Зелений водень та синтетичний метан у перспективі стануть паливом для маневреної генерації на основі газопоршневих станцій
За матеріалами BNEF
Випалений ландшафт Саудівської Аравії з його безплідними скелями і нескінченними пустелями може стати ідеальним місцем для отримання зеленого водню завдяки щедрим ресурсам сонця і вітру. Десь тут, поблизу Червоного моря на північному заході країни набуває обрисів бачення майбутнього – де міста будуються в гармонії з природою, а екологічно чисті молекули виробляються в масштабах світового експорту.
Лабораторія Neom працює над виробництвом газоподібного водню на основі відновлюваної електроенергії, розділяючи атоми водню та кисню в опрісненій морській воді. Потім газ із нульовими викидами поєднуватиметься з азотом для отримання рідкого аміаку на експорт, – розповідає Сейфі Гасемі, виконавчий директор промислової газової компанії Air Products, партнер проекту Neom. «Для великого виробництва зеленого водню у Європі недостатньо сонця, яке б світило постійно. Натомість водень імпортуватимуть з Близького Сходу, як досі нафту», – каже він BNEF.
Він пояснив, що транспортування водню у вигляді аміаку коштує значно менше, ніж чистий водень. У пункті призначення високотемпературні каталізатори будуть розщеплювати аміак на азотні і водневі компоненти. Потім стиснений водень можна буде використовувати в якості пального з нульовими викидами для вантажних автомобілів та автобусів.
Потужність електролізера Thyssenkrupp AG у Neom дасть змогу виробляти 650 метричних тонн водню на день – «цього достатньо для забезпечення руху близько 20 тис. міських автобусів або 15 тис. вантажівок щодня», – продовжує Гасемі. Це було б величезним прогресом порівняно з найбільшим на сьогодні водневим проектом Fukushima Hydrogen Energy Research Field (FH2R) в Японії. Він здатний генерувати до 2,6 метричних тонн водню на день, що становить 0,4% від запланованої потужності проекту Neom.
Втілення водневої візії до 2025 року коштуватиме близько $7 млрд, які потрібні для фінансування станцій з генерації ВДЕ у значних обсягах, будівництва електролізерного та аміачного заводів у Neom та створення інфраструктури для перетворення газів на «останньому відрізку» до споживача. За словами Гасемі, інвестиції рівними частинами візьмуть на себе Air Products, ACWA Power та уряд Саудівської Аравії, а будівництво розпочнеться за декілька місяців.
Економіка
Економічна ефективність водневого проекту Neom уможливлюється за рахунок великої кількості годин генерації сонячних і вітрових станцій у Саудівській Аравії з (сукупний коефіцієнт потужності цих двох технологій може досягати 75%, масштабності самого проекту і придатності аміаку до транспортування, – так кажуть в Air Products. Гасемі додає, що транспортні компанії вже висловили зацікавленість у безвуглецевому водні – особливо у Європі, США і Японії.
«Вартість водню значною мірою залежить від вартості електроенергії і годин фактичного навантаження (виробничої ефективності) електролізерів. Поєднання сонячної і вітрової генерації – найкращий спосіб підвищити тривалість навантаження», – говорить Наталія Вессхаузер, представник технологічної компанії. Марокко, Алжир і Саудівська Аравія мають потужні сонячні та вітрові ресурси, ідеальні для ефективного виробництва водню. Близький Схід і Північна Африка визначили абмітні плани з розвитку відновлюваних джерел енергії впродовж наступних десятиліть, – додає Н.Вессхаузер.
Однак існують інші точки зору стосовно найкращого способу транспортування водню. «Вартість водню, імпортованого з Марокко або Саудівської Аравії, може бути нижчою ніж виробленого в Німеччині чи інших європейських країнах, якщо використовувати великі трубопроводи (здатні транспортувати 5 тис. метричних тонн і більше на день) в достатніх обсягах», – каже Мартін Тенглер, аналітик з напряму водню у BNEF. На його думку, економічно найбільш вигідним застосуванням аміаку, виробленого в Neom, було б його безпосереднє використання , замість перетворення назад у водень – за умови, що навчені люди вмітимуть працюють з токсичним газом.
Зелений аміак можуть використовувати як промислову сировину такі хімічні компанії як Yara International і Haldor Topsoe. Це б також дозволило уникнути необхідності в гарантіях, що водень, який отримується з аміаку, є достатньо чистим для використання в таких сферах як паливо для транспорту, до того ж він залежить від процесу крекінгу у країні-імпортері.
За даними дослідження BNEF, імпорт водню до Європи трубопроводом з Алжиру буде значно дешевшим, ніж транспортування аміаку судном. Передбачається, що до 2050 року імпорт аміаку з Саудівської Аравії кораблем і переробка його назад у водень коштуватиме $2,89 за кілограм, при цьому 70% витрат припадає на транспортування. Для порівняння: імпорт трубопроводом з Алжиру дає змогу отримати вартість менш ніж $1/кг. Водень, вироблений з використанням енергії вітру або сонця в Німеччині, також коштував би значно дешевше, як показано нижче.
Зв’язки з Близьким Сходом
Європейські країни, найімовірніше, імпортуватимуть «принаймні частину свого водню», навіть якщо він дорожчий за вітчизняне виробництво – через брак простору на своїй території для встановлення достатньої кількості сонячних та вітрових установок для здійснення електролізу, – каже Тенглер. До 2030 року ЄС має намір встановити 40 ГВт відновлюваних електролізерних потужностей, що потребує від €180 до 470 млрд ($202-526 млрд) інвестицій до 2050 року, про це ідеться у документі BNEF «Europe’s $500 Billion Plan Will Scale Up Green Hydrogen».
16 червня Марокко та Німеччина підписали пакт про розвиток водню. За оцінками BNEF, водень, що експортується з Марокко, може конкурувати за вартістю з воднем, виробленим у Німеччині з допомогою вітрових турбін.
Промислові виклики
Серед способів скоротити витрати та уникнути ускладнень через транспортування водню є або виробництво його на промислових підприємствах для генерації тепла, або використання як вихідної сировини для нафтопереробних заводів та заводів з виробництва добрив.
Однак природний газ зараз торгується за ціною нижче $2 за кілограм в усьому світі, тоді як відновлюваний водень більш ніж удвічі дорожчий. Це означає, що уряди – через власні зобов’язання або більш високі ціни на викиди вуглецю – змушені будуть стимулювати промислові підприємства переходити на водень.
Ключовим фактором, який гальмує використання водню промисловими підприємствами, є те, що деякі галузі, такі як сталеливарна та цементна, отримують більше безкоштовних розподілів квот на викиди за Схемою торгівлі викидами ЄС (EU Emissions Trading Scheme), ніж потрібно для покриття їх загального обсягу викидів. Це ще зменшує бажання переходити на зелений водень із природного газу для задоволення потреби у теплі.
Однак, щоб вирішити цю проблему і стимулювати декарбонізацію, з 2021 року безкоштовні квоти будуть зменшені.
Детальніше про CO2
Цього року Iberdrola SA планує встановити електролізер потужністю 20 МВт, що працюватиме від сонячної станції на 100 МВт і батарей на 20 МВт на заводі добрив Fertiberia в Пуертольяно, Іспанія. Планується виготовляти 1 тис. метричних тонн зеленого водню, хоча для того, щоб проект був економічно вигідним, потрібні гранти, – каже директор з питань інновацій та сталого розвитку Агустін Дельгадо.
За його словами, для того, щоб відновлюваний водень був економічно виправданим для галузі, вартість викидів вуглецю має становити щонайменше €50 за тонну. Проект дозволить запобігти 39 тис. тонн викидів CO2 щорічно після введення в експлуатацію у 2021 році.
«Воднева економіка має сенс лише у світі, де ціни на CO2 достатньо високі, а кліматичні цілі достатньо суворі, щоб відбувалася декарбонізація», – сказав Маріо Рагвіц, директор Інституту енергетичної інфраструктури та геотермальних систем Фраунгофера. Щоб цей напрям дійсно почав розвиватися, ціни на CO2 мають бути вищими за €100 за тонну до 2030 року для того, – переконаний він.
Компанія Wartsila також бачить можливості для застосування водню в якості палива для гнучких потужностей. Компанія протестувала водневі суміші в обсязі до 60% у складі палива для двигунів внутрішнього згоряння на своїх станціях, і за умови, якщо ціни на вуглець перевищують €50 за тонну, це пальне стає більш виправданим, – зазначив Бйорн Ульбро, віце-президент енергетичного бізнесу Wartsila у Європі та Африці.
Способи використання водню
Джерело: Hydrogen Economy Outlook (web I terminal)
Зелений метанол
У Фінляндії компанія Wartsila разом з Vantaa Energy Ltd. досліджує технічну можливість уловлювати CO2 від сміттєспалювального заводу та поєднувати його з відновлюваним воднем для утворення кліматично-нейтрального метанолу, – розповідає пан Ульбро. Якщо експерименти доведуть успішність ініціативи, у Фінляндії для централізованого опалення використовуватиметься синтетичний біогаз.
Синтетичний метанол може також використовуватися у судноплавстві і транспортуванні сушею, та є базовим інгредієнтом для пластику, фарб і текстилю.
«Заміна метанолу, який сьогодні виробляється з вугілля або газу, на зелений метанол здійснить величезний внесок у зменшення викидів вуглецю», – сказав Кристофер Хеблінг, директор підрозділу водневих технологій в Інституті сонячної енергетики у Фраунгофері. Вловлювання CO2 від еоектростанцій на біомасі для отримання зеленого метанолу може навіть видаляти CO2 з атмосфери – за умови, що вуглець уловлюється в процесі кінцевого горіння.
Водночас економіка використання відновлюваного водню для отримання метанолу дуже непроста, адже переважно метанол виробляється в країнах з доступом до дешевого газу. Про це ідеться в документі BNEF «Hydrogen: The Economics of Low-Carbon Methanol»: «Вартість відновлюваного водню повинна опуститися нижче $0,94 / кг – ймовірно, це відбудеться тільки до 2050 року, – для того, щоб процес був конкурентоспроможним порівняно із дорогим процесом виробництва метанолу на основі газу».
Тестування інфраструктури
Транспортування водню трубопроводом коштує значно дешевше, ніж автомобільним або морським транспортом. Це пояснюється тим, що через його низьку щільність потрібний у чотири рази більший резервуар, ніж для природного газу, до того ж, скраплення можливе тільки за дуже низьких температур.
Будівництво підводних трубопроводів з Північної Африки до Європи потребуватиме значних інвестицій та державної підтримки, так само як і будівництво нових наземних трубопроводів, пристосованих спеціально для водню.
H21, програма для розвитку інновацій і конкуренції, яку фінансує державний регулятор Великої Британії Ofgem, має намір продемонструвати, що існуючу британську газопровідну мережу можна переналаштувати для транспортування 100% водню. Завдяки цьому знизяться шкідливі викиди від теплогенерації, а перехід до водню буде дешевшим.
Директор проекту H21 Тім Гарвуд розповів BNEF, що дослідження «виявило незначну різницю між транспортуванням водню та природного газу». Мета полягає в тому, щоб розпочати «невеликі випробування 100% водню в мережі» щойно будуть закриті питання безпеки. Низька щільність водню може потребувати змін у способі експлуатації мережі – можливо, «збільшення тиску в трубі, щоб швидше транспортувати водень». При цьому стоїть завдання зберегти розмір і кількість труб максимально близькими до нинішнього стану.
Дослідження в Лідсі
Перший етап програми H21 під назвою «Міські ворота Лідса» підтвердив, що перетворення газової мережі країни є можливим як технічно, так і економічно. В межах проекту у Лідсі дослідження встановило, що четвертому за розміром місту Великої Британії знадобиться чотири установки для риформінгу метану потужністю 256 МВт, щоб здобути достатню кількість водню для мережі, а з внутрішньоденним та міжсезонним зберіганням палива допоможуть соляні печери, розташовані неподалік.
Загальні витрати на виробництво та зберігання водню, а також пов'язану з ними інфраструктуру, становлять близько 2 млрд фунтів. Такі цифри наводить оператор розподілу Northern Gas Networks. Прогнозована вартість також передбачає зберігання 1,5 млн метричних тонн CO2 щороку, щоб зробити виробництво водню вуглецево нейтральним.
Ключовим обмеженням для розгортання водню у Великій Британії є відсутність великого виробництва водню та обладнання, яке б могло працювати на цьому паливі. В цьому питанні будуть доцільними як державні субсидії на будівництво електролізерів, як і розпорядження щодо переведення будинків на водневі котли, каміни та печі, – каже Гарвуд.
Він очікує, що «вартість зеленого водню буде співставною із синім воднем до 2030 року», і що до того часу у Великій Британії стануть можливими масштабні перетворення мереж. Водень, найімовірніше, спочатку розвиватиметься навколо промислових кластерів, і суміші із 20% вмістом водню передуватимуть застосуванню чистого водню в мережі.
Майбутні перспективи
Щоб водень реалізував увесь свій потенціал у декарбонізації промисловості, важковантажному транспортуванні й теплопостачанні для домашніх споживачів, потрібна політика підтримки з боку держави і вищі ціни на вуглець. Такі візіонерські проекти як Neom допоможуть отримати більше знань про те, як найкращим способом транспортування та використовувати чисту молекулу. Зрештою, багатьом галузям промисловості та урядам доведеться об’єднати зусилля, щоб водень зрештою зміг задовольняти майже чверть світових потреб в енергії до 2050 року.
Коментарі українських експертів
Водневі технології також все більше уваги отримують в Україні, як з боку приватного сектору, так і з боку державних підприємств. Зокрема, «Регіональна газова компанія», яка під своїм брендом об’єднує 20 операторів газорозподільчих систем і найпротяжнішу мережу в Європі, вже успішно провела випробування існуючої інфраструктури для транспортування водню. Оператор Газотранспортної Системи України та НАК «Нафтогаз» також відзначають великий потенціал водневих технологій в контексті перспектив завантаження української газотранспортної інфраструктури «зеленим газом».
Наталія Слободян, енергетичний експерт:
Водневі технології відіграватимуть дуже важливу роль в інтеграції електроенергетики з іншими секторами – транспортом, опаленням та промисловістю. Їх застосування відкриває шлях до повної декарбонізації економіки, включно з металургією, виробництвом добрив хімічною галуззю. Це такий собі центральний пазл у картині енергетичного переходу, що вирішує проблему балансування нерівномірності сонячної та вітрової енергетики, а також дозволяє максимально розширити сфери застосування відновлюваних джерел енергії.
Олег Савицький, експерт української кліматичної мережі:
Якщо казати про електроенергетику, найбільший потенціал для підвищення гнучкості енергосистеми та забезпечення енергетичних резервів має поєднання виробництва водню з іншими технологіями, зокрема кріогенними системами накопичення енергії (liquid air storage), виробництвом «зеленого» аміаку та біометану, швидкоманевреною газовою генерацією та іншими перспективними технологіями спалення газу, такими як новітні генератори з циклом Аллама та високотемпературні паливні елементи (SOFC). Останні дві технології наразі тільки починають виходити на світовий ринок, але вони будуть суттєво впливати не тільки електроенергетику, а й на розгортання циркулярної економіки.