В отличие от традиционных источников энергии, зеленый водород открывает путь к хранению и передаче энергии без вредных выбросов, что делает его незаменимым элементом для достижения устойчивого будущего с нулевыми выбросами. Преобразуя электроэнергию из возобновляемых источников в зеленый водород, эти системы накопления энергии с низкой интенсивностью углерода могут высвобождать чистую, эффективную мощность по требованию через двигатели внутреннего сгорания или топливные элементы. При производстве без выбросов водород способен декарбонизировать наиболее сложные промышленные сектора, такие как производство стали и цемента, промышленные процессы и морской транспорт.
«Зеленый водород — это ключевой драйвер для продвижения декарбонизации», — говорит доктор Кристоф Ноэрес, руководитель направления «Зеленый водород» в компании thyssenkrupp nucera, специализирующейся на глобальной электролизной технике. Эта многообещающая технология с низкой интенсивностью углерода способна трансформировать целые отрасли, предоставляя чистый, возобновляемый источник топлива и приближая нас к более экологичному миру, соответствующему отраслевым климатическим целям.
Ускорение производства зеленого водорода
Водород — самый распространенный элемент во Вселенной, и его доступность является ключом к его привлекательности как чистого источника энергии. Однако водород не встречается в природе в чистом виде; он всегда связан с другими элементами в соединениях, таких как вода (H2O). Чистый водород извлекается и выделяется из воды в энергоемком процессе, называемом традиционным электролизом.
В настоящее время водород чаще всего производится методом паровой конверсии метана, при котором для получения водорода из природного газа используется пар, нагретый до высокой температуры. Выбросы, возникающие в результате этого процесса, влияют на общий углеродный след водорода: в настоящее время мировое производство водорода ответственно за такие же выбросы CO2, как Великобритания и Индонезия вместе взятые.
Решение заключается в зеленом водороде — водороде, производимом с использованием электролиза, работающего на возобновляемых источниках. Это раскрывает преимущества водорода без грязного топлива. К сожалению, очень малая часть водорода в настоящее время производится за счет возобновляемых источников: по данным Global Hydrogen Review-2023, в 2022 году менее 1% приходилось на неископаемые источники.
Масштабное наращивание уже началось. По данным McKinsey, для удовлетворения спроса на зеленый водород к 2030 году потребуется мощность электролизеров в объеме от 130 до 345 гигаватт (ГВт), причем 246 ГВт этой мощности уже объявлено. Это резко контрастирует с текущей установленной базой всего в 1,1 ГВт. Примечательно, что для того, чтобы зеленый водород составлял не менее 14% общего потребления энергии к 2050 году — цель, которая, по оценкам Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), необходима для достижения климатических целей, — потребуется 5 500 ГВт совокупной установленной мощности электролизеров, как указано в их материалах.
Однако для увеличения производства зеленого водорода до таких уровней необходимо преодолеть ограничения по стоимости и инфраструктуре. Достижение ценовой конкурентоспособности требует совершенствования и стандартизации технологий, использования эффекта масштаба крупных проектов и стимулирования действий правительств по созданию рыночных стимулов. Более того, расширение использования возобновляемых источников энергии в регионах с значительным потенциалом солнечной, гидро- или ветровой энергии является еще одним решающим фактором для снижения цен на возобновляемую электроэнергию и, следовательно, стоимости зеленого водорода.
Инновации в электролизе
Хотя технологии электролиза существуют десятилетиями, их масштабирование для удовлетворения спроса на чистую энергию будет иметь решающее значение. Щелочной электролиз воды (AWE), наиболее доминирующий и разработанный метод электролиза, готов к этому переходу. Он используется на протяжении десятилетий, демонстрируя эффективность и надежность в химической промышленности. Кроме того, он более экономичен, чем другие технологии электролиза, и подходит для прямого использования с переменным вводом возобновляемой энергии. Особенно для крупномасштабных применений AWE демонстрирует значительные преимущества с точки зрения инвестиционных и эксплуатационных затрат. «Перенос мелкосерийного производства и его оптимизация для массового производства потребует высокого уровня инвестиций по всей отрасли», — отмечает Ноэрес.
Отрасли, которые уже применяют электролиз, а также те, которые уже используют водород, например, производство удобрений, хорошо подготовлены к переходу на зеленый водород. Например, thyssenkrupp nucera извлекает выгоду из многолетнего опыта использования электролизных технологий в хлор-щелочном процессе, который производит хлор и каустическую соду для химической промышленности. По словам Ноэреса, «компания имеет возможность быстро наращивать производство, используя существующую цепочку поставок, что не могут себе позволить все поставщики».
Наряду с масштабированием существующих решений, thyssenkrupp nucera разрабатывает дополнительные методы и технологии. Среди них — твердооксидные электролизеры (SOEC), которые проводят электролиз при очень высоких температурах. Хотя необходимость высоких температур означает, что эта технология подходит не всем клиентам, в отраслях, где отходящее тепло легко доступно — например, в химической промышленности, — Ноэрес утверждает, что SOEC предлагает до 20% повышенной эффективности и снижает производственные затраты.
Thyssenkrupp nucera заключила стратегическое партнерство с известным немецким научно-исследовательским институтом Fraunhofer IKTS для внедрения этой технологии в промышленном производстве. Компания рассматривает SOEC как дополнение к AWE в тех областях, где это экономически выгодно для снижения общего энергопотребления. «Сочетание AWE и SOEC в портфеле thyssenkrupp nucera предлагает уникальный ассортимент продукции для отрасли», — говорит Ноэрес.
В то время как достижения в области электролизных технологий и диверсификация их применения в различных масштабах и отраслях многообещающи для производства зеленого водорода, скоординированный глобальный переход возобновляемых источников энергии и чистых энергосетей также имеет решающее значение. Хотя электролизеры AWE готовы к развертыванию в крупномасштабных централизованных установках по производству зеленого водорода, они должны быть интегрированы с возобновляемыми источниками энергии, чтобы по-настоящему раскрыть свой потенциал.
Формирование рынка зеленого водорода
Хранение и транспортировка остаются препятствиями на пути к более крупному рынку зеленого водорода. Хотя водород можно сжимать и хранить, его низкая плотность создает практическую проблему. Объемы водорода почти в четыре раза превышают объемы природного газа, а хранение требует либо сверхвысокого сжатия, либо дорогостоящего охлаждения. Преодоление экономических и технических барьеров крупномасштабного хранения и транспортировки водорода будет иметь решающее значение для его потенциала в качестве экспортируемого энергоносителя, о чем говорится в анализе BNEF.
В 2024 году в США запущен ряд громких проектов по зеленому водороду, стимулирующих рост инфраструктуры и технологий. Принятый в США Закон о снижении инфляции (IRA) предоставляет налоговые кредиты и государственные стимулы для производства чистого водорода и возобновляемой электроэнергии, используемой для его производства. В октябре 2023 года администрация Байдена объявила о выделении 7,5 миллиарда долларов на создание первых в стране центров чистого водорода, а Министерство энергетики США выделило еще 750 миллионов долларов на 52 проекта в 24 штатах для резкого снижения стоимости чистого водорода и утверждения американского лидерства в этой отрасли. Потенциальное экономическое влияние закона IRA существенно: thyssenkrupp nucera ожидает, что IRA удвоит или утроит размер американского рынка зеленого водорода.
«Закон IRA послужил сигналом тревоги для Европы, установив эталон для всех остальных стран в вопросе поддержки отрасли зеленого водорода на этом начальном этапе», — считает Ноэрес. Немецкая схема H2Global стала одной из первых европейских инициатив по содействию импорту водорода с помощью субсидий, за которой последовал Европейский водородный банк, выделивший 720 миллионов евро на проекты зеленого водорода в рамках своего пилотного аукциона. «Однако, чтобы продвинуть отрасль зеленого водорода вперед, необходимы дополнительные инвестиции», — добавляет Ноэрес.
На нынешнем рынке зеленого водорода Китай установил больше мощностей возобновляемой энергетики, чем любая другая страна. Благодаря более низким капитальным затратам Китай производит 40% мировых электролизеров. Кроме того, государственные компании обязались построить обширную сеть трубопроводов для транспортировки зеленого водорода протяженностью 6 000 километров к 2050 году.
Скоординированные инвестиции и поддерживающая политика имеют решающее значение для обеспечения привлекательных стимулов, которые могут превратить зеленый водород из нишевой технологии в масштабируемое глобальное решение. Рынок зеленого водорода в Китае, наряду с другими регионами, такими как Ближний Восток и Северная Африка, значительно продвинулся вперед, привлекая мировое внимание своим конкурентным преимуществом за счет крупномасштабных проектов. Чтобы эффективно конкурировать, ЕС должен создать равные условия для европейских технологий за счет привлекательных инвестиционных стимулов, способных обеспечить переход водорода от нишевого к глобальному решению. Поддерживающие меры также должны быть направлены на то, чтобы зеленые продукты, изготовленные с использованием водорода, такие как сталь, были достаточно стимулированы и защищены от утечки углерода.
Комплексная стратегия, сочетающая инвестиционные стимулы, открытые рынки и защиту от искажений рынка и утечки углерода, имеет решающее значение для того, чтобы ЕС и другие страны сохранили конкурентоспособность на быстро развивающемся мировом рынке зеленого водорода и достигли будущего, свободного от выбросов углерода. «Чтобы продвигать вперед проекты нескольких гигаватт или многосотен мегаватт, нам нужен значительно больший объем в мире и сопоставимые возможности финансирования для реального влияния на глобальные цепочки поставок», — заключает Ноэрес.
Этот материал подготовлен Insights, подразделением по заказному контенту MIT Technology Review. Он не был написан редакционным персоналом MIT Technology Review.
