Технології енергетичного переходу: інновації, впровадження та масштабування

01/ 10/ 2021

Автори: Максим Хіло Керівник з технологічного проектування в Україні Оксана Роман Лідер з енергетичної трансформації в Центральній та Східній Європі Юрій Юденко Керівник з ринкових досліджень в Україні Power-to-X: звязуючий інгредієнт для енергетичного переходу. Відновлювана енергія відіграє вирішальну роль у енергетичному переході (energy transition), довгострокових структурних змінах в енергетичних системах для досягнення нульового рівня викидів до 2050 року. За даними Міжнародного агентства з відновлюваних джерел енергії (IRENA), до 2050 року дві третини загального постачання енергії повинні надходити з відновлюваних джерел: тих, які природним чином поповнюються протягом життя людини, включаючи вуглецево-нейтральні джерела, такі як сонячне світло, вітер, дощ, припливи і відпливи, хвилі та геотермальне тепло. Хоча вуглецева нейтральність біомаси є дискусійним питанням, вона також часто включається до переліку відновлювальних джерел. Швидкий розвиток систем відновлюваної енергії спростував основні припущення щодо традиційної генеруючої потужності, тобто цілорічну доступність та можливості регулювати вихідну потужність електроенергії на вимогу – або так зване генерування енергії, що піддається управлінню. Гідроелектроенергія, яка зараз складає найбільшу частку світових відновлюваних генеруючих потужностей (а саме, 43%), і біомаса є керованими джерелами енергії, а геотермальна енергія відносно стабільним. Навпаки, драйвери зростання відновлюваних технологій із помітним зменшенням витрат – сонячні фотоелектричні та вітрові електроенергетичні системи – вочевидь, залежать від наявності сонця та вітру. Сонячна та вітрова енергія являють собою перемінні, або переривчасті, відновлювані джерела енергії. Ефективна інтеграція високих часток перемінної відновлюваної енергії в енергосистеми є одночасно важливою проблемою та передумовою успіху енергетичної трансформації. І саме тут починає діяти концепція Power-to-X (PtX, P2X) (дослівно: Енергія-в-X). Power-to-X можна визначити як загальний термін для різноманітних варіантів перетворення надлишкової електроенергії в енергетичних системах з високою часткою перемінних відновлюваних джерел енергії. Загалом під високою часткою розуміють понад 30% суміші електроенергії, оскільки вважається, що вище цього порогу проблема інтеграції коливального постачання електроенергії в мережу стає надскладною для керування. Зокрема, це висуває абсолютно нові вимоги до гнучкості системи, яка раніше в процесі генерування енергії, що піддається управлінню, забезпечувалася зі сторони постачання, а тепер має бути створена рішеннями для зберігання енергії в мережі, на стороні попиту та загальносистемними рішеннями щодо зберігання енергії. Нещодавно IRENA визначило Power-to-X (разом з масштабними акумуляторними рішеннями) як ключовий фактор гнучкості у всій системі, який забезпечує зберігання надлишків генерування енергії на стороні постачання, «розумну електрифікацію» секторів кінцевого споживання на стороні попиту та зменшення перевантажень, що додає гнучкості мережі. Цікавим трактуванням визначення Power-to-X є «електрони-у-молекули», що відображає перетворення електронів у молекулярну енергію, яку можна зберігати. Вважається, що термін Power-to-X вперше зявився у Німеччині. Ця країна залишається однією з рушійних сил розвитку Power-to-X. Прикладом є Power-to-X Allianz, міжгалузева ініціативу в Німеччині, яка «зосереджена на інноваційних та кліматично нейтральних технологіях та рішеннях на основі зеленого водню». Хоча Power-to-X стала часто вживаним словом нещодавно, концепція бере свій початок у 1970-х роках, коли увагу до водневих рішень стимулювали стрибки цін на нафту та зростаюча екологічна стурбованість, а також було представлено бачення водневої економіки. Цей інтерес знову виріс у 2010-х роках, зокрема у Німеччині, і продовжує поширюватись світом в межах концепції енергетичного переходу. Водень є ядром концепції Power-to-X. Завдяки своїй здатності утворювати багаті енергією звязки і найменшій вазі, атомарний водень (одинарний атом водню) вважається оптимальним елементом для носіїв енергії. Водень та синтетичні палива на основі водню здатні економічно вигідно накопичувати величезні обсяги енергії. А при використанні для інших потреб зелений водень може представляти життєздатні рішення для декарбонізації найпроблемніших для скорочення викидів секторів, таких як важка промисловість та важкий транспорт. Зелений водень у рішеннях Power-to-X виробляється разом з киснем за допомогою електрохімічного процесу електролізу води шляхом застосування електричної енергії з відновлюваних джерел. Кисень вважається побічним продуктом, який зазвичай викидається в атмосферу, проте він має ряд корисних застосувань, наприклад у металевому, хімічному та скляному виробництві та медичному обслуговуванні. На сьогоднішній день електроліз все ще є нішевим методом виробництва водню: за різними оцінками, його частка у загальному традиційному виробництві водню не перевищує 5%. У даний час електролітичне виробництво водню дорожче інших методів виробництва, що обумовлює необхідність зменшення витрат та підвищення ефективності технології. Існують три основні виробничі шляхи, повязаних з електролізом води, які вже використовуються або знаходяться в процесі розробки для подальшого масштабування: Лужні електролізери (ALK – Alkaline) – це перевірена часом технологія, яка має тривалий термін служби стеку та менші капітальні витрати порівняно з електролізерами з протонообмінною мембраною, однак очікується, що різниця у вартості зменшиться. Електролізери з протонообмінною мембраною (PEM – Proton exchange membrane) є комерційно доступними та набувають популярності, зокрема, завдяки їх більш швидкій реакції за умови експлуатації у режимах навантаження зі змінною потужністю (що забезпечує гнучку роботу) та меншому розміру. Крім того, такі електролізери виробляють водень при більш високому тиску, що важливо, наприклад для мобільних застосувань. Твердооксидні електролізери (SOEC – Solid oxide electrolyzer cell), що працюють при високих температурах, знаходяться на стадії розробки. Капітальні витрати при впровадженні цієї технології вищі, при цьому вони можуть забезпечити більш високу ефективність перетворення. Твердооксидні електролізери також дозволяють виробляти синтез-газ безпосередньо з пари та вуглекислого газу. За оцінками експертів, ця технологія має значний проривний потенціал. Power-to-X, перетворення відновлюваної електроенергії в зелений водень, може бути або «кінцевим пунктом» (зелений водень замінює водень, отриманий з викопної сировини, в традиційних застосуваннях його як сировини або використовується в нових застосуваннях як енергоносій), або лише першим кроком у процесі. Вироблений водень може виступати в якості «будівельного матеріалу» для різноманітних продуктів та класів продуктів, а також для застосувань, включаючи, серед іншого: Power-to (стани речовини) Power-to (продукти) Power-to (застосування) -Газ -Рідина -Тверда речовина -Aміак -Водень -Метан (-Синтетичний природний газ) -Метанол -Синтез-газ -Хімічні продукти -Добрива -Продукти харчування -Тепло (-Охолодження) -Промисловість -Мобільність -Енергія -Нафтопереробка -Сталь Power-to-X може, що важливо, інтегрувати різні технології декарбонізації. У деяких технологічних шляхах водень поєднується з вуглекислим газом, що виловлюється. Наприклад, Power-to-Methane (Енергія-в-Метан) поєднує зелений водень з вуглекислим газом для виробництва метану за допомогою реакції метанації, такою як реакція Сабатьє або біологічна метанація. Згідно з «Баченням щодо чистої планети до 2050 року» Європейської Комісії, «єдиним найважливішим чинником декарбонізації енергетичної системи є зростаюча роль електроенергії як у кінцевому попиті на енергію, так і в постачанні альтернативних видів палива, які в основному будуть задовольнятися електроенергією з відновлюваних джерела, зокрема, вітровою та сонячною». Важливе значення Power-to-X полягає у можливості на її базі масового розгортання та використання електроенергії з відновлюваних джерел через зєднання енергетичної та газової інфраструктури, або так зване обєднання секторів (sector coupling), що усуває традиційний поділ між ними та дозволяє інтеграцію енергосистеми на основі відновлюваних джерел енергії з секторами енергоспоживання (промисловість, будівлі, транспорт). Це також підвищує гнучкість та ефективність енергосистеми та дозволяє скоротити викиди у найпроблемніших для цього секторах, що є істотною передумовою для досягнення економіки з нульовим викидом вуглецю до 2050 року. Огляд комерційного застосування Power-to-X на основі проектів, що спостерігаються на ринку. У 2020–2021 роках стимулюючі заходи Європейської Комісії, а саме запровадження Водневої та Промислової стратегій ЄС, оголошення національних cкликань проектів IPCEI (Important Project of Common European Interest/ Важливий проект загальноєвропейського інтересу), створення спеціальних фондів та альянсів та інші, призвели до зростаючої кількості оголошень нових проектів в Європі та за її межами. Глобальні гравці по всьому ланцюгу постачання та споживання енергії приєдналися до цього кроку під тиском зростаючого попиту на більш екологічну продукцію, посилення регулювання викидів вуглецю в Європі та підвищення вимог фінансових організацій щодо стійких інвестиції. З концепцією Power-to-X в основі моделі проектів будуються в залежності від комерційної доступності відновлюваної енергії, наявності та доступності інфраструктури, уподобань клієнтів щодо типу та мети застосування компонента «X», а також законодавчих нормативів та стимулів з боку держави. Виходячи з доступності та потужностей відновлюваної електроенергії, основні види бізнес-моделей з використанням електролізеру є наступні: Електролізна установка, підключена до джерел відновлюваної енергії. При практично повній вуглецевій нейтральності електроенергії ця модель має потенціал для нижчої вирівняної вартості електроенергії (LCOE – levelized cost of electricity) та, як результат, більш конкурентоспроможної вартості водню. Серед ключових обмежень моделі може бути залежність від розташування та генеруючої потужності відновлюваної енергії, нижчий середній коефіцієнт навантаження електролізера через переривчастість генерації електроенергії, що в свою чергу призводить до зниження обсягів та переривання виробництва водню. Електролізна установка, підключена до електромережі. Ключовими перевагами цієї моделі є незалежність у розташуванні електролізної установки, наявність зеленої електроенергії через гарантії походження (GO – Guarantee of Origin) або угоду про закупівлю електроенергії (PPA – Power purchase agreement), високий коефіцієнт навантаження електролізера та практично стабільний обсяг вироблення водню. Однак, зворотною стороною моделі може бути обмежена доступність електромереж, а також додаткові капітальні витрати та тарифи за приєднання до електромережі та її використання. Електролізна установка, підключена як до установки генерації відновлюваної енергії, так і до електромережі. Модель поєднує в собі переваги та обмеження як електролізерів підключених до потужностей відновлюваної енергії, так і підключених до мережі. Позитивною стороною є електроенергія з практично нульовим вуглецевим рівнем та гарантовано стабільним постачанням, нижча вирівняна вартість електроенергії (LCOE) через зниження витрат на відновлювану електроенергію, а також більш конкурентоспроможна вартість та практично стабільне виробництво водню. У той же час можуть існувати деякі обмеження через додаткові капітальні витрати на підключення до електромережі та тарифи на електропостачання. Додатковий ризик потенційно високої вуглецевої інтенсивності виробництва водню, неприйнятної для покупця, може бути обмежуючим фактором при виборі цієї моделі. Залежно від потреб та обмежень замовника щодо типу та мети застосування компонента «Х», модель проекту може поєднувати різні технології виробництва зеленого водню, його перетворення у транспортувальні форми, а також зберігання водню та його похідних продуктів, доповнене технологіями, що дозволяють кінцеве застосовування продукту, включаючи паливні елементи та використання в якості сировини. Серед основних технологій, що застосовуються для транспортування, зберігання і промислового застосування водню та спостерігаються в поточних проектах, є технологія виробництва аміаку, скраплені органічні носії водню (LOHC – liquefied organic hydrogen carriers), а також технології виробництва метанолу та зрідження водню. Кожна з цих технологій має певні плюси і мінуси. Технологія виробництва аміаку передбачає синтез водню та азоту за допомогою одностадійного каталітичного процесу, так званого процесу Габера-Боша, в якому реакція відбувається у газовій фазі. Азот для синтезу зеленого аміаку отримують шляхом КЦА (коротка циклова адсорбція) або кріогенного методу розподілу повітря. Аміак може застосовуватись як засіб зберігання та транспортування водню, а також безпосередньо як хімічна речовина (наприклад як добрива). Серед технологій, що розглядаються в цьому обзорі, аміак забезпечує найбільший обємний вміст водню, що робить логістику більш економічно ефективною порівняно з іншими технологіями. Це дає можливість транспортування водню на далекі відстані, а також уможливлює трансконтинентальний експорт. Однак, аміак вимагає особливих вимог щодо зберігання, транспортування та виробництва водню. Це газ, який може утворювати вибухонебезпечні суміші з повітрям. Технологія виробництва метанолу передбачає синтез з водню та діоксиду вуглецю (CO2). СО2 може уловлюватись з різних промислових джерел (наприклад електростанції, цементні заводи тощо), або отримуватись з відновлюваних джерел (наприклад винокурні, біогазові установки, ферментаційні установки). Метанол, отриманий за технологією Power-to-X, вважається зеленим паливом та електрохімічним елементом. Так саме, як і у випадку із зеленим аміаком, застосування зеленого метанолу можливе у якості засобу зберігання водню, а також безпосередньо в якості хімічної речовини. Ця технологія забезпечує переваги більш економічно ефективної логістики завдяки високому обємному вмісту водню та можливості використовувати традиційну паливну інфраструктуру. Технологія характеризується відносно низькою потребою в енергії для виробництва водню і практично нульовими втратами під час виробництва та відвантаження продукту. Обмежуючими факторами є висока чутливість до надійного та економічно ефективного постачання вуглецю, а також висока горючість, що може викликати занепокоєння громадськості та бути перешкодою для впровадження. Технологія рідких органічних носіїв (LOHC) забезпечує поглинання газоподібного водню в рідких органічних речовинах (носіях) шляхом хімічних реакцій і подальше вивільнення в газоподібному стані на місці споживання. Для поглинання та десорбції водню використовуються спеціальні установки. Технологія LOHC застосовується для зберігання та вивільнення водню за потреби. Конкурентні переваги LOHC – це можливість транспортування у цистернах для традиційного палива, перспектива отримання CAPEX та OPEX нижчих за аміак – як найближчого конкурента – та практично нульовий рівень вибухонебезпечності. Однак ця технологія має найнижчий TRL (рівень технологічної готовності) порівняно з іншими аналізованими технологіями. Технологія зрідження водню (HL/ H2L) забезпечує перетворення газоподібного водню в рідкий стан за умов низької температури – мінус 253 градуси Цельсія – для забезпечення більшої щільності порівняно зі стисненим газом, який має низьку щільність зберігання. Технологія зрідження водню є найбільш зрілою серед вищезазначених технологій, і певний ряд компаній вже демонструє безперервно зростаючі виробничі потужності. Однак, зрідження водню є надзвичайно вибухонебезпечним та вимагає додаткових витрат, а також використання спеціальних резервуарів для зберігання. Все більша кількість постачальників технологій виробництва водню розробляє/ ліцензує також рішення для його зберігання та транспортування, у т.ч. установки синтезу, каталізатори, а також спеціалізовану інфраструктуру для забезпечення достатніх обсягів завантаження та випуску водню. Також, спостерігаються партнерські відносини постачальників технологій світового рівня із стартапами та невеликими місцевими технологічними фірмами, які мають ліцензовані рішення, що спрямовано на розширення присутності на ринку та залучення до масштабних промислових проектів. Залежно від конкретної мети та певного місця у загальному ланцюгу створення вартості, проекти розробляються навколо трьох основних типів водневих кластерів: Промислові кластери з існуючими нафтопереробними підприємствами, установками генерації електроенергії, виробництвом добрив та сталі; Логістичні кластери з існуючою транспортною та складською інфраструктурою, наприклад портові споруди, газопроводи або соляні печери, придатні для зберігання водню; Експортні кластери в країнах, маючих великий потенціал генерації відновлюваної енергії (наприклад сонячної та вітрової), таких як Саудівська Аравія, Обєднані Арабські Емірати та Оман. За масштабом, обсягами промислового застосуванням та географічним охопленням можна виділити декілька типів проектів: місцеві, регіональні/ галузеві, міжнародні/ міжконтинентальні. Взагалі, масштаби проектів коливаються від одного мегавата до гігаватної потужності. Багатокомпонентні моделі проектів, що включають поєднання різних технологій, які досить часто мають різний рівень зрілості, додають певної складності на етапах планування, фінансування та реалізації. Тому обмежена кількість проектів розробляється лише однією компанією. Більшість поточних проектів сьогодні реалізується консорціумами партнерів, які об’єднуються щоб розподілити ризики проекту та забезпечити поєднання державних та приватних джерел фінансування. Згідно ринкових спостережень, через технологічну та фінансову невизначеність проекти можуть еволюціонувати, змінюючи партнерів та технологічні концепції, або ставати частиною більш масштабних ініціатив для з’єднання різних етапів загального ланцюжка створення вартості. На якому етапі розвитку Power-to-X є проекти у Центральній та Східній Європі?. У Центральній та Східній Європі наглядається зростаючий інтерес до енергетичного переходу та впровадження технологій Power-to-X, що підтверджується офіційним оголошенням намірів з боку політичних установ та бізнесу, які формують інвестиційні тенденції. У 2021 році деякі країни Центральної та Східної Європи вже розпочали формування інвестиційних сценаріїв та впровадження пілотних проектів, випробовуючи різні варіанти та вишукуючи нішу в низьковуглецевій економіці. Технології та найкращі практики, які розглядаються до впровадження у проектах, прийняті переважно з країн Північно-Західної Європи, на чолі з Німеччиною та Нідерландами, які зацікавлені у розширенні ринку технологій та створенні хабу з виробництва водню в регіоні Центральної та Східної Європи, використовуючи сприятливі економічні умови та наявність генеруючих потужностей відновлюваної енергетики. У той час як Польща, Румунія та Чехія є лідерами енергетичного переходу в ЄС за кількістю та масштабом оголошених проектів, Україна є одним із пріоритетних партнерів Європейського Союзу для впровадження Водневої стратегії ЄС, займаючи особливе місце у ланцюгу створення вартості згідно з ініціативою «Зелений водень 2x40 ГВт», запровадженою Європейською промисловою асоціацією «Водень Європи» у 2020 році. Маючи досвід реалізації проектів з впровадженням інноваційних технологій енергетичного переходу на різних глобальних та регіональних ринках, Bilfinger Tebodin разом з клієнтами та партнерами перетворює виклики, пов’язані з трансформацією, у нові можливості для бізнесу. Наша наступна публікація буде висвітлювати тему формування дорожньої карти реалізації інноваційних проектів та стратегій на кожному етапі планування та реалізації проекту.

Автори:


Максим Хіло Керівник з технологічного проектування в Україні	Оксана Роман Лідер з енергетичної трансформації в Центральній та Східній Європі	Юрій Юденко Керівник з ринкових досліджень в Україні

Power-to-X: зв’язуючий інгредієнт для енергетичного переходу

Відновлювана енергія відіграє вирішальну роль у енергетичному переході (energy transition), довгострокових структурних змінах в енергетичних системах для досягнення нульового рівня викидів до 2050 року.

За даними Міжнародного агентства з відновлюваних джерел енергії (IRENA), до 2050 року дві третини загального постачання енергії повинні надходити з відновлюваних джерел: тих, які природним чином поповнюються протягом життя людини, включаючи вуглецево-нейтральні джерела, такі як сонячне світло, вітер, дощ, припливи і відпливи, хвилі та геотермальне тепло. Хоча вуглецева нейтральність біомаси є дискусійним питанням, вона також часто включається до переліку відновлювальних джерел.

Швидкий розвиток систем відновлюваної енергії спростував основні припущення щодо традиційної генеруючої потужності, тобто цілорічну доступність та можливості регулювати вихідну потужність електроенергії на вимогу – або так зване генерування енергії, що піддається управлінню. Гідроелектроенергія, яка зараз складає найбільшу частку світових відновлюваних генеруючих потужностей (а саме, 43%), і біомаса є керованими джерелами енергії, а геотермальна енергія відносно стабільним. Навпаки, драйвери зростання відновлюваних технологій із помітним зменшенням витрат – сонячні фотоелектричні та вітрові електроенергетичні системи – вочевидь, залежать від наявності сонця та вітру. Сонячна та вітрова енергія являють собою перемінні, або переривчасті, відновлювані джерела енергії.

Ефективна інтеграція високих часток перемінної відновлюваної енергії в енергосистеми є одночасно важливою проблемою та передумовою успіху енергетичної трансформації. І саме тут починає діяти концепція Power-to-X (PtX, P2X) (дослівно: Енергія-в-X).

Power-to-X можна визначити як загальний термін для різноманітних варіантів перетворення надлишкової електроенергії в енергетичних системах з високою часткою перемінних відновлюваних джерел енергії. Загалом під високою часткою розуміють понад 30% суміші електроенергії, оскільки вважається, що вище цього порогу проблема інтеграції коливального постачання електроенергії в мережу стає надскладною для керування.

Зокрема, це висуває абсолютно нові вимоги до гнучкості системи, яка раніше в процесі генерування енергії, що піддається управлінню, забезпечувалася зі сторони постачання, а тепер має бути створена рішеннями для зберігання енергії в мережі, на стороні попиту та загальносистемними рішеннями щодо зберігання енергії. Нещодавно IRENA визначило Power-to-X (разом з масштабними акумуляторними рішеннями) як ключовий фактор гнучкості у всій системі, який забезпечує зберігання надлишків генерування енергії на стороні постачання, «розумну електрифікацію» секторів кінцевого споживання на стороні попиту та зменшення перевантажень, що додає гнучкості мережі.

Цікавим трактуванням визначення Power-to-X є «електрони-у-молекули», що відображає перетворення електронів у молекулярну енергію, яку можна зберігати.

Вважається, що термін Power-to-X вперше з’явився у Німеччині. Ця країна залишається однією з рушійних сил розвитку Power-to-X. Прикладом є Power-to-X Allianz, міжгалузева ініціативу в Німеччині, яка «зосереджена на інноваційних та кліматично нейтральних технологіях та рішеннях на основі зеленого водню».

Хоча Power-to-X стала часто вживаним словом нещодавно, концепція бере свій початок у 1970-х роках, коли увагу до водневих рішень стимулювали стрибки цін на нафту та зростаюча екологічна стурбованість, а також було представлено бачення водневої економіки. Цей інтерес знову виріс у 2010-х роках, зокрема у Німеччині, і продовжує поширюватись світом в межах концепції енергетичного переходу.

Водень є ядром концепції Power-to-X. Завдяки своїй здатності утворювати багаті енергією зв’язки і найменшій вазі, атомарний водень (одинарний атом водню) вважається оптимальним елементом для носіїв енергії. Водень та синтетичні палива на основі водню здатні економічно вигідно накопичувати величезні обсяги енергії. А при використанні для інших потреб зелений водень може представляти життєздатні рішення для декарбонізації найпроблемніших для скорочення викидів секторів, таких як важка промисловість та важкий транспорт.

Зелений водень у рішеннях Power-to-X виробляється разом з киснем за допомогою електрохімічного процесу електролізу води шляхом застосування електричної енергії з відновлюваних джерел. Кисень вважається побічним продуктом, який зазвичай викидається в атмосферу, проте він має ряд корисних застосувань, наприклад у металевому, хімічному та скляному виробництві та медичному обслуговуванні.

На сьогоднішній день електроліз все ще є нішевим методом виробництва водню: за різними оцінками, його частка у загальному традиційному виробництві водню не перевищує 5%. У даний час електролітичне виробництво водню дорожче інших методів виробництва, що обумовлює необхідність зменшення витрат та підвищення ефективності технології.

Існують три основні виробничі шляхи, пов’язаних з електролізом води, які вже використовуються або знаходяться в процесі розробки для подальшого масштабування:

Лужні електролізери (ALK – Alkaline) – це перевірена часом технологія, яка має тривалий термін служби стеку та менші капітальні витрати порівняно з електролізерами з протонообмінною мембраною, однак очікується, що різниця у вартості зменшиться.
Електролізери з протонообмінною мембраною (PEM – Proton exchange membrane) є комерційно доступними та набувають популярності, зокрема, завдяки їх більш швидкій реакції за умови експлуатації у режимах навантаження зі змінною потужністю (що забезпечує гнучку роботу) та меншому розміру. Крім того, такі електролізери виробляють водень при більш високому тиску, що важливо, наприклад для мобільних застосувань.
Твердооксидні електролізери (SOEC – Solid oxide electrolyzer cell), що працюють при високих температурах, знаходяться на стадії розробки. Капітальні витрати при впровадженні цієї технології вищі, при цьому вони можуть забезпечити більш високу ефективність перетворення. Твердооксидні електролізери також дозволяють виробляти синтез-газ безпосередньо з пари та вуглекислого газу. За оцінками експертів, ця технологія має значний проривний потенціал.

Power-to-X, перетворення відновлюваної електроенергії в зелений водень, може бути або «кінцевим пунктом» (зелений водень замінює водень, отриманий з викопної сировини, в традиційних застосуваннях його як сировини або використовується в нових застосуваннях як енергоносій), або лише першим кроком у процесі. Вироблений водень може виступати в якості «будівельного матеріалу» для різноманітних продуктів та класів продуктів, а також для застосувань, включаючи, серед іншого:

Power-to (стани речовини)	Power-to (продукти)	Power-to (застосування)
-Газ -Рідина -Тверда речовина	-Aміак -Водень -Метан (-Синтетичний природний газ) -Метанол -Синтез-газ	-Хімічні продукти -Добрива -Продукти харчування -Тепло (-Охолодження) -Промисловість -Мобільність -Енергія -Нафтопереробка -Сталь

Power-to-X може, що важливо, інтегрувати різні технології декарбонізації. У деяких технологічних шляхах водень поєднується з вуглекислим газом, що виловлюється. Наприклад, Power-to-Methane (Енергія-в-Метан) поєднує зелений водень з вуглекислим газом для виробництва метану за допомогою реакції метанації, такою як реакція Сабатьє або біологічна метанація.

Згідно з «Баченням щодо чистої планети до 2050 року» Європейської Комісії, «єдиним найважливішим чинником декарбонізації енергетичної системи є зростаюча роль електроенергії як у кінцевому попиті на енергію, так і в постачанні альтернативних видів палива, які в основному будуть задовольнятися електроенергією з відновлюваних джерела, зокрема, вітровою та сонячною».

Важливе значення Power-to-X полягає у можливості на її базі масового розгортання та використання електроенергії з відновлюваних джерел через з’єднання енергетичної та газової інфраструктури, або так зване об’єднання секторів (sector coupling), що усуває традиційний поділ між ними та дозволяє інтеграцію енергосистеми на основі відновлюваних джерел енергії з секторами енергоспоживання (промисловість, будівлі, транспорт). Це також підвищує гнучкість та ефективність енергосистеми та дозволяє скоротити викиди у найпроблемніших для цього секторах, що є істотною передумовою для досягнення економіки з нульовим викидом вуглецю до 2050 року.

Огляд комерційного застосування Power-to-X на основі проектів, що спостерігаються на ринку

У 2020–2021 роках стимулюючі заходи Європейської Комісії, а саме запровадження Водневої та Промислової стратегій ЄС, оголошення національних cкликань проектів IPCEI (Important Project of Common European Interest/ Важливий проект загальноєвропейського інтересу), створення спеціальних фондів та альянсів та інші, призвели до зростаючої кількості оголошень нових проектів в Європі та за її межами. Глобальні гравці по всьому ланцюгу постачання та споживання енергії приєдналися до цього кроку під тиском зростаючого попиту на більш екологічну продукцію, посилення регулювання викидів вуглецю в Європі та підвищення вимог фінансових організацій щодо стійких інвестиції.

З концепцією Power-to-X в основі моделі проектів будуються в залежності від комерційної доступності відновлюваної енергії, наявності та доступності інфраструктури, уподобань клієнтів щодо типу та мети застосування компонента «X», а також законодавчих нормативів та стимулів з боку держави.

Виходячи з доступності та потужностей відновлюваної електроенергії, основні види бізнес-моделей з використанням електролізеру є наступні:

Електролізна установка, підключена до джерел відновлюваної енергії. При практично повній вуглецевій нейтральності електроенергії ця модель має потенціал для нижчої вирівняної вартості електроенергії (LCOE – levelized cost of electricity) та, як результат, більш конкурентоспроможної вартості водню. Серед ключових обмежень моделі може бути залежність від розташування та генеруючої потужності відновлюваної енергії, нижчий середній коефіцієнт навантаження електролізера через переривчастість генерації електроенергії, що в свою чергу призводить до зниження обсягів та переривання виробництва водню.
Електролізна установка, підключена до електромережі. Ключовими перевагами цієї моделі є незалежність у розташуванні електролізної установки, наявність зеленої електроенергії через гарантії походження (GO – Guarantee of Origin) або угоду про закупівлю електроенергії (PPA – Power purchase agreement), високий коефіцієнт навантаження електролізера та практично стабільний обсяг вироблення водню. Однак, зворотною стороною моделі може бути обмежена доступність електромереж, а також додаткові капітальні витрати та тарифи за приєднання до електромережі та її використання.
Електролізна установка, підключена як до установки генерації відновлюваної енергії, так і до електромережі. Модель поєднує в собі переваги та обмеження як електролізерів підключених до потужностей відновлюваної енергії, так і підключених до мережі. Позитивною стороною є електроенергія з практично нульовим вуглецевим рівнем та гарантовано стабільним постачанням, нижча вирівняна вартість електроенергії (LCOE) через зниження витрат на відновлювану електроенергію, а також більш конкурентоспроможна вартість та практично стабільне виробництво водню. У той же час можуть існувати деякі обмеження через додаткові капітальні витрати на підключення до електромережі та тарифи на електропостачання. Додатковий ризик потенційно високої вуглецевої інтенсивності виробництва водню, неприйнятної для покупця, може бути обмежуючим фактором при виборі цієї моделі.

Залежно від потреб та обмежень замовника щодо типу та мети застосування компонента «Х», модель проекту може поєднувати різні технології виробництва зеленого водню, його перетворення у транспортувальні форми, а також зберігання водню та його похідних продуктів, доповнене технологіями, що дозволяють кінцеве застосовування продукту, включаючи паливні елементи та використання в якості сировини.

Серед основних технологій, що застосовуються для транспортування, зберігання і промислового застосування водню та спостерігаються в поточних проектах, є технологія виробництва аміаку, скраплені органічні носії водню (LOHC – liquefied organic hydrogen carriers), а також технології виробництва метанолу та зрідження водню. Кожна з цих технологій має певні плюси і мінуси.

Технологія виробництва аміаку передбачає синтез водню та азоту за допомогою одностадійного каталітичного процесу, так званого процесу Габера-Боша, в якому реакція відбувається у газовій фазі. Азот для синтезу зеленого аміаку отримують шляхом КЦА (коротка циклова адсорбція) або кріогенного методу розподілу повітря. Аміак може застосовуватись як засіб зберігання та транспортування водню, а також безпосередньо як хімічна речовина (наприклад як добрива). Серед технологій, що розглядаються в цьому обзорі, аміак забезпечує найбільший об’ємний вміст водню, що робить логістику більш економічно ефективною порівняно з іншими технологіями. Це дає можливість транспортування водню на далекі відстані, а також уможливлює трансконтинентальний експорт. Однак, аміак вимагає особливих вимог щодо зберігання, транспортування та виробництва водню. Це газ, який може утворювати вибухонебезпечні суміші з повітрям.
Технологія виробництва метанолу передбачає синтез з водню та діоксиду вуглецю (CO2). СО2 може уловлюватись з різних промислових джерел (наприклад електростанції, цементні заводи тощо), або отримуватись з відновлюваних джерел (наприклад винокурні, біогазові установки, ферментаційні установки). Метанол, отриманий за технологією Power-to-X, вважається зеленим паливом та електрохімічним елементом. Так саме, як і у випадку із зеленим аміаком, застосування зеленого метанолу можливе у якості засобу зберігання водню, а також безпосередньо в якості хімічної речовини. Ця технологія забезпечує переваги більш економічно ефективної логістики завдяки високому об’ємному вмісту водню та можливості використовувати традиційну паливну інфраструктуру. Технологія характеризується відносно низькою потребою в енергії для виробництва водню і практично нульовими втратами під час виробництва та відвантаження продукту. Обмежуючими факторами є висока чутливість до надійного та економічно ефективного постачання вуглецю, а також висока горючість, що може викликати занепокоєння громадськості та бути перешкодою для впровадження.
Технологія рідких органічних носіїв (LOHC) забезпечує поглинання газоподібного водню в рідких органічних речовинах (носіях) шляхом хімічних реакцій і подальше вивільнення в газоподібному стані на місці споживання. Для поглинання та десорбції водню використовуються спеціальні установки. Технологія LOHC застосовується для зберігання та вивільнення водню за потреби. Конкурентні переваги LOHC – це можливість транспортування у цистернах для традиційного палива, перспектива отримання CAPEX та OPEX нижчих за аміак – як найближчого конкурента – та практично нульовий рівень вибухонебезпечності. Однак ця технологія має найнижчий TRL (рівень технологічної готовності) порівняно з іншими аналізованими технологіями.
Технологія зрідження водню (HL/ H2L) забезпечує перетворення газоподібного водню в рідкий стан за умов низької температури – мінус 253 градуси Цельсія – для забезпечення більшої щільності порівняно зі стисненим газом, який має низьку щільність зберігання. Технологія зрідження водню є найбільш зрілою серед вищезазначених технологій, і певний ряд компаній вже демонструє безперервно зростаючі виробничі потужності. Однак, зрідження водню є надзвичайно вибухонебезпечним та вимагає додаткових витрат, а також використання спеціальних резервуарів для зберігання.

Все більша кількість постачальників технологій виробництва водню розробляє/ ліцензує також рішення для його зберігання та транспортування, у т.ч. установки синтезу, каталізатори, а також спеціалізовану інфраструктуру для забезпечення достатніх обсягів завантаження та випуску водню. Також, спостерігаються партнерські відносини постачальників технологій світового рівня із стартапами та невеликими місцевими технологічними фірмами, які мають ліцензовані рішення, що спрямовано на розширення присутності на ринку та залучення до масштабних промислових проектів.

Залежно від конкретної мети та певного місця у загальному ланцюгу створення вартості, проекти розробляються навколо трьох основних типів водневих кластерів:

Промислові кластери з існуючими нафтопереробними підприємствами, установками генерації електроенергії, виробництвом добрив та сталі;
Логістичні кластери з існуючою транспортною та складською інфраструктурою, наприклад портові споруди, газопроводи або соляні печери, придатні для зберігання водню;
Експортні кластери в країнах, маючих великий потенціал генерації відновлюваної енергії (наприклад сонячної та вітрової), таких як Саудівська Аравія, Об’єднані Арабські Емірати та Оман.

За масштабом, обсягами промислового застосуванням та географічним охопленням можна виділити декілька типів проектів: місцеві, регіональні/ галузеві, міжнародні/ міжконтинентальні. Взагалі, масштаби проектів коливаються від одного мегавата до гігаватної потужності.

Багатокомпонентні моделі проектів, що включають поєднання різних технологій, які досить часто мають різний рівень зрілості, додають певної складності на етапах планування, фінансування та реалізації. Тому обмежена кількість проектів розробляється лише однією компанією. Більшість поточних проектів сьогодні реалізується консорціумами партнерів, які об’єднуються щоб розподілити ризики проекту та забезпечити поєднання державних та приватних джерел фінансування. Згідно ринкових спостережень, через технологічну та фінансову невизначеність проекти можуть еволюціонувати, змінюючи партнерів та технологічні концепції, або ставати частиною більш масштабних ініціатив для з’єднання різних етапів загального ланцюжка створення вартості.

На якому етапі розвитку Power-to-X є проекти у Центральній та Східній Європі?

У Центральній та Східній Європі наглядається зростаючий інтерес до енергетичного переходу та впровадження технологій Power-to-X, що підтверджується офіційним оголошенням намірів з боку політичних установ та бізнесу, які формують інвестиційні тенденції. У 2021 році деякі країни Центральної та Східної Європи вже розпочали формування інвестиційних сценаріїв та впровадження пілотних проектів, випробовуючи різні варіанти та вишукуючи нішу в низьковуглецевій економіці.

Технології та найкращі практики, які розглядаються до впровадження у проектах, прийняті переважно з країн Північно-Західної Європи, на чолі з Німеччиною та Нідерландами, які зацікавлені у розширенні ринку технологій та створенні хабу з виробництва водню в регіоні Центральної та Східної Європи, використовуючи сприятливі економічні умови та наявність генеруючих потужностей відновлюваної енергетики.

У той час як Польща, Румунія та Чехія є лідерами енергетичного переходу в ЄС за кількістю та масштабом оголошених проектів, Україна є одним із пріоритетних партнерів Європейського Союзу для впровадження Водневої стратегії ЄС, займаючи особливе місце у ланцюгу створення вартості згідно з ініціативою «Зелений водень 2×40 ГВт», запровадженою Європейською промисловою асоціацією «Водень Європи» у 2020 році.

Маючи досвід реалізації проектів з впровадженням інноваційних технологій енергетичного переходу на різних глобальних та регіональних ринках, Bilfinger Tebodin разом з клієнтами та партнерами перетворює виклики, пов’язані з трансформацією, у нові можливості для бізнесу. Наша наступна публікація буде висвітлювати тему формування дорожньої карти реалізації інноваційних проектів та стратегій на кожному етапі планування та реалізації проекту.