1.Водород — как новый источник чистой энергии.

В настоящее время в мире растет интерес к водороду – как к альтернативному источнику энергии.  В отчете Международного энергетического агентства (МЭА) «Global Hydrogen Review 2021» сообщается, что 17 стран уже опубликовали свои водородные стратегии и более 20 стран объявили, что занимаются разработкой такой стратегии . Применение водорода может стать одним из важнейших инструментов в политике декарбонизации. В докладе Международного энергетического агентства «Чистый ноль к 2050 г: дорожная карта для глобального энергетического сектора» предполагается, что спрос на водород составит более 200 миллионов тонн в год к 2030 году и 528 миллионов тонн к 2050 г . При этом доля безуглеродного водорода и водорода с низким уровнем выбросов возрастет до 70% — в 2030 г., а к 2050г прогнозируется — до 90% в [2].

Прогнозируется значительный рост потребления в сталелитейном и нефтехимическом производстве, в судоходство, авиации, где ограничено применение других методов снижения выбросов, например, электрификации. Предполагается, также, что водород можно будет использовать для хранения электрической энергии, полученной от ВИЭ, особенно для сглаживания сезонности.

Выделяют несколько методов производства водорода . Самые безуглеродные — «желтый» и «зеленый» водород, их можно получить методом электролиза . Электролиз — это процесс использования электричества для расщепления воды на водород и кислород. При этом «зеленый» водород получают с использованием электричества от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), а «желтый» водород — с использованием электроэнергии атомных электростанций (АЭС) . По данным Международного энергетического агентства за последние 43 года спрос в мире на чистый водород вырос в 4 раза с 18 млн. тн в 1975 г до 73 млн тн в 2018г . Рынками потребления водорода, в основном, являются рынки удобрений и нефтехимическая промышленность.

В докладе  МЭА «Чистый ноль к 2050г» прогнозирует, что в ходе производства водорода на процесс электролиза будет приходится 54% к 2030г и 62% к 2050г [2]. Сейчас эта цифра составляет 5%. В докладе прогнозы производства путем электролиза приведены общие как для «зеленого», так и для «желтого» водорода. При этом Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) выпустило «Инструментарий по производству водорода с помощью ядерных технологий», в котором подчеркивается, что производство водорода именно на базе атомных электростанций «может быть еще более благоприятным для окружающей среды, так как оно имеет важные потенциальные преимущества перед другими методами производства водорода»  .

2. «Желтый» водород в водородных стратегиях зарубежных стран

1.США. В ноябре 2022 года на сайте Министерства энергетики США опубликована статья Управления ядерной энергетики под названием «Четыре атомные электростанции готовятся к производству чистого водорода» . В статье отмечается, что традиционные и современные ядерные реакторы хорошо подходят для обеспечения постоянного тепла и электроэнергии, необходимых для производства чистого водорода, и что это может открыть новые рынки для атомных электростанций [6].Там же говорится, что Министерство энергетики США (DOE) инвестирует миллиарды, чтобы помочь снизить стоимость и увеличить производство чистого водорода за счет использования существующих энергетических активов страны, включая атомные электростанции. Приводятся данные, что один реактор мощностью 1000 мегаватт может производить до 150 000 тонн водорода в год. При этом в стране уже запущено 4 демонстрационных проекта по производству водорода на атомных электростанциях [6]. Управление по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики (EERE) и Управление ядерной энергетики (NE) уже начали объединяться с коммунальными предприятиями для поддержки четырех демонстрационных проектов по производству водорода на атомных электростанциях с целью доказать техническую осуществимость и экономические выгоды производства чистого водорода на базе АЭС, а также способствовать их крупномасштабной коммерциализации. Например, в статье приводится проект демонстрации системы низкотемпературного электролиза на атомной электростанции Дэвис–Бесс (штат Огайо) [6]. Получение первого желтого водорода на базе данной АЭС ожидается в 2023 году, в качестве возможных вариантов дальнейшего использования полученного водорода рассматриваются его поставки местным промышленным предприятиям для выработки электроэнергии, а также автобусному парку в качестве топлива для общественного транспорта.

Необходимо упомянуть, что по инициативе Министерства энергетики в США  запущен проект «Hydrogen Shot» (Водородный прорыв), направленный на снижение стоимости чистого водорода на 80% до 1 доллара за 1 килограмм за 1 десятилетие (проект «3 единицы»), а к 2025г. поставлена промежуточная цель — 2 дол за 1 кг  .Сегодня стоимость «зеленого» водорода в США составляет около 5 долл. за 1 кг [7]. В структуре Министерства энергетики США существует Департамент технологий водорода и топливных элементов, который на своей странице описывает различные технологии производства водорода и отмечает именно электролиз как ведущий способ производства водорода для достижения целей водородного прорыва . А возобновляемая и ядерная энергии выделяются как основные способы получения электроэнергии для процесса электролиза [8].

Кроме того, в США принят ряд законов, направленных на стимулирование производства и использования чистой энергии, в том числе водорода:

1)В 2021 году Конгресс США принял Двухпартийный закон об инфраструктуре . В рамках данного закона объявлено об открытии программы финансирования Региональных центров чистого водорода . Офис демонстрации чистой энергии при министерстве энергетики США опубликовал, что программа региональных центров чистого водорода – или H2Hubs – включает в себя до 7 миллиардов долларов на создание от 6 до 10 региональных центров чистого водорода по всей Америке  . Указан срок подачи заявок по данной программе: 07/04/2023г. Всего рамках закона предусмотрено финансирование общей стоимостью 8 миллиардов долларов [11]. Указано, что механизмом финансирования будут гранты, соглашения о сотрудничестве или другое. Планируется. что Региональные центры чистого водорода будут производить чистый водород из различных энергетических ресурсов; демонстрировать различные варианты конечного использования; создавать возможности для обучения, трудоустройства; и охватывать различные регионы Соединенных Штатов [11].  Для улучшения координации региональных центров чистого водорода на сайте Министерства энергетики США уже опубликована интерактивная карта H2 Matchmaker (рис.2), где отображены предприятия-производители, потребители водорода, действующие и запланированные объекты инфраструктуры, а также лаборатории, занимающиеся разработкой технологий, направленных на совершенствование водородной отрасли . Предполагается что интерактивная карта H2 Matchmaker повысит осведомленность о региональных проектах по производству водорода и топливных элементов; поддержит развитие частного сектора в сфере производства, хранения и транспортировки водорода; и будет способствовать развитию региональных возможностей для развития бизнеса.

Рис. 1 Интерактивная карта предприятий водородной сферы США [12]

Источник: Отдел технологий водорода и топливных элементов Министерства энергетики США

2) Гражданская программа ядерного кредитования.

Это стратегические инвестиции в размере 6 миллиардов долларов в рамках Двухпартийного закона об инфраструктуре (BIL), направленная на сохранение существующего реакторного парка США  . Однако на данный момент программа значится как закрытая .

3) Закон о снижении инфляции, подписанный в августе 2022 года . Закон предусматривает несколько налоговых льгот и грантовое финансирование для поддержки экологически чистой энергетики. Также он предусматривает значительные суммы на кредитование соответствующих проектов.

Согласно информации Управления кредитных программ требования для получения кредитов прописаны в разделе XVII «Закона об энергетической политике 2005 года» .

Приемлемые проекты для программы должны соответствовать требованиям:

• Использовать новую или значительно улучшенную технологию;
• Избегать, сокращать или изолировать парниковые газы;
• Находиться в Соединенных Штатах;
• Иметь разумную перспективу погашения.

Необходимо заметить, что по данным Всемирной ядерной ассоциации, США уже давно ведут исследования производства водорода на базе АЭС [4]. Так, инициатива США по исследованию ядерной энергии (NERI) была запущена в 1999 году. В 2004 году появилась водородная инициатива (NHI), связанная с АЭС следующего поколения. В соответствии с международной инициативой стран-участниц по проекту NERI, Sandia National Laboratories в США и французское CEA с General Atomics в США также разрабатывали технологию производства водорода с использованием высокотемпературных реакторов. Они построили и эксплуатировали лабораторный цикл для термохимического расщепления воды. Однако в 2010 г.  французская сторона приостановила свое участие в проекте [19]. Не исключено, что с учетом новых трендов во Франции, описанных ниже проект будет возобновлен в том или ином виде.

2. Франция. Департамент парламента по научной и технологической оценке в апреле 2021г. опубликовал отчет «Способы производства водорода» . Отчет рассматривает перспективы и стоимость различных способов производства водорода. Что касается атомных станций как источника энергии, в отчете специалисты выделяет реакторы 4 поколения как способные создать высокую температуру для экономичного производства водорода. В отчете отмечается преимущество атомной и гидроэнергетики, так как управляемы по сравнению с энергией ветра и солнца. Согласно приведенным в отчете данным, прибыльность процесса электролиза возможна при увеличении продолжительности использования электролизеров (минимальный порог 5000 часов в год и оптимальный порог до 8000 часов в год). Возобновляемые источники энергии из-за изменчивых погодных условий имеют недостаточную длительность использования электролизеров (порядка 2000 г. -4000 ч/год). Данные по стоимости производства водорода также говорят в пользу производства именно на базе АЭС [17].

2)В январе 2023г. в парламенте Франции в первом чтении принят законопроект «О строительстве новых ядерных объектов» . Согласно статье 1В раздела 1 Законопроекта, опубликованного на сайте Сената в Энергетический кодекс вносятся поправки о продолжении исследовательских и инновационных усилий в области ядерной энергетики и низкоуглеродистого водорода за счет поддержки  реакторов, в том числе малых модульных реакторов, реакторов четвертого поколения, международного экспериментального термоядерного реактора (проект ИТЭР), а также важных проектов в области водорода, представляющих обще-европейский интерес . Также статья 1А раздела 1 Законопроекта предписывает ускорить процедуры, связанные со строительством новых ядерных установок, а по существующим программам предусматривается упрощенный пересмотр с целью приведения их в соответствие со строительством ядерных энергетических реакторов или их продлением. Также в статье 1В были одобрены весьма существенные поправки: 6 поправка- поддерживать долю ядерной энергетики в производстве электроэнергии на уровне более 50% к 2050 году;10 поправка- для достижения к 2030 году установленной производственной мощности не менее 6,5 гигаватт декарбонизированного водорода, производимого электролизом [19]. Таким образом, если законопроект будет принят, можно говорить о повышении роли ядерной энергетики во Франции и стремлении страны ускорить технологический прорыв в атомной и водородной сферах.

3. Япония. В феврале 2010 года Японское агентство по атомной энергии (JAEA) создало Исследовательский центр по применению водорода и тепла HTGR в Оараи, чтобы разработать операционную технологию для установки I-S для термохимического производства водорода. Компания продемонстрировала лабораторное и стендовое производство водорода по технологии I-S с производительностью до 30 литров в час. JAEA стремится производить водород по цене менее 3 долларов США / кг примерно к 2030 году с помощью реакторов с очень высокой температурой [4].

В стране в 2020г выпущена «Стратегия зеленого роста через достижение углеродной нейтральности в 2050 году» . В ней закреплен курс на продолжение исследований в ядерной энергетике, на создание базовых технологий, связанных с производством водорода путем высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР). В стратегии признается, что чистый водород станет доступнее со временем в некоторых уголках планеты и сформулирована стратегия на кооперации со странами богатыми ресурсами. Японская сторона видит себя как поставщика инновационных технологий в этой сфере.

4. Южная Корея. Южная Корея также продемонстрировала термохимическое расщепление воды в лабораторных масштабах при поддержке General Atomics. В декабре 2008 года Корейская комиссия по атомной энергии официально одобрила разработку ядерного водорода в качестве национальной программы с разработкой ключевых и базовых технологий до 2017 года и целью демонстрации производства ядерного водорода с использованием процесса I-S и реактора с очень высокой температурой (VHTR) к 2026 году [4].

В целом дорожная карта водородной экономики Южной Кореи отводит первоочередное внимание достижению наибольшей в мире доли рынка электромобилей и топливных элементов на водородных топливных элементах . Ожидается, что размер рынка электромобилей на водородных топливных элементах вырастет примерно с 1800 единиц в 2018 году до 80 000 в 2022 году и 6,2 миллиона в 2040 году, а Южная Корея станет ведущим экспортером таких автомобилей. В дальнейшем правительство планирует расширить применение водорода для кораблей, поездов, дронов и других областей [21].

5.Страны ЕС. Страны Евросоюза, за исключением разве, что Франции, в целом делают ставку на «зеленый» водород. Ожидается, что в конце 2022 и начале 2023 года в Европейском Союзе появятся три проекта, посвященные промышленному применению, водородной инфраструктуре и мобильности [4].

6.Соединенное Королевство. В водородной дорожной карте Ассоциации атомной промышленности Великобритании, опубликованной в феврале 2021 года, показана, программа по достижению 5,7 млн. тонн низкоуглеродистого водорода к 2050 году . В стратегии предложено применение ядерных реакторов всех типов с использованием высокотемпературного парового электролиза и термохимического расщепления воды для производства 75 ТВтч (около 2.0 млн тонн) водорода к середине столетия. Правительство намерено выделить первые контракты на поддержку проектов, по которым с 2023 года будет принято окончательное инвестиционное решение .

3. «Желтый» водород в России.

Согласно действующей Энергетической стратегии России Российской Федерации, целевые объемы экспорта водорода на зарубежные рынки составят 2 млн т в 2035 г . При этом в Концепции развития водородной энергетики в Российской Федерации приведен прогнозы по экспорту водорода в диапазоне 2–12 млн т к 2035 г с ростом до 15–50 млн т к 2050 г . Накопленный прирост мирового спроса на водород в период до 2050 г. в этом же документе оценивается в 40–170 млн т. Таким образом, согласно Концепции развития водородной энергетики в РФ, российский водород должен обеспечить 10- 30 % мирового прироста спроса к 2050 году [27].

Первыми производителями водорода по планам, представленным в «дорожной карте» Минэнерго «Развитие водородной энергетики в России» на 2020–2024 годы должны стать компания «Газпром» и корпорация «Росатом»[26]. В рамках дорожной карты запущен инвестиционный проект «Разработка технологий атомно-водородной энергетики для крупномасштабного производства и потребления водорода» . На сайте госкорпорации «Росатом» водородная энергетика определена как приоритетное направление. Планируется выйти на объем не менее 100 тыс тонн с одного атомного модуля мощностью 200 МВт. Водородная энергетика определена приоритетным направлением научно-технологического развития Госкорпорации «Росатом» .По «желтому» водороду «Росатом» в 2024г запланировано построение на Сахалине опытного полигона для железнодорожного транспорта на водороде, совместно с РЖД в рамках полигона планируется перевести поезда на водородные топливные элементы .  Ведется работа в направлении производства товарного водорода для нужд потребителей и дозагрузка для этого некоторых АЭС в европейской части России. В качестве станций-производителей рассматриваются   Кольская АЭС и плавучая атомная теплоэлектростанция «Академик Ломоносов» [3, 28].

Вывод

Сегодня в мире увеличилось число стратегических инициатив и проектов по производству водорода. В ведущих странах повышается интерес к атомным электростанциям как к источнику электроэнергии для производства «желтого» водорода. Россия также приняла ряд документов, направленных на развитие водородной энергетики. в документах поставлены масштабные задачи по экспорту водорода. Учитывая, сильные позиции российского атомного сектора можно предположить, что именно производство с использованием АЭС будет одним из наиболее перспективных методов производства водорода в России. «Росатом» уже развивает необходимые технологии и планирует запуск пилотных проектов. На фоне повышения интереса ведущих держав к производству и использованию водорода, будет усиливаться и глобальная конкуренция в этой сфере.  Для того чтобы Россия в перспективе смогла занять прочные позиции на мировом водородном рынке, российским компаниям необходимо ускорить научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в части атомных импортозамещающих технологий для водородной энергетики. Важно также ускорить запуск соответствующих инновационных проектов, запланированных   компанией «Росатом» и проектов для безопасного хранения и транспортировки водорода.