Журнал прикладной химии. 2022. Т. 95. Вып. 3
УДК 661.96:621.6.028
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОРОДА
В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ МИРОВОЙ ЭКОНОМИКИ
КАК ОДНО ИЗ НАПРАВЛЕНИЙ ЕЕ ДЕКАРБОНИЗАЦИИ (обзор)
© К. И. Якубсон
Институт проблем нефти и газа РАН,
119333, г. Москва, ул. Губкина, д. 3
Поступила в Редакцию 24 января 2022 г.
После доработки 31 марта 2022 г.
Принята к публикации 31 марта 2022 г.
В обзоре рассмотрены современное состояние и перспективы использования водорода в различных
отраслях мировой экономики: в промышленности (нефтеперерабатывающей, химической, сталели-
тейной, цементной), на транспорте (дорожном, железнодорожном, морском и авиационном), при
производстве и распределении электрической и тепловой энергии как одно из эффективных направле-
ний ее декарбонизации. Анализируются возможность и оценивается эффективность использования
водорода, аммиака, метанола и синтетического керосина в качестве топлива для двигателей внутрен-
него сгорания и газовых турбин в различных видах транспорта и при производстве электрической и
тепловой энергии. Показана необходимость и рассматриваются различные способы длительного хра-
нения водорода для снижения влияния на работу электрических сетей сезонной неравномерности про-
изводства электроэнергии, генерируемой возобновляемыми источниками энергии. Анализируются воз-
можности различных способов утилизации CO2, образующегося при производстве водорода методом
паровой конверсии метана, на промышленных предприятиях, использующих его для собственных нужд.
Ключевые слова: водород; паровая конверсия метана; электролиз воды; эмиссия углекислого газа;
декарбонизация экономики
DOI: 10.31857/S004446182203001X, EDN: DENFCG
Введение
тегии (программы) развития водородных техноло-
гий и дорожные карты их реализации.2 На эти цели
Масштабное использование водорода в различ-
они планируют инвестировать до 2030 г. 75 млрд $.
ных отраслях мировой экономики является одним из
Еще 300 млрд $ будет выделено промышленными
основных направлений ее декарбонизации.1 К концу
компаниями для выполнения более 200 водородных
2021 г. правительства 19 стран и Европейская ко-
проектов в различных регионах мира.3 По оценке
миссия, представляющая согласованную позицию
всех стран Европейского союза, опубликовали стра-
2 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
1 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
3 Hydrogen Insights A perspective on hydrogen investment,
market development and cost competitiveness February
275
276
Якубсон К. И.
Международного энергетического агентства (МЭА)
гических процессов на предприятиях химической,
(International Energy Agency, IEA), для достижения
нефтеперерабатывающей и сталелитейной промыш-
углеродной нейтральности мировой экономики к
ленности. Переход к низкоуглеродной экономике бу-
2050 г. в развитие производства и использования
дет стимулировать развитие других областей приме-
водорода в ближайшие 10 лет необходимо инве-
нением водорода, таких как транспорт (наземный,
стировать существенно большие средства — до
морской и воздушный), накопление и распределение
1200 млрд $.1 Спрос на водород постоянно растет.
электроэнергии от возобновляемых источников энер-
С 70-х годов прошлого столетия, когда под влиянием
гии, производство тепловой энергии для использо-
мирового нефтяного кризиса водород начали рас-
вания в цементной и сталелитейной промышлен-
сматривать как альтернативный энергоноситель, его
ности, для теплоснабжения зданий.5 Это потребует
производство увеличилось в 5 раз и в 2020 г. достигло
существенного увеличения производства водоро-
90 млн т.2 Основная часть водорода, произведенного
да. К настоящему времени еще не сформировалась
в 2020 г., была получена из ископаемого топлива:
согласованная оценка темпов развития водородной
59% — паровой конверсией метана, 19% — гидро-
энергетики. Сопоставление данных существующих
генизацией угля, 0.5% — риформингом нефтяно-
прогнозов по ожидаемому к 2050 г. объему рынка
го сырья. Доля водорода, полученного в процессе
водорода показывает, что расхождение оценок дости-
электролиза воды, составила менее 1%. Еще около
гает нескольких раз [1]. Водородный Совет (Hydrogen
21% водорода было побочным продуктом других
Council) ожидает, что в 2050 г. будет произведено
технологических процессов, в основном каталити-
546 млн т водорода.6 Согласно мнению экспертов
ческого риформинга нефти на нефтеперерабатываю-
МЭА, опубликованному в 2020 г., такой уровень про-
щих заводах.3 Использование ископаемого топлива в
изводства водорода может быть достигнут только к
качестве основного сырья для производства водорода
2070 г., в 2050 г. он составит лишь 280 млн т.7 Однако
приводит к значительной эмиссии CO2, достигшей в
уже в 2021 г. МЭА в докладе о роли водородных
2020 г. 900 млн т.4
технологий в обеспечении достижения нулевых вы-
В настоящее время практически весь произведен-
бросов углекислого газа к 2050 г., подготовленному
ный водород используют при проведении техноло-
к Конференции Организации Объединенных Наций
по изменению климата [Глазго, 31.10-12.11 2021 г.
(КС-26)], этот прогноз был пересмотрен и предложе-
2021. Hydrogen Council, McKinsey & Company. https://
ны существенно более высокие целевые ориентиры
Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
5 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
Hydrogen Insights. A perspective on hydrogen investment,
2 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
market development and cost competitiveness. February
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
2021. Hydrogen Council, McKinsey & Company. https://
6 Hydrogen scaling up. A sustainable pathway for the global
3 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
energy transition. Hydrogen Council, November 2017. https://
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
7 Global hydrogen production in the Sustainable
Development Scenario, 2019-2070. IEA, 23.09.2020. https://
4 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
277
роста производства водорода: в 2030 г. оно должно
Масштабное применение водорода в различных от-
составить 212 млн т и увеличиться до 528 млн т к
раслях экономики позволит снизить выбросы CO2 за
2050 г.1 При этом 70% произведенного в 2030 г. водо-
2020-2050 гг. суммарно на 60 млрд т, что в 1.7 раза
рода должно быть низкоуглеродным: «зеленым», по-
превышает объем мировых выбросов CO2 в 2020 г.5
лучаемым электролизом воды [2], и «голубым», полу-
При этом до 2030 г. снижение выбросов в основном
чаемым паровой конверсией метана с последующим
будет определяться масштабами модернизации про-
улавливанием и утилизацией образующегося CO2 [3].
изводства водорода на действующих и вновь созда-
К 2050 г. низкоуглеродным будет практически весь
ваемых предприятиях нефтеперерабатывающей и
водород, используемый в экономике. Прогнозируют,
химической промышленности. В последующие годы,
что в 2030 г. низкоуглеродный водород на 54% будет
когда будет создана инфраструктура для транспорти-
состоять из «зеленого» и на 46% из «голубого» водо-
ровки и хранения водорода, снижение выбросов будет
рода. К 2050 г. доля «зеленого» водорода возрастет до
определяться темпами декарбонизации транспорта и
62%. Для этого необходимо будет довести суммарную
тех секторов экономики, где затруднена либо невоз-
мощность электролизеров к 2030 г. до 850 ГВт и до
можна электрификация технологических процессов,
3500 ГВт к 2050 г. В 2050 г. для производства запла-
в первую очередь цементной и сталелитейной про-
нированных 320 млн т «зеленого» водорода будет
мышленности.6
затрачено 15 000 ТВт·ч электроэнергии, из которых
Цель обзора — анализ современного состояния и
95% будет получено от возобновляемых источников
перспектив применения водорода в различных отрас-
энергии и 5% на атомных электростанциях.2 Для про-
лях мировой экономики как необходимого условия ее
изводства в 2050 г. запланированных 200 млн т «го-
декарбонизации.
лубого» водорода потребуется затратить 950 млрд м3
природного газа и создать установки для улавливания
Использование водорода в нефтепереработке
1.8 млрд т CO2. Помимо значительных энергетиче-
ских ресурсов для производства низкоуглеродного
Основными технологическими процессами нефте-
водорода необходимо большое количество пресной
переработки, в которых используют водород, являют-
воды. В 2050 г. на эти цели потребуется затратить
ся гидрокрекинг и гидроочистка (десульфуризация).
5800 млн м3 воды, что соответствует 12% ее текущего
На эти цели в 2020 г. было затрачено 40 млн т во-
потребления в энергетическом секторе.3 В условиях
дорода.7 Мировыми лидерами нефтеперерабатыва-
нарастающего в мире дефицита пресной воды [4] все
ющей промышленности уже в течение многих лет
большее значение приобретает разработка техноло-
являются США и Китай, которые в 2020 г. произвели
гий, позволяющих использовать при производстве
769 и 648 млн т нефтепродуктов8 и израсходовали
электролизного водорода соленую, в том числе мор-
на эти цели 7 и 12 млн т водорода соответственно.9
скую воду [5].4
Основные факторы, определяющие эффективность
Рост производства водорода будет сопровождаться
использования водорода в процессах нефтеперера-
существенным изменением структуры его потребле-
ботки, проанализированы в обзоре Argonne National
ния. В 2020 г. 83% водорода произвели на предпри-
ятиях, использующих его для собственных нужд в
5 Global Energy Review: CO2 Emissions in 2020 — Analysis-
различных технологических процессах («кэптив-
ный» водород). Прогнозируют, что доля «кэптивно-
го» водорода снизится до 40% к 2030 г. и до 20% к
2050 г. Остальной водород будет поступать на рынок.
1 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
7 Global Hydrogen Review 2021. IEA, 2021. https://
2 Там же.
9 Global Hydrogen Review 2021. IEA, 2021. https://
3 Там же.
4 Там же.
278
Якубсон К. И.
Laboratory [6]. В настоящее время в США водород
водород каталитического риформинга и лишь 35% на
используют для следующих основных процессов
водород паровой конверсии метана. В Китае 10% во-
нефтепереработки: 32% идет на гидрокрекинг тя-
дорода на нефтеперерабатывающие заводы поступает
желой нефти для получения дизельного топлива,
с установок газификации угля.2
28% — на гидроочистку тяжелой нефти для получе-
Роль гидропроцессов в мировой нефтеперераба-
ния дизельного топлива с низким содержанием серы,
тывающей промышленности обусловлена влиянием
18% — на каталитический крекинг тяжелой нефти с
нескольких факторов. В XXI веке произошло суще-
последующей гидроочисткой, 4% — на сероочист-
ственное ужесточение требований к допустимому
ку нафты. Количество водорода, используемого для
содержанию серы в органическом топливе. Так, в
переработки одинакового количества сырой нефти
США нефтеперерабатывающие заводы обязали с
нефтеперерабатывающими заводами, расположен-
01.01.2017 поставлять на рынок бензин, содержание
ными в различных регионах страны, существенно
серы в котором на 97% меньше, чем в бензинах, про-
различается, что обусловлено различием физико-хи-
изведенных в 2004 г.3 Для автотранспорта США с
мических свойств перерабатываемой нефти. В работе
2010 г. рекомендовано использовать дизельное топли-
приведена зависимость, связывающая количество
во марки USLD, содержащее не более 15 ppm серы
использованного водорода с основными характери-
[7]. Еще более жесткие требования к содержанию
стиками поступающей на завод нефти: типом нефти
серы в автомобильном топливе, не более 10 ppm,
по классификации The American Petroleum Institute
действуют в странах ЕС.4 В 2020 г. в 7 раз, с 3.5 до
(API) ( плотность нефти в градусах API изменялась
0.5%, уменьшено допустимое содержание оксида се-
от 28.5 до 34.3), содержанием в ней серы (0.65-1.6%),
ры в судовом топливе.5 По мнению экспертов МЭА,
а также содержанием сжиженного нефтяного газа
потенциал современных методов гидроочистки для
и соотношением бензина и дизельного топлива в
дальнейшего снижения серосодержания органиче-
продуктах ее переработки (0.5-5.8) [6]. В период с
ских топлив еще не исчерпан: за счет этого к 2030 г.
2009 по 2016 г. расход водорода на переработку 1 т
потребность в водороде для десульфуризации нефти
нефти в стране увеличился на 30% и составил около
увеличится на 7%.6 Однако значительно более силь-
6.3 кг H2 на 1 т нефти. Общее потребление водорода
ное влияние на использование водорода в нефтепе-
нефтеперерабатывающей промышленностью США
рерабатывающей промышленности будут оказывать
за этот период выросло почти в 1.5 раза и составило
уменьшение добычи нефти7 и декарбонизация ми-
в 2016 г. 5.8 млн т. Прогнозируют, что к 2030 г. оно
рового транспорта. Прогнозируют, что уже к 2040 г.
достигнет 7.5 млн т [6]. Это будет обусловлено не
потребление ископаемого топлива различными транс-
только ростом добычи нефти в стране, но и повыше-
портными средствами уменьшится в 2 раза по срав-
нием в перерабатываемом сырье доли тяжелой нефти
нению с 2020 г. и составит 50% от общего количества
и увеличением потребления дизельного топлива по
сравнению с бензином.
2 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
В настоящее время 45% водорода, используемого
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
нефтеперерабатывающей промышленностью США,
получают методом паровой конверсии метана непо-
3 Diesel Fuel Standards. United States Environmental
средственно на нефтеперерабатывающих заводах.
Примерно 20% водорода поступает с установок ка-
талитического риформинга, еще 35% водорода поку-
4 Transport Policy.net. EU: Fuels: Diesel and Gasoline.
пают на рынке, где сегодня преобладает водород, по-
лучаемый паровой конверсией метана.1 Существенно
5 Sulphur oxides (SOx) and Particulate Matter (PM) —
другую структуру производства водорода имеет
Regulation 14. International Maritime Organization
нефтеперерабатывающая промышленность стран
Европейского Союза: 52% приходится на попутный
PollutionPrevention/AirPollution/Pages/Sulphur-oxides-(SOx)-
1 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
6 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
Gasoline and the environment. U. S. Energy Information
7 World Energy Outlook 2021. Report extract Overview.
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
279
потребляемой энергии. В 2050 г. его доля не превысит
наиболее реалистичным является первый вариант.
10%.1 Это приведет к снижению спроса на водород
К настоящему времени на шести нефтеперерабаты-
при производстве нефтепродуктов. При реализации
вающих заводах уже действуют системы улавливания
сценария достижения углеродной нейтральности к
CO2 (в Нидерландах, Франции, Канаде и Японии) и
2050 г. потребление водорода предприятиями нефте-
еще 30 подобных проектов находится на различных
перерабатывающей промышленности может умень-
стадиях проектирования и реализации.4 Несмотря на
шиться до 25 млн т в 2030 г. и до 10 млн т к 2050 г.
очевидные возможности использования в процессах
Предполагается, что часть избыточных мощностей
нефтепереработки электролизного водорода, на сегод-
по производству водорода будет использована не-
ня существуют лишь две действующие установки и
посредственно на нефтеперерабатывающих заводах
несколько проектов создания электролизных устано-
для получения синтетического водородного топлива
вок на нефтеперерабатывающих заводах, в частности,
и обезуглероживания ряда высокотемпературных те-
на заводе компании Royal Dutch Shell в Германии
пловых операций, а также для продажи предприятиям
(проект REFHYNE), где в 2018 г. началось строитель-
других секторов экономики.2
ство электролизера мощностью 10 МВт, который смо-
Нефтеперерабатывающие заводы являются вто-
жет производить около 1300 т водорода в год. Срок
рыми по величине локализованными источниками
завершения проекта — декабрь 2022 г.5 К реализации
выбросов CO2, уступая лишь тепловым электростан-
еще большего по масштабу проекта производства
циям. Основными источниками выбросов углекисло-
«зеленого» водорода с помощью электролизера мощ-
го газа на нефтеперерабатывающих заводах являются
ностью 50 МВт для нефтеперерабатывающего завода
крупные стационарные установки сжигания топлива
в Линдене Германии приступила компания British
(паровые котлы, технологические печи, технологи-
Petroleum.6 Приобретение нефтеперерабатывающими
ческие нагреватели и др.) и большое количество не-
заводами значительных объемов водорода на рынке
больших источников с низкой концентрацией CO2.
(в 2018 г. — около 5 млн т7) создает благоприятные
Суммарно на эти источники приходится не менее 80%
предпосылки для поставок «зеленого» водорода, ко-
выбросов CO2 завода. До 20% выбросов CO2 обра-
торые в перспективе могут в больших объемах про-
зуется при производстве водорода методом паровой
изводиться за счет электроэнергии, генерируемой
конверсии углеводородов. Эти выбросы, характери-
возобновляемыми источниками энергии8 [9], и элек-
зующиеся высокой концентрацией и высоким давле-
троэнергии атомных электростанций9 [4]. Масштабы
нием CO2, рассматриваются специалистами компании
производства «голубого» и «зеленого» водорода для
Shell как наиболее экономически привлекательный
нефтеперерабатывающих заводов либо приобретения
объект утилизации выбросов CO2 нефтеперераба-
его на рынке определяются экономическими и регуля-
тывающих заводов [8]. В 2020 г. суммарный объем
выбросов CO2 мировой нефтеперерабатывающей
4 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
промышленностью, обусловленных производством
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
водорода, составил 200 млн т.3 Для радикального
снижения выбросов CO2 необходимо дооснащение
существующих установок по производству водоро-
да системами улавливания CO2 либо переход на ис-
пользование электролизного водорода. Экспертные
оценки показывают, что в среднесрочной перспективе
1 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
7 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
3 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
9 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
280
Якубсон К. И.
торными экологическими критериями. Модернизация
этого водорода используют для получения азотных
установок парового риформинга с целью перехода на
удобрений, более половины которых составляет кар-
получение «голубого» водорода повышает стоимость
бамид5 [11]. Сложившаяся структура использования
производимых нефтепродуктов на 0.25-0.50 $.1 Еще
аммиака показывает, что развитие его производства
выше дополнительные затраты при производстве
в значительной степени будет определяться мировым
«зеленого» водорода. По мнению экспертов МЭА,
спросом на азотные удобрения, который стимулиру-
государство должно создавать экономические сти-
ется основными трендами развития мирового сель-
мулы для перехода нефтеперерабатывающих заводов
ского хозяйства [12]. Мировое производство амми-
на использование «голубого» и «зеленого» водорода.
ака составило в 2020 г. 175 млн т,6 увеличившись за
В качестве возможных вариантов таких стимулов
последние десять лет на 17%.7 Примерно на такую
рассматриваются: значительное повышение стои-
же величину за этот период выросло и производство
мости выбросов CO2, законодательно закрепленные
азотных удобрений.8 Прогнозируют, что в средне-
требования к величине углеродного следа моторного
срочной перспективе производство аммиака будет
топлива, учитывающего полный жизненный цикл
увеличиваться примерно на 1.6% в год и к 2030 г.
его производства (уже действует в странах ЕС и не-
составит 215 млн т, а к 2050 г. достигнет 250 млн т.9
которых штатах США), льготные инфраструктурные
Производство аммиака сопровождается эмиссией
кредиты и др.2 [10].
значительного количества углекислого газа, 30-40%
которого используют для производства карбамида.
С этой целью заводы по производству аммиака и
Использование водорода
азотных удобрений стремятся объединять в единый
в химической промышленности
производственный комплекс [13, 14].
Химическая промышленность потребляет 46 млн т
Помимо традиционных областей применения ам-
водорода, из которых 33 млн т используют для произ-
миак может быть использован как средство хранения
водства аммиака и 13 млн т для производства метано-
и транспортировки водорода и как безуглеродный
ла.3 Основную часть водорода (65%) на предприятиях
энергоноситель в энергетике и на транспорте. В от-
химической промышленности получают за счет паро-
личие от водорода, сжижение которого при атмосфер-
вой конверсии метана, 30% — гидрогенизацией угля,
ном давлении происходит при температуре -250°C,
5% — из нефтяного сырья. В Китае с использованием
аммиак переходит в жидкое состояние уже при тем-
водорода, полученного из угля, производят более
пературе -33°C либо при комнатной температуре
половины аммиака и почти 70% метанола. В 2018 г.
и давлении 0.8 МПа. Объемная плотность энергии
на производство водорода для нужд химической про-
жидкого аммиака в 1.5 раза превосходит эту величину
мышленности было израсходовано 270 млн т ископа-
для сжиженного водорода (12.7 и 8.5 МДж·л-1 соот-
емого топлива.4
ветственно) и почти в 3 раза выше по сравнению с во-
Одной из важнейших отраслей химической про-
дородом, компримированным при давлении 70 МПа
мышленности является производство аммиака. На
и температуре 25°С. Это существенно упрощает и
его основе получают химические продукты, востре-
бованные в различных секторах экономики. Около
80% производимого аммиака и необходимого для
1 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
prepared by the IEA for the G20, Japan, June. 2019. https://
USGS (United States Geological Survey) (2021), Mineral
2 Там же.
Industry Surveys: US Department of the Interior, Washington,
7 Fertilizer Outlook 2020-2024 Market Intelligence and
Agriculture Services IFA Secretariat. July 2020. https://www.
4 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
9 Ammonia Technology Roadmap Towards more
sustainable nitrogen fertiliser production. IEA, 2021. https://
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
281
удешевляет хранение и транспортировку сжиженного
Еще одной перспективной областью промышлен-
аммиака по сравнению со сжиженным или сжатым
ного применения аммиака и «аммиачных» топлив-
водородом. Для сжижения NH3 из газовой фазы за-
ных элементов являются накопление, хранение и по-
трачивается 0.1% содержащейся в нем энергии. Для
следующее обратное преобразование избыточной
получения и хранения жидкого водорода расходуется
электроэнергии, производимой возобновляемыми
почти половина энергетического потенциала газо-
источниками энергии. Необходимый для синтеза
образного водорода [15]. В отличие от сжиженного
аммиака водород получают электролизом, азот вы-
водорода для хранения и транспортировки аммиака
деляют из воздуха [22]. Прогнозируют, что исполь-
может быть использована существующая в настоящее
зование аммиака в качестве водородсодержащего
время инфраструктура [15, 16]. По оценке экспертов
безуглеродного топлива начнется после 2030 г. Это
Allen Consulting, стоимость транспортировки водо-
приведет к существенному увеличению производ-
рода в составе аммиака с использованием автомо-
ства аммиака и необходимого для этого водорода.
бильного и морского транспорта может быть в 3 раза
По прогнозу МЭА, в 2050 г. производство аммиака,
дешевле, чем водорода в сжиженном состоянии. При
используемого в качестве топлива, будет примерно на
транспортировке по железной дороге это различие
10% больше, чем аммиака, применяемого в сельском
может достигнуть 7 раз.1 Для декомпозиции аммиака
хозяйстве и в химической промышленности. Для
с целью получения водорода в основном используют
этого потребуется около 50 млн т дополнительного
его термическое разложение в присутствии катализа-
водорода.3
торов на основе Ru и Ni. Температура, необходимая
Второй по уровню использования водорода отрас-
для эффективного каталитического крекинга аммиа-
лью мировой химической промышленности являет-
ка, составляет 400 и 600°C соответственно для Ru- и
ся производство метанола. За последние 10 лет оно
Ni-катализаторов. На тепловое разложение аммиака
увеличилось в 2.5 раза и достигло в 2020 г. 102 млн т.
затрачивается тепловая энергия, эквивалентная не
Прогнозируют, что в 2050 г. будет произведено
менее 15% массы содержащегося в нем водорода.2
140 млн т метанола4 [24]. В настоящее время 55%
Исследования, проводившиеся в различных стра-
метанола используют как базовый продукт в химиче-
нах мира с 60-х годов прошлого века, показали прин-
ской промышленности. Второй по объему (31%) ис-
ципиальную возможность использования аммиака в
пользуемого метанола отраслью экономики является
качестве моторного топлива без существенной мо-
транспорт: 11% метанола затрачивают на получение
дернизации двигателей внутреннего сгорания как при
метил-трет-бутилового эфира, 3% — диметилового
его добавлении к стандартному моторному топливу,
эфира, 14% — непосредственно в качестве мотор-
так и в смеси с метаном, водородом и органическими
ного топлива или в смеси с бензином и дизельным
растворителями [16-19]. Кроме того, аммиак как в
топливом, 3% идет на производство биодизеля4 [24].
чистом виде, так и в смеси с метаном и водородом
Прогнозируют, что в среднесрочной перспективе про-
рассматривается в качестве топлива для газовых тур-
изойдет увеличение доли метанола, используемого в
бин [20-23]. В последние годы активно развиваются
качестве топлива, к 2025 г. она достигнет 38% [24].
исследования, направленные на оценку возможности
Стимулом к широкому использованию метанола как
использования существующих и разработку новых
моторного топлива послужили результаты масштаб-
топливных элементов, позволяющих преобразовы-
ного эксперимента, проводившегося в Калифорнии в
вать аммиак в электроэнергию [20]. Показано, что
80-90-е годы прошлого столетия. В этот период было
наибольшей эффективностью характеризуются вы-
выпушено и эксплуатировалось 15 тыс. автомобилей,
сокотемпературные твердооксидные топливные эле-
работающих на топливе М85, содержащем 15% стан-
менты с металлокерамическим никель-гадолиниевым
дартного бензина и 85% метанола. Было показано,
анодом, легированным церием.
что без снижения эффективности работы двигателей
удалось существенно уменьшить выбросы в атмосфе-
1 Opportunities for Australia from Hydrogen Exports, ACIL
2 The Royal Society. Ammonia: zero-carbon fertiliser, fuel
4 Innovation outlook. Renewable methanol. IRENA.
and energy store. The Royal Society. London, U.K., 2020.
282
Якубсон К. И.
ру несгоревших углеводородов и NOx.1 В настоящее
(PEM), использующих вместо газообразного водорода
время метанол используют во многих странах мира
жидкую смесь метанола и воды при температуре 80-
в бензиновых смесях в различных концентрациях, а
100°C. Электрическая эффективность метанольных
также в качестве добавки к дизельному топливу. Он
топливных элементов не превышает 40%, что огра-
также все чаще используется в качестве компонента,
ничивает область их практического использования
добавляемого в бензин вместе с этанолом, например,
преимущественно портативными устройствами не-
в Израиле и в Австралии. Использование метанола в
большой мощности.4 Система риформинга метано-
качестве добавки к бензину, в том числе содержаще-
ла, используемая для получения водорода, включает
му этанол, регламентируется национальными стан-
камеру сгорания, испаритель для нагрева и испарения
дартами многих стран2 [25-27]. Мировым лидером
топлива, риформер для проведения реакции рифор-
использования метанольного топлива на транспорте
минга и конвертер монооксида углерода в диоксид
является Китай. В 2018 г. в стране на эти цели было
углерода. Для очистки водорода от вредных примесей
затрачено 1.2 млн т метанола. Содержание метанола в
используют металлические мембраны на основе пал-
используемых в Китае топливных смесях составляет
ладия или его сплавов с другими металлами, которые
от 5 до 100% [25]. Один из ведущих автопроизводи-
обеспечивают высокую чистоту водорода и низкий
телей страны — Geely Group планирует ежегодно
уровень содержания в нем CO (<10 ppm), что делает
выпускать до 500 тыс. автомобилей, работающих
возможным его подачу в топливный элемент PEM,
на метанольном топливе. Привлекательность ис-
работающий при температуре порядка 80°C. При
пользования метанола в качестве моторного топлива
использовании высокотемпературных PEM (рабочая
во многом определяется возможностью использова-
температура 170°C) требования к допустимому содер-
ния для его транспортировки и хранения существу-
жанию монооксида углерода в водороде снижаются
ющей инфраструктуры, в том числе заправочных
почти в 1000 раз. Это позволяет отказаться от при-
станций.3
менения дорогостоящих палладиевых мембран для
Перспективным направлением применения мета-
его очистки [26, 27]. В настоящее время выполнено
нола является производство электроэнергии с исполь-
несколько пилотных проектов, подтвердивших воз-
зованием топливных элементов. Очевидным преиму-
можность эффективного применения топливных эле-
ществом метанольных топливных элементов является
ментов, работающих на основе конверсии метанола,
простота хранения и транспортировки метанола по
в автомобильной промышленности, в коммунальном
сравнению с транспортировкой водорода. При этом
хозяйстве для комбинированного производства тепла
возможно либо непосредственное преобразование
и электроэнергии, для электропитания телекоммуни-
метанола в электроэнергию в метанольных топливных
кационных систем взамен используемых сегодня ди-
элементах, либо путем предварительной конверсии
зельных генераторов, а также в морском секторе — на
метанола с получением газовой смеси, обогащенной
катерах и небольших туристических судах и паромах.5
водородом, и использования ее в водородных топлив-
По оценке МЭА, потребление водорода предприя-
ных элементах. Метанольный топливный элемент
тиями химической промышленности к 2030 г. увели-
(DMFC) представляет собой один из вариантов про-
чится примерно на 40% по сравнению с 2019-2020 гг.
тонообменных мембранных топливных элементов
и составит 63 млн т. К 2050 г. оно достигнет 83 млн т.6
В настоящее время химическая промышленность ге-
1 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
4 Methanol: properties and uses. Issued: March 2020.
2 Innovation outlook. Renewable methanol. IRENA.
5 Innovation outlook. Renewable methanol. IRENA.
Methanol price and supply/demand. Methanol Institute.
Methanol price and supply/demand. Methanol Institute.
6 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
3 Innovation outlook. Renewable methanol. IRENA.
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
283
нерирует около 600 млн т CO2, из которых две трети
Увеличение производства «голубого» водо-
обусловлено производством аммиака. На 1 т произве-
рода будет также стимулировать развитие и ком-
денного аммиака величина выбросов CO2 составляет
мерциализация технологий применения CO2 для
1.6-2.7 т CO2 для различных предприятий отрас-
получения конкурентоспособной продукции: стро-
ли. При производстве метанола величины выбросов
ительных материалов, химических промежуточных
CO2 изменяются от 0.8 до 3.1 т CO2 на 1 т метанола.
продуктов, топлива и полимеров4 [29]. Выполненная
Максимальные значения удельных выбросов CO2 ха-
в работе5 оценка рыночных перспектив этих про-
рактерны для предприятий, использующих в качестве
дуктов показала, что масштабное промышленное
энергетического сырья уголь. Так, в Китае средняя
использование технологий утилизации CO2 позволит
величина выбросов углекислого газа на аммиачных
сократить его выбросы к 2030 г. более чем на 10%.
заводах, работающих на угле, составляет 4.2 т CO2
Одним из перспективных направлений утилизации
на 1 т аммиака. Прогнозируют, что к 2025 г. эмиссия
CO2 является его закачка в нефтяные пласты для
углекислого газа при производстве аммиака и мета-
повышения их нефтеотдачи.6 В настоящее время в
нола увеличится еще на 3% и составит 635 млн т в
США на трех заводах, производящих аммиак, дей-
основном за счет быстро растущего производства ме-
ствуют установки по улавливанию CO2 общей мощ-
танола. Это делает снижение выбросов CO2, генери-
ностью 2 млн т CO2 в год, который по специальному
руемых предприятиями отрасли, одной из актуальных
трубопроводу поставляют на нефтяное месторож-
и важных задач декарбонизации мировой экономики.
дение.7
МЭА считает необходимым довести уровень ути-
Наиболее эффективным методом снижения выбро-
лизации этого источника эмиссии углекислого газа
сов CO2 является отказ от использования при произ-
до 70 и 540 млн т в 2030 и 2050 г.1 Можно выделить
водстве аммиака и метанола водорода, получаемого
несколько направлений решения этой задачи.
из органического сырья, и замена его «зеленым» элек-
Значительная часть эмиссии углекислого газа
тролизным водородом, углеродный след которого при
при производстве аммиака и метанола обусловлена
использовании электроэнергии от ветровых и атом-
использованием водорода, получаемого методами
ных электростанций составляет лишь 1.5 кг CO2 на
паровой конверсии природного газа и газификации
1 кг H2 [28]. Сегодня стоимость электролизного водо-
угля и характеризующегося высокими значениями
рода в среднем в 3 раза превосходит стоимость водо-
углеродного следа: в среднем 12.4 и 19.4 кг CO2 на
рода, получаемого методом паровой конверсии при-
1 кг H2 при использовании природного газа и угля
родного газа.8 По оценке экспертов Allen Consulting,
соответственно. Улавливание и утилизация образу-
уже к 2025 г. это соотношение составит 1.5-2.0 раза.9
ющегося CO2 позволяет уменьшить углеродный след
Динамика соотношения цен «зеленого» водорода и
водорода до 4.3-4.5 кг CO2 на 1 кг H2 [28]. В насто-
водорода, получаемого паровой конверсией метана, в
ящее время стоимость этого водорода примерно на
50% превышает стоимость водорода, получаемого
4 Global Roadmap for Implementing CO2 Utilization. CO2
из метана без улавливания углекислого газа.2 По по-
следнему прогнозу Hydrogen Council, к 2025-2030 гг.
это различие может стать минимальным при условии
существенного роста масштабов утилизации CO2 и
5 Там же.
ожидаемой величине налога на его выбросы около
6 Carbon dioxide enhanced oil recovery. Untapped do-
35-50 $ за тонну CO2.3
mestic energy supply and long term carbon storage solution.
1 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
7 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
prepared by the IEA for the G20, Japan. June 2019. https://
8 Hydrogen Insights. A perspective on hydrogen invest-
ment, market development and cost competitiveness. February
2021. Hydrogen Council, McKinsey & Company. https://
3 Hydrogen Insights A perspective on hydrogen investment,
9 Opportunities for Australia from Hydrogen Exports, ACIL
market development and cost competitiveness. February 2021.
284
Якубсон К. И.
значительной степени будет определяться величиной
условиями процесса Габера-Боша позволяет снизить
налога на выбросы углекислого газа. Прогнозируют,
на 25% потребление энергии.3
что если он составит около 50 $ за 1 т CO2 к 2030 г. и
Ожидаемый рост использования метанола при
150 $ к 2040 г., то паритет в их стоимости может быть
переходе в низкоуглеродной экономике стимулиро-
достигнут в период с 2028 по 2034 г.1 В настоящее
вал научные исследования по созданию альтерна-
время на стадии технико-экономической оценки и
тивной технологии производства метанола на ос-
проектирования находится несколько крупных проек-
нове гидрирования CO2 [33-36]. С учетом высокой
тов по промышленному производству «зеленого» ам-
термодинамической стабильности молекул CO2 для
миака и метанола в странах ЕС, в Австралии, США,
его эффективной конверсии в метанол необходимо
на Ближнем Востоке.2
использование дополнительной энергии и катализато-
Одним из перспективных направлений снижения
ров, обладающих соответствующей селективностью
выбросов CO2 в химической промышленности яв-
и активностью. С этих позиций рассматриваются
ляется усовершенствование существующих и разра-
возможности гидрирования CO2 на основе гомоген-
ботка новых технологий получения аммиака и мета-
ного и гетерогенного катализа, электрохимических
нола.
и фотокаталитических методов. Основные усилия
Традиционная технология синтеза аммиака (про-
исследователей сосредоточены на повышении эффек-
цесс Габера-Боша) требует значительных энергоза-
тивности применяемых и поиске новых катализато-
трат для получения необходимых для ее реализации
ров, в частности, гибридных каталитических систем,
высоких температуры (450°C) и давления (20 МПа).
содержащих молекулярный катализатор, иммобили-
Это определило интерес к разработке альтернатив-
зованный на углеродных нанотрубках. Стоимость
ных энергосберегающих технологий синтеза амми-
метанола, получаемого из CO2 с использованием
ака. Особенно интенсивно в последние годы разви-
«зеленого» электролизного водорода, примерно в
ваются исследования, направленные на разработку
1.5 раза превосходит стоимость метанола, получа-
электрохимических методов получения аммиака, что
емого по традиционной технологии. Это различие
отражает общий тренд на декарбонизацию и элек-
определяется в основном стоимостью производства
трификацию химической промышленности [30-32].
водорода, которая в перспективе будет снижаться.
В настоящее время Минэнерго США финансирует не-
В настоящее время действует несколько пилотных
сколько проектов по электрохимическому синтезу ам-
установок по производству метанола на основе ги-
миака, в которых аммиак получают с использованием
дрирования CO2. Исландская компания Carbon
электролизного водорода либо воды и мембранных
Recycling International (CRI) — технологический
реакторов различной конструкции: с протонопрово-
лидер в этой области разрабатывает проект завода,
дящими керамическими, щелочными (гидроксидоб-
который будет перерабатывать в метанол 160 тыс. т
менными) и металлическими мембранами [32]. Так, в
углекислого газа в год.4
технологии, предложенной австралийской компанией
Масштабное использование для получения во-
CSIRO ENERGY, синтез аммиака осуществляется
дорода в химической промышленности парового
в мембранном реакторе при давлении 1-3 МПа и
риформинга природного газа и электролиза воды
температуре 450°C. Уменьшение рабочего давления
имеет серьезные ресурсные ограничения. По оценкам
более чем в 10 раз по сравнению со стандартными
экспертов МЭА, для производства прогнозируемого
к 2030 г. объема аммиака и метанола потребуется
примерно 230 млрд м3 природного газа (около 10%
1 Hydrogen Insights. A perspective on hydrogen invest-
мирового спроса сегодня), 3020 ТВт·ч в год допол-
ment, market development and cost competitiveness. February
нительной электроэнергии (около 11% сегодняш-
2021. Hydrogen Council, McKinsey & Company. https://
ней мировой выработки электроэнергии) и около
0.6 млрд м3 воды в год (примерно 1% от общего по-
2 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
требления воды в энергетическом секторе сегодня).
3 CSIRO Hydrogen to Ammonia R&D Project. Energy
Technologies Program, Energy Business Unit. Report num-
Mapping of Zero Emission Pilots and Demonstration
Projects Second edition. Getting to Zero Coalition. March
4 Projects emissions to liquids technologies -CRI- Carbon
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
285
Для промышленной реализации этих проектов по-
роких пределах в основных странах-производителях
требуется построить к 2030 г. не менее 450 установок
стали. В Китае оно составляет 88% к 12%, в США —
для улавливания CO2 единичной мощностью 1 млн т
32% к 68%, в ЕС (среднее по 28 странам) — 58% к
CO2 в год и 3500-4000 электролизеров единичной
42%. При проведении доменного процесса образует-
мощностью 100 МВт.1 Очевидно, что производство
ся значительное количество CO2 — в среднем 1.8 т
«голубого» и «зеленого» аммиака и метанола требу-
CO2 на 1 т произведенной стали, из которых порядка
ет значительных капиталовложений и должно, осо-
60% — при плавке чугуна в доменных печах и 30% —
бенно в начальный период, стимулироваться госу-
при производстве кокса [37]. Величины выбросов
дарством.2
CO2 при применении технологии EAF практически
полностью определяются значениями углеродного
следа используемой электроэнергии. Для европей-
Использование водорода
ской сталелитейной промышленности выбросы в
в сталелитейной промышленности
среднем составляют 500-600 кг CO2 на 1 т стали [38,
По данным Всемирной ассоциации стали (World
39]. В последнее годы в ряде стран (Индия, Ближний
Steel Association), мировое производство стали за
Восток, Иран, США) в качестве сырья для процесса
последние 20 лет увеличилось почти в 3 раза и до-
EAF наряду с металлоломом начали использовать
стигло в 2019 г. 1 869 млн т. Мировым лидером ста-
железо, полученное методом прямого восстановления
лелитейной промышленности является Китай, где в
железной руды (DRI). В настоящее время на долю
2019 г. было произведено 996.3 млн т стали (53.3%
технологии DRI-EAF приходится до 7% мирового
мирового производства). Другие страны — крупные
производства стали.7 В качестве восстановителя для
производители стали существенно уступают Китаю:
металлизации железной руды и получения DRI ис-
в Индии в 2019 г. было произведено 111.2 млн т ста-
пользуют синтез-газ, получаемый паровой конверси-
ли, в США — 87.9 млн т, в странах Европейского
ей метана, или чистый водород. Замена металлолома
Союза — 159.4 млн т.3 По мнению экспертов МЭА,
на DRI при выплавке стали в электропечах приводит
«под влиянием роста населения и ВВП мировой
к увеличению выбросов CO2 до 1270 кг CO2 на 1 т
спрос на сталь, вероятно, будет продолжать расти,
стали при восстановлении железной руды метаном и
особенно из-за экономического роста в Индии, в
примерно до 1000 кг CO2 на 1 т стали при использо-
странах Юго-Восточной Азии и Африки, даже не-
вании для этого водорода, получаемого электролизом
смотря на постепенное снижение спроса в Китае».4
воды сетевой электроэнергией [40].
Прогнозируют, что к 2050 г. мировое производство
В 2020 г. выбросы CO2 предприятиями черной
стали может достигнуть 2.5 млрд т.5
металлургии достигли 2.4 млрд т. МЭА в дорож-
Основными технологиями производства стали,
ной карте достижения нулевых выбросов к 2050 г.
используемыми сегодня в мировой сталелитейной
считает необходимым уменьшить их величину до
промышленности, являются технологии BF-BOF (по-
1.8 млрд т к 2030 г. и до 0.2 млрд т к 2050 г.8 Это
следовательное проведение доменного и кислород-
потребует существенной технологической модерни-
но-конвертерного процессов) и EAF (плавление ме-
зации предприятий отрасли [41, 42]. Одной из перво-
таллолома в дуговых и индукционных электропечах).
очередных задач модернизации является повышение
В последние годы примерно 70% сырой стали произ-
энергоэффективности производства стали. По оценке
водят с использованием технологии BF-BOF и 30%
МЭА, потенциал энергосбережения современных
технологии EAF.6 Это соотношение изменяется в ши-
технологий, используемых в черной металлургии, в
среднем составляет 20%.9 Применение разработан-
1 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
7 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
2 Там же.
8 Net Zero by 2050.A Roadmap for the Global Energy Sector. IEA.
4 Iron and steel. More efforts needed. Tracking report. IEA,
5 Там же.
6 World steel in figures 2019. World Steel Association 2019.
9 Energy technology transitions for industry. Strategies for
the next industrial revolution. IEA, 2009. P. 324. https://doi.
286
Якубсон К. И.
ных к настоящему времени наилучших доступных
54 млн т к 2050 г.4 Часть произведенного водорода
технологий позволяет реализовать значительную его
планируют использовать для снижения выбросов
часть, что приведет к снижению выбросов CO2 на
CO2 при производстве чугуна. Для этого предлагается
15-20% [42]. Другим перспективным направлением
обогащать коксовый газ водородом и применять его
снижения углеродоемкости производства стали явля-
для восстановления железной руды в доменной печи.5
ется увеличение доли стали, получаемой плавлением
Японская федерация черной металлургии планирует
металлолома в электропечах. Прогнозируют, что в
подготовить к 2030 г. демонстрационный проект по
электропечах в 2030 г. будут производить 38% стали,
использованию этой технологии с одновременным
в 2050 г. — 46%.1 В настоящее время помимо плав-
улавливанием CO2 из доменного газа, что должно
ления в электропечах разрабатывается технология
привести к сокращению выбросов CO2 на единицу
прямого электролиза железной руды, которая уже
произведенной стали на 30%.6
подтвердила свою эффективность в цветной метал-
В настоящее время водород, используемый для
лургии [43].
производства стали, получают методами паровой
Мировые ресурсы лома имеют естественные огра-
конверсии метана и газификации угля, приводящи-
ничения и весьма неравномерно распределяются
ми к значительным выбросам CO2. Для достижения
между странами-производителями стали. Поэтому
намеченных целей декарбонизации металлургиче-
можно ожидать, что производство стали на основе
ской промышленности необходимо его постепенное
процесса DRI-EAF будет увеличиваться. По прогно-
замещение «зеленым» водородом [39-41, 42]. Его
зу экспертов банка HSBC (Hongkong and Shanghai
производство потребует использования значитель-
Banking Corporation), к 2060 г. производство DRI
ного количества электроэнергии, генерируемой с
будет лишь на 30% меньше производства стали из
использованием возобновляемых источников энер-
металлолома.2 Использование DRI в электропечах
гии. Например, для реализации планов декарбони-
вместо металлолома позволяет получать сталь более
зации сталелитейной промышленности стран ЕС и
высокого качества, поскольку DRI содержит суще-
Великобритании ежегодная потребность в «зеленой»
ственно меньше таких вредных примесей, как S, Cu,
электроэнергии составит 55, 143 и 183 ТВт·ч в 2030,
Sn, Ni, Cr, Mo. Восстановленное железо DRI в виде
2040 и 2050 г. соответственно.7 По оценке МЭА, пол-
горячего брикетированного железа может также за-
ный отказ от использования органического топлива
менять часть железной руды при получении чугуна в
при получении водорода в мировой металлургиче-
доменной печи. Это позволяет уменьшить потребле-
ской промышленности потребует дополнительного
ние кокса и приведет к снижению выбросов CO2 [44].
расхода электроэнергии порядка 2500 ТВт·ч в год,
Важная роль в декарбонизации черной металлургии
что составляет около 9% мирового спроса на элек-
принадлежит водороду. В 2020 г. для получения же-
троэнергию сегодня.8 В настоящее время на несколь-
леза прямым восстановлением DRI было использо-
вано около 5 млн т водорода.3 Прогнозируют, что к
4 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
2050 г. около 60% выплавки стали в электропечах
будут проводить с использованием железа, восста-
новленного водородом. Это потребует увеличения
его потребления примерно до 19 млн т к 2030 г. и до
5 Analyzing future demand, supply, and transport of hy-
drogen. June 2021. European Hydrogen Backbone. https://
1 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
6 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
2 Steel for the Future: The transition to responsible, zero
7 Analyzing future demand, supply, and transport of hy-
carbon steel making. Report by: HSBC Centre of Sustainable
drogen. June 2021. European Hydrogen Backbone. https://
8 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
287
ких сталелитейных заводах в Австрии, Швеции и
делового совета по устойчивому развитию (World
Германии уже приступили к реализации проектов по
Business Council for Sustainable Development) отно-
производству «зеленого» водорода, который будет
сят к прямым выбросам CO2 цементных заводов. Из
использован для получения DRI [45].
них 30-40% обусловлены сжиганием ископаемого
топлива с целью получения тепловой энергии, необ-
ходимой для образования клинкера, и 60-70% — в
Использование водорода
результате термического разложения известняка на
при производстве цемента
CaO и CO2 5 [47]. Ископаемое топливо, используемое
Цемент — один из наиболее востребованных в
в настоящее время на цементных заводах, в основном
мире промышленных товаров. По объему произ-
состоит из угля и нефтяного кокса.6 Поэтому его за-
водства он значительно превосходит сталь, алюми-
мена альтернативными видами топлива с меньшим
ний и другие металлы, древесину, пластик [46]. За
содержанием углерода является необходимым усло-
последние 20 лет его производство увеличилось в
вием декарбонизации цементной промышленности.
2.4 раза: с 1.7 млрд т в 2000 г. до 4.1 млрд т в 2019 г.1
В качестве альтернативного топлива рассматриваются
Прогнозируют, что в результате продолжающего-
природный газ, биомасса, включая возобновляемые
ся увеличения численности населения и развития
органические отходы различного происхождения,
процесса урбанизации к 2050 г. его производство
водород и электроэнергия. Сегодня из перечисленных
может вырасти на 12-23%. При использовании суще-
видов альтернативного топлива на цементных заво-
ствующих технологий при производстве 1 т цемента
дах в небольших объемах применяют природный газ
образуется в среднем около 0.6 т CO2.2 С учетом мас-
(15%) и биомассу (5%). В соответствии с прогнозом7
штабов мирового производства цемента это делает
уже к 2040 г. на цементных заводах за счет сжигания
цементную промышленность одним из крупнейших
водорода (в чистом виде или путем добавления к
эмитентов CO2: в 2019 г. на нее приходилось при-
используемому топливу) будут производить до 10%
мерно 7% от величины глобальных выбросов CO2
необходимой тепловой энергии, к 2050 г. доля во-
(2.4 млрд т).3 Поэтому декарбонизация производства
дорода при производстве клинкера увеличится до
цемента является одной из приоритетных задач про-
15%. Прогнозируют, что использование водорода
граммы достижения мировой экономикой к 2050 г.
в цементной промышленности в 2030 г. составит
нулевых выбросов CO2.4
2 млн т и к 2050 г. достигнет 12 млн т.8 Уже сегод-
Производство цемента является многостадийным
процессом, в основе которого лежит термическое
5 Cement Sector Scope 3 GHG Accounting and
разложение известняка при температуре примерно
Reporting Guidance. World Business Council for Sustainable
900°С с получением окиси кальция и ее последую-
щее спекание с глиной при температуре 1450°C с
образованием клинкера — основного компонента
бетона. CO2, образующийся на этих стадиях техно-
6 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
логического процесса, по классификации Всемирного
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
1 USGS (United States Geological Survey) (2020), Mineral
Industry Surveys: Cement in May 2020, US Department of the
2 Technology roadmap — low-carbon transition in the ce-
7 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
3 Energy Technology Perspectives. IEA, 2020. https://
4 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
288
Якубсон К. И.
ня один из крупнейших мировых производителей
алит, один из основных компонентов портландцемен-
цемента — компания CEMEX начала использовать
та. Одновременно с твердыми продуктами реакции
водород в качестве компонента топливных смесей на
в реакторе возникают концентрированные потоки
всех принадлежащих ей заводах в Европе и активно
высокочистых газов: смеси O2 и CO2 на аноде и H2 на
внедряет эту технологию в других странах. Компания
катоде. Образующиеся газы могут быть эффективно
поставила цель осуществить к 2050 г. полную декар-
использованы для различных технологических опера-
бонизацию своей продукции.1
ций на заводе, например для производства электро-
Использование альтернативных видов топлива
энергии на основе водородных топливных элементов,
является лишь одним из возможных направлений
или реализованы на рынке. Наряду с технологиче-
уменьшения выбросов CO2 при производстве цемен-
скими инновациями важную роль при сокращении
та. Расход топлива для получения клинкера может
выбросов CO2 предприятиями цементной промыш-
быть также уменьшен за счет повышения эффек-
ленности будет играть его улавливание и утилизация.
тивности оборудования для термической обработки
По прогнозу МЭА,3 это направление начнет активно
сырья [48], оптимизации состава цемента. В насто-
развиваться после 2030 г., и к 2070 г. 80% цементных
ящее время среднее содержание клинкера в цементе
заводов будет оснащено установками улавливания
составляет 71%, к 2030 г. прогнозируют его снижение
CO2, что обеспечит 60% общего снижения выбросов
до 65% и к 2050 г. до 57%.2 Для этого часть клинке-
углекислого газа предприятиями отрасли.
ра в цементе может быть заменена летучей золой
угольных электростанций, доменным шлаком либо
Использование водорода
такими природными материалами, как вулканический
в транспортном секторе
пепел. Так, в странах ЕС в настоящее время 80%
всего доменного шлака, получаемого в металлургиче-
Мировой транспортный сектор в результате сжи-
ской промышленности, используют для производства
гания бензина и дизельного топлива генерирует 24%
цемента [49]. Прогнозируют, что к 2050 г. в связи с
глобальных выбросов CO2: в 2020 г. они составили
практически полным закрытием угольных электро-
7.2 млрд т. В дорожной карте развития мировой энер-
станций и сокращением использования доменных
гетики, обеспечивающей достижение углеродной
процессов в металлургии основными компонентами,
нейтральности к 2050 г., обозначены следующие це-
замещающими клинкер в смесевых цементах, будут
левые ориентиры снижения выбросов транспортным
известняк и обожженная глина.
сектором: до 5.7 млрд т в 2030 г., 2.7 млрд т в 2040 г.
Рассмотренные выше направления снижения вы-
и 0.7 млрд т в 2050 г. Для этого необходимо суще-
бросов CO2 в цементной промышленности не за-
ственное изменение структуры источников энергии,
трагивают принципиальных основ получения клин-
используемых транспортными средствами. В настоя-
кера путем термического разложения известняка.
щее время более 90% необходимой энергии они полу-
Возможной альтернативой традиционной технологии
чают из органического топлива. Прогнозируют, что к
производства клинкера является электрохимический
2040 г. доля этого источника энергии сократится прак-
метод, разрабатываемый в Массачусетском техноло-
тически в 2 раза, до 50%, а в 2050 г. составит лишь
гическом институте [50]. В результате электролиза
10%. Одновременно будет возрастать роль электро-
воды в электрохимическом реакторе создается гра-
энергии и альтернативных видов топлива. К 2050 г.
диент рН. При этом на аноде при низком значении
доля электроэнергии достигнет 45%, водородного
pH происходит декарбоксилирование размолотого
топлива — 30%, биотоплива — 15%.4 Водород может
CaCO3, а на катоде при высоком pH в осадок выпа-
быть использован как топливо для транспорта в раз-
дает твердый гидроксид кальция — Ca(OH)2. При
личных формах, как альтернативный вид топлива для
нагревании с диоксидом кремния (SiO2) он образует
двигателей внутреннего сгорания, преобразованный
в метанол и аммиак, для выработки электроэнергии
1 CEMEX to deploy hydrogen technology through-
3 Energy Technology Perspectives. IEA, 2020. https://
2 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
4 Hydrogen Insights. A perspective on hydrogen invest-
ment, market development and cost competitiveness. February
2021. Hydrogen Council, McKinsey & Company. https://
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
289
с помощью топливных элементов. Применение во-
вить 30%. Выполнение этих условий позволит сни-
дорода для различных видов транспорта имеет свою
зить выбросы CO2, генерируемого дорожным транс-
специфику, определяемую технологическими и эко-
портом, до 0.5 млрд т на 90% по сравнению с 2020 г.
номическими факторами.
Предполагается, что для зарядки аккумуляторов и
Дорожный транспорт. На дорожные транспорт-
производства водорода будут использовать электро-
ные средства (легковые автомобили, грузовики,
энергию от возобновляемых источников энергии.4
автобусы и мотоциклы) приходится три четверти
По данным [51], на конец 2020 г. в мире было 34 млн
выбросов, генерируемых транспортным сектором.1
804 тыс. электромобилей на топливных элементах, из
При этом около 60% выбросов углекислого газа об-
которых 65% в Азии (Китай, Япония, Южная Корея),
условлено пассажирским, в первую очередь город-
27% в Северной Америке, 8% в Европе. Только за
ским транспортом и 40% грузовым транспортом.2
последние 3 года их количество выросло в 2.7 раза.
Международный транспортный форум (The Inter-
В 2020 г. более 90% электромобилей на топливных
national Transport Forum) прогнозирует существен-
элементах использовалось для перевозки пассажиров
ный, более чем в 2 раза, рост пассажирских и гру-
(легковые автомобили — 75% и автобусы — 16%) и
зовых перевозок к 2050 г. Отмечается, что выбросы
лишь 9% — для перевозки грузов. Водородный со-
CO2 от транспорта увеличатся на 16% к 2050 г., даже
вет прогнозирует, что к 2030 г. количество легковых
если сегодняшние обязательства по декарбониза-
электромобилей на топливных элементах увеличится
ции транспорта будут полностью выполнены — по-
до 10-15 млн, грузовиков — до 500 тыс. К 2050 г.
скольку ожидаемое сокращение выбросов не сможет
количество легковых автомобилей на топливных
скомпенсировать ожидаемый рост перевозок.3 В ка-
элементах достигнет 400 млн, автобусов — 5 млн,
честве основных направлений декарбонизации транс-
грузовиков — 15-20 млн.5 Доля рынка дорожного
портных средств в настоящее время рассматривают
транспорта на топливных элементах составит около
использование электромобилей на аккумуляторных
17% к 2050 г.6
батареях и на водородных топливных элементах,
Для развития и эффективного функционирования
автомобилей с двигателями внутреннего сгорания,
электромобильного дорожного транспорта необхо-
работающими на водородном топливе, биотопливе
димо опережающее создание соответствующей ин-
или синтетическом топливе.
фраструктуры для его заправки. В настоящее время
Для достижения углеродной нейтральности авто-
в мире работает 540 водородных заправочных стан-
мобильного транспорта к 2050 г. МЭА считает необ-
ций, из которых 278 расположено в Азии, 190 — в
ходимым уже к 2030 г. довести до 62% долю легковых
Европе и 68 — в Северной Америке. За последние
электромобилей и до 30% долю грузовых автомоби-
три года количество водородных заправок увеличи-
лей с низким уровнем выбросов CO2. Предполагается,
лось в 1.4 раза, что почти в 2 раза меньше темпов
что практически все легковые электромобили будут
роста мирового парка электромобилей на топливных
работать на аккумуляторных батареях и около 5%
элементах. Прогнозируют, что к 2030 г. количество
грузового транспорта будет использовать водород.
водородных заправочных станций будет увеличено до
К 2050 г. пассажирский транспорт должен быть пол-
18 тыс. и к 2050 г. до 40 тыс.7 Затраты на строитель-
ностью безуглеродным, причем доля использова-
ния водорода возрастет до 8%. При достижении 90%
4 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
уровня обезуглероживания грузового транспорта к
2050 г. доля использования водорода должна соста-
1 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
5 Hydrogen Insights A perspective on hydrogen investment,
market development and cost competitiveness. February 2021.
6 Global Roadmap for Implementing CO2 Utilization. CO2
Carbon dioxide emissions from passenger road
transportation worldwide between 2010 and 2020 | Statista.
7 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
290
Якубсон К. И.
ство водородных заправок существенно превышают
мого груза, допустимому времени простоя, наличие
стоимость строительства заправок как для электро-
и доступность инфраструктуры для восполнения
мобилей, так и для автотранспорта на органическом
энергоресурса электромобилей. Энергия сжатого во-
топливе. Это определяется не только высокой сто-
дорода на единицу массы составляет почти 40 кВт·ч
имостью резервуаров для хранения водорода, но и
на 1 кг, для современных литий-ионных батарей — в
необходимостью выделения для их строительства
150 раз меньше, 260 Вт·ч на 1 кг. Это приводит к
заправок земельных участков, примерно в 7 раз пре-
тому, что при одинаковой дальности движения вес
восходящих размеры участков для традиционных
аккумуляторных батарей существенно превосхо-
заправок. В настоящее время стоимость строитель-
дит суммарный вес топливных элементов и баков
ства водородной заправочной станции в зависимо-
со сжатым водородом. Например, суммарный вес
сти от объема хранящегося водорода оценивается в
топливных элементов, баков с водородом и вспо-
0.6-2 млн. $ для резервуаров с давлением 70 МПа и
могательной батареи тяжелого грузовика Xcient FC
0.15-1.6 млн. $ при давлении 35 МПа.1 Еще более до-
компании Hyundai, обеспечивающих перевозку груза
рогостоящим является сооружение заправочных стан-
на расстояние 400 км, составляет 1 т. Вес необхо-
ций, где водород хранится в сжиженном состоянии.
димого для этого аккумулятора 3 т, что приводит к
Первая такая станция уже построена в Калифорнии
соответствующему уменьшению веса перевозимо-
компанией Linde.2
го груза [54]. Возможность увеличения дальности
Водород для заправки автомобилей можно произ-
перевозок без существенного снижения грузоподъ-
водить непосредственно на заправочных станциях с
емности делает электромобили на топливных эле-
использованием возобновляемых источников энергии
ментах приоритетным транспортным средством для
или доставлять специализированным автомобильным
перевозки тяжелых грузов на большие расстояния
транспортом. Анализ экономической эффективности
[54-56]. Прогнозируют, что в странах ЕС водород-
различных способов доставки водорода (в сжатом
ные топливные элементы будут обеспечивать энер-
или сжиженном состоянии) показал, что транспор-
гией 5, 30 и 55% грузовых автомобилей в 2030, 2040
тировка сжатого водорода конкурентоспособна при
и 2050 г. соответственно [57]. Еще одним важным
расстояниях от места производства или хранения,
преимуществом электромобилей на топливных эле-
не превышающих 130 км, при больших расстояниях
ментах является небольшое время, необходимое для
водород выгоднее транспортировать в виде жидко-
заправки их водородом, обычно не превышающее
сти [52]. При этом должно быть обеспечено отсут-
15 мин. Полная зарядка аккумулятора электромоби-
ствие в водороде примесей, которые могут снизить
ля занимает сегодня от 4 до 8 ч, при использовании
надежность работы топливных элементов [53].
технологии «быстрой зарядки» легковых автомо-
Реализация масштабных планов по созданию ин-
билей типа Tesla это время может быть уменьшено
фраструктуры для обеспечения водородом дорожного
до 40 мин [57]. Этим определяется эффективность
транспорта требует значительных инвестиций и мер
использования топливных элементов в транспорт-
государственной поддержки.3 При оценке эффектив-
ных средствах, работающих в интенсивном режиме,
ности использования электромобилей на батареях и
с минимальными простоями: такси, городские ав-
топливных элементах для перевозки пассажиров и
тобусы, небольшие грузовики (фургоны)4 [57, 58].
грузов необходимо учитывать их соответствие тре-
По прогнозу Международного энергетического
бованиям к дальности перевозок и весу перевози-
агентства, широкое использование топливных эле-
ментов в различных сегментах дорожного транспорта
начнется после 2030 г.5 Ожидают, что к этому време-
1 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
4 European hydrogen backbone. Analyzing future de-
mand, supply and transport of hydrogen. June 2021. https://
2 Power boost for fueling stations with liquid H2. https://
Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
3 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
5 European hydrogen backbone. Analyzing future de-
mand, supply and transport of hydrogen. June 2021. https://
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
291
ни полная стоимость владения электромобилями с
ным транспортом с 95 млн т в 2020 г. практически до
топливными элементами и батареями, учитывающая
нуля к 2050 г.4 Традиционный путь электрификации
все капитальные и операционные затраты, достигнет
железных дорог связан с большими капитальными за-
паритета и будет меньше, чем аналогичная величина
тратами, обусловленными установкой и регулярным
для автомобилей, работающих на ископаемом топли-
ремонтом воздушных линий электропередачи. По
ве.1 Использование батарей и топливных элементов
данным Ассоциации железнодорожной промышлен-
для декарбонизации транспортных средств имеет
ности Великобритании (Railway Industry Association),
определенные ограничения как по уровню допусти-
стоимость электрификации 1 км железных дорог в
мой температуры и вибрации, так и по величине соз-
стране составляет 1.5-2.5 тыс. £.5 Это определяет
даваемой мощности, которая даже для тяжелых гру-
интерес, проявляемый к использованию на железно-
зовиков не превосходит несколько сотен кВт [53, 58].
дорожном транспорте электрических батарей и водо-
Это практически исключает возможность электрифи-
родных топливных элементов. По мнению экспертов,
кации таких видов внедорожного транспорта, широко
электропоезда на топливных элементах обладают
применяемых в горнодобывающей и строительной
следующими основными преимуществами [61]:
промышленности, как карьерные самосвалы, погруз-
— поезда, работающие на водороде, заправляются
чики, бульдозеры и экскаваторы. В частности, для
менее чем за 20 мин и могут работать более 18 ч без
работы карьерных самосвалов необходимы двигатели
дополнительной заправки;
мощностью 3 МВт и более. По мнению экспертов
— поезда с батарейным питанием имеют мень-
McKinsey & Company, наиболее эффективным спо-
шую дальность действия и большое время простоя,
собом декарбонизации этих транспортных средств
необходимое для подзарядки батарей;
является замена ископаемого топлива водородом [58].
— водородные поезда имеют более низкую общую
Возможность надежной, устойчивой работы двига-
стоимость эксплуатации как по сравнению с дизель-
телей внутреннего сгорания на водородном топливе
ными поездами, так и с поездами, получающими
обоснована и подтверждена многочисленными ис-
электроэнергию по проводным линиям электропе-
следованиям, проводившимися в течение нескольких
редач;
десятилетий [59, 60]. В настоящее время несколько
— электропоезда на топливных элементах с эко-
автомобильных и моторостроительных компаний
номической точки зрения целесообразно использо-
разрабатывают специализированные дизельные дви-
вать в первую очередь на неэлектрифицированных
гатели, работающие на водороде.2
железнодорожных маршрутах дальностью до 100 км,
Железнодорожный транспорт. Одним из основ-
на участках железных дорог с низкой загрузкой (до
ных трендов развития мирового железнодорожного
10 составов в день), а также на трансграничных же-
транспорта уже в течение многих лет является уве-
лезных дорогах, поскольку они могут работать не-
личение доли электропоездов.3 В настоящее время
зависимо от уровня напряжения контактной сети,
электроэнергия обеспечивает 46% энергопотребления
который различается во многих странах;
на этом виде транспорта. Прогнозируют, что к 2030 г.
— возможные области использования топлив-
доля электроэнергии возрастет до 65% и к 2050 г.
ных элементов в железнодорожном транспорте су-
достигнет 96%, из которых 5% будет обеспечено во-
щественно расширяются при их совместном при-
дородными топливными элементами. Это позволит
менении с электрическими батареями (гибридные
снизить выбросы углекислого газа железнодорож-
электропоезда), в частности увеличивается их грузо-
подъемность, дальность и скорость движения, при-
мерно на 30% снижается энергопотребление [62];
— поезда на топливных элементах, как и другие
1 Fueling the future of mobility. Hydrogen and fuel cell
типы электропоездов, характеризуются существен-
но меньшим уровнем шума и вибрации по сравне-
2 Cummins begins testing of hydrogen fueled internal com-
4 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
3 The future of rail opportunities for energy and the envi-
5 RIA Electrification Cost Challenge. 14 March 2019.
292
Якубсон К. И.
нию с поездами на дизельном топливе и поэтому
ло 12% от общего объема выбросов в транспортном
не оказывают негативного воздействия на человека,
секторе.5
что особенно существенно для железнодорожного
В 2018 г. Международной морской организацией
транспорта, маршруты которого проходят рядом с
(International Maritime Organization) была сформули-
населенными пунктами [63].
рована стратегия, призванная обеспечить к 2030 г.
В настоящее время в Германии (Нижняя Саксония)
сокращение выбросов углекислого газа морскими
между несколькими городами уже курсирует поезд
судами на 40% по сравнению с 2008 г. и достичь со-
на водородных топливных элементах, созданный
кращения на 70% к 2050 г. (примерно до 300 млн т).
совместными усилиями компаний Alstoma (Франция)
На первом этапе, в краткосрочной и среднесрочной
и Siemens (Германия). В 2021 г. в Германии планиру-
перспективе, основные усилия будут сосредоточены
ют начать эксплуатацию еще 14 подобных поездов.
на реализации комплекса технических и организа-
В 2022 г. «водородные» поезда должны появиться
ционных мер, которые должны повысить энерге-
на железных дорогах Франции и Великобритании.
тическую эффективность судов и оптимизировать
Программа декарбонизации экономики Европейского
логистику перевозок. На втором этапе, в долгосроч-
Союза ставит амбициозные задачи по использова-
ной перспективе, помимо дальнейшего совершен-
нию водорода, преимущественно «зеленого», на же-
ствования этих мер планируется постепенная замена
лезнодорожном транспорте: планируется, что уже к
части сжигаемых углеводородов альтернативными
2030 г. доля поездов на топливных элементах должна
видами топлива, характеризующимися существен-
достигнуть 40%, в первую очередь за счет перевода
но меньшим углеродным следом.6 В обзоре [64] на
на водородное топливо пассажирских поездов. Это
основе анализа 150 опубликованных работ оценено
потребует опережающего развития соответствующей
потенциальное влияние 22 различных технических
инфраструктуры, в первую очередь хранилищ водо-
и организационных мер на снижение выбросов угле-
рода и заправочных станций на железнодорожных
кислого газа при эксплуатации морских судов за счет
трассах.1
уменьшения удельного расхода топлива. К числу та-
Морской транспорт. Морской транспорт осу-
ких мер относится усовершенствование конструкции
ществляет 75% мировых грузоперевозок. За послед-
корпуса судов, улучшающее их гидродинамические
ние 20 лет общий вес грузов, перевезенных морским
характеристики, повышение эффективности силовых
транспортом, увеличился в 2 раза: с 5984 млн т в
установок, в том числе за счет использования допол-
2000 г. до 11 076 млн т в 2019 г.2 При сохранении су-
нительных электродвигателей для работы при малых
ществующих темпов роста грузоперевозки морским
скоростях движения, уменьшение скорости движения
транспортом могут увеличиться к 2050 г. почти в
судов и др. Возможное уменьшение выбросов CO2
3 раза.3 В отличие от дорожного и железнодорожного
при применении рассмотренных мер в большинстве
транспорта практически всю энергию, необходимую
случаев не превосходит 10-20%. Эффективность тех-
для работы морского транспорта, получают в резуль-
нических мер существенно повышается при их со-
тате сжигания углеводородного топлива. В 2019 г. на
вместном использовании. В полной мере этот подход
это было израсходовано 180 млн т мазута, 45 млн т
может быть реализован при проектировании и стро-
морского дизельного топлива и морского газойля,
ительстве новых судов. Прогнозируют, что к 2040 г.
0.1 млн т сжиженного природного газа.4 Это привело
выбросы CO2 вновь построенными многоцелевыми
к эмиссии в 2020 г. 880 млн т CO2, что составило око-
грузовыми судами (сухогрузами) будут на 40% мень-
ше по сравнению с судами этого типа, эксплуатиру-
1 RIA Electrification Cost Challenge. 14 March 2019.
5 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
2 Review of Maritime Transport 2020. United Nations
Conference on Trade and Development (UNCTAD 2020).
6 Resolution MEPC.304(72) (Adopted on 13 April 2018):
3 ITF Transport Outlook 2019, OECD Publishing. https://
Initial IMO Strategy on Reduction of GHG Emissions from
4 Energy Technology Perspectives. IEA, 2020. https://
Maritime Forecast to 2050 Energy Transition Outlook
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
293
емыми в настоящее время. Срок службы различных
оборудование. Прогнозируемый перевод значитель-
типов морских судов составляет 20-35 лет. В 2019 г.
ной части морских судов на аммиачное топливо по-
75-78% судов, перевозящих наиболее тяжелые грузы
требует существенного увеличения производства ам-
и являющихся основными эмитентами углекислого
миака. По оценке,5 для перевода 30% действующих в
газа (контейнеровозы, танкеры и сухогрузы), имели
настоящее время судов на аммиачное топливо потре-
возраст менее 14 лет.1 Их вывод из эксплуатации и
буется увеличивать производство низкоуглеродного
замена более совершенными новыми судами потре-
аммиака («голубого» и «зеленого») на 150 млн т в год.
бует значительного времени [65] и в значительной
Одновременно необходимо будет создавать дополни-
степени будет определять темпы декарбонизации
тельную наземную инфраструктуру транспортировки,
морского флота.
хранения и бункеровки аммиака [66]. Организация
МЭА считает необходимым снижение выбросов
производства «зеленого» аммиака непосредственно в
CO2 морским транспортом на 6% в год, что позволит
портах позволит снизить его стоимость для морских
довести их к 2050 г. до 120 млн т.2 Это в 2.5 раза
судов. Этот подход начали реализовывать в Марокко,
меньше уровня выбросов, планируемых к этому сро-
где определены порты, перспективные для произ-
ку Международной морской организацией. В соответ-
водства и хранения «зеленого» аммиака. Одним из
ствии с дорожной картой, разработанной экспертами
них является порт Иорф-Лафар, в котором плани-
МЭА, уже в 2030 г. 17% энергии, используемой мор-
руют производить 700 т аммиака в сутки, используя
скими судами, будет получено за счет низкоуглерод-
возобновляемую электроэнергию от установленных
ных видов топлива: аммиака (8%), водорода (2%) и
там солнечных панелей мощностью 300 МВт. Для
биотоплива (7%). К 2050 г. их доля в энергопотре-
производства «зеленого» аммиака, необходимого для
блении морского транспорта возрастет до 84%, из
заправки всех крупных судов, проходящих через пор-
которых 46% придется на аммиак, 17% на водород и
ты Марокко, потребуется 280 МВт·ч электроэнергии.
21% на биотопливо.3 Эксперты Организации эконо-
Это составляет менее 1% от потенциала производства
мического сотрудничества и развития (Organisation
возобновляемой (ветровой и солнечной) электро-
for Economic Cooperation and Development) предпо-
энергии страны [67]. Применение аммиака в качестве
лагают, что к 2035 г. реально уменьшить выбросы
топлива для двигателей внутреннего сгорания, кото-
углекислого газа от морского судоходства на 80% за
рые сегодня являются основными двигательными
счет замены 70% ископаемого топлива аммиаком и
установками на морских судах, требует решения ряда
водородом, 22% — биотопливом.4
технологических и экологических проблем. Аммиак
Во всех сценариях декарбонизации морского
имеет более высокую температуру самовоспламене-
транспорта ведущая роль отводится использованию
ния и более низкую ламинарную скорость распро-
аммиака в качестве судового топлива. В настоящее
странения пламени по сравнению с углеводородным
время аммиак уже является коммерческим товаром,
топливом, что может приводить к нестабильной ра-
для перевозки которого успешно используют морской
боте дизельного двигателя при низких и высоких
транспорт: 120 портов уже имеют необходимую для
оборотах. Этого удается избежать при добавлении
этого инфраструктуру, 170 судов — соответствующее
к аммиаку одного из углеводородных топлив либо
водорода [68, 69]. При сжигании аммиака в двигате-
лях внутреннего сгорания образуется значительное
1 The 2019 World Fleet Report Statistics from Equasi. 20
количество оксидов азота. Для их нейтрализации
years Promoting Ship Safety and Environmental Protection.
может быть использована стандартная технология
SCR, позволяющая восстанавливать NOx до азота и
водяного пара [66].
Как следует из прогноза МЭА, можно ожидать, что
2 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
в период до 2050 г. масштабы использования водоро-
да для декарбонизации морского транспорта будут
существенно, в 3-4 раза, меньше по сравнению с ам-
3 Там же.
4 Decarbonizing Maritime Transport. Pathways to zero-
5 Ammonfuel — an industrial view of ammonia as a ma-
carbon shipping by 2035. Case-Specific Policy Analysis. The
rine fuel. August 2020. Alfa Laval, Hafnia, Haldor Topsøe,
294
Якубсон К. И.
миаком.1 Это обусловлено рядом факторов. Объемная
— контейнеровозы среднего размера могут совер-
плотность энергии жидкого аммиака в 2 раза пре-
шать рейсы без размещения дополнительных топлив-
восходит ее значение для сжиженного водорода и в
ных баков и без дозаправки [72].
3.5 раза для газообразного водорода при давлении
При расчетах принималось, что энергию для си-
70 МПа. Это приведет к соответствующему увеличе-
ловых установок судов будут получать от водород-
нию емкости баков для хранения водорода на борту
ных топливных элементов, которые рассматриваются
судна и уменьшению полезного объема, занимаемого
многими авторами как наиболее эффективный способ
перевозимым грузом. Расчеты, выполненные авто-
использования безуглеродного топлива на морских
рами работы [70] на основе анализа энергетических
судах [73-75].
затрат более 100 рейсов танкеров в течение 3 лет,
По данным Global Maritime Forum, в настоящее
показали, что баки со сжиженным водородом могут
время выполняется 106 пилотных и демонстраци-
занимать 3-5% объема танкера: в 2 раза больше, чем
онных проектов, направленных на декарбонизацию
при использовании дизельного топлива. Сжижение
мирового морского транспорта,3 почти в 1.5 раза
водорода является энергоемким и дорогостоящим
больше, чем годом ранее. При этом более 2/3 про-
процессом. Кроме того, криогенное хранение жидко-
ектов связаны с использованием судового топлива
го водорода существенно усложняет его бункеровку
на основе водорода и аммиака. За последний год ко-
[71]. Это послужило основанием экспертам МЭА
личество подобных проектов существенно увели-
прогнозировать, что на маршрутах средней дально-
чилось. Так, для категории крупных судов этот рост
сти между портами, имеющими соответствующую
составил 3 и 2.5 раза соответственно. Большинство
наземную инфраструктуру, судоходные компании в
проектов (71 проект) выполняются в странах ЕС,
основном будут использовать компримированный
из них около половины при финансовой поддержке
водород.2 Сжиженный водород, по мнению специали-
государства. Среди стран Азиатско-Тихоокеанского
стов Международного совета по чистому транспорту
региона по числу проектов лидируют Япония, Китай
(International Council on Clean Transportation), может
и Южная Корея. Декарбонизация мирового морского
быть эффективно использован для крупнотоннажных
транспорта требует значительных инвестиций. По
морских перевозок на дальние расстояния. Расчеты,
оценке специалистов Global Maritime Forum, они мо-
оценивающие количество водородного топлива, не-
гут составить 40-60 млрд $ в год на протяжении бли-
обходимого для крупнейших в мире контейнерных
жайших 30 лет. Основная часть инвестиций (87%) по-
судов, перевозящих грузы по трансатлантическому
требуется для производства без углеродного топлива
коридору между США и Китаем и сжигающих 100 т
для морских судов («зеленого» и «голубого» водорода
и более углеводородного топлива в сутки, позволили
и аммиака) и создания необходимой инфраструктуры
сделать следующие выводы:
для его хранения и бункеровки, 13% будет затрачено
— около 43% рейсов может быть выполнено без
на сооружение новых и модернизацию существу-
увеличения площади, занимаемой топливными бака-
ющих судов [76]. Для стимулирования судоходных
ми, и без дополнительной дозаправки в пути;
компаний использовать безуглеродное топливо не-
— количество рейсов без дозаправки может выра-
обходимы соответствующие меры государственного
сти до 86% при увеличении площади для хранения
регулирования на региональном и международном
водородного топлива на 2%;
уровне [77]. Европейской комиссией в 2013 г. была
— при замене 5% грузового пространства допол-
утверждена стратегия сокращения выбросов пар-
нительными топливными баками или при одной до-
никовых газов в судоходной отрасли.4 В сентябре
заправке топливом можно выполнить 99% рейсов.
2020 г. европейский парламент принял поправки, тре-
3 Mapping of zero emission pilots and demonstration
projects. Second edition 2021. Getting to Zero Coalition. Global
1 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
4 Integrating maritime transport emissions in the EUʹs
2 Energy Technology Perspectives. IEA, 2020. https://
greenhouse gas reduction policies European Commission
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
295
бующие от судоходных компаний линейно сокращать
ной карте МЭА: снизить выбросы CO2 к 2050 г. до
среднегодовые выбросы CO2 для всех своих судов,
210 млн т.
по крайней мере на 40% к 2030 г., со штрафами за
Для достижения этого уровня выбросов CO2 не-
их несоблюдение. С 2023 г. Европейская комиссия
обходимо в 5 раз уменьшить использование традици-
планирует включить морское судоходство в систему
онного керосина — в 2050 г. он должен обеспечивать
торговли выбросами CO2 (ETS ЕС).1
лишь 20-23% общего энергопотребления авиацион-
Авиационный транспорт. Авиационный транс-
ного транспорта. Ведущую роль в топливном балансе
порт относится к секторам мировой экономики,
авиации МЭА отводит чистому авиационному то-
наиболее пострадавшим от пандемии Covid-19: в
пливу (SAF): биокеросину (45%) и синтетическому
2020 г.2 это привело к снижению выбросов CO2 от
топливу на основе водорода (30%). Предполагается,
авиационного транспорта с почти 1 млрд т в 2019 г.
что вклад электрических батарей, топливных эле-
до 640 млн т в 2020 г. Прогнозируют, что уже к 2025 г.
ментов и водородного топлива не превысит 2%, хотя
выбросы вновь достигнут уровня 2019 г. (950 млн т).3
их внедрение начнется еще в 2035 г.6 Помимо CO2
По оценке группы авиационных экспертов Waypoint
при сжигании керосина выделяется водяной пар,
2050, ежегодный рост пассажиропотока авиацион-
оксиды азота, сульфатные аэрозоли, продукты не-
ного транспорта составит в последующие 30 лет в
полного сгорания углеводородов и твердые частицы
среднем 3% и достигнет к 2050 г. 20 трлн чел. × км,
(сажа). Их присутствие в атмосфере приводит к из-
что более чем в 2 раза превысит его значение в 2019 г.
менению содержания метана и озона, образованию
При сохранении существующего уровня использо-
инверсионных перистых облаков [78]. Эти атмос-
вания в авиации реактивного керосина, получаемого
ферные процессы оказывают существенное влияние
из ископаемого топлива, это приведет к росту вы-
на изменение климата (глобальное потепление). Их
бросов CO2 до 1.8 млрд т в год.4 Международная
суммарный вклад в изменение климата может в не-
ассоциация воздушного транспорта (International Air
сколько раз превосходить негативное влияние CO27
Transport Association) в 2016 г. обязалась к 2050 г.
[79]. Авторами8 разработана методика, позволяющая
снизить выбросы CO2 от авиационного транспорта
количественно оценивать влияние на изменение кли-
до 325 млн т в год, на 50% по сравнению с 2005 г.,
мата содержания в атмосфере оксидов азота, водяного
и добиться углеродной нейтральности отрасли к
пара и инверсионных следов, выражая его в экви-
2060-2065 гг.5 Значительно более жесткие требова-
валентном количестве углекислого газа — CO2 экв.
ния к декарбонизации авиации обозначены в дорож-
Показано, что к 2050 г. общее количество вредных
выбросов авиационного транспорта, образующихся
при сжигании керосина, может составить 5.7 млрд т
1 Proposal for a Regulation Amending Regulation (Eu)
CO2 экв, что более чем в 3 раза превосходит прогно-
2015/757 in Order to Take Appropriate Account of the Global
зируемые выбросы CO2.9
Data Collection System for Ship Fuel Oil Consumption Data
Legislative Train 05.2021. A European Green Deal. https://
Авиационное топливо на основе водорода, исполь-
зуемого в топливных элементах или сжигаемого в
турбинных двигателях, в случае получения его элек-
тролизом с использованием «зеленой» электроэнер-
гии характеризуется практически нулевой эмиссией
2 Effects of Novel Coronavirus (COVID-19) on Civil
CO2. Уровень выбросов CO2 при сжигании в авиа-
Aviation: Economic Impact Analysis. Montréal, Canada.
17 August 2021. IATA Economic Development — Air
6 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
3 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
7 Hydrogen-powered aviation A fact-based study of hydro-
gen technology, economics, and climate impact by 2050. May
4 Waypoint 2050. Balancing growth in connectivity with
a comprehensive global air transport response to the climate
8 Там же.
5 IATA. Halving Emissions by 2050—Aviation Brings
9 IATA. Halving Emissions by 2050—Aviation Brings
296
Якубсон К. И.
ционных двигателях синтетического авиационного
декарбонизации авиационного транспорта5 предус-
топлива определяется величиной углеродного следа
матривает, что в ближайшие 10-15 лет будут раз-
синтез-газа, являющегося исходным сырьем для про-
работаны и поступят в продажу самолеты на водо-
цесса Фишера-Тропша. При получении синтез-газа с
родном топливе, совершающие полеты дальностью
использованием «зеленого» водорода и CO2 из атмос-
от 500 до 2000-3000 км (местная, региональная и
ферного воздуха его углеродный след принимают, как
ближнемагистральная авиация). В настоящее время
и для чистого водородного топлива, близким к нулю
они составляют 70% всех эксплуатируемых самоле-
[80, 81]. Авторами работы1 выполнена сравнительная
тов и на них приходится около 30% выбросов CO2
оценка влияния на изменение климата различных
авиационного транспорта. Более длительный срок
видов водородного авиационного топлива по сравне-
(20-25 лет) потребуется для разработки и вывода на
нию с керосином, получаемым из нефтяного сырья.
рынок среднемагистральных (7000 км) и дальнема-
Наибольшим потенциалом снижения негативного
гистральных (10 000 км) самолетов, использующих
влияния на изменение климата обладают водородные
водородное топливо. Эти категории самолетов соз-
топливные элементы: оно может быть уменьшено
дают сегодня 73% выбросов углекислого газа от ави-
на 90-75%. Для водорода, сжигаемого в авиацион-
ационного транспорта. Предполагают, что самолеты
ных турбинах, это уменьшение составляет 75-50%
местной и региональной авиации будут использовать
и для синтетического авиационного топлива — 60-
электромоторы, работающие от водородных топлив-
30%. Авторы указывают, что достаточно широкие
ных элементов. Самолеты ближнемагистральной
диапазоны изменения сделанных оценок отражают
авиации на основной части полета будут использо-
недостаточную изученность различных факторов
вать электромоторы, получающие электроэнергию
влияния авиационного топлива на изменение кли-
от водородных топливных элементов, а при взлете и
мата. Результирующие профили выбросов вредных
наборе высоты — турбины, работающие на водоро-
веществ самолетами, использующими авиационный
де. Полет средне- и дальнемагистральных самолетов
керосин и биотопливо, получаемое из биомассы
будет полностью осуществляться за счет энергии,
различного происхождения, очень близки [82]. Это
создаваемой водородными турбинами. Топливные
позволяет сделать вывод о существенном влиянии
элементы в этом случае целесообразно использовать
сжигания авиационного биотоплива на изменение
лишь для питания бортовых электрических систем.
климата, превосходящем, в частности, влияние син-
Прогнозируя количества водорода, необходимое для
тетического топлива на основе водорода.2
реализации разработанной программы декарбониза-
Более масштабное, чем прогнозирует МЭА,3
ции авиационного транспорта, ее авторы исходили из
использование водородного топлива в авиации по-
двух возможных сценариев: эффективной и макси-
зволит к 2050 г. не только достигнуть углеродной
мальной декарбонизации. Первый сценарий предпо-
нейтральности авиационного транспорта, но и на
лагал, что к 2040 и 2050 г. потребуется 10 и 40 млн т
40-50% уменьшить его негативное влияние на из-
водорода. По второму сценарию — 40 и 130 млн т.6
менение климата. Для этого необходимо, чтобы к
Первый сценарий представляется более реалистич-
2050 г. от 40 до 60% самолетов (в зависимости от
ным. Прогнозируемое количество водорода составило
темпов декарбонизации авиации) использовали сжи-
бы 2.5 и 7.5% от ожидаемого мирового производства
женный водород в качестве авиационного топлива,
водорода в 2040 и 2050 г.7
остальные самолеты — синтетическое водородное
топливо и биотопливо.4 Программа (дорожная карта)
1 Hydrogen-powered aviation. A fact-based study of hydro-
gen technology, economics, and climate impact by 2050. May
5 Там же.
6 Hydrogen-powered aviation. A fact-based study of hydro-
gen technology, economics, and climate impact by 2050. May
2 Там же.
3 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
7 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
4 Hydrogen-powered aviation. A fact-based study of hydro-
gen technology, economics, and climate impact by 2050. May
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
297
Перевод значительной части авиационного транс-
авторов проекта, это обеспечило прочную основу для
порта на водородное топливо потребует существенно-
начала более масштабных мероприятий по подго-
го изменения конструкции самолетов. Это в первую
товке к разработке и внедрению жидкого водорода в
очередь касается выбора оптимальной конструкции,
качестве авиационного топлива.3 В настоящее время
количества и места расположения на борту самолета
один из ведущих производителей авиационной тех-
резервуаров со сжиженным водородом. В настоящее
ники Airbus приступил к проектированию нескольких
время предложено несколько принципиально различ-
типов коммерческих самолетов, работающих на водо-
ных технологических схем хранения водорода на бор-
роде, выпуск которых планируется к 2035 г.4
ту самолета: водородные баки могут устанавливаться
Использование водородного топлива в авиации
внутри самолета либо на его внешней поверхности
потребует существенной модернизации аэропортов,
(на планере или на крыльях самолета). Расположение
которые должны будут обеспечивать надежные по-
баков с водородом вне фюзеляжа самолета может
ставки и хранение водорода, заправку им самолетов.
ухудшать его аэродинамические характеристики и по-
Предполагается, что на небольшие аэропорты, об-
вышает требования к устойчивости баков к внешним
служивающие местную и региональную авиацию,
аэродинамическим нагрузкам. Объемная плотность
сжиженный водород будут доставлять специализиро-
энергии сжиженного водорода в 3.8 раза меньше,
ванным автотранспортом5 [52]. Для крупных аэропор-
чем у авиационного керосина. Это приводит к не-
тов, обслуживающих средне- и дальнемагистральные
обходимости соответствующего увеличения общего
рейсы, с экономической точки зрения предпочти-
объема бортовых емкостей для хранения водорода,
тельнее производить его на месте с использованием
что может потребовать не только существенной пере-
возобновляемых источников энергии [85]. Но и в этом
компоновки внутреннего пространства самолета, но
случае, поскольку в аэропорту постоянно должен
и изменения его габаритов, в первую очередь длины
находиться запас авиационного топлива на несколько
фюзеляжа1 [83]. Важной проблемой использования
дней работы, потребуется строительство в аэропортах
водорода в качестве авиационного топлива является
хранилищ для значительного объема сжиженного
обеспечение надежной тепловой изоляции баков со
водорода. Доставка водорода из центрального хра-
сжиженным водородом с целью максимального сни-
нилища водорода к месту заправки самолетов может
жения потерь от испарения водорода. Сравнительный
осуществляться либо специальными грузовиками-за-
анализ различных способов изоляции показал, что
правщиками, либо по криогенным трубопроводам
наилучшими изолирующими свойствами обладает
[84, 85]. Одной из наиболее технически сложных
слой пенопластовой пены, которая вводится между
проблем модернизации инфраструктуры аэропортов
внешней и внутренней стенками бака для хранения
при переходе на водородное топливо является заправ-
водорода [84].
ка самолетов сжиженным водородом. Создаваемые
Первые исследования по оценке возможности ис-
для этого специальные гидранты должны не только
пользования водородного топлива в авиации были
исключать потери водорода за счет испарения, но и
проведены в СССР в 1988 г. в Авиационном науч-
обеспечивать высокую производительность, которая
но-техническом комплексе (АНТК) им. А. Н. Тупо-
должна максимально сократить время заправки само-
лева. На базе самолета ТУ-154В была создана испыта-
лета, несмотря на почти четырехкратное увеличение
тельная лаборатория, позволившая экспериментально
объема перекачиваемого водорода по сравнению с
установить принципиальные особенности исполь-
зования водорода в качестве авиационного топли-
ва.2 В начале 2000-х годов в рамках международного
3 Cryoplane System Analysis. Final Technical Report.
проекта КРИОПЛАН (CRYOPLANE System Analysis)
Reporting Period: from 1st April, 2000 to 31st May 2002.
Date of issue of this report: 24. September 2003. https://www.
были сформулированы концептуальные основы и
обоснованы средне- и долгосрочные сценарии пере-
хода от керосина к водороду в авиации. По мнению
4 Airbus reveals new zero-emission concept aircraft.
1 Hydrogen-powered aviation. A fact-based study of hydro-
gen technology, economics, and climate impact by 2050. May
5 Hydrogen-powered aviation. A fact-based study of hydro-
gen technology, economics, and climate impact by 2050. May
298
Якубсон К. И.
авиационным керосином1 [85]. Учитывая сложность
Одной из тенденций развития мировой энергетики
задачи подготовки аэропортов к обслуживанию само-
является опережающий рост производства электро-
летов, использующих водородное топливо, компания
энергии за счет использования солнечной и ветровой
Airbus в 2020 г. разработала концепцию «Водородный
энергии по сравнению с другими возобновляемыми
хаб в аэропортах», целью которой является учет инте-
источниками энергии. В 2020 г. доля солнечной и
ресов всех участников этого процесса. Эта концепция
ветровой электроэнергии составила 31% от обще-
предусматривает также перевод на водородное топли-
го количества электроэнергии, произведенной из
во всего аэродромного транспорта, на долю которого
возобновляемых источников энергии, к 2030 г. оно
сегодня приходится 3-5% выбросов углекислого газа,
может увеличиться до 66%, а к 2050 г. — до 77%.4
создаваемых авиацией.2 В 2021 г. на базе аэропорта
Электроэнергия, получаемая с использованием сол-
Гамбурга (Германия) начат двухлетний исследова-
нечной и ветровой энергии, характеризуется значи-
тельский проект по разработке и испытанию про-
тельной временной нестабильностью различного
цессов технического обслуживания самолетов на
масштаба, которая может негативно влиять на на-
водородном топливе [86].
дежность работы электросетей. Необходимость учета
при проектировании энергетических установок на ос-
нове возобновляемых источников энергии сезонных
Использование водорода в энергетике
и годовых изменений скорости ветра и солнечной
и при эксплуатации зданий
радиации стимулировала появление новой быстро
Переход к низкоуглеродной экономике предпо-
развивающейся научной дисциплины — энергети-
лагает масштабную электрификацию ее различных
ческой климатологии [87]. В настоящее время опу-
секторов. МЭА прогнозирует, что мировой спрос на
бликовано большое число работ, в которых на осно-
электроэнергию увеличится с 23 230 ТВт·ч в 2020 г.
ве фактических данных и климатических моделей
до 60 тыс. ТВт·ч в 2050 г. При этом доля возобнов-
оценивается изменчивость характеристик погодных
ляемых источников энергии в общем объеме произ-
условий, определяющих производительность солнеч-
водства электроэнергии возрастет с 29% в 2020 г. до
ных и ветровых энергоустановок [88]. В работе [89]
61% в 2030 г. и 88% в 2050 г. Одновременно будет
на основе ретроспективного анализа изменения по-
сокращаться вклад электрогенерации на основе ис-
годных условий в Германии в 1990-2015 гг. показано,
копаемого топлива. Если в 2020 г. электростанции,
что сезонное изменение выработки электроэнергии
использующие уголь и газ, обеспечивали 35 и 23%
солнечными фотоэлектрическими установками может
мирового производства электроэнергии, то уже к
достигать 5 раз: от максимального значения в июле
2030 г. их доля уменьшится до 8 и 17% соответствен-
(4.4 ТВт·ч) до минимального в декабре (0.8 ТВт·ч).
но, к 2050 г. все угольные электростанции будут вы-
Для ветровой электрогенерации различие между
ведены из эксплуатации, а доля электрогенерации за
максимальной выработкой электроэнергии в январе
счет газового топлива сократится до 0.45%. В 2020 г.
(8.7 ТВт·ч) и минимальной в августе (3.8 ТВт·ч) в
производство электроэнергии привело к эмиссии
2 раза меньше. Примерно такие же значения сезонной
12.3 млрд т CO2, 74% из которых приходилось на
изменчивости производства электроэнергии различ-
угольные электростанции. Прогнозируемое изме-
ными возобновляемыми источниками энергии были
нение структуры производства электроэнергии по-
получены для погодных условий Великобритании
зволит, по мнению экспертов МЭА, уже к 2040 г.
[90]. Прогнозируемые величины коэффициента ис-
практически до нуля уменьшить выбросы CO2 в этом
пользования установленной мощности для солнечной
секторе мировой экономики.3
электрогенерации имели максимальные значения
17-18% в июне-июле и минимальные 2-3% в дека-
бре-январе. Для ветровых энергоустановок величина
1 Hydrogen-powered aviation. A fact-based study of hydro-
этого параметра изменяется от 50-60% в декабре-ян-
gen technology, economics, and climate impact by 2050. May
варе до 23-25% в июне-июле. При проектировании
энергетических систем, в том числе инфраструктуры
для хранения электроэнергии, необходимо учитывать
2 Tomorrowʹs airports: future energy ecosystems? —
3 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
4 Там же.
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
299
изменение сезонности производства электроэнергии с
отчуждения значительных участков земли. Кроме
использованием возобновляемых источников энергии
того, оно требует значительного времени и больших
в течение полного срока эксплуатации солнечных и
капитальных затрат, сопряжено с экологическими
ветровых энергоустановок. Как показано в [91], на
рисками.
20-летнем временном интервале (примерный срок
Основные перспективы крупномасштабного и дол-
службы ветровых электрогенераторов) производство
говременного хранения электрической энергии свя-
ветровой электроэнергии в зимнее и летнее время
зывают с преобразованием ее в водород в результате
может изменяться на 15%. Возможный уровень сезон-
электролиза воды [92-95]. Технология электролиза и
ных колебаний суммарного производства переменной
необходимое для этого оборудование постоянно со-
возобновляемой электроэнергии в конкретном регио-
вершенствуются, единичная и суммарная мощности
не наряду с присущими ему климатическими харак-
электролизеров возрастают. Международное агент-
теристиками зависит от соотношения установленной
ство по возобновляемым источникам энергии (The
мощности солнечных и ветровых электростанций.
International Renewable Energy Agency) прогнозирует,
Например, в Германии, где, по данным на 2015 г.,
что к 2050 г. основные технологические характери-
установленные мощности солнечных и ветровых
стики наиболее востребованных на рынке щелочных
электростанций различались лишь на 5%, разница
электролизеров и электролизеров на основе полимер-
между максимальным и минимальным месячным
ных электролитов (PEM) будут существенно улучше-
производством электроэнергии составляла 25% [89].
ны. В частности, энергетические затраты на произ-
В настоящее время вклад переменной возобновляе-
водство водорода уменьшатся с 47-66 кВт·ч/1 кг H2
мой электроэнергии в мировое производство элек-
в 2020 г. до менее 42 кВт·ч/1 кг H2 в 2050 г., срок
троэнергии составляет 9%. МЭА прогнозирует, что к
службы возрастет вдвое — до 100 000—120 000 ч,
2030 г. он увеличится до 40%, а к 2050 г. — до 68%.1
средняя мощность — с 1 МВт до 10 МВт.2 Суммарная
Это неизбежно приведет к существенным колебаниям
мощность электролизеров, составлявшая в 2020 г.
производства электроэнергии в течение года как в
0.3 ГВт, при реализации сценария достижения угле-
отдельных странах, так и в мировой энергосистеме
родной нейтральности к 2050 г. должна увеличить-
в целом.
ся к 2030 г. до 850 ГВт, а к 2050 г. — до 3600 ГВт.3
Наиболее эффективным методом обеспечения ста-
Прогнозируют, что с ростом производства электро-
бильной работы энергосистем, использующих пере-
лизеров их стоимость значительно снизится и соста-
менную возобновляемую электроэнергию, является
вит в 2050 г. 130-307 $ США за 1 кВт — в 3-5 раз
накопление и хранение избыточной электроэнергии
ниже, чем в 2019 г.4 Одновременно будет снижаться
и возврат ее в энергосистему, когда спрос на электро-
стоимость ветровой и солнечной электроэнергии.
энергию возрастает. Из существующих в настоящее
Ожидают, что в 2030 г. она составит 0.03-0.05 для
время методов хранения электроэнергии лишь два —
береговых и 0.05-0.08 $ за кВт для морских ветровых
гидроаккумулирующие накопители и накопители
электроустановок, для солнечных фотоэлектрических
энергии сжатого воздуха принципиально могут быть
электроустановок — 0.02-0.08 $ за кВт, что примерно
использованы для ее крупномасштабного и долговре-
в 2-3 раза меньше, чем в 2018 г. К 2050 г. стоимость
менного хранения. При этом на долю первого из них
ветровой и солнечной энергии может снизиться еще в
сегодня приходится 97% (159 ГВт) мирового объема
1.5 раза [96]. Все это создает благоприятные условия
хранения электроэнергии. Наиболее крупные хра-
для масштабного производства «зеленого» водорода.
нилища этого типа расположены в Китае (мощность
МЭА прогнозирует, что в 2030 г. будет произведено
32 ГВт), в Японии (28.3 ГВт) и в США (22.6 ГВт) [92,
93]. Сооружение гидроаккумулирующих хранилищ
2 Green Hydrogen Cost Reduction Scaling up Electrolysers
энергии возможно лишь в определенных географи-
ческих условиях: при необходимом перепаде высот
между верхним и нижним водохранилищем, при на-
3 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
личии достаточных водных ресурсов, возможности
1 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
4 Green Hydrogen Cost Reduction Scaling up Electrolysers
300
Якубсон К. И.
81 млн т «электролизного» водорода, к 2050 г. оно
В различных странах мира соляные каверны
увеличится в 4 раза и достигнет 322 млн т.1
успешно используют для хранения метана. Часть из
Значительная часть этого водорода будет исполь-
них без существенной модернизации наземного и
зована в энергетическом секторе, что потребует соз-
скважинного оборудования может быть использована
дания развитой инфраструктуры хранения водорода,
для хранения водорода. В странах ЕС доля соляных
позволяющей сглаживать сезонную неравномерность
каверн в общем объеме подземного хранения метана
в производстве солнечной и ветровой электроэнер-
в настоящее время составляет 18%. Энергетический
гии. В настоящее время в качестве наиболее эффек-
потенциал хранящегося в них метана оценивается в
тивного способа крупномасштабного (сотни тыс. м3)
206 ТВт·ч. При перепрофилировании соляных каверн
и долгосрочного хранения водорода рассматривают
на хранение водорода их энергетический потенциал
его подземное хранение в различных геологических
из-за существенно меньшей объемной плотности
структурах, в первую очередь в резервуарах, созда-
энергии водорода по сравнению с метаном уменьшит-
ваемых в соленосных отложениях (соляных кавер-
ся до 50 ТВт·ч [101]. Оценки, выполненные в [101],
нах). Соляные каверны уже в течение многих лет
показали, что количество электроэнергии, необхо-
используют для хранения водорода в Великобритании
димой странам ЕС для компенсации изменчивости
(в Тисайде три каверны по 70 тыс. м3 эксплуатируют-
ее производства ветровыми и солнечными электро-
ся с начала 1970-х годов) и в США (в Клеменс-Доум
станциями, может составить 70 ТВт·ч в 2030 г. и
каверна объемом 580 тыс. м3 и в Мосс-Блафф каверна
450 ТВт·ч в 2050 г., что превосходит возможности
объемом 566 тыс. м3 эксплуатируются с 1983 и 2007 г.
использования существующих газовых хранилищ
соответственно) [97]. Практический опыт их работы
в соляных кавернах. Это потребует сооружения на
показал, что хранение водорода в соляных кавернах
территории Европы новых хранилищ водорода в со-
обеспечивает высокую степень герметичности ре-
леносных отложениях. Как показано в [102], прогно-
зервуара, возможность проведения многократных
зная емкость хранилищ водорода в соляных кавернах
циклов отбора и заполнения резервуара водородом с
в странах ЕС составляет около 85·103 ТВт·ч и много-
высокой скоростью при небольшом объеме (до 30%)
кратно превосходит их возможный дефицит. Для под-
остающегося в каверне буферного газа [98-100].
земного хранения водорода помимо соляных каверн
В случае длительного (в течение нескольких лет)
могут быть использованы истощенные нефтяные и
хранения в соляных кавернах постоянного объема
газовые месторождения, а также водоносные пласты
водорода необходимо учитывать возможность его
[103, 104]. В странах ЕС суммарный объем храня-
загрязнения примесями, в первую очередь сероводо-
щегося в них метана примерно в 4 раза превышает
родом и метаном, которые могут образовываться при
объем метана в соляных кавернах [101]. В настоящее
взаимодействии с водородом микробных сообществ,
время еще нет достаточного практического опыта
присутствующих в остаточном солевом растворе [99].
хранения водорода в этих условиях. Теоретические
В настоящее время в США (в Спиндлетор) присту-
и экспериментальные оценки показывают, что можно
пили к строительству крупнейшего на сегодняшний
ожидать потери части хранящегося водорода и его
день хранилища водорода в соленосных отложени-
загрязнение в результате химического взаимодей-
ях объемом более млн м3 и начато проектирование
ствия с горными породами и пластовыми водами,
комплекса соляных каверн для хранения водорода в
диффузионных и микробиологических процессов
штате Юта, которые должны аккумулировать 1 ГВт
[103, 105, 106].
чистой электроэнергии.2
При отсутствии в местах производства водоро-
да необходимых для его хранения геологических
структур для этой цели могут быть использованы
крупногабаритные металлические емкости, распо-
ложенные на поверхности земли. Давление водорода
в таких резервуарах обычно составляет несколько
Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
МПа. Использование более высоких давлений приве-
ло бы к существенному увеличению стоимости таких
резервуаров за счет необходимости использования
дорогостоящих материалов для их изготовления и за-
2 Electricity Storage Technology Review. Prepared for
трат на компримирование водорода. Перспективным
U.S. Department of Energy Office of Fossil Energy. June 30,
методом хранения сжатого водорода является его
хранение в отрезках трубопроводов с герметичными
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
301
концами [103, 107]. Общая протяженность таких тру-
дороже, чем в соляных кавернах. Наиболее доро-
бопроводов-хранилищ, которые обычно расположены
гим методом наземного хранения водорода является
на небольшой глубине, может достигать несколь-
хранение в сжиженном состоянии: его стоимость в
ких километров. При использовании труб большого
1.6 раза превосходит стоимость хранения аммиака и
диаметра (до 1.4 м) и давлении водорода 10 МПа
более чем в 20 раз стоимость хранения 1 кг сжатого
в трубном хранилище длиной 1 км можно хранить
водорода.
10-12 тыс. т водорода [107]. Возможные масштабы
Для производства электроэнергии с использовани-
длительного хранения водорода в сжиженном виде
ем водородного топлива могут применяться поршне-
существенно меньше. Например, на космодроме на
вые газовые двигатели, газовые турбины и топливные
мысе Канаверал (США) емкость сферических емко-
элементы2 [111, 112]. К настоящему времени нако-
стей для хранения сжиженного водорода составляет
плен значительный практический опыт выработки
265 т [108]. Относительно небольшая емкость ре-
электроэнергии на основе сжигания в поршневых га-
зервуаров для хранения сжиженного водорода обу-
зовых двигателях и газовых турбинах метана в смеси
словлена не только большими энергозатратами на
с водородом. В мире насчитывается до 200 газовых
его сжижение, но и технологическими сложностя-
турбин, использующих в качестве топлива метан--
ми обеспечения низких потерь сжиженного водо-
водородные смеси.3 Компанией GE Global, одним из
рода в результате испарения. Наряду с хранением
лидеров мировой энергетики, эксплуатируется 75 та-
водорода в газообразном и сжиженном состоянии
ких турбин, из которых 25 уже более миллиона часов
возможно его хранение в составе различных хими-
работают на метан-водородных смесях, содержащих
ческих соединений (химическое хранение водоро-
более 50% (объемных) водорода. Специалистами ком-
да), в первую очередь в аммиаке и метаноле [19, 26].
пании экспериментально подтверждена возможность
Объемное содержание водорода в аммиаке и мета-
использования 100% водорода в некоторых типах
ноле на 73 и 41% больше, чем в сжиженном водо-
существующих и разрабатываемых камерах сгора-
роде. Принципиальным преимуществом аммиака
ния.4 В 2018 г. на ТЭС в г. Кобе (Япония) компанией
перед метанолом является отсутствие в его составе
Kawasaki проведены успешные испытания газовой
углерода, что исключает выделение углекислого газа
турбины, работающей на чистом водороде. Компания
при его разложении с получением водорода. Аммиак
Mitsubishi Power является участником проекта в
может храниться в жидком состоянии в достаточно
Нидерландах по переводу к 2025 г. действующего
мягких термобарических условиях: при нормальной
энергоблока 440 МВт на газовой ТЭС на сжигание
температуре и давлении 1 МПа или при нормальном
чистого водорода.5 Основной экологической проб-
давлении и температуре -33°C [109]. В качестве пер-
лемой при переводе газовых турбин на водородное
спективных химических соединений для хранения
топливо является образование значительного количе-
водорода рассматриваются также жидкие органиче-
ства оксидов азота, что приводит к неэффективности
ские носители водорода. Они содержат 5-8 мас% во-
минимизации образования оксидов азота метода-
дорода, что соответствует нормативным требованиям
ми, используемыми в газовых турбинах, сжигающих
к системам химического хранения водорода. Важным
природный газ [113]. В настоящее время ведущие
достоинством этих соединений является возможность
производители газовых турбин разрабатывают но-
использования для их хранения и транспортиров-
ки той же инфраструктуры, что и для нефтепродук-
2 Hydrogen for power generation Experience, requirements,
тов [110].
Различные технологии хранения водорода (в ге-
ологических структурах, в наземных резервуарах, в
3 Hydrogen Economy Outlook. Key messagese.
составе химических соединений и др.) существенно
различаются по величине необходимых капитальных
затрат и стоимости хранения. По оценкам,1 стоимость
подземного хранения 1 кг водорода в истощенных
4 Hydrogen for power generation Experience, requirements,
месторождениях углеводородов примерно в 8 раз
1 Hydrogen Economy Outlook. Key messagese.
5 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
302
Якубсон К. И.
вые типы камер сгорания, позволяющих эффективно
мощностью 150 МВт.5 Основными типами произ-
снижать выбросы оксидов азота при использовании в
водимых сегодня топливных элементов являются
качестве топлива водорода и обогащенных им смесей
топливные элементы с твердым полимерным электро-
с метаном1 [114].
литом (PEMFC) и с твердым оксидным электролитом
Эффективность выработки электроэнергии газо-
(SOFC). В 2019 г. было произведено 44.1 тыс. PEMFC
выми турбинами существенно зависит от их мощно-
(62%) и 22.8 тыс. SOFC (35% от их общего количе-
сти и величины загрузки. Например, газовая турбина
ства) с единичной мощностью от нескольких единиц
Mitsubishi V501J мощностью 327 МВт имеет эффек-
до нескольких десятков кВт. Наибольшей установлен-
тивность 41 и 61.5% при работе в режиме открытого
ной мощностью — от 100 до 400 кВт обладают то-
и комбинированного цикла соответственно, а газовая
пливные элементы с фосфорнокислым электролитом
турбина Hitachi H-25 мощностью 32 МВт для тех же
(PAFC). В 2019 г. было произведено всего лишь 300
режимов — 34.8 и 50.3%.2 При снижении загрузки
таких топливных элементов, однако их суммарная
газовой турбины до 50 и 10% их эффективность мо-
мощность более чем на 30% превысила мощность
жет уменьшиться на 20 и 60% по сравнению с эффек-
всех произведенных PEMFC.6
тивностью при работе с полной, 100%-ной загрузкой
Сегодня основной областью практического приме-
[115]. Топливные элементы лишены этих недостат-
нения стационарных топливных элементов, в первую
ков. Они одинаково эффективны при эксплуатации
очередь PEMFC, являются когенерационные уста-
в широком диапазоне изменения их мощности — от
новки, используемые для автономного электро- и
десятков МВт до единиц кВт. Эффективность топлив-
теплоснабжения зданий. Эффективность использова-
ных элементов достигает 60-65%, что сопоставимо с
ния такими установками энергетического потенциала
ее величиной для парогазовых установок мощностью
водорода может превышать 90%. Большинство из
1.5 ГВт3 [116]. В отличие от газовых турбин топлив-
этих установок (350 тыс. установок, из которых 85%
ные элементы сохраняют высокую эффективность
используют PEMFC и 15% SOFC) эксплуатируют в
при неполной загрузке, что позволяет использовать
Японии в рамках программы ENE-FARM [111, 117].
их в электросетях с большой долей ветровой и сол-
Одним из быстро развивающихся направлений при-
нечной электроэнергии.
менения стационарных топливных элементов явля-
В 2019 г. было произведено 70 900 топливных эле-
ется электропитание потребителей, изолированных
ментов, из которых основную часть — 51 700 (73%)
от электросетей, например базовых телекоммуника-
составляли стационарные топливные элементы.
ционных станций для передачи сигналов мобильной
Однако их доля в суммарной электрической мощ-
связи. Количество таких станций составляет сегодня
ности произведенных топливных элементов была
более 7 млн и продолжает расти вместе с развитием
существенно меньше — 20% (221.2 МВт из 1.13 ГВт).
телекоммуникационных сетей. Топливные элементы
Это объясняется существенным преобладанием среди
можно также использовать в качестве резервного
них топливных элементов относительно небольшой
электропитания различных объектов, требующих
мощности, используемых в микрокогенерационных
непрерывной работы энергосистем, например боль-
установках (микроТЭЦ).4 Суммарная мощность ста-
ниц и центров обработки информации. Сегодня для
ционарных топливных элементов в последние годы
этих целей используют дизельные электрогенера-
быстро росла, достигнув в 2020 г. примерно 2.2 ГВт.
торы, работающие на ископаемом топливе7 [118].
При этом водород для получения электроэнергии
Возможности применения топливных элементов в
использовали лишь 7% топливных элементов общей
энергетическом секторе существенно расширяются
благодаря увеличению их мощности в результате объ-
1 Hydrogen for power generation Experience, requirements,
единения нескольких топливных элементов в батареи
2 Open Cycle Gas Turbines. IPIECA. 1.02.2014. https://
3 Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells. IEA,
7 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
303
(стеки). Это позволяет использовать топливные эле-
1.2 млрд т.4 Предполагается, что весь аммиак, сжи-
менты для производства электроэнергии не только в
гаемый вместе с углем, будет безуглеродным5 [121].
автономных электрических сетях небольшой мощно-
Для его производства потребовалось бы 120 млн т
сти [119], но и для балансировки энергопотребления
«зеленого» водорода.6
в региональных энергосистемах в период пиковых
Одними из основных потребителей электрической
нагрузок и при снижении поступления электроэнер-
и тепловой энергии являются здания различного на-
гии от солнечных и ветровых электростанций [111,
значения: жилые дома, офисы, магазины, гостиницы,
112, 116].
школы и другие общественные и коммерческие поме-
Эффективность последовательного превращения
щения. В настоящее время на них приходится до 30%
электроэнергии в водород, хранения водорода и по-
конечного потребления энергии в мире, включая 55%
лучения на основе водорода электроэнергии в настоя-
мирового потребления электроэнергии. Выбросы CO2
щее время составляет примерно 30%. Прогнозируют,
от сжигания ископаемого топлива, используемого
что в результате повышения эффективности электро-
для отопления зданий, составляют сегодня 3 млрд т,
лизеров и топливных элементов суммарная эффек-
а при учете углеродного следа от внешних источни-
тивность процесса электроэнергия-водород-элек-
ков энергии, потребляемой системами освещения и
троэнергия увеличится до 42% к 2030 г. и до 44% к
кондиционирования, различной бытовой техникой, —
2050 г.1 Несмотря на значительные энергетические
9.8 млрд т.7 Основные перспективы декарбонизации
потери при таком преобразовании электроэнергии,
этого сектора экономики эксперты МЭА связывают с
оно, по мнению Международного агентства возобнов-
повышением энергоэффективности зданий и приме-
ляемых источников энергии, является необходимым
няемых оборудования и приборов, постепенным отка-
условием увеличения производства возобновляемой
зом от использования ископаемого топлива, масштаб-
переменной электроэнергии.2
ным внедрением низкоуглеродных технологий для
Наряду с водородом значительным потенциалом
производства тепла и электроэнергии. Прогнозируют,
декарбонизации энергетического сектора обладает
что уже к 2030 г. доля ископаемого топлива в энер-
аммиак. Исследования, проводившиеся в последние
гетическом обеспечении зданий уменьшится до 30%
годы в Японии, показали возможность совместного
и до 2% к 2050 г. Одновременно в энергобалансе
сжигания аммиака и угля без увеличения выбросов
зданий существенно возрастет доля электроэнергии:
оксидов азота [120]. В настоящее время начата реали-
она увеличится с 33% в 2020 г. до 50% к 2030 г. и
зация демонстрационного проекта по сжиганию угля
до 66% к 2050 г. Предполагается, что вся электро-
с добавкой 20% аммиака на установке мощностью
энергия, используемая для электрификации зданий,
1 ГВт, результаты которого позволят оценить возмож-
будет иметь минимальный углеродный след: ее будут
ность использования этой технологии на действую-
получать от возобновляемых источников энергии или
щих угольных ТЭС страны.3 Как показано в [121], это
от электростанций, имеющих системы улавливания
позволит к 2030 г. уменьшить выбросы CO2 на 40 млн
углекислого газа.8 Перспективы применения водоро-
т, что сопоставимо с эффектом, который планируют
достичь за счет реализации программы строительства
новых электростанций, использующих наиболее эф-
фективные системы сжигания угля. По оценке МЭА,
5 Opportunities for Australia from Hydrogen Exports, ACIL
совместное сжигание угля и аммиака на всех уголь-
ных электростанциях, которые будут действовать в
мире в 2030 г., позволит снизить выбросы CO2 на
6 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
7 Energy Technology Perspectives. IEA, 2020. https://
2 Green Hydrogen Cost Reduction Scaling up Electrolysers
8 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
3 JERA and IHI to Start a Demonstration Project Related
to Ammonia Co-firing at a Large-Scale Commercial Coal-
304
Якубсон К. И.
да для декарбонизации процессов эксплуатации зда-
дополнительную тепловую энергию в периоды пико-
ний обусловлены возможностями его эффективного
вых отрицательных температур [124].
использования в качестве безуглеродного топлива
Масштабы использования водорода будут опре-
в системах для децентрализованного производства
деляться развитием инфраструктуры, необходимой
электроэнергии и тепла на основе топливных эле-
для его доставки в здания (специальные трубопро-
ментов, в газовых котлах для теплоснабжения зданий,
воды и автомобильный транспорт), а также ценовой
в гибридных тепловых насосах а также в составе
конкуренцией с электроэнергией и другими низко-
метан-водородных смесей в существующих газорас-
углеродными газами, используемыми для отопления
пределительных сетях1 [111, 112, 122]. В настоящее
зданий. По оценке экспертов МЭА, водород следует
время 30% зданий отапливаются природным газом,
рассматривать как важный дополнительный ресурс
поступающим по газораспределительным сетям.
декарбонизации этого сектора экономики при веду-
В последние годы выполнено несколько проектов, по-
щей роли электроэнергии и повышения энергоэф-
казавших возможность использования для этих целей
фективности зданий. Прогнозируют, что в 2030 г.
метан-водородных смесей, содержащих до 20% водо-
потребление водорода для энерго- и теплоснабжения
рода и не требующих существенной модернизации
зданий составит 2 млн т, а к 2050 г. увеличится более
применяемого оборудования. Это позволяет на 7%
чем в 10 раз и достигнет 25 млн т — 5% от его миро-
уменьшить выбросы CO2 [122]. Прогнозируют, что к
вого производства.5
2050 г. доля газов в производстве тепловой энергии
в секторе зданий сохранится примерно на том же
уровне, однако природный газ будет практически
Заключение
полностью заменен низкоуглеродными газами (во-
В настоящее время водород используется в не-
дородом, биогазом и синтетическим метаном).2 Для
фтеперерабатывающей, химической и сталелитейной
эффективного использования водорода в системах
промышленности. Декарбонизация мировой эконо-
центрального отопления зданий необходимы газовые
мики потребует существенного расширения областей
котлы, работающие на 100%-ном водороде. Рядом
использования водорода и необходимого для этого
производителей уже начат выпуск таких котлов3
увеличения его производства. МЭА прогнозирует,
[123]. МЭА считает, что для достижения нулевых
что к 2030 г. производство водорода увеличится бо-
выбросов CO2 к 2050 г. необходимо, чтобы уже в
лее чем в 2 раза по сравнению с 2020 г. и составит
2025 г. все поступающие на рынок газовые котлы до-
212 млн т, в следующие два десятилетия оно возрас-
пускали использование 100% водорода.4 Водородные
тет до 528 млн т. При этом в общем производстве
котлы меньшей мощности могут входить в гибридные
водорода будет расти доля низкоуглеродного («зеле-
системы теплоснабжения зданий совместно с тепло-
ного» и «голубого») водорода: в 2030 г. она составит
выми насосами и топливными элементами, производя
70% и увеличится практически до 100% к 2050 г.
Постепенно будет изменяться и отраслевая структура
потребления водорода. Уже в 2030 г. различные отрас-
1 Energy Technology Perspectives. IEA, 2020. https://
ли промышленности суммарно будут использовать
только около 50% произведенного водорода. К 2050 г.
их доля в общем потреблении водорода уменьшится
до 30%. После 2030 г. основную часть произведен-
ного водорода, включая его производные — аммиак,
2 Future of Hydrogen. Seizing todayʹs opportunities. Report
метанол и синтетическое водородное топливо, будут
prepared by the IEA for the G20, Japan, June 2019. https://
использовать в транспортном и энергетическом сек-
торах экономики. Масштабное использование низко-
Hydrogen Insights. A perspective on hydrogen investment,
market development and cost competitiveness. February
2021. Hydrogen Council, McKinsey & Company. https://
3 Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy
4 Там же.
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
305
углеродного водорода в различных отраслях экономи-
Информация об авторах
ки позволит снизить выбросы CO2 за 2020-2050 гг.
Якубсон Кристоф Израильич, к.т.н., ведущий на-
суммарно на 60 млрд т, что составляет 6% общего
учный сотрудник ИПНГ РАН,
прогнозируемого эффекта декарбонизации мировой
экономики за этот период.
Возможность достижения прогнозируемых уров-
ней производства и использования низкоуглеродного
Список литературы
водорода в различных отраслях мировой экономики
[1]
Митрова Т., Мельников Ю., Чугунов Д. Водородная
определяется комплексом технологических, эконо-
экономика — путь к низкоуглеродному развитию.
мических и регуляторных факторов. Одновременное
Центр энергетики Московской школы управ-
увеличение производства электроэнергии от возоб-
новляемых источников энергии и рост единичной
и суммарной мощности электролизеров позволит
[2]
Abad A. V., Dodds P. E. Green hydrogen
довести долю «зеленого» водорода в мировом произ-
characterization initiatives: Definitions, standards,
водстве водорода до 28% к 2030 г. и до 60% к 2050 г.
guarantees of origin, and challenges // Energy Policy.
Развитие и усовершенствование технологий улав-
2020. V. 138. ID 111300.
ливания и утилизации углекислого газа приведет
к тому, что «голубой» водород к 2030 г. составит
[3]
Nuttall W. J., Bakenne A. T. Introduction — The
50% от общего количества водорода, получаемого
Hydrogen Economy Today // Fossil Fuel Hydrogen.
из ископаемого топлива, а к 2050 г. его доля превы-
2020. Springer, Cham. P. 1-14.
сит 90%. Увеличение масштаба и эффективности
производства «зеленого» и «голубого» водорода бу-
[4]
Boretti A., Rosa L. Reassessing the projections of the
дет сопровождаться существенным снижением его
World Water Development Report // Clean Water.
стоимости. Прогнозируют, что стоимость «зелено-
2019. V. 2. ID 15.
го» водорода снизится с 3.5-7.5 $ за кг в настоящее
[5]
Kuanga Y., Kenneya M. J., Menga Y., Hunga W.-H.,
время до примерно 1.5-3.5 $ в 2030 г. и 1.0-2.5 $ в
Liuf Y., Huanga J. E., Prasannag R., Lib P., Lib Y.,
2050 г., что будет близко к стоимости «голубого» во-
Wangh L., Lind M.-Ch., McGeheeg M. D., Sunb X.,
дорода. Эффективность использования водорода для
Daia H. Solar-driven, highly sustained splitting of
декарбонизации мировой экономики во многом будет
seawater into hydrogen and oxygen fuels // PNAS.
определяться мерами государственной поддержки и
2019. V. 116. N 142. P. 6624-6629.
регулирования на национальном и межгосударствен-
ном уровне. В частности, одной из актуальных задач
[6]
Elgowainy A., Mintz M., Jeongwoo Han (currently with
является разработка стандартов, регламентирующих
exxon), Lee U., Stephens Th., Sun P., Vyas A., Zhou Y.,
все основные этапы жизненного цикла производства
Talaber L., Folga S., Mclamor M. Hydrogen and fuel
и использования водорода.
cells program annual merit review. Hydrogen demand
analysis for H2@Scale. Argonne National Laboratory
Финансирование работ
[7]
Canis B., Lattanzio R.K. U.S. and EU motor vehicle
Работа выполнена в рамках государственного
standards: Issues for transatlantic trade negotiations //
задания для Института проблем нефти и газа РАН
Congressional Research Service Policy. February 18.
№ FMME-2022-0007.
2014. R43399. P. 1-32.
[8]
Straelen J., Geuzebroek F., Goodchild N.,
capture for refineries,
Protopapas G., Mahony L. CO2
Благодарности
a practical approach // INT J. Greenh. Gas Con. 2010.
V. 4. N 2. P. 316-320.
Автор выражает благодарность к.х.н. Е. М. Заха-
рян за помощь в техническом оформлении обзора.
[9]
Ericson S., Engel-Cox J., Arent D. Approaches for
integrating renewable energy technologies in oil
and gas operations. The Joint Institute for Strategic
Конфликт интересов
Energy Analysis (JISEA). Technical Report NREL/
Автор заявляет об отсутствии конфликта интере-
TP-6A50-72842. January 2019.
сов, требующего раскрытия в данной статье.
306
Якубсон К. И.
[10]
Hooftman N., Messagie M., Van Mierlo J., Coosemans
[20]
Rehbein M.C., Meier C., Eilts P., Scholl S. Mixtures of
Th. A review of the European passenger car
ammonia and organic solvents as alternative fuel for
regulations — Real driving emissions vs local air
internal combustion engines // Energy Fuels. 2019.
quality // Renewable Sustain. Energy Rev. 2018. V. 86.
V. 33. N 10. P. 10331-10342.
P. 1-21.
[21]
Giddey S., Badwal S. P. S., Munnings C., Dolan
[11]
Cao P., Lu C., Yu Z. Historical nitrogen fertilizer use
M. Ammonia as a renewable energy transportation
in agricultural ecosystems of the contiguous United
media // ACS Sustain. Chem. Eng. 2017. V. 5. N 11.
States during 1850-2015: Application rate, timing, and
P. 10231-10239.
fertilizer types // Earth System Sci. Data. 2018. V. 10.
N 2. P. 969—984.
[22]
Lee H., Lee M.-J. Recent advances in ammonia
combustion technology in thermal power generation
[12]
Heffer P., Prudʹhomme M. Global nitrogen fertilizer
system for carbon emission reduction // Energies.
demand and supply: Trend, current level and
2021. V. 14. N 18. ID 5604.
outlook. 2016. IFA. International Nitrogen Initiative
Conference «Solution to improve nitrogen use
[23]
Božo M. G., Valera-Medina A. Prediction of novel
efficiency for the world». 4-8 December 2016.
humified gas turbine cycle parameters for ammonia/
hydrogen fuels // Energies. 2020. V. 13. N 21. ID 5749.
[24]
Dalena F., Senatore F., Gordano A., Basile M.,
Basile A., Methanol production and applications: An
[13]
Dobrée J. How Carbon capture can play a role in urea
overview // Methanol Sci. Eng. 2018. P. 3-28.
production Carbon Capture Utilisation and Storage //
[25]
Schroder J., Winther K., Muller-Langer F.,
Baumgarten W., Aakko-Saksa P., Lindgren M.
Methanol as motor fuel summary report. Annex 56.
A Report from the Advanced Motor Fuels Technology
[14]
Jeenchay J., Siemanond K. Ammonia/urea production
process simulation/optimization with techno-economic
analysis // Comput. Aided Chem. Eng. 2018. V. 43.
[26]
Araya S. S., Liso V., Cui X., Li N., Zhu J., Sahlin S. L.,
Jensen S. H., Nielsen M. P., Kær S. K. A review of the
[15]
Dias V., Pochet M., Contino F., Jeanmart H. Energy
methanol economy: Fuel cell route // Energies. 2020.
and economic costs of chemical storage // Front.
Mech. Eng. 2020. V. 6. N 21.
[27]
Alvarado M. The changing face of the global methanol
industry; technical report. IHS: London, UK, 2016.
[16]
Valera-Medina A., Xiao H., Owen-Jones M.,
David W. I. F., Bowen P. J. Ammonia for power // Prog.
Energy Comb. Sci. 2018. V. 69. P. 63-102.
[28]
Parkinson B., Balcombe P., Speirs J. F., Hawkes A. D.,
[17]
Cheddie D. Ammonia as a hydrogen source for fuel
Hellgardta K. Levelized cost of CO2 mitigation from
cells: A review // Hydrogen Energy. Challenges and
hydrogen production routes // Energy Environ. Sci.
2019. V. 12. N 1. P. 19-40.
[18]
Valera-Medina A., Amer-Hatem F., Azad A. K.,
Dedoussi I. C., de Joannon M., Fernandes R. X.,
[29]
Cho W., Yu H., Mo Y. CO2 Conversion to chemicals
Glarborg P., Hashemi H., He X., Mashruk S.,
McGowan J., Mounaim-Rouselle C., Ortiz-Prado A.,
Ortiz-Valera A., Rossetti I., Shu B., Yehia M., Xiao H.,
[30]
Medford A. J., Hatzell M. C. Photon-driven
Costa M. Review on ammonia as a potential fuel:
nitrogen fixation: Current progress, thermodynamic
From synthesis to economics // Energy Fuels. 2021.
considerations, and future outlook // ACS Catal. 2017.
V. 35. N 9. P. 6964-7029.
V. 7. N 4. P. 2624-2643.
[19]
Aziz M., Wijayanta A. T., Nandiyanto A. B. D.
[31]
Hong J., Prawer S., Murphy A. B. Plasma catalysis as
Ammonia as effective hydrogen storage: A review on
an alternative route for ammonia production: Status,
production, storage and utilization // Energies. 2020.
mechanisms, and prospects for progress // ACS
V. 13. N 12. ID 3062.
Sustain. Chem. Eng. 2018. V. 6. N 1. P. 15-31.
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
307
[32]
Soloveichik G. Future of ammonia production:
[43]
Wiencke J., Lavelaine H., Panteix P., Petitjean C.,
Improvement of haber-bosch process or
Rapin C. Electrolysis of iron in a molten oxide
electrochemical synthesis? AIChEAnnual Meeting
electrolyte // J. Appl. Electrochem. 2018. V. 48.
Minneapolis, MN November 1, 2017. https://
P. 115-126.
[44]
Sah R., Dutta S. K. Direct reduced iron: Production
// Encyclopedia of iron, steel, and their alloys. 2016.
[33]
Guil-López R., Mota N., Lorente J., Millán E.,
P. 1082-1108.
Pawelec B., Fierro J. L. G., Navarro R. M. Methanol
synthesis from CO2: A review of the latest
[45]
Draxler M., Schenk J., Bürgler T., Sormann A. The
developments in heterogeneous catalysis // Materials.
steel industry in the European union on the crossroad
2019. V. 12. N 23. ID 3902.
to carbon lean production — status, initiatives and
challenges // BHM Berg und Hüttenmännische
[34]
Roode-Gutzmer Q. I., Kaiser D., Bertau M. Enewable
Monatshefte. 2020. V. 165. P. 221-226.
methanol synthesis // ChemBioEng Rev. 2019. V. 6.
N 6. P. 209-236.
[46]
Karen L., Vanderley M., Ellis M. Eco-efficient
cements: Potential economically viable solutions for
[35]
Hu X.-M., Kim D. Molecular catalyst converts
a low-CO2 cement-based materials industry // Cem.
carbon dioxide to methanol // Nature. 2019. V. 575.
Concr. Res. 2018. V. 114. P. 2-26.
P. 598-599.
[47]
Worrell E., Price L., Martin N., Hendriks Ch.,
[36]
Gonzalez-Garay A., Frei M. S., Al-Qahtani A.,
Meida L. O. Carbon dioxide emissions from the global
Mondelli C., Guillén G. G., Pérez-Ramírez J. Plant-
cement industry // Annu. Rev. Energy Environ. 2001.
to-planet analysis of CO2-based methanol processes
V. 26. P. 303-329.
// Energy Environ. Sci. 2019. N 12. P. 3425-3436.
[48]
Worrell E., Galitsky Ch. Energy efficiency
[37]
Pardo N., Moya J. A., Vatopoulos K. Prospective
improvement opportunities for the cement industry.
scenarios on energy efficiency and CO2 emissions in
Environmental Energy Technologies Division.
the EU iron and steel industry. European Commission
Lawrence Berkeley National Laboratory. 2008.
Joint Research Centre Institute for Energy and
Transport. 2012. P. 1-50.
[49]
Aurélie F., De Wolf C., Scrivener K. A sustainable
future for the European Cement and concrete industry
[38]
Otto A., Robinius M., Grube Th., Schiebahn S.,
technology assessment for full decarbonisation of the
Praktiknjo A., Stolten D. Power-to-steel: Reducing
industry by 2050. 2018. P. 1-96.
CO2 through the integration of renewable energy and
hydrogen into the German steel industry // Energies.
[50]
Ellisa L. D., Badela A. F., Chianga M. L.,
2017. V. 10. N 4. ID 451.
Parka R. J.-Y., Chianga Y.-M. Toward electrochemical
synthesis of cement: An electrolyzer-based process
[39]
Toktarova A., Karlsson I., Rootzén J., Göransson L.,
for decarbonating CaCO3 while producing useful gas
Odenberger M., Johnsson F. Pathways for low-carbon
streams // PNAS. 2019. V. 117. N 23. P. 12584-12591.
transition of the steel industry — A Swedish case //
Energies. 2020. V. 13. N 15. ID 3840.
[51]
Samsun R. C., Laurent A., Rex M., Stolten D.
Deployment status of fuel cells in road transport: 2021
[40]
Bhaskar A., Homam M. A., Somehsaraei N.
Update. Schriften des Forschungszentrums Jülich
Decarbonization of the iron and steel industry with
Reihe Energie & Umwelt /Energy & Environment.
direct reduction of iron ore with green hydrogen //
Energies. 2020. V. 13. N 3. ID 758.
[41]
Holappa L. A general vision for reduction of energy
[52]
Reuß M., Dimos P., Léon A., Grube T., Robinius M.,
consumption and CO2 emissions from the steel
Stolten D. Hydrogen road transport analysis in the
industry // Metals. 2020. V. 10. N 9. ID 1117.
energy system: A case study for Germany through
2050 // Energies. 2021. V. 14. N 11. ID 3166.
[42]
Hoffmann Ch., Van Hoey M., Zeumer B.
Decarbonization challenge for steel. McKinsey
[53]
Du Zh., Liu G., Zhai J., Guo X., Xiong Y., Su W.,
He G. A review of hydrogen purification technologies
for fuel cell venhicles // Catalysts. 2021. V. 11. N 3.
308
Якубсон К. И.
[54]
Thomas C. E. (Sandy). Fuel cell and battery electric
[65]
Hoffmann J. Decarbonizing maritime transport:
vehicles compared // Int. J. Hydrogen Energy. 2009.
Estimating fleet renewal trends based on ship scrapping
V. 34. N 15. P. 6005-6020.
patterns. UNCTAD Transport and Trade Facilitation
Newsletter N°85 — First Quarter. 25 February 2020.
[55]
Bethoux O. Hydrogen fuel cell road vehicles
and their infrastructure: An option towards an
environmentally friendly energy transition // Energies.
2020. V. 13. N 22. ID 6132.
[66]
Ayvalı T., Tsang S. C. E., Van Vrijaldenhoven T. The
position of ammonia in decarbonizing maritime
[56]
Seo J., Park J., Oh J., Park S. Estimation of total
industry: An overview and perspectives. Part II. Costs,
transport CO2 emissions generated by medium- and
safety and environmental performance and the future
heavy-duty vehicles (MHDVs) in a Sector of Korea //
prospects for ammonia in shipping // Johnson Matthey
Energies. 2016. V. 9. N 8. ID 638.
Technol. Rev. 2021. V. 65. N 2. P. 291-300.
[57]
Sanguesa J. A., Torres V., Garrido P., Martinez F. J.,
[67]
Ash N., Scarbrough T. Sailing on Solar — Could
Marquez-Barja J. M. A review on electric vehicles:
green ammonia decarbonize international shipping?
Technologies and challenges // Smart Cities. 2021.
Environmental Defense Fund Europe Ltd. London,
V. 4. N 1. P. 372-404.
[58]
Heid B., Martens Ch., Orthofe A. How hydrogen
combustion engines can contribute to zero emissions.
[68]
Mallouppas G., Yfantis E. A. Decarbonization in
shipping industry: A review of research, technology
development, and innovation proposals // J. Mar. Sci.
Eng. 2021. V. 9. N 4. ID 415.
[59]
Verhelsta S., Wallner Th. Hydrogen-fueled internal
[69]
Kim K., Roh G., Kim W., Chun K. Preliminary study
combustion engines // Progr. Energy Comb. Sci. 2009.
on an alternative ship propulsion system fueled by
V. 35. N 6. P. 490-527.
ammonia: Environmental and economic assessments
// J. Mar. Sci. Eng. 2020. V. 8. N 3. ID 183.
[60]
Reitz R. D., Payri R., Kocaeli M. C., Gavaises K. IJER
editorial: The future of the internal combustion engine
[70]
McKinlay C. J., Turnock S. R., Hudson D. A.
// Int. J. Engine Research. 2019. V. 21. N 1. P. 3-10.
A Comparison of hydrogen and ammonia for future
long distance shipping fuels. Conference LNG/LPG
[61]
Ruf Y., Zorn Th., De Neve P. A., Andrae P., Erofeeva S.,
and Alternative Fuels. 29th-30th January 2020,
Garrison F., Schwillingt A. Study on the use of fuel
cells and hydrogen in the railway environment.
Publications Office of the European Union.
[71]
Van Hoecke L., Laffineur L., Campe R., Perreault P.,
Verbruggen S. W., Lenaerts S. Hallenges in the use of
[62]
Hoffrichter A. Hydrogen-Rail (hydrail) Development.
hydrogen for maritime applications // Energy Environ.
H2@Rail Workshop, Lansing, Michigan State
Sci. 2021. V. 14. P. 815-843.
[72]
Mao X., Rutherford D., Osipova L., Comer B.
Refueling assessment of a zero-emission container
[63]
Smith M. G., Croy I., Ögren M., Waye K. P. On the
corridor between China and the United States: Could
Influence of freight trains on humans: A laboratory
hydrogen replace fossil fuels?. International Council
investigation of the impact of nocturnal low frequency
On Clean Transportation. Working Paper 2020-05.
vibration and noise on sleep and heart rate. // PLoS
ONE. 2013. V. 8. N 2. ID e55829.
[64]
Bouman E. A., Lindstad E., Rialland A. I.,
Strømman A. H. State-of-the-art technologies,
[73]
Tronstad T., Høgmoen H., Gerd A., Haugom P.,
measures and potential GHG emissions from
Langfeld L. Study on the use of fuel cells in shipping.
shipping — A review // Transport. Res. Part D.
EMSA European Maritime Safety Agency DNV GL.
Transport Environm. 2017. V. 52. P. 408-421.
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
309
[74]
Xing H., Stuart Ch., Spence S., Chen H. Fuel cell
[85]
Amy C., Kunycky A. Hydrogen as a renewable energy
power systems for maritime applications: Progress
carrier for commercial aircraft. May 12, 2019.
and perspectives // Sustain. 2021. V. 13. N 3. ID 1213.
Massachusetts Institute of Technology, Preprint
October 2019.
[75]
Van Biert L., Godjevac M., Visser K., Aravind P. V. A
review of fuel cell systems for maritime applications
[86]
Surgenor Ch. Lufthansa technik and Hamburg airport
// J. Power Sourc. 2016. V. 327. P. 345-364.
start hydrogen-powered aircraft research project.
Green Air News letter. 9 July 2021.
[76]
Krantz R., Sogaard K., Smith T. The scale of
investment needed to decarbonize international
[87]
Reindl T., Walsh W., Yanqin Z., Bieri M. Energy
shipping. Global Maritime Forum. January 2020.
meteorology for accurate forecasting of PV power
output on different time horizons // Energy Proceed.
2017. V. 130. P. 130-138.
[77]
Lagouvardou S., Psaraftis H. N., Zis T. A literature
[88]
Van der Wiel K., Bloomfield H. C., Lee R. W.,
survey on market-based measures for the
Stoop L. P., Blackport R., Screen J. A., Selten F. M. The
decarbonization of shipping // Sustain. 2020. V. 12.
influence of weather regimes on European renewable
energy production and demand // Environ. Res. Lett.
[78]
Lee D. S., Pitari G., Grewe V., Gierens K., Penner J. E.,
2019. V. 14. N 9. ID 094010.
Petzold A., Prather M. J., Schumann U., Bais A.,
Berntsen T., Iachetti D., Lim L. L., Sausen R. Transport
[89]
Drücke J., Borsche M., James P., Kaspar F.,
impacts on atmosphere and climate: Aviation //
Pfeifroth U., Ahrens B., Trentmann J. Climatological
Atmosph. Environm. 2010. V. 44. N 37. P. 4678-4734.
analysis of solar and wind energy in Germany using
the Grosswetterlagen classification // Renew. Energy.
[79]
Grewe V., Rao A. R., Grönstedt T., Xisto C., Linke F.,
2021. V. 164. P. 1254-1266.
Melkert J., Middel J., Ohlenforst B., Blakey S.,
Christie S., Matthes S., Dahlmann K. Evaluating the
[90]
Staffell I., Pfenninger S. The increasing impact of
climate impact of aviation emission scenarios towards
weather on electricity supply and demand // Energy.
the Paris agreement including COVID-19 effects //
2018. V. 145. P. 65-78.
Nature Commun. 2021. V. 12. ID 3841.
[91]
Wohland J., Omrani N. E., Keenlyside N., Witthaut D.
[80]
Scheelhaase J., Maertens S., Grimme W. Synthetic
Significant multidecadal variability in German wind
fuels in aviation — Current barriers and potential
energy generation // Wind Energ. Sci. 2019. V. 4.
political measures. 8th International Conference on Air
N 3. P. 515—526.
Transport — INAIR 2019 // Transport. Res. Proceed.
2019. V. 43. P. 21-30.
[92]
Widera B. Renewable hydrogen implementations for
combined energy storage, transportation and stationary
[81]
Bauen A., Bitossi N.., German L., Harris A., Leow Kh.
applications // Therm. Sci. Eng. Progr. 2020. V. 16.
Sustainable Aviation Fuels: Status, challenges and
ID 100460.
prospects of drop-in liquid fuels, hydrogen and
electrification in aviation // Johnson Matthey Techn.
[93]
Moore J., Shaban B. A critical study of stationary
Rev. 2020. V. 64. N 3. P. 263-278.
energy storage policies in Australia in an international
context: The role of hydrogen and battery technologies
[82]
Doliente S. S., Narayan A., Tapia J. F. D.,
Samsatli N. J., Zhao Y., Samsatli S. Bio-aviation fuel:
A comprehensive review and analysis of the supply
[94]
Preuster P., Alekseev A., Wasserscheid P. Hydrogen
chain components // Front. Energy Res. 2020. V. 8.
storage technologies for future energy systems
// Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng. 2017. V. 7.
[83]
Khandelwal B., Karakurt A., Sekaran P. R. Hydrogen
powered aircraft: The future of air transport // Progr.
Aerospace Sci. 2012. V. 60. P. 45-59.
[95]
Andersson J., Grönkvist S. Large-scale storage of
hydrogen // Int. J. Hydrogen Energy. 2019. V. 44.
[84]
Rondinelli S., Gardi A., Kapoor R., Sabatini R.
N 23. P. 11901-11919.
Benefits and challenges of liquid hydrogen fuels in
commercial aviation // Int. J. Sustain. Aviation. 2017.
[96]
Asmelash E., Prakash G., Kadir M. Wind and Solar
V. 3. N 3. P. 200-216.
PV — what we need by 2050. IRENA Webinar Series.
310
Якубсон К. И.
Petrographic and petrophysical variations in reservoir
sandstones from laboratory experiments under
simulated reservoir conditions // Int. J. Hydrogen.
Energy. 2018. V. 43. N 45. P. 20822-20835.
[97]
Landinger H., Crotogino F. The role of large-scale
hydrogen storage for future renewable energy
[107]
Jagruti Ah. M. E., Annukka Th., Larmi S.-A. M.
utilization in Second International Renewable Energy
Large-scale compressed hydrogen storage as part
of renewable electricity storage systems // Int. J.
Hydrogen Energy. 2021. V. 46. N 29. P. 15671-
15690.
[98]
Ozarslan A. Large-scale hydrogen energy storage in
salt caverns // Int. J. Hydrogen Energy. 2012. V. 37.
[108]
Sheffield J. W., Folkson R. 5-Electricity and
N 19. P. 14265-14277.
hydrogen as energy vectors for transportation
vehicles // Alternative Fuels and Advanced
[99]
Gabriell P., Gert A. P., Kramer Jan, Spiers Ch.,
Vehicle Technologies for Improved Environmental
Mazzotti M., Gazzani M. Seasonal energy storage
Performance. 2014. P. 117-137.
for zero-emissions multi-energy systems via
underground hydrogen storage // Renew. Sustain.
[109]
Aziz M., Wijayanta T. A., Nandiyanto A. B. D.
Energy Rev. 2020. V. 121. ID 109629.
Ammonia as effective hydrogen storage: A review
on production, storage and utilization // Energies.
[100]
Bünger U., Michalski J., Crotogino F., Kruck O.
2020. V. 13. N 12. ID 3062.
Large-scale underground storage of hydrogen for
the grid integration of renewable energy and other
[110]
Ouma C. N. M., Garidzirai R., Wasserscheid P.,
applications // Compend. Hydroge Energy. 2016. V. 4.
Bessarabov D. The prospect of hydrogen storage
Hydrogen Use, Safety and the Hydrogen Economy
using liquid organic hydrogen carriers // Energy
Woodhead Publishing Series in Energy. P. 133-163.
Fuels. 2019. V. 33. N 4. P. 2778-2796.
[101]
Cihlar J., Mavins D., Van der Leun K. Picturing the
[111]
Staffell I., Scamman D., Abad A. V., Balcombe P.,
value of underground gas storage to the European
Dodds P. E., Ekins P., Shah N., Ward K. R. The role of
hydrogen system. Gas Infrastructure Europe (GIE).
hydrogen and fuel cells in the global energy system
// Energy Environ. Sci. 2019. V. 12. P. 463—491.
[112]
Popel O. S., Tarasenko A. B., Filippov S. P. Fuel cell
based power generating installations: State of the
art and future prospects // Therm. Eng. 2018. V. 65.
[102]
Caglayan D. G., Weber N., Heinrichs H. U.,
N 12. Р. 859—874.
Linßen J., Robinius M., Kukla P. A., Stolten D.
Technical potential of salt caverns for hydrogen
[113]
Emerson B., Lieuwen T., Noble B., Espinoza N.
storage in Europe // Int. J. Hydrogen Energy. 2020.
Hydrogen substitution for natural gas in turbines:
V. 45. N 11. P. 6793-6805.
Opportunities, issues, and challenges. 8.06.2021.
[103]
Panfilov M. Underground and pipeline hydrogen
storage // Compend. Hydrogen Energy. 2016. V. 2.
Hydrogen Storage, Distribution and Infrastructure.
[114]
Flohr P., Stuttaford P. Combustors in gas turbine
systems // Modern gas turbine systems. High
efficiency, low emission, fuel flexible power
[104]
Tarkowski R. Underground hydrogen storage:
generation. Woodhead Publishing Series in Energy.
Characteristics and prospects // Renew. Sustain.
December 2013. P. 151-191.
Energy Rev. 2019. V. 105. P. 86-94.
[115]
Ebrahimi M., Keshavarz A. CCHP Technology.
[105]
Hemme Ch., Van Ber W. Hydrogeochemical modeling
Combined cooling, heating and power. Decision-
to identify potential risks of underground hydrogen
Making, Design and Optimization. 2015. P. 35-91.
storage in depleted gas fields // Appl. Sci. 2018. V. 8.
[106]
Flesch S., Pudlo D., Albrecht D., Jacob A.,
[116]
Филиппов С. П., Голодницкий А. Э., Кашин А. М.
Enzmann F. Hydrogen underground storage —
Топливные элементы и водородная энергетика
Перспективы использования водорода в различных отраслях мировой экономики... (обзор)
311
// Энергетическая политика. 2020. Т. 11. № 153.
[121]
Stocks M., Fazeli R., Hughes L., Beck F. Global
С. 28-39.
emissions implications from coburning ammonia
[117]
Elmer T., Worall M., Wu S., Riffat S. B. Fuel cell
in coal fired power stations: An analysis of the
technology for domestic built environment
Japan-Australia supply chain. The Australian
applications: State of-the-art review // Renew.
National University November 2020. P. 1-30.
Sustain. Energy Rev. 2015. V. 42. P. 913-931.
[118]
Ma Zh., Eichman J., Kurtz J. Fuel cell backup
power system for grid-service and micro-grid in
telecommunication applications. NREL. Power and
Energy Conference. Lake Buena Vista, Florida, June
24-28, 2018. P. 1-11.
[122]
Baldino Ch., OʹMalley J., Searle S., Christensen A.
Hydrogen for heating? Decarbonization options for
[119]
Akinyele D., Olabode E., Amole A. Review of fuel
households in Germany in 2050. working paper.
cell technologies and applications for sustainable
International council on clean transportation. March
microgrid systems // Invent. 2020. V. 5. N 3. ID 42.
[120]
Nagatani G.., Ishi H, Ito T., Ohno E., Okuma Y.
Development of co-firing method of pulverized coal
[123]
Rongé J., François I. Use of hydrogen in buildings.
and ammonia to reduce greenhouse gas emissions
BatHyBuild study. Energy and CO2 Status. 29 April
// IHI Eng. Rev. 2020. V. 53. N 1. P. 1-10. https://
