A verdadeira promessa de hidrogênio

Hydrogen has great promise—but not in the way the most vocal boosters would have you think. Low-carbon hydrogen and associated synthetic fuels will be the key to decarbonizing large sectors of the global economy, making them a critical component in O argumento econômico para combater as mudanças climáticas .

Mas, juntamente com esse potencial muito real, há algum hype perigoso. Empresas e contribuintes correm o risco de queimar bilhões para cumprir grandes visões do que é chamado de "economia de hidrogênio", a ampla implantação de hidrogênio no cenário energético como o fator central da descarbonização - incluindo áreas onde não faz sentido financeiro. Se empresas e governos não se tornarem estratégicos sobre o hidrogênio de baixo carbono, elas desperdiçam grandes somas de dinheiro e poderão tornar os objetivos climáticos ambiciosos ainda mais difíceis de alcançar.

para liberar o potencial massivo desse portador de energia altamente versátil e potencialmente zero emissões, empresas e governos devem aumentar. As empresas precisam focar seus investimentos em hidrogênio em casos de uso em que as tecnologias mais baratas não são adequadas e onde o hidrogênio de baixo carbono pode ser implantado em escala usando a infraestrutura existente. Por sua parte, os governos precisam desenvolver um regime regulatório que incentive a implantação de hidrogênio de baixo carbono em escala e nas áreas certas. Processos como amônia, aço e fabricação química e, potencialmente, transporte pesado. Portador, o hidrogênio tem vantagens inerentes - e desvantagens. No lado positivo, é versátil: o hidrogênio pode queimar com oxigênio para produzir calor, como diesel e gasolina, ele pode reagir em uma célula de combustível para produzir eletricidade livre de emissões e pode ser usada diretamente em processos químicos. Mas possui alguns passivos consideráveis: o hidrogênio é uma molécula minúscula que pode ser difícil de conter, possui uma densidade de energia mais baixa que os combustíveis à base de carbono e é relativamente caro transportar e armazenar. O hidrogênio de baixo carbono também é caro para produzir, dada a falta de maturidade e escala das duas tecnologias atualmente disponíveis: Blue H

On the basis of BCG’s proprietary H₂ cost model and our experience evaluating hundreds of opportunities, we have identified the most promising applications for low-carbon hydrogen over the next decade: industrial processes such as ammonia, steel, and chemical manufacturing, and, potentially, heavy transportation.

If companies and governments get it right, the market for low-carbon hydrogen and associated synthetic fuels could reach $1 trillion by the middle of this century—a clear move from hype to reality.

Applying Low-Carbon Hydrogen at Scale

As an energy carrier, hydrogen has inherent advantages—and disadvantages. On the plus side, it is versatile: hydrogen can combust with oxygen to produce heat, as diesel and gasoline do, it can react in a fuel cell to produce emissions-free electricity, and it can be used directly in chemical processes. But it has some considerable liabilities: Hydrogen is a tiny molecule that can be difficult to contain, it has a lower energy density than carbon-based fuels, and it is relatively expensive to transport and store. Low-carbon hydrogen is also costly to produce given the lack of maturity and scale of the two technologies currently available: Blue H ₂ e Green H ₂. (Consulte “O básico do hidrogênio.”)

For low-carbon hydrogen to overcome those disadvantages, players must identify applications for which material hydrogen demand will justify investments in large production facilities and infrastructure (and, in the case of Blue H ₂, em grande CO ₂ Logística e infraestrutura de armazenamento). E eles devem evitar as aplicações para as quais é improvável que o hidrogênio de baixo carbono se torne competitivo em custo. A última categoria inclui uso em carros de passageiros, aquecimento e geração de energia. 

Thanks to their higher round-trip energy efficiency and their ability to leverage established infrastructure,  Carros elétricos da bateria  desenvolveram uma vantagem de custo na mobilidade individual, que é improvável que os veículos de células de combustível atinjam. Como resultado, é provável que o hidrogênio permaneça uma tecnologia de nicho para uso em carros de passageiros. No aquecimento espacial e na geração de água morna, uma ampla gama de tecnologias potencialmente de baixo carbono, como aquecedores elétricos, bombas de calor, térmica solar, biomassa e aquecimento do distrito verde, provavelmente permanecerá muito mais barato que o hidrogênio de baixo carbono. Finalmente, o hidrogênio é sem dúvida uma das opções de geração de energia menos econômicas disponíveis hoje. Isso é verdade, mesmo que alguém adote a abordagem frequente de configurar um eletrolisador para executar somente quando houver excesso de renovável-e, portanto, livre-poder. Os países que aderem aos sistemas de aquecimento gasoso, por exemplo, podem decidir adotar misturas de gás de baixo carbono-hidrogênio para limitar as emissões. Na década seguinte, vemos dois usos principais: processos industriais e transporte pesado.

It is important to note that while low-carbon hydrogen is at an inherent disadvantage in such uses, these applications might be viable in certain countries. Countries that stick with gaseous heating systems, for example, may decide to adopt low-carbon-hydrogen blends of gas in order to limit emissions.

The large-scale use of low-carbon hydrogen will be attractive primarily in applications where few other viable decarbonization options exist and where technology and infrastructure barriers are manageable. Over the next decade, we see two major uses: industrial processes and heavy transport.

Industrial  Processos. Os usos industriais do hidrogênio de baixo carbono estão entre os mais promissores, por várias razões. Primeiro, Black H ₂ já é usado como uma entrada na produção de, entre outras coisas, amônia e metanol e nas refinarias de petróleo para hidrocracking e hidrotreração. Como já existe uma sólida demanda por hidrogênio nesses mercados, a mudança para o hidrogênio de baixo carbono seria relativamente simples, exigindo apenas avanços na produção de hidrogênio. Segundo, o consumo nesses mercados está concentrado entre vários usuários finais grandes agrupados em áreas industriais, limitando a necessidade de investimento em novas infraestruturas de armazenamento e transporte de hidrogênio. Terceiro, a maioria das empresas de processos industriais executa grandes programas de investimento de capital para substituir e atualizar as instalações de produção de hidrogênio existentes - e esse ciclo de investimento oferece a oportunidade de descarbonizar a matéria -prima. Por razões semelhantes, o hidrogênio de baixo carbono tem o potencial de descarbonizar a produção de aço, embora isso exija reinvestimentos substanciais nas instalações de produção de aço.

A escala potencial de aplicações industriais é enorme: se todo o preto atual H ₂ O consumo globalmente foram substituídos por H ₂, the amount of renewable power required would be roughly equivalent to the total amount of power currently generated in the European Union annually (about 3,500 TWh). 

Transporte pesado. Em uma área em que o alcance é muito importante, o hidrogênio comprimido tem a vantagem de maior densidade de energia do que as baterias de lítio (mas inferior a diesel). A implantação bem-sucedida dependerá de avanços significativos no custo e na eficiência das células de combustível, bem como no desenvolvimento em larga escala de uma infraestrutura de combustível e distribuição ao longo das principais artérias de transporte. As perspectivas para caminhões de células de combustível também dependerão em parte de um fator imprevisível: um grande salto no alcance e a velocidade de carregamento dos caminhões elétricos limitariam severamente a competitividade do hidrogênio nessa aplicação. Embora a produção de tais combustíveis neutros em carbono seja cara, eles podem ser usados ​​em um motor ou turbina de combustão normal e, portanto, podem se tornar um substituto viável para a gasolina e diesel em aplicações de alta emissão, como aviação e transporte marítimo. Os combustíveis sintéticos competirão principalmente com biocombustíveis avançados, como combustível de algas azuis ou resíduos orgânicos, que ainda estão nos estágios iniciais do desenvolvimento comercial. As empresas ativas no campo, como fabricantes de equipamentos de hidrogênio, serviços públicos e empresas industriais que podem usar hidrogênio em suas operações, devem monitorar de perto o mercado. Dado o quão cedo somos no desenvolvimento do mercado de hidrogênio de baixo carbono, desenvolvimentos regulatórios e avanços tecnológicos podem rapidamente levar a oportunidades de implantar hidrogênio em outras áreas. Nossa modelagem mostra que, se o hidrogênio de baixo carbono for implantado nas aplicações mais apropriadas e se as emissões globais estiverem alinhadas com os alvos de 2 ° C de Paris (um grande "se"), o mercado global de hidrogênio de baixo carbono e os combustíveis sintéticos à base de hidrogênio. Curbing carbon emissions from heavy transportation—land, sea, and air—is one of the greatest decarbonization challenges we face.

For heavy road transport, low-carbon hydrogen in combination with fuel cells could evolve as a viable application in the next decade. In an area where range matters greatly, compressed hydrogen has the advantage of higher energy density than lithium batteries (but lower than diesel). Successful deployment will depend on significant advances in the cost and efficiency of fuel cells as well as the large-scale development of a fueling and distribution infrastructure along main transportation arteries. The outlook for fuel cell trucks will also hinge in part on an unpredictable factor: a major leap in the range and charging speed of electric trucks would severely limit hydrogen’s competitiveness in that application.

For air and sea transport, hydrogen-based synthetic fuels hold considerable promise, but on a longer time horizon (beyond 2030). Although the production of such carbon-neutral fuels is expensive, they can be used in a normal combustion engine or turbine and could therefore become a viable replacement for gasoline and diesel in high-emission applications like aviation and ocean shipping. Synthetic fuels will compete mostly with advanced biofuels, such as fuel from blue algae or organic waste, which are still in the early stages of commercial development.

Uncertainty—and Major Opportunity. While the most attractive prospective applications for low-carbon hydrogen are in industrial processes and heavy transport, the range of potential uses is wide, and hydrogen technology continues to advance. Companies active in the field, such as manufacturers of hydrogen equipment, utilities, and industrial companies that can use hydrogen in their operations, should monitor the market closely. Given how early we are in the development of the low-carbon hydrogen market, regulatory developments and technological advances could quickly lead to opportunities to deploy hydrogen in other areas.

But even if low-carbon hydrogen’s use is concentrated in industrial processes and heavy transport, the potential is enormous. Our modeling shows that if low-carbon hydrogen is deployed in the most appropriate applications and if global emissions are in line with the 2°C Paris targets (a big “if”), the global market for low-carbon hydrogen and hydrogen-based synthetic fuels could hit $1 trillion by 2050.

Caminhos para hidrogênio econômico e de baixo carbono

Identifying the right uses for low-carbon hydrogen means little if there is no reliable, cost-effective means of production. To provide insight on how that can be achieved, we modeled and identified what it requires to make both Green and Blue H ₂ Custo competitivo. Embora isso não seja fácil de alcançar e exigirá ajuda regulatória (incluindo um preço eficaz do carbono), vemos boas notícias: há um caminho claro para tornar os dois competitivos com o preto H ₂.

Getting the Scale Equation Right. Both Green and Blue H₂ face challenges and require different levels of scale to be competitive.

While Green H₂ can be produced at zero emissions, the production process today is not cost efficient, as equipment is subscale and operating costs are high for most configurations. Cost-efficient operations depend on two developments:

• A tecnologia eletrolisadora precisa amadurecer, e os tamanhos das unidades precisam aumentar para unidades de 100 MW para 300 MW, em comparação com as unidades típicas de 5 MW a 10 MW implantadas hoje. Esse desenvolvimento permitiria reduções de custo de eletrolisador de mais de 50% (para menos de 500 €/kwel para sistemas instalados) e aumentaram a eficiência (a quantidade de energia necessária para produzir uma unidade de H ₂) por mais de 5 pontos de produção, para 70%. Utilização - Rougamente 5.000 horas por ano ou mais.
• Hydrogen production units should operate with a renewable power configuration that allows high electrolyzer utilization—roughly 5,000 hours a year or more.
  

Em última análise, verde H ₂ Instalações de produção que atendem aos requisitos descritos aqui estarão em uma escala para reduzir o CO ₂ emissions by several hundred thousand tons.

Blue H₂ faces two primary challenges. The first concerns technical hurdles with achieving both high CO ₂ Taxas de captura e custos de armazenamento baixos por toneladas. A abordagem dessas questões exigirá tocar em diferentes partes do processo de reforma do vapor e acessar locais de armazenamento de longo prazo-por exemplo, aqueles em campos de gás offshore esgotados. O segundo desafio é a resistência pública ao desenvolvimento de instalações de armazenamento - um assunto de debate pesado na maioria dos países europeus. Embora essas tecnologias melhorassem o caso de negócios para a captura de carbono, a viabilidade e a aplicabilidade dessas tecnologias permanecem incertas. CO

Companies are investing in technologies to recycle captured CO₂, including for the manufacture of plastics—an effort that would eliminate the need for storage. While such technologies would enhance the business case for carbon capture, the viability and applicability of these technologies remain uncertain.

Blue H₂ projects require much more infrastructure than Green H₂ projects do, including for CO ₂ Capture, Logistics e Storage final. Consequentemente, azul h ₂ As instalações devem atingir uma escala maior que o verde H ₂ para ser econômico. Projetamos que azul h ₂ As instalações precisariam ser capazes de reduzir o CO ₂ Emissões por milhões de toneladas anualmente para ativar economias materiais de escala. Nesse tamanho, estimamos que os custos totais de captura e armazenamento de carbono podem ser reduzidos para menos de 100 €/T e possivelmente tão baixos quanto 50 €/t, dependendo da taxa de captura, o CO₂ logistics, and the location of the storage site.

Long-Term Technology Tradeoffs. While every project will have distinct economics, commodity prices will be a key determinant of viability for all technologies. Using our model, and assuming the cost-efficient deployment of Blue and Green H ₂ até 2030, conforme descrito acima, podemos avaliar como todos os três tipos de hidrogênio-preto, azul e verde-se sairiam em relação a um outro em vários vários cenários. ¹ 1 Para esta análise, contamos com custos no mercado europeu, embora o modelo seja aplicável em todos os mercados. ^{1 2 2 Para esta análise, contamos com custos no mercado europeu, embora o modelo seja aplicável em todos os mercados.}   (consulte a exposição.)

The competition between Black and Blue H₂ depends on advances in carbon capture and storage as well as the cost of carbon. The competitiveness of Green versus Black depends on advances in electrolysis technology and the cost of three commodities: renewable power, natural gas, and carbon. The competitiveness of Blue versus Green H ₂ depende dos avanços da tecnologia relativa na captura e armazenamento de carbono e na eletrólise, bem como os custos de energia e gás renováveis. (Como azul e verde são de baixo carbono, os preços do carbono têm um impacto insignificante.) Quando analisamos os preços de gás natural e energia na Europa Ocidental nos últimos dez anos, podemos ver que as operações verdes em larga escala H₂ operations we outline above would have been competitive with Black H₂ under many scenarios.

Our analysis makes clear that there is a viable path to cost-competitive low-carbon hydrogen. Companies making the choice between Blue and Green will need to factor in the outlook for technology advances and commodity prices. And regardless of the technology they choose, they will need an environment characterized by smart, regulatory support.

Building the Right Regulatory Regime

The public sector’s role in hydrogen is just as critical as that of private companies.

Over the past decade, there have been hundreds of low-carbon hydrogen pilots in a variety of applications and industries—most of which have received significant public subsidies. The International Energy Agency estimates that there have been 150 publicly funded hydrogen demo projects in Europe alone and that about $700 million in public research funds flows to hydrogen globally every year. Funding is spread across a plethora of use cases, many of which have limited long-term viability, and where efforts are typically subscale.  

Os reguladores agora devem passar para a próxima fase, apoiando o escala de hidrogênio de baixo carbono. Eles precisam direcionar o apoio para áreas em que ele pode realmente fazer a diferença, em vez de espalhar oportunisticamente subsídios em todo o mercado. Para fazer isso, eles devem primeiro identificar aplicações em que o hidrogênio de baixo carbono é a melhor opção econômica para reduzir as emissões de carbono. Uma vez identificados esses "pontos de emissão", os governos devem incentivar as empresas a investir em um conjunto inicial de projetos. Esse regime regulatório deve ter três componentes importantes:

• CO ₂ Emissões em geral, e aquelas decorrentes da produção de preto H₂ in particular, should be priced.
• For areas where there is a viable use for low-carbon hydrogen, government should provide grants to support investments in large-scale facilities. Such support will be a critical—and ultimately cost-efficient—driver of carbon abatement.
• To promote the development of Green H₂, governments should create supportive power regulation. This should include the exemption of large electrolyzers that use renewable power from grid fees and levies, similar to the exemptions often enjoyed by energy-intensive industries such as aluminum, paper, and chlorine.   
  

As empresas, enquanto isso, precisam apresentar projetos de hidrogênio em larga escala de baixo carbono que são minimamente mais caros do que outras alternativas sem carbono. Esses projetos terão a melhor chance de obter apoio público como parte de uma ambiciosa agenda de proteção climática. Para moldar essas oportunidades e se posicionar para obter vantagem deles, os jogadores de hidrogênio devem integrar vários fatores em sua estratégia:

How Companies Can Win in Hydrogen

We believe that within the next decade we will see the first large-scale, low-carbon hydrogen applications. To shape these opportunities, and position themselves to gain advantage from them, hydrogen players should integrate several factors into their strategy:

• insistem na viabilidade de longo prazo. Os players de sucesso em hidrogênio de baixo carbono terão uma visão de longo prazo, investindo em ativos, tecnologias e capacidades que apresentam um caso de negócios razoável hoje, mas tem o potencial de oferecer atraentes oportunidades de investimento em larga escala ao longo de um horizonte de longo tempo. Consequentemente, as empresas devem fazer parceria em toda a cadeia de hidrogênio e valor de energia. Especialistas em serviços públicos e tecnologia, por exemplo, podem desenvolver oportunidades de hidrogênio de baixo carbono com empresas industriais que possuem e operam a infraestrutura de discoteca, mas não têm acesso a mercados de energia e know-how de hidrogênio de baixo carbono. Se for feito certo, nenhum parceiro único fará retornos exagerados nesses projetos-mas ninguém sofrerá perdas fortes. Companies looking for quick, single-asset measures to lighten their carbon footprint are better served using tactics such as energy efficiency, electrification, and renewable power sourcing rather than low-carbon hydrogen. Successful players in low-carbon hydrogen will take a long-term view, investing in assets, technologies, and capabilities that present a reasonable business case today but have the potential to offer attractive large-scale investment opportunities over a long time horizon.
• Partner to make the economics work. Few low-carbon hydrogen projects today are likely to yield attractive returns when executed by one party alone. Consequently, companies must partner across the hydrogen and energy value chain. Utilities and technology specialists, for example, can develop low-carbon hydrogen opportunities with industrial companies that own and operate the offtaking infrastructure but lack access to power markets and low-carbon hydrogen know-how. If done right, no single partner will make outsized returns on these projects—but no one will suffer hefty losses.
• Avalie o valor do sistema de ponta a ponta. Os proprietários de fazendas eólicas e solares, por exemplo, podem, em alguns casos, vincular seus ativos de energia renovável diretamente a um eletrolisador, resultando em benefícios em ambas as extremidades: a empresa de energia renovável reduz o risco de mercado, garantindo um contrato de longo prazo e a planta de hidrogênio de baixo carbono em sua fonte de baixo custo, fonte de eletricidade verde. não será para todos. As empresas que têm vantagens competitivas em termos de ativos e capacidades - e são capazes de desenvolver essas vantagens - prevalecerão. As empresas que perseguem H Companies in the low-carbon hydrogen market need to optimize their systems across the value chain—from feedstock to end-use applications. Owners of wind and solar farms, for example, can in some cases link their renewable power assets directly to an electrolyzer, resulting in benefits on both ends: the renewable power company reduces market risk by securing a long-term contract, and the low-carbon hydrogen plant locks in a low-cost, green electricity source.
• Build on your competitive advantages. Scaling up low-carbon hydrogen will not be for everyone. Companies that have competitive advantages in terms of assets and capabilities—and are able to build on those advantages—will prevail. Companies pursuing Blue H ₂, por exemplo, devem garantir que elas possam aproveitar uma rede de instalações de armazenamento subterrâneo, infraestrutura de gás e experiência petroquímica e são capazes de ofuscar o volume. Possuir ou ter acesso a esses ativos e recursos permite uma escala mais rápida e ajuda a mitigar o risco técnico e comercial. Exigirá que o setor privado coloque a pele no jogo e nas sociedades para apoiar esses projetos. As empresas devem iniciar um diálogo baseado em fatos com os reguladores, que se concentra na importância de alcançar uma escala suficiente e é honesta sobre os desafios pela frente. Uma utilidade integrada, por exemplo, se uniu a jogadores de aço em uma discussão com um governo nacional para impulsionar a redução de carbono em aço durante um período de 20 anos. Esse diálogo resultou em apoio do governo a projetos para usar hidrogênio de baixo carbono na produção de aço-efeitos que cumpriram objetivos governamentais de reduzir as emissões de carbono e promover a competitividade a longo prazo do setor siderúrgico do país.
• Engage regulators with openness and honesty. Scaling up and deploying low-carbon hydrogen solutions is no easy feat. It will require the private sector to put skin in the game and societies to support these projects. Companies should initiate a fact-based dialogue with regulators, one that focuses on the importance of achieving sufficient scale and is honest about the challenges ahead. One integrated utility, for example, teamed with steel players in a discussion with a national government to drive carbon abatement in steel over a 20-year period. That dialogue ultimately resulted in government support for projects to use low-carbon hydrogen in steel production—efforts that met government goals of reducing carbon emissions and fostering the long-term competitiveness of the country’s steel sector.

do hype à realidade

hidrogênio de baixo carbono representa uma oportunidade de negócios massiva. Se os países cumprirem suas promessas de limitar o aquecimento global a 2 ° C, o hidrogênio de baixo carbono pode se tornar um mercado de trilhões de dólares. E mesmo que apenas uma fração dessa demanda se materialize, a potencial oportunidade de negócios é grande demais para as empresas, principalmente no setor de energia, para assistir à margem.    

É por isso que grandes empresas industriais, players de equipamentos, serviços públicos e investidores devem se mover hoje, desenvolvendo uma compreensão sistêmica das tecnologias de hidrogênio de baixo carbono-seus custos, possível trajetória de desenvolvimento e sua posição competitiva contra outras tecnologias em determinadas aplicações-alvo. Armado com informações sobre onde o hidrogênio de baixo carbono faz sentido econômico, eles podem desenvolver a tecnologia e o portfólio de investimentos certos para direcionar seus recursos para as melhores oportunidades com o menor risco. Não será fácil, mas para os vencedores valerá a pena. Esben Hegnsholt

Those who understand where and how to leverage the power of low-carbon hydrogen will carve out a position for themselves in a fast-growing market—and in the process will be critical drivers of progress against climate change. It will not be easy, but for the winners it will be worth it.