Топливные элементы и водород — как это работает и зачем нужно

Для хранения и получения энергии из водорода используют специальные установки — топливные элементы. Первый такой элемент сконструировал английский учёный Уильям Гроув ещё в 1830-х годах. Вместе с Кристианом Шенбейном они показали, что можно получать энергию в водородно-кислородном элементе с кислотным электролитом.

В 1959 году Фрэнсис Бэкон из Кембриджа добавил в конструкцию ионообменную мембрану — она упростила транспорт гидроксид-ионов. Изобретением заинтересовались власти США и NASA. Обновлённые топливные элементы стали использовать на космических кораблях «Аполлон» как основной источник энергии.

В отличие от кислорода, водород в чистом виде на Земле почти не встречается. Его добывают из разных соединений химическими методами. По способам производства водород делят на цветовые категории.

Виды водорода по способу производства

• зелёный — получают из возобновляемой энергии через электролиз воды. Нужны только вода, электролизёр и много электричества;
• голубой — добывают из природного газа, вредные отходы улавливают и используют повторно. Но идеально чистым этот метод не назовёшь;
• розовый или красный — производят с помощью атомной энергии;
• серый — получают конверсией метана, вредные выбросы уходят в атмосферу;
• коричневый — добывают газификацией угля, тоже с парниковыми газами.

Есть ещё технологии получения биоводорода из мусора и этанола, но их доля пока мизерная.

Себестоимость производства по видам, долларов за килограмм

• зелёный — 10;
• голубой — 2;
• красный — 2;
• серый — 2-2,5;
• коричневый — 2-2,5.

Водородная энергетика сегодня

На переработку угля приходится 18% производства водорода. Зелёный даёт всего 4%. Остальные 78% — переработка природного газа и нефти. Методы на ископаемом топливе создают 830 миллионов тонн CO2 в год — столько же выбрасывают Великобритания и Индонезия вместе взятые. Но водород всё равно чище, чем обычное топливо.

В мире три главных источника выбросов, которые нагревают климат: транспорт, производство электричества и промышленность. Водород может использоваться во всех трёх сферах. В топливных элементах потери минимальны, а побочный продукт — только вода, из которой снова можно добывать водород.

Перспективы отрасли

По данным Международного энергетического агентства, к 2050 году мировой спрос на водород вырастет до 528 миллионов тонн — против 87 миллионов в 2020-м. Доля водорода в мировом потреблении составит 18%, из них 10% — зелёный.

МЭА планирует снизить стоимость зелёного водорода до 2 долларов за килограмм к 2050 году. Сейчас она около 10. Удешевление произойдёт за счёт развития возобновляемой энергетики и снижения стоимости ветряных и солнечных установок.

В июне 2020 года Германия объявила о национальной водородной стратегии с инвестициями 7 миллиардов евро. Япония, Франция, Южная Корея, Австралия, Нидерланды и Норвегия начали свой курс раньше. Япония — первой, ещё в декабре 2017-го.

В июле 2020 года Минэнерго России подготовило план развития водородной энергетики на 2020-2024 годы. Производить водород собираются «Росатом», «Газпром» и «Новатэк». В дорожной карте:

• поддержка пилотных проектов по производству водорода;
• стимулы для экспортёров и внутренних покупателей;
• первые установки запустят в 2024 году на АЭС и объектах добычи газа.

В 2021 году HydrogenOne Capital — первый в мире инвестфонд под зелёный водород — вышел на Лондонскую биржу. Фонд вкладывается в проекты мощностью 20-100 МВт с возможностью расширения до 500 МВт.

Плюсы водородной энергетики

1. Широкое применение. Электрификация транспорта снижает выбросы, но авиацию и морские грузоперевозки на электричество трудно перевести — им нужно топливо с высокой плотностью энергии. Зелёный водород тут подходит. Airbus уже представил концепты самолётов на водороде и надеется запустить их к 2035 году.
2. Nikola строит полуприцепы на аккумуляторах и водороде. Компания заявляет: их топливные элементы работают при более низких температурах, чем батареи, и легче, что важно для грузовиков. Дальность хода — 900 миль на баке. Для сравнения: у Tesla Semi с батарейным питанием заявлено 200-300 миль.
3. Свои водородные модели представили Toyota, Honda и BMW.
4. Время заправки электромобиля на топливных элементах — меньше четырёх минут. В отличие от батарей, они не нуждаются в перезарядке. Могут работать как резервные генераторы.
5. Важный элемент — использование водорода в ЖКХ. Лидс станет первым британским городом с полностью водородным энергоснабжением. Все газовые сети и транспорт переведут на него.
6. Запасы водорода безграничны. Его можно производить и использовать на месте. Избыточную возобновляемую энергию можно хранить в виде водорода в больших объёмах.
7. Энергоэффективность. Водород содержит почти в три раза больше энергии, чем ископаемое топливо. КПД водородных элементов — до 65%, против 33-35% у обычных электростанций. У солнечных панелей КПД около 20%, у ветряных — 40%.
8. Весной 2020 года в Фукусиме запустили крупнейшую в мире водородную электростанцию. На ней размещены солнечные батареи на 20 МВт, станция выдаёт 1,2 тысячи кубометров водорода в час.
9. В автомобилях топливные элементы используют 40-60% энергии топлива и сокращают его расход на 50%.
10. Зелёный водород — отличный способ хранения энергии. У Германии, например, есть проблема: в ветреные дни север производит больше электроэнергии, чем может потребить. Излишки приходится продавать соседям себе в убыток. Их можно хранить в виде водорода, а потом сжигать при необходимости.

Минусы водородной энергетики

1. Стоимость зелёного водорода. Это главное препятствие. Перспективы связаны с удешевлением электролиза. При масштабировании производства стоимость электролизёров может снизиться с текущих 1000 до 200 долларов за кВт к 2050 году, по оценкам J.P. Morgan — даже до 100. Тогда и водород подешевеет до 2 долларов за килограмм. Госсубсидии могут ускорить процесс.
2. Горючесть. Водород огнеопаснее бензина и газа, малейшие трещины в баке могут привести к трагедии. Но есть нюанс: водород в 57 раз легче паров бензина и быстро рассеивается в атмосфере. Это снижает риски.
3. Хранение и транспортировка. Водород — самый лёгкий элемент, в заданном объёме его помещается меньше, чем других видов топлива. Чтобы проехать то же расстояние, нужен гораздо больший баллон. Выход — сжижение при -253 °C или сжатие до давления в 700 раз выше атмосферного.
4. Сейчас водород перевозят по трубопроводам, в автоцистернах, трубчатых прицепах, по железной дороге и баржами.
5. Страны уже сейчас бронируют будущие объёмы. Примеры: германо-марокканское соглашение о зелёном водороде (июнь 2020), японо-австралийское заявление о сотрудничестве (январь 2020), российско-германская декларация по устойчивой энергетике.

Производство — кто есть кто на рынке

В водородной энергетике много игроков. Крупнейшие производят водород дешёвым методом — паровым риформингом. Мелкие компании сосредоточены на конкретных задачах: электролизёрах или топливных элементах. Есть и те, кто хочет стать вертикально интегрированным поставщиком.

Производители водорода

Air Products — производит атмосферные и технологические газы для нефтепереработки, нефтехимии и металлургии. В 2020 году объявила о строительстве завода зелёного водорода в Саудовской Аравии на ветряной и солнечной энергии мощностью 4 ГВт — сейчас это крупнейший в мире проект. Завод будет выдавать 650 тонн зелёного водорода в день — хватит на 20 тысяч автобусов.

Linde — мировой лидер в промышленных технологиях по подготовке, разделению и сжижению газа. В 2021 году подписала соглашение с Infineon о производстве и хранении зелёного водорода в Австрии. Будет строить, владеть и эксплуатировать электролизный завод на 2 МВт с технологией PEM от ITM Power.

Cummins представила водородную стратегию в ноябре 2020-го. В 2019-м купила Hydrogenics, получив технологии топливных элементов и электролизёров.

Это крупные игроки с большим опытом. Сейчас их фокус — серый водород, но они переходят на более чистые решения.

Компании по производству топливных элементов

1. Ballard Power Systems — специализируется на топливных элементах для автобусов и грузовиков. Поставляет системы другим компаниям для интеграции в их транспорт.
2. Bloom Energy — производит серверы на топливных элементах. Это стационарные системы для резервного питания. Также делает электролизёры, представила водородную стратегию в июле 2020-го.
3. FuelCell Energy — в том же секторе, что и Bloom. Производит электростанции на стационарных топливных элементах.
4. Plug Power — стремится стать крупным производителем зелёного водорода. Купила предприятия по выпуску электролизёров и водородных заправок. Работает с Brookfield Renewable Partners и Apex Clean Energy над строительством заводов. Строит общенациональную сеть зелёного водорода.
5. PowerCell Sweden — делает топливные элементы для транспортных систем. Сделка с Bosch — немецкая компания может производить и продавать элементы на основе дизайна PowerCell.

Производители электролизёров

Эти компании пока торгуются на внебиржевом рынке и убыточны, поэтому коэффициенты P/E не приводятся.

• McPhy Energy;
• Nel ASA;
• ITM Power.

Коротко о главном

1. 2020 год стал бумом для возобновляемой энергетики. Влияние оказали и уход республиканцев в США, и популярность ESG-инвестиций, и мягкая кредитная политика.
2. Водородная энергетика — перспективное направление. Но входить в рынок пока рискованно. Компании растут, им нужно достичь больших масштабов, чтобы стать прибыльными. Для успешных вложений важна грамотная оценка деятельности, партнёров и менеджмента каждой компании.