Эколого-экономическое сравнение технологий производства водорода в рамках стратегии низкоуглеродного развития

Водородная энергетика является перспективным направлением развития энергетического сектора. Согласно прогнозам, к 2050 году мировая потребность в водороде увеличится в 6 раз и достигнет 700 млн т в год. В то же время современная экологическая политика накладывает ограничения на производственные процессы, в том числе на производство водорода, что обуславливает необходимость в переходе от традиционных методов производства водорода из углеводорода к низкои безуглеродным технологиям. В работе произведен сравнительный анализ традиционных (паровая конверсия метана газификация угля) и альтернативных (плазменный пиролиз метана, электролиз воды) технологий производства водорода по ряду критериев (технологическим, физико-химическим, экологическим, энергетическим и экономическим), определения перспективы их использования в рамках концепции низкоуглеродного развития.

1. Net Zero by 2050. A Roadmap for the Global Energy Sector (2021) [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050 (Дата обращения: 25.11.2024).

2. Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation (2011) [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.ipcc.ch/report/renewable-energysources-and-climate-change-mitigation/ (Дата обращения: 08.10.2024).

3. Global Energy and Climate Model. Scenario analysis of future energy trends (2024) [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.iea.org/reports/global-energy-and-climate-model (Дата обращения: 22.01.2025).

4. World Energy Outlook 2024 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2024 (Дата обращения: 22.01.2025).

5. Global Energy Perspective 2023: Hydrogen outlook (2024) [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.mckinsey.com/industries/oil-and-gas/our-insights/global-energy-perspective-2023-hydrogenoutlook (Дата обращения: 18.10.2024).

6. Hydrogen decarbonization pathways. A life-cycle assessment (2021) [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://hydrogencouncil.com/wp-content/uploads/2021/01/Hydrogen-CouncilReport_Decarbonization-Pathways_Part-1-LifecycleAssessment.pdf (Дата обращения: 08.10.2024).

7. Nnabuife S. G. A Comparative Analysis of Different Hydrogen Production Methods and Their Environmental Impact / S. G. Nnabuife [et al.] // Clean Technologies. – 2023. – № 5. – Pp. 1344-1380. https://doi.org/10.3390/cleantechnol5040067

8. Global Hydrogen Review 2024 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2024 (Дата обращения: 01.12.2024).

9. Hydrogen Insights 2023. The state of the global hydrogen economy, with a deep dive into renewable hydrogen cost evolution (2023) [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://hydrogencouncil.com/en/hydrogen-insights-2023-december-update/ (Дата обращения: 29.11.2024).

10. Filippov S. P., Yaroslavtsev A. B. Hydrogen energy: development prospects and materials / S. P. Filippov, A. B. Yaroslavtsev // Russian Chemical Reviews. – 2021. – № 6. – Pp. 627-643. https://doi.org/10.1070/RCR5014

11. Green hydrogen: Energyzing the path to net zero (2023) [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/371534124_Green_hydrogen_Energyzing_the_path_to_net_zero (Дата обращения: 18.10.2024).

12. Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the 1,5 °C Climate Goal (2020) [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.irena.org/publications/2020/Dec/Green-hydrogen-cost-reduction (Дата обращения: 10.07.2024).

13. Global energy transformation: A roadmap to 2050 (2019) [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.irena.org/publications/2019/Apr/Global-energy-transformation-A-roadmap-to-2050-2019Edition (Дата обращения: 10.07.2024).

14. Agyekum E. B. A Critical Review of Renewable Hydrogen Production Methods: Factors Affecting Their Scale-Up and Its Role in Future Energy Generation / E. B. Agyekum [et al.] // Membranes. – 2022. – № 173. https://doi.org/10.3390/membranes12020173

15. Да Роза А. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы: учебное пособие / А. да Роза; пер. с англ. под редакцией С. П. Малышенко, О. С. Попеля. – Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект»; М.: Издательский дом МЭИ; 2010. – 704 с.: ил.

16. Velmozhina K. Production of Biohydrogen from Microalgae Biomass after Wastewater Treatment and Air Purification from CO2 / K. Velmozhina [et al.] // Processes. – 2023. – № 10. – 2978. https://doi.org/10.3390/pr11102978

17. Nikolaidis P. A comparative overview of hydrogen production processes / P. Nikolaidis, A. Poullikkas // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – № 67. – Рp. 597-611. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.09.044

18. Karasevich V. A. Technological aspects of Russian hydrogen energy development / V. A. Karasevich [et al.] //international Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – № 57. – Рp. 1332-1338. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.12.303

19. Hydrogen life-cycle analysis in support of clean hydrogen production (2022) [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://publications.anl.gov/anlpubs/2022/10/179090.pdf (Дата обращения: 17.01.2025).

20. Da Costa Labanca A. R. Carbon black and hydrogen production process analysis / A. R. Da Costa Labanca //international Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – № 45. – Рp. 25698-25707. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.03.081

21. ГОСТ Р 58048-2017. Трансфер технологий. Методические указания по оценке уровня зрелости технологий. – Введ. 2018-06-01. – М.: Стандартинформ, 2018. – 37 с.

22. Pinsky R. Comparative review of hydrogen production technologies for nuclear hybrid energy systems / R. Pinsky [et al.] // Progress in Nuclear Energy. – 2020. – № 123. – 103317. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2020.103317

23. Hassan N. Recent review and evaluation of green hydrogen production via water electrolysis for a sustainable and clean energy society / N. Hassan [et al.] //international Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – № 52. – Рp. 420-441. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.09.068

24. Li J. «The carbon footprint and cost of coalbased hydrogen production with and without carbon capture and storage technology in China / J. Li [et al.] // Journal of Cleaner Production. – 2022. – № 362. – 132514. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.132514

25. Установки плазменного пиролиза природного газа и углеводородов PLAZARIUM PPS [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.plazarium.com/ru/products/plasma-pyrolysis-units/plazarium-pps (Дата обращения: 09.10.2024).

26. Sánchez-Bastardo N. Methane Pyrolysis for Zero-Emission Hydrogen Production: A Potential Bridge Technology from Fossil Fuels to a Renewable and Sustainable Hydrogen Economy / N. Sánchez-Bastardo [et al.] //industrial & Engineering Chemistry Research. – 2021. – № 32. – Рp. 11855-11881. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c01679

27. Wnukowski M. Methane Pyrolysis with the Use of Plasma: Review of Plasma Reactors and Process Products / M. Wnukowski // Energies. – 2023. – № 18, 6441. https://doi.org/10.3390/en16186441

28. Franco A., Giovannini C. Recent and Future Advances in Water Electrolysis for Green Hydrogen Generation: Critical Analysis and Perspectives / A. Franco, C. Giovannini // Sustainability. – 2023. – № 24. – 16917. https://doi.org/10.3390/su152416917 ETP Clean Energy Technology Guide (2024)

29. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.iea.org/data-and-statistics/data-tools/etp-clean-energy-technology-guide?selectedCCTag=Hydrogen&selectedVCStep=Production&selectedSector=Hydrogen (Дата обращения: 23.01.2025).

30. Comparison of the emissions intensity of different hydrogen production routes, 2021 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/comparison-of-the-emissions-intensity-of-different-hydrogen-production-routes-2021 (Дата обращения: 16.10.2024).

31. Martínez-Rodríguez A., Abánades A. Comparative Analysis of Energy and Exergy Performance of Hydrogen Production Methods / A. Martínez-Rodríguez, A. Abánades// Entropy. – 2020. – № 11. – Рp. 1286. https://doi.org/10.3390/e22111286

32. HTGR-integrated Hydrogen Production via Steam Methane Reforming (SMR) Process Analysis [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://art.inl.gov/NGNP/INL%20Documents/Year%202010/HTGR-Integrated%20Hydrogen%20Production%20via%20Steam%20Methane%20Reforming%20(SMR)%20Process%20Analysis%20rev%200.pdf (Дата обращения: 20.01.2025).

33. Yang Y. Analysis of Hydrogen Production Potential Based on Resources Situation in China / Y. Yang [et al.] // E3S Web of Conferences. – 2019. – № 118. – 03021. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201911803021

34. Pashchenko D. Industrial furnaces with thermochemical waste-heat recuperation by coal gasification / D. Pashchenko // Energy. – 2021. – № 221. – 119864. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.119864

35. Peng X. D. Analysis of the thermal efficiency limit of the steam methane reforming process / X. D. Peng //industrial & Engineering Chemistry Research. – 2012. – № 50. – Рp. 16385-16392. https://doi.org/10.1021/ie3002843

36. Плазменный пиролиз метана [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://keldysh-space.ru/nasha-deyatelnost/proizvodstvo/plazmennyy-piroliz-metana/ (Дата обращения: 15.01.2025).

37. Fulcheri L. An energy-efficient plasma methane pyrolysis process for high yields of carbon black and hydrogen / L. Fulcheri [et al.] // Hydrogen Energy. – 2022. – № 8. – Рp. 2920-2928. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.10.144

38. Timmerberg S. Hydrogen and hydrogen-derived fuels through methane decomposition of natural gas – GHG emissions and costs / S. Timmerberg [et al.] // Energy Conversion and Management. – 2020. – № 7. – 100043. https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2020.100043

39. Technical Targets for Proton Exchange Membrane Electrolysis [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.energy.gov/eere/fuelcells/technical-targets-proton-exchange-membrane-electrolysis (Дата обращения: 23.01.2025).

40. Virah-Sawmy D. Ignore variability, overestimate hydrogen production – Quantifying the effects of electrolyzer efficiency curves on hydrogen production from renewable energy sources / D. VirahSawmy [et al.] //international Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – № 72, pp. 49-59. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.05.360

41. Technical Targets for Liquid Alkaline Electrolysis [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.energy.gov/eere/fuelcells/technical-targets-liq uid-alkaline-electrolysis (Дата обращения: 23.01.2025).

42. Xia Y. Efficiency and consistency enhancement for alkaline electrolyzers driven by renewable energy sources / Y. Xia [et al.] // Communications Engineering. – 2023. – № 2. – 22. https://doi.org/10.1038/s44172-023-00070-7

43. Villarreal Vives M. Techno-economic analysis of large-scale green hydrogen production and storage / M. Villarreal Vives [et al.] // Applied Energy. – 2023. – № 346. – 121333. https://doi.org/10.1016/j.apener-gy.2023.121333

44. Терехов Е. Ю., Елистратов В. В. Потенциал производства водорода методом электролиза воды на объектах атомной энергетики России / Е. Ю. Терехов, В. В. Елистратов // X международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов атомной отрасли «Команда»: сборник тезисов. Часть 2. – Москва: ООО «Издательский дом Недра», 2023. – 212 с.

45. Franzmann D. Green hydrogen cost-potentials for global trade / D. Franzmann [et al.] //international Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – № 85. – Рp. 3306233076. https://doi.org/10.48550/arXiv.2303.00314

46. Marín Arcos J. M. The Hydrogen Color Spectrum: Techno-Economic Analysis of the Available Technologies for Hydrogen Production / J. M. Marín Arcos [et al.] // Gases. – 2023. – № 1. – Рp. 25-46. https://doi.org/10.3390/gases3010002

47. Веселов Ф., Соляник А. Экономика производства водорода с учетом экспорта и российского рынка / Ф. Веселов, А. Соляник // Энергетическая политика. – 2022. – № 170, с. 58-67.

48. Technical Targets for High Temperature Electrolysis [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.energy.gov/eere/fuelcells/technical-targets-high-temperature-electrolysis (Дата обращения: 24.01.2025).

49. Skakov M. Hydrogen production by methane pyrolysis in the microwave discharge plasma / M. Skakov [et al.] // AIMS Energy. – 2024. – № 3. – Рp. 548-560. https://doi.org/10.3934/energy.2024026

50. Chen G. Plasma pyrolysis for a sustainable hydrogen economy / G. Chen [et al.] // Nature Reviews Materials. – 2022. – № 7. – Рp. 333-334. https://doi.org/10.1038/s41578-022-00439-8

51. Keescher F. Low-carbon hydrogen production via electron beam plasma methane pyrolysis: Techno-economic analysis and carbon footprint assessment / F. Keescher [et al.] //international Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – № 38. – Рp. 19897-19912. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.03.114

52. Митрова Т. Водородная экономика – путь к низкоуглеродному развитию / Т. Митрова, Ю. Мельников, Д. Чугунов. – М.: ЦЭМШУ СКОЛКОВО, 2019. – 62 с.

53. Assessment of hydrogen delivery options (2022) [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/handle/JRC130442 (Дата обращения: 17.01.2025).

54. Elistratov V., Denisov R. Development of isolated energy systems based on renewable energy sources and hydrogen storage //international Journal of Hydrogen Energy. – 15 August 2023. – Volume 48. – Issue 70. – Pр. 27059-27067. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.03.122