Водород – уникальный энергоресурс, не загрязняющий природу при сгорании, но до сих пор не ставший лидирующим или хотя бы распространенным источником энергии в мире. Тем не менее, большинство стран мира отводят именно водороду ключевую роль в сокращении выбросов до «чистого нуля» к 2050 году.

Как известно, Россия – страна с крупнейшим запасом природных ископаемых, и можно предположить, что в наступающем энергопереходе может занять ключевую роль одного из ключевых поставщиков водорода и технологий для его производства. В исследовании Перспектив развития экспорта российских технологий для водородной энергетики SBS Consulting выясняет, какие отечественные разработки по производству и использованию водорода могут быть конкурентоспособными в наступающем энергопереходе.

МИРОВОЙ РЫНОК ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

I. Мировое производство и спрос

По состоянию на 2022 г. в мире производится 95 млн тонн водорода в год. При этом 95% приходится на «серый» водород – самый неэкологичный из всех: 72% - паровая конверсия метана, и 23% - газификация угля.

Производство довольно стабильно: в 2018 г. было произведено 90 млн тонн водорода, и с тех пор постепенно выросло на 6% к 2022 г.

Аналогично на 6% вырос спрос на водород на промежутке с 2020 по 2022 гг. 80% потребленного водорода – чистый водород, и оставшиеся 20% - водород в смеси. Почти весь водород (96%) приходится на нефтеперерабатывающую и химическую отрасли.

II. Роль водорода в мировых целях углеродной нейтральности

В настоящее время, лидеры по потреблению водорода (Китай, США, Япония), дружественные страны (Индия, Турция), и страны-члены ООН считают водород ключевым ресурсом для достижения климатических целей. Net-Zero 2050 в случае стран ООН, и специфические национальные документы в случае прочих стран.

III. Прогноз мирового рынка водорода

В основном водородные и климатические стратегии составляются до 2050 г.: ожидается, что глобальное производство водорода к тому моменту составит около 250 млн тонн в год. В денежном выражении – 654 млрд долларов. 63% этого рынка займут Китай и США, 24% - Южная Корея, Австралия и Япония, и оставшиеся 13% будут приходиться на Россию и другие страны.

Что касается дружественных стран-лидеров по потреблению, ожидается, что суммарное потребление к 2050 г. (Китай, Индия, Иран, Турция, Перу) составит 130 млн тонн ежегодно. Ключевым драйвером потребления будет являться водородный транспорт. Помимо транспорта, планируется использование водорода в теплоэнергетике, выработке электроэнергии, производстве метанола и стали, и в качестве удобрений.

IV. Страновая специфика: динамика потребления и драйверы

КИТАЙ

В данный момент Китай – крупнейший потребитель водорода в мире: ежегодное потребление составляет около 35 млн тонн, и примерно поровну разделено между производством аммиака, метанола, нефтепереработкой и прочими промышленными применениями.

Чтобы удовлетворить будущий спрос Китая на водород, в данный момент там заявлены более 120 инвестпроектов по созданию производственных мощностей. Самый крупный из них – крупнейший в мире – уже привлёк более 4,5 млрд долл. инвестиций.

Что касается транспорта – главного драйвера потребления водорода, по китайским дорогам ездит уже более 8 000 водородомобилей; к 2050 г. планируется увидеть на дорогах общего пользования почти 30 млн машин на водородном топливе.

Также вырастет потребление аммиака, поскольку аммиак позволяет хранить энергию водорода.

ИНДИЯ

Текущее потребление водорода в Индии составляет около 6,5 млн тонн в год, и используется в основном в нефтепереработке. Ожидается, что к 2050 г. потребление составит почти 30 млн тонн ежегодно, и будет примерно поровну разбито между отраслями нефтепереработки, производства стали, аммиака и метанола. Также ожидается, что 6,3 млн тонн будет потребляться водородным транспортом (50 млн единиц к 2050 г.; в настоящий момент в Индии уже функционируют две водородных АЗС). Таким образом, потребление водорода транспортом будет расти по 19% ежегодно, начиная с 2030 г.

ИРАН

Иранское потребление водорода по состоянию на 2022 г. оценивается в 2,9 млн тонн в год; он используется в нефтепереработке и производстве метанола и аммиака. Кроме того, Иран активно покупает водород: водород в жидком или газообразном состоянии – 55-ый по популярности продукт, импортируемый Ираном.

Страна показывает слабый уровень развития водородной отрасли: на государственном уровне не утверждена водородная стратегия, и страна не стремится к амбициозным климатическим или экологическим целям, поскольку не ратифицировала Парижское соглашение об изменении климата. Таким образом, существенные драйверы роста потребления водорода в Иране отсутствуют.

ТУРЦИЯ

В Турции водород используется исключительно в целях нефтепереработки: ежегодное потребление колеблется между 0,6 и 0,7 млн тонн. Тем не менее, согласно турецкой энергетической стратегии, потребление водорода вырастет до 4,1 млн тонн ежегодно к 2050 г., из которых 1,2 млн тонн будет использоваться транспортом. По сценарию Net Zero, проникновение водородных ТС достигнет 20% в общественном и грузовом транспорте. Также водород будет использоваться как замена импортному газу и нефти.

ПЕРУ

Среди рассмотренных стран потребление в Перу – самое низкое: около 110 тыс. тонн ежегодно. Почти 100% водорода используется в нефтеперерабатывающей промышленности. В соответствии с перуанской дорожной картой внедрения водорода потребление вырастет в 4 раза – до 449 тыс. тонн ежегодно в связи с 40-процентным проникновением водорода в промышленность, и замене половины грузовиков в горной добыче на водородные. Кроме того, уже к 2030 г. планируется ввести в пользование от 50 до 100 водородных АЗС и до 2 500 единиц транспорта на водородных ячейках.

ОЦЕНКА КОНКУРЕНТНОЙ СПОСОБНОСТИ РОССИЙСКОЙ ПРОДУКЦИИ

I. Дорожная карта развития производства и экспорта водорода

В России уже существует дорожная карта внедрения водорода и развития его экспорта. Она была создана в 2021 г. и уточняет план и бенчмарки по использованию водорода до 2050 г.

Основная цель, которой требуется добиться, следуя стратегии, – реализация потенциала по производству, экспорту, применению водорода и промышленной продукции для водородной энергетики, и вхождение в число мировых лидеров по их производству и экспорту с обеспечением конкурентоспособности экономики страны в условиях глобального энергетического перехода.

В промежутке между 2021 и 2024 годами дорожная карта предписывает следующие шаги:

—Создание региональных водородных кластеров, разработка мер поддержки и нормативно-правовой базы

—Запуск пилотных проектов для производства водорода из ископаемых топлив с захватом углекислого газа и электролизом

—Создание научно-технологической инфраструктуры

—Разработка технологий и производство промышленной продукции для водородной энергетики

За этот временной период ожидается экспорт на уровне 0,2 млн тонн.

За следующие 11 лет, до 2035 г. ожидаются следующие ключевые достижения:

—Серийное и массовое применение водородных технологий, масштабирование их производства и экспорта

—Формирование инфраструктуры в регионах повышенного спроса на водород с началом крупномасштабного экспортоориентированного производства

Базово экспорт составит 2 млн тонн, а в оптимистичном сценарии может достичь 10 млн тонн.

На финальном промежутке планирования с 2036 по 2050 гг. сформированы крайне амбициозные ожидания:

—Реализация крупных проектов по производству и экспорту водорода на основе возобновляемых источников энергии

—Россия становится одним из крупнейших экспортеров водорода и энергетических смесей, промышленной продукции и технологий на мировой рынок

—Широкое коммерческое применение водородных технологий в сферах транспорта, энергетики и промышленности

В базовом сценарии экспорт составит 10 млн тонн, а в оптимистичном может дойти до 50 млн тонн.

II. Оценка конкурентоспособности производства

Учитывая ожидаемые объёмы производства водорода в России, в стране может существовать отличная возможность экспорта; однако ключевым фактором останется себестоимость водорода и соответствующая цена продажи, которую отечественный производитель сможет предлагать.

Цена «зелёного» водорода, вероятно, самого востребованного из всех, сильно варьируется во всех странах в связи с разнообразием источников энергии для выработки и высоких капитальных затрат на создание мощностей для производства. В случае с «зелёным» лидируют страны, изобилующие возобновляемыми источниками энергии: солнцем, ветром и водой. Самая низкая себестоимость «зелёного» водорода встречается в Австралии, и составляет от 2,76 до 4,14 долл. США за кг. На третьем месте выступает Россия с себестоимостью в диапазоне от 3 до 7,5 долл. США за кг. Среди всех стран, цена производства «зелёного» водорода варьируется на ±28% в зависимости от цены возобновляемой энергии.

«Голубой» водород (производится посредством паровой конверсии метана, и улавливанием углекислого газа) производить дешевле всего в странах, богатых природным газом. В тройке лидеров – Индия (1,5 долл. США за кг), Китай (1,4) и Россия (1,5).

И, наконец, третий тип водорода с низким углеродным следом – «жёлтый» водород, который производится посредством электролиза воды с использованием электроэнергии, вырабатываемой АЭС. Здесь российский водород занимает первое место по себестоимости – 0,5 долл. США за кг. Ближайший соперник – Япония с себестоимостью 2,6 долл. США за кг. Однако «жёлтый» водород чувствителен к цене электроэнергии: в зависимости от стоимости выработки электричества на АЭС, себестоимость водорода может колебаться на 38% в обе стороны.

Конечно, цена ресурсов и капиталоемкость производства – не единственные факторы. На себестоимость также может влиять государственная поддержка производства экологичных сортов. Такие практики существуют, например, в США и Австралии.

III. Потенциал экспорта в страны-потребители водорода

С недавних пор в России есть дополнительный фактор, способный сдерживать экспортный потенциал – санкционные ограничения. Из-за них перечень потенциальных внешнеторговых партнеров ограничен. Тем не менее, учитывая перспективные объёмы потребления водорода в дружественных странах, нельзя сказать, что доступный России рынок мал.

Звание наиболее привлекательного внешнеторгового партнёра делят Китай и Индия. В Китае – самый объёмный в мире рынок водорода; рост импорта из России между 2021 и 2022 гг. составил 46%, а потребление водорода между 2022 и 2030 гг. вырастет на 6%. В Индии объём потребления существенно ниже, но зато аналогичные показатели составляют 367 и 63% соответственно.

У Турции также есть перспективы стать импортёром российского водорода: импорт из России вырос на 103% за 2021 и 2022 гг., а потребление водорода вырастет на 214% между 2022 и 2030 гг.

Однако в любом случае у экспорта водорода также существует ряд ограничений, требующих пристального внимания: На этапе генерации:

—Россия находится на начальном уровне развития инфраструктуры производства водорода. Первый полноценный запуск производства водорода (а не генерации внутри нефтеперерабатывающих заводов с целью внутреннего потребления) планируется только на 2030 г.

—Высокие капитальные затраты: Минэнерго оценивает объём инвестиций для развития водородной инфраструктуры в 21,1 млрд долл. (6% расходов федерального бюджета России за 2022 г.). Кроме того, по предварительным оценкам, без государственной поддержки производителей на этапе предпроектной подготовки успешные водородные проекты возможны только в Якутии и на Сахалине – в специальных экономических зонах. У проектов в остальных регионах оба показателя (IRR, NVP) обещают быть отрицательными

И на этапе транспортировки:

—Водород требователен к условиям перевозки. В зависимости от расстояния, водород необходимо перевозить в одной из трёх форм: сжатый газ (до 2 600 км), сжиженный водород (до 16 500 км), LOHC (технология, при которой водород смешивается с другими веществами, позволяющими снизить требования к перевозке по давлению и температуре; при необходимости получить водород из LOHC, вещество легко разделяется на водород и изначальную примесь) (до 25 000 км). На коротких расстояниях используется либо трубопровод, либо наземный транспорт; но в любом случае, предприятиям по производству водорода также нужно будет осуществлять конвертацию водорода в необходимую форму прямо на месте производства

—Экспортная стратегия была разработана до введения санкций, и в ней предполагалось, что ключевыми партнерами станут Япония, Европа и Южная Корея. Поскольку эти рынки сейчас закрыты, возможными вариантами остаются Китай, Индия и Перу. Поставка в эти страны может стать существенно сложнее, чем в те, в которые изначально планировалось.

IV. Сравнение технологий производства и транспортировки водорода

Несмотря на отсутствие в России запущенных мощностей по производству, транспортировке и использованию водорода, все необходимые наработки уже существуют и могут конкурировать с иностранными технологиями.

Электролиз воды (всеми способами: АWE (Электролиз щелочной воды), AEM (Анионообменный мембранный электролиз), PEM (Электролиз с протонообменной мембраной), SOEC (Твердооксидный электролиз)) и транспортировка водорода (как в сжиженном и газообразном виде, так и в виде смеси) уже разработаны отечественными компаниями Центротех и Н2 Тех. Использование водорода в качестве автомобильного топлива уже прорабатывается КАМАЗом.

Отечественные технологии электролиза воды не уступают зарубежным аналогам по энергоэффективности: во всем мире эффективность электролизёров составляет около 4 кВт*ч/м3. А в плане производительности еще есть куда расти: скорость генерации российских установок – 1 000 м3/ч. Лидирующие электролизёры способны производить до 4 000 м3/ч.

В логистических вопросах отечественный производитель тоже не сидит сложа руки: для газообразного водорода подходят металлокомпозитные баллоны, используемые в транспортировке природного газа. Средства транспортировки сжиженного H2 пока что только на стадии разработки компанией Н2 Тех. Контейнеры должны поддерживать температуру -253 оС, что может вызывать технологические трудности. Лидером в перевозке сжиженного водорода является Япония, где спроектирован и построен танкер Suiso Frontier, способный перевозить 75 тонн сжиженного водорода, и разработана система Spera Hydrogen, позволяющая получать из водорода метилциклогексан для перевозки в контейнерах при давлении в 4 атмосферы.

V. Водородный транспорт

Фраза «водородный транспорт» может звучать как нечто из мира фантастики, но уже несколько лет таковым не является. Азиатские страны стали в этом сегменте первопроходцами: на мировом рынке представлены массовые модели Toyota Mirai, Honda Clarity и Hyundai Nexo. Все три легковых автомобиля в большинстве повторяют технические характеристики базовых моделей автоконцернов, а их суммарный объем производства превысил отметку в 95 тыс. штук. Рабочий прототип представил российский концерн Aurus. Модель Senat схожа с бензиновыми вариантами, но не производится серийно.

В мире производятся и эксплуатируются несколько моделей водородных автобусов – т.н. водоробусов: Toyota Sora (Япония), Hyndai Elec City Fuel Cell Bus (Корея), Connexion Solaris Bus (Нидерланды и Польша); их суммарный автопарк составляет более 500 единиц. Российский КАМАЗ 6290 ещё находится на этапе опытной эксплуатации. Аналогично легковым моделям, водоробусы не отличаются от бензиновых аналогов по техническим характеристикам.

В сегменте грузовиков отечественные разработки ближе к коммерческой реализации: АФК «Система» и белорусская Белкоммунмаш планируют произвести 20 грузовиков , а поставка первой партии планируется на 2024 г., также АФК «Система» планирует запуск в серию грузовиков, судов, складской техники на водороде. Среди конкурентов – шведско-китайский Volvo, корейский Hyundai и голландский HyMax. Последнего которого произвели уже 90 штук. Также существуют разработки и уже эксплуатируемые модели рельсового транспорта.

10 трамваев на водородных топливных элементах уже ходят в Китае, и было совершено несколько поставок таких трамваев в Турцию. В Корее на стадии опытной эксплуатации есть модель трамвая от Hyundai. Что касается России, организация СПб ГУП Горэлектротранс модернизировала существующую модель трамвая для использования на водородных топливных элементах, и трамвай успешно прошел опытную эксплуатацию, но не был запущен в серию. Модели водородных поездов можно встретить в Китае, Корее и Германии. В Японии запуск водородного поезда запланирован на 2030 г. Последний тип транспорта, который удалось к настоящему моменту перевести на водородное топливо – судна. В Японии существует две модели пассажирских судов на водородном топливе, а голландская Holland Shipyard Group уже эксплуатирует судно с мощностью, от 2 до 4 раз превышающую мощность японских судов. В России ЦКБ «Балтсудопроект» спроектировало судно на водородноых топливных элекментах топливе, оно было заложено на Зеленодольском судостроительном заводе в феврале 2023 г.

РЕЗЮМЕ

По состоянию на 2023 г. в России уже разработано и готово к эксплуатации оборудование для производства водорода путём электролиза с характеристиками выше средних среди рассмотренных стран. Таким образом, технология уже готова к поставке на экспорт. Основным акцентом в промышленной политике в данной отрасли должны стать инвестиции в НИОКР в части повышения производительности электролизёров.

Российские технологии перевозки водорода будут высоковостребованными в перспективе, поскольку глобально ниша представляет собой «голубой океан». Для сохраниения роли России как глобального поставщика энергоресурсов критически важно обеспечить конкурентоспособность и технологический суверенитет в области транспортировки водорода.

Использование водорода в качестве топлива для транспорта – наименее развитый этап цепочки в России. На данный момент не существует готовых потребителей в транспорте – ключевом драйвере спроса на водород в будущем. Основным направлением деятельности в данном вопросе должно стать стимулирование НИОКР необходимых технологий и стимулирование спроса на отечественную продукцию.