Япония надеется на поставки водорода из других стран

Потребность мира в водороде к 2050 году составит 3,8 трлн н.м³, при этом основная его доля будет использована в транспортном секторе. К 2050 году на США, Китай, Западную Европу и Индию (включая Пакистан) придется примерно 80% всего мирового потребления водорода

Успешное развитие водородно-энергетических технологий имеет ряд преимуществ:

- Предотвращение глобальное потепления;

- Обеспечение энергетической безопасности для стран, не имеющих достаточных энергетических ресурсов;

- Успешное развитие производства водорода обеспечит электроэнергией потребителей и топливом транспорт.

Водород - это уникальный энергоноситель, так как он может быть произведен из различных источников энергии, таких как ветер, ископаемое топливо и биомасса, а при его сжигании не выделяется CO₂. К другому преимуществу можно отнести широкое распределение ресурсов, содержащих водород, по всему миру.

В Японии Министерство экономики, торговли и промышленности (METI) опубликовало «Стратегическую дорожную карту по водородным и топливным элементам» в 2014 году, последняя редакция с обновлениями была переиздана в марте 2016 года.

Цель дорожной карты - создать водородную энергетику. Дорожная карта направлена на решение технических проблем и обеспечение экономической эффективности. В этом документе сообщается о текущем состоянии производства топливных элементов и транспортных средств, работающих на этих элементах в Японии, дается описание и статус программ НИОКР, а также приводятся результаты исследования глобальной энергетической модели к 2050 году.

Япония сталкивается с проблемами в области энергетической безопасности и борется за сокращение выбросов парниковых газов (ПГ). Почти 94%, произведенной в Японии первичной энергии, зависит от ископаемого топлива, поставляемого из-за рубежа, 40% которого составляет нефть (90% нефти импортируется из стран Ближнего Востока, что сопряжено с геополитическими рисками). Задачи по сокращению выбросов парниковых газов остаются сложными. Правительство Японии объявило о своей цели добиться сокращения выбросов ПГ на 26% к 2030 году, в сравнении с 2013 годом.

Для достижения такого значительного результата предлагается активное внедрение возобновляемых источников энергии и умеренное использование ядерной энергии. Предполагается, что сочетание этих источников к 2030 году заменит 56% потребляемого ископаемого топлива.

Ожидается, что энергетическая потребность к 2030 году будет снижена на 13%, что будет сопряжено с увеличением эффективности использования энергоресурсов на 35%. Кроме этого, Япония стремится сократить выбросы ПГ на 80% к 2050 году, по отношению к текущим уровням выбросов. Но это считается недостижимым, без внедрения инновационных технологий, таких как улавливание углерода и водорода.

В 2015 году производство первичной энергии в Японии использовало нефть (41,1%), уголь (26,0%), природный газ (24,4%), ядерный синтез, гидроэнергетику (3,6%) и новый источник - геотермальная энергия (4,9%). После землетрясения на востоке Японии в 2011 году ее самообеспеченность энергией сократилось до 6%, из-за остановки большинства атомных электростанций. В частности, сейчас 98% топлива для транспорта представляют собой нефтепродукты, 87% из которых импортируются из стран Ближнего Востока.

Для сокращения выбросов парниковых газов и борьбы с изменением климата были проведены исследования различных энергетических технологий. Эти технологии используют ядерный синтез, возобновляемые источники энергии и ископаемое топливо. Перспективы развития водородной энергетики обсуждались среди политиков и исследователей в Японии еще с 1990-го года.

Перспективы использования водорода в Японии

Возобновляемая энергия является ключевым элементом энергосистемы Японии в перспективе. По состоянию на 2017 год, энергогенерация в Японии из возобновляемых источников распределялась так: 39,1 ГВт -  солнечная энергетика, 3,4 ГВт - энергия ветра, 0,5 ГВт - геотермальная энергии, 48,1 ГВт - гидроэнергетика и 3,2 ГВт - энергия из биомассы.

Внедрение солнечной и ветровой энергии было простимулировано с помощью схемы льготных тарифов с 2012 года. Но стоимость производства возобновляемой энергии в Японии оказалась существенно выше, чем в других странах. Например, стоимость фотоэлектрических систем по выработке электроэнергии оказались вдвое дороже, чем в Европе, из-за высоких капитальных затрат.

Чтобы Япония могла создать энергосистему с низким уровнем выбросов углерода, необходимо импортировать низкоуглеродную энергию из-за рубежа. Считается, что источником энергии с низким содержанием углерода может стать ископаемое топливо и возобновляемая энергия.

Некоторые из предполагаемых примеров - это низкоуглеродистый водород, полученный газификацией бурого угля, обработанного с помощью многоступенчатого сжигания, применяемого, например, в Австралии, и водород, полученный электролизом воды с использованием электричества от энергии ветра, используемого в Аргентине. Япония почти не имеет доступных запасов, с экономической точки зрения, ископаемого топлива внутри страны, и ожидается, что установки на подобных технологиях будут менее экономичными, чем за рубежом.

Для оценки количества водорода, необходимого для создания низкоуглеродной энергетики в Японии, было проведено несколько исследований. Оценка включала исследование глобального спроса на водород с использованием глобальной и долгосрочной энергетической модели межвременной оптимизации, названной GRAPE (Глобальные отношения для защиты окружающей среды).

GRAPE является интегрированной моделью оценки для взаимодействия между энергетикой, экономикой, климатом, землепользованием и влиянием изменения климата. В данном исследовании использовался энергетический модуль модели. В энергетическом модуле GRAPE включены взаимосвязи прогнозируемых потребностей населения Земли в энергии и его валового внутреннего продукта (ВВП).

Глобальная структура спроса и предложения энергии была представлена, как оптимальное решение для линейного программирования, путем минимизации затрат энергосистемы при данных ограничениях. Страны были сгруппированы по 15 регионам.

Различные первичные энергоресурсы превращаются во вторичные энергоносители для удовлетворения конечных потребителей в энергии. Основными энергетическими ресурсами остаются: природный газ, сырая нефть, уголь, биомасса, гидроэнергия, ветер, солнечная энергия и уран.

Конечные потребители первичной энергии - производители электроэнергии, транспорт и стационарные объекты (здания, жилые дома и прочее). Предполагалось, что не содержащий CO₂ водород можно производить в различных регионах планеты и транспортировать его в другие точки мира. Водород будет производится из низкосортного угля (лигнита), природного газа, с помощью гидроэнергии, энергии ветра и солнечной фотоэлектрической энергии. После производства он будет сжижается в порту для межрегиональной морской транспортировки.

В настоящем исследовании было принято несколько условий:

- сокращение на 50% по сравнению с уровнями 1990 года глобальных выбросов CO₂ к 2050 году и сокращение на 80% для Японии;

- что касается производства атомной энергии в Японии, то предусматривается не начинать новое строительство атомных реакторов, а срок службы существующих ограничить до 40 лет;

- Количество выброса углекислого газа в Японии = 0,2 млрд. тонн CO₂/год к 2050 году.

Результаты моделирования показали, что потребность мира в водороде к 2050 году составит 3,8 трлн н.м³, при этом основная доля водорода будет использована в транспортном секторе. В 2050 году на США, Китай, Западную Европу и Индию (включая Пакистан) придется примерно 80% всего мирового потребления водорода.

В Японии потребность в водороде к 2050 году оценивается в 0,22 трлн н.м³, при этом основная его доля будет использоваться в секторе производства вторичной энергии.

В соответствии с набором условий, приведенных выше, водород будет широко использоваться в мире, в том числе - Японии. Доля водорода составит 13% от общего объема поставок первичной энергии в Японии к 2050 году.

Цитирование

Шигеки Иида, Ко Саката, Водородные технологии и разработки в Японии, Чистая энергия, Том 3, Выпуск 2, июнь 2019 г., страница 105–113, https://doi.org/10.1093/ce/zkz003