Водородная экономика в отдельно взятом городе
Сингапурская водородная стратегия как образец интеграции водородной энергетики во все сферы жизни общества
В октябре 2022 г. Сингапур опубликовал стратегию развития водородной энергетики [1] — комплексный документ, содержащий планы и перспективы применения этого энергоносителя. На волне активного принятия государствами мира обязательств по достижению углеродной нейтральности город, слабо обеспеченный пространством для развития собственной возобновляемой энергетики, сделал ставку на водород как наиболее доступное и выгодное средство декарбонизации. Уникальность сингапурского подхода состоит в том, что город находит возможности использования этого энергоносителя практически во всех ключевых секторах экономики — от электроэнергетики до морского транспорта. В отличие от большинства подобных документов в мире, данная стратегия полностью ориентирована на импорт и использование водорода. Среди потенциальных поставщиков, рассматриваемых сингапурским правительством и работавшими над обоснованием стратегии исследователями из KBR и Argus, упоминается и Россия, о чём мы писали ранее.
Водородная история Сингапура
Сингапур — город-государство в Юго-Восточной Азии с одним из самых высоких в мире ВВП на душу населения, высокой степенью открытости экономики и доступности бизнес-среды и стратегическим положением торгового и финансового хаба на пути между Востоком и Западом. В таких социально-экономических условиях государство приняло амбициозное обязательство достижения углеродной нейтральности к 2050 г., которое согласуется с его общим курсом высокотехнологичного развития.
Ключевыми секторами-эмитентами парниковых газов в Сингапуре являются промышленность (44,4% выбросов в 2020 г.), электроэнергетика (39,8%) и транспорт (13,7%), а также отходы, домохозяйства, здания и др. [2] Более 95% генерации в стране переведено на природный газ. Уже действуют такие меры климатического регулирования, как постепенный (до 2040 г.) отказ от автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, углеродный налог, цели по «зелёному» строительству, развитие солнечной энергетики, повышение энергоэффективности в промышленности и др. Тем не менее, всего этого может оказаться недостаточно для полного достижения нулевого углеродного баланса. Кроме того, реализация этой цели должна учитывать целый ряд особенностей и ограничений, накладываемых спецификой территории города-государства. В силу географических обстоятельств для Сингапура недоступны многие средства декарбонизации, распространённые в мире — площади государства недостаточно ни чтобы обеспечить размещение необходимого для этой крупной экономики количества установок ВИЭ-генерации, ни чтобы разместить атомные электростанции, ни чтобы высадить леса, которые смогли бы адсорбировать значимую часть выбросов парниковых газов.
Решением для города в этой ситуации стала водородная энергетика, способная обеспечить безуглеродным топливом и сырьем в том числе те сектора экономики, которые традиционно затруднительно декарбонизировать — авиацию, морской транспорт, химическую промышленность, производство стали, цемента и т. п. При этом, поскольку для выстраивания полноценной системы водородных производств Сингапур также не располагает достаточной территорией, его водородная стратегия изначально ориентирована на импорт этого энергоносителя. В качестве основных поставщиков рассматриваются Австралия, Новая Зеландия, Оман, Чили, Малайзия, Россия и Норвегия. К 2050 г. прогнозные объёмы импорта водорода из этих государств составят около 5,3 млн т в год [3].
Водород — не только топливо
Помимо планирования импорта водорода, сингапурская стратегия представляет интерес своим широким охватом сфер его применения . Водород планируется применять для декарбонизации следующих секторов:
- Электроэнергетика. Процесс её перевода на низкоуглеродное развитие в Сингапуре получил название «четырёх переключений»: переход на природный газ в генерации, максимизация использования энергии солнца и систем накопления энергии, развитие межсистемных электрических сетей для импорта электроэнергии из соседних стран, а также низкоуглеродные альтернативные энергоносители, в первую очередь, водород. Выделяется два основных направления использования водорода для генерации электроэнергии:
- Водородные топливные элементы — энергоэффективное, но дорогое решение, требующее высокочистого водорода и значительных территорий для их размещения (если требуется генерировать большие объёмы энергии);
- Сжигание в парогазовых установках метано-водородной смеси. Примесь 5% водорода не повлечёт за собой серьёзных последствий для энергетической системы и позволит уже в ближайшее время начать использовать водород для генерации электроэнергии, однако не все установки могут быть технически готовы к этому. Цена водорода (с учётом доставки, хранения и иных издержек) при этом должна быть около $3,9 за кг — меньше, чем будут предлагать все потенциальные экспортёры к 2050 г. Для 30%-й примеси водорода потребуются специализированные трубопроводы до электростанций, т. к. в существующей инфраструктуре газораспределительных сетей эту смесь транспортировать не представляется возможным; кроме того, потребуется модификация парогазовых установок, а стоимость водорода должна быть ещё ниже. Согласно расчётам, этот вариант наиболее затратный с экономической точки зрения. Водородная стратегия прописывает возможности использования примесей водорода до 30–50%, пока технологии парогазовых установок с возможностью работы на 100%-м водороде только разрабатываются.
2. Промышленность. Этот сектор является крупнейшим эмитентом парниковых газов в стране и при этом — уже высоко инновационным и технологически развитым, т. е. пространство для декарбонизации изначально достаточно сильно сужается, поскольку традиционные методы наподобие повышения энергоэффективности не дали бы в этих условиях такого значительного результата, как в углеродоёмких развивающихся и переходных экономиках. Здесь также предусматривается два ведущих направления применения водорода:
- В качестве сырья для промышленных процессов (в производстве полупроводников, продуктов питания, в химической и нефтехимической промышленности, нефтепереработке, в т. ч. для устойчивых видов топлива и химикатов);
- В качестве топлива в виде замены природному газу, а также для устранения существующего дефицита горючего газа в промышленности.
В промышленности Сингапура уже сейчас используется «серый» водород, который, согласно расчётам, наиболее оптимально заменить именно импортируемым «голубым» и «зелёным». Хотя существуют риски, связанные как с надёжностью поставщиков и возможной волатильностью цен, так и с технической безопасностью поставок, государству не потребуется новая инфраструктура и пространство для собственного производства, что также не повлечёт за собой дополнительных выбросов парниковых газов от этих процессов.
3. Морской транспорт. Для Сингапура он имеет жизненно важное значение, т. к. город обладает вторым в мире по величине грузооборота морским портом и является одним из крупнейших транспортных хабов. Речь идёт о переводе морских судов на двигатели, которые смогут использовать аммиак, метанол, биотопливо или сжиженный водород. В качестве переходного к этим видам топлива называется сжиженный природный газ, который необходим до тех пор, пока технологии водородного топлива не коммерциализируются и масштабируются. При этом всё, что действительно может предпринять государство в этой сфере относительно международной морской торговли, — информационно-организационная деятельность, о чём и говорится в водородной стратегии: работа с промышленностью, учреждение некоммерческой организации, развитие стандартов бункировки аммиачным топливом, работа с другими портами и т. п.
На национальном уровне, в свою очередь, Сингапур планирует электрифицировать порты и перевести собственные суда на безуглеродное топливо, во многом при помощи водорода. Однако, согласно расчётам, если топливные элементы и сам водород в будущем не станут дешевле, то суда на дизельном топливе, сжиженном природном газе и электричестве останутся конкурентоспособнее. Для буксиров, пассажирских судов, портовых кранов и грузовиков топливные элементы могут стать выгодным решением уже во вполне определённые сроки — на горизонте 2030–2045 гг. и позднее. А для бункеровочных судов водородные технологии останутся неприменимыми даже в долгосрочной перспективе.
4. Гражданская авиация. Сингапур делает ставку на устойчивое синтетическое авиационное топливо (САТ), тестовый полёт с помощью которого уже состоялся в 2022 г. В 2023 г. компанией Neste в городе будет открыт крупнейший в мире завод по производству такого топлива мощностью до 1 млн т в год. Пока водород не используется при производстве этого топлива, но такая возможность в водородной стратегии указана. САТ станет переходным вариантом до тех пор, пока не станет технологически возможным и коммерчески рентабельным использование жидкого водорода в качестве топлива для самолётов. В кратко- и среднесрочной перспективе при помощи водорода, в т. ч. топливных элементов, планируется декарбонизировать большинство деятельности в рамках аэропортов.
5. Наземный транспорт. Эта область практически не разработана в водородной стратегии, поскольку в основном Сингапур ориентируется на развитие применения электромобилей. По этой причине, хотя водородные топливные элементы и упоминаются в качестве потенциально перспективного направления, их применимость практически не раскрывается. В то же время в оценках преимуществ автомобилей с этими технологиями указывается быстрое время заправки (около 3 минут против 45 минут на станциях быстрой зарядки у электромобилей), а также большая лёгкость топливного элемента по сравнению с батареей, если речь идёт о более тяжёлых автомобилях. В то время как, согласно оценкам, легковой автотранспорт на топливных элементах существенно проигрывает электротранспорту в разрезе частного использования, для такси и автобусов, которые проезжают более длинные расстояния в течение дня и не могут позволить себе длительного времени на перезарядку, водород может стать жизнеспособной альтернативой при определённых условиях. Например, для автобусов стоимость водорода должна снизиться до значения менее $2,39 за кг к 2050 г. — тогда автобус с топливным элементом на 50 кг сможет проезжать около 400 км после одной заправки, которая длится несколько минут, в то время как автобус с накопителем электроэнергии мощностью 350 кВт·ч проедет 250 км и будет заряжаться 1,5 часа притом, что зарядная станция будет в несколько раз мощнее существующих сейчас в Сингапуре. Тяжёлые грузовики также могут перейти на топливные элементы, т. к. батареи для них были бы слишком тяжелы. В то же время электротранспорт будет доминировать в декарбонизации наземного транспорта в Сингапуре во многом потому, что сохраняется множество вопросов, связанных с транспортировкой и хранением водорода (необходимость специальных материалов для контейнеров, строительство заправок с ними и т. д.), а также безопасностью этих процессов, возникающие вследствие взрывоопасности водорода и риска учетек.
Поставщики и поставки
Стратегия водородного импорта предполагает целый ряд рисков и неопределённостей. Откуда может поставляться водород? Когда будут запущены первые водородные проекты, способные удовлетворить потребности города-государства? По каким ценам будут осуществляться поставки и не ударит ли это по экономике? Каковы могут быть маршруты и способы поставок?
Сингапуром рассматриваются 12 перспективных водородных инициатив из 7 стран. Все они находятся в стадии разработки, а основная их часть будет запущена для экспорта водорода не ранее 2025 г. При этом только 5 проектов (Азиатский хаб возобновляемой энергии, Юри и Неоен в Австралии, Саравак Энерджи в Малайзии и Водородная инициатива Омана) считаются перспективными, т. к., согласно оценкам, смогут снизить стоимость «зелёного» водорода до $4 за кг или ниже к 2050 г. В более обозримой перспективе 2030 г. наиболее дешёвый водород — от $4,9–5,19 за кг будут производить эти же австралийские проекты (также проект ТасГидро), в то время как наиболее дорогим ($8,99 за кг) будет норвежский водород; стоимость российского составит, по оценкам, $6,17 за кг, что будет немногим дешевле новозеландского ($6,59 за кг), но дороже оманского ($5,15 за кг), чилийского ($5,72 за кг) и малайзийского ($4,59 за кг).
Далее, возникают вопросы к тому, какими способами можно транспортировать водород из-за рубежа. Доступные опции, рассматриваемые в Сингапуре, следующие:
- компримированный водород в сосудах высокого давления;
- сжиженный водород;
- аммиак как носитель водорода и самостоятельное сырье;
- жидкие органические носители типа метилциклогексана;
- метанол как носитель водорода и самостоятельное сырье.
Сравнение стоимостей транспортировки в зависимости от расстояния и особенности вариантов рассмотрены в таблице ниже.
На пути к водородному укладу
Сингапурская водородная стратегия уникальна по своей природе. Это стратегия, изначально рассчитывающая на то, что не обеспеченный ресурсами центр международной морской торговли будет импортировать значительную часть необходимого для жизнедеятельности энергоносителя. В то же время это — одна из наиболее всеобъемлющих и продуманных стратегий, детально (и довольно объективно) прописывающая конкретные возможности перевода на водород основных секторов, которые сложно, но необходимо декарбонизировать. Именно в этом плане она представляет собой наибольший интерес в том числе и для России — как источник идей, данных, расчётов и в будущем — опыта применения водорода даже в неочевидных областях. Связанный с этим важнейший для России аспект сингапурского подхода — изначальная ориентация на построение внутреннего рынка потребления энергии водорода посредством нахождения областей, где это будет наиболее выгодно, и создания возможностей повышения конкурентоспособности её применения.
Сингапурский опыт, несмотря на огромную разницу в территории, ресурсной обеспеченности и структуре экономики, очень полезен для России. В случае России речь может идти о создании по схожему образцу специализированных водородных кластеров, где водород будет как производиться, так и использоваться — вначале в рамках групп связанных пилотных проектов, затем в более широком масштабе. Основанные на водороде локальные экономические модели могут быть самообеспечивающимися и способными к ускоренному развитию, базирующемуся на синергии процессов декарбонизации и технологического развития.
Автор: Анна Шуранова
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России.
[1] https://www.mti.gov.sg/-/media/MTI/HPO/Singapore-Hydrogen-Strategy/ebrochure_HPO_Oct_26.pdf
[2] https://unfccc.int/sites/default/files/resource/Singapore%20-%20NC5BUR5.pdf
[3] https://file.go.gov.sg/studyofhydrogenimportsanddownstreamapplicationsforsingapore.pdf
[4] https://conventuslaw.com/report/singapores-national-hydrogen-strategy-2022/
