Институт развития технологий ТЭК (ИРТТЭК)
Статьи, аналитика

Перспективы низкоуглеродного водорода в России и мире

Перспективы низкоуглеродного водорода в России и мире
01.08.2022

Центр энергетики Московской школы управления СКОЛКОВО опубликовал доклад «Низкоуглеродный водород из природного газа: глобальная перспектива и возможности для России», в котором проанализировал сценарные прогнозы международных аналитические агентств развития сегмента низкоуглеродного водорода.

Водород с минимальным углеродным следом, утверждается в докладе, займет около 10-20% от конечного энергопотребления к 2050 г. В настоящий момент его доля близка к нулю.

Использование водорода как низкоуглеродного энергоносителя – не главное направление сокращения выбросов парниковых газов, пишут авторы, но он важен для глубокой декарбонизации отдельных секторов экономики – промышленности и транспорта.

В зависимости от используемого сырья и источника энергии в публичных дискуссиях используют условную «цветовую» градацию водорода:

• зеленый (или возобновляемый) водород – полученный из воды с использованием электроэнергии от возобновляемых источников;
• голубой водород – полученный из углеводородов и водяного пара (паровой реформинг) с применением технологии улавливания, хранения и использования углекислого газа;
• бирюзовый водород – полученный из углеводородов с применением технологии пиролиза метана и выделением твердого углерода в качестве побочного продукта;
• желтый (розовый) водород – полученный из воды с использованием электроэнергии от АЭС;
• серый водород - полученный из углеводородов и водяного пара без применения технологии улавливания, хранения и использования углекислого газа (в отличие от всех перечисленных выше, серый водород не относится к низкоуглеродному, поскольку имеет высокий углеродный след);
• черный и коричневый водород – полученный с помощью газификации угля (соответственного каменного и бурого). Имеет углеродный след выше, чем у серого.

В докладе рассматриваются 10 сценариев будущей роли водорода: МЭА, BP, DNV GL, Strategy&, Hydrogen Council (McKinsey &Co), и IRENA, опубликованных в 2021 году.

Большинство сценариев исходят из того, к 2030 году производство серого, голубого и зеленого водорода для различных применений (в качестве энергоносителя и в качестве сырья для промышленности) составит около 100 млн тонн в год. Прогноз BP Energy Outlook 2020 не включает использование водорода в качестве сырья для промышленности, поэтому содержащиеся в нем оценки на порядок ниже. Доля серого водорода составляет около 30–50% в зависимости от сценария, доли голубого и зеленого сопоставимы между собой, см. рис. 1.


Источник: анализ Центра энергетики Московской школы управления СКОЛКОВО11
по данным МЭА, BP, DNV GL, Strategy&, Hydrogen Council, McKinsey & Co

В 2050 г. доля серого водорода приближается к нулю почти во всех сценариях – предполагается, что к этому времени всё нынешнее производство серого водорода будет замещено производством голубого и зеленого.

Зеленый водород доминирует в трех сценариях из десяти, где его доля около 80%, в остальных его доля не менее 50%.

Общая оценка объема производства низкоуглеродного водорода к 2050 г. находится в широком диапазоне – 200–600 млн тонн в год, см. рис. 2.

Источник: анализ Центра энергетики Московской школы управления СКОЛКОВО по данным МЭА, BP, DNV GL, Strategy&, IRENA, Hydrogen Council, McKinsey & Co

Оценки масштабов рынка в денежном эквиваленте также разнятся. PwC оценивает объемы рынка водорода в 2019 г. в $100 млрд, Precedence Research – в $129,6 млрд с перспективой роста до $219,2 млрд к 2030 г. По оценке Hydrogen Council, к 2050 г. водород обеспечит продажи на сумму $2,5 трлн, а Barclays оценивает эту величину в $1 трлн.

По данным МЭА, нынешние объемы глобального спроса на водород в 90 млн тонн в год обеспечиваются практически полностью за счет ископаемых топлив, см. рис. 3.


Водород в качестве побочного продукта (21%, 18 млн тонн в год) образуется в основном на НПЗ при переработке нафты в бензин. Около 59% водорода получают на специальных установках из природного газа и воды, 19% – газификацией угля (в основном в Китае). Оставшийся незначительный объем обеспечивается производством водорода с использованием нефти (0,6%), а также электролиза.

Доля производства водорода из ископаемых топлив с применением технологий улавливания, хранения и использования углекислого газа (то есть голубого водорода) в 2020 г. составила всего 0,7% (0,6 млн тонн).

Такое распределение объясняется, прежде всего, дешевизной производства водорода из природного газа. По оценке МЭА, в 2020 г. средняя приведенная стоимость водорода из природного газа (без применения CCUS) составляла $0,5-1,5 за кг, газификацией угля (без применения CCUS) – $1-2,2 за кг. Применение CCUS добавляет к этим уровням около $0,5-1 за кг. В то же время приведенная стоимость зеленого водорода оценивается в $3-8,5 за кг. Разрыв в стоимости в 4-5 раз делает в наши дни серый водород наиболее доступной альтернативой, а голубой – гораздо более привлекательным, чем зеленый. Впрочем, в источниках упрямо утверждается, что у зеленого водорода максимальный потенциал сокращения стоимости по мере развития и масштабирования технологий.

Наиболее реальные технологии производства водорода на горизонте 10-30 лет:

• паровая конверсия (риформинг) метана с применением технологии улавливания, хранения и использования углекислого газа (CCUS);
• автотермический риформинг метана с применением CCUS;
• пиролиз (разложение) метана с выделением углерода в твердом виде.

Паровая конверсия метана – наиболее отработанная коммерческая технология крупнотоннажного производства водорода. Суть технологии – в преобразовании природного газа в смеси с паром в смесь водорода и СО2. После этого СО2 отделяется от водорода и выбрасывается в атмосферу. Процесс требует подведения извне высокотемпературной тепловой энергии, как правило, для этого сжигают часть сырья (природного газа) с удалением дымовых газов (тоже содержащих СО2) в атмосферу. По данным Energy Transitions Commission, в 2021 году насчитывалось не более 5 коммерческих установок с долей улавливания СО2 на уровне 60%. Согласно данным МЭА, стоимость улавливания составляет $50-70 за тонну СО2.

Автотермический риформинг метана отличается от парового риформинга тем, что для процесса используется кислород. Автотермический риформинг давно используется для производства синтез-газа в химической промышленности, и для его применения в производстве голубого водорода потребуется доработка существующих технологий.

Пиролиз (разложение) метана – перспективная технология, суть которой состоит в конвертации метана в водород и твердый углерод без прямой эмиссии СО2. Процесс протекает при высоких температурах (более 800°С, оптимальный уровень для некаталитического процесса – 1100-1300°С). Технологии пиролиза давно применяются для производства технического углерода (сажи), а водород при этом является побочным продуктом. Изменение целевого продукта на таких «сажевых заводах» на водород связано с рядом технологических барьеров, которые делают практически невозможным эффективное производство коммерческого водорода.

Расход электроэнергии минимален для парового риформинга и максимален для электролиза.

Поскольку водородная энергетика развивается в целях обезуглероживания отрасли, важным показателем технологий является объем эмиссии СО2.

Источник: Центр энергетики Московской школы управления СКОЛКОВО по данным МЭА и Global CCS Institute

По данным МЭА, в 2021 по всему миру насчитывалось 14 действующих заводов по производству низкоуглеродного водорода из углеводородов и 40 подобных проектов в стадии развития, из которых четыре – в стадии строительства (в Китае и США). В 35 из них запланировано использовать природный газ. 19 из этих проектов расположены в Европе – прежде всего в Нидерландах и Соединенном Королевстве. Один из самых крупных проектов – H21 North of England, в рамках которого к 2035 г. планируется производить около 3 млн тонн водорода и захоранивать около 20 млн тонн СО2 ежегодно.

Большинство аналитических агентств в своих прогнозах развития водородной экономики отмечают, что серый водород будет постепенно дорожать (в первую очередь, из-за введения ценообразования на СО2), а зеленый и голубой – дешеветь по мере масштабирования соответствующих технологий. Уже к 2030 г. приведенная стоимость голубого водорода может сравняться со стоимостью серого (в диапазоне $1-2,5 за кг), но зеленый может остаться более дорогой альтернативой – верхние оценки до $4 за кг (рис. 5).

Источник: анализ Центра энергетики Московской школы управления СКОЛКОВО по данным МЭА, Strategy&, IRENA, Hydrogen Council (McKinsey &Co), BNEF и Kearney

В России принята Комплексная программа развития низкоуглеродной водородной энергетики и Технологические стратегии развития водородной отрасли РФ до 2035 года.

Министерство энергетики в феврале оценивало мировой спрос на российский водород в 9,5 млн тонн к 2030 году. Предполагалось, что экспорт водорода должен частично заменить в структуре экономики и доходах бюджета экспорт нефти.

В конце мая планы были скорректированы. Ориентир по экспортному потенциалу водорода из РФ снижен почти в два раза — с 9,5 млн до 4,5 млн тонн, из перечня основных импортеров исключена Германия, Япония и Южная Корея, сообщил «Ъ». Целевым рынком остался только Китай. Японию и Южную Корею отнесли к «недружественным» странам, но в перспективе они могут проводить независимую политику в отношении России, их потенциал по спросу оценивается в 3,7 млн тонн.

Фактический уровень поставок из РФ в 2030 году может составить 1,4 млн тонн водорода в год вместо предполагавшихся 2,2 млн тонн. На создание производства в РФ потребуется $21,1 млрд инвестиций, экспортная выручка оценивается в $12,8 млрд.

Все проекты по выпуску водорода и аммиака разделены на пять кластеров: Сахалин (проект «Росатома» по транспортировке «голубого» водорода морем в Китай), Якутия (проект Северо-Восточного альянса по транспортировке «голубого» водорода в Китай по железной дороге), Ямал (проект НОВАТЭКа по экспорту «голубого» водорода морем в Германию), Восточная Сибирь (поставки En+ «зеленого» водорода в Китай по железной дороге) и Северо-Запад (проекты «зеленого» водорода «Росатома», «Роснано», «H2 Чистая энергетика»).

Из «Перечня мероприятий Комплексной программы развития отрасли низкоуглеродной водородной энергетики России на период до 2050 года» можно отметить намеченную на декабрь 2025 г. «Реализацию демонстрационных проектов автомобильного пассажирского транспорта на водородном топливе» и на декабрь 2026 г. «Ввод в опытную эксплуатацию проекта по применению водорода в процессах прямого восстановления железа».

© 2018-2022 Все права защищены.