В обзоре, представленном The Transition Accelerator приведен технико-экономический анализ новых производственно-сбытовых цепочек доставки водорода от централизованных производственных площадок к заправочным станциям, обслуживающих транспортные средства большой грузоподъемности, включая грузовики, автобусы и поезда в Канаде.
Подробно рассматриваются аспекты, связанные с декарбонизацией грузового транспорта, существующие сложности и риски, кроме того, приведены рекомендации по их уменьшению и ускорению внедрения водорода в качестве экологически чистого топлива.
Для снижения роста глобального потепления на планете, десятки стран мира взяли на себя обязательство к 2050 году снизить выбросы парниковых газов до нуля. Предполагается, что в этом энергопереходе, водород будет играть ключевую роль в качестве энергоносителя с нулевым уровнем выбросов. Успешное построение экономики страны с использованием водородного топлива потребует создания новых цепочек добавленной стоимости, что сделает водород более доступным энергоносителем.
Параметры модели по централизованному производству водорода с низким содержанием выбросов парниковых газов были получены на примере Эдмонтонского Регионального Водородного ХАБа в провинции Альберта, Канада. Поскольку данная провинция является одним из крупнейших поставщиков природного газа в мире, то в канадской водородной экономике «голубой» водород играет важную роль. Газовая стратегия провинции Альберта (Alberta's Natural Gas Vision and Strategy) предусматривает крупномасштабное производство водорода из природного газа в сочетании с технологией улавливания и хранения углерода. Кроме того, провинция занимает стратегическое положение мирового лидера, обладая мощными ветровыми и солнечными ресурсами для электролитического производства «зеленого» водорода с низким содержанием парниковых газов. В настоящее время в Альберте производится более 5000 тонн в день недорогого «голубого» H2 (0,9 -1,4 канадских долларов/кг Н2), большая часть которого связана со значительными выбросами парниковых газов и практически все это используется в качестве промышленного сырья для производства удобрений, топлива и химикатов.
Декарбонизация водорода провинции имеет потенциал для снижения углеродоемкости этих промышленных процессов и получения топлива с нулевым уровнем выбросов для экспорта в другие страны и обеспечения водородом с низким содержанием парниковых газов внутреннего транспорта, отопления помещений и выработки электроэнергии. Успешное развитие топливно-водородной экономики потребует создания новых производственно-сбытовых цепочек, которые свяжут поставки водорода с новыми секторами спроса и сделают водород широкодоступным и по приемлемой цене.
Из расчета того, что в среднем канадцы платят в 5−10 раз больше за единицу энергии за транспортное топливо, чем за топливо для отопления, то рынок транспортного водородного топлива, особенно большой грузоподъемности, имеет наибольшие перспективы для скорейшего внедрения. На рынке транспортного топлива целевые розничные цены на водород должны находиться в диапазоне от 5 до 8 долларов США за кг H2, чтобы быть конкурентоспособными с текущими ценами на дизельное топливо.
Для описания параметров модели использовались данные по водородным заправочным станциям с различной производительностью (0.4, 2 или 8 тонн Н2 в сутки) и на расстояниях 5, 40 или 300 км от производственных площадок и трех способов транспортировки водорода: А) доставка сжатого Н2 в трубчатых прицепах на грузовиках, (Б) доставка жидкого H2 в криогенных резервуарах на грузовиках и (В) доставка сжатого H2 по трубопроводам.
Детальный технико-экономический анализ формирования стоимости затрат на заправку водородом с учетом различных производственно-сбытовых цепочек проводился без учета налогообложения и государственных субсидий для дальнейшего сопоставления с дизельным топливом. Известно, что конечная стоимость заправки водородом определяется рядом факторов: производство, транспортировка и т. д. Но в развитой водородной экономике за счет достижения больших масштабов производства и инвестиций в инфраструктуру общая расчетная стоимость заправки водородом сможет конкурировать с дизельным топливом для грузового транспорта при цене от 5 до 8 канадских долларов/кгН2.
Далее приведены факторы, определяющие себестоимость водорода:
- Производственные затраты: Анализ показывает, что для того, чтобы стоимость заправки водородом к 2030 году смогла стать конкурентно способной по сравнению с дизельным топливом, производственные затраты должны составлять < 3 канадских долларов /кгН2. Поскольку затраты на производство зеленого водорода зависят от доступности и цены на низкоуглеродное электроснабжение, то на данный момент из расчета использования электролизеров при ≥68% времени и затратах (< 30 канадских долларов / МВт-ч), зеленый водород можно получить за <3 канадских долларов / кгH2. С другой стороны, централизованное производство голубого водорода путем паровой конверсии метана позволяет получить самую низкую стоимость <1,8 канадских долларов /кгН2, при этом данная технология может быть масштабирована, что приведет к еще большему снижению затрат.
- Затраты на переработку и доставку: Известный факт, что из-за низкой плотности водорода, его сжатие и сжижение приводит к дополнительному увеличению стоимости. На ранних этапах развития водородного рынка с низким спросом (<1 т Н2/станция/сутки) доставка сжатого водорода на короткие расстояния наиболее целесообразна с использованием трубчатых прицепов, в то время как транспортировка на расстояния свыше 300 км более привлекательна для жидкого водорода. Затраты на обработку и доставку в этих цепочках поставок составляют 3−6 канадских долларов / кгH2. При дальнейшем развитии водородного рынка доставка на крупные заправочные станции (2 т Н2 в день) по трубопроводу будет иметь наименьшие затраты (<1 канадских долларов / кг H2) при наличии большого совокупного спроса (~1 тH2/в сутки на км трубопровода).
- Затраты на заправку: В независимости от способа доставки водорода, чем выше пропускная способность заправочной станции, тем это более экономически выгодно, так как при максимальном использовании мощностей заправок в целом снижается стоимость заправки. Развертывание крупных заправочных станций (≥2 т Н2 в день) в сочетании с высоким потреблением топлива может привести к затратам на заправку в размере 1,5−3 канадских долларов / кг H2.
Таким образом, технико-экономический анализ выявил несколько ключевых моментов:
- Масштаб имеет решающее значение: капитальные затраты на многие компоненты в цепочке создания стоимости (например, установки для сжижения, трубопроводы, компрессоры) оказывают гораздо большее влияние на приведенную стоимость водорода при меньших масштабах, чем при больших.
- Увеличение спроса приведет к снижению затрат. Использование положительного эффекта масштаба важно, поскольку принесет пользу только в том случае, если будет обеспечена максимальная загрузка производственных мощностей различных технологических установок. Другими словами, масштаб и спрос должны работать вместе. Создание значительного спроса (например, >2 т Н2 на заправочную станцию в день) в узлах водородных хабов имело бы важное значение для экономической жизнеспособности. Например, во время транспортировки это потребует ежедневной заправки более 100 транзитных автобусов на топливных элементах или более 40 грузовиков на топливных элементах на каждой станции.
- Создание отдельных трубопроводов для чистого водорода необходимо для обеспечения возможности использования водорода во многих секторах экономики. При централизованном производстве водорода трубопроводы являются единственным практическим вариантом, который открывает возможности для многих секторов экономики (транспорт, теплоэнергетика), обеспечивая минимальную стоимость при максимальном масштабе поставок, позволяя оправдать необходимые инвестиции в созданную инфраструктуру. Такая синергия между различными секторами экономики будет обоюдно полезна и должна быть интегрирована в стратегическое планирование создания водородной экономики страны.
- Цепочка создания стоимости водорода является капиталоемкой: в расходах на доставку водорода и заправку преобладают капитальные затраты, которые составляют 45−65% от общей стоимости за кг H2 (предполагается 8%-ная окупаемость инвестиций).
- Необходима разработка технологии, так как из-за низкой плотности водорода, сжатие и/или сжижение являются наиболее дорогостоящими этапами переработки в производственно-сбытовой цепочке. Технологическое усовершенствование, повышающее эффективность, надежность и срок службы имеющихся в настоящее время компрессоров и установок для сжижения будет иметь решающее значение для снижения стоимости водорода.
Подводя итог, можно сказать, что водород не только предоставляет прекрасную возможность для продвижения к экологически чистому будущему, но и является экономическим фактором, открывающим разнообразные возможности. Тем не менее, поскольку цепочки создания стоимости топливного водорода сложны, а риски, с которыми сталкиваются инвесторы, значительны, то возникают существенные проблемы. Основываясь на технико-экономических результатах анализа, приведено несколько рекомендаций, которые могут ускорить внедрение водорода в качестве чистого топлива.
Итоговые рекомендации:
- Стратегическое планирование необходимо для полного использования потенциала водорода и получения значительной экономической выгоды для провинции Альберты и страны в целом. Правительству необходимо сотрудничать с различными заинтересованными сторонами для разработки стратегических планов перехода, которые координируют и используют имеющиеся ресурсы, инфраструктуру, ноу-хау и экспертные знания. Ключевой частью стратегического планирования будет анализ взаимозависимостей между различными секторами экономики и соответствующее планирование развития инфраструктуры и государственных программ стимулирования. Результаты, представленные в отчете, указывают на то, что трубопроводы — это единственный вариант доставки, который откроет рыночные возможности во многих секторах (транспорт, теплоэнергетика). Поэтому они должны быть интегрированы в планирование перехода к устойчивой водородной экономике.
- Создание региональных водородных хабов и экономических коридоров будет иметь ключевое значение для улучшения связки между предложением и спросом. Энергетический переход на водород является сложной задачей и эти центры будут ключевыми для объединения различных заинтересованных сторон (правительства, промышленности и секторов спроса) для совместной работы.
- Снижение инвестиционных рисков. Результаты показывают, что создание новой цепочки формирования стоимости водорода является капиталоемким. Следовательно, необходимо снизить риски для этого капитала до тех пор, пока не увеличится уровень спроса. Директивным органам и финансовым учреждениям необходимо использовать различные стратегии и финансовые инструменты для устранения рыночных барьеров, облегчения бремени регулирования и снижения инвестиционного риска, что привлечет частные инвестиции. Техническая помощь, гранты и беспроцентные займы могут сыграть решающую роль на ранних стадиях проекта. Государственное финансирование играет ключевую роль, предоставляя инвесторам гарантии рисков и другие инструменты страхования.
- Поддержка повышения спроса. Как упоминалось ранее, несмотря на то, что экономия за счет масштаба является ключевой, она не сможет обеспечить весь спрос на водородное топливо. Традиционно большинство государственных стратегий и программ стимулирования были сосредоточены на производстве низкоуглеродного водорода. Повышение роли низкоуглеродного водорода в переходе на экологически чистую энергетику требует поэтапного изменения в формировании спроса. Результаты анализа показывают, что для транспорта большой грузоподъемности значительный спрос не материализуется без широкого ассортимента доступных транспортных средств по приемлемым ценам, а также предсказуемых и доступных цен на топливо. Поэтому необходимо разработать стимулирующие программы для приобретения электромобилей на топливных элементах большой мощности параллельно с программами по созданию сети крупногабаритных заправочных станций.
- Продвижение инноваций и пилотных проектов. На раннем этапе развития рынка со многими неопределенными параметрами будет важно оказать поддержку в разработке как готовых пилотных проектов, так и в продвижении инноваций. Эти проекты предоставят реальные данные и аналитическую информацию, чтобы выявить «узкие» места, требующие решения.
Резюмируя выше сказанное, хочется отметить, что в целом, рекомендации канадских коллег, приведенные в данном обзоре, можно применять и для развития водородной отрасли в Российской Федерации.