Станет ли зеленый водород нефтью завтрашнего дня в ФРГ?

Сегодня вокруг водорода царит ажиотаж, сравнимый разве что с нефтяной лихорадкой, охватившей мир после обнаружения черного золота. На H₂ делают ставку для достижения климатически-нейтрального будущего и предрекают, что бензиновый голод сменится водородным. 20 апреля Россия и Германия подписали декларацию о намерениях сотрудничества в области устойчивой энергетики. Она предполагает кооперацию и в области водорода. А уже 29 апреля вице-премьер Александр Новак заявил, что страны договорились реализовывать совместные H₂-проекты. Его немецкий коллега, Петер Альтмайер, в тот же день выразил намерение прилететь в Москву после осенних выборов в Бундестаг для подписания соответствующих контрактов.

Пока дешевле всего производить «серый» водород. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), на производство 1 кг «серого» H₂ требуется от 0,9 до 3,2 долл., «голубого» — от 1,5–2,9, возобновляемого («зеленого») — 3,0–7,5 долл. за 1 кг. Наращивание производства более дешевых видов водорода ускорит создание рынка как такового. На этом этапе Россия может стать крупнейшим поставщиком водорода из природного газа. Однако, чтобы занять лидирующую позицию на H₂-рынке в долгосрочной перспективе, России необходимо активно развивать возобновляемую энергетику. Как и ЕС, ФРГ уже использует ряд механизмов (национальные CO₂-сертификаты, налог, финансирующий развитие ВИЭ) для стимулирования зеленой энергетики и планирует использовать их и для форсирования производства «зеленого» водорода. А при значительном снижении себестоимости возобновляемого H₂ у него действительно есть шансы стать «нефтью завтрашнего дня».

Сегодня вокруг водорода царит ажиотаж, сравнимый разве что с нефтяной лихорадкой, охватившей мир после обнаружения черного золота. На H₂ делают ставку для достижения климатически-нейтрального будущего и предрекают, что бензиновый голод сменится водородным. 20 апреля 2021 г. Россия и Германия подписали декларацию о намерениях сотрудничества в области устойчивой энергетики. Она предполагает кооперацию и в области водорода. А уже 29 апреля вице-премьер РФ Александр Новак заявил, что страны договорились реализовывать совместные H₂-проекты. Его немецкий коллега, Петер Альтмайер, в тот же день выразил намерение прилететь в Москву после осенних выборов в Бундестаг для подписания соответствующих контрактов.

Историческое решение Карлсруэ

Любопытно, что в этот же день, 29 апреля, конституционный суд ФРГ обнародовал свое историческое решение от 24 марта 2021 г. Он счел закон о защите климата (Klimaschutzgesetz, KSG) частично противоречащим конституции. В Карлсруэ решили, что цели по снижению парниковых выбросов в период с 2030 по 2050 гг. и методы их достижения сформулированы недостаточно конкретно и обязали авторов доработать закон. В своем решении суд ссылается на Ст. 20 конституции — в ней закреплена ответственность государства за сохранение естественных условий обитания и животных для будущих поколений. В этой статье также прописана цель — сдерживать повышение глобальной температуры на уровне 2^°C и, по возможности, 1,5^°C. Это решение стало историческим, так как в Карлсруэ признали на практике, что защита климата входит в основные права человека.

Законодатели отреагировали на решение суда незамедлительно и энергично. Свенья Шульце, министр экологии (Социал-демократическая партия Германии, СДПГ) заявила, что KSG будет оперативно доработан. Уже 5 мая глава Минприроды ФРГ обозначила скорректированные цели. Так, Германия сократит к 2030 г. парниковые выбросы не на 55%, как планировалось, а на 65% по сравнению с уровнем 1990 г. А климатической нейтральности страна должна достичь к 2045 г. вместо 2050 г. Такие же цифры назвала канцлер Ангела Меркель, выступая днем позже на XII Петерсбергском диалоге по климату.

Зеленая повестка и выборы в Бундестаг

Дмитрий Попцов:
Водородная стратегия ФРГ

Тем временем немецкая промышленность посчитала, что такая спешка объясняется надвигающимися парламентскими выборами. Действующая правящая коалиция, состоящая из христианских демократов и СДПГ, как показывают опросы, может проиграть «Зеленым». Поэтому, считает бизнес, сейчас все партии стремятся быть настолько экологичными, насколько это вообще возможно. Такая критика имеет под собой основания. Карлсруэ обязал авторов закона доработать его до конца 2022 г. При этом в июле 2021 г. Европейская комиссия представит конкретные планы, как достичь недавно скорректированных — более амбициозных — климатических целей. Было бы логично, если бы Берлин доработал свой KSG, дождавшись предложений ЕС. Однако выборы состоятся вот-вот, в то время как реализация климатических обещаний — дело будущего.

«Нефть завтрашнего дня»

На этом фоне водород, который в Германии считают ключевой составляющей на пути к энергетическому повороту (Energiewende) и, как следствие, к CO₂-нейтральности, приобретает еще большее значение. «Зеленый водород — это нефть завтрашнего дня», заявила Аня Карличек, министр образования и научных исследований ФРГ. В связи с этим федеральное правительство планирует капитально реформировать систему энергоснабжения. Ввиду более амбициозных климатических целей можно ожидать, что Германия будет еще активнее стремиться к прорыву в сфере водородной энергетики.

В национальной водородной стратегии (NWS), которую Германия представила в июне 2020 г., неоднократно говорится, что для достижения CO₂-нейтральности необходимо производство/развитие, конкурентоспособность и применение водорода и H₂-технологий. При этом ФРГ считает необходимым создание как национального, так и глобального водородного рынков. Наладить производство «нефти завтрашнего дня» внутри страны необходимо для наращивания рынка основанных на ней технологий. В будущем, чтобы удовлетворить спрос на H₂, стране придется импортировать бОльшую его часть. В то время как развивая водородную энергетику, Германия хочет стать экспортером водородных технологий.

В документе говорится, что торговля водородом на международном уровне поднимет многочисленные геополитические вопросы, которые должны быть своевременно включены в политическую повестку. Она также предлагает ряд возможностей, включая развитие существующих отношений с экспортерами энергоносителей. Кроме того, нынешние поставщики ископаемых источников энергии смогут сыграть особую роль в развитии нового рынка, если они обладают высоким потенциалом для производства водорода. При этом подчеркивается, что экспорт водорода не должен негативно сказаться на местных рынках и декарбонизации энергетики в этих странах. Напротив, экспорт H₂ должен способствовать локальному энергетическому повороту. В частности, за счет возведения сети электростанций, работающих на ВИЭ.

Этот пункт стратегии представляет собой как вызовы, так и возможности для России как поставщика водорода для Германии. И те, и другие кроются в цветовой шкале.

Какой водород — чистый?

В зависимости от метода получения водород формально «подразделяется» на несколько цветов. Такая классификация взята за основу и в водородной стратегии ФРГ.

Согласно ей,

• серый (grauer Wasserstoff) — это водород, получаемый из ископаемых углеводородов. Процесс сопровождается выбросами CO₂ в атмосферу;
• голубой (blauer Wasserstoff) — это водород, также получаемый из ископаемых энергоносителей. Однако при его производстве используется технология улавливания и хранения сопровождающих его CO₂-выбросов. Отмечается, что этот вид может считаться CO₂-нейтральным;
• бирюзовый (türkiser Wasserstoff) — это водород, изготавливаемый методом пиролиза метана, входящего в состав природного газа. Побочный продукт процесса — твердый углерод (сажа). Подчеркивается, что этот вид CO₂-нейтрален только в том случае, если необходимая для его получения электроэнергия была возобновляемой или CO₂-нейтральной;

Александр Петров:
Осуществим ли «энергетический поворот» Германии?
• зеленый (grüner Wasserstoff) — это водород, произведенный методом электролиза воды при использовании электричества, полученного исключительно из возобновляемых источников. Поскольку используемая для метода электроэнергия свободна от двуокиси углерода, зеленый водород также называется CO₂-свободным;
• желтый водород, получаемый методом электролиза при использовании атомной энергии, в глоссарий стратегии не включен. И не случайно, поскольку в 2022 г. Германия закроет последнюю АЭС.

России более близка классификация, используемая в водородной стратегии ЕС. Она подразделяет H₂ на следующие виды:

• на основе электроэнергии (electricity-based hydrogen) — это водород, полученный электролизом воды вне зависимости от источника используемой для этого электроэнергии;
• возобновляемый (renewable hydrogen) — синоним «зеленого» водорода. Но возобновляемым может также называться H₂, полученный из биогаза или посредством биохимической конверсии биомассы;
• чистый (clean hydrogen) приравнен к возобновляемому, а, значит, и к зеленому водороду;
• на основе ископаемого топлива (fossil-based hydrogen) — синоним серого H₂;
• на основе ископаемого топлива c улавливанием углерода (fossil-based hydrogen with carbon capture) — альтернативное название «голубого» водорода;
• низкоуглеродный (low-carbon hydrogen) — ископаемый водород с улавливанием углерода и H₂ на основе электроэнергии со «значительным снижением выбросов по сравнению с существующим производством водорода».

«Бирюзовому» водороду в документе места не нашлось. Изучив глоссарий двух стратегий, мы видим, что Европа и Германия считают тот водород чистым, вход и выход в процесс производства которого не сопровождается выбросами CO₂. Для России, как для потенциального поставщика, это создает некоторые сложности. Страна выступает за то, чтобы называть водород чистым, если выход из процесса его производства не сопровождается выбросами CO₂. В частности, за такой подход выступает российская сторона Консультативного совета по газу Россия-ЕС и ПАО «Газпром».

Made in Germany: защита климата

Учитывая наличие огромных запасов природного газа в стране и многолетнее энергетическое партнерство с Германией, Россия хочет экспортировать в первую очередь водород, полученный из метана. В дорожной карте по развитию водородной энергетики в РФ до 2024 г. делается акцент на планах по производству низкоуглеродного водорода из природного газа и «желтого», CO₂-нейтрального водорода, методом электролиза с использованием атомной электроэнергии. Хоть в пояснении к документу Минэнерго и говорится о планах по производству водорода с использованием энергии ВИЭ, в самой карте такие мероприятия отсутствуют. Возможно, они будут отражены в концепции развития водородной энергетики России, проект которой, как сообщил в середине апреля А. Новак, готов. Вице-премьер также отметил, что одной из важнейших задач станет разработка конкурентоспособных технологий производства H₂ как из природного газа, так и электролизом воды на основе АЭС и ВИЭ. Однако доля ВИЭ в энергетическом балансе России на сентябрь 2020 г. составляла всего около 2%. Поэтому, чтобы производить «зеленый» водород, России для начала необходимо развить зеленую энергетику, на что нужно время.

Елена Маслова:
Экологический диалог Россия — ЕС: собеседники поневоле

В водородной стратегии Германия не исключает, что будет использовать голубой водород. При этом его применение, как и в случае с природным газом, считается возможным только в переходный период. Согласно формуле «столько зеленого, сколько возможно, столько голубого, сколько необходимо». В импорте «желтого» водорода, для производства которого у России есть большие возможности, Германия пока не заинтересована, и это вряд ли изменится. То, что ФРГ рассматривает «голубой» H₂ только как переходную технологию, и то, что она делает ставку на «зеленый», объясняется и ее амбициями в области экспорта. Германия хочет стать поставщиком технологий по защите климата. А. Карличек, процитированной раннее, принадлежит еще одна меткая фраза: «Защита климата Made in Germany должна стать новым товарном знаком». Это не только и даже не в первую очередь коммерческая цель. Германия стремится декарбонизировать свою экономику, ориентируясь на цели Парижского соглашения по климату. А чтобы сдержать глобальное потепление на уровне цели, зафиксированной в нем, успеха одной страны недостаточно.

Сегодняшний водородный бум объясняется перспективностью H₂ как экологичного энергоносителя с высокой энергоемкостью. Но в отличие от, к примеру, природного газа его нужно производить. Во-вторых, само по себе достаточное количество произведенного водорода не станет панацеей декарбонизации. Дело в том, что H₂ далеко не всегда можно использовать в исходном виде. Это значит, что потребуется дополнительное время и инвестиции для разработки технологий, которые, можно сказать, адаптируют водород для использования в конкретной области. Они, в свою очередь, помогут создать систему регенеративного энергетического и сырьевого обеспечения, к чему как раз стремится Германия, потому что такая система — залог климатической нейтральности. Здесь мы подходим к тому, почему ФРГ так категорична в своей позиции по зеленому водороду.

Power-to-X-технологии

Под термином Power-to-X-Technologies (PtX) подразумеваются различные технологии по хранению и использованию излишков зеленой электроэнергии в периоды, когда предложение превышает спрос. Как известно, количество энергии солнца и ветра нельзя регулировать, поэтому в особенно солнечные/ветреные дни может возникнуть перепроизводство электричества. Ему соответствует буква P, а буква X используется для обозначения продукта, полученного при преобразовании электроэнергии или для цели ее применения.

В контексте водородной энергетики важны следующие виды PtX-технологий: power-to-gas (PtG), power-to-liquid (PtL), power-to-chemicals (PtC). Под первой подразумевается как производство самого водорода, так и получение из него на следующем этапе синтетического метана при помощи электричества. Для удобства эту технологию можно разделить еще на два вида: power-to-hydrogen и power-to-methane. Под PtL подразумевается получение синтетических видов жидкого топлива, а под PtC — получение химических веществ из синтетического газа. Как говорилось выше, не все области экономики можно декарбонизировать, используя водород в исходном виде. Как и не во всех секторах возможно и целесообразно использовать для этого излишнюю электроэнергию напрямую. Смысл PtX-технологий как раз в том, чтобы применять излишки электричества для производства экологически чистых энергетических продуктов. В H2-энергетике они, в свою очередь, делятся на два вида: «зеленый» водород и его продукты.

В качестве примера можно рассмотреть, как декарбонизировать авиацию, которая сегодня использует углеводородные бензин и керосин и не может в обозримом будущем отказаться от жидкого топлива. Сначала будет произведен водород (технология PtG/power-to-hydrogen), из него — синтетический газ (технология PtG/power-to-methane), а из газа — керосин (технология PtL).

У этих технологий большой потенциал, но пока их применение связано с рядом вызовов. Многие из них предполагают многоступенчатый процесс (например, PtL), который пока сопровождается большими потерями энергии. Во-вторых, хоть ВИЭ в Германии и перепроизводят электричество, для использования PtX-технологий его недостаточно. В NWS подчеркивается, что спрос на электричество для электролизеров не должен спровоцировать производство электроэнергии из ископаемых энергоносителей и вместе с тем — CO₂-эмиссию.

Области применения водорода

Маргарита Афанасьева:
История и перспективы энергетических сделок между Россией и Германией на фоне санкций США и «зеленой» энергополитики

В водородной стратегии ФРГ обозначила транспорт, промышленность и отопление как сферы, в которых планируется тестирование и, в случае успеха, использование H₂. В области транспорта уже есть конкретные результаты — например, появление поездов, работающих на водороде. Но для декарбонизации авиации или морского транспорта, традиционно использующих жидкое топливо, необходимы его синтетические виды, полученные из водорода. Что касается отопления, то сегодня, по данным Федерального министерства экономики и энергетики ФРГ (BMWi), 44% его обеспечения приходится на природный газ. В рамках эксперимента некоторые энергоснабжающие компании подмешивают к голубому топливу до 20% водорода, что позволяет значительно снизить CO₂-выбросы. Однако перевод системы отопления в кратко- и среднесрочной перспективе на H₂, как отмечает Минприроды ФРГ, нецелесообразно. По оценкам Министерства, центральной в отоплении на этот период будет технология power-to-heat. При ней излишняя электроэнергия используется для выработки тепла, к примеру, с помощью электрических бойлеров или тепловых насосов.

Первая в очереди на декарбонизацию промышленности — сталелитейная индустрия. На нее ежегодно приходится около 60 млн т CO₂-выбросов, что делает ее одним из крупнейших эмитентов. Неслучайно, что в последние дни апреля, богатые на климатические заявления, глава BMWi сделал еще одно. П. Альтмайер сообщил, что для декарбонизации сталелитейной промышленности государство предоставит дополнительные 5 млрд евро на период 2022-2024 гг. Часть этих средств пойдет и на развитие водородных проектов. До 2030 г. правительство и промышленность обозначили цель производить треть первичной стали более низкоуглеродным способом. Так, порядка 10 млн т стали должны изготавливаться методом прямого восстановления железа. При этом процессе вместо угля и кокса используется природный газ или водород. Продуктом является железно в твердом виде, которое в дальнейшем переплавляется в электрических печах. Используя H₂, такой метод позволяет предотвратить выброс 17 млн т диоксида углерода (что составляет треть выбросов, которые должна сократить промышленность согласно KSG), используя природный газ — 10 млн т. В целом, по оценкам П. Альтмайера, сталелитейная промышленность требует 35 млрд евро инвестиций в период 2020-2050 гг. для проведения декарбонизации. Наряду с NWS его министерство представило летом 2020 г. концепцию декарбонизации отрасли, ключевым инструментом которой является водород.

Кто станет экспортером водорода №1?

Министерство образования и научных исследований ФРГ (BMBF) делает ставку на стратегическое партнерство с Западной и Южной Африкой для производства «зеленого» водорода. Совместно с африканскими партнерами BMBF в рамках инициативы «H2ATLAS-AFRICA» исследует потенциал этих стран для производства H₂. Учитывая то, что в Африке, благодаря ее ресурсам, можно производить куда больше энергии ВИЭ, чем в Германии, ее государства уже обладают потенциалом для изготовления H₂. Другой вопрос в том, хватает ли выработанного электричества, чтобы удовлетворить спрос в самих африканских странах. H2ATLAS-AFRICA собирается учитывать этот фактор. Результаты исследования авторы проекта опубликуют в конце 2021 г., и в соответствии с ними будет запущен пилотный проект. С Марокко, доля ВИЭ которого составляет 40%, ФРГ уже реализует проект по производству зеленого водорода. Кроме того, у Германии есть соглашение о H₂-сотрудничестве с Саудовской Аравией, которая хочет стать «крупнейшим экспортером водорода на земле». При этом пока доля ВИЭ в энергобалансе страны сохраняется на том же уровне, что и у России.

Пока дешевле всего производить «серый» водород. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), на производство 1 кг «серого» H₂ требуется от 0,9 до 3,2 долл., «голубого» — от 1,5–2,9, возобновляемого («зеленого») — 3,0–7,5 долл. за 1 кг. Наращивание производства более дешевых видов водорода ускорит создание рынка как такового. На этом этапе Россия может стать крупнейшим поставщиком водорода из природного газа. Однако, чтобы занять лидирующую позицию на H₂-рынке в долгосрочной перспективе, России необходимо активно развивать возобновляемую энергетику. Как и ЕС, ФРГ уже использует ряд механизмов (национальные CO₂-сертификаты, налог, финансирующий развитие ВИЭ) для стимулирования зеленой энергетики и планирует использовать их и для форсирования производства «зеленого» водорода. А при значительном снижении себестоимости возобновляемого H₂ у него действительно есть шансы стать «нефтью завтрашнего дня».