Los vehículos de pila de combustible de hidrógeno ya han sido comercializados por empresas como Hyundai, Honda y Toyota, así como por varias otras empresas chinas. Pero el transporte está lejos de ser la única dirección de la energía del hidrógeno.
Sobre las noticias de alto perfil de los últimos años sobre "tejas solares" en miniatura, sobre enormes turbinas eólicas marinas, sobre el almacenamiento subterráneo de CO2, sobre los dispositivos de almacenamiento de Tesla y otras delicias de la Energiewende (transición energética), todavía no es muy inteligible, pero ya se escucha el rugido distante de una nueva tormenta eléctrica de todos los proveedores tradicionales de petróleo. luz y gas. Esta tormenta puede pasar a lo lejos, o puede destruir todo el negocio tradicional de los gigantes energéticos y, al mismo tiempo, las economías de los países exportadores de hidrocarburos, o puede convertirse en una lluvia vivificante, apoyando el surgimiento de la nueva economía.
Este nuevo ataque es solo el elemento más común en el universo. Hidrógeno. Algunas previsiones en torno a este elemento en treinta años habrá una industria con una facturación anual de dos billones y medio de dólares y treinta millones de puestos de trabajo, que podrá desplazar casi el 20% de los combustibles fósiles de la economía mundial.
Intentemos averiguar cuáles son las posibilidades de estos escenarios.
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¿De donde vino el?
Desde que Lavoisier nombró al hidrógeno hace doscientos treinta y cinco años, ha podido ocupar un lugar destacado en la industria. El hidrógeno se usa para producir metanol, amoníaco y margarina comestible, y el aceite se procesa con él. Es imposible "tomar de la naturaleza" el hidrógeno en su forma pura, por lo que hay que procesar otras sustancias; el método principal de su producción sigue siendo el reformado de hidrocarburos con vapor. El mundo produce alrededor de sesenta y cinco millones de toneladas de hidrógeno en solo un año (si comparamos: el gas natural se produce casi cuarenta veces más).
Llamamos la atención sobre las propiedades especiales del hidrógeno como combustible a mediados del siglo pasado: su calor de combustión es varias veces mayor que el de la gasolina, el gas natural o el combustible diesel de la misma masa, y no se generan emisiones, solo vapor de agua. En los Estados Unidos en 1970, hubo publicaciones sobre la transferencia del transporte a combustible de hidrógeno, al mismo tiempo que el término "economía del hidrógeno" se hizo popular: esta es una especie de imagen del futuro, en la que las ciudades estadounidenses se alejan por completo de la "economía de los hidrocarburos", el hidrógeno se usa como combustible para los hogares, los automóviles, las plantas de energía y la energía se almacenan con hidrógeno y se producen con el viento y el sol cuando es necesario. En otras palabras, la economía del hidrógeno se basa en el hidrógeno como el portador de energía más ecológico y versátil que conecta la energía térmica,el sector de la electricidad y el transporte. Pronto llegó la crisis del petróleo y se dio mayor importancia al desarrollo del transporte de hidrógeno. Así, por ejemplo, en la URSS en la década de 1980 aparecieron minibuses RAF de "hidrógeno", un avión basado en el Tu-154 y un motor de cohete de hidrógeno para "Energia". El destino de este proyecto no es envidiable; por ejemplo, se necesitó al menos un tercio del volumen útil del compartimiento de pasajeros para ser asignado a los tanques de combustible en el avión, lo que afectó en gran medida el costo del transporte. En el avión, al menos un tercio del volumen útil del compartimiento de pasajeros tuvo que destinarse a tanques de combustible, lo que afectó en gran medida el costo del transporte. En el avión, al menos un tercio del volumen útil del compartimiento de pasajeros tuvo que destinarse a tanques de combustible, lo que afectó en gran medida el costo del transporte.
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¿Por qué no ha funcionado todavía?
No hubo una transición global del transporte al hidrógeno en el siglo XX: el costo de un kilómetro recorrido con hidrógeno era mucho más alto que con el combustible convencional. La razón principal es el alto costo: producir hidrógeno a partir de hidrocarburos (reformado con vapor) o agua (electrólisis) requiere mucha energía. Además, el reformado con vapor de hidrocarburos va acompañado de la liberación de un gas de efecto invernadero, el CO2, para combatir al que, entre otras cosas, se dirigía la idea de trasladar el transporte al hidrógeno. La producción de hidrógeno mediante electrólisis (la descomposición del agua en oxígeno e hidrógeno mediante la electricidad) resultó ser incluso más cara que el reformado con vapor, y para producir la electricidad necesaria, era necesario quemar combustible con todas las emisiones. Todo esto redujo un poco el interés inicial,y la economía del hidrógeno en su conjunto, hasta finales del siglo XX, siguió siendo sólo la "imagen del futuro".
¿Que ha cambiado?
La “transición energética” en la industria de la energía eléctrica global condujo al rápido desarrollo de la energía renovable en las décadas de 2000 a 2010, principalmente la generación solar y eólica. El costo de estas tecnologías está disminuyendo constantemente (el valor actual de la electricidad de la generación solar y eólica en los Estados Unidos, según Lazard, disminuyó en un 70-80% en 2009-2016). El mercado está creciendo rápidamente (en 2016, según IRENA, se pusieron en servicio 71 GW de plantas de energía solar fotovoltaica y 51 GW de plantas de energía eólica en el mundo, y se espera que se confirmen 90 y 40 GW, respectivamente, en 2017). Solo en los últimos dos años, se han encargado más capacidades de generación eólica y solar en el mundo que la capacidad total de todas las plantas de energía del Sistema Unificado de Energía de Rusia.
Las inversiones anuales en el sector ascienden a más de 250.000 millones de dólares, el doble que las inversiones en generación de combustibles fósiles. Los registros de precios de la energía solar en México, Dubai, Perú, Abu Dhabi, Chile, Arabia Saudita, la energía eólica en Brasil, Canadá, Alemania, India, México y Marruecos alcanzaron el nivel de alrededor de 1,7 rublos por kWh (al comparar: los residentes de Moscú y la región pagan entre dos y tres veces más por la electricidad en sus hogares).
Como predice la Agencia Internacional de Energía, para 2040 la proporción de generación de electricidad a partir de plantas de energía solar y eólica en el mundo será del 13% al 34% (en 2016 - 5%). Está claro que la proporción de estas fuentes en algunas regiones será aún mayor.
Entonces, la industria de la energía eléctrica está cambiando cada vez más hacia fuentes de generación estocásticas y que dependen de la hora del día y las condiciones climáticas. El impacto de las fluctuaciones en la generación en las plantas de energía eólica y solar (cuando el sol deja de brillar repentinamente y el viento sopla) en el sistema eléctrico, si su participación en la región es alta, es comparable al caótico encendido / apagado de una gran cogeneración, varias veces al día. Además, a veces estas estaciones generan mucho más de lo que necesitan todos los consumidores del sistema eléctrico, y luego el costo de la electricidad resulta ser "negativo"; estas noticias provienen regularmente de Alemania, por ejemplo.
Aprendimos cómo hacer frente a tales fluctuaciones creando dispositivos de almacenamiento de energía que se "cargan" durante los períodos de exceso de energía y se "descargan" durante los períodos de deficiencia energética. Si en el siglo XX el papel de tales dispositivos de almacenamiento solo lo desempeñaban las estaciones de almacenamiento por bombeo, hoy en día se están desarrollando activamente dispositivos de almacenamiento electroquímicos, los más famosos de los cuales son los proyectos "frescos" de Tesla en California y Australia. Navigant Research predice un aumento en la puesta en servicio anual de la capacidad de almacenamiento de fuentes de energía renovable de aproximadamente 2 GW en 2018 a 24 GW en 2026, doce veces en ocho años. Los ingresos anuales en este mercado crecerán proporcionalmente a $ 24 mil millones para 2026.
La creciente necesidad de almacenamiento de energía hizo que la gente volviera a pensar en el hidrógeno.
Energía renovable - en gasolineras
Antes era posible producir hidrógeno por electrólisis, pero luego era necesario utilizar la energía de las centrales térmicas tradicionales que queman combustible. Cuando se trata de electricidad excedente y barata de parques solares y eólicos, libre de emisiones de CO2, ¿por qué no convertirla en hidrógeno, que se puede utilizar como combustible limpio, por ejemplo, para automóviles? Además, esto permitirá abandonar los hidrocarburos como materia prima para la producción de hidrógeno. Muchas empresas innovadoras en Europa y el mundo siguen exactamente este camino. ITM Power, con sede en el Reino Unido, participa en el proyecto Hydrogen Mobility Europe (H2ME), que tiene como objetivo lanzar una red de veintinueve estaciones de servicio de hidrógeno en diez países europeos para 2019.que servirá a doscientos coches de pila de combustible de hidrógeno y ciento veinticinco camiones híbridos. La sueca Nilsson Energy se especializa en soluciones aisladas de la red que utilizan energía solar y eólica para generar y almacenar hidrógeno y utilizarlo para alimentar automóviles y edificios.
Honda, Toyota, Hyundai y varias empresas chinas ya han comercializado vehículos de pila de combustible de hidrógeno. La visión objetivo del consorcio internacional Hydrogen Council, fundado en Davos en 2017 por las mayores empresas de la industria bajo la presidencia de Toyota, es más de 400 millones de automóviles de pasajeros, 15-20 millones de camiones, 5 millones de autobuses que funcionen con hidrógeno para 2050 (es decir, alrededor del 20-25% de total). El 78% de los ejecutivos automotrices globales encuestados por KPMG en 2017 creen que estos vehículos serán un gran avance en el sector de los vehículos eléctricos, eclipsando a los que funcionan con baterías.
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Pero el transporte está lejos de ser la única dirección.
Hidrógeno a cada hogar
Celdas de combustible estacionarias (celdas de combustible): una tecnología de desarrollo dinámico que le permite recibir energía eléctrica y térmica de hidrógeno o gas natural directamente en el área de la casa o en el sótano de la casa. Solo hay una emisión cuando se usa hidrógeno: agua limpia que se puede usar para aire acondicionado. Las unidades modulares compactas del tamaño de un frigorífico son absolutamente silenciosas. Según el pronóstico de Navigant Research, la capacidad de las pilas de combustible estacionarias crecerá de 500 MW en 2018 a 3000 MW en 2025.
Dichas instalaciones se combinan con fuentes de energía renovables, electrolizadores, unidades de almacenamiento de energía y le permiten crear fuentes de suministro de energía autónomas y completas para el hogar. El costo actual de la electricidad a partir de celdas de combustible de gas natural en los EE. UU., Según Lazard ($ 106-167 por MWh), ya es aproximadamente igual a los indicadores de las plantas de energía nuclear ($ 112-183 por MWh) y carbón ($ 60-231 por MWh). y menos que el valor actual de los paneles solares individuales en los techos ($ 187–319 por MWh). En Japón, gracias a los subsidios gubernamentales a gran escala, ya había más de 120.000 instalaciones de este tipo en 2014, y los valores objetivo son más de 1 millón para 2020 y más de 5 millones para 2030.
A medida que las tecnologías se vuelven más baratas (producción en masa, estandarización) y alcanzan su autosuficiencia, el gobierno japonés planea comenzar a introducir celdas de combustible de hidrógeno; se espera que esto suceda para 2030. Las pilas de combustible son, sin duda, el segmento prometedor más importante de las tecnologías de energía distribuida, cuyo potencial en Rusia, según un estudio reciente del Centro de Energía de la Escuela Skolkovo, es suficiente para cubrir al menos la mitad de las necesidades de generación de capacidades para 2035.
Energía a gas
El hidrógeno obtenido de fuentes de energía renovables se puede mezclar en redes de transmisión y distribución de gas. Una estación de este tipo funciona en Fráncfort del Meno desde 2014, añadiendo hasta un 2% de hidrógeno a la red de distribución de gas local (tal limitación del contenido de hidrógeno hace posible no cambiar nada en las redes ni en los consumidores). Hay varios objetos similares en Alemania, también se encuentran en Italia, Dinamarca, Holanda. A veces, el hidrógeno se mezcla con biogás, aumentando su valor.
En el Reino Unido, el hidrógeno se considera seriamente como una forma de reducir drásticamente las emisiones de los hogares (el 85% de los hogares del país queman gas natural para calefacción). Para la ciudad de Leeds, con una población de más de 780.000 personas, en 2017, se llevó a cabo una evaluación detallada de la necesidad de inversión para la conversión completa del sistema de suministro de gas a hidrógeno, desde el reemplazo de calderas en los consumidores hasta la creación de almacenamiento subterráneo de hidrógeno y unidades de reforma de vapor. El monto de la inversión se estima en ciento sesenta mil millones de rublos. Este proyecto se va a ampliar a todo el país, especialmente porque las ciudades británicas durante el siglo XIX y la primera mitad del siglo XX ya utilizaban "gas urbano" artificial que contenía hasta un 50% de hidrógeno. Mientras tanto, las compañías de gas planean aumentar gradualmente la proporción de hidrógeno al 20%,evitando la reconstrucción a gran escala de redes de gas y calderas en los consumidores.
Desde 2013, las empresas japonesas han estado discutiendo con RusHydro la posibilidad de crear una planta de producción de hidrógeno en el Lejano Oriente ruso utilizando tecnología de energía a gas para la exportación. Los cálculos de la parte japonesa se basan principalmente en el uso de electricidad barata procedente de centrales hidroeléctricas. Según un acuerdo firmado en el Foro Económico del Este en el otoño de 2017, Kawasaki Heavy Industries actualizará el estudio de viabilidad de este proyecto. A medida que se desarrolle la infraestructura en el Lejano Oriente y disminuya el costo de las tecnologías de electrólisis y logística de hidrógeno, el interés en tales proyectos obviamente solo aumentará. Dado el enorme potencial de las energías renovables en esta región, es posible predecir el surgimiento de proyectos de exportación prometedores aquí.
Hidrógeno: integrador de la química y la energía de los gases
Pero el proyecto más impresionante se encuentra ahora en el norte de los Países Bajos. En esta región, ubicada directamente sobre el campo de gas de Groningen (la causa de la "enfermedad holandesa"), la energía del biogás ha estado en auge durante varios años. Ya hace cinco años, los automóviles circulaban por las calles con gas groen, biometano producido aquí a partir de los desechos de la industria agrícola en la región con un área de dos Moscú. No es de extrañar que fuera aquí, con el apoyo de la Unión Europea, donde hace un año se puso en marcha el proyecto Chemport Europe, cuyo principal objetivo es crear un clúster químico de gas completo que funcione exclusivamente con recursos biológicos locales e hidrógeno con cero emisiones de CO2. Se procesa biomasa leñosa, los carbohidratos formados en el proceso se utilizan en química. La electricidad de las turbinas eólicas marinas se convierte en hidrógeno y oxígeno mediante electrolizadores. El oxígeno y el hidrógeno se utilizan en química, y el oxígeno también participa en la gasificación de biomasa procesada de campos locales de más de un millón de hectáreas. La gasificación permite obtener gas sintético, una mezcla pura de hidrógeno, CO2 y CO. Allí también se agrega hidrógeno puro de turbinas eólicas. De este gas se obtienen ácido nítrico, metanol, etileno, propileno, butileno, sustancias que pueden desplazar completamente al petróleo y al gas natural de sus posiciones estables como materias primas para la industria química.que pueden desplazar completamente al petróleo y al gas natural de sus posiciones estables como materias primas para la industria química.que pueden desplazar completamente al petróleo y al gas natural de sus posiciones estables como materias primas para la industria química.
Los iniciadores del proyecto declaran su deseo de acercar el costo del gas sintético al costo del gas natural. El gas de síntesis puede enviarse para licuefacción (bio-GNL), repostar en vehículos y utilizarse para otras necesidades clásicas.
La inversión inicial en el proyecto es de 50 millones de euros, de los cuales 15 millones proceden de subvenciones de la Unión Europea.
Villa olímpica de hidrógeno
Se está construyendo una villa olímpica en Tokio para los Juegos Olímpicos de 2020, que recibirá hasta 17.000 invitados. La principal fuente de energía del pueblo será el hidrógeno: automóviles, gasolineras, pilas de combustible, calor y electricidad en las casas, gas en estufas y calderas; todo esto funcionará con hidrógeno.
¿Está todo tan despejado?
Entre los escépticos de la energía del hidrógeno no solo se encuentran los conservadores, sino también, por ejemplo, Elon Musk (aunque, por supuesto, tiene un conflicto de intereses: las baterías de iones de litio de Tesla son un competidor directo de la tecnología power-to-gas). Indica los peligros de manipular hidrógeno durante el almacenamiento: las fugas son casi imposibles de detectar y existe la posibilidad de que se forme una mezcla explosiva. Algunos residentes de Tokio han expresado preocupaciones similares. Si es posible resolver estos problemas de manera efectiva y económica en el contexto del desarrollo de tecnologías competidoras, el tiempo lo dirá. Mientras tanto, siguen apareciendo estaciones de repostaje de hidrógeno en los centros de las capitales mundiales.
Ya se han realizado apuestas
Hasta ahora, las inversiones globales en energía de hidrógeno se estiman en alrededor de 0,85-1,4 mil millones de euros por año, según diversas estimaciones. El consorcio Hydrogen Council planea invertir $ 13 mil millones durante cinco años en redes de estaciones de servicio de hidrógeno y automóviles de hidrógeno. Según el Departamento de Energía de EE. UU., El sector de las pilas de combustible ya emplea a 16.000 ciudadanos (con un potencial de crecimiento de hasta 200.000), y el apoyo financiero del presupuesto del gobierno de EE. UU. Ha sido de unos 100 millones de dólares al año durante muchos años. Varias decenas de empresas, centros de investigación y universidades de todo el mundo están trabajando para reducir el costo de las tecnologías de hidrógeno, en particular, el objetivo es reducir el costo de producción de hidrógeno por electrólisis de $ 11.5 a $ 5.7 por kilogramo.además de reducir el costo de las pilas de combustible (de tres a cinco veces) y el almacenamiento de hidrógeno (de dos a tres veces). Obviamente, cuando se logren estos objetivos, la "economía del hidrógeno" estará mucho más cerca de nosotros de lo que ahora se puede imaginar.
¿Cómo afectará esto a los mercados mundiales de petróleo y gas? ¿Qué significará esto para la economía rusa? ¿Cómo encontramos nuestro lugar en el mundo de la economía del hidrógeno? Todas estas son preguntas, cuyas respuestas deben prepararse ahora.
