Появление зеленого водорода как топлива нового поколения

Введение

Экономический подъем после COVID-19 привел к изменениям в динамике энергетического сектора и спровоцировал скачки цен на такие сырьевые товары, как нефть, газ и другие. Продолжающийся конфликт между Россией и Украиной привел к сбоям в цепочках поставок и привел к еще большему росту цен на энергоносители и проблемам энергетической безопасности между странами. Однако эта проблема открыла миру возможность перейти к низкоуглеродным, устойчивым и чистым источникам энергии, водороду и другим возобновляемым источникам энергии, чтобы обеспечить свои энергетические потребности и быть независимыми с точки зрения необходимости импорта энергии.

Еще одним аспектом быстрого изменения энергетического ландшафта может стать растущая потребность в декарбонизации секторов из-за сценария изменения климата. Правительства и бизнес сосредотачивают усилия на достижении высоких целей по декарбонизации, чтобы достичь цели «чистого нуля». В будущем энергетический баланс, по прогнозам, сместится в сторону возобновляемых источников энергии и экологически чистых источников энергии, таких как водород. По прогнозам, к 2050 году спрос на электроэнергию утроится, при этом ожидается, что водород и топливо на его основе увеличат свою долю на рынке благодаря увеличению спроса и декарбонизации.

Ожидается, что к 2040 году мировой спрос на энергию вырастет на 25–30%. Экономики, зависящие от угля и ископаемого топлива, будут выбрасывать больше CO2, что усугубит ситуацию с изменением климата. Но декарбонизация планеты предполагает другой сценарий к 2050 году, когда энергетика станет более устойчивой, доступной и эффективной, основанной на экологически чистых источниках энергии, таких как зеленый водород.

Виды водорода

Классификация водорода может варьироваться в зависимости от методов производства, в результате чего выделяются такие категории, как серый, синий, зеленый, а иногда и нетрадиционные цвета, такие как розовый, желтый или бирюзовый. Однако важно отметить, что конкретные соглашения об именах могут различаться в разных странах и могут меняться со временем.

Зеленый водород выделяется как единственный тип водорода, производимый климатически нейтральными способами, что делает его решающим игроком в глобальных усилиях по достижению цели нулевых выбросов к 2050 году.

Что такое зеленый водород, как он хранится и проблемы, связанные с зеленым водородом?

«Зеленый водород» — это водород, полученный без образования выбросов загрязняющих веществ, что указывает на его экологичность. Он считается ключевым энергетическим вектором в обеспечении глобальной декарбонизации и выполнении обязательств, установленных на 2050 год по борьбе с изменением климата. Зеленый водород в настоящее время составляет около0,1% от общего производства водорода, но ожидается, что эта цифра будет расти, поскольку стоимость возобновляемой энергии продолжает падать.

Водород получают в процессе электролиза, который разделяет водород и кислород в воде. Термин «зеленый водород» означает, что электричество, используемое для питания электродуговой печи в процессе электролиза, поступает из 100% возобновляемых источников, таких как ветер, солнечная энергия и т. д.

Водород можно физически хранить как в газообразном, так и в жидком виде. Для хранения водорода в виде газа обычно требуются резервуары высокого давления, давление в резервуарах варьируется от 350 до 700 бар (от 5 000 до 10 000 фунтов на квадратный дюйм). И наоборот, хранение водорода в жидком виде требует криогенных температур, поскольку его температура кипения при атмосферном давлении составляет -252,8°C. Другой метод хранения водорода предполагает его адсорбцию на поверхности твердых тел или абсорбцию внутри твердых тел.

Узнайте больше о хранении водорода на сайте:https://www.databridgemarketresearch.com/ru/reports/global-green-гидроген-маркет

Есть некоторые проблемы, связанные с производством зеленого водорода. Основная проблема заключается в том, что на данный момент не хватает электролизеров, которые используются для производства водорода, а большая часть возобновляемых источников энергии по-прежнему продается по значительной цене. По сравнению с традиционными производственными процессами электролиз стоит дорого, а рынок электролизеров по-прежнему компактен.

Важность зеленого водорода в энергетическом переходе

Продвижение зеленого водорода имеет первостепенное значение для выполнения климатических обязательств, изложенных в Парижском соглашении, и удовлетворения насущной необходимости достижения целей с нулевым уровнем выбросов в ответ на чрезвычайную климатическую ситуацию. В Европе уже реализуются инициативы по всей цепочке создания стоимости водорода. К ним относятся разработка более конкурентоспособных электролизеров, создание эффективной транспортной сети и развертывание водородной инфраструктуры для поддержки автомобильного транспорта.

Согласно отчету Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), существует потенциал значительного снижения затрат на водородные установки — от 40% до 80% в долгосрочной перспективе. Это, в сочетании с ожидаемым снижением цен на возобновляемую энергию, указывает на то, что зеленый водород имеет потенциал стать экономически жизнеспособным и прибыльным к 2030 году.

Появление зеленого водорода

К 2050 году зеленый водород потенциально сможет удовлетворить около 25% мировых энергетических потребностей и стать рынком с адресуемой стоимостью 10 триллионов долларов США. Инвестиции в экологически чистый водород стремительно растут среди крупных нефтегазовых компаний. Европа планирует сделать водород основной частью своего ценного пакета «Зеленого курса».

В 2020 году спрос на водород достиг примерно 87 миллионов метрических тонн (метрических тонн), и, по прогнозам, к 2050 году он будет значительно расти, достигнув диапазона 500-680 миллионов тонн к 2050 году. Рынок производства водорода оценивается в 130 миллиардов долларов с 2020 года. ожидается, что до 2021 года будет наблюдаться устойчивый ежегодный темп роста до 9,2% до 2030 года. Однако существует серьезное препятствие: подавляющее большинство (более 95%) текущего производства водорода основано на ископаемом топливе, и лишь минимальная часть рассматривается "зеленый". Примерно 6% мирового природного газа и 2% мирового угля используются в производстве водорода.

Узнайте больше, посетитеhttps://www.databridgemarketresearch.com/ru/reports/global-green-гидроген-маркет

Технологии производства экологически чистого водорода переживают возрождение интереса в связи с расширением спектра применений в различных секторах. Эти сектора охватывают производство электроэнергии, производственные процессы в таких отраслях, как производство стали и цемента, топливные элементы для электромобилей, тяжелый транспорт, такой как судоходство, производство экологически чистого аммиака для удобрений, чистящих средств, холодильного оборудования и стабилизации электросетей.

Перспективы производства и спрос на зеленый водород

Решающий шаг по расширению производства зеленого водорода необходим для оказания помощи мировой экономике в достижении нулевых выбросов к 2050 году и сдерживания повышения глобальной температуры до 1,5°C. По прогнозам, к 2023 году ежегодные инвестиции в производство экологически чистого водорода превысят 1 миллиард долларов. Эта тенденция обусловлена ​​снижением затрат на возобновляемые источники энергии и электролизные технологии в сочетании с реализацией поддерживающей политики со стороны правительств. Примечательно, что уже существует значительный трубопровод в проектах электролиза мощностью 23 ГВт, что представляет собой значительное увеличение по сравнению с нынешней мощностью всего в 82 МВт.

Несмотря на растущую мощность нынешних строящихся и находящихся в эксплуатации водородных проектов, они в основном остаются на предкоммерческой стадии и обладают ограниченной мощностью электролизеров, обычно ниже 50 МВт. Напротив, предлагаемые установки демонстрируют большую мощность электролизеров - 100 МВт и более, хотя они все еще меркнут по сравнению с масштабами существующих предприятий по производству серого водорода. Кроме того, развитие инфраструктуры для поддержки широкого использования водорода, такой как трубопроводы или терминалы импорта/экспорта, — это трудоемкий процесс, который может занять несколько лет. В идеале создание необходимой инфраструктуры должно происходить одновременно с растущим спросом на водород, обеспечивая его экономическую эффективность и способствуя адекватной торговле и транспортировке водорода к 2030 году. еще одно значительное увеличение начнется в 2035 году. Чтобы соответствовать целям, установленным в Парижском соглашении, необходимо безотлагательно начать планирование инфраструктуры.

После 2035 года внедрение водорода в экономически сложные отрасли, такие как авиационная и морская промышленность, может быть стимулировано обязательствами как частного, так и государственного секторов. Ожидается, что эти отрасли будут использовать водородное топливо, такое как синтетический керосин и аммиак, в качестве жизнеспособной альтернативы. Ожидается, что к 2035 году состав поставок водорода претерпит значительную трансформацию. По прогнозам, доля серого водорода, на долю которого в настоящее время приходится почти 100% поставок, снизится до 55-60%. Снижение затрат и поддержка политиков внедрения водородных технологий стимулируют этот сдвиг. В результате ожидается, что чистые методы производства получат распространение в водородном секторе.

К 2035 году большая часть спроса на водород будет приходиться на транспорт и новые промышленные применения. Но после 2035 года прогнозируется, что водород будет масштабироваться во всех секторах энергетической экономики.

Некоторыми из ключевых факторов, которые могут потребоваться для поддержки развития водородной экономики, могут быть:

• Инфраструктура и цепочка поставок
• Технологический прогресс и расширение производства.
• Государственная поддержка и политика

Затраты и цены на водород

В настоящее время производство водорода из низкоуглеродных источников энергии сопряжено со значительными затратами. Однако, согласно анализу, проведенному Международным энергетическим агентством (МЭА), стоимость производства водорода из возобновляемой электроэнергии, как ожидается, снизится на 30% к 2030 году. Это снижение можно объяснить снижением затрат на технологии возобновляемой энергетики и увеличением масштабы производства водорода. Кроме того, массовое производство может принести пользу топливным элементам, заправочному оборудованию и электролизерам, которые являются важнейшими компонентами в производстве и использовании водорода, получаемого из электричества и воды.

Средняя себестоимость производства зеленого водорода в настоящее время составляет около 6 долларов США/кг, но ожидается, что к 2030 году она снизится на 2,3 доллара США/кг. Ожидается, что к 2030 году капитальные затраты вырастут на 30% благодаря целям декарбонизации. Некоторые эксперты предполагают, что производство экологически чистого водорода может служить средством использования избыточных мощностей возобновляемых источников энергии из крупных производственных центров, таких как морские ветряные электростанции Европы. Однако из-за постоянно высоких затрат, связанных с электролизерами, возникают сомнения относительно того, захотят ли разработчики проектов по производству зеленого водорода оставить свои электролизеры бездействующими до тех пор, пока цены на возобновляемую энергию не достигнут определенного порога.

Более вероятный подход, который уже рассматривают такие компании, как Lightsource BP и Shell, предполагает строительство специализированных предприятий по производству экологически чистого водорода в регионах, богатых возобновляемыми источниками энергии. Эти объекты будут интегрированы со специализированными активами по производству возобновляемой энергии, обеспечивая стабильный и надежный источник возобновляемой энергии для производства зеленого водорода.

Применение зеленого водорода

Зеленый водород в тяжелой промышленности-Водород является основным сырьем в различных отраслях промышленности. В химической отрасли его используют для производства аммиака и удобрений. Нефтехимическая промышленность использует водород для переработки нефти, а металлургия использует его для получения стали.

Однако использование водорода в этих отраслях приводит к значительным выбросам углекислого газа. Например, только на производство стали приходится от 6 до 7% мировых выбросов CO₂, что в два-три раза превышает выбросы всего мирового авиационного сектора. Важным шагом для удовлетворения насущной потребности в декарбонизации в этих отраслях станет использование зеленого водорода в качестве сырья. Благодаря этому станет возможным производить сталь без выбросов, что станет важной вехой в срочных усилиях по декарбонизации, необходимых в этих секторах.

Зеленый водород для хранения энергии-Зеленый водород обладает потенциалом для хранения энергии, сравнимым со стратегическими запасами нефти или природного газа, которые мы используем в настоящее время. Используя его значительный объем и увеличенный срок службы, мы можем создать запасы возобновляемого водорода для повышения стабильности и надежности электросети.

Зеленый водород как топливо Использование зеленого водорода в качестве топлива сыграет решающую роль в декарбонизации транспортного сектора, особенно на дальнемагистральном и воздушном транспорте. Обычно морской транспорт использует недорогое, но сильно загрязняющее топливо. Тем не менее, зеленый водород представляет собой ключевую альтернативу для дальнемагистральных судов, предлагая убедительное решение для сокращения выбросов. В авиационной промышленности зеленый водород может служить основой для синтетического топлива, которое значительно снижает выбросы в этом секторе. Кроме того, его важность распространяется и на другие виды транспорта, такие как железнодорожный и тяжелый автомобильный транспорт, где зеленый водород будет иметь важное значение для внедрения устойчивых и экологически безопасных методов.

Зеленый водород для бытового использования- Зеленый водород обладает уникальной способностью достигать температур, которых сложно достичь с помощью других чистых процессов. Следовательно, одно из наиболее многообещающих применений зеленого водорода заключается в его использовании для производства электроэнергии и отопления жилых помещений.

Глобальный прогноз по водороду

Региональное потребление водорода будет демонстрировать значительные различия, в первую очередь под влиянием политических соображений. Европа лидирует: ожидается, что к 2050 году водород будет составлять 11% в энергетическом балансе благодаря реализации стимулирующей политики, которая способствует как расширению производства водорода, так и его использованию. По прогнозам, в Тихоокеанском регионе ОЭСР к 2050 году водород будет составлять 8% энергетического баланса, что поддерживается стратегиями, целями и инициативами финансирования, ориентированными на сторону предложения.

Аналогичным образом, Северная Америка стремится к тому, чтобы доля водорода в ее энергетическом балансе составляла 7%, хотя у нее сравнительно более низкие цены на выбросы углерода и менее четкие цели и политика. Большой Китай следует за ним, установив цель на уровне 6% водорода в энергетическом балансе. Примечательно, что Большой Китай недавно предоставил больше ясности в отношении механизмов финансирования и перспектив использования водорода до 2035 года, что сопровождалось созданием растущей национальной схемы торговли выбросами. Ожидается, что к 2050 году эти четыре региона будут потреблять примерно две трети мировой потребности в водороде для энергетики.

Драйверы для зеленого водорода

В прошлом водород привлекал значительное внимание в ходе многочисленных волн интереса. Эти волны были в первую очередь мотивированы такими факторами, как скачки цен на нефть, опасения по поводу пикового спроса на нефть, опасения по поводу загрязнения воздуха и исследования альтернативных видов топлива. Выступая в качестве дополнительного энергоносителя с отдельными цепочками поставок, производителями и рынками, водород может внести свой вклад в энергетическую безопасность. Такая диверсификация структуры энергетики может повысить устойчивость всей системы.

Некоторые из ключевых факторов развития зеленого водорода включают:-

• Низкая стоимость солнечной и ветровой энергии- Основным фактором, влияющим на стоимость зеленого водорода, является цена на электроэнергию. За последнее десятилетие произошло существенное снижение стоимости электроэнергии, получаемой от солнечных фотоэлектрических (PV) и береговых ветряных электростанций. В 2018 году средняя глобальная цена на солнечную энергию по контракту составила 56 долларов США за МВтч, что является значительным снижением с 250 долларов США за МВтч в 2010 году. Аналогичным образом, цены на береговую ветроэнергетику также снизились, снизившись с 75 долларов США за МВтч в 2010 году до 48 долларов США за МВтч. МВтч в 2018 г. (IRENA). Поскольку затраты на солнечную фотоэлектрическую и ветровую электроэнергию продолжают снижаться, производство зеленого водорода становится все более экономически привлекательным.
• Правительства стремятся создать энергетические системы с нулевым уровнем выбросов По состоянию на середину 2020 года законодательные меры по достижению целевых показателей нулевых выбросов парниковых газов (ПГ) уже были приняты в семи странах, а еще 15 стран предложили аналогичные законы или политические документы. Общее число стран, объявивших цели по нулевым выбросам, превышает 120 (ВЭФ, 2020). Примечательно, что Китай, крупнейший источник выбросов парниковых газов, недавно взял на себя обязательство достичь нулевых выбросов углерода в течение 40 лет. Хотя эти обязательства по достижению чистого нуля еще необходимо воплотить в конкретные действия, они потребуют сокращения выбросов в «трудно поддающихся сокращению» секторах, где зеленый водород может сыграть значительную роль.
• Преимущества для энергетического сектора- С ростом использования солнечной и ветровой энергии, также известной как переменная возобновляемая энергия (VRE), на различных мировых рынках, энергосистемам потребуется повышенная гибкость. Электролизеры, которые используются для производства зеленого водорода, могут быть спроектированы как адаптируемые ресурсы, способные быстро регулировать свою производительность, чтобы компенсировать колебания производства ПВИЭ. Зеленый водород можно хранить в течение длительного времени и использовать в периоды, когда ПВИЭ недоступны для производства электроэнергии. Его можно использовать в стационарных топливных элементах или газовых турбинах, готовых к использованию водорода. Зеленый водород подходит для долгосрочного и сезонного хранения энергии, эффективно дополняя гидроаккумулирующие электростанции. Зеленый водород повышает эффективность и экономическую эффективность системы, способствуя интеграции более высоких долей ПВИЭ в энергосистему.
• Развитие технологий- Некоторые компоненты цепочки создания стоимости водорода уже внедрены в небольших масштабах и готовы к коммерциализации, что требует инвестиций для дальнейшего масштабирования. Хотя некоторые технологии, такие как корабли, работающие на аммиаке, все еще ждут крупномасштабной демонстрации, расширение производства экологически чистого водорода может способствовать экономической эффективности и привлекательности этих путей. Расширение использования зеленого водорода потенциально может повысить доступность и привлекательность таких технологий.

Проблемы зеленого водорода

Различные препятствия касаются всех форм водорода, независимо от методов их производства. Эти барьеры включают отсутствие специализированной инфраструктуры, такой как транспортные и складские помещения. Кроме того, конкретные проблемы преимущественно связаны с этапом производства зеленого водорода посредством электролиза. Эти проблемы включают потери энергии, недостаточное признание ее ценности, трудности с обеспечением устойчивости и высокие производственные затраты.

• Высокие производственные затраты- В 2019 году было обнаружено, что зеленый водород, производимый с использованием электроэнергии на электростанции средней переменной возобновляемой энергии (ПВИЭ), в два-три раза дороже, чем серый водород. Кроме того, внедрение технологий зеленого водорода для различных применений может повлечь за собой значительные расходы. Например, автомобили, оснащенные топливными элементами и водородными баками, стоят как минимум в 1,5–2 раза дороже, чем их аналоги, работающие на ископаемом топливе. Аналогичным образом, синтетическое топливо, предназначенное для авиации, в настоящее время в восемь раз дороже, чем ископаемое топливо.
• Отсутствие инфраструктуры- В мире существует всего около 5000 километров трубопроводов для транспортировки водорода, в отличие от более чем 3 миллионов километров трубопроводов для природного газа (Ресурсный центр анализа водорода, 2016). Аналогичным образом, в мире насчитывается около 470 водородных заправочных станций, тогда как в США и Европейском Союзе насчитывается более 200 000 бензиновых и дизельных заправочных станций. Хотя существующая инфраструктура природного газа потенциально может быть перепрофилирована на водород, не все регионы обладают такой инфраструктурой. С другой стороны, синтетическое топливо, полученное из «зеленого» водорода, потенциально может использовать существующую инфраструктуру, хотя для ее увеличения может потребоваться расширение.
• Высокие потери энергии- Зеленый водород испытывает значительные энергетические потери на каждом этапе цепочки создания стоимости. Примерно 30-35% энергии, используемой в электролизе, процессе производства водорода, теряется (IRENA). Кроме того, преобразование водорода в другие носители, такие как аммиак, может привести к потерям энергии в пределах 13-25%. Кроме того, транспортировка водорода требует дополнительных затрат энергии, обычно эквивалентных 10–12% энергосодержания самого водорода. Более того, дополнительные 40-50% потерь энергии могут возникнуть при использовании водорода в топливных элементах.

Последние разработки и ключевые проекты в области зеленого водорода

• По данным Международного энергетического агентства, в настоящее время во всем мире либо реализуются, либо инициируются около 300 проектов по производству зеленого водорода. Однако большинство этих проектов представляют собой относительно небольшие демонстрационные установки. В Китае крупнейший проект реализуется Ningxia Baofeng Energy Group по использованию зеленого водорода, вырабатываемого солнечной энергией, для производства нефтехимических продуктов, таких как полиэтилен и полипропилен.
• BP, известная энергетическая компания, стремящаяся реализовать многочисленные инициативы по созданию экологически чистого водорода, такие как предстоящий завод HyGreen Teesside в Великобритании, запуск которого запланирован на 2025 год, заявила о своем намерении разработать системы мониторинга утечек.
• Германия намерена объединить усилия с Францией, Испанией и Португалией в амбициозном водородном проекте по производству более экологически чистого газа из возобновляемых источников и транспортировке его по трубопроводам с Пиренейского полуострова. В рамках совместных усилий Парижа и Берлина трубопровод зеленого водорода, который в настоящее время снабжает Францию ​​из Испании и Португалии, будет расширен и включит в себя Германию. Это расширение является частью недавно объявленной «совместной дорожной карты» по водороду, в которой особое внимание уделяется увеличению инвестиций в будущие технологии, особенно те, которые связаны с возобновляемыми и низкоуглеродными источниками энергии. Подводный трубопровод H2Med, также известный как Средиземноморский водородный трубопровод, соединит Пиренейский полуостров с Францией и, как ожидается, вступит в эксплуатацию к 2030 году. Он будет транспортировать водород, произведенный с использованием возобновляемых источников энергии. По оценкам испанских властей, он будет способен транспортировать до 2 миллионов метрических тонн зеленого водорода в год, что эквивалентно 10% от общего потребления Европейского Союза.
• В 2022 году Комиссия ЕС утвердила государственное финансирование ЕС на водородные проекты в размере 5,2 миллиарда евро.

Каковы перспективы развития зеленого водорода?

Во всем мире растет интерес к «зеленому» водороду как важнейшему решению для достижения энергетического перехода к нулевым или нулевым выбросам. В отличие от предыдущих периодов интереса к водороду, эта новая волна в первую очередь сосредоточена на установлении связи между возобновляемой электроэнергией и приложениями, которые сложно электрифицировать.

Растущему импульсу внедрения зеленого водорода способствуют несколько факторов, в том числе:

• Снижение затрат на возобновляемую электроэнергию делает ее доступным источником энергии для производства экологически чистого водорода.
• Достижения в соответствующих технологиях, указывающие на повышение зрелости и эффективности
• Преимущества гибкости для энергетических систем, поскольку зеленый водород может служить гибким энергоносителем для балансирования колебаний производства возобновляемой энергии.
• Национальные обязательства и обязательства по достижению нулевых выбросов, стимулируют спрос на экологически чистые энергетические решения, такие как зеленый водород.
• Более широкая база заинтересованных сторон, выражающих интерес и поддержку, включая правительства, отрасли и сообщества.

Несмотря на растущий интерес к «зеленому» водороду, несколько препятствий препятствуют его потенциалу в обеспечении энергетического перехода. Основная проблема заключается в сравнительно высокой стоимости зеленого водорода по сравнению с серым водородом и альтернативами ископаемому топливу. Дополнительные барьеры включают отсутствие специализированной инфраструктуры, недостаточное признание ее ценности с точки зрения сокращения выбросов парниковых газов, а также препятствия, связанные с развитием развивающейся отрасли.

Хотя водородный сектор привлек внимание правительства, дальнейшая целенаправленная политическая поддержка имеет решающее значение для обеспечения готовности, проникновения и роста этой технологии на рынке. Национальные водородные стратегии играют жизненно важную роль в определении уровня амбиций страны в отношении водорода и обеспечении необходимой поддержки для достижения этих целей. Эти стратегии служат ориентиром для представителей частного сектора в водородной отрасли, стимулируя увеличение финансирования и инвестиций. Эффективные национальные стратегии должны обеспечить четкую дорожную карту для расширения внедрения водорода.

Благоприятная политика включает в себя общеэкономические меры, направленные на создание справедливой и равноправной среды для использования как водорода, так и ископаемого топлива. Эта политика призвана дать возможность участникам водородной энергетики внести свой вклад в энергетическую систему и более широкие экономические и социальные системы. Целью реализации такой политики является создание равных условий, которые поддерживают интеграцию водорода в различные сектора и продвигают его целостные преимущества.