Экономическая оценка жизненного цикла производства водорода на ГЭС

   Водород обладает большим потенциалом в качестве альтернативного энергоносителя. Он является самым распространенным элементом на Земле, однако его невозможно получить в чистом виде – водород находится в соединениях с другими химическими элементами. Технологические сложности получения и начальная стадия развития таких технологий обуславливают высокую стоимость водорода как энергоносителя в настоящее время. Одним из способов получения водорода на уже существующей производственной инфраструктуре является вариант производства водорода методом электролиза на гидроэлектростанциях. В настоящей статье рассмотрен именно такой способ получения водорода и проведена попытка оценить экономическую целесообразность получения водорода таким способом при существующих технологиях.

   Целью статьи является анализ жизненного цикла водорода, производимого на гидроэлектростанциях, с точки зрения расходов на каждом из этапов.

   В статье анализируется каждый этап жизненного цикла водорода как энергоносителя, производимого на гидроэлектростанциях, и проводится сравнение с производством других видов водорода. В заключении констатируется текущая экономическая целесообразность такого способа получения возобновляемого источника энергии и перспективы развития водородной энергетики с точки зрения развития, распространения и удешевления технологий.

1. IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://archive.ipcc.ch/home_languages_main_russian.shtml (дата обращения: 28. 09. 23).

2. Киотский протокол к Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата – ООН [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.un.org/ru/documents/decl_conv/conventions/kyoto.shtml (дата обращения: 28. 09. 23).

3. Парижское соглашение – ООН [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.un.org/ru/climatechange/paris-agreement (дата обращения: 29. 09. 23).

4. S. Shiva Kumar, Hankwon Lim. An overview of water electrolysis technologies for green hydrogen production. Energy Reports 8 (2022).

5. Meng, X., Gu, A., Wu, X., Zhou, L., Zhou, J., Liu, B., Mao, Z.: Status quo of China hydrogen strategy in the field of transportation and international comparisons. International Journal of Hydrogen Energy. 46, 28887–28899 (2021). doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.11.049.

6. Qian, F., Gao, W., Yu, D., Yang, Y., Ruan, Y.: An Analysis of the Potential of Hydrogen Energy Technology on Demand Side Based on a Carbon Tax: A Case Study in Japan. Energies. 16, 342 (2023). doi: 10.3390/en16010342.

7. Zhao, G., Nielsen, E.R., Troncoso, E., Hyde, K., Romeo, J.S., Diderich, M.: Life cycle cost analysis: A case study of hydrogen energy application on the Orkney Islands. International Journal of Hydrogen Energy. 44, 9517–9528 (2019). doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.08.015.

8. Yang, H., Lin, X., Pan, H., Geng, S., Chen, Z., Liu, Y.: Energy saving analysis and thermal performance evaluation of a hydrogen-enriched natural gas-fired condensing boiler. International Journal of Hydrogen Energy. 48, 19279–19296 (2023). doi: 10.1016/j.ijhydene.2023.02.027.

9. Li, Y., Suryadi, B., Yan, J., Feng, J., Bhaskoro, A.G., Suwanto: A strategic roadmap for ASEAN to develop hydrogen energy: Economic prospects and carbon emission reduction. International Journal of Hydrogen Energy. 48, 11113–11130 (2023). doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.12.105.

10. Luo, Z., Hu, Y., Xu, H., Gao, D., Li, W.: Cost-Economic Analysis of Hydrogen for China’s Fuel Cell Transportation Field. Energies. 13, 6522 (2020). doi: 10.3390/en13246522.

11. Hinkley, J.T., Heenan, A.R., Low, A.C.S., Watson, M.: Hydrogen as an export commodity – Capital expenditure and energy evaluation of hydrogen carriers. International Journal of Hydrogen Energy. 47, 35959–35975 (2022). doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.08.192.

12. Qian, F.: Application Potential and Implication of Hydrogen Energy in Distributed Energy System. In: Gao, W. (ed.) Distributed Energy Resources: Solutions for a Low Carbon Society. pp. 245–268. Springer International Publishing, Cham (2023).

13. Sadik-Zada, E.R., Santibanez Gonzalez, E.D., Gatto, A., Althaus, T., Quliyev, F.: Pathways to the hydrogen mobility futures in German public transportation: A scenario analysis. Renewable Energy. 205, 384–392 (2023). doi: 10.1016/j.renene.2022.12.087.

14. Gacek, C.G., Gimbel, D.J., Longo, S.J., Mendel, B.I., Sampaio, G.N., Polmateer, T.L., Manasco, M.C., Hendrickson, D.C., Eddy, T.L., Lambert, J.H.: Managing Operational and Environmental Risks in the Strategic Plan of a Maritime Container Port. In: 2021 Systems and Information Engineering Design Symposium (SIEDS). pp. 1–6 (2021).

15. Niu, M., Li, X., Sun, C., Xiu, X., Wang, Y., Hu, M., Dong, H.: Operation Optimization of Wind/Battery Storage/Alkaline Electrolyzer System Considering Dynamic Hydrogen Production Efficiency. Energies. 16, 6132 (2023). doi: 10.3390/en16176132.

16. Asabin, V.V., Garanin, M.A., Kurmanova, L.S., Mishkin, A.A., Svechnikov, A.A.: Prospects for using hydrogen on railway transport. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 953, 012074 (2020). doi: 10.1088/1757-899X/953/1/012074.

17. Dinçer, H., Çağlayan, Ç., Maratovna, M.L.: The Improvements in Hydrogen Energy Investments. In: Dinçer, H. and Yüksel, S. (eds.) Circular Economy and the Energy Market: Achieving Sustainable Economic Development Through Energy Policy. pp. 1–11. Springer International Publishing, Cham (2022).

18. Pan, W., Wan, T., Han, Y., Liu, S., Fu, J.: Storage and transportation technology solutions selection for large-scale hydrogen energy utilization scenarios under the trend of carbon neutralization. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 770, 012017 (2021). doi: 10.1088/1755-1315/770/1/012017.

19. Kumar Sarmah, M., Pratap Singh, T., Kalita, P., Dewan, A.: Sustainable hydrogen generation and storage – a review. RSC Advances. 13, 25253–25275 (2023). doi: 10.1039/D3RA04148D.

20. Chang, W.: China’s Energy Technology Innovation and Industrial Development Under the “Dual Carbon” Goals. In: Li, F. and Junkai, L. (eds.) China’s Opportunities for Development in an Era of Great Global Change. pp. 269–290. Springer Nature, Singapore (2023).

21. Vechkinzova, E., Steblyakova, L.P., Roslyakova, N., Omarova, B.: Prospects for the Development of Hydrogen Energy: Overview of Global Trends and the Russian Market State. Energies. 15, 8503 (2022). doi: 10.3390/en15228503.

22. Makaryan, I.A., Sedov, I.V.: The State and Development Prospects of the Global Hydrogen Energy Sector. Russ J Gen Chem. 91, 1912–1928 (2021). doi: 10.1134/S1070363221090371.

23. Allaev, K.R., Avezova, N.R.: Hydrogen—the Future of Power Engineering for the World and Uzbekistan. Appl. Sol. Energy. 57, 575–583 (2021). doi: 10.3103/S0003701X21060025.

24. Radoushinsky, D., Gogolinskiy, K., Dellal, Y., Sytko, I., Joshi, A.: Actual Quality Changes in Natural Resource and Gas Grid Use in Prospective Hydrogen Technology Roll-Out in the World and Russia. Sustainability. 15, 15059 (2023). doi: 10.3390/su152015059.

25. Shin, J.-E.: Hydrogen Technology Development and Policy Status by Value Chain in South Korea. Energies. 15, 8983 (2022). doi: 10.3390/en15238983.

26. Asif, U., Schmidt, K.: Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV): Policy Advances to Enhance Commercial Success. Sustainability. 13, 5149 (2021). doi: 10.3390/su13095149.

27. Yunzhe, J., Bowei, Z., Feifei, W., Mengmeng, L.: Research on Hydrogen Energy and Fuel Cell Vehicle Roadmap in Various Countries. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 512, 012136 (2020). doi: 10.1088/1755-1315/512/1/012136.

28. Hjeij, D., Bicer, Y., Al-Sada, M. bin S., Koç, M.: Hydrogen export competitiveness index for a sustainable hydrogen economy. Energy Reports. 9, 5843–5856 (2023). doi: 10.1016/j.egyr.2023.05.024.

29. Водородная энергетика: ключевые направления развития, пересмотр планов, инвестиции [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://сферанефтьигаз.рф/delprof-2023-d1 (дата обращения: 29. 09. 23).

30. Водородная экономика - путь к низкоуглеродному развитию // Центр энергетики Московской школы управления СКОЛКОВО. 2019. – 63 с.

31. David Jure Jovan, Gregor Dolanc , Bostjan Pregelj. Utilization of excess water accumulation for green hydrogen production in a run-of-river hydropower plant / Renewable Energy /. – 2022. P. 780-794.

32. David Jure Jovan, Gregor Dolanc , Bostjan Pregelj. Cogeneration of green hydrogen in a cascade hydropower plant / Energy Conversion and Management: X /. – 2021. – 12 p.

33. Biraj Singh Thapa, Bishwash Neupane, Hoseong Yang, Young-Ho Lee. Green hydrogen potentials from surplus hydro energy in Nepal / International Journal of Hydgrogen Energy /. - 2021. – p. 22256 – 22267.

34. Valerijs Kobzars, Laila Zemite, Aivo Jasevics, Janis Kleperis, Ilze Dimanta, Ainars Knoks, Peteris Lesnicenoks. Appropriateness of Hydrogen Production in LowPower Hydropower Plant / 2021 IEEE 62nd International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON) /. - 2021. – 6 p.

35. Electrolysers. IEA. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.iea.org/energy-system/low-emission-fuels/electrolysers (дата обращения: 01. 10. 23).

36. Green Hydrogen current and projected production costs – Structures Insider [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.structuresinsider.com/post/green-hydrogen-current-and-projected-production-costs (дата обращения: 01. 10. 23).

37. Electrolyzer Cost, Performance, and Durability: Status and Prospects – ESIG [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.esig.energy/electrolyzer-cost-performance-and-durability-status-and-prospects/ (дата обращения: 01. 10. 23).

38. Перспективы России на глобальном рынке водородного топлива – экспертно-аналитический доклад // Инфраструктурный центр EnergyNet. 2018. – 32 с.

39. Teledyne Energy Systems, Inc – info about company. Oil Monster. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.oilmonster.com/company/teledyne-energy-systems-inc/70000 (дата обращения: 03. 10. 23).

40. Shandong AUYAN New Energy Technology [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.auyangloble.com/ru/home (дата обращения: 03. 10. 23).

41. «Росатом» разработал электролизеры для производства водорода. Страна Росатом [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://strana-rosatom.ru/2022/02/17/rosatom-razrabotal-elektroliznyh/ (дата обращения: 03. 10. 23).

42. Поликом – промышленные бесщелочные электролизеры [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://vodorod.pro/ (дата обращения: 03. 10. 23).

43. PEM Water Electrolyzer Market. Precedence Research. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.precedenceresearch.com/pem-water-electrolyzer-market (дата обращения: 03. 10. 23).

44. Aaron Hodges, Anh Linh Hoang, George Tsekouras, Klaudia Wagner, Chong-Yong Lee, Gerhard F. Swiegers, Gordon G. Wallace. A high-performance capillary-fed electrolysis cell promises more cost-competitive renewable hydrogen // Nature Communications. 1304 (2022).

45. И. А. Макарян, И.В. Седов. Оценка экономической эффективности масштабов получения водорода различными методами. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2021, т. LXV, № 1.

46. В.Н. Фатеев, О.К. Алексеева, С.В. Коробцев, Е.А. Серегина, Т.В. Фатеева, А.С. Григорьев, А.Ш. Алиев. Проблемы аккумулирования и хранения водорода // Chemical Problems. 2018. - № 4(16).

47. И.С. Чаусов. Перспективы водородной энергетики с позиции России. IC EnergyNet [Электронный ресурс] – Режим доступа: file:///C:/Users/shemyakina_aa/Downloads/7_Enerdzhinet_Perspektivy_vodorodnoy_energetiki_Chausov_I_S.pdf (дата обращения: 03. 10. 23).

48. Как собирать, хранить и поставлять водород. Toshiba [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://habr.com/ru/companies/toshibarus/articles/566688/ (дата обращения: 04. 10 .23).

49. Suiso Frontier. Wikipedia [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Suiso_Frontier (дата обращения: 04. 10. 23).

50. Водородная лихорадка. Аналитический обзор // Национальное рейтинговое агентство [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.ra-national.ru/analitika/vodorodnaja-lihoradka/ (дата обращения: 6. 10. 23).

51. Sebastian Herwartz, Johannes Pagenkopf, Christoph Streuling. Sector coupling potential of wind-based hydrogen production and fuel cell train operation in regional rail transport in Berlin and Brandenburg. International Journal of Hydrogen energy. 46 (2021).

52. Janie Ling-Chin, Alessandro Giampieri, Megan Wilks, Shiew Wei Lau, Ellie Bacon, Imogen Sheppard, Andrew J. Smallbone, Anthony P. Roskilly. Technology roadmap for hydrogen-fuelled transportation in the UK. International Journal of Hydrogen energy. (2022).

53. Уголь грядущих веков: когда водород заменит ископаемые энергоносители? Toshiba [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://habr.com/ru/companies/toshibarus/articles/535304/ (дата обращения: 05. 10. 23).

54. David Jure Jovan, Gregor Dolanc, Bostjan Pregelj. Cogeneration of green hydrogen in a cascade hydropower plant // Energy Conversion and Management. № 10 (2021).

55. G. Kubilay Karayel, Nader Javani, Ibrahim Dincer. Hydropower for green hydrogen production in Turkey // International Journal of Hydrogen energy. № 48 (2023).

56. С. Филлипов, А. Голодницкий, А. Кашин. Топливные элементы и водородная энергетика. Энергетическая политика [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://energypolicy.ru/toplivnye-elementy-i-vodorodnaya-energetika/energoperehod/2020/12/17/ (дата обращения: 05. 10. 23).