Проблематику энергетического перехода, повышения устойчивости, экологичности и надежности энергоснабжения невозможно сводить только к вопросам «безуглеродности» энергоисточников и роста доли возобновляемых энергоисточников (ВИЭ) в энергобалансе. Значительный рост мощности ВИЭ обусловливает новые проблемы обеспечения устойчивой и надежной работы энергосистем стран, регионов. Новый энергетический уклад, то есть образ будущих адаптивных энергетических систем, должен опираться на симбиоз традиционных и возобновляемых источников, разумное сочетание централизованных и распределенных систем, базовой и пиковой генерации, системных возможностей накопления тепловой и электрической энергии в разных сегментах энергосетей и комплексов.
Применение водорода в энергетике насчитывает более 100 лет, а первые промышленные образцы топливных элементов были созданы более 70 лет назад. Однако водородная энергетика до настоящего времени не получила широкого развития. Основным тормозом к применению водорода в энергетике является то, что для получения водорода расходуется больше энергии, чем выделяется при его использовании. Водород извлекается при электролизе воды, что требует значительных затрат электроэнергии. С энергетической точки зрения процесс, очевидно, не имеет смысла. В то же время водород можно рассматривать как носитель для хранения/накопления электроэнергии, выработанной на ветровых и солнечных электростанциях, отличающейся по своей природе крайней нестабильностью.
Активное и масштабное развитие ВИЭ создает проблемы ведения электрических режимов в энергосистеме Европейского союза. С целью обеспечения необходимого баланса производства и потребления электроэнергии в Европейском союзе реализуются программы развития систем накопителей. Ожидается, что к 2050 году вклад электролизеров в обеспечение электрических режимов будет доминирующим. Прогнозируемая установленная мощность электролизеров должна составить 537–560 ГВт, а их доля — превысить 90% от общей электрической мощности накопителей.
Какую же реальную цель ставит перед собой такое объединение в единый комплекс не слишком эффективной по режимам генерации на ВИЭ и малоэффективной энергетически выработки водорода на электролизерах, в условиях значительной дороговизны такого странного симбиоза? Это скорей попытка ЕС решить непростую задачу увязки растущей нестабильности режимов ВИЭ с распределенным накоплением энергии в виде другого энергоносителя, в том числе проблему дефицита ископаемых энергетических ресурсов на территории Евросоюза и проблемы с надежностью функционирования электроэнергетической системы.
Получение водорода в результате электролиза может быть интересно с точки зрения обеспечения баланса производства и потребления электроэнергии. Потребление энергии электролизерами будет реагировать на изменение баланса в энергосистеме в режиме реального времени. Появление данных технологий ожидается не раньше 2030 года, но это не изменит картину с высокими энергозатратами на электролиз.
Рост доли ВИЭ в энергосистеме приводит к росту стоимости электрической энергии в системе централизованного электроснабжения. Централизованная система электроснабжения промышленных потребителей становится неконкурентоспособной по сравнению с автономными источниками электроснабжения. Сложившуюся кризисную ситуацию в системе централизованного энергоснабжения Германии пока удалось решить путем предоставления промышленным предприятиям, потребляющим электроэнергию в базовой части графика нагрузок, значительных скидок к цене электроэнергии (до 95% к установленным платежам по поддержке ВИЭ и до 80% скидку к сетевым тарифам).
Достижение поставленных стратегических целей по доле ВИЭ в генерации электроэнергии потребует значительных инвестиций не только в дальнейшее сооружение НВЭ, но и в капиталоемкие проекты модернизации сетевой инфраструктуры, систем аккумулирования, маневренных тепловых электростанций, а также затрат на вывод из промышленной эксплуатации ТЭС и АЭС, не предназначенных для работы в режиме ежедневных пусков/остановов.
При переходе экономики ЕС на «зеленый» водород требуемая установленная мощность ВЭС составит 5 655 ГВт и СЭС — 3 658 ГВт, что более чем в 30 раз превышает ее текущие значения. При условии 25-летнего жизненного цикла ВЭС и СЭС ежегодный ввод в эксплуатацию ВЭС и СЭС превысит 220 ГВт и 140 ГВт соответственно. Объем передаваемой электроэнергии вырастет в 5,7 раза с 3 294 ТВт·ч до 18 884 ТВт·ч в год, из которых потребление электролизеров, предназначенных для производства водорода, составит 15 590 ТВт·ч (82,5%).
Учитывая, что КИУМ ВЭС и СЭС в энергосистеме в 2 раза ниже, чем для АЭС и ТЭС, возникает потребность в десятикратном росте пропускной способности электрических сетей. Важно отметить, что установленная мощность ВЭС и СЭС, введенных в промышленную эксплуатацию в 2020 году, составила около 30 ГВт, что более чем в 10 раз ниже требуемого объема для перехода на «зеленый» водород.
При переходе энергосистемы на «зеленый» водород происходит значительный рост ее материалоемкости в результате снижения КИУМ ее элементов и роста удельных показателей материалоемкости основного оборудования. При условии вывода из эксплуатации АЭС такой рост материалоемкости оценивается в 18,6 раза. Это сопровождается значительным изменением структуры потребляемых ресурсов. Если в материалах ТЭС и АЭС до 80% составляет доля бетона, то в «водородных энергосистемах» растет доля углепластика, редких и редкоземельных материалов, платины, титана, лития, кадмия и др. Естественно, это приведет к необходимости кратного роста добычи и переработки этих материалов.
При размещении требуемого количества ВЭС и СЭС страны ЕС с высокой вероятностью столкнутся с острым дефицитом территории. Учитывая требование к минимальному расстоянию между мачтами ВЭС, площадь ветропарков составит до 38,5% от площади европейских стран. Важно отметить, что в Стратегии сохранения биоразнообразия до 2030 года Европейская комиссия предлагает преобразовать не менее 30% европейских земель и морей в эффективно управляемые охраняемые территории, что существенно сократит возможности для размещения ВЭС и СЭС.
Для производства необходимого объема водорода в процессе электролиза воды потребуется около 4 куб. км дистиллированной воды в год. При этом средний расход исходной воды для получения дистиллированной воды превысит минимальный сток всех крупнейших рек ЕС за исключением Дуная. А годовой объем потребления исходной воды превысит годовой сток рек Сены и Тахо и сравним с годовым стоком рек Эльбы и Луары. Кроме того, необходимо срочно решить проблемы утилизации отходов производства дистиллированной воды (рассолов) с учетом экологических требований.
Дополнительно необходимо отметить, что подавляющее большинство населения ЕС (Бельгия, Болгария, Германия, Дания, Венгрия, Испания, Италия, Англия, Нидерланды, Словакия, Польша, Румыния, Чехия, Франция) — около 450 млн чел. имеют очень напряженное положение с водой и водным стоком. Относительно благополучную ситуацию с водными ресурсами имеют страны и регионы с населением в 10 раз меньше — около 50 млн чел. (Австрия, Ирландия, Норвегия, Португалия, Финляндия, Швеция и Швейцария).
При одинаковых условиях (давлениях и температуре) для передачи равного количества энергии пропускная способность водородопроводов (и объем хранилищ водорода) должна быть в 3 раза выше пропускной способности газопроводов (и хранилищ газа). В случае перехода на водородное топливо для перевозки одинакового количества энергии потребуется в 2,5–4,2 раза больше транспортных средств, чем при перевозке ископаемого топлива (бензина, СПГ, природного газа, каменного угля и т. п.).
Насколько массовой может быть такая экзотическая ниша использования водорода в реальных энергетических системах крупных стран? Попробуем представить сводные обобщенные плюсы и минусы надежд активного использования водорода в энергопромышленном комплексе в табличном виде.
Таблица 1. Сопоставление «надежд» и реалий перехода к массовому использованию водорода в энергетике и промышленности (на основе расчетов авторов)
«Надежды» водородной энергетики |
Реалии масштабного использования водорода |
Массовый переход от углеводородов к водороду позволит значительно сократить выбросы. СО2. |
Использование водорода в качестве топлива приведет к определенному росту выбросов NOx. |
Применение «зеленого» водорода позволит сгладить пики производства энергии от ВИЭ. |
Объединение в единый комплекс самого неэффективного (по EROEI) производства энергии с самым неэффективным производством водорода. |
Теплота сгорания 1 кг водорода значительно выше, чем метана. |
Для производства единицы энергии водорода по объему потребуется в среднем в 3 раза больше. |
Массовое использование водорода повысит КПД централизованной и мощности децентрализованной энергетики. |
Реально оправданные добавки водорода к метану составляют не более 25% (КПД растет на 10%). Использование водорода в топливных элементах значительно дороже традиционных видов топлива. |
Выбросы от сгорания водорода — это «безвредный» для планеты водяной пар. |
Внимательный анализ показывает, что именно водяной пар является более значительным парниковым газом, чем СО2 (0,4% в атмосфере). |
Выработка водорода на ВИЭ не влечет за собой использования невозобновляемых ресурсов планеты. |
Крупные мощности электролизеров потребуют для работы значительное количество пресной воды (на соленой воде затраты вырастают еще больше). |
Хранение водорода не приводит к выбросам парниковых газов. |
Хранение водорода (в сжатом или сжиженном виде) также требует значительных затрат энергии. |
Материалоемкость «водородной энергетики» сравнима с обычной традиционной энергетикой. |
Общий рост материалоемкости оценивается в 18,6 раза (при изменении структуры материалов за счет роста доли углепластика, редких и редкоземельных материалов, платины, титана, лития, кадмия). |
Затраты на передачу энергии водородом будут значительно ниже обычных. |
Для перевозки одинакового количества энергии потребуется в 2,5–4,2 раза больше транспортных средств, чем при перевозке ископаемого топлива (бензина, СПГ, природного газа, угля и др.). |
Работа «водородных энергокомплексов не потребует значительного изменения режимов водопотребления. |
Для выработки водорода необходима дистиллированная вода, а годовой объем потребления исходной воды превысит годовой сток рек Сены и Тахо и сравним с годовым стоком рек Эльбы и Луары (~4 км3). |
Выработка «зеленого» водорода потребует незначительного роста мощностей ВИЭ. |
При переходе экономики ЕС на «зеленый» водород требуемая установленная мощность ВЭС составит 5 655 ГВт и СЭС — 3 658 ГВт, что более чем в 30 раз превышает ее текущие значения. |
Размещение дополнительных мощностей возобновляемых энергоисточников не потребует значительного роста площадей. |
Учитывая требование к минимальному расстоянию между мачтами ВЭС, требуемая площадь ветропарков составит до 38,5% от площади европейских стран. |
Ограниченность ресурсов в странах ЕС, а также неравномерность и малая предсказуемость производства электроэнергии ВЭС и СЭС, величины стока рек, потребления электрической энергии и тепла, топлива ставят серьезные вопросы о достижимости полного перехода экономики на «зеленый» водород. При этом водородная стратегия не решает вопросы со снижением выбросов парниковых газов в секторах: сельское хозяйство, утилизация отходов, ЗИЗЛХ.
В последний год активно обсуждается необходимость для нашей страны следовать в новом модном зарубежном тренде «водородной экономики». К сожалению, имеют место исключительно декларативные заявления без анализа последствий и влияния на конкурентоспособность отечественных товаров и услуг как на внешних, так и внутреннем рынках. Необходимо учитывать, что в соответствии с прогнозом международного энергетического агентства (IEA) переход на «зеленый» водород для Российской Федерации будет означать энергоснабжение отечественной экономики самым дорогим водородом в мире.
Если совсем немного заглянуть в прошлое, то мы увидим, что еще с конца 1970-ых годов (когда Европа начала заниматься энергосбережением из-за резкого роста цен на нефть) в СССР активно развивалась широкая тематика атомно-водородных технологий (получение водорода с помощью высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов ВТГР) под руководством академиков В. Легасова, Н. Пономарева-Степного, Е. Велихова. Здесь не только получение относительно недорогого водорода с помощью ВТГР без выбросов любых продуктов сгорания, но целая линейка установок энерготехнологического комбинирования для металлургии, нефтехимии, отрасли минеральных удобрений, систем дальнего теплоснабжения. Увы, после Чернобыля и распада страны что-то забыто, что-то отправлено в архивы и ждет лучших времен. Уверены, наступает время активного возвращения разноплановых советских разработок в реальную практику.
Вопросы адаптации энергетических систем и комплексов больших и малых стран к совокупности беспрецедентных изменений и вызовов времени, вне всякого сомнения, являются ключевыми вопросами не только выживания цивилизации, но и ее дальнейшего сбалансированного развития в гармонии с природой. Создание интегрированных адаптивных энергетических систем нового поколения, органично использующих разные виды источников и энергоносителей, — грандиозная научно-техническая задача, решение которой требует концентрации интеллектуальных, финансовых и других ресурсов в самое ближайшее время.
Изображение: обложка книги «Возобновляемые источники энергии и водород в энергосистеме: проблемы и преимущества» / Белобородов С. С., Гашо Е. Г., Ненашев А. В. / СПб.: Наукоемкие технологии, 2021. — 151 с.
Фото на обложке: Julian Stratenschulte / DPA
Комментарии