“Зелена” відбудова України: перспективи застосування водню в транспорті

Водень можна вважати універсальним паливом для транспортних засобів, оскільки він має абсолютну екологічну чистоту, може замінити бензин, дизельне паливо і мазут в усіх видах теплових двигунів. Європа вже включила водень в свою “зелену стратегію” безкарбонового майбутнього континенту. Звернути увагу на цей новітній різновид пального варто і Україні. 

Чи всі різновиди водню є сталими та екологічними? Якими є перспективи і проблеми застосування цього виду палива в транспортному секторі? Як Україна може скористатися періодом відбудови країни, щоб сприяти поширенню водневого транспорту в державі? 

Перехід до зеленої водневої економіки був закріплений європейською Водневою стратегією, яка є складовою правового підґрунтя Європейського зеленого курсу (далі – ЄЗК), який Європарламент ухвалив в 2020 році. Його загальна мета – зробити Європу кліматично нейтральною до 2050 року, захистити біологічне різноманіття, екологізувати економіку. Основи та напрямки розвитку ЄЗК закладені в комюніке. 

Синхронізуючи свою політику з ЄС, Україна має намір досягти кліматичної нейтральності до 2060 року. Задля підтримки розвитку водневої галузі і на виконання схваленої Водневої стратегії, в липні 2020 Європейська Комісія утворила «Європейський альянс з чистого водню».

В Україні Воднева стратегія поки що на стадії розробки, проте "Національна транспортна стратегія", "Стратегія розвитку енергетики" та "Дорожня карта широкого впровадження водневої енергетики в Україні" представляють міцну стратегічну основу для політики, спрямованої на збільшення частки відновлюваних джерел енергії в транспорті на основі біопалива, електроенергії і водню. На рівні технічних норм в Україні вже регулюються такі питання як якість водневого палива, основні концепції щодо безпеки водневих систем та застосування водневих генераторів з використанням електролізу води.

Якими є різновиди водню за кліматичним впливом? 

Очікується, що відновлювальна електроенергія декарбонізує велику частку енергетики ЄС до 2050 року, зокрема за рахунок розповсюдження водневої енергії. Варто пам’ятати, що види водню є різними за методами вироблення, і, відповідно, за екологічністю.

Сірий водень утворюється з викопних палив та вугілля і становить приблизно 95% водню, що виробляється сьогодні у світі. На жаль, в процесі його виробництва утворюються парникові гази.

Найбільш перспективними вважаються 2 види водню: синій та зелений. Синій виробляється з викопних палив, але в процесі відбувається уловлювання вуглецю. Зелений – виробляється з відновлювальних джерел енергії шляхом поділу води на два атоми водню і один атом кисню за допомогою процесу електролізу. Саме зелений водень називають «чистим воднем» і він є найперспективнішим з точки зору декарбонізації різних секторів, зокрема транспортного.

Також виділяють жовтий водень, отриманий за допомогою електроенергії АЕС. Прихильники атомної енергетики наполягають, що жовтий водень може бути таким само екологічно чистим, як і зелений.

Які існують виклики для розвитку водневої енергетики?

В межах ЄС наразі працює 300 електролізерів, що виробляють менше ніж 4% від загальної кількості водню. Мета Європи до 2050 року – досягнути 13% частки водневої енергії в енергетичному балансі союзу. Для реалізації цієї мети наразі існує декілька викликів.

По-перше, потреба в просторі. Сонячна та вітрова енергія, під час утворення якої виробляється водень, більш «розсіяна», ніж енергія викопного палива, і її потрібно «збирати» на великій площі. Саме тому нова урядова коаліція Німеччини, яка прийшла до влади в кінці 2021 року, зарезервувала 2% території країни для будівництва вітрових турбін. 

Нові вітрові і сонячні електростанції, а також високовольтні лінії електропередач, часто призводять до конфліктів через їх вплив на ландшафт, біорізноманіття або здоров’я місцевих мешканців. Розташування вітряних електростанцій на морі, в свою чергу, викликає протести представників риболовної промисловості. 

По-друге, потреба в матеріалах. Для інфраструктури відновлюваної енергетики, включаючи вітрові турбіни, сонячні панелі та лінії електропередач, потрібні матеріали, особливо – метали. Поширення відновлюваних джерел енергії підвищує попит на залізо, алюміній, мідь, цинк, хром, марганець. Однак світові запаси деяких руд, зокрема – міді, вже виснажуються. Настане час, коли для видобутку міді буде потрібно стільки електроенергії, води, матеріалів або землі, що цей процес завдаватиме неприйнятної екологічної шкоди. 

ЄС великою мірою залежить від імпорту більшості металів, які він використовує для відновлювальної енергетики. Серед необхідних для електролізу – нікель, цирконій і платинова група металів. У платиновій групі, зокрема, виділяють іридій, один з найрідкісніших металів світу, за участі якого відбувається такий різновид електролізу, що найкраще порається з коливанням постачання відновлюваної електроенергії. Якщо він стане домінуючою формою електролізу, ЄС в 2030 році може знадобитися більше іридію, ніж зараз видобувається у всьому світі. 

Крім металів, для утворення зеленого водню потрібна демінералізована прісна вода, в пропорції 9 літрів води для виробництва 1 кг водню. У багатих на сонце регіонах, які добре підходять для виробництва водню, часто не вистачає прісної води. Ця нестача буде збільшуватись через вплив кліматичних змін. За цих умов виробникам зеленого водню було б добре закріпитися там, де можна використовувати морську воду, при цьому відповідально ставлячись до відходів опріснення. 

Третій виклик – потреба в інфраструктурі. Прогнози щодо того, скільки зеленого водню знадобиться ЄС, дуже різняться. Деякі сценарії свідчать про виробництво 10 мільйонів тонн водневої енергії – обсягу, якого Єврокомісія хоче досягнути до 2030 року, і якого буде достатньо, щоб задовольнити попит ЄС. 

Інші експерти передбачають, що попит зростатиме набагато швидше і становитиме 70 мільйонів тонн до 2050 року. Відсутність консенсусу ускладнює роботу урядів та приватних операторів для планування необхідної інфраструктури для переходу на енергію зеленого водню. Де мають прокладатись нові водневі трубопроводи? Які частини електромережі необхідно підсилити, щоб отримати достатньо електроенергії для електролізерів? Ця невизначеність наразі затримує розвиток всієї водневої енергетики в ЄС.

Які перспективи використання водневого палива для різних видів транспорту?

Водневий автотранспорт може подолати недоліки електромобілів з низьким діапазоном пробігу і необхідністю частої зарядки. Для цього потрібно повною мірою використовувати дешеву електроенергію для перетворення води у водень. Прогнозується, що в найближчі 5 років виробництво транспортних засобів на паливних елементах досить масштабно розвиватиметься. Для виконання цього завдання необхідна оптимізація обладнання для виробництва водню, розробка нових матеріалів для зберігання водню високої щільності та оптимізація водневих паливних елементів. 

В даний час існують такі приватні автівки на водневих паливних елементах: Toyota Mirai, Hyundai Nexo і Honda Clarity. BMW, Jaguar та Land Rover включають водень у свої стратегії на майбутнє. Автомобілі на водні привабливі для покупця через короткий час заправки та великий запас ходу.

Автобус на водневих паливних елементах є дуже ефективним громадським транспортом з нульовим рівнем шкідливих викидів. Також він ефективно вирішує недоліки електричних транспортних засобів з коротким пробігом та довгим часом зарядки. Очікується, що він швидко замінить традиційні дизельні та електричні автобуси.

В Україні більше половини пасажирських перевезень виконують саме автобуси, при цьому парк великих автобусів на 90% вичерпав свій ресурс, та й мікроавтобуси, що здійснюють міські перевезення, не відповідають сучасним екологічним вимогам. Для поширення в нашій державі саме водневих автобусів слід розробити програму переходу міського і міжміського транспорту на використання зеленого водню та створити мережі водневих заправних станцій на основних автошляхах.

Нові стандарти ЄС щодо викидів, дозволених важким дорожнім транспортним засобам, підвищують потребу у вантажівках з нульовими викидами. Такі компанії, як Renault, вже починають серійне виробництво електричних вантажівок і заявляють, що до 2025 року 10% від усіх проданих ними вантажівок будуть електричними.

Проте ставка робиться не лише на вантажні електрокари. Очікується, що для декарбонізації сектору важкого автомобільного транспорту буде використано поєднання сучасних “зелених” технологій, при цьому зелений водень відіграє вирішальну роль. Водневі вантажні автомобілі будуть економічно вигідними вже до 2027 року, якщо обсяги виробництва водню швидко збільшаться. Очікується, що електромобілі відіграватимуть більшу роль у короткомагістральних перевезеннях. 

Загалом, у 2050 році більшість важкого автомобільного транспорту буде працювати на водні та електроенергії. Прогнозують, що до 2050 року в ЄС 35% вантажівок будуть електричними, 55% буде працювати на водні, а 10% – на біометані. 

Водень має перспективи і в залізничній галузі, особливо на її неелектрифікованих ділянках. Приблизно 20% залізничних ліній в Європі досі обслуговуються тепловозами. Вважається, що за витратами з ними цілком можуть конкурувати водневі поїзди. Окрема європейська ініціатива «Shift2Rail» наразі підтримує розширення їхнього використання.

Починаючи з 2013 року, компанія Alstom розробляє технологію локомотивів, що працюють на водні. На кінець 2018 року два потяги на водневих паливних елементах її виробництва були запущені у Німеччині, а також було оголошено про запуск 14 таких потягів у 2021 році.

У 2019 році першу водневу електричку HydroFlex випробували також у Великій Британії. Уряд країни вирішив повністю позбутися дизельних локомотивів до 2040 року, і альтернативною їм можуть стати саме потяги на водневих паливних елементах.

Авіація наразі є другим найбільшим джерелом шкідливих транспортних викидів після автомобільного транспорту. Незважаючи на підвищення паливної ефективності галузі, яке відбулося з 2005 по 2017 рік, зростання кількості авіаперевезень й досі спричиняє зростання обсягу викидів CO₂.

Використання водню для декарбонізації авіації є доволі перспективним. Водневий двигун найкраще підходить для приміських, регіональних, ближніх і середніх літаків. Порівняно зі звичайними літаками, експлуатаційні витрати збільшуються всього на 5-10 $ на пасажира. 

У вересні 2020 року компанія Airbus оголосила, що двигуни, які працюють на водневому паливі, стануть основою нового покоління комерційних літаків з нульовим рівнем викидів. Проєкт під назвою ZeroE є флагманом багатомільярдного пакету стимулів Європейського Союзу, спрямованого на екологізацію економіки та авіаційної галузі. В його рамках компанією були розроблені концепції трьох літаків на водневих двигунах, виробництво яких може початися до 2035 року.

Оскільки 90% світової торгівлі здійснюється морем, судноплавство є вагомим фактором кліматичних змін. Міжнародна морська організація (IMO) прогнозує, що «business as usual» може призвести до збільшення шкідливих викидів на 50% до 2050 року внаслідок зростання обсягів морської торгівлі.

Натомість, наразі IMO ставить собі цільовий показник у 50% скорочення викидів до 2050 року. Експерти WEF оцінили масштаб інвестицій, необхідних для досягнення цілі IMO на 2050 рік, у 1-1,4 трлн доларів. Зокрема, дев'ять великих багатонаціональних компаній, включаючи Amazon, Ikea, Michelin, Inditex (Zara) та Unilever, пообіцяли до 2040 року перейти на морські перевезення лише кораблями з нульовими викидами вуглецю. 

Декарбонізація судноплавної галузі вимагатиме значних інвестицій у зелені технології та альтернативні види палива. Сьогодні судновласників заохочують до переходу на існуючі низьковуглецеві види палива, такі як скраплений природний газ (СПГ) та біопаливо. Однак останні дослідження щодо зеленого палива припускають, що аміак, метанол і водень відіграватимуть важливу роль у майбутньому сектора судноплавства. 

Як світ та Україна мають стимулювати розвиток водневого транспорту?

Прогнозується, що на водень і одержане з водню синтетичне паливо припадатиме 2% від загального попиту енергії у транспортній сфері у 2030 році, 13% – у 2040 році та 25% – у 2050 році. На жаль, темпи нарощування виробництва зеленого водню обмежені. Це паливо буде в дефіциті ще довгий час, тому “зелена” промислова політика повинна це враховувати. 

Поки зелений водень не досягне комерційної привабливості, передбачається, що розбудова цього сектору буде стимулюватися на європейському та національному рівнях. Витрати на його виробництво в найближчі 10 років будуть зменшуватись, але питання щодо його транспортування та зберігання ще залишаються головним “пазлом”, який потрібно скласти. Зокрема, для подальшого прогресу необхідний розвиток мережі водневих заправних станцій.

За розрахунками експертів НАНУ, Україна має значний природний потенціал для виробництва енергії з ВДЕ, що також дозволяє виробляти водень. Загальний потенціал середньорічного виробництва зеленого водню в нашій державі становить близько 505 млрд кубометрів. За прогнозами, за умови сприятливої державної політики, Україна здатна виробляти 1 млрд кубометрів відновлюваного водню до 2030 року, а до 2040 року цей показник може зрости до 5 млрд кубометрів. 

Територія України може стати майданчиком для виробництва водню не тільки для власних потреб у чистій енергії, але й для експорту на ринок Євросоюзу. Для розвитку водневої паливної галузі в Україні  необхідна передусім державна підтримка у вигляді гармонізованого з європейськими нормами законодавства та прозорих правил під час отримання необхідної дозвільної документації.

Різні кроки вже здійснюються державою задля розвитку системи транспортування та зберігання водню в Україні. Зокрема, оператор газотранспортної системи на даний момент вбачає перспективним для транспортування суміші водню з природним газом магістральний український газопровод «Прогрес». Компанії Нафтогаз і Укртрансгаз, в свою чергу, вже приєдналися до ініціативи «H2EU+Store». Вона передбачає виробництво зеленого водню з ВДЕ на заході України з можливістю його зберігання в українських газосховищах. Також в майбутньому планується експорт цього палива газопроводами до ЄС, закачування його до підземних сховищ Австрії та реалізація споживачам Центральної Європи.

Фото: ua.depositphotos.com