В мире все большее количество электроэнергии вырабатывается с использованием солнца и ветра. За последние десятилетия технологии значительно продвинулись вперёд, и цена на возобновляемую энергию при этом падает.
Однако за пределами энергетического сектора в общем энергопотреблении на возобновляемые источники энергии приходится незначительная доля. В отопительных, транспортных и промышленных процессах преобладают ископаемые виды топлива. Сложившаяся ситуация может измениться через 10 лет.
Экономия за счет снижения себестоимости
К 2030 году производство водородного топлива, вырабатываемого на основе возобновляемых источников энергии, согласно прогнозу компании IHS Markit, может стать экономически конкурентоспособным направлением.
В настоящее время большое внимание уделяется так называемому «зеленому» водороду, который получают электролизом. Метод в последнее время довольно быстро развивается в разных частях мира, переходя от экспериментальных исследований к коммерческой эксплуатации. Электролиз — это физико-химический процесс, который использует электричество для разделения воды на водород и кислород.
Оценка аналитического агентства в значительной степени строится на экономии, которую можно получить за счет снижения себестоимости вырабатываемой энергии, при условии увеличения масштабов возобновляемых источников энергии для повышения коэффициента нагрузки на электролизер — технологическое оборудование, которое используется для получения некоторых видов газов, и в частности водорода. При этом компания также ожидает дальнейшее снижение затрат на возобновляемые источники энергии.
Цветное топливо
Производство водорода, использующего природный газ в качестве исходного сырья, с помощью процесса, известного как риформинг метана, в настоящее время ориентировано на химическую отрасль и переработку нефти, которые сегодня формируют основную часть мирового спроса на Н2.
Имеется значительный потенциал для использования водорода на транспорте, в отоплении, а также в разных отраслях промышленности и производстве электроэнергии. «Зеленый» водород, а также так называемый «синий», скорее всего, будут играть значительную роль в энергетическом будущем по мере расширения спроса на него, полагают эксперты аналитического агентства.
«Синий» и «зеленый» водород хорошо дополняют друг друга. Если они будут развиваться параллельно, то водород станет очень востребован в будущем.
Общая доля водорода в энергетическом балансе будет зависеть от желаемой степени декарбонизации. В Европе, которая в настоящее время является основным рынком для водородных проектов, на его долю может приходиться до трети всего энергетического баланса, в случае если цель декарбонизация составит 95% или выше, полагают эксперты IHS Markit.
В Европе сейчас широко распространено мнение, что электрификация сама по себе не может обеспечить тот уровень сокращения выбросов, к которому стремятся многие страны. Н2 является универсальным топливом как с точки зрения способа его транспортировки, так и с точки зрения разнообразия его потенциальных применений в конечном использовании. Чем больше степень обезуглероживания, тем больше возрастает роль водорода в энергетическом будущем.
Проекты power-to-X
Инвестиции в проекты power-to-X, из которых водород составляет подавляющее большинство, быстро растут. Они представляют собой процессы, превращающие электричество в водород, тепло или синтетическое топливо. Это означает, что всё большая часть энергетической системы может снизить объёмы использования углеводородов. Ожидается, что объем инвестиций в проекты power-to-X вырастет с $30 млн в 2019 году до более чем $700 млн в 2023 году, отмечают эксперты IHS Markit в своём прогнозе.
Снижение стоимости за счет увеличения масштабов производства и конкурентоспособности является основным фактором растущей экономики «зелёного» водорода. По данным компании IHS Markit, которая отслеживает водородные проекты по всему миру, средний размер проектов power-to-X, запланированных на 2023 год, составляет 100 МВт, что в десять раз больше мощности самого крупного проекта, действующего сегодня.
Первый в мире проект HYFLEXPOWER
В июне нынешнего года в Европе стартовал первый в мире проект HYFLEXPOWER по созданию демонстрационной модели power-to-X-to-power с инновационной турбиной, работающей на водороде.
Проект реализуется консорциумом в составе Engie Solutions, Siemens Gas and Power, Centrax, Arttic, Германского центра авиации и космонавтики и четырех европейских университетов при поддержке Европейской комиссии в рамках восьмой программы Европейского Союза по развитию научных исследований и технологий — Horizon 2020.
Реализация проекта проходит на объекте Smurfit Kappa PRF. Эта компания специализируется на производстве бумаги из вторичного сырья и базируется во французском городе Saillat-sur-Vienne. Цель проекта — доказать, что водород можно производить и хранить с помощью возобновляемой энергетики и затем добавлять до 100% водорода к природному газу, который в настоящий момент используется на ТЭС.
В этих целях существующая промышленная газовая турбина SGT-400 производства Siemens будет модернизирована так, чтобы преобразовывать накопленный водород в электрическую и тепловую энергию.
Гибкое решение для хранения энергии
Европейская комиссия поддерживает самые инновационные исследовательские проекты, стимулируя рост в Европе. В этих целях комиссия выдает гранты по результатам конкурсной процедуры, в рамках которой HYFLEXPOWER смог заявить о себе, несмотря на серьезную конкуренцию. В рамках проекта будет доказано, что возобновляемый водород — гибкое решение для хранения энергии, которую можно будет в дальнейшем использовать в качестве топлива для турбины большой мощности промышленного класса.
Хранение возобновляемой энергии является одной из основных проблем перехода на новые способы генерации. В этой связи участники проекта HYFLEXPOWER разрабатывают новые технологии, которые можно будет применять на протяжении всего цикла power-to-X-to-power.
Установленная демонстрационная модель будет использоваться для хранения избыточной электроэнергии из возобновляемых источников в виде «зеленого» водорода. В периоды пикового спроса накопленный водород будет применяться для производства электроэнергии и её дальнейшей подачи в энергосети. Производство электроэнергии на объекте Smurfit Kappa в городе Saillat-sur-Vienne доверено Engie Solutions.
На площадке Engie Solutions эксплуатируется ТЭС мощностью 12 МВ, которая производит пар для нужд компании-производителя. Переоборудование имеющейся инфраструктуры существенно дешевле и быстрее строительства нового объекта. В рамках проекта будет разработана и продемонстрирована концепция современной электростанции, которая позволит модернизировать и усовершенствовать существующую электростанцию завода.
В ходе демонстрационных сессий в установку будет подаваться смесь природного газа и водорода. В итоге планируется перейти на стопроцентное использование водорода. Как следствие, общая цель проекта HYFLEXPOWER — тестирование максимально экологичного источника питания на водородной основе для безуглеродного получения электроэнергии. Это позволит сократить выбросы CO2 до 65 тыс. т в год при использовании турбины SGT-400 в режиме базовой нагрузки.
Справочно
«Зеленый» водород
Вырабатывается из воды путем электролиза, для которого используется электроэнергия исключительно из возобновляемых источников. Вне зависимости от технологии электролиза весь получаемый «зеленый» водород выработан без выделений СО2.
«Серый» водород
Вырабатывается из легких углеводородов (природного газа) при паровом риформинге. В его процессе СО2 не улавливается и выбрасывается в атмосферу, отрицательно влияя на климат и усугубляя парниковый эффект. При производстве 1 т водорода в воздух выбрасывается до 10 т СО2.
«Синий» водород
Вырабатывается из углеводородов, как и «серый» водород, но в процессе риформинга СО2 улавливается и изолируется от атмосферы (англ. Carbon Capture and Storage, CCS). В общем энергобалансе «синий» водород считается климатически нейтральным.
«Бирюзовый» водород
Вырабатывается через пиролиз метана, при котором вместо СО2 выделяется углерод. «Бирюзовый» водород считается климатически нейтральным при соблюдении двух условий: 100% энергии для пиролиза поступают из ВИЭ, а весь выделяемый углерод связывается.
Европейские технологии
В консорциум, сформированный по результатам конкурса заявок, вошли европейские компании и организации. Engie Solutions построит установку для производства и хранения водорода, в том числе станцию для смешивания природного газа и водорода перед подачей в турбину.
Siemens Gas and Power поставит электролизер для производства водорода и разработает газовую турбину, работающую на водороде. Centrax модернизирует пакет решений для применения водорода и установит новую турбину.
Германский центр авиации и космонавтики совместно с University College London, University of Duisburg-Essen и Lund University помогут с проработкой технологий водородных турбин. National Technical University of Athens выполнит экономическую, экологическую и социальную оценку концепции. Arttic окажет поддержку по операционному управлению проектом и коммуникационным мероприятиям.
Общий бюджет проекта составляет около €15,2 миллиона. Из них €10,5 млн будут выделены Евросоюзом в рамках программы Horizon 2020.
Поэтапное развитие
Проект официально стартовал 1 мая 2020 года. Его реализация займет 4 года и будет разбита на несколько этапов. На первом этапе, который длится уже полгода, будет осуществлено техническое проектирование. Следующий этап начнётся уже скоро, в 2021 году. Он включает в себя монтаж установки по производству, хранению и подаче водорода на пилотном демонстрационном объекте.
Третий этап запланирован на 2022 год. За этот период нужно будет установить газовую турбину для смесей природного газа и водорода и провести первоначальную демонстрацию современной концепции пилотной электростанции.
Заключительный этап, который пройдёт в 2023 году, подразумевает пилотную демонстрацию применения до 100% водорода для безуглеродного производства энергии на базе накопленных избыточных возобновляемых источников.
Все эти технологии соответствуют стратегии компаний Siemens, Engie Solutions и Centrax по реализации решений с нулевым выбросом углерода.
«Зеленый» выбор нефтяников
Экономические показатели модели «зеленого» водорода улучшаются. Так, стоимость щелочного электролиза за последние пять лет снизилась на 40%. Согласно докладу Международного совета по водородным технологиям (The Hydrogen Council), в который вошли тридцать крупнейших мировых концернов, стоимость разработок водородных технологий в ближайшие десять лет сократится еще наполовину. Иными словами, к 2030 году водород сможет конкурировать не только с возобновляемыми, но и с ископаемыми энергоносителями.
По мнению экспертов, в первую очередь о производстве «зелёного» водорода стоит задуматься нефтяным компаниям, поскольку эта технология напрямую влияет на развитие их бизнеса. Это осознали в британско-нидерландском концерне Shell, который выбрал путь изменения собственной бизнес-модели и начал инвестировать в возобновляемые источники энергии, синтетическое топливо и электромобили.
Сегодня эти направления, на первый взгляд, полностью противоречат существующей стратегии компании, основанной на добыче нефти, переработке и торговле нефтяными продуктами. Однако в долгосрочной перспективе, с наступлением «зеленой» экономики, они станут для корпорации точками колоссального роста.
