Водород считается одной из многих ключевых технологий, которые принесут революцию в зеленой энергетике в промышленности и обществе. Несмотря на множество преимуществ, которые может принести водород, многие в отрасли видят в качестве конечной цели зеленый водород, созданный за счет возобновляемых источников энергии и считающийся самым чистым вариантом.
Несмотря на это, водород представляет собой широкий спектр различных технологий, которые стоит изучить, чтобы обезуглероживать многие отрасли, от которых трудно избавиться. В отличие от аккумуляторных батарей, водород все еще является относительно новой технологией, и поэтому инновации продолжают стремительно расти во всей отрасли.
Электролизеры признаны ключевой технологией, которая генерирует зеленый водород в сочетании с возобновляемыми источниками энергии. В процессе вода преобразуется как в молекулы водорода, так и в кислород, создавая основу не только для создания чистого энергоносителя, но и для кислорода, который можно использовать для многих других целей, например, в медицинском секторе.
Тем не менее, один вопрос продолжает подниматься теми, кто работает в отрасли, а также теми, кто рассматривает водород как потенциальный вектор энергии в настоящем, а не только в будущем: достаточно ли мы делаем для поддержки его производства и интеграции?
Будущая мощность электролизера
Спрос на водород продолжает расти во всем мире, и согласно базе данных IEA Hydrogen Projects Database 2021 [1] , к 2030 году глобальная установленная мощность должна достичь 54 ГВт потребления для достижения наших климатических целей.
Очевидно, что производство водорода необходимо будет увеличить, и масштабирование технологии производства также должно быть усовершенствовано, чтобы гарантировать, что объемы, необходимые для обезуглероживания общества, а также для создания надежного рынка водорода, будут удовлетворены. Чтобы достичь этого, необходимо преодолеть несколько ключевых барьеров, чтобы помочь водороду раскрыть свой потенциал и поддержать климатические цели в качестве основного топлива в будущем.
Европейский союз (ЕС) уделяет большое внимание развитию электролизных технологий как средству что бы стать центром водородных технологий, поддерживающих декарбонизацию не только в Европе, но и во всем мире.
Франсуа Паке, директор по продвижению Коалиции за возобновляемый водород, признает жизненно важную роль электролизеров и водорода в сокращении выбросов углерода в ЕС. Паке сказал: «Эта технология будет и дальше совершенствоваться, и ясно что цель, установленная на уровне ЕС, обеспечит развертывание большего количества электролизеров на земле, и это де-факто обеспечит масштаб, необходимый в производстве, для снижения затрат. На что интересно сейчас посмотреть, так это на динамику цен на энергоносители.
«Я думаю, что недавний газовый кризис — очень серьезное предупреждение для инвесторов, изучающих сегодня водород. Это явно меняет динамику затрат. Я упомянул, что ключевой проблемой была стоимость".
«Стоимость производства возобновляемого водорода по сравнению с голубым водородом впервые была дешевле из-за фактической связи голубого водорода и природного газа».
Когда зеленый водород достигнет паритета стоимости с голубым водородом, это может стать стимулом для масштабирования разработки электролизеров, чтобы производить большее количество зеленого водорода для рынка. Появление большего количества возобновляемого водорода на энергетическом рынке может рассматриваться как средство для масштабирования производства электролизеров, однако есть несколько ключевых факторов, ограничивающих это.
Ключевые барьеры в масштабировании электролиза
Одним из самых больших препятствий на пути масштабирования технологии электролиза является стоимость производства электролизеров PEM и AEM. Эти технологии в первую очередь требуют редких и дорогих материалов, таких как платина и иридий, для катализаторов, и это создает значительные трудности в масштабировании технологии.
Согласно выдержке из Международного журнала водородной энергетики [2] , иридий (Ir) является одним из самых дефицитных элементов на Земле с низкой распространенностью всего 0,000003 частей на миллион (ppm) в земной коре. Южная Африка , Россия, США, Зимбабве и Канада могут похвастаться своим географическим местоположением с наиболее концентрированными залеганиями ключевых материалов для электролиза.
Когда дело доходит до получения платины, становится очевидным, откуда берется большая часть затрат на электролизеры. Как и иридий, платина считается редким и дорогим ресурсом, необходимым для работы электролизеров.
Было высказано несколько сомнений в отношении использования этих материалов и их географической доступности с учетом спроса на платину и потенциальных узких мест в глобальном зеленом переходе: в журнале анализа динамических потоков материалов объясняется: «Такой переход требует большого количества редких и драгоценных металлов, такие как редкоземельные элементы (РЗЭ), литий, кобальт и металлы платиновой группы (МПГ) и другие".
«Это, следовательно, поднимает вопросы доступности ресурсов для крупномасштабного внедрения этих технологий из-за малого географического распределения этих критических материалов, отсутствия эффективных заменителей и политической нестабильности в некоторых странах-производителях». [3]
В будущем это может стать серьезным препятствием для водородной промышленности, поскольку для работы многих топливных элементов и электролизерных систем требуется платина.
Положительным, однако, является то, что с запретом двигателей внутреннего сгорания в ближайшие годы платина здесь может быть переработана. Наши сценарии, указывают на увеличение возможностей вторичной переработки, особенно в промышленно развитых странах, таких как Европа и США.
«Еще одним преимуществом вторичной переработки является экологическая польза, поскольку интенсивность выбросов при вторичной переработке платины значительно ниже, чем при первичном производстве».[3]
Чтобы преодолеть этот барьер, производители электролизеров должны исследовать и разрабатывать новые недорогие материалы, которые можно использовать в электролизерах. В противном случае производство электролизеров будет по-прежнему оставаться дорогостоящим продуктом и потенциально может привести к потере потенциальных проектов и клиентов из-за высоких цен. С этим, конечно связаны значительные инвестиции в исследования для разработки этих компонентов и технологий.
Другим фактором, которому часто противодействуют те, кто занимается производством как электролизеров, так и самого водорода, является использование водных ресурсов. Мы вернемся к этому позже…
Местоположение
Сочетание любых соображений в отношении источников редких материалов, наличия воды и возобновляемых ресурсов, и возможно увеличения мощностей электролизеров зависит от местоположения. Все это конечно уместно там, где целью является действительно зеленый водород.
Электролизеры обеспечивают средства для децентрализации производства энергии и ускорения перехода к более экологичному будущему. Несмотря на то, что водород считается ключевым топливом с нулевым уровнем выбросов, важно отметить, что он не будет единственным элементом для достижения климатических целей, однако он может дополнять современные экологически чистые технологии, такие как возобновляемая электроэнергия и аккумуляторы, для поддержания устойчивой энергии.
Доктор Брайан Пивовар, старший научный сотрудник по материаловедению в NREL, сказал что электролизеры нельзя просто подключить к сети, поскольку они могут не пройти сертификацию для действительно экологически чистого производства водорода.
«Вы должны быть осторожны с зеленым цветом, потому что просто использование электролиза, если вы подключаетесь к местной сети, это не совсем зеленый цвет. Вы знаете, вам действительно нужно напрямую подключиться к возобновляемыми источниками энергии, чтобы сделать его зеленым», — сказал он.
«Это одна из проблем, у нас не было возобновляемых источников энергии. Раньше возобновляемые источники энергии были недостаточно рентабельными, и у нас их не хватало, чтобы производить реально зеленый водород. Но ситуация изменилась в некоторых регионах, и быстро меняется и в других местах. Эволюция дешевой и возобновляемой электроэнергии имеет важное значение».
Для производства зеленого водорода поставляемая возобновляемая энергия должна производиться вне сети, и таким образом, подключение электролизеров напрямую к источникам энергии является основным методом создания зеленого водорода и дополнительной децентрализованной чистой энергии. Очевидно, что в первую очередь необходимо заложить основы для экосистемы зеленого водорода.
Лучшие регионы для производства водорода из возобновляемых источников энергии
Итак, где в настоящее время находятся горячие точки активности электролизеров и где они будут в ближайшие годы?
Многие страны признают ценность как водородного общества, так и инфраструктуру возобновляемых источников энергии для того, чтобы сделать водород по-настоящему зеленым, и ускоряют реализацию своих собственных водородных дорожных карт и программ создания электролизеров.
Согласно исследованию МЭА[1], Канада является ведущей страной по установленной мощности электролизеров. Учитывая все имеющиеся данные, Канада может стать ключевым регионом для производства электролизных установок и в будущем.
Однако Канада — не единственный регион, в котором наблюдается значительный рост мощностей производства электролизеров. В топ списке находятся такие страны как Китай и Европа — две страны, которые многие считают центральными для построения водородной экономики.
Электролизные проекты все больше продолжают выходить на рынок и продвигаться вперед. Согласно базе данных водородных проектов МЭА, при всех запланированных проектах глобальная установленная мощность электролизеров должна достичь 54 ГВт к 2030 году. И это несмотря на примерно 25-процентное сокращение числа действующих или строящихся проектов в 2020 году, вероятно в результате пандемии Covid.
Самая большая доля — более 40% — мировых установленных мощностей электролизеров приходится на Европу, за ней следуют Канада и Китай. Почти половина строящихся в 2022 году проектов приходится на Европу.
Когда мы смотрим на разбивку текущих и будущих мощностей электролизеров, становится ясно, что с 2017 по 2021 год в глобальных мощностях преобладали щелочные электролизеры, что возможно, неудивительно из-за их более низких капитальных затрат и отсутствия потребности в драгоценных металлах.
Но какие районы земного шара обладают значительным потенциалом для производства дешевого водорода?
Согласно исследованию IEA, посвященному затратам на водород от гибридных солнечных фотоэлектрических и наземных ветровых систем в долгосрочной перспективе [4] , по всему миру есть несколько горячих точек, которые имеют наибольшие перспективы в производстве водорода с помощью электролиза.
Судя по изображению выше, видно что существует несколько региональных горячих точек для производства водорода из солнечной энергии и ветра, в первую очередь на Ближнем Востоке, в Африке, Китае, Австралии и Южной Америке.
Африка, Ближний Восток и Австралия явно обладают значительным потенциалом за счет использования солнечной радиации, которую можно направить и использовать для производства возобновляемой электроэнергии для питания электролизных систем. Неудивительно, что Ближний Восток и Австралия входят в число стран с самым высоким рейтингом по мощности электролизеров (и запланированным проектам).
По наземным ветровым мощностям Южная Америка имеет одно из самых эффективных мест для производства зеленого водорода на западном побережье Чили. Неудивительно, что многие компании, в том числе ENGIE и Porsche, разрабатывают водородные проекты в регионе, который все быстрее становится одним из ключевых экспортеров водорода по всему миру.
Чили осознала свой потенциал и наметила дорожную карту по водороду, которая направлена на то, чтобы сделать страну экспортером экологически чистого водорода, и все это стало возможным благодаря использованию электролиза в сочетании с энергией ветра.
Говоря об этом, Управление международной торговли заявило о Чили: «Министерство прогнозирует, что Чили сможет производить до 160 мегатонн зеленого водорода в год и стать ведущим недорогим экспортером к 2040 году, когда местный рынок будет стоить примерно 33 млрд долларов США, включая $24 млрд экспорта». [5]
Дефицит воды и его влияние на производство водорода
Однако все эти амбиции могут быть поставлены под угрозу из-за ключевого фактора, который необходимо учитывать в процессе электролиза - воды.
Чтобы получить водород из электролиза, вам нужна вода, поэтому более крупные проекты нуждаются в большем количестве воды, чтобы производить достаточное количество зеленого водорода по конкурентоспособной цене. Это давняя горячая тема , с постоянным потоком вопросов, часто касающихся воздействия зеленого водорода на ограниченные водные ресурсы во всем мире.
Согласно исследованию Rystad Energy [6] , 70% текущих и планируемых водородных проектов в мире приходится на места, расположенные в районах с экстремальным дефицитом воды, что может нанести ущерб их долгосрочному успеху.
В связи с тем, что большинство запланированных проектов приходится на районы с низким уровнем водоснабжения, Rystad предположил, что необходимо будет создать дополнительный рынок опреснения для производства в объеме 620 миллионов кубометров воды, необходимых для этих проектов.
При текущем портфеле проектов, направленных на производство около 30 миллионов тонн водорода в год к 2040 году, потребуется 620 млн. кубометров очищенной воды в год. В сочетании с растущим ростом населения в ближайшие годы, поставки воды могут стать ключевым рынком сбыта и могут радикально повысить цену на зеленый водород.
С учетом ряда проектов, разрабатываемых в районах, испытывающих экстремальный дефицит воды, особенно в районах с высоким потенциалом возобновляемых источников энергии, таких как Чили, Африка и Ближний Восток, возникает вопрос о том, должны ли будущие исследования и разработки быть сосредоточены на производстве больше электролизерных систем или следует сконцентрироваться на максимизации выхода водорода в процессе электролиза?
Несколько компаний переключили свое внимание именно на это. Электролиз по-прежнему является молодой технологией и инновации будут продолжать развиваться , и вполне вероятно, что системы электролиза станут намного более эффективными в 2030 году, чем сегодня.
Такие компании, как DNV, Smoltek и Sunfire, в последние месяцы также стремились создать более эффективные системы электролиза, и это может оказаться ключевым фактором в расширении производства зеленого водорода посредством электролиза.
Но как еще решать эту проблему? Ответом на этот вопрос может быть использование электролиза морской воды. Каспер Типсмарк, главный технический директор Green Hydrogen Systems, рассказал о потенциале этой технологии и о том, где его можно реализовать, на специальном семинаре по электролизерам в этом месяце (февраль).
Типсмарк сказал: «Если мы рассматриваем регионы, где у нас мало воды, то обычно это географические районы, где также довольно тепло. Это означает, что если вы находитесь недалеко от океана, вам возможно придется использовать избыточное тепло от электролиза для опреснения".
«Существует хорошая корреляция между количеством избытка тепла, которое у вас есть, и количеством энергии, необходимой для производства пресной воды».
Очевидно, что проблемы с нехваткой воды можно решить с помощью электролиза морской воды, однако это в огромной степени зависит от эффективности технологии в дополнение к ее потенциалу масштабирования для промышленного использования.
Это подтверждает важный момент в обсуждении развития электролизеров. Возможно следует оптимизировать эффективность систем, а не производить больше?
Достаточно ли быстро мы движемся?
Масштабирование безусловно является задачей для дальнейших вопросов и соображений, но в заключение давайте вернемся к нашему первоначальному вопросу — достаточно ли быстро мы движемся в проектах и мощностях электролизеров?
Каспер Типсмарк считает, что да, но также признает, что по сравнению с тикающими часами изменения климата ничто не будет достаточно быстрым…
«Я думаю, что если через восемь лет мы увидим, что у нас есть установленная мощность электролиза 54 ГВт, я бы сказал что мы проделали действительно хорошую работу в области электролиза», — сказал Типсмарк.
«Нам нужно построить, в первую очередь, инфраструктуру, и нам нужно нарастить спрос. Нам необходимо выстроить цепочки добавленной стоимости. Нам нужно развивать обрабатывающую промышленность. Нам нужно создать цепочку поставок по всей Европе и миру, если уж на то пошло".
«Если нам удастся добиться успеха с 54 ГВт, это будет громадным достижением за восемь лет».
использованная литература
[1] МЭА (2021 г.), База данных водородных проектов, https://www.iea.org/reports/hydrogen-projects-database
[2] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319921016219
[3] http://nora.nerc.ac.uk/id/eprint/526203/1/Pt%20Demand%20and%20Green%20Transition%20V13_FINAL.pdf
[4] МЭА, «Будущее водорода: использование сегодняшних возможностей», отчет, подготовленный МЭА для G20, Япония, 2019 г. – https://www.iea.org/events/the-future-of-hydrogen-seizing . -сегодняшние возможности
[5] https://www.trade.gov/market-intelligence/chile-energy-green-hydrogen#:~:text=The%20Ministry%20projects%20that%20Chile, включая% 20%2424%20billion%20in% 20экспорт .
[6] https://www.rystadenergy.com/newsevents/news/press-releases/green-hydrogen-projects-will-stay-dry-without-a-parallel-desalination-market-to-provide-fresh-