Ce este hidrogenul verde și de ce avem nevoie de el

Este momentul potrivit pentru a valorifica potențialul hidrogenului de a juca un rol-cheie în abordarea provocărilor energetice critice. Succesele recente ale tehnologiilor de energie din surse regenerabile și ale vehiculelor electrice au arătat că inovarea în materie de politici și tehnologie are puterea de a construi industrii globale de energie curată.

Hidrogenul apare ca una dintre principalele opțiuni de stocare a energiei din surse regenerabile cu combustibili pe bază de hidrogen care ar putea transporta energie din surse regenerabile pe distanțe lungi – de la regiuni cu resurse energetice abundente, la zone consumatoare de energie la mii de kilometri distanță.

Hidrogenul verde a apărut într-o serie de angajamente de reducere a emisiilor la Conferința ONU privind schimbările climatice, COP26, ca mijloc de decarbonizare a industriei grele, a transportului de marfă pe distanțe lungi, a transportului maritim și a aviației. Atât guvernele, cât și industria au recunoscut hidrogenul ca un pilon important al unei economii zero nete.

Catapulta hidrogenului verde, o inițiativă a Organizației Națiunilor Unite de a reduce costul hidrogenului verde, a anunțat că aproape își dublează obiectivul pentru electrolizoarele verzi de la 25 de gigawați stabiliți anul trecut, la 45 de gigawați până în 2027. Comisia Europeană a adoptat un set de propuneri legislative pentru decarbonizarea pieței gazelor din UE prin facilitarea adoptării gazelor regenerabile și cu emisii scăzute de dioxid de carbon, inclusiv a hidrogenului, și pentru a asigura securitatea energetică pentru toți cetățenii din Europa. Emiratele Arabe Unite cresc, de asemenea, ambiția, noua strategie a țării privind hidrogenul vizând să dețină o pătrime din piața globală a hidrogenului cu emisii scăzute de dioxid de carbon până în 2030, iar Japonia a anunțat recent că va investi 3,4 miliarde de dolari din fondul său de inovare ecologică pentru a accelera cercetarea și dezvoltarea și promovarea utilizării hidrogenului în următorii 10 ani.

S-ar putea să întâlniți termenii "gri", "albastru", "verde" care sunt asociați atunci când descrieți tehnologiile hidrogenului. Totul se rezumă la modul în care este produs. Hidrogenul emite numai apă atunci când este ars, dar crearea acestuia poate fi intensivă din punct de vedere al emisiilor de carbon. În funcție de metodele de producție, hidrogenul poate fi gri, albastru sau verde – și uneori chiar roz, galben sau turcoaz. Cu toate acestea, hidrogenul verde este singurul tip produs într-un mod neutru din punct de vedere climatic, ceea ce face esențială atingerea nivelului net zero până în 2050.

L-am rugat pe dr. Emanuele Taibi, șeful strategiilor de transformare a sectorului energetic, Agenția Internațională pentru Energie Regenerabilă (IRENA) să explice ce este hidrogenul verde și cum ar putea deschide calea către zero emisii nete. În prezent, el se află la Centrul de Inovare și Tehnologie IRENA din Bonn, Germania, unde este responsabil pentru sprijinirea țărilor membre în elaborarea strategiilor de transformare a sectorului energetic, iar în prezent gestionează activitatea privind flexibilitatea sistemului energetic, hidrogenul și stocarea ca factori-cheie pentru tranziția energetică. Dr. Taibi este, de asemenea, co-curator al platformei de inteligență strategică a Forumului Economic Mondial, unde echipa sa a dezvoltat harta transformării pe hidrogen.

Tehnologii pe bază de hidrogen verde

Ce v-a motivat să vă dezvoltați expertiza în domeniul tehnologiilor energetice și cum contribuie munca dumneavoastră la IRENA la aceasta?

A fost în timpul tezei mele de master. Am făcut un stagiu la Agenția Națională italiană pentru Energie și Mediu (ENEA), unde am învățat despre dezvoltarea durabilă și energie și despre legătura dintre cele două. Mi-am scris teza în ingineria managementului despre asta și am decis că acesta este domeniul în care vreau să-mi concentrez viața profesională. Pe repede înainte, aproape 20 de ani de experiență în domeniul energiei și al cooperării internaționale, un doctorat în tehnologia energetică și timpul petrecut în sectorul privat, cercetare și agenții interguvernamentale, conduc în prezent echipa de transformare a sectorului energetic la IRENA din 2017.

Activitatea mea la IRENA este de a contribui, împreună cu echipa mea și în strânsă cooperare cu colegii din cadrul agenției și cu partenerii externi, cum ar fi Forumul Economic Mondial, la sprijinirea celor 166 de țări membre în tranziția energetică, cu accent pe furnizarea de energie electrică din surse regenerabile și utilizarea acesteia pentru decarbonizarea sectorului energetic prin electroni verzi, precum și molecule verzi, cum ar fi hidrogenul și derivații săi.

Ce este hidrogenul verde? Prin ce se deosebește de hidrogenul "gri" tradițional cu emisii ridicate de emisii și de hidrogenul albastru?

Hidrogenul este cel mai simplu și mai mic element din tabelul periodic. Indiferent de modul în care este produsă, se termină cu aceeași moleculă fără carbon. Cu toate acestea, căile de producere a acestuia sunt foarte diverse, la fel și emisiile de gaze cu efect de seră, cum ar fi dioxidul de carbon (CO2) și metanul (CH4).

Hidrogenul verde este definit ca hidrogenul produs prin divizarea apei în hidrogen și oxigen folosind energie electrică din surse regenerabile. Aceasta este o cale foarte diferită în comparație cu griul și albastrul.

Hidrogenul gri este produs în mod tradițional din metan (CH4), împărțit cu abur în CO2 – principalul vinovat pentru schimbările climatice – și H2, hidrogenul. Hidrogenul gri a fost produs din ce în ce mai mult și din cărbune, cu emisii de CO2 semnificativ mai mari pe unitatea de hidrogen produsă, atât de mult încât este adesea numit hidrogen brun sau negru în loc de gri. Acesta este produs la scară industrială în prezent, cu emisii asociate comparabile cu emisiile combinate din Marea Britanie și Indonezia. Nu are valoare de tranziție energetică, dimpotrivă.

Hidrogenul albastru urmează același proces ca și griul, cu tehnologiile suplimentare necesare pentru captarea CO2 produs atunci când hidrogenul este împărțit din metan (sau din cărbune) și pentru a-l stoca pe termen lung. Nu este o singură culoare, ci mai degrabă o gradație foarte largă, deoarece nu se poate capta 100% din CO2 produs și nu toate mijloacele de stocare a acestuia sunt la fel de eficiente pe termen lung. Principalul punct este că captarea unei mari părți a CO2, impactul asupra climei al producției de hidrogen poate fi redus semnificativ.

Există tehnologii (adică piroliză metan) care promit rate ridicate de captare (90-95%) și stocare eficientă pe termen lung a CO2 în formă solidă, potențial mult mai bună decât albastrul încât își merită propria culoare în "curcubeu taxonomie a hidrogenului", hidrogen turcoaz. Cu toate acestea, piroliza metanului se află încă în stadiu pilot, în timp ce hidrogenul verde se extinde rapid pe baza a două tehnologii-cheie - energia regenerabilă (în special energia solară fotovoltaică și eoliană, dar nu numai) și electroliza.

Spre deosebire de energia din surse regenerabile, care este cea mai ieftină sursă de energie electrică în majoritatea țărilor și regiunilor în prezent, electroliza pentru producția de hidrogen verde trebuie să crească în mod semnificativ și să își reducă costurile de cel puțin trei ori în următorul deceniu sau două. Cu toate acestea, spre deosebire de CSC și piroliza metanului, electroliza este disponibilă în comerț astăzi și poate fi achiziționată de lamai mulți furnizori internaționali chiar acum.

Soluții de energie pe bază de hidrogen verde

Care sunt meritele soluțiilor de tranziție energetică către o economie "verde" bazată pe hidrogen? Cum am putea trece la o economie a hidrogenului verde de unde ne aflăm în prezent cu hidrogen gri?

Hidrogenul verde este o piesă importantă a tranziției energetice. Nu este următorul pas imediat, deoarece trebuie mai întâi să accelerăm în continuare implementarea energiei electrice din surse regenerabile pentru a decarboniza sistemele energetice existente, pentru a accelera electrificarea sectorului energetic pentru a mobiliza energia electrică din surse regenerabile cu costuri reduse, înainte de a decarboniza în cele din urmă sectoarele care sunt dificil de electrificat – cum ar fi industria grea, transportul maritim și aviația – prin hidrogen verde.

Este important de remarcat faptul că astăzi producem o cantitate semnificativă de hidrogen gri, cu emisii ridicate de CO2 (și metan): prioritatea ar fi începerea decarbonizării cererii existente de hidrogen, de exemplu prin înlocuirea amoniacului din gazele naturale cu amoniac verde.

Studii recente au stârnit o dezbatere cu privire la conceptul de hidrogen albastru ca combustibil de tranziție până când hidrogenul verde devine competitiv din punctul de vedere al costurilor. Cum ar deveni hidrogenul verde competitiv din punctul de vedere al costurilor față de hidrogenul albastru? Ce fel de investiții strategice trebuie să aibă loc în procesul de dezvoltare tehnologică?

Primul pas este de a oferi un semnal pentru ca hidrogenul albastru să înlocuiască griul, deoarece fără un preț pentru emiterea de CO2, nu există argumente economice pentru ca întreprinderile să investească în sisteme complexe și costisitoare de captare a carbonului (CSC) și în depozite geologice de CO2. Odată ce cadrul este de așa natură încât hidrogenul cu emisii scăzute de dioxid de carbon (albastru, verde, turcoaz) este competitiv cu hidrogenul gri, atunci întrebarea devine: ar trebui să investim în CSC dacă riscul este de a avea active depreciate și cât de curând verdele va deveni mai ieftin decât albastru.

Răspunsul va diferi, desigur, în funcție de regiune. Într-o lume cu zero net, un obiectiv la care din ce în ce mai multe țări se angajează, emisiile rămase de hidrogen albastru ar trebui să fie compensate cu emisii negative. Acest lucru va veni la un cost. În paralel, prețurile gazelor naturale au fost foarte volatile în ultima perioadă, lăsând prețul hidrogenului albastru foarte corelat cu prețul gazului și expus nu numai incertitudinii prețurilor CO2, ci și volatilității prețurilor gazelor naturale.

Pentru hidrogenul verde, cu toate acestea, am putea asista la o poveste similară cu cea a pv solare. Prin urmare, este intensiv capitalul, prin urmare, trebuie să reducem costurile de investiții, precum și costul investițiilor, prin extinderea producției de tehnologii regenerabile și electrolizoare, creând în același timp o reducere a riscului scăzut pentru a reduce costul capitalului pentru investițiile în hidrogen verde. Acest lucru va duce la un cost stabil, în scădere al hidrogenului verde, spre deosebire de un cost volatil și potențial în creștere al hidrogenului albastru.

Tehnologiile în domeniul energiei din surse regenerabile au atins deja un nivel de maturitate în prezent, care permite producerea competitivă de energie electrică din surse regenerabile în întreaga lume, o condiție prealabilă pentru o producție competitivă de hidrogen verde. Electrolizoarele sunt încă dislocate la scară foarte mică, având nevoie de o scară de până la trei ordine de mărime în următoarele trei decenii pentru a-și reduce costurile de trei ori.

Astăzi, conducta pentru proiecte de hidrogen verde este pe drumul cel bun pentru o înjumătățire a costurilor electrolizorului înainte de 2030. Acest lucru, combinat cu proiecte mari situate acolo unde sunt cele mai bune resurse regenerabile, poate duce la disponibilitatea la scară largă a hidrogenului verde competitiv în următorii 5-10 ani. Acest lucru nu lasă prea mult timp hidrogenului albastru – aflat încă în stadiul pilot în prezent – să se extindă de la scară pilot la scară comercială, să implementeze proiecte complexe (de exemplu, stocarea geologică a CO2 pe termen lung) la scară comercială și la costuri competitive și să recupereze investițiile realizate în următorii 10-15 ani.

Mai multe guverne au inclus acum tehnologiile privind combustibilii pe bază de hidrogen în strategiile lor naționale. Având în vedere cererile tot mai mari de tranziție către decarbonizarea economiei și tehnologiile generice cu rate mai mari de captare a carbonului, care ar fi sfatul dumneavoastră pentru factorii de decizie politică și factorii de decizie care evaluează avantajele și dezavantajele hidrogenului verde?

Vom avea nevoie de hidrogen verde pentru a ajunge la zero emisii nete, în special pentru industrie, transport maritim și aviație. Cu toate acestea, ceea ce avem nevoie cel mai urgent este:

1) eficiența energetică;

2) electrificare;

3) creșterea accelerată a producției de energie din surse regenerabile.

Odată ce acest lucru este realizat, rămânem cu aproximativ 40 % din cerere pentru a fi decarbonizați, iar aici avem nevoie de hidrogen verde, bioenergie modernă și utilizarea directă a surselor regenerabile de energie. Odată ce vom extinde și mai mult energia din surse regenerabile pentru a decarboniza energia electrică, vom fi în măsură să extindem în continuare capacitatea de energie din surse regenerabile pentru a produce hidrogen verde competitiv și pentru a decarboniza sectoarele greu accesibile la costuri suplimentare minime.

Unde vedeți evoluția tehnologiilor energetice legate de hidrogen până în 2030? Am putea anticipa vehiculele comerciale alimentate cu hidrogen?

Vedem oportunitatea utilizării rapide a hidrogenului verde în următorul deceniu în care există deja cererea de hidrogen: decarbonizarea amoniacului, a fierului și a altor mărfuri existente. Multe procese industriale care utilizează hidrogen pot înlocui griul cu verde sau albastru, cu condiția ca CO2 să aibă un preț adecvat sau să fie instituite alte mecanisme pentru decarbonizarea acestor sectoare.

Pentru transport maritim și aviație, situația este ușor diferită. Combustibilii drop-in, pe bază de hidrogen verde, dar în esență identici cu combustibilul pentru avioane și metanolul produs din petrol, pot fi utilizați în avioanele și navele existente, cu ajustări minime sau fără ajustări. Cu toate acestea, acești combustibili conțin CO2, care trebuie captat de undeva și adăugat la hidrogen, pentru a fi eliberați din nou în timpul arderii: acest lucru reduce, dar nu rezolvă problema emisiilor de CO2. Combustibilii sintetici pot fi utilizați înainte de 2030, dacă există stimulentele adecvate pentru a justifica costul suplimentar al emisiilor reduse (nu eliminate).

În următorii ani, navele pot trece la amoniac verde, un combustibil produs din hidrogen verde și azot din aer, care nu conține CO2, dar vor fi necesare investiții pentru a înlocui motoarele și rezervoarele, iar amoniacul verde este în prezent mult mai scump decât păcura.

Avioanele cu hidrogen (sau amoniac) sunt mai departe, iar acestea vor fi, în esență, avioane noi care trebuie să fie proiectate, construite și vândute companiilor aeriene pentru a înlocui avioanele existente alimentate cu combustibil pentru avioane cu reacție – în mod clar imposibile până în 2030: în acest sens, combustibilul verde pentru avioane – produs cu o combinație de hidrogen verde și bioenergie durabilă – este o soluție care poate fi implementată pe termen scurt.

În concluzie, principalele acțiuni de accelerare a decarbonizării până în 2030 sunt 1) eficiența energetică 2) electrificarea cu surse regenerabile de energie 3) accelerarea rapidă a generării de energie din surse regenerabile (ceea ce va reduce și mai mult costul deja scăzut al energiei electrice din surse regenerabile) 4) extinderea bioenergiei durabile și moderne, necesară - printre altele - pentru a produce combustibili verzi care necesită CO2 5) decarbonizarea hidrogenului gri cu hidrogen verde, care ar aduce o scară și ar reduce costul electrolizei, făcând hidrogenul verde competitiv și pregătit pentru o nouă extindere în anii 2030, în vederea atingerii obiectivului de a atinge zero emisii nete până în 2050.

Forumul Economic Mondial este un susținător de lungă durată al agendei privind hidrogenul curat din 2017, contribuind, printre altele, la crearea Consiliului hidrogenului, la instituirea unei provocări de inovare în domeniul hidrogenului în parteneriat cu Mission Innovation și la crearea, împreună cu Comisia pentru tranziții energetice, a platformei misiunii Posibile pentru a ajuta la tranziția sectoarelor greu de redus la zero emisii nete până în 2050. Citiți mai multe despre Inițiativa privind accelerarea hidrogenului curat aici.