Innovations, gas and oil

Роль водорода и топливных элементов в мировой энергетической

системы

Иэн Стаффелл, Дэниел Скамман, Энтони Веласкес Абад,
Пол Балкомб, Пол Э. Доддс, Пол Экинс, Нилай Шахд и Кейт Р. Варда

Водородные технологии испытали циклы чрезмерных ожиданий, за
которыми следовали разочарования. Тем не менее, растущий объем данных
свидетельствует о том, что эти технологии представляют собой
привлекательный вариант для глубокой декарбонизации глобальных
энергетических систем и недавнее улучшение их стоимости и
производительности также указывает на экономическую жизнеспособность.
Эта статья представляет собой всесторонний обзор потенциальной роли,
которую водород мог бы сыграть в обеспечении электроэнергией, теплом,
технологии, транспорта и хранения энергии в низкоуглеродной
энергетической системе и оценки потенциала водорода реализовать этот
потенциал в быту. Картина, которая возникает, является одной из
перспективных: водород хорошо зарекомендовал себя в определенных
нишах, таких как вилочные погрузчики, в то время как в настоящее время
ожидается более широкое применение. Водородные транспортные средства
коммерчески доступны в нескольких странах, а 225 000 систем отопления
домов на топливных элементах системы уже проданы. Это представляет
собой шаг вперед по сравнению с ситуацией пятилетней давности. Этот
обзор показывает, что проблемы, связанные с затратами и
производительностью, остаются, и значительные улучшения по-прежнему
требуются для того, чтобы водород стал действительно
конкурентоспособным. Но такая конкурентоспособность в среднесрочной
перспективе уже не кажется нереалистичной, что полностью оправдывает
растущий интерес и поддержку этих технологий во всем мире.
Более широкий контекст
Водород и топливные элементы, возможно, пережили «потерянное
десятилетие» после того, как высокие ожидания 2000-х годов не
оправдались. Три фактора позволяют сектору восстановить импульс. Во-
первых, совершенствование технологий и производства означает, что
системы, которые в 2005 году стоили 60 000 долларов, сейчас стоят 10 000
долларов. Во-вторых, коммерческие продукты становятся широко
доступными, и значительное освоение происходит в определенных секторах,

таких как микрогенерация в Японии и вилочные погрузчики в США.
грузовые автомобили. В-третьих, усиленная глобальная решимость смягчить
последствия изменения климата сочетается с растущим осознанием того, что
одной чистой энергии недостаточно из-за сложность обезуглероживания
тепла и транспорта. В этом документе представлена ​​всесторонняя
обновленная информация о водороде и топливных элементах на транспорте,
в системе отопления, промышленности, производстве и хранении
электроэнергии, включая технологии, экономику, требования к
инфраструктуре и государственной политики. Он определяет множество
ролей, которые эти технологии могут играть в ближайшем будущем, как
гибкое и универсальное дополнение к электричеству, а также в
предоставлении конечным пользователям большего выбора в том, как
обезуглеродить энергетические услуги, от которых они зависят. Хотя есть
веские основания полагать, что водород и топливные элементы могут иметь
схожую стоимостью и производительность аналогичную траектории
солнечных фотоэлектрических систем и аккумуляторов, необходимо
преодолеть несколько проблем, чтобы водород и топливные элементы,
наконец, оправдали свой потенциал.
Вступление
Тридцать лет назад водород был определен как «критический и
неотъемлемый элемент обезуглероженной, устойчивой энергетической
системы» для обеспечения надежной, экономичной и экологически чистой
энергии [1]. Сегодня энергетические лидеры считают водород наименее
вредным и, имеющим меньше всего проблем (источником энергии), с
которым сталкивается глобальная энергетическая система.[2] «Водород, как
жизнеспособное альтернативное топливо, продолжает обещать многое и
доставлять драгоценное немногое».[3]
Тем не менее, водород может сыграть значительную роль в
низкоуглеродном будущееv: [4–8], уравновешивая электричество как
энергоноситель с нулевым выбросом углерода, который можно легко хранить
и транспортировать;[9,10], представляющий собой более безопасную
энергетическую систему с меньшей зависимостью от ископаемого топлива
[11,12]; с универсальностью для работы на транспорте,[13,14]
теплоэнергии,[15,16] промышленности [17] и секторах
электроэнергетики[18,19] Вместе они составляют две трети глобальных
выбросов CO2 (рис. 1).

Рис. 1 Глобальные выбросы парниковых газов в 2014 г. в разбивке по
секторам и по крупным странам. Данные CAIT.[23]
В то время как электричество оказалось сравнительно легко
обезуглероживать, благодаря резкому сокращению затрат и внедрению
возобновляемых источников энергии,[20] другие сектора не должны быть
забыты. В Великобритании, например, ожидается, что отопление и транспорт
будут обезуглерожены всего на одну треть производства электроэнергии, с
падением выбросов на 24%, по сравнению с 68% в ближайшие 15 лет.[21,22]
Решения крайне необходимы, чтобы сделать транспорт и здания
устойчивыми и экономически эффективными и привлекательными для
потребителей. Водород и технологии топливных элементов предлагают более
широкий личный выбор в переходе к низкоуглеродной экономике, учитывая
их производительность, эксплуатацию и потребительский опыт, аналогичные
технологиям, функционирующим на ископаемом топливе. Они также
обеспечивают ценную страховку от возможности того, что другие хваленые
технологии не оправдают себя, такие как улавливание и хранение углерода,
биоэнергетика и гибридные тепловые насосы.
Интерес к водороду и топливным элементам возрождается: началось
крупномасштабное производство автомобилей на топливных элементах, и
сотни тысяч домов теперь отапливаются и питаются с помощью топливных
элементов.5 Ключевое отличие от последнего водородного цикла’’24 в 2000-
х годах заключается в том, что масштабы производства и стоимость означает,
что водород и топливные элементы коммерциализируются в нескольких
секторах, от портативной электроники до резервного питания до мощностей
вилочных погрузчиков.25,26 Между тем, анализ энергетических систем стал
более изощренными в определении сложности обезуглероживания тепла и

транспорта за счет полной электрификации, и таким образом, потребности в
гибких и сохраняемых векторах энергии.[27–30]
Тринадцать международных корпораций недавно сформировали Совет
по водороду «для помещения водорода в число ключевых решений
энергетического перехода».[6] Это сопряжено с трудностями из-за своей
сложности и разнообразия:
(1) Водород можно производить из многих видов сырья и процессов с
различными парниковыми газами и другими выбросами, с затратами и
требованиями к инфраструктуре;
(2) Водород можно использовать разными способами, в том числе без
топливных элементов, в то время как топливные элементы могут работать с
использованием топлива, отличного от водорода;
(3) Водород и топливные элементы могут внести свой вклад разными
способами, охватывающими всю энергетическую систему;
(4) Водородная инфраструктура может быть дорогостоящей, но по
пути, включая в себя несколько недорогих дополнительных маршрутов,
которые питаются от установленных сетей и которыми часто пренебрегают.
В марте 2017 года британская компания Hydrogen and Fuel Cell
Supergen Hub опубликовала технический документ, в котором
систематически оценивались текущее состояние и будущие перспективы
водорода и топливных элементов в будущих энергетических системах.[31]
Эта статья обобщает и обновляет эту белую книгу, расширив сферу ее
применения до глобальной направленности. Это основывается на
предыдущих целостных обзорах водорода и топливных элементов, [32-34] и
использует новый подход к рассмотрению того, как они могут быть
объединены вместе по всей энергетической системе.
Этот обзор охватывает следующее:
 Транспортный сектор, как личные автомобили, так и более
крупные большегрузные грузовыеи общественный транспорт;
 Производство тепла для жилых, коммерческих и промышленных
пользователей;
 Интеграция электроэнергетического сектора, балансирование
прерывистой возобновляемой энергии;

 Потребности в инфраструктуре, варианты использования
существующих газовых сетей, требования к сжатию и чистоте; и
 Политические проблемы, глобальная поддержка и цели в
отношении водорода и топливных элементов.
Транспортировка
Пригодность водородных и топливных элементов зависит от вида
транспорта и отражает разнообразный характер транспортного сектора,
который охватывает наземный, морской и воздушный транспорт, а также
грузовые и пассажирские перевозки, как показано на рис. 2. Почти половина
потребности в энергии на глобальном уровне транспорт приходится на
малотоннажные автомобили и количество пассажиров автомобилей во всем
мире вырастет с 1 до 2,5 миллиардов к 2050 году.[35]

Рис. 2. Распределение энергопотребления в транспортном секторе по
всему миру в 2015 г. Внешнее кольцо дает долю отдельных видов. «Другое»
в первую очередь пассажирские железнодорожные и авиаперевозки. Среднее
и внутреннее кольца объединяют их по режиму и функциям. Данные
Управления энергетической информации.[35] Общее потребление составляло
110 миллионов ТДж в 2015 году по всему миру, что эквивалентно 37 кВтч на
человека в день в странах ОЭСР и 7 кВт ч в странах, не входящих в ОЭСР.

Великобритания должна вдвое сократить выбросы CO2 на транспорте
между 2015 и 2030 гг. для выполнения обязательств по национальному
углеродному бюджету.[22] Однако выбросы увеличились, и доля
возобновляемых источников энергии на транспорте Великобритании упала
до 4,2% по сравнению с целевым показателем в 10%[36]., наращивая
призывы к более решительным действиям.[37] Водород представляет собой
один из трех основных вариантов низкоуглеродного транспорта наряду с
биотопливом и электромобили (EV). Водород избегает землепользования и
воздействие биотоплива на качество воздуха, а также ограниченный запас
хода и длительное время подзарядки электромобилей[5]. Однако,
электромобили на несколько лет опережают водород по срокам зрелости из-
за их более низкой стоимости и легкодоступной инфраструктуры.
Подключаемые электромобили теперь составляют 30% продаж новых
автомобилей в Норвегии и 2% в Великобритании[38,39].
Помимо борьбы с изменением климата, водородные автомобили могут
улучшить качество воздуха. Это неотложный приоритет, поскольку более
полу миллиона преждевременных смертей в год по всей Европе вызваны
выбросами твердых частиц и выбросами NOx.[40,41] Прямая цена
загрязнения воздуха из-за вызванных им потерь производства,
здравоохранения, потери урожая и повреждения зданий составляют около
[24] миллиардов евро в год по всей Европе с внешними затратами,
оцениваемыми в 330–940 миллиардов евро в год.42 92% населения планеты
подвергается воздействию уровней качества, которые превышают
ограничения, установленные Всемирной организации
здравоохранения.[43,44] Крупные города недавно объявили о запрете на
использование всех легковых и грузовых автомобилей с дизельным
двигателем к 2025 году[45], а Великобритания и Франция объявили об
общенациональном запрете на все автомобили с чистым двигателем
внутреннего сгорания к 2040 г.[46,47]
Водородные силовые агрегаты
Обычные двигатели внутреннего сгорания могут быть
модифицированы для работы на чистом водороде («HICE») и могут начать
использоваться раньше, поскольку они существенно дешевле топливных
элементов. Однако сжигание водорода менее эффективно, чем топливный
элемент, и приводит к выбросу NOx, следовательно, не ожидается, что он
будет играть значительную долгосрочную роль на транспорте. Водород
можно смешивать с природным газом («гитаном») или дизелем в

двухтопливных автомобилях; или можно переключаться между обоими в
двухтопливных силовых агрегатах. Это позволяет использовать
существующую инфраструктуру, но они не являются нулевыми выбросами и
могут в конечном итоге будут вытеснены низкоуглеродными вариантами48.
Электромобили на топливных элементах (FCEV) преимущественно
используют PEM (Топливные элементы с протонообменной мембраной),
обеспечивающие высокую эффективность, высокую удельную мощность и
возможность холодного пуска.[49] Топливный элемент мощностью 60 кВт
типичен для европейских автомобилей,[50] что значительно больше, чем для
бытового топлива (В1 кВт). Конкурирующие силовые агрегаты включают
обычные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), аккумуляторные
электромобили (BEV) и подключаемые гибридные автомобили (PHEV, также
известные как электромобили с увеличенным запасом хода), которые
позволяют совершать большинство поездок с использованием аккумулятора
и переключаться на двигатель или топливный элемент для менее частых
длительных поездок.[51]
Водородные силовые агрегаты сравнивают с альтернативными (как
указано в таблице 1), и различаются по следующим параметрам:[49, 52]
(1) Капитальные затраты: FCEV имеют более высокие капитальные и
эксплуатационные расходы, чем у BEV сегодня: 60–75 тысяч долларов за
Toyota Mirai или Hyundai ix35 [53,54] против 25–30 тысяч долларов за
Renault Zoe или Nissan Leaf.[55,56] Тем не менее, у FCEV есть потенциал для
значительного снижения затрат - по мере роста объемов производства и
может стать дешевле альтернативных источников.[5,50]
(2) Дальность действия и время дозаправки: у FCEV больше времени
вождения и более короткое время дозаправки, чем у BEV, сравнимое с
обычными транспортными средствами (около 500 миль и 3 минуты) [49].
Энергоемкие компьютеры и датчики в беспилотных автомобилях влияют на
диапазон BEV больше, чем FCEV[57], как и кондиционирование/обогрев
транспортных средств в жарких/холодных регионах.
(3) Требования к инфраструктуре: водородные заправочные станции
могут обслуживать значительно больше транспортных средств, чем зарядные
устройства для электромобилей, и имеют более широкий радиус действия
благодаря большему диапазону FCEV[58]. Водородные заправщики в
настоящее время дороже электрических зарядных станций: около 1,5 млн
долларов США против 1000 долларов США для медленных зарядных

устройств,[4,59–61], хотя ожидается снижение на затраты на две трети после
того, как технология станет более зрелой.[7,48]
(4) Срок службы: срок службы батареи зависит от местного климата,
перезарядки, глубокой разрядки и соотношения высокой
зарядки/разрядки;[62] Тесла ожидает, что батареи прослужат 10–15 лет,
однако большинство электромобилей имеют срок службы менее 5 лет,
поэтому такая продолжительность не доказана.[51] В противовес к батареям,
водородные баки могут подвергаться быстрой дозаправке и частая глубокая
разрядка проходит без ущерба для срока службы, Ожидается, что блоки
топливных элементов переживут другие трансмиссии.[63]
(5) Пользовательский опыт: FCEV обеспечивают более плавное
вождение, чем двигатели с ДВС (тише, меньше вибрации и без переключения
передач)[64].Однако резервуары с водородом большие и имеют неудобную
форму, потенциально ограничивая пространство для багажа.
(6) Выбросы: FCEV не имеют выбросов в момент использования и
являются низкоуглеродистыми в момент производства, если сделаны из
электролиз на возобновляемых источниках энергии, биомассы или
ископаемого топлива с СКС. То же самое верно и для BEV, в то время как
существует ограниченный потенциал декарбонизации для ДВС. Смешивание
биотоплива с бензином и дизелем могут снизить выбросы CO2, но не
улучшить качество воздуха.
(7) Требования к сети: FCEV и заправочная инфраструктура могут
избежать модернизации электросети, необходимой для значительного
проникновения BEV и предлагает ценную балансировку сети.