Veículos com célula de combustível a hidrogênio já foram comercializados por empresas como Hyundai, Honda e Toyota, além de várias outras empresas chinesas. Mas o transporte está longe de ser a única direção da energia do hidrogênio.
Sobre as notícias de grande visibilidade dos últimos anos sobre "telhas solares" em miniatura, sobre enormes turbinas eólicas offshore, sobre armazenamento subterrâneo de CO2, sobre dispositivos de armazenamento Tesla e outras delícias do Energiewende (transição de energia), ainda não é muito legível, mas o estrondo distante de uma nova tempestade de todos os fornecedores de petróleo tradicionais já é ouvido. eletricidade e gás. Essa tempestade pode passar à distância, ou pode destruir todo o negócio tradicional dos gigantes da energia e, ao mesmo tempo, as economias dos países exportadores de hidrocarbonetos, ou pode se tornar uma chuva vivificante, apoiando o surgimento da nova economia.
Este novo ataque é apenas o elemento mais comum no universo. Hidrogênio. Algumas previsões em torno desse elemento, em trinta anos haverá uma indústria com faturamento anual de 2,5 trilhões de dólares e trinta milhões de empregos, que poderá deslocar quase 20% dos combustíveis fósseis da economia mundial.
Vamos tentar descobrir quais são as chances desses cenários.
De onde ele veio?
Desde que Lavoisier chamou o hidrogênio, há duzentos e trinta e cinco anos, ele conseguiu ocupar um lugar de destaque na indústria. O hidrogênio é usado para produzir metanol, amônia e margarina comestível, e o óleo é processado com ele. É impossível “tirar da natureza” o hidrogênio em sua forma pura, então outras substâncias precisam ser processadas - o principal método de sua produção continua sendo a reforma a vapor de hidrocarbonetos. O mundo produz cerca de sessenta e cinco milhões de toneladas de hidrogênio em apenas um ano (se compararmos: o gás natural é produzido quase quarenta vezes mais).
Chamamos a atenção para as propriedades especiais do hidrogênio como combustível ainda em meados do século passado - seu calor de combustão é várias vezes maior que o da gasolina, gás natural ou óleo diesel de mesma massa, e nenhuma emissão é gerada, apenas vapor d'água. Nos Estados Unidos, em 1970, havia publicações sobre a transferência do transporte para o hidrogênio combustível, ao mesmo tempo em que se popularizava o termo "economia do hidrogênio" - é uma espécie de imagem do futuro, em que as cidades americanas se afastam completamente da "economia do hidrocarboneto", o hidrogênio é usado como combustível para casas, carros, usinas e energia são armazenados com hidrogênio e produzidos com vento e sol onde necessário. Em outras palavras, a economia do hidrogênio é baseada no hidrogênio como o transportador de energia mais versátil e ecologicamente correto que conecta a energia térmica,setor de eletricidade e transporte. Logo, a crise do petróleo chegou, e o desenvolvimento do transporte de hidrogênio ganhou maior importância. Assim, por exemplo, na URSS da década de 1980 surgiram microônibus RAF "hidrogênio", uma aeronave baseada no Tu-154 e um motor de foguete a hidrogênio para a Energia. O destino desse projeto não é invejável - por exemplo, foi necessário pelo menos um terço do volume útil do compartimento de passageiros para ser destinado aos tanques de combustível do avião, o que afetou muito o custo do transporte. No avião, pelo menos um terço do volume útil do compartimento de passageiros teve que ser alocado para tanques de combustível, o que afetou muito o custo do transporte. No avião, pelo menos um terço do volume útil do compartimento de passageiros teve que ser alocado para tanques de combustível, o que afetou muito o custo do transporte.
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Por que ainda não deu certo?
Não houve uma transição global do transporte para o hidrogênio no século XX - o custo de um quilômetro rodado com hidrogênio era muito maior do que com o combustível convencional. O principal motivo é o alto custo: produzir hidrogênio a partir de hidrocarbonetos (reforma a vapor) ou água (eletrólise) exige muita energia. Além disso, a reforma a vapor de hidrocarbonetos é acompanhada pela liberação de um gás de efeito estufa - o CO2, para combater o qual, entre outras coisas, foi direcionada a ideia de transferir o transporte para o hidrogênio. A produção de hidrogênio por eletrólise (a decomposição da água em oxigênio e hidrogênio por meio da eletricidade) acabou sendo ainda mais cara do que a reforma a vapor e, para produzir a eletricidade necessária, era necessário queimar o combustível com todas as emissões. Tudo isso reduziu um pouco o interesse inicial,e a economia do hidrogênio como um todo, até o final do século XX, permaneceu apenas a “imagem do futuro”.
O que mudou?
A “transição energética” na indústria global de energia elétrica levou ao rápido desenvolvimento da energia renovável nos anos 2000-2010, principalmente na geração solar e eólica. O custo dessas tecnologias está diminuindo constantemente (o valor presente da eletricidade da geração solar e eólica nos Estados Unidos, de acordo com a Lazard, diminuiu 70-80% em 2009-2016). O mercado está crescendo rapidamente (em 2016, de acordo com IRENA, 71 GW de usinas solares fotovoltaicas e 51 GW de usinas eólicas foram comissionadas no mundo, e 90 e 40 GW, respectivamente, devem ser confirmados em 2017) - então, Apenas nos últimos dois anos, mais capacidades de geração eólica e solar foram comissionadas no mundo do que a capacidade total de todas as usinas do Sistema Unificado de Energia da Rússia.
Os investimentos anuais no setor chegam a mais de US $ 250 bilhões - o dobro dos investimentos em geração de combustíveis fósseis. Os recordes de preços de energia solar no México, Dubai, Peru, Abu Dhabi, Chile, Arábia Saudita, energia eólica no Brasil, Canadá, Alemanha, Índia, México e Marrocos atingiram o nível de cerca de 1,7 rublos por kWh (na comparação: residentes de Moscou e da região pagam duas a três vezes mais pela eletricidade em suas casas).
Como prevê a Agência Internacional de Energia, em 2040 a participação da geração de eletricidade a partir de usinas solares e eólicas no mundo será de 13% a 34% (em 2016 - 5%). É claro que a participação dessas fontes em algumas regiões será ainda maior.
Portanto, a indústria de energia está cada vez mais mudando para fontes de geração que são estocásticas e dependem da hora do dia e das condições climáticas. O impacto das flutuações na geração de usinas eólicas e solares (quando o sol para de brilhar repentinamente e o vento sopra) no sistema de energia, se sua participação na região for alta, é comparável ao ligar / desligar caótico de um grande CHP - várias vezes ao dia. Além disso, às vezes essas estações geram muito mais do que todos os consumidores do sistema de energia precisam, e então o custo da eletricidade torna-se "negativo" - essas notícias vêm regularmente da Alemanha, por exemplo.
Aprendemos como lidar com essas flutuações criando dispositivos de armazenamento de energia que “carregam” durante os períodos de excesso de energia e “descarregam” durante os períodos de deficiência energética. Se no século XX o papel de tais dispositivos de armazenamento era desempenhado apenas por estações de armazenamento bombeado, então hoje os dispositivos de armazenamento eletroquímico estão em desenvolvimento ativo, o mais famoso dos quais são os projetos "novos" de Tesla na Califórnia e na Austrália. A Navigant Research prevê um aumento no comissionamento anual da capacidade de armazenamento de fontes de energia renováveis de cerca de 2 GW em 2018 para 24 GW em 2026 - doze vezes em oito anos. A receita anual neste mercado crescerá proporcionalmente para US $ 24 bilhões até 2026.
A crescente necessidade de armazenamento de energia fez as pessoas pensarem novamente sobre o hidrogênio.
Energia renovável - em postos de gasolina
Antes era possível produzir hidrogênio por eletrólise, mas depois foi necessário usar a energia das tradicionais termelétricas que queimam combustível. Quando se trata de eletricidade excedente e barata de fazendas solares e eólicas, livre de emissões de CO2, por que não convertê-la em hidrogênio, que pode ser usado como combustível limpo, por exemplo, para automóveis? Além disso, isso permitirá abandonar os hidrocarbonetos como matéria-prima para a produção de hidrogênio. Muitas empresas inovadoras na Europa e no mundo seguem exatamente esse caminho. A ITM Power, sediada no Reino Unido, participa do projeto Hydrogen Mobility Europe (H2ME), que visa lançar uma rede de vinte e nove estações de abastecimento de hidrogênio em dez países europeus até 2019.que atenderá a duzentos carros com célula de combustível de hidrogênio e cento e vinte e cinco caminhões híbridos. A Nilsson Energy da Suécia é especializada em soluções isoladas de rede que usam energia solar e eólica para gerar e armazenar hidrogênio e usá-lo para abastecer carros e prédios de energia.
Veículos com célula de combustível a hidrogênio já foram comercializados pela Honda, Toyota, Hyundai e várias empresas chinesas. A visão do consórcio internacional Hydrogen Council, fundado em Davos em 2017 pelas maiores empresas do setor sob a presidência da Toyota, é de mais de 400 milhões de automóveis de passageiros, 15-20 milhões de caminhões, 5 milhões de ônibus movidos a hidrogênio até 2050 (ou seja, cerca de 20-25% de total). 78% dos executivos automotivos globais entrevistados pela KPMG em 2017 acreditam que esses veículos serão um avanço no setor de veículos elétricos, ofuscando os carros movidos a bateria.
Mas o transporte está longe de ser a única direção.
Hidrogênio para cada casa
Células de combustível estacionárias (células de combustível) - uma tecnologia de desenvolvimento dinâmico que permite obter energia elétrica e térmica de hidrogênio ou gás natural diretamente na área da casa ou no porão da casa. Há apenas uma emissão ao usar hidrogênio - água limpa que pode ser usada para ar condicionado. Unidades modulares compactas do tamanho de um refrigerador são absolutamente silenciosas. De acordo com a previsão da Navigant Research, a capacidade das células a combustível estacionárias crescerá de 500 MW em 2018 para 3.000 MW em 2025.
Essas instalações são combinadas com fontes de energia renováveis, eletrolisadores, dispositivos de armazenamento de energia e permitem a criação de fontes de fornecimento de energia autônomas completas para a casa. O custo atual da eletricidade das células a combustível de gás natural nos Estados Unidos, de acordo com a Lazard ($ 106-167 por MWh), já é aproximadamente igual aos indicadores das usinas nucleares ($ 112-183 por MWh) e carvão ($ 60-231 por MWh) e menos do que o valor presente de painéis solares individuais no telhado (US $ 187–319 por MWh). No Japão, graças a subsídios governamentais massivos, já havia mais de 120.000 dessas instalações em 2014, e os valores-alvo são mais de 1 milhão em 2020 e mais de 5 milhões em 2030.
À medida que as tecnologias se tornam mais baratas (produção em massa, padronização) e alcançam sua autossuficiência, o governo japonês planeja começar a introduzir células a combustível de hidrogênio - espera-se que isso aconteça até 2030. As células a combustível são, sem dúvida, o segmento promissor mais importante das tecnologias de energia distribuída, cujo potencial na Rússia, de acordo com um estudo recente do Centro de Energia da Escola Skolkovo, é suficiente para cobrir pelo menos metade da necessidade de capacidades de geração até 2035.
Power-to-Gas
O hidrogênio obtido de fontes renováveis de energia pode ser misturado às redes de transmissão e distribuição de gás. Essa estação está operando em Frankfurt am Main desde 2014, adicionando 2% de hidrogênio à rede de distribuição de gás local (tal limitação do conteúdo de hidrogênio torna possível não mudar nada nas redes ou nos consumidores). Existem vários objetos semelhantes na Alemanha, eles também são encontrados na Itália, Dinamarca, Holanda. Às vezes, o hidrogênio é misturado ao biogás, aumentando seu valor.
No Reino Unido, o hidrogênio é seriamente considerado uma forma de reduzir radicalmente as emissões das residências (85% das residências no país queimam gás natural para aquecimento). Para a cidade de Leeds, com uma população de mais de 780.000 habitantes, em 2017, uma avaliação detalhada da necessidade de investimento foi realizada para a conversão completa do sistema de fornecimento de gás em hidrogênio - desde a substituição de caldeiras nos consumidores até a criação de instalações subterrâneas de armazenamento de hidrogênio e unidades de reforma de vapor. O valor do investimento é estimado em cento e sessenta bilhões de rublos. Este projeto será dimensionado para todo o país, especialmente porque as cidades britânicas durante o século 19 e a primeira metade do século 20 já usavam "gás de cidade" artificial contendo até 50% de hidrogênio. Nesse ínterim, as empresas de gás planejam aumentar gradualmente a participação do hidrogênio para 20%,evitar a reconstrução em grande escala de redes de gás e caldeiras nos consumidores.
Desde 2013, as empresas japonesas vêm discutindo com a RusHydro a possibilidade de criar uma planta de produção de hidrogênio no Extremo Oriente russo usando tecnologia de energia para gás para exportação. Os cálculos do lado japonês são baseados principalmente no uso de eletricidade barata de usinas hidrelétricas. Sob um acordo assinado no Fórum Econômico do Leste no outono de 2017, a Kawasaki Heavy Industries deve atualizar o estudo de viabilidade para este projeto. Conforme a infraestrutura no Extremo Oriente se desenvolve e o custo da eletrólise e das tecnologias de logística de hidrogênio diminui, o interesse em tais projetos obviamente só aumentará. Considerando o enorme potencial de energia renovável nesta região, pode-se prever o surgimento de projetos de exportação promissores aqui.
Hidrogênio - integrador da química dos gases e energia
Mas o projeto mais impressionante está agora no norte da Holanda. Nesta região, localizada diretamente acima do campo de gás Groningen (a causa da "doença holandesa"), a energia do biogás está em alta por vários anos. Já há cinco anos, os carros circulavam pelas ruas com o gás groen - biometano produzido aqui a partir dos resíduos da indústria agrícola da região com uma área de duas Moscou. Não é de estranhar que foi aqui, com o apoio da União Europeia, que o projeto Chemport Europe foi lançado há um ano, cujo principal objetivo é criar um pólo químico de gás completo operando exclusivamente em recursos biológicos locais e hidrogênio com zero emissões de CO2. A biomassa lenhosa é processada, os carboidratos formados no processo são usados na química. A eletricidade das turbinas eólicas offshore é convertida em hidrogênio e oxigênio por eletrolisadores. O oxigênio e o hidrogênio são usados na química, e o oxigênio também está envolvido na gaseificação da biomassa processada de campos locais de mais de um milhão de hectares. A gaseificação possibilita a obtenção do gás sintético - uma mistura pura de hidrogênio, CO2 e CO. Hidrogênio puro de turbinas eólicas também é adicionado lá. Desse gás, obtêm-se ácido nítrico, metanol, etileno, propeno, buteno - substâncias que podem deslocar completamente o petróleo e o gás natural de suas posições estáveis de matéria-prima para a indústria química.que podem deslocar completamente o petróleo e o gás natural de suas posições estáveis como matérias-primas para a indústria química.que podem deslocar completamente o petróleo e o gás natural de suas posições estáveis como matérias-primas para a indústria química.
Os iniciadores do projeto declaram seu desejo de aproximar o custo do gás sintético do custo do gás natural. O Syngas pode ser enviado para liquefação (bio-LNG), reabastecido por veículos e utilizado para outras necessidades clássicas.
O investimento inicial no projeto é de € 50 milhões, dos quais € 15 milhões são provenientes de bolsas da União Europeia.
Vila Olímpica de Hidrogênio
Uma vila olímpica está sendo construída em Tóquio para os Jogos Olímpicos de 2020, que receberá até 17.000 convidados. A principal fonte de energia da aldeia será o hidrogênio: carros, postos de gasolina, células de combustível, calor e eletricidade nas casas, gás nos fogões e caldeiras - tudo isso funcionará com hidrogênio.
Está tudo tão sem nuvens?
Entre os céticos da energia do hidrogênio não estão apenas os conservadores, mas também, por exemplo, Elon Musk (embora, é claro, ele tenha um conflito de interesses: as baterias de íon-lítio de Tesla são um competidor direto da tecnologia power-to-gas). Ele indica os perigos do manuseio do hidrogênio durante o armazenamento: vazamentos são quase impossíveis de detectar e há potencial para a formação de uma mistura explosiva. Alguns residentes de Tóquio expressaram preocupações semelhantes. Se é possível resolver esses problemas de forma eficaz e barata no contexto do desenvolvimento de tecnologias concorrentes, o tempo dirá. Nesse ínterim, continuam surgindo postos de abastecimento de hidrogênio nos centros das capitais mundiais.
As apostas já foram feitas
Até agora, os investimentos globais em energia de hidrogênio são estimados em cerca de € 0,85-1,4 bilhões por ano, de acordo com várias estimativas. O consórcio Hydrogen Council planeja investir US $ 13 bilhões ao longo de cinco anos em redes de postos de abastecimento de hidrogênio e carros a hidrogênio. De acordo com o Departamento de Energia dos Estados Unidos, o setor de células de combustível já emprega 16.000 cidadãos (com potencial de crescimento de até 200.000) e o apoio financeiro do orçamento do governo dos Estados Unidos é de cerca de US $ 100 milhões por ano há muitos anos. Várias dezenas de empresas, centros de pesquisa e universidades em todo o mundo estão trabalhando para reduzir o custo das tecnologias de hidrogênio, em particular, o objetivo é reduzir o custo de produção de hidrogênio por eletrólise de US $ 11,5 para US $ 5,7 por quilograma,além de reduzir o custo das células a combustível (três a cinco vezes) e do armazenamento de hidrogênio (duas a três vezes). Obviamente, quando esses objetivos forem alcançados, a "economia do hidrogênio" estará muito mais perto de nós do que podemos imaginar agora.
Como isso afetará os mercados globais de petróleo e gás? O que isso significa para a economia russa? Como encontramos nosso lugar no mundo da economia do hidrogênio? Todas essas são perguntas, cujas respostas precisam ser preparadas agora.
