23 апр. 2021

            вспышки света

Как водород может помочь кардинально снизить уровень выбросов

Применение передовых технологий, снижение себестоимости производства, а также эффективные механизмы стимулирования могут способствовать повышению значимости «зеленого» водорода для декарбонизации мировой экономики.

Три ключевых вопроса:
  • Какие причины делают применение водородного топлива обязательным условием развития энергетической отрасли?
  • Кому это больше всего выгодно?
  • Как ускорить переход к водородной энергетике?

После долгих дебатов о перспективности водорода – самого распространенного химического элемента в природе – как экологически чистого энергоносителя он наконец-то начинает получать должное внимание.

На протяжении многих лет доминирующую роль в энергетике играли ископаемые виды топлива – каменный уголь, нефть и природный газ. Сегодня мировое сообщество стремительно движется по пути декарбонизации, при этом экологически чистый водород часто остается на обочине этого процесса в силу высокой себестоимости, вопросов безопасности и технологических трудностей, связанных с его производством. Основное внимание в контексте «зеленого» вектора развития в данный момент сосредоточено на солнечной и геотермальной энергии, а также на энергии ветра. Однако для достижения заявленных целей по декарбонизации необходимо перейти к массовой выработке электроэнергии за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

По мере совершенствования технологий и снижения себестоимости производства «зеленый» водород может стать гораздо более значимой составляющей формирования экологически чистого будущего.

(Chapter breaker)
1

Часть 1

Перспективность водорода

«Зеленый» водород имеет значительный инвестиционный потенциал на каждом этапе цепочки создания стоимости — при условии, что он действительно «зеленый».

Водород уже широко используется в промышленном производстве либо в чистом виде, либо в составе химических соединений (аммиак и пр.). Таким образом, можно говорить о наличии сложившейся цепочки создания стоимости, начиная от производства (в основном путем паровой конверсии или окисления углеводородов), транспортировки (по трубопроводам или автотранспортом) и заканчивая хранением вблизи крупных потребителей (промышленных объектов).

Рисунок 1. Цепочка создания стоимости водорода
            Рисунок 1. Цепочка создания стоимости водорода

Однако запрос на увеличение доли чистой энергии в мировом энергобалансе вкупе с ожидаемым ростом торговли водородом, а также расширением существующих и появлением новых способов его применения приведут к структурной перестройке сектора электроэнергетики, что откроет целый ряд инвестиционных возможностей на всех звеньях цепочки создания стоимости, в том числе по следующим направлениям:

  • Новые технологии производства водорода
  • Новые бизнес-модели и решения в части транспортировки и сбыт
  • Новые сферы применения в качестве экологически чистой энергии.

Если удастся воплотить задуманное, то «зеленый» водород может стать серьезным подспорьем в деле декарбонизации целого ряда отраслей и откроет перед бизнесом множество возможностей по всей цепочке создания стоимости, начиная от приведения в движение транспорта и заканчивая генерацией электроэнергии для промышленного производства.

В зависимости от технологии производства водород бывает «серым», «голубым» и «зеленым», причем лишь последний является экологически чистым

Запасы водорода поистине неисчерпаемы, что делает его универсальным энергоносителем. Одним из многочисленных преимуществ этого газа является то, что его можно получить из различных легкодоступных источников для последующего использования на месте или продажи потребителям. Вступая в реакцию с кислородом, водород выделяет огромное количество энергии, а его сжигание в чистом кислороде не приводит к образованию парниковых газов.

При таком раскладе углеродный след на этапе электрогенерации является нулевым, однако если рассматривать его в совокупности, то следует учитывать, из какого сырья был изготовлен использованный водород. Экологичность водорода главным образом зависит от метода производства и потребленных природных ресурсов.

  • Водород, получаемый из ископаемых топлив, классифицируется как «серый».
  • «Голубым» называется водород, производимый из ископаемых топлив, но с улавливанием парниковых газов при помощи технологий улавливания и хранения углерода (УХУ).
  • И, наконец, водород является «зеленым», если он производится методом электролиза воды, причем энергия, используемая электролизером, поступает из возобновляемого источника, что делает процесс производства полностью экологически чистым.
Рисунок 2. «Серый», «голубой» и «зеленый» водород
            Рисунок 2. «Серый», «голубой» и «зеленый» водород

Практически весь производимый на сегодняшний день водород является «серым» и в основном используется для получения аммиака и удобрений, а также для переработки нефти.

Существуют три бизнес-модели дистрибуции «зеленого» водорода

Получить «зеленый» водород можно несколькими способами, но с практической точки зрения самым перспективным является электролиз. При этом наибольшие возможности связаны с генерацией и дистрибуцией.

В общем случае их можно организовать тремя способами – выбор зависит от того, каким образом конечные потребители намерены использовать «зеленый» водород.

Технология производства Описание Преимущества Недостатки
Производство на месте

Конечный потребитель самостоятельно осуществляет установку и эксплуатацию оборудования для производства «зеленого» водорода по месту его будущего потребления, причем необходимая для этого электроэнергия поступает из возобновляемого источника.

Отсутствие затрат на транспортировку и потребности в соответствующей инфраструктуре.

.

Небольшие масштабы производства, необходимость обеспечения соответствия производственных мощностей требуемым объемам производства.

Производство и дистрибуция на стороне

В рамках данной схемы энергосбытовые компании договариваются с крупными промышленными предприятиями о производстве требуемых объемов «зеленого» водорода, который затем поступает потребителям либо трубопроводным, либо наземным транспортом.

Возможность доставки многочисленным потребителям, более низкая себестоимость производства за счет эффекта масштаба.

Необходима соответствующая инфраструктура.

Децентрализованное производство с дистрибуцией на местах

Данная гибридная модель предусматривает использование сразу нескольких удаленных друг от друга производственных объектов (электролизеров), каждый из которых расположен поблизости от конечного потребителя и подсоединен к местной сети, работающей на энергии из возобновляемых источников. Каждая сеть обеспечивает энергоснабжение в пределах своей территории обслуживания.

Более низкая себестоимость за счет эффекта масштаба, быстрое развертывание водородной сети.

Необходимо согласие всех сторон на увеличение объемов местного потребления.

Рисунок 3. «Зеленый» водород: три модели цепочки поставок
            Рисунок 3. «Зеленый» водород: три модели цепочки поставок
(Chapter breaker)
2

Часть 2

«Зеленый» водород: цена вопроса

Без финансовой поддержки со стороны государства «зеленый» водород сможет конкурировать с «серым» и «голубым» аналогами не ранее чем через 10 лет.

Камнем преткновения на пути перехода от «серого» водорода к «зеленому» и расширения сферы применения последнего является высокая себестоимость производства. На сегодняшний момент «зеленый» водород – недопустимая роскошь по сравнению с его аналогами другого цвета. Сокращению существующего разрыва могут способствовать три фактора.

Фактор Вклад в сокращение разрыва производственных затрат
Снижение затрат на электролизеры Капитальные затраты на технологии необходимо снизить на 60-70%, что вполне укладывается в прогнозы разработчиков: по их мнению, крупные производители смогут добиться существенной экономии за счет эффекта масштаба, а также внедрения принципиально новых решений.
Снижение стоимости выработки электроэнергии на основе ВИЭ Основная доля затрат по производству водорода связана со стоимостью энергии, потребляемой в процессе конверсии, и ее следует уменьшить вдвое.

Это вполне достижимо, учитывая тенденцию к снижению полной приведенной стоимости генерации на основе ВИЭ (солнечная энергия и энергия ветра).
Увеличение затрат на выбросы CO2 По оценкам, в странах, где действует схема торговли квотами на выбросы CO2, затраты на них в ближайшее десятилетие вырастут в полтора раза, соответственно, увеличится ценовая конкурентоспособность «зеленого» водорода относительно его «серого» аналога и природного газа.

Водород имеет самый широкий спектр применения, но сможет конкурировать с «серым» и «голубым» аналогами не ранее чем через 10 лет

Чтобы обозначить все возможные сферы применения водорода в различных отраслях, мы выделили следующие пять направлений с учетом потребностей, которые он призван удовлетворить

  1. Выработка электроэнергии: преобразование избыточной энергии в водород методом электролиза позволяет создавать запас этого газа, который может храниться для дальнейшего использования в качестве источника электроэнергии по мере необходимости. Данное решение представляется весьма эффективным, поскольку водород является надежным источником энергии и может храниться очень долго. В результате дискретный процесс выработки энергии стабилизируется и откладывается во времени, что важно для ВИЭ.
  2. Топливо для транспорта: если говорить о бытовых способах применения водорода, то в первую очередь стоит отметить возможность его использования в качестве топлива для автомобилей и других транспортных средств.
  3. Сырье для промышленности: водород – не только газ, который может использоваться в качестве энергоносителя, но и химический элемент, востребованный в промышленности благодаря своим свойствам. В частности, водород имеет широкое применение в нефтепереработке, а также в металлургии.
  4. Энергоноситель для производства: благодаря тепловой энергии, образуемой при его сжигании, водород может использоваться в качестве альтернативы природному газу. По своим характеристикам эти газы существенно отличаются (в т.ч. по плотности и удельной теплотворной способности), однако затраты на переоснастку или полную замену оборудования в результате окупятся. С экологической точки зрения выгоды очевидны: использование водорода в качестве энергоносителя позволит добиться существенного снижения выбросов парниковых газов.
  5. Газ для отопления: наряду с описанным выше применением на производстве в качестве энергоносителя водород также может использоваться для отопления зданий (жилых комплексов, школ, больниц и пр.).
Рисунок 4. Применение водорода
            Рисунок 4. Применение водорода

Без финансовой поддержки со стороны государства «зеленый» водород сможет конкурировать с «серым» и «голубым» аналогами не ранее чем через 10 лет. Описанные выше пять вариантов применения водорода существенно разнятся между собой по уровню зрелости.

В тех случаях, когда водород уже используется в качестве сырья на производстве, переход на его «зеленый» аналог будет не столь затратным, а ценовой разрыв – не столь ощутимым, соответственно, ожидать такого перехода можно в более близком будущем.

С другой стороны, отказ от природного газа в пользу водорода – дело достаточно отдаленной перспективы. Несмотря на высокую экологичность «зеленого» водорода и огромный потенциальный рынок сбыта, пройдет немало времени, прежде чем он сможет конкурировать с природным газом.

Рисунок 5. Ожидаемые сроки перехода к водородной экономике
            Рисунок 5. Ожидаемые сроки перехода к водородной экономике

Если «зеленый» водород станет экономически эффективен лишь через 10 лет, зачем задумываться о нем сейчас?

Несмотря на высокую себестоимость производства, спрос на «зеленый» водород растет. Согласно исследованию EY-Parthenon, к 2030 году установленные мощности по его производству должны составить почти 140 ГВт, что предполагает астрономические темпы роста, поскольку в 2020 году данный показатель не достигал и 1 ГВт.1

Если говорить о практическом применении водорода, то ожидается, что технологии преобразования электроэнергии в газ с последующей подачей в сеть (power-to-grid) или обратно в электроэнергию (power-to-power) через пять лет получат самое широкое распространение. Водород также представляет собой ценный ресурс и как энергоноситель на производстве (в основном в качестве местного источника энергии), и как топливо для транспорта.

Водородная энергетика вызывает одинаковый интерес в Европе, Китае, Северной Африке и США.

Пока еще преждевременно делать какие-либо конкретные прогнозы на данный момент. Однако рынок водорода стремительно развивается и, по нашим оценкам, будет продолжать развиваться.

Рисунок 6. Установленные мощности в разбивке по сферам применения и регионам (2030 г.) 
            Рисунок 6. Установленные мощности в разбивке по сферам применения и регионам (2030 г.) 

И все же, что стоит за растущим интересом к «зеленому» водороду? Основную роль в этом играют инициативы по декарбонизации, принимаемые как на уровне государства, так и на уровне отдельных компаний, а также шаги в направлении расширения доли транспортных средств, работающих на водородном топливе.

В декабре 2015 года 194 страны подписали Парижское соглашение,2 обязавшись удерживать прирост глобальной температуры на уровне ниже 2 градусов Цельсия и прилагать усилия к ограничению роста температуры 1,5 градусами Цельсия. Соглашение также обязывает всех участников делать все от них зависящее для борьбы с последствиями изменения климата.

Для достижения этих амбициозных целей каждой стране необходимо делать решительные шаги в направлении сокращения выбросов парниковых газов (ПГ). 

  • В 2019 году Европейской комиссией был принят European Green Deal— план мероприятий, предусматривающий снижение к 2030 году выбросов ПГ на 50-55% относительно объемов 1990 года. 
  • Правительство Китая приняло меры, в рамках которых 480 млн т мощностей по производству стали к 2020 году должны обеспечивать «сверхнизкий» уровень выбросов углерода.Кроме того, в стране реализуется программа модернизации электроэнергетической инфраструктуры в целях уменьшения зависимости от угля. 
  • В США лидером по «зеленым» инициативам является Калифорния, где еще в 2006 году был принят закон «О решениях в области глобального потепления» (Global Warming Solutions Act)5 , устанавливающий максимально допустимый уровень выбросов ПГ. Десять лет спустя правительство штата поставило перед собой еще более амбициозную цель: сократить к 2030 году выбросы ПГ на 40% относительно объемов 1990 года.

Еще одна причина для более пристального внимания к «зеленому» водороду по сравнению с десятью годами ранее является то, что первопроходцы в этой области могут получить ощутимое конкурентное преимущество. Первыми это поняли технологические компании, которые решили играть на опережение и вывести на рынок более эффективные и дешевые электролизеры и топливные элементы. Фонды прямых инвестиций, располагающие значительными свободными средствами, также делают ставку на «зеленый» водород, о чем свидетельствует рост количества сделок слияния и поглощения в данном сегменте.

Фонды прямых инвестиций, располагающие значительными свободными средствами, также делают ставку на «зеленый» водород, о чем свидетельствует рост количества сделок слияния и поглощения в данном сегменте.

Некоторые игроки уже начинают возводить «зеленый» водород в ранг своих стратегических приоритетов. Руководителям компаний, которые хотят заняться производством «зеленого» водорода, стоит задуматься над следующим:

  • Как мы будем преподносить свой «зеленый» товар на рынке?
  • Есть ли у нас готовое решение или мы должны внедрять нечто новое?
  • Имеются ли на рынке перспективные возможности, для реализации которых необходимо обращаться за поддержкой или создавать инфраструктуру? Какие новые идеи и бизнес-модели стоит изучить?
(Chapter breaker)
3

Часть 3

Пять факторов, которые могут ускорить переход к «зеленому» водороду

Снижение затрат, развитая инфраструктура, правовое регулирование и механизмы стимулирования, а также привлечение операторов могут способствовать более ускоренному внедрению.

Пять факторов, которые могут ускорить переход к «зеленому» водороду

Компаниям, делающим ставку на «зеленый» водород, следует принять во внимание пять факторов, которые могут способствовать его ускоренному внедрению.

1. Ожидаемое снижение затрат
  • Как упоминалось ранее, «зеленый» водород сможет сравняться по себестоимости со своим «серым» аналогом не ранее чем через 10 лет.
  • Однако благодаря новым технологиям и эффекту масштаба этот момент может наступить и раньше.
2. Инфраструктура
  • Высокая себестоимость производства «зеленого» водорода также обусловлена сложностями его доставки от крупных производственных объектов до множества потребителей.
  • В странах с развитой системой газопроводов существует возможность закачки водорода в газовые сети, увеличивая таким образом объемы потребления. Это может способствовать росту спроса на водород и, соответственно, объемов его производства. Однако реализовать данное решение весьма непросто.
  • В качестве альтернативы на первых порах можно объединить потребителей в один кластер и напрямую подключить их к одному или нескольким производителям.
3. Правовое регулирование и механизмы стимулирования
  • Зачастую одним из наиболее эффективных способов ускорения перехода к «зеленой» энергетике является грамотное правовое регулирование и наличие соответствующих механизмов стимулирования. Такая стратегия себя оправдала при продвижении солнечной и ветроэнергетики: принятые меры стимулирования способствовали развертыванию генерирующих мощностей, что обеспечило рост спроса и снижение затрат и позволило уже через 20 лет продавать полученную энергию в сеть. В случае с «зеленым» водородом подобный подход также может оказаться весьма эффективен.
  • Япония стала первой страной в мире, которая сделала водородный сектор приоритетным направлением своей государственной политики, приняв в 2017 году программный документ под названием Basic Hydrogen Strategy (англ.).
  • В ноябре 2019 года ее примеру последовала Австралия, а в июле 2020 года в ЕС была выпущена трехэтапная стратегия развития водородной энергетики в рамках European Green Deal.
  • В июле 2020 года Министерством энергетики США (Office of Fossil Fuels) была принята стратегия, нацеленная на выработку и внедрение технологий производства водорода, а также проведение соответствующих исследований.
  • Для успешного претворения в жизнь национальных стратегий их целесообразно сочетать с мерами стимулирования, включая предоставление субсидий.
4. Привлечение операторов
  • Операторы начинают уделять «зеленому» водороду все более пристальное внимание на всех звеньях производственно-сбытовой цепи.
  • Первыми «адептами» становятся крупные энергетические компании, которые понимают всю перспективность данного энергоносителя как в плане увеличения объемов выработки электроэнергии, так и в плане наращивания мощностей по ее хранению и распределению между потребителями.
5. Развеивание мифов об опасности водорода
  • Одним из главных препятствий на пути внедрения «зеленого» водорода является заблуждение о том, что он опасен. Согласно анонимному опросу в социальных сетях, результаты которого были опубликованы в статье, размещенной на сайте Всемирного экономического форума (англ.), 49,5% респондентов считают, что водород «в целом безопасен», а 31,4% – что «в целом опасен».
  • После ряда громких происшествий, включая катастрофы дирижабля «Гинденбург» и шаттла «Челленджер», в обществе сложилось мнение о том, что водород крайне взрывоопасен и при столкновении транспортных средств, одно из которых работает на водороде, может произойти сильный взрыв.
  • Информационная кампания, развенчивающая мифы об опасности этого газа и делающая акцент на важной роли «зеленого» водорода в деле декарбонизации экономики, может подвигнуть потребителей к его скорейшему принятию.

Время действовать!

После десятилетий пребывания в относительной безвестности он может вскоре занять центральное место в деле декарбонизации мировой экономики благодаря развитию технологий и снижению стоимости ВИЭ.

  • В особенно выгодном положении окажутся компании, уже использующие в своей деятельности «серый» водород: у них есть все шансы стать первопроходцами на ниве его «зеленого» собрата.
  • Сегодня такие компании разрабатывают соответствующие стратегии и проводят апробацию новых бизнес-моделей.
  • И даже организации, не имеющие водородной повестки, но стремящиеся сократить свой углеродный след, теперь по-новому оценивают перспективы «зеленого» водорода.

Чем плотнее заниматься темой водорода, тем скорее он станет экономически привлекательным и конкурентоспособным и тем быстрее будет расти на него спрос. Чтобы успеть возвести здание, нужно закладывать фундамент уже сейчас.

Краткое содержание

Обширные запасы водорода делают его привлекательным вариантом на фоне возросшего спроса на возобновляемые источники энергии, которые позволят достичь заявленные цели по декарбонизации. По мере совершенствования технологий и снижения себестоимости производства «зеленый» водород может стать гораздо более значимой составляющей формирования экологически чистого будущего.

Об этой статье

Автор EY Global

Оказание профессиональных услуг