Водородная программа США
При этом эмиссия СО2 сократится на 16% (в том числе за счет более эффективного использования топлива на транспорте на 36%, более эффективного использования электроэнергии на 30%, более эффективного производства энергии на 13%, применения возобновляемых источников энергии и биотоплива на 12% и расширения использования атомной энергии на 10%).
Большинство рассматриваемых сегодня сценариев развития энергетики опирается на гипотезу об эволюционном характере происходящих технологических изменений. Такая модель предполагает постепенное замещение традиционных энергоресурсов по мере исчерпания их запасов, роста мировых цен или обострения ситуации с состоянием окружающей среды. Однако
плавный ход развития событий может быть нарушен в результате появления принципиально новых и оправданных с экономической точки зрения источников энергии. Сегодня одним из наиболее вероятных направлений, способных качественно изменить сложившуюся ситуацию в мировой энергетике, во многих странах считается переход к водородному топливу.
Интерес к использованию водорода в качестве альтернативного вида топлива проявляется за рубежом уже не одно десятилетие. Однако только в самые последние годы этот интерес нашел воплощение в долгосрочных стратегиях развития и специально создающихся для их реализации крупных национальных и транснациональных программах, а также государственно-частных партнерствах, нацеленных на достижение инновационного прорыва в области энергетики.
Это обусловлено как достигнутым за последнее время технологическим прогрессом в рассматриваемой области, так и новыми условиями, возникшими в связи с повышением цен на ископаемые энергетические ресурсы, политическими аспектами формирования рынка энергоносителей и другими, уже отмечавшимися выше глобальными проблемами.
Работы по развитию водородной энергетики ведут в настоящее время многие индустриальные страны мира, включая США, страны ЕС, Японию, Китай, Индию, Канаду, Австралию и новые индустриальные страны. Их суммарные расходы на эти цели уже превышают 1 млрд долл. в год.
Накопленный в этой области опыт представляет несомненный интерес для России как с точки зрения возможных изменений на мировом рынке традиционных энергоносителей, так и в контексте разработки собственной программы развития водородной энергетики.
Водородная программа США
По прогнозам экспертов США, спрос на нефть на внутреннем рынке этой страны увеличится к 2025 г. примерно на 50%.
Одновременно вырастет зависимость от импорта: если в настоящее время за счет покупаемой за рубежом нефти удовлетворяется примерно 55% внутренних потребностей американской экономики, то к 2025 г. этот показатель превысит 68%1.
В январе 2007 г. в ежегодном обращении к Конгрессу О положении в стране Президент США Дж. Буш поставил амбициозную задачу сократить в ближайшие 10 лет потребление бензина на 20% . Три четверти этого снижения предполагается достичь за счет увеличения использования альтернативных и возобновляемых источников энергии.
Среди таких источников энергии наряду с этиловым спиртом, метанолом, бутанолом, биодизельным топливом называется и водород.
Активные целенаправленные усилия по освоению водородной энергетики начались в США в 2003 г., когда президент Буш в аналогичном обращении к Конгрессу О положении в стране провозгласил Инициативу в области водородного топлива. Программа предусматривает выделение в течение пяти лет (20042008 гг.) на работы в области водородной энергетики в общей сложности 1,2 млрд долл., из которых 720 млн предназначены на проведение научных исследований и разработок.
Работа по данной программе осуществляется под руководством Министерства энергетики. Оно организует и координирует усилия других министерств и ведомств, университетов и научных институтов, разъясняет политику правительства в рассматриваемом направлении частному сектору и различным общественным организациям.
Министерство энергетики на предварительной стадии разработало и представило 12 ноября 2002 г. долгосрочное национальное ввдение перехода к водородной экономике, получившее название Национальная дорожная карта технологий водородной энергетики (National Hydrogen Energy Technology Roadmap). В этом документе поставлены цели научных исследований, разработок и демонстраций, сформулированы задачи по обеспечению параллельного развития норм, правил и стандартов, позволяющих интегрировать новые технологии в коммерческие энергетические системы, а также задачи в области пропаганды новых подходов и обучения руководителей на уровне местных органов власти, от которых будет во многом зависеть в конечном итоге судьба новых разработок.
В феврале 2004 г. Министерство энергетики США опубликовало первый интегрированный план проведения НИОКР и демонстраций в области водородной энергетики (Hydrogen Posture Plan), который охватывает проблемы производства водорода, формирования необходимой инфраструктуры (включая доставку и хранение водорода) и производства топливных элементов для стационарных и транспортных применений.
В 2005 г. приняты Закон об энергетической политике (Energy Policy Act) и Стратегический план Министерства энергетики, нацеленные на расширение спектра используемых национальных энергоресурсов. В 2006 г. президент выступил с Инициативой в области перспективных источников энергии (Advanced Energy Initiative).
Смысл этой новой инициативы ускорить научные исследования и создание технологий, которые позволят в ближайшем будущем сократить потребление нефти на транспорте, в том числе за счет применения более совершенных аккумуляторных батарей для автомобилей на гибридном топливе и этаноле, а также придать новый импульс Инициативе в области водородного топлива, ориентированной на более долгосрочную перспективу.
В декабре 2006 г. появился подготовленный совместно министерствами энергетики и транспорта новый интегрированный план проведения НИОКР и демонстраций в области водородной энергетики (Hydrogen Posture Plan). Он учитывает результаты, достигнутые с момента утверждения первого плана, увязан с Законом об энергетической политике от 2005 г. и содержит дальнейшую скоординированную программу НИОКР и демонстраций по получению водорода из различных источников (ископаемого топлива, ядерных установок и возобновляемых ресурсов), формированию необходимой инфраструктуры (включая доставку и хранение) и созданию топливных элементов для транспорта и стационарных установок.
Цель новой водородной программы повысить эффективность и результативность усилий правительства в этой области. Задачи программы разработка методов производства, доставки и хранения водорода и создание технологий водородных топливных элементов, которые дадут автомобильным и энергетическим компаниям возможность принимать решения о коммерческой целесообразности развития транспорта на основе водородных топливных элементов и соответствующей инфраструктуры к 2020 г.
Новый интегрированный план проведения НИОКР и демонстраций в области водородной энергетики построен исходя из следующих основных установок:
- программа фокусируется на НИОКР, необходимых для преодоления барьеров на пути создания водородных технологий, конкурентоспособных с альтернативными источниками энергии;
- для текущей оценки возможностей, сроков использования и себестоимости технологий будут использоваться учебные демонстрации. Выявленные при этом проблемы будут учитываться в режиме обратной связи в программе НИОКР! На основе этих испытаний Министерство энергетики готовит информацию для Конгресса и широкой общественности о состоянии водородной энергетики в данный момент времени;
- коммерческие демонстрации и выход на рынок будут проводиться только в том случае, если найдут подтверждение возможности и необходимая длительность использования новых технологий. Решение о коммерциализации новых технологий возлагается полностью на частный сектор. При этом решения производителей автомобилей на топливных элементах не привязываются к выводам Министерства энергетики о готовности новых технологий к коммерческому применению и могут быть приняты как раньше, так и позднее;
- в случае подтверждения работоспособности новых технологий в реальных условиях правительство может взять на себя функции раннего пользователя путем покупки или аренды водородных топливных установок и автомобилей на водородном топливе с целью содействия их широкому распространению.
Разработанный план предполагает четыре основных этапа полного перехода к водородной энергетике к 20302040 гг. Первый этап (Technology Development) предусматривает проведение исследований и отработку технологий c учетом их себестоимости, требований потребителей и возможности достижения критериев коммерциализации. Второй этап (Initial Market Penetration) связан с подтверждением работоспособности переносных и стационарных или транспортных энергетических систем и началом инвестирования в инфраструктуру водородной энергетики в рамках проводимой правительством политики.
На третьем этапе (Expansion of Markets and Infrastructures) реализуются инфраструктур -ные бизнес-кейсы для отдельных водородных энергетических и транспортных систем. В ходе четвертого этапа (Fully Developed Market and Infrastructure) водородные энергетические и транспортные системы станут коммерчески доступными во всех регионах страны, будет сформирована национальная инфраструктура водородной энергетики.
Основные этапы развития водородных технологий в США представлены на рис. 2.1.
В соответствии с планом Министерства энергетики федеральное правительство будет играть ключевую роль в освоении новых технологий в краткосрочной перспективе, поддер-
Рис. 2.1. Сценарий развития водородных технологий и формирования соответствующего рынка
живая НИОКР необходимые для преодоления критических технологических барьеров. В среднесрочной перспективе федеральное правительство возьмет на себя функции по ранней адаптации новых технологий и выработку политики, которая будет способствовать развитию возможностей промышленности по обеспечению поставок на рынок значительных объемов водородного топлива.
Роль промышленности в освоении новых водородных технологий на более поздних этапах начнет постепенно становиться доминирующей.
На стадии фундаментальных исследований все работы выполняются за счет государственных ассигнований. В них участвуют университеты, национальные и федеральные лаборатории и исследовательские институты. На стадии прикладных исследований и технологических разработок предусматривается разделение расходов с привлечением 20% и более средств из внебюджетных источников.
К этой работе привлекаются производители оборудования, национальные и федеральные лаборатории, университеты, исследовательские институты, организации, связанные с осуществлением регулирования и выработкой стандартов. На стадии обучающих демонстраций предполагается разделение расходов на уровне 50%.
К этим работам планируется привлекать автомобильные и энергетические компании, поставщиков газа для промышленности, производителей оборудования, обслуживающие компании, правительства штатов и местные органы власти.
Бюджетные расходы на реализацию программы Инициатива в области водородного топлива за 20042007 финансовые годы представлены в табл. 2.1.
Планируемое процентное распределение ассигнований по основным статьям расходов в 2007 финансовом году приводится в табл. 2.2.
Ряд тесно связанных исследований, проводимых в интересах водородной программы, осуществляется в 2007 финансовом году в рамках других программ НИОКР Министерства энергетики:
- создание гибридных электромобилей 109,8 млн долл.;
- выделение углерода (фундаментальные исследования 5,9 млн долл., прикладные НИОКР 73,9 млн долл.);
- исследования биомассы и создание систем биоочистки (фундаментальные исследования 15,4 млн долл., прикладные НИОКР 150 млн долл.);
| Таблица 2.1 Бюджетные расходы США, связанные с реализацией президентской программы Инициатива в области водородного топлива |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Источник: United States Department of Energy. United States Department of Transportation. Hydrogen Posture Plan. An Integrated Research, Development and Demonstration Plan. December, 2006. |
- исследования солнечной энергии (фундаментальные исследования 62,3 млн долл., прикладные НИОКР 148,4 млн долл.);
| Таблица 2.2 Планируемое распределение бюджета по основным статьям расходов в области водородной энергетики на 2007 финансовый год (по запросу правительства) |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
| Источник: DOE Hydrogen Posture Plan. 2006. P.15. |
- фундаментальные исследования биологических систем производства водорода (50,6 млн долл.);
- разработка и демонстрация автобуса на топливных элементах и создание соответствующей инфраструктуры (по программе Министерства транспорта, 28 млн долл.).
Затраты по статье Исследования по производству и доставке водорода распределяются в 2007 финансовом году (по запросу правительства) следующим образом:
- производство водорода из природного газа 4,2 млн долл.;
- производство водорода на основе переработки угля 23,6 млн долл.;
- производство водорода с использованием атомных установок 18,7 млн долл.;
- производство водорода из возобновляемых источников энергии 27,6 млн долл.;
- доставка водорода 7 млн долл.
Основными ключевыми ориентирами программы перехода к водородной энергетике являются:
- производство водорода из доступных местных источников по цене 23 долл. за галлон в бензиновом эквиваленте (с учетом доставки, без учета налогообложения);
- снижение себестоимости распределенного производства водорода из природного газа до 2,5 долл. за галлон в бензиновом эквиваленте к 2010 г. и до 2 долл. к 2015 г.;
- снижение себестоимости распределенного производства водорода из биомассы до 2,5 долл. за галлон в бензиновом эквиваленте к 2015 г.;
- демонстрация к 2010 г. возможности получения водорода на основе электролиза воды по себестоимости 2,85 долл. за галлон в бензиновом эквиваленте; проверка возможности создания к 2015 г. установки по централизованному производству водорода из возобновляемых ресурсов по себестоимости 2,75 долл. за галлон в бензиновом эквиваленте с учетом доставки;
- создание систем хранения водорода повышенной эффективности для средств транспорта с пробегом более 300 миль;
- создание автомобильных топливных элементов на основе полимерных электролитных мембран, которые вырабатывают энергию по цене 3045 долл. за киловатт и гарантируют 5000 ч работы без дополнительного обслуживания;
- строительство энергетических станций, производящих одновременно электричество и водород из природного газа. В 2003 г. было показано, что такие станции, использующие новые технологии реформинга и очистки, сокращают стоимость производства водорода из природного газа с 5 до 3 долл. за галлон в бензиновом эквиваленте;
- достижение ценового ориентира в 30 долл. за киловатт для автомобильных топливных элементов. Как показали исследования, использование платиновых катализаторов позволит снизить этот показатель с 275 $/кВт (для систем мощностью 50 кВт) в 2002 г. до 110 $/кВт (для систем мощностью 80 кВт) в 2005 г.
Министерство энергетики работает в тесной кооперации с автомобильной промышленностью, производителями энергомашиностроительного оборудования, энергетическими, химическими и строительными компаниями, другими федеральными министерствами и ведомствами, местными органами власти, университетами, национальными научными лабораториями и другими заинтересованными организациями.
Для обеспечения скорейшего получения необходимых результатов в США ведется работа по формированию двух партнерств Министерства энергетики с промышленностью: FreedomCAR для создания автомобилей на водородном топливе и SECA (Solid State Energy Conversion Alliance) для создания твердоокисных (solid oxide) топливных элементов.
В первое партнерство входят Министерство энергетики, члены национального Совета по автомобильным исследованиям (Ford Motor Company, General Motors, Daimler Chrysler) и пять крупнейших энергетических компаний (BP America, Chevron, Conoco Philips, Exxon Mobil и Shell). Партнерство создано для проведения на доконкурентной стадии высокорискованных исследований возможностей перехода на более экологически чистые и экономичные виды топлива.
Штат Калифорния стал инициатором реализации регионального партнерства в области топливных элементов (California Fuel Cell Partnership), в которое наряду с правительственными организациями вошли автомобильные и энергетические компании, а также ведущие разработчики новых технологий.
По прогнозам американских специалистов, в случае успеха запланированных исследований и выведения на рынок новых технологий в 2020 г. автомобили на топливных элементах
позволят сократить спрос на нефть на внутреннем рынке США более чем на 11 млн барр. в день к 2040 г.
2.1.3. Европейская технологическая платформа и национальные проекты европейских стран в области водородной энергетики и топливных элементов
Значительный интерес к альтернативным и возобновляемым источникам энергии проявляется в странах ЕС. Это во многом объясняется отсутствием у них значительных собственных запасов энергоресурсов, необходимых для обеспечения экономического роста. Согласно приводившимся оценкам, зависимость стран ЕС от импорта нефти составляла в 2004 г. около 50%, а к 2025 г. увеличится до 70%, что станет препятствием в реализации целей устойчивого развития. В связи с этим страны ЕС поставили задачу построить в долгосрочной перспективе полностью интегрированную водородную экономику, основанную на использовании возобновляемых источников энергии.
Перспективы водородной энергетики привлекли внимание ЕС еще в 1988 г., когда на проведение исследований в данной области из общего бюджета было впервые выделено 8 млн евро сроком на четыре года. Однако до начала 2004 г. в Европе отсутствовал скоординированный подход в этой области и усилия разных стран в значительной мере дублировались, что вело к неэффективному использованию ограниченных ресурсов.
Между тем успешно решить поставленную задачу, по мнению европейских политиков, можно только путем объединения государственных и частных ресурсов стран союза и достижения четкой координации их использования. Для этого необходимо Европейское партнерство по строительству водородной экономики.
Концепция такого партнерства очерчена в специальном докладе Водородная энергетика и топливные элементы: видение нашего будущего, который был подготовлен и представлен 16 июня 2003 г. Международной аналитической Группой высокого уровня (High Level Group), созданной по поручению Европейской комиссии в октябре 2002 г.
В докладе выделены пять основных видов действий, которые должны обеспечить будущее водородной энергетики:
- формирование политической структуры (political framework), которая откроет дорогу на рынок новым технологиям в широком контексте будущих транспортных и энергетических стратегий и политик;
- выработка общей программы стратегических исследований (Strategic Research Agenda), координирующей и направляющей на европейском уровне программы НИОКР ЕС и отдельных государств;
- выработка и осуществление стратегии развертывания (deployment strategy), обеспечивающей переход от стадии создания прототипа через стадию демонстрации к коммерциализации технологий водородного топлива и формированию трансъевропейской водородной инфраструктуры;
- построение Европейской дорожной карты для водородной энергетики и топливных элементов (European roadmap for hydrogen and fuel cell), которая послужит компасом при переходе в водородное будущее и учитывает различные возможности, устанавливает цели и контрольные показатели для принятия решений при проведении НИОКР, осуществлении демонстраций, инвестировании и коммерциализации водородных технологий;
- создание Европейского партнерства в области водородных технологий и топливных элементов (European Hydrogen and Fuel Cell Technology Partnership), регулируе-
мого Консультативным советом. Задачи совета предоставление рекомендаций, стимулирование инициатив и мониторинг результатов с учетом интересов всех участников программы.
В январе 2004 г. в Брюсселе состоялось первое заседание участников новой программы, которая получила название Европейская технологическая платформа в области водородной энергетики и топливных элементов (European hydrogen and fuel cell technology platform, HFP). Главная цель HFP ускорение развития и развертывания конкурентоспособных европейских энергетических систем и технологий на основе водородных топливных элементов, используемых на транспорте, а также в качестве стационарных и переносных источников энергии. HFP призвана обеспечить эффективную координацию и баланс интересов общеевропейских, национальных, региональных и местных программ и инициатив, активное участие всех заинтересованных сторон. Вот как выглядит перечень этих заинтересованных сторон:
- исследовательское сообщество (связанное как с государственным сектором, так и с частным бизнесом);
- промышленность (в том числе малые и средние предприятия), задача которой состоит в обеспечении целостной системы производства и поставок (включая компоненты, оборудование, создание субсистем, трансфер и практическое использование водородных технологий);
- органы власти на уровне ЕС, отдельных стран, регионов и более мелких территориальных образований, выполняющие в пределах своей компетенции выработку политики в рассматриваемой области, регулирование процессов развития, распространения и непосредственного использования новых водородных технологий;
- финансовое сообщество (банки, венчурные фонды, страховые компании и др.);
- конечные потребители новых технологий;
- институты гражданского общества, задача которых обеспечение понимания в обществе существующих энергетических проблем и роли новых технологий в их преодолении.
Хотя в концепцию HFP заложены принципы гибкости и адаптивности, она не рассчитана на все без исключения секторы экономики и допускает возможность альтернативных подходов и решений.