Японский поворот в энергетике

Недавно был продемонстрирован первый в мире танкер для перевозки сжиженного водорода. Фото Reuters

В конце мая в японском порту Кобе прессе был представлен первый в мире танкер для перевозки сжиженного водорода Suiso Frontier, построенный корпорацией Kawasaki Heavy Industries Ltd (KHI). До конца текущего финансового года в Японии (31 марта 2022 года) группа японских компаний проведет технико-экономическое обоснование транспортировки водорода из Австралии в Японию с использованием этого танкера.

Это будет проверка одного из важнейших звеньев в постепенно набирающей обороты долгосрочной стратегии Японии по переходу страны на водород как «основной источник энергии» в энергетическом балансе страны. Переход начинался с инициатив бизнеса и во все большей степени поддерживается в различной форме правительством.

Ставка на импорт

Япония бедна природными энергетическими ресурсами. Все послевоенные экономические планы и программы сопровождались предложениями путей обеспечения энергетического баланса страны. В 1950–1960-х годах «основным источником энергии» в них был уголь, вначале собственный, затем импортный, для тепловых электростанций (ТЭС). Уголь, который сменили нефть и нефтепродукты из месторождений Персидского залива. Эта ставка обеспечивала беспрецедентный в сравнении с другими странами ежегодный рост в 10% ВВП страны.

ТЭС имели много преимуществ. Например, быстрота и дешевизна строительства, сравнительно низкая себестоимость вырабатываемой электроэнергии. Но, с другой стороны, они несли страшный урон окружающей среде, с которым граждане не могли мириться. Пришлось принять курс «на умеренные темпы роста» с учетом экологической обстановки.

Вспомнили об атомной энергетике. С начала 1970-х годов был принят курс на ее развитие. Долгосрочной целью ставилось доведение доли АЭС в энергетическом балансе до 50% к 2050-м годам. Она была бы выполнена, как и многие экономические планы страны. К началу нынешнего века доля АЭС уже превышала четверть потребностей страны в электроэнергии. Но катастрофа на АЭС «Фукусима-1» 11 марта 2011 года привела к пересмотру всей энергетической политики не только Японии, но и большинства стран в мире.

Руководству Японии было ясно, что придется отказаться от курса на то, чтобы атомная энергетика развивалась как «основной источник энергии». Но и ресурсы возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в стране во многом ограничены. Начался поиск новых источников энергии в первую очередь с изучения мирового опыта.

Хотя и в Японии многие крупные корпорации и компании в своих структурах искали возможные пути использования того же водорода. Например, автомобильные гиганты пытались создать агрегаты, способные напрямую использовать его в качестве топлива, как Mazda Motor Corp. в своем роторном двигателе еще в 1990-х годах. Но все же наиболее перспективными оказались автомобили с силовыми электродвигателями, питаемыми от водородных топливных элементов (ВТЭ).

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.

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.

Выбор внешнего поставщика

Первоначально внимание как поставщика водорода в Японию привлекла Норвегия. Во многом потому, что страна не использует ТЭС для электрогенерации. Внутреннее потребление всей электроэнергии в Норвегии на 95% покрывается гидростанциями. Дополнительно строятся только ветряные электростанции. Генерация повседневно превышает потребление, но излишки мощностей направляются на пополнение уровня воды в резервуарах ГЭС, что обеспечивает стабильность нагрузки генераторов ГЭС при перепадах спроса потребителей.

Но предварительные переговоры о совместном проекте производства водорода на основе избыточных мощностей норвежских ВИЭ показали достаточно прохладное отношение деловых кругов Норвегии. Последних больше устраивают прямые поставки излишков электроэнергии из Норвегии в страны Европы. Норвегия уже имеет кабельные силовые линии электропередачи с Данией и Нидерландами. Она не случайно наращивает мощности ВИЭ, которые обеспечат стране возможность полнее участвовать в будущей энергетической системе Европы. С этой же целью, иметь возможность продавать избытки энергии своих ГЭС, Норвегия завершает прокладку самого протяженного в мире подводного силового кабеля North Sea Network Link Норвегия–Великобритания протяженностью 720 км. Идут работы по прокладке силового кабеля протяженностью 623 км по дну Северного моря между Норвегией и Германией.

Поэтому в Токио было решено сосредоточиться на формировании моста поставок водорода из Австралии, которая сама стремится развить производство водорода на экспорт, а водород, который не выделяет CO2 во время сгорания, рассматривается как топливо следующего поколения. Планируя стать крупной страной, поставляющей водород, Австралия наметила свою «Национальную водородную стратегию» в ноябре 2019 года. В документе правительство намечает довести экспорт водорода к 2040 году до 10 млрд австралийских долларов (830 млрд иен).

По данным Японской организации внешней торговли (JETRO), по состоянию на апрель этого года более 10 японских компаний участвуют в проектах, связанных с водородом, в Австралии. 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.

Компания Idemitsu Kosan Co., крупный оптовый поставщик нефти, стремится создать «Водородную долину» в юго-восточном австралийском штате Новый Южный Уэльс совместно с местными компаниями и организациями, которая будет служить базой для производства и экспорта водорода.

Крупная японская торгово-инвестиционная корпорация Itochu Corp. подписала меморандум о взаимопонимании с местной компанией для изучения коммерческого потенциала производства водорода и аммиака из угля. Toyota Motor Corp. создала производственную и заправочную станцию для транспортных средств на топливных элементах на окраине Мельбурна.

Но в то же время сохраняется интерес к пока отложенным планам возможных поставок водорода из 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.

Подготовка к новой энергетической эпохе

Экономисты Японии в большей своей части уверены, что водород станет важным энергетическим ресурсом следующего поколения, во всяком случае на транспорте. Деловому миру Японии хотелось иметь комплексную оценку перспектив водорода. Поэтому 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 около 30 концернов, фирм и компаний автопроизводителей и энергетических секторов мирового уровня, таких как Audi, BMW, Daimler, Honda и Hyundai, Shell и Total. Основная цель совета – подготовка оценочных рекомендаций в форме научных докладов в сфере возможностей использования водорода.

Внимание привлек уже первый доклад совета, подготовленный к началу работы климатической конференции ООН в Бонне. По приведенным в докладе расчетам, внедрение водорода на транспорте позволит сократить ежегодные выбросы углерода на 6 млрд т к 2050 году. Но для этого нужно перевести на водород 400 млн легковых автомобилей, около 40 млн грузовиков и автобусов. Начать внедрение водорода на железнодорожном, морском и авиационном транспорте. А для этого, как подсчитано, уже к 2030 году потребуются инвестиции в размере 280 млрд долл., из них около 110 млрд для финансирования технологий получения водорода, 80 млрд – в создание структуры его хранения, транспортировки и распределения, 70 млрд – для разработки ВТЭ под конкретные цели.

Руководство Японии, видимо исходя из подобных долгосрочных прогнозов роста использования водорода в глобальном масштабе, заранее создает прочную базу у себя в стране. В этих целях был создан правительственный фонд в размере 2 трлн иен для поддержки технологических инноваций в широком спектре мер в интересах декарбонизации, сообщает Yomiuri Shimbun. Но прежде всего ставится задача содействовать быстрому расширению использования водорода в сфере автомобильного транспорта.

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.

В небольших масштабах уже налажено опытное производство сжиженного водорода на территории Японии. По сообщениям в СМИ, компания The New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) запустила установку по производству водорода с использованием энергии солнечной электростанции (СЭС) в префектуре Фукусима.

Можно отметить комплексный подход в Японии к внедрению водорода в быт в этом случае. Задолго до начала летних Олимпийских игр в Токио было объявлено, что корпорация Toyota Motor Corp. направит более 400 автомобилей с ВТЭ для перевозки участников. После наладочного процесса в конце 2019 года установка начала работать. Тогда она стала одной из крупнейших в мире по производству водорода с использованием энергии солнечной электростанции (СЭС). По современным оценкам, мощность ее небольшая, но была достаточной для обеспечения водородом всех машин с ВТЭ на прошедшей Олимпиаде.

Из-за противоковидных мер многое на Олимпиаде было задействовано без массовых мероприятий, в том числе оказался не сильно востребован и автотранспорт. И тем не менее считается, что сотни автомобилей с ВТЭ стали на Олимпиаде «ягодкой на торте» в демонстрации технических достижений страны, в повышении имиджа Японии в мировом сообществе. В Токийском порту был организован хаб для хранения водорода, том числе и его приема в случае доставки на судах, станции заправки автомобилей водородом.

Общая цель этих и ряда других малозаметных мероприятий – 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.

Подготовка хаба в Кобе

По всей видимости, водородный хаб в порту Кобе (Западно-Центральный экономический регион Японии) более основательно планируется на долгосрочную перспективу как район приема импортного водорода и последующей доставки его на места потребителям в регионе. Подготовительные работы начались с 2017 финансового года. Строительство ведется корпорацией Kawasaki Heavy Industries и несколькими другими компаниями при содействии городской администрации Кобе. В 2018 году было начато строительство причалов для приема танкеров с водородом. Сейчас фактически оно закончилось и обошлось в 1,3 млрд иен, финансировалось из бюджета города и частично субсидий центрального правительства.

С завершением строительства танкера для перевозки сжиженного водорода Suiso Frontier начинается практическая отработка доставки водорода в Кобе из Австралии. Это первое в своем роде судно и должно еще пройти критерии безопасности, утвержденные Международной морской организацией.

В ходе первых его рейсов Австралия–Япония будет проверена безопасность транспортировки и хранения сжиженного водорода с целью создания цепочки его поставок в Японию. При этом будут учитываться и планы внедрения мер по декарбонизации промышленности страны.

Намечается комплексный подход. Можно отметить, что в налаживании поставок водорода из Австралии принимают участие семь японских компаний, в том числе кроме KHI и крупнейшая газовая компания Iwatani Corp. Последняя участвует в разработке заправочных водородных станций для транспортных средств на топливных элементах. Исполнительный директор KHI Мотохико Нисимура сказал, что на данном этапе «целью ставится оформить Кобе одним их центров внедрения водородной энергии». Испытания обойдутся примерно в 40 млрд иен (368 млн долларов), включая взносы правительств Японии и Австралии, отмечает издание Asahi Shimbun.

Танкер Suiso Frontier сравнительно небольшой в сравнении с современными действующими танкерами для перевозки сжиженного природного газа. Его водоизмещение около 8000 т, длина 116 м, ширина 19 м. На нем размещен, судя по фотографиям, один шарообразный специально сконструированный резервуар для размещения сжиженного водорода, охлажденного до минус 253 градусов Цельсия.

Силовой двигатель на Suiso Frontier работает на мазуте. Но можно сразу указать, что корпорация KHI разработала долгосрочную стратегию внедрения водорода как топлива на других судах. Руководство корпорации учитывает, что правительство Японии поставило целью увеличить потребление водорода с нынешних 2 млн т в год до 3 млн т к концу 2030 года. Это гарантирует, что спрос на крупномасштабные суда для импорта водорода будет быстро расти. KHI планирует построить 80 танкеров, что позволит перевозить до 9 млн т сжиженного водорода в год. Конкретно в планах корпорации завершение строительства, возможно, первого в мире крупнотоннажного танкера для перевозки сжиженного водорода и с двигателем, работающим на водороде в качестве топлива вместо нефтепродуктов. Правительство, по сообщениям СМИ, намерено поддержать эти планы за счет субсидий.

По размерам крупнотоннажный водородовоз будет сопоставим с танкерами для перевозки сжиженного природного газа водоизмещением около 130 тыс. т. Будет около 300 м в длину и около 50 м в ширину, стоимость примерно 60 млрд иен. Компания планирует разместить на таких танкерах примерно по четыре резервуара, способных вместить по 10 тыс. куб. м сжиженного водорода.

В настоящее время международные морские организации ужесточают экологические нормы для судов. Но большинство крупных судов все еще строится с использованием нефтепродуктов для двигателей или паровых турбин. Компания Kawasaki Heavy Industries Ltd стремится выиграть конкурентную борьбу на перспективном рынке танкеров водородовозов, предлагая судоходным компаниям суда с высокими экологическими характеристиками, лучшими, чем у конкурентов, крупных судостроителей Китая и Южной Кореи.

Дорогое сырье

Но основным препятствием на пути внедрения сжиженного водорода будет все еще высокая его стоимость. Пока по ней он не может конкурировать с природным газом. По оценкам Министерства экономики Японии, в настоящее время стоимость водорода около 100 иен за куб. м. С налаживанием массовых поставок из Австралии к 2030 году она снизится примерно до 30 иен. Предполагается, что она будет понижаться до менее 20 иен к 2050 году, что сделает его эквивалентным природному газу, как пишет газета Yomiuri Shimbun. Ссылаясь на другие аналитические прогнозы, пишет газета Asahi Shimbun, к 2030 году электроэнергия, вырабатываемая ТЭС на водороде, будет стоить в 1,5 раза дороже, чем при использовании СПГ.

Есть надежда на выход на новые прорывные технологии в производстве водорода без больших затрат и с соблюдением ужесточающихся экологических норм. В Японии этому способствовало существование множества мелких компаний, пытающихся решить небольшие технические проблемы. Здесь как пример можно привести недавнюю презентацию ведущим японским автопроизводителем Японии Toyota Motor Corp. своего седана Mirai-2 второго поколения с ВТЭ для питания силового двигателя.

В отличие от предыдущего четырехместного Mirai-1 он усовершенствован и пятиместный. Главное, у него три, а не два бака для хранения водородного топлива для топливных элементов. Дальность при одной заправке увеличилась на 30% до 850 км. Но в СМИ отмечается, что новые баки изготовлены небольшой компанией, пусть и аффилированной с корпорацией. Другая компания построила завод по производству баков. Называются еще три-четыре компании, которые участвовали в доработке автомашины. И все они с новыми идеями в целях снижения потребления электроэнергии и повышения топливной эффективности транспортных средств, говорится в сообщении о Mirai-2.

Вполне вероятно, что это сообщение привлечет внимание правительственных чиновников, поскольку в середине мая Министерство экономики, торговли и промышленности Японии объявило о плане инвестирования в общей сложности 370 млрд иен в частные проекты по содействию использования водорода. Министерство начало прием заявок на более значимые проекты, такие как создание сетей подачи водорода к пунктам раздачи, практическое использование производства тепловой энергии с применением водорода в качестве топлива, расширение выпуска оборудования для производства водорода в Японии.

Но пока на данный момент стоимость получения водорода относительно высока. Говорят, что производство водородной энергии обходится примерно в 97 иен за киловатт-час, что в семь раз больше, чем производство тепловой энергии с использованием сжиженного природного газа.

Крупные электроэнергетические компании начали смешивать водород с СПГ для использования в качестве топлива для производства тепловой энергии на экспериментальной основе. Они намерены постепенно увеличивать долю водорода. Важно снизить затраты за счет расширения использования водорода.

И еще большое внимание начинает уделяться простой пропаганде расширения использования ВТЭ на транспорте и в быту среди граждан. В СМИ Японии напоминают, что другие автомобили с силовыми электродвигателями на первых этапах также не могли конкурировать с бензиновыми двигателями по показателю «стоимость–эффективность». Но сейчас за счет других показателей и изменения требований к автомобилям двигатели внутреннего сгорания сдают позиции. В японских СМИ много сообщений о сферах расширения использования водорода не только на транспорте, но и в других сферах, даже в металлургии.