, которая диктует, где могут быть сооружены хранилища. Таким образом, в условиях, когда эффективное с коммерческой точки зрения хранение может осуществляться только в определенных местах, возрастает роль транспортировки водорода, ведущей к дополнительным издержкам.

Иные способы хранения водорода (в жидком виде, при помощи гидридов и иных носителей, в микросферах и адсорбентах, в мультикапиллярных структурах и т.д.) находятся в той или иной стадии разработки и, в целом, в настоящее время не подходят для эффективного коммерческого применения. Не углубляясь в детали, можно отметить низкую скорость зарядки и разрядки носителей, проблемы их многократного использования, в отдельных случаях — высокую стоимость оборудования для производства систем хранения, сложность применения для крупнотоннажного хранения водорода и т.д.

Заключение и рекомендации

Водородная логистика ставит перед научным сообществом и деловыми кругами целый ряд сложных проблем с точки зрения дальнейшего удешевления процессов хранения и транспортировки Н₂, которое позволило бы ему быть конкурентоспособным видом топлива. Постепенное сокращение утечек водорода может быть достигнуто путем создания и применения в водородной логистике более подходящих материалов, а также при помощи модернизации существующей ГТС трубами, изначально рассчитанными в том числе на водород. В качестве удачного решения можно выделить возможность применения таких труб при плановых ремонтах ГТС.

Отдельного внимания заслуживает необходимость организации обучения персонала работе на объектах водородной инфраструктуры при строительстве и эксплуатации. Экономически выгодным видится повышение квалификации кадров газовой отрасли вместо обучения новых специалистов. Это позволит также устранить проблему переизбытка кадров на рынке после завершения активной фазы строительства новых водородных трубопроводов.

Несмотря на высокую стоимость водорода и его логистики, представляется, что основные экономические партнеры России в долгосрочной перспективе продолжат постепенный переход от природного газа к водороду, что повышает актуальность наращивания усилий с целью заключения предварительных межправительственных соглашений и коммерческих контрактов на его перспективную поставку до формирования рынка.

Это создаст дополнительные опции с точки зрения переговоров, а также позволит потеснить потенциальных конкурентов и занять более значительную долю рынка.

При заключении долгосрочных договоров на поставку появляется возможность заранее привлечь под проект контрактное финансирование, часть которого можно направить на модернизацию средств логистики.

Проведение консолидированного анализа перспективных технологий транспортировки и хранения водорода позволило бы выявить те из них, которые могут быть в краткие сроки доработаны и введены в промышленную эксплуатацию с целью повышения конкурентоспособности отечественных компаний. Использование национальных ресурсов для работы с такими технологиями может быть весьма востребовано с экономической точки зрения и иметь значимый мультипликативный эффект.

С учетом высокой стоимости водорода и его логистики отдельное внимание необходимо уделить оптимизации производства и логистики водородно-метановой смеси как более дешевой промежуточной альтернативы полному переходу промышленности на водород.