Наступит ли эра водородных энергетических систем?
Водород всё чаще признается в качестве универсального энергоносителя с широким спектром применений, в том числе в качестве сырья в химической и перерабатывающей промышленности. Его способность вырабатываться из возобновляемых источников электроэнергии и ископаемого топлива с низким содержанием углерода делает его ключевым компонентом при переходе к экологически чистой, низкоуглеродной энергетической системе. Интеграция технологий использования водорода и топливных элементов имеет жизненно важное значение для достижения нулевого уровня выбросов вредных веществ в атмосферу нашей планеты и включения возобновляемых источников в системы электроснабжения. Однако быстрое внедрение водородных систем хранения энергии сталкивается с проблемами из-за высокой стоимости. Однако новейшие технологии стремятся поддерживать возможность производства водорода из возобновляемых источников энергии. Это должно обеспечить экономическую конкурентоспособность в таких нишевых областях применения, как преобразование энергии в газ (P2G), включая электролизеры, трубопроводы и водородные компрессоры, с ожиданиями более широкой экономической эффективности в будущем.
Несмотря на многообещающие перспективы, современный технико-экономический ландшафт водородных технологий по-прежнему не позволяет добиться конкурентных преимуществ в различных секторах. Некоторые страны вводят существенные налоговые льготы для стимулирования производства чистого водорода. Наибольшим стимулом является производство с малым содержанием углекислоты в его составе. Ожидается, что такие программы значительно ускорят коммерциализацию водородных технологий и снизят их стоимость, тем самым повысив их конкурентоспособность на рынке.
Более того, технология P2G, объединяющая водород и энергетические системы, получает все большее признание благодаря своему потенциалу накопления энергии. Эти технологии, особенно в сочетании с производством биометана, может справиться со значительным количеством необходимой для жизнедеятельности выработкой электроэнергии. А также снизить затраты на производство синтетического природного газа, за счёт сбалансированных компонентов и улучшенных способов хранения/транспортировки водорода.
Экономия за счёт масштаба массового производства и снижения капитальных затрат при производстве синтетического природного газа имеет важное значение для технико-экономической целесообразности водородных технологий на внутренних рынках многих государств. Однако таким секторам, как строительство и отопление, уделяется меньше внимания во всём мире, что указывает на неиспользованный потенциал. Это несоответствие подчёркивает различные стадии развития рынка и временную неготовность к внедрению водородных технологий в различных областях применения.
Экономическая эффективность использования водорода в различных секторах и регионах различается в зависимости от таких факторов, как региональная энергетическая политика, технологическая зрелость и готовность рынка. Например, преобладание химического и промышленного применения в Европе и Азии указывает на готовность к переходу, с потенциально более низкими затратами, в то время как минимальное внимание к строительству и отоплению свидетельствует о зарождающемся рынке с более высокими затратами и потребностями в развитии технологий. Политики должны проанализировать эти экономические аспекты, чтобы сформулировать стратегии, обеспечивающие баланс между развитием рынка и технологическим прогрессом. Это включает в себя стимулы для секторов, отстающих в освоении использования водорода, финансирование исследований в области новых технологий и политику, соответствующую экономическим реалиям производства, распределения и использования этого энергоносителя. Такой подход обеспечит всестороннее и экономически устойчивое развитие водородных энергетических систем, отвечающее как текущим тенденциям рынка, так и будущему потенциалу роста.
Рост инвестиций в экологически чистую водородную экономику обусловлен перспективами использования экологически чистого элемента, получаемого методом электролиза с использованием возобновляемых источников энергии или энергии с низким содержанием углерода, в качестве устойчивого источника топлива. Существуют три основные технологии электролиза: щелочной, протонообменная мембрана - полимерная полупроницаемая мембрана, которая может проводить или переносить катионы (протоны), в то же время разделяя реагенты и твердооксидные электролизные ячейки. Каждый из этих трёх методов обладает уникальными характеристиками и перспективами развития.
Водород имеет потенциальное применение в нескольких отраслях промышленности, таких как энергетика, биоочистка, транспорт, аэрокосмическая промышленность, фармацевтика, металлургия и т.п. Расширение использования этого энергоносителя в данных отраслях может стимулировать использование его в системах экологически чистой и возобновляемой энергетики. Кроме того, рост использования возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая, открывает путь для устойчивого производства водорода.
Тем не менее, переходу к конкурентоспособной чистой водородной экономике препятствуют такие проблемы, как необходимость повышения производительности, расширения масштабов производства, технического развития и политической поддержки для полной реализации потенциала. Водородное топливо может быть использовано для приведения в движение электромобилей на топливных элементах (EV), и у него есть потенциал для энергоснабжения отраслей, которым требуется энергоёмкое топливо (гражданская авиация, дальние грузовые автомобильные перевозки и судоходство). Водородное топливо также может использоваться для получения высоких температур в таких отраслях тяжёлой промышленности, как цементное, сталелитейное и химическое производство, тем самым способствуя минимизации выбросов углерода в природу из промышленного сектора. В автомобильном транспорте водород может использоваться двумя основными способами: с помощью топливных элементов и двигателей внутреннего сгорания. Электромобили на топливных элементах особенно примечательны своей высокой эффективностью, намного превосходящей эффективность двигателей внутреннего сгорания. Они не выделяют вредных веществ, что делает их экологически чистой альтернативой дизельным или бензиновым двигателям.
Сочетание электролизеров следующего поколения с технологиями использования возобновляемых источников энергии, может привести к экономичному производству чистого топлива. Для полной реализации потенциала низкоуглеродной и экологически чистой экономики необходима хорошо продуманная система стимулирования. Несмотря на то, что в настоящее время политика и инвестиции в экологичную энергетику активно развиваются, для достижения заявленных правительством целей, всё равно существует дефицит инвестиций.
Самый высокий инвестиционный разрыв наблюдается в Китае, в то время как в России, Японии и Корее он самый низкий. Перепрофилирование существующей газовой инфраструктуры и строительство новых специализированных систем транспортировки и хранения, также может способствовать дальнейшему развитию новой водородной инфраструктуры для продвижения на глобальный рынок топлива для частного транспорта. Но пока и здесь наблюдаются проблемы с масштабность установки станций зарядки и замены готовых элементов хранения с топливом. Эти сети могут быть согласованы с возобновляемыми источниками энергии для устранения перебоев в работе и содействия внедрению транспортных средств, работающих на водороде. Кроме того, крупномасштабные хранилища водорода обеспечивают большую временную гибкость по сравнению с небольшими хранилищами на месте, которые обеспечивают лишь кратковременную буферизацию на заправочных станциях.
Гибридные аккумуляторно-водородные системы хранения стали конкурентоспособными по стоимости решениями для крупномасштабного долгосрочного хранения данных в дата-центрах с использованием возобновляемых источников энергии. Несмотря на наличие технико-экономических барьеров и проблем, исследования также выявили положительные аспекты водородных систем на энергетическом рынке. Водородные системы вносят ценный вклад в развитие электроэнергетического сектора, особенно в предоставлении вспомогательных услуг и повышении гибкости и пропускной способности сетей.
В будущем прогнозируется значительный рост спроса на использование этого газа, который объясняется расширением сферы применения, выходящей за рамки традиционной нефтепереработки, а также заметным увеличением производства аммиака, автомобильного транспорта и выплавки стали.
Трансформация энергетических систем и других ресурсоёмких секторов в решающей степени зависит от перехода на экологически чистую водородную энергетику. Первоначально преобладающая форма производства водорода, «серая схема», предполагает использование ископаемого топлива, что приводит к значительным выбросам парниковых газов в процессе производства, путём паровой конверсии метана или газификации угля. Эти способы наносят особый ущерб усилиям по охране окружающей среды. Наиболее перспективным достижением в области водородной энергетики является разработка «зелёного» способа, который производится с использованием электроэнергии из возобновляемых источников. Экологически чистый водород необходим для производства топлива power-to-X (P2X), такого, как сам водород, аммиак, метан или метанол, и является основным фактором создания стоимости для этих видов. Однако остаются глобальные проблемы, такие, как потенциальное увеличение выбросов от электролизеров, что, само по себе, противоречит некоторым определениям экологически чистого элемента.