Китай совершил технологический прорыв в производстве водорода из морской воды, используя электроэнергию из возобновляемых ресурсов.

    Компания CenerTech, дочерняя компания Китайской национальной оффшорной нефтяной корпорации /CNOOC/, в пятницу объявила о завершении пробной эксплуатации экспериментальной установки для электролиза морской воды мегаваттного класса, которая обеспечивает получение водорода с уровнем чистоты 99,999 проц.

      Установка имеет номинальную производительность 200 стандартных кубометров водорода в час и объединяет основные операции, такие как текущая переработка, электролиз морской воды и очистка водорода, в пяти контейнерах, образуя компактную и портативную конструкцию, подходящую для морских платформ, говорится в сообщении компании.

       По словам представителей компании, он был спроектирован с учетом присущих морской ветровой и солнечной энергетике сильной прерывистости и высокой изменчивости, обеспечивая эффективное решение для использования возобновляемых источников энергии на месте.

       Морская вода является богатым источником для производства водорода. Электролиз морской воды позволяет преобразовать нестабильную "зеленую" электроэнергию в "зеленый" водород, который легче хранить и транспортировать. Однако сложный состав морской воды создает проблемы, такие как деградация катализатора и интенсивные побочные реакции.

      Новое оборудование CenerTech позволило проводить прямой электролиз морской воды без опреснения, тем самым снижая затраты и обеспечивая стабильное и долгосрочное производство водорода.

      "В перспективе прямой электролиз морской воды будет сочетаться с технологиями использования возобновляемых источников энергии в таких областях, как морская ветроэнергетика, что позволит получать электроэнергию из глубоководных и отдаленных морских районов на месте", - сказал Ли Чжичуань, инженер-ветроэнергетик CenerTech.

    Это инженерное достижение стало результатом завершения ранее на этой неделе научно-исследовательского проекта по производству водорода из морской воды в промышленных масштабах. Проект был реализован Sinopec, еще одним государственным нефтеперерабатывающим предприятием, которое сообщило о производительности в 20 кубометров экологически чистого водорода в час. 

      О развитии водородной энергетики в КНР

     В настоящее время Китай - крупнейший в мире производитель гидрогена с ежегодным показателем выработки порядка 33 млн тонн. Однако большая часть этого объема (29 млн т) имеет неэнергетическое применение в химической и нефтехимической отраслях . Позиционирование водорода как источника энергии в КНР началось сравнительно недавно, в 2011 году, когда в число основных сфер высокотехнологичных отраслей энергетического сектора страны была впервые включена формулировка «разработка и использование водорода».

        В последующие годы упоминание первого элемента периодической таблицы в контексте развития энергетической отрасли стало появляться все чаще. В том числе внимание к данной теме обозначено в Плане развития новых стратегических отраслей национальной промышленности на 13-ю пятилетку и программе «Сделано в Китае - 2025». В 2019 году тематика развития водородной промышленности впервые включена в Доклад о работе правительства КНР. В 2020 году в опубликованных Государственным энергетическим управлением КНР (ГЭУ) «Руководящих положениях по работе в сфере энергетики» водородная отрасль была выделена в качестве одного из ключевых направлений развития, а в 2021 году она получила свое место в Плане социально-экономического развития страны на 14-ю пятилетку. В настоящий момент этот вид энергетики упоминается в программных документах 30 субъектов провинциального уровня и более 150 городов КНР. В ряде регионов и десятках городов страны утверждены собственные планы развития отрасли «Н2».

        Окончательному закреплению гидрогена как одного из магистральных направлений развития энергетической сферы способствовало принятие в феврале 2022 года Государственным комитетом КНР по развитию и реформе совместно с ГЭУ Плана развития водородной энергетики КНР на 2021-2035 годы. Документ определяет принципы и направления развития отрасли, ставит опорные задачи и обозначает методы их выполнения. В плане подчеркнуто китайское видение водорода в качестве важного элемента в процессе развития глобального энергоперехода.

    Растущее внимание властей КНР к водородной тематике и прогресс в развитии отрасли создают предпосылки к увеличению внутреннего спроса на этот вид топлива. Китайские эксперты полагают, что к 2060 году потребность страны в водороде может достичь 130 млн тонн, при этом 100 млн тонн от этого объема будут получены за счет производств с применением углеродно-нейтральных технологий.

     Как отмечено выше, Китай уже сегодня является крупнейшим в мире производителем водорода, однако бóльшая часть получаемого продукта - это «серый» или «голубой» вид топлива, то есть произведенный посредством переработки ископаемого сырья. Многие эксперты сходятся во мнении, что такой гидроген можно считать экологичным лишь условно, поскольку объем эмиссии парниковых газов при его производстве нивелирует полезный эффект водородной энергетики для окружающей среды. В этой связи в плане поставлен акцент на получение «зеленого» водорода при помощи ВИЭ и подчеркнуто мировое лидерство КНР по объему установленных электрогенерирующих мощностей на основе возобновляемых источников, которое, по мнению авторов, обеспечивает стране преимущество в производстве безуглеродного гидрогена.

       «Зеленый» водород - это прежде всего топливо, полученное путем электролиза воды, при этом используемая в этих целях электроэнергия должна иметь «чистый» статус (некоторые эксперты также выделяют «желтый» водород, полученный при помощи энергии АЭС). Одним из ключевых преимуществ электролиза за счет ВИЭ является возможность территориального распределения мощностей в соответствии с потребностями рынка, что способно снизить затраты и во многом решить проблему хранения и доставки водорода до потребителя. В Китае предсказывают большое будущее водородным АЗС, которые смогут производить топливо непосредственно на месте. Вместе с тем масштабирование применения технологии электролиза воды поднимает вопрос использования или утилизации отходов производства - общепринятые решения пока отсутствуют.

     Параллельно с развитием поместного производства водорода представители отрасли в Китае изучают вопрос кластеризации мощностей в местах, богатых ВИЭ. Так, в прибрежной зоне возможно использование потенциала морской ветровой энергетики, в западной части Китая - ресурсов СЭС, которые будут задействованы для масштабной выработки гидрогена с последующими поставками потребителям.

        В середине 2022 года китайская пресса сообщала о реализации в стране 161-го проекта по производству водорода путем электролиза воды при помощи ВИЭ. Из этого числа 12 объектов уже запущены (суммарная выпускная мощность составляет примерно 23,1 тыс. т гидрогена в год), в стадии строительства находятся еще 22 объекта. Вместе с тем к началу 2022 года выработка водорода таким способом составляла лишь 1,4% от общего объема производства в КНР. Одним из главных препятствий на пути развития этого направления представители отрасли называют его дороговизну, однако существуют ожидания, что по мере увеличения числа СЭС и ВЭС в Китае стоимость производства водорода путем электролиза воды будет снижаться.

        Также в КНР проводятся исследования по альтернативным вариантам генерации водорода, в том числе созданы экспериментальные комплексы по добыче этого топлива посредством переработки мусора [5], ведутся разработки в области фотолиза воды с целью получения гидрогена.

        На текущем этапе развития перед отраслью стоит проблема безопасной и эффективной доставки первого элемента периодической таблицы до потребителя. Эксперты полагают, что одним из наиболее перспективных вариантов организации стабильного снабжения этим видом топлива является строительство водородопроводов. Для формирования соответствующей инфраструктурной сети рассматриваются возможности перепрофилирования газопроводов, а также сооружения новых, ориентированных исключительно на гидроген объектов. Представители местного профсообщества признают, что этот сегмент промышленности пока находится в начальной стадии развития: китайские водородопроводы в большинстве случаев представляют собой небольшие экспериментальные проекты. Одним из прорывов на данном направлении представлен в местных СМИ сооружаемый Китайской национальной нефтегазовой корпорацией в провинции Ганьсу объект длиной 5,7 км с пропускной способностью 10 тыс. нормальных куб. м/час.

       Вовлеченность корпораций национального уровня в развитие трубопроводных поставок водорода свидетельствует о серьезном настрое китайских энергетиков, однако на сегодняшний день экономическая целесообразность строительства подобных объектов оставляет желать лучшего. По оценкам представителей отрасли, прокладка трубопровода для гидрогена стоит в четыре-шесть раз дороже аналогичного сооружения для природного газа. Кроме того, в условиях недостаточных масштабов развития этого сегмента и низкой финансовой отдачи, обусловленной невысокой стоимостью транспортировки топлива и малым потребительским спросом, строительство гидрогенопроводов требует крупных инвестиций и особой заинтересованности держателей капитала.

      Другим способом доставки водорода до потребителя является перевозка в цистернах под высоким давлением, этот метод активно применяется в Китае. Главным его недостатком, по заявлениям местных экспертов, является весьма ограниченный радиус перевозки топлива в водородовозах: стандартная автоцистерна с давлением 20МПа транспортирует 250-350 кг гидрогена на расстояние до 200 км. При увеличении расстояния стоимость перевозки становится выше и лишает ее коммерческого смысла. Китайские профильные организации работают над решением данной проблемы, сообщается о создании экспериментальных условий для применения технологий и оборудования для транспортировки топлива под более высоким давлением на дальние расстояния.

       В целом в Китае намерены развивать полный комплекс компетенций в сфере хранения и доставки водорода, это подтверждается наличием в Плане развития водородной энергетики предписаний по углублению разработок в областях предотвращения водородного охрупчивания металлов, изучения вопросов утечки, диффузии и взрывоопасности водорода. В документе также поощряются исследования по таким направлениям, как хранение и перевозка водорода в жидком состоянии при низких температурах, а также в твердом состоянии и в виде органических жидкостей. Ускорится разработка законодательной основы в области безопасности хранения и доставки этого вида топлива.

       В числе ключевых сфер применения водорода в Китае выделяют промышленность, транспорт и энергетику. Как отмечалось выше, в настоящее время абсолютное лидерство по потреблению гидрогена в КНР принадлежит химической промышленности. По мере развития национальной экономики страны и ее экспортного потенциала можно ожидать увеличения спроса на водород со стороны химпрома. Вместе с тем рост производства первого элемента периодической таблицы в перспективе видят полезным и для металлургии, где гидроген может применяться как восстановитель, а также как высококачественный источник тепла. По оценкам аналитиков, к 2060 году потребление водорода такими отраслями, как нефтехимия, химия и сталеварение, может достичь 54-82 млн тонн в год, что будет составлять более 70% от общего объема использования водорода в КНР. Активизация этого процесса прогнозируется после 2035 года, когда китайское производство «зеленого» водорода, по ожиданиям экспертов, существенно возрастает [8].

         Весьма динамично развивается транспортное направление. По состоянию на начало 2022 года в Китае эксплуатировалось более 7700 единиц автомобилей на водородных топливных элементах, работали свыше 250 водородных заправочных станций - рекордный показатель в мировом масштабе [7]. Ведущие автоконцерны страны запускают производства «водородомобилей», у таких международных корпораций, как «Тойота» и «Хендай», имеются планы входа на местный рынок [7], что в сумме приводит к поступательному увеличению предложения на рынке. В первом полугодии 2022 года с конвейеров в Китае сошло более 1800 единиц автомобильного транспорта на водороде, что превысило общий показатель сборки за 2021 год. Представители отрасли ожидают, что по итогам 2022 года будет произведено более 3 тыс. «водородомобилей», а в 2023 году их выпуск в КНР перешагнет отметку в 5 тыс. единиц [7]. Масштабирование водородного автомобилестроения и развитие соответствующей технологической и производственной базы ведет к снижению затрат на изготовление комплектующих и транспортных средств в целом, что позитивно влияет на динамику производства.

         С целью стимулирования практического применения транспорта на новом виде топлива в КНР в 2020 году запущен проект по образцовому использованию «водородомобилей». В период до 2025 года в городе Шанхае, региональном кластере Пекин - Тяньцзинь - Хэбэй, а также в провинции Гуандун применяется поощрительная политика, направленная на расширение использования водорода в сфере транспорта, прежде всего грузового. Цель проекта - сформировать соответствующие рынки и производственно-потребительские цепочки регионального масштаба. Согласно ожиданиям представителей отрасли, к концу экспериментального периода число автомобилей на топливных элементах в указанных регионах превысит 25 тысяч, а число водородных АЗС составит свыше 350 единиц. В 2022 году к эксперименту подключилась провинция Хэнань.

     В области водородного автомобилестроения китайцы пока делают акцент на коммерческом транспорте - грузовых и пассажирских автомобилях. Эксперты полагают, что при сохранении темпов развития отрасли к 2050 году доля большегрузов на водороде будет превышать 50% от общего числа. Стоит отметить, что автомобили - не единственный вид транспорта на гидрогене, разрабатываемый в Китае. Эксперименты проводятся также в сферах водного и воздушного транспорта, включая беспилотные летательные аппараты. Кроме того, в 2021 году состоялся экспериментальный запуск железнодорожного локомотива на водородных топливных элементах.

        Другим важным направлением применения гидрогена в Китае видят энергонакопление. При таком варианте использования водород может производиться за счет избыточной (сверхплановой) выработки СЭС, ВЭС, АЭС и других видов электростанций, храниться и затем использоваться для получения электроэнергии в случае необходимости. Практическая имплементация подобной схемы может стать одним из эффективных решений проблемы нестабильности электрогенерации за счет энергии солнца и ветра.

         Сегодня в КНР создаются экспериментальные комплексы, сочетающие в себе элементы тепловой, возобновляемой и водородной электрогенерации. Ярким примером является запущенный в июле 2022 года в провинции Аньхой гибридный проект мегаватт-класса. Годовая выработка гидрогена комплексом превышает 700 тыс. куб. нанометров, предельный объем электрогенерации за счет водорода - 730 тыс. кВт/ч. Это первый в стране объект смешанной генерации такого масштаба, где права на интеллектуальную собственность принадлежат китайским разработчикам [3].

      Технологическая независимость национальной водородной отрасли - один из приоритетов КНР. Государство стимулирует и поощряет осуществление научных разработок в данной области, поддерживает их практическое применение. Активно развивается локализация выпуска комплектующих для водородных топливных элементов: в период с 2017 по 2020 год этот показатель, по подсчетам местных аналитиков, вырос с 30 до 60%. Прилагаются усилия к увеличению производства катализаторов и мембранных электродов. В 2021 году в городе Ухань запущена первая в стране автономно управляемая линия по производству протонообменных мембран, способная выпускать до 300 тыс. м² продукции в год, что позволит обеспечивать данной комплектующей до 20 тыс. автомобилей на водородных топливных элементах. Выпускаемые мембраны могут также применяться для нужд стационарных электростанций, резервных источников питания и беспилотных летательных аппаратов. В Китае также отработаны технологии изготовления водородных баллонов третьего класса с максимальным давлением 35 МПа, имеются производственные мощности для выпуска баллонов с давлением 70 МПа.

       Для тех комплектующих, производство которых пока не налажено, китайские власти применяют меры по стимулированию импорта. Так, с начала 2022 года установлена временная сниженная пошлина на ввоз мембранных электродов, биполярных пластин, насосов циркуляции, углеродистых электродных пластин. Ранее, в 2021 году, льготные таможенные ставки начали действовать для компрессоров, применяемых в топливных элементах.

        В целях координации и консолидации усилий на «водородном треке» по инициативе Национальной энергетической инвестиционной корпорации при поддержке заинтересованных государственных ведомств в 2018 году был создан Китайский водородный альянс (China Hydrogen Alliance). На сегодняшний день состав его участников насчитывает более 150 учреждений, включая 29 госкорпораций центрального подчинения, 23 региональных государственных предприятия, 18 университетов, НИИ и поместных объединений, 29 компаний с участием зарубежного капитала, а также 51 частное предприятие. Территориальный охват деятельности объединения покрывает 22 провинции (включая города центрального подчинения и автономные районы). Китайский водородный альянс видит своей задачей объединение усилий своих членов в интересах развития отрасли, формирования научно-исследовательских, производственных и логистических цепочек. Альянс также является весьма активным организатором отраслевых конференций и презентаций.

         Принятие долгосрочного плана развития отрасли водородной энергетики направило позитивный сигнал инвесторам и стимулировало повышение рыночной активности связанных предприятий. В июне 2022 года на Шанхайской фондовой бирже состоялись первичные размещения акций трех компаний сферы водородной энергетики, готовится выход на IPO еще ряда экономоператоров. Кроме того, наблюдаемая с начала 2022 года высокая цена на традиционные виды топлива дополнительно стимулирует приток инвестиций в альтернативную энергетику, включая водород.

        Таким образом, в Китае нацелены на комплексное развитие водородной промышленности с акцентом на разработку собственной технологической базы. Политическая воля руководства страны, финансовые возможности и объем внутреннего рынка создают благоприятную почву для дальнейшего прогресса отрасли и скорейшего коммерческого внедрения передовых технологий производства, хранения, транспортировки и применения гидрогена. Вместе с другими новыми видами энергетики водород рассматривается в Китае как средство достижения энергетической независимости. При этом, как прогнозируют некоторые аналитики, гидроген к 2060 году должен занять порядка 20% в общем энергобалансе страны. Подчеркивается, что развитие отрасли в Китае будет осуществляться на основе рыночных принципов при контроле со стороны государства, что контрастирует с местной системой ценообразования и сбыта традиционного энергосырья.

        Масштабное применение водорода в будущем внесет существенные изменения в структуру энергобаланса КНР. В случае успешного рыночного внедрения технологий гидрогенного и иных видов энергоаккумулирования можно ожидать ускорения темпов отказа Китая от ископаемого энергосырья, в первую очередь угля.