Водород против. Природный газ для производства электроэнергии

Роль водорода в устранении выбросов CO2, особенно из электросетей, вызывает растущий интерес, что потенциально может иметь серьезные последствия для инвесторов в области природного газа, коммунального и промышленного оборудования.

Институциональные инвесторы, например, группа инвесторов Climate Action 100+, владеющая активами в размере 47 триллионов долларов, все чаще включают экологические факторы в свои инвестиционные критерии.

Эта идея часто выражается как часть цели «чистого нулевого уровня выбросов углерода к 2050 году» для коммунальных предприятий, например, обсуждаемой здесь для Duke Energy (DUK), где водород считается кандидатом топлива для выработки до 30% электроэнергии Duke. в 2050 году.

Более амбициозная цель «экономики с нулевым выбросом углерода» предполагает отказ от использования ископаемого топлива не только для производства электроэнергии, но и для промышленного отопления, коммерческих и жилых помещений, подогрева воды и транспорта. Этот сценарий приведет к увеличению нагрузки на электросеть; например, потребности в зимнем отоплении жилых домов теперь удовлетворяются за счет природного газа.

В этой статье мы сосредоточимся в первую очередь на проблеме сетки с нулевым выбросом углерода; Может ли водород заменить природный газ в электросетях США? Мы также сосредоточимся на наиболее вероятном сценарии — использовании солнечной энергии в промышленных масштабах для производства водорода путем электролиза.

Мы обсуждаем техническую осуществимость, эксплуатационную и экономическую практичность, а также некоторые последствия для инвесторов.

Инвестиционный тезис, который мы рассмотрим сегодня, прост: зеленый водород, полученный из возобновляемых источников энергии, может обеспечить хранение энергии в масштабе сети, аналогичное тому, которое сегодня обеспечивает природный газ – способность хранить очень большие объемы энергии в течение нескольких дней или месяцев. Это позволит преодолеть ограничение прерывистости ветровой и солнечной энергии и позволит заменить природный газ для производства электроэнергии, создавая электрическую сеть с нулевым выбросом углерода.

Вероятно, будут значительные инвестиции в водород для других целей, помимо выработки электроэнергии в сети; потенциальный общий экономический эффект значителен.

По оценкам Совета по водороду, мировой годовой объем продаж к 2050 году составит 2,5 триллиона долларов США, половина из которых будет приходиться на водород, а другая половина на оборудование. В октябре 2020 года Ассоциация топливных элементов и водородной энергетики, специализирующаяся на транспортном и промышленном сырье, а не на выработке сетевой электроэнергии, оценила годовой доход США от водородной экономики к 2050 году в 750 миллиардов долларов.

Как говорится, большое, если правда.

Чтобы обсудить потенциал использования водорода в производстве электроэнергии, нам нужно иметь в виду несколько вещей.

Водород описывается как серый, синий или зеленый в зависимости от того, как он получен; серый — от ископаемого топлива с выбросами CO2, синий — от ископаемого топлива с улавливанием CO2 и зеленый — от возобновляемых источников энергии без выбросов CO2. Когда люди говорят о будущей водородной экономике или экономике с нулевым выбросом углерода, обычно подразумевают «зеленый» водород.

Водород (H2) легче газообразного воздуха. Одна тысяча кубических футов (MCF) водорода при стандартных условиях весит 2,41 кг или 5,3 фунта; это около 15% веса природного газа (т.е. метана, CH4).

Энергетическая ценность газа измеряется в БТЕ на кубический фут. Водород имеет около 30% энергосодержания метана. Это означает, что для получения той же энергии, что и 1 кубический фут природного газа, требуется около 3,3 кубических футов водорода.

Для производства водорода путем электролиза требуется 39,4 кВтч входной мощности для производства одного кг водорода, если эффективность процесса электролиза составляет 100%.

Затраты на водород могут указываться в долларах США/кг или долларах США/ММБТЕ. Цена 1 доллар США за кг эквивалентна примерно 8 долларам США за МБТЕ. Природный газ обычно оценивается в долларах США/миллион БТЕ (например, в Генри Хабе).

Когда водород сжигается для производства электроэнергии, CO2 не образуется.

Можно смешивать водород и природный газ в топливном потоке с уменьшением выхода CO2, но из-за разницы в энергосодержании для достижения 50-процентного снижения CO2 требуется около 75% H2 по объему.

Водород имеет проблемы с обращением и безопасностью, которых нет у метана. Водород может вызвать охрупчивание металлов и разрушение пластиковых и резиновых уплотнений.