Сможет ли водород стать основным энергоресурсом

Японский автомобиль с водородным двигателем Toyota Miral, представленный в Париже в 2016 году. Фото Reuters

При анализе энергетического баланса японские экономисты все чаще включают водород в один ряд с первичными энергетическими ресурсами – с ископаемыми углем, нефтью, газом, возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), которые вместе с атомной энергетикой (АЭС) рассматриваются в блоке как «безуглеродные» источники энергии, если  заходит речь о проблемах экологии. В этот блок уже можно включить и водород.

В конечном счете все разновидности энергетических ресурсов до потребителей в основном доставляются как электроэнергия – наиболее удобный для употребления во многих сферах вид энергии. Все попытки использовать водород в качестве топлива, а получаемую тепловую энергию направить в агрегаты по выработке электроэнергии по многим причинам оканчивались неудачно.  

Но успешно прошла электрификация транспорта. На железных дорогах тяга переводилась на электровозы. На море теплоходы заменялись дизель-электроходами. И только в автомобилях установить силовой электродвигатель долго не удавалось. Главная причина – не могли конструкторы создать компактные с большой емкостью батареи, способные обеспечить пробег без подзарядки, как у автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Почти столетие попытки заменить на автомобилях ДВС силовыми электродвигателями заканчивались неудачно, демонстрацией только выставочных образцов. 

От «гибридов» к электроавтомобилям

Все же 20 лет назад, в декабре 1997 года, японская корпорация Toyota Motor Corp. начала серийный выпуск своего «гибридного» автомобиля Toyota Prius. Но у «гибридов» есть и ДВС, работающий в стабильном режиме, который и при малой нагрузке на батарею работает на ее подзарядку. 

Корпорация Nissan Motor Corp. – основной конкурент Toyota Motor Corp.  среди японских автомобильных компаний – также долгие годы работала над автомобилем с силовым электрическим двигателем, создающим конкуренцию машинам с ДВС. Но при этом пыталась создать именно  электроавтомобиль (ЭАМ), а не «гибрид». Лишь в 2010 году в серийное производство была запущена модель Nissan Leaf, которая смогла найти покупателей в Японии и за рубежом. 

За лидерами  последовали и другие автопроизводители Японии.  «Гибриды» и ЭАМ совершенствовались и наращивали процент реализации на внутреннем рынке благодаря поддержке государства и эффективной рекламной экологической кампании. 

Перспективные топливные элементы

Усовершенствования силовых аккумуляторов усилили наступление «гибридов» и ЭАМ на автомобили с ДВС, а с недавнего времени и принципиально новых устройств – водородных  топливных элементов (ВТЭ). Ставку на водород как на перспективный вид топлива в автотранспорте сделало руководство компании Toyota Motor Corp. В конце 2014 года она продемонстрировала свой автомобиль с ВТЭ Toyota Mirai, технические характеристики которого были сравнимы с автомобилями такого же класса с ДВС. В Японии его продажи начались с 15 декабря 2014 года. ВТЭ были разработаны в лабораториях компании.

Устройство автомобиля на водороде на выставке в Вашингтоне. Фото Reuters

В настоящее время в Японии  всего около 2 тыс. Toyota Mirai. Покупают их или корпорации как представительские, или богатые граждане для  демонстрации приверженности защите окружающей среды. Toyota Mirai из-за высокой стоимости ВТЭ много дороже, чем автомобили с ДВС. Так когда-то было и с «Приусом». Его покупали в первую очередь как самый  чистый с точки зрения экологии автомобиль. 

Обращать внимание на экологичность автомобилей японцы стали в начале 1970-х годов, на пике бума автомобилизации страны. Миллионы автомобилей забили дороги мегаполисов. В летние месяцы загазованность улиц в Токио была столь высокой, что отменялись занятия в школах. Пришлось прибегать к административным мерам вплоть до обязательной установки довольно дорогих фильтров, поглощающих СО2. 

Но что необходимо отметить, к гражданам пришло понимание важности борьбы за сохранение экологии. С тех пор наклейка на лобовом стекле: «Мой автомобиль самый добрый по отношению к природе» указывала на то, что владелец уважает интересы общества. Нынешние низкие продажи Toyota Mirai сдерживаются не только высокой стоимостью ВТЭ, но и недостаточно развитой сетью станций заправок водородом (СЗВ). 

Автомобили с ВТЭ имеют и важные преимущества перед электроавтомобилями (ЭАМ): ВТЭ обеспечивают больший пробег на одной заправке и на заправку им требуется значительно меньшее время.

Цель – мировой рынок 

Экономисты Японии  прогнозируют, что водород станет важным  энергетическим ресурсом следующего поколения, во всяком случае на транспорте. Исходя из этого, в январе 2017 года по инициативе компаний Toyota Motor Corp. и Air Liquide был создан Международный совет по водородным технологиям (Hydrogen Council). В него вошли 27 концернов, фирм и компаний автопроизводителей и энергетических секторов, в том числе Audi, BMW, Daimler, Honda и Hyundai, Shell и Total. 

Основная цель совета – стимулировать использование водорода в различных сферах экономики. В докладе совета, опубликованном на полях климатической конференции ООН в Бонне, говорится, что использование водорода для транспорта, отраслей промышленности и других энергетических потребностей позволит сократить ежегодные выбросы углерода на 6 млрд т к 2050 году. 

Согласно приведенным в докладе расчетам, к 2050 году водородом как топливом  можно обеспечить 400 млн легковых автомобилей, от 15 до 20 млн грузовых автомобилей, около 5 млн автобусов, четверть пассажирских судов и пятую часть неэлектрифицированных железнодорожных путей, а также существенную долю парка самолетов и грузовых судов.

Правда, для этого уже к 2030 году потребуются инвестиции в размере 280 млрд долл., из них около 110 млрд для финансирования внедрения водорода в транспорт, 80 млрд – в создание структуры его хранения, транспортировки и распределения, 70 млрд – для разработки ВТЭ под конкретные цели.

Некоторые страны уже определили ряд показателей по использованию водорода. Китай, например, намерен к 2030 году иметь 1 млн автомобилей на ВТЭ. Великобритания сформировала фонд в 30 млн долл. для развития  водородных транспортных средств.

В докладе говорится, что при рациональной инвестиционной политике рынок водорода может обеспечить доходы более 2,5 трлн долл. в год.

Долговременная подготовка на своей территории

Руководство Японии, видимо, исходя из подобных долгосрочных прогнозов роста использования водорода в глобальном масштабе, заранее создает прочную базу у себя в стране. Прежде всего ставится задача содействовать быстрому расширению использования водорода в сфере автомобильного транспорта.

 В СМИ сообщалось о наметках правительства к 2025 году довести в стране число автомобилей с ВТЭ до 200 тыс. Газета Yomiuri Shimbun в редакционной статье  указывает, что для этого необходимо заранее начать формирование в стране базы для обеспечения будущего спроса на водород.

Можно отметить, что правительство страны, предполагая быстрый рост спроса на сжиженный водород, начинает содействовать формированию внутреннего его рынка своим участием в создании хабов производства и сбыта водорода. Компания «Новая организация по развитию энергетики и промышленных технологий» (The New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO) сообщила о планах строительства в префектуре Фукусима завода по производству водорода. Завод должен стать ключевым объектом при формировании в пострадавшем от природной катастрофы регионе комплекса передовых отраслей промышленности.  

На местах будущего завода была подготовлена площадка для строительства АЭС компании Tohoku Electric Power Co., но последняя уступила права на нее, где на 35 га будут размещены солнечные батареи и на 4,5 га построен сам завод. Начать строительство намечается летом 2018 года.

Финансирование проекта будет осуществляться правительством в рамках программы помощи восстановлению района катастрофы на АЭС «Фукусима 1», а также компаниями Toshiba Corp. и Tohoku Electric Power Co. В эксплуатацию завод планируется ввести к 2020 году. Завод станет одним из крупнейших в мире по производству водорода с использованием солнечной электростанции (СЭС). Ежедневно будет производиться топливо в количестве, достаточном для обеспечения работы 560 автобусов с ВТЭ, которые намечается направить на перевозки участников предстоящих в 2020 году летних Олимпийских игр в Токио.

Предполагается, что завод будет развиваться и наращивать мощности производства. Это будет способствовать расширению использования водорода и в других сферах, поскольку одним из лозунгов его строительства является призыв «Местное производство для местного потребления». Выстраивается цепочка: генерация ВИЭ, производство и поставка водорода и ВТЭ потребителям в  регионе.

Газета Yomiuri Shimbun рекомендует местным властям активно участвовать организационно в расширении использования ВТЭ: отдавать приоритетное внимание направлению автобусов с ВТЭ на  регулярные маршруты  перевозки граждан, на пригородные  железнодорожные  перевозки; не оставлять без внимания формирование компаний грузовых перевозок, особенно там, где осуществляются регулярные доставки. 

Общая цель – расширение спроса на водород в стране на первом этапе в транспортной сфере. В перспективе рост использования водорода внутри страны позволит расширять экспорт оборудования и техники с ВТЭ, да и самих ВТЭ на внешний рынок, где спрос на такую технику растет, констатирует газета Yomiuri Shimbun (March 7, 2018). 

Олимпиада в Токио

Не менее важный водородный хаб создается при активном участии в финансировании правительства в регионе Токио в связи с предстоящими в 2020 году в столице Японии летними Олимпийскими играми. Предыдущие, весьма успешно проведенные в Токио в 1964 году, имели, как отмечалось и в стране, и за рубежом, весьма большое значение в повышении имиджа Японии в мировом сообществе. Считается, что энтузиазм населения при подготовке к той Олимпиаде, сплотил нацию, обеспечив дальнейший экономический рост. Такой же энтузиазм японцы проявляют и сейчас в ходе подготовки к предстоящей летней Олимпиаде в Токио. 

Планы подготовки  включают меры по развитию инфраструктуры, мероприятия по показу достижений страны в экономической и социальной областях. Среди последних выделяются успехи Японии в решении глобальных экологических проблем, в частности снижении выбросов СО2 в атмосферу, в том числе и путем внедрения водорода на транспорте. 

Премьер-министр Японии Синдзо Абэ, выступая перед членами кабинета министров, потребовал повысить активность в продвижении «к реализации водородного общества». Он поставил задачей довести число автомобилей с ВТЭ в Токио до 40 тыс. к Олимпиаде 2020 года.

В 2018 финансовом году, как сообщалось, будет составлен Основной экологический план правительства Токио до 2030 года. По предварительным наметкам, строящаяся в районе Харуми Олимпийская деревня после Олимпиады будет преобразована в жилой комплекс. Здесь же намечается сформировать водородный хаб. Сжиженный газ будет поступать от причала по трубопроводу. В перспективе причалы намечается оборудовать и системой заправки водородом топливных баков специально оборудованных судов.

Водородный хаб в Кобе

Водородный хаб в порту Кобе (Западно-Центральный экономический регион Японии) планируется на более долгосрочную перспективу как район приема импортного водорода и последующей доставки его на места в Японии. Подготовительные работы начались с 2017 финансового года.  Строительство ведется корпорацией Kawasaki Heavy Industries (KHI) и несколькими другими компаниями при содействии городской  администрации Кобе. В 2018 году правительство города Кобе начнет строительство причалов для приема танкеров с водородом. Стоимость работ оценивается почти в 1,3 млрд иен и будет финансироваться из бюджета города и частично субсидий центрального правительства.

Резервуары для хранения сжиженного водорода и другие объекты будут построены компаниями KHI, Iwatani Corp. и несколькими другими. Строительство будет частично финансироваться за счет субсидий от NEDO.

Эксперименты по демонстрации работы хаба планируется начать в 2020 финансовом году, когда водород, как ожидается, начнет доставляться на танкерах. Головное судно в настоящее время разрабатывается компанией Kawasaki Heavy Industries. Оно рассчитано на перевозку жидкого водорода, охлажденного ниже минус 253 градусов Цельсия. Его длина около 100 м. Оно станет первым в своем роде судном, способным пройти критерии безопасности, утвержденные Международной морской организацией.

Ожидается, что водород как энергетический ресурс к тому времени будет использоваться в самых различных сферах, включая не только автомобили, но и электростанции. Поэтому администрация города намерена пригласить к участию в проекте компании из смежных отраслей.

Варианты импорта водорода

Руководство Японии на различных уровнях, в разных аудиториях и формах объявляло о намерении построить «водородное общество», определив водород как главный безуглеродный энергетический ресурс. Достижение этой цели замедляют не только технические трудности, но и общий недостаток возможностей наращивания энергетических мощностей за счет ВИЭ в самой Японии.

По прогнозу доклада Британской исследовательской организации Bloomberg New Energy Finance, в 2040 году в Японии на возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветровая, будет приходиться лишь 33% общего объема производства энергии в стране. По доле ВИЭ в энергобалансе страны Япония будет занимать восьмое место среди развитых экономик, поскольку потенциал страны по ВИЭ небольшой.

Это признается и руководством Японии. Для достижения энергобаланса и выполнения экологических обязательств страны без повышения в импорте энергоресурсов доли безуглеродных источников без импорта водорода трудно обойтись. Поэтому, по  прогнозам  Министерства экономики и промышленности страны, объем внутреннего ежегодного рынка водорода и ВТЭ в 2030 году достигнет 1 трлн иен (9 млрд долл.), а к 2050 году – 8 трлн иен.

В настоящее время разрабатывается план извлечения водорода на местах добычи из дешевого австралийского или другого зарубежного угля, а затем транспортировки водорода морем. Уже сейчас видны связанные с этим технические проблемы, констатируется в СМИ, которые необходимо решать на основе сотрудничества деловых и научных кругов при координации  правительства. 

В таких проектах должно учитываться и то, что при производстве водорода из ископаемого сырья также будет выделяться СО2. Поэтому, организуя за рубежом производство водорода, необходимо предусматривать технологии сбора и утилизации СО2 и других отходов. 

Желание выступить в качестве экспортеров водорода в Японию уже высказали Австралия и Норвегия. Лидерство в импорте водорода стремится завоевать и удержать корпорация Kawasaki Heavy Industries. Руководство корпорации изучает возможность использования бурого угля из богатых его месторождений в австралийском штате Виктория. Использование австралийского угля потребует весьма сложного оборудования для удаления СО2 и шлаков и захоронения их в старых нефтяных или газовых скважинах. 

На практике руководство KHI первоочередное внимание уделяет австралийскому варианту. Ее представитель, в частности, сказал, что KHI надеется на поддержку проекта со стороны Британского содружества наций. Правительство Японии полностью поддерживает выбор KHI и выделяет в 2018 году 4,7 млрд иен на связанные с австралийским вариантом проекты. Это на 70% больше по сравнению с предыдущим годом. Всего же в бюджете этого года заложено 22 млрд иен на поддержку других связанных с водородом проектов. До сих пор водород в основном используется для заправки автомобилей с ВТЭ. 

Но в то же время оценивается и предложение Норвегии, где водород планируется получать при высокотемпературном электролизе воды,  используя энергию ГЭС и ветряных электростанций. Основными участниками проекта выступают с японской стороны KHI, с норвежской – Nel Hydrogen, предполагается участие японской корпорации Mitsubishi Corp. и норвежской Statoil. Цель проекта – продемонстрировать, что сжиженный водород может производиться с использованием возобновляемых источников энергии и доставляться в Японию на танкерах. Оценку рентабельности такого проекта намечается завершить в 2019 году.