Использование водорода изменяет структуру энергетики

Активизация работы в направлении использования водорода

Для Японии 2014 год ознаменовался сдвигами тектонического масштаба на пути к построению «водородного общества». В июне Совет по стратегии использования водорода и топливных элементов Министерства экономики, торговли и промышленности Японии завершил подготовку «Дорожной карты для стратегии использования водорода и топливных элементов». В ноябре власти Токио выработали политику, которая призвана сделать проведение летних Олимпийских игр в японской столице в 2020 году важным шагом в направлении построения «водородного общества», объявив о конкретных направлениях работы и мерах бюджетного финансирования. Практически одновременно с этим компании Honda Motor Co., Ltd. и Toyota Motor Corporation приняли решение о выпуске на рынок автомобилей на топливных элементах, а Iwatani Corporation и JX Nippon Oil & Energy Corporation опубликовали розничные цены на водород на водородных заправочных станциях. Таким образом, произошла резкая активизация усилий, направленных на развитие использования водорода в качестве источника энергии.

В деле практического применения топливных элементов, использующих водород, Япония с самого начала играла важную лидирующую роль по отношению к другим странам. Ярким свидетельством этому служит тот факт, что в 2009 году компании Tokyo Gas Co., Ltd. и Panasonic Corporation первыми во всём мире выпустили на рынок топливные элементы для домохозяйств (системы Ene-Farm). А затем, в декабре 2014 года, компания Toyota наконец реализовала планы вывода на рынок автомобилей на топливных элементах массового производства. Это событие также получило широкую огласку, поскольку является первым в мире свершением такого рода.

Пять доводов в пользу водорода

В чём же состоит значимость практического использования водорода? В целом значение использования водорода в качестве источника энергии можно свести к пяти пунктам.

Во-первых, при использовании водорода не возникает эмиссии углекислого газа, поэтому весомым доводом служит то, что он является экологически дружественным энергоносителем. Однако следует отметить, что это относится лишь непосредственно к использованию в качестве источника энергии, поскольку в случае, если для получения водорода используется ископаемое топливо, это преимущество ослабляется. Следовательно, в полной мере водород проявляет свою экологическую чистоту в том случае, когда для его выработки используется энергия возобновляемых источников.

Во-вторых, при использовании водорода в топливных элементах, поскольку выработка электроэнергии осуществляется посредством электрохимического процесса, он демонстрирует исключительно высокую эффективность, что служит весомым козырем с точки зрения экономии энергии. Говоря в общем и целом, при выработке электроэнергии обычными способами электроэнергетические компании расходуют впустую приблизительно 60 % энергии. Выработка электроэнергии посредством топливных элементов позволяет существенным образом сократить эти энергетические потери. К тому же, поскольку используемые в жилых домах и крупных зданиях системы со стационарными топливными элементами снабжают не только электроэнергией, но одновременно и теплом, с этой точки зрения их энергосберегающая эффективность также весьма высока.

В-третьих, и автомобили на топливных элементах, и стационарные системы на топливных элементах в случае землетрясений и иных чрезвычайных ситуаций могут быть использованы в качестве резервных источников энергии, сослужив тем самым важную службу для спасения жизней и налаживанию быта людей. Таким образом, распространение топливных элементов способствует повышению возможностей противостоять стихийным бедствиям.

В-четвёртых, водород может быть получен различными способами, и его можно применять не только в качестве источника энергии, но и в качестве средства доставки энергии, поэтому в сочетании с другими источниками энергии это позволяет использовать его как средство, позволяющее компенсировать недостатки каждого из других источников и в то же время максимально использовать их преимущества. В определённом смысле именно этот «потенциал изменения общей структуры энергетики» и является самой привлекательной особенностью использования водорода. Более конкретно этот потенциал будет рассмотрен во второй половине данной статьи.

В-пятых, для Японии значение этого источника состоит ещё и в том, что в области технологий, связанных с использованием водорода, наша страна занимает лидирующие позиции во всём мире, и в случае, если использование водорода получит распространение, это может способствовать как оживлению конъюнктуры национальной экономики в целом, так и созданию дополнительных рабочих мест. Япония занимает первое место среди всех стран мира по количеству заявок на выдачу авторских свидетельств, связанных с технологиями топливных элементов, причём со значительным отрывом от второго и последующих соперников. Японские производители обладают высокой конкурентоспособностью и в производстве резервуаров для хранения водорода. В использовании водорода, наряду с областью использования геотермальной энергии, предприятия нашей страны обеспечили себе конкурентные преимущества.

Задачи на пути к широкому использованию водорода: снижение издержек, участие населения, создание цепочек поставок

Однако на пути к широкому практическому использованию водорода остаются и нерешённые задачи.

Самая серьёзная из них — необходимость уменьшить издержки. Какими бы замечательными свойствами ни обладал водород в качестве источника энергии, до тех пор, пока будет оставаться высокой его стоимость, настоящего распространения не произойдёт. Наиболее верным путём снижения издержек является путь технологических инноваций, однако, вероятно, необходимо задействовать и другие приёмы и идеи, в частности: (1) использовать водород в сочетании с другими источниками энергии, которые характеризуются низкой стоимостью, одновременно задействовав таким образом преимущества водорода и повысив общую экономическую отдачу; (2) создав в первую очередь инфраструктуру поставок относительно низкозатратного побочного водорода (в процессе его получения чаще всего используется ископаемое топливо), минимизировать издержки за счёт масштабов выработки на использующих водород объектах, после чего наращивать объёмы использования «зелёного» (экологически чистого при выработке) водорода, получаемого за счёт использования энергии возобновляемых источников.

Ещё одна задача заключается в формировании механизмов построения общества водорода с участием населения. Нет необходимости говорить о том, что для этого требуется запустить процесс, формирующий одобрительное отношение в обществе, как в плане величины налоговой нагрузки, так и в плане обеспечения безопасности. С общемировой точки зрения, существует большое количество регионов, где использование водорода развивается в качестве средства, способствующего распределённому энергоснабжению. Для становления водородного общества на локальном уровне незаменимым фактором является заинтересованность и участие местных жителей.

Практической задачей является единовременное создание цепочек снабжения, связанных с водородом. Соотношение автомобилей на топливных элементах и водородных заправочных станций зачастую характеризовали как проблему в духе: «Что было раньше, курица или яйцо?» Поскольку с обеих сторон предварительным условием считалось распространение другой стороны, обе занимали выжидательную позицию, что в результате приводило к отсутствию прогресса. Однако в последнее время между сторонами складываются отношения, которые стали уподоблять «цветам и пчёлам». С осознанием того, что взаимоотношения носят симбиотический характер, словно по команде, началось одновременное согласованное развитие автомобилей на топливных элементах и водородных заправочных станций.

Наша страна опережает весь мир в разработке топливных элементов, однако в плане инфраструктуры снабжения водородом она всё ещё значительно отстаёт от других. В данный момент внимание общества привлекает план токийских властей, который отводит проведению летних Олимпийских игр в Токио роль серьёзного шага в направлении воплощения в жизнь водородного общества, а именно, создания цепочки снабжения.

Сочетание водорода с другими энергоносителями: два метода, предложенных в Японии

Одним из ключей к расширению практического использования водорода является «повышение общего показателя эффективности затрат с одновременным задействованием преимуществ водорода за счёт комбинирования его использования с другими, более дешёвыми источниками энергии». Какие конкретные способы имеются для достижения этой цели?

«Цепочка поставок, свободная от CO2»: комбинация с каменным углем

«Дорогой, но замечательно экологичный» водород при комбинировании с «дешевым, но уступающим в экологичности» углем демонстрирует взаимодополняющий эффект. Примером тому служит проект свободной от эмиссий углекислого газа цепочки поставок водорода, полученного из бурого угля, над коммерческой реализацией которого работает компания Kawasaki Heavy Industries, Ltd.

Он состоит в том, что в австралийском штате Виктория работает объект по получению водорода из бурого угля, при этом ведётся сбор и хранение образующейся двуокиси углерода (CCS: Carbon Capture and Storage), в то время как полученный водород с загрузочного терминала специальным танкером доставляется на разгрузочный терминал в Японию, после чего используется в нашей стране для водородной генерации электроэнергии, заправки топливных элементов автомобилей, а также на прочие нужды.

В случае реализации, эта водородная цепочка, благодаря полномасштабному внедрению CCS и активизации использования водорода позволит внести значительный вклад в дело охраны глобальной окружающей среды. Но этим эффект не ограничится.

В австралийском штате Виктория, которому повезло гораздо меньше, нежели Новому Южному Уэльсу и Квинсленду, обладающим запасами высококачественных углей, в случае, если удастся использовать в химической промышленности и производстве удобрений аммоний и мочевину, получаемые в качестве побочного продукта при выработке водорода из бурого угля, это послужит оживлению экономической жизни региона, что ещё более усилит эффективность использования малоценного бурого угля.

С другой стороны, для Японии, используя подход, близкий по смыслу к «двухстороннему зачётному кредитному механизму», в случае введения для предпринимателей, оказывающих содействие по CCS и ведущих внутри страны выработку электроэнергии с использованием водорода, системы, одновременно признающей в той или иной степени сооружение дополнительных тепловых угольных электростанций новейшего поколения, это позволит сдерживать одну из наиболее серьёзных угроз национальной экономике: рост расходов на приобретение топлива для электростанций. Таким образом, выстраивание цепочки поставки водорода, полученного из бурого угля без эмиссий CO2, является проектом, несущим двойную и даже тройную пользу. («Двухсторонний зачётный кредитный механизм» — это механизм распределения между страной-донором и страной-реципиентом результата по сокращению эмиссий, достигнутого благодаря передаче другому государству технологии сокращения эмиссий парниковых газов.)

Удобный в доставке и хранении «водород SPERA»

Водород можно также использовать в комбинации с нефтью и природным газом, а также с ветровой и солнечной энергией. Конкретным примером служит проект «водород SPERA», реализацией которого занимается японская фирма Chiyoda Corporation.

Говорят, что слово SPERA на латыни означает «Надейся!» Под данным названием эта компания занимается реализацией замысла, который состоит в следующем. Поблизости от нефтяных и газоносных месторождений, угольных шахт, а также крупномасштабных ветровых ферм (объектов выработки электроэнергии множественными ветряными генераторами) сооружаются заводы, на которых водород связывается толуолом, будучи преобразован в MCH (метилциклогексан — вещество, жидкое при нормальной температуре и атмосферном давлении), который прост в перевозке. В свою очередь, доставленный в Японию либо в другое место назначения MCH на соответствующем заводе преобразуется обратно в водород и толуол, после чего водород используется по назначению (а толуол возвращается на предприятие по связыванию водорода для следующего цикла использования).

Ключевая идея этого проекта состоит в реализации принципа связывания водорода в MCH (и превращения его тем самым в «удобный для транспортировки водород» и «удобный для накопления и хранения водород»). Именно этот «удобный в использовании водород» в Chiyoda Corporation и называют «водородом SPERA». В случае, если «водород SPERA» получит распространение, он буквально послужит осуществлению надежды человечества на практическое освоение водорода.

В качестве первого шага Chiyoda Corporation планирует сооружение мощностей по связыванию водорода толуолом в тех местах, где его получают в качестве побочного продукта: в нефте-, газо- и угледобывающих государствах. В этом случае при сборе и хранении непосредственно на месте углекислого газа (CCS), который образуется при риформинге углеводородов в местах добычи нефти, газа и угля, становится возможным осуществить масштабные сокращения эмиссий CO2. Кроме того, что касается нефтяных месторождений, за счёт закачки собираемого углекислого газа можно добиваться повышения нефтеотдачи пласта (EOR, Enhanced Oil Recovery), увеличивая тем самым объёмы нефтедобычи.

В качестве второго шага Chiyoda Corporation ставит целью осуществлять электролиз воды, используя электроэнергию, выработанную за счёт энергии возобновляемых источников, таких, как ветер, солнечный свет и другие, и использовать полученный таким образом водород в виде «водорода SPERA». Хотя ветровая и солнечная генерация электроэнергии, практически не создающие эмиссий CO2, и являются сильным козырем среди мер борьбы с глобальным потеплением, одна присущая им особенность служит помехой: во многих случаях они требуют прокладки новых линий электропередачи, что влечёт большие издержки и задерживает распространение использования энергии солнца и ветра. Средством преодоления этого препятствия в случае разумного создания соответствующих механизмов может послужить «водород SPERA», позволяющий осуществлять транспортировку энергоносителя вместо использования ЛЭП. Таким образом, «водород SPERA» является средством, способствующим ускорению распространения ветровой и солнечной генерации электроэнергии.

Самая привлекательная особенность водорода заключается в потенциальной способности изменить всю структуру энергопотребления

Помимо вышеизложенного, в странах Запада начинают всё шире применять метод power to gas (преобразования электроэнергии в газ), при котором электрическая энергия с ветровых электростанций используется для получения методом электролиза водорода, который, в свою очередь, подмешивается к природному газу в трубопроводах при перекачке последнего. Таким образом, в конечном счёте продукт электроэнергетики используется в форме горючего газа. Этот приём является попыткой эффективно использовать излишки электроэнергии, выработанные ветровыми электростанции там, где в противном случае они не найдут полезного применения ввиду нехватки линий электропередачи.

Таким образом, используя водород в комбинации с другими энергоносителями и источниками энергии, с его помощью возможно восполнять недостатки остальных энергоносителей и источников энергии, одновременно максимально используя их преимущества. Позволю себе ещё раз подчеркнуть, что именно этот «потенциал изменения структуры энергетики в целом» и является наиболее привлекательной особенностью использования водорода.

(Оригинал статьи на японском языке опубликован 9 марта 2015 года. Фото к заголовку: Заправка автомобиля на топливных элементах Toyota модели Mirai («Будущее») на первой в Токио коммерческой водородной заправочной станции, 18 декабря 2014 года, фотография предоставлена Jiji Press)