Два главных препятствия водородной революции

Водород будет играть незаменимую роль в будущей безуглеродной энергетической системе, по мнению почти всех, кто занимается этим вопросом. Но сценарии, показывающие его долю в конечной выработке энергии к 2050 году, значительно различаются. Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) говорит о 12%, Брюссельский водородный совет о 18%, в то время как объявленная цель ЕС 24% (чем хуже с компетенциями, тем радужнее планы - Mike1975). 

Каков бы ни планировался конечный результат, наблюдатели за промышленностью теперь в значительной степени согласны с тем, что есть две области, где расходы должны снизиться для продвижения водорода, как безуглеродного топлива. Стоимость возобновляемых источников энергии, которая уже стала объектом заметного сокращения в последнее десятилетие, должна продолжать снижаться. И стоимость электролиза воды для производства водорода, включая базовое оборудование для получения "зелёного" водорода - электролизер, должна следовать по аналогичному пути вниз.

Многие видят, что и то, и другое вот-вот произойдет. На самом деле они неразрывно связаны, причем операционные расходы и капитальные затраты входят в общую стоимость эксплуатации электролизера. Ожидается, что снижение цен на возобновляемые источники энергии продолжится с ускоренным внедрением возобновляемых источников энергии в сети. Но капитальные затраты также должны снизиться, поскольку электролизное оборудование будет производиться быстрее и дешевле.

В то время как цена солнечной фотоэлектрической энергии упала примерно на 90% за последние 10 лет, она должна упасть ещё больше, и правительства, похоже, полны решимости помочь. Например, в марте Министерство энергетики США (DOE) объявило о своей цели, чтобы стоимость коммунальной солнечной энергии упала более чем вдвое за 10 лет, с нынешних 4,6 цента за киловатт-час (кВтч) до 3 центов/кВтч к 2025 году и 2 центов/кВтч к 2030 году. DOE объявила о множестве научно-исследовательских проектов и стартового капитала для улучшения фотоэлектрики (перовскиты, тонкие пленки) и концентрированной солнечной энергии (CSP) для достижения более высокой эффективности и снижения затрат.

Стоимость технологии электролиза также снижается, с улучшением конструкции для повышения эффективности. Улучшенные щелочные блоки развёртываются даже тогда, когда покупатели всё чаще обращаются к электролизерам с протонно-обменной мембраной (PEM) с более высокой эффективностью. В то же время технология продвигается вперёд в отношении твердооксидных электролизеров (SOEC), которые обещают достичь очень высокой эффективности за счёт высокой теплоотдачи, от промышленных источников тепла и, возможно, от ядерных реакторов.

Теперь вопрос заключается в том, может ли электролиз воды для производства водорода следовать такой же нисходящей кривой затрат, которой солнечная фотоэлектрическая энергия следовала в течение последних десяти лет. Будет крайне важно продолжать снижать стоимость, поскольку электролитический водород должен будет конкурировать с "голубым водородом", получаемым из природного газа, который сейчас дешевле. Успех приведет к ожидаемому широкому распространению того, что сторонники называют "Святым Граалем" водорода, который представляет собой электролитический водород, производимый с использованием возобновляемой электроэнергии, то есть "зелёный" водород.

Масштабирование

Общее убеждение сегодня состоит в том, что безуглеродный водород получит своё начало в промышленных применениях, в крупных промышленных кластерах, сначала в форме голубого, затем с заменой на зелёный. Для зеленого цвета электролизеры имеют решающее значение, и они по-прежнему производятся в небольших масштабах с большим мастерством, даже крупными производителями. Тем не менее, мировые производители планируют масштабировать производство, чтобы снизить стоимость установок.

Это стало очевидным в ходе панельных дискуссий на недавней конференции Middle East Energy Online 2021, организованной компанией Informa Markets, в ходе которых крупнейшие игроки отрасли поделились своими планами по производству.

Одним из главных игроков является немецкий промышленный гигант Thyssenkrupp, который как производитель стали, так и производитель водорода рассматривает водородный вопрос как с точки зрения производителя, так и с точки зрения пользователя.

Стандартная установка электролиза щелочной воды компании представляет собой модуль мощностью 20 МВт, который производит примерно 4000 кубометров водорода в час. Этот модуль является текущим строительным блоком компании для производства водорода, так что для установки мощностью 100 МВт требуется комбинация из 5 блоков. Это можно продолжать расширять и далее. Например, для достижения 2,2 ГВт мощности электролиза для гигантского проекта в компании NEOM потребуется собрать 110 блоков.

“Мы снизили стоимость и увеличили размер нашего базового модуля до 20 МВт”, - сказал Малкольм Кук, вице-президент по развитию бизнеса Thyssenkrupp. “Теперь мы фокусируемся на переходе от нашей текущей производственной цепочки мощностью 1 ГВт к годовому производству мощностью 5 ГВт”, - сказал он.

Масштабирование производства электролизеров компанией осуществляется не по строгому графику и будет происходить по мере поступления заказов. Но Кук говорит, что компания готова вложить деньги в наращивание производства.

Еще одним крупным игроком в этой области является американский производитель двигателей Cummins Inc., который значительно расширил свои возможности по производству водорода два года назад, когда он приобрел канадскую корпорацию Hydrogenics (при этом французская Air Liquide сохранила часть собственности). Это приобретение дало компании Cummins новые знания как в области водородных топливных элементов, так и в области электролиза, что позволило лучше позиционировать её для работы, связанной с энергетическим переходом. С тех пор компания Cummins участвовала во множестве небольших проектов по производству зелёного водорода.

“С точки зрения размера проекта, в то время как 10 МВт были целью пару лет назад, у нас уже есть электролизер PEM мощностью 20 МВт, работающий сегодня в Канаде”, - сказал Денис Томас, глобальный лидер по развитию бизнеса Электролизеров в Cummins. “Следующим логическим шагом будут проекты в диапазоне 100-500 МВт, которые станут ступеньками к очень крупным проектам в диапазоне гигаватт”, - добавил он.

“Главный вопрос-это сроки, потому что мы наращиваем производственные мощности, но нет смысла вводить все мощности, потому что многие (водородные) проекты находятся только в стадии разработки”, - сказал Томас. “Сегодня мы прекрасно справляемся с проектами мощностью до 500 МВт.”

Томас объяснил, что на данный момент клиентам, скорее всего, не потребуется 1 ГВт мощности электролиза в одном блоке. Скорее, они будут разрабатывать большинство проектов поэтапно с первой фазой, требующей мощности 100-200 МВт. Тем не менее, очевидно, что амбиции Cummins предусматривают выход на уровень ГВт производственных мощностей, возможно, около 2025 года, подтвердил он.

Другие крупные игроки, стремящиеся подняться до гигаваттного масштаба производства, включают британскую компанию ITM Power, которая находится на ранней стадии планирования строительства нового крупного электролизного завода. Другая - норвежская компания Nel ASA, расширяющая в этом году производство электролизеров до 500 МВт, причем планируется дальнейшее расширение. Недавно Nel объявила о своей цели производить зелёный водород по цене 1,50 доллара за килограмм к 2025 году, что сделает его стоимость сравнимой с обычным "ископаемым" водородом. Тем временем датская компания Haldor Topsoe и испанское совместное предприятие Iberlyzer также расширяют производственные мощности в течение следующих двух лет.

Ни одна из этих компаний не готова в ближайшее время превысить годовой объем производства в 1 ГВт.

Следуя по пути фотовольтаики ?

Зелёный водород производится сегодня в ничтожных количествах. Его стоимость по меньшей мере в два раза превышает стоимость ископаемого водорода. Для него, по сути, нет рынка. Так что это всё ещё очень ранние дни старта для отрасли.

Сегодня в Соединенных Штатах ежегодно производится около 10 миллионов тонн водорода, в то время как во всем мире производится около 120 миллионов тонн водорода (Китай является крупнейшей страной-производителем). Почти всё это производится с помощью процессов, вызывающих высокие выбросы углекислого газа.

Было подсчитано, что для достижения нынешнего уровня производства водорода в США с использованием возобновляемых источников энергии потребуется 115 ГВт морской ветроэнергетики. Трудность этого становится очевидной, если учесть, что США теперь официально стремятся иметь лишь 30 ГВт морской ветроэнергетики к 2030 году.

IRENA в своей дорожной карте энергетического перехода до 2050 года оценивает, что мировое производство зелёного водорода должно достичь примерно 400 миллионов тонн, что потребует общей установленной мощности электролизеров в 5 Тераватт (ТВт) к 2050 году. Сегодня общая установленная мощность электролизеров во всем мире составляет примерно 8 ГВт.

Эти цифры показывают, что рост производства, который должен произойти для достижения целей производства зелёного водорода, поставленных правительствами и международными агентствами, ошеломляет. Это потребует устойчивой общественной инициативы по установлению целевых показателей и снижению затрат на зелёный водород по всей цепочке создания стоимости, в том числе в критической области электролиза.

Корнелиус Маттес, главный исполнительный директор Dii Desert Energy, некоммерческой консалтинговой компании, базирующейся в Дубае, видит причины для оптимизма.

“С появлением новых технологий на стороне электролиза будет много инноваций”, - сказал он на недавней конференции Middle East Energy Online 2021. “Для электролизеров это переход от ручной сборки к в значительной степени автоматизированному производству в сочетании со значительными достижениями в области НИОКР.”

Мэттес насчитал 19 водородных проектов по всему миру, для которых потребуется мощность электролизеров почти 140 ГВт. Этот проект трубопровода, по его мнению, начнет стимулировать более высокие уровни производства электролизеров, что приведет к снижению затрат.

“Я не сомневаюсь, что это произойдет, и через десять лет, когда мы оглянемся назад, мы, вероятно, увидим успешную историю, подобную той, что мы видели с возобновляемыми источниками энергии 10 лет назад.”

Но это не произойдет само без посторонней помощи, поскольку многие водородные проекты, на которые он указывает, в той или иной степени субсидируются.

“Мы должны с регуляторной точки зрения применять то, что возможно, чтобы ускорить это развитие, создать стандарты, создать все предпосылки для рынка”, - сказал Маттес.

Алан Маммозер