A oportunidade de tecnologia verde no hidrogênio

Faz décadas desde que o hidrogênio foi proposto pela primeira vez como uma fonte primária de energia limpa. Graças aos avanços em uma variedade de tecnologias -chave, o momento em que o gás abundante pode começar a contribuir para a luta contra as mudanças climáticas, pode finalmente estar sobre nós. Mas o nível do hype é alto e muitos desafios tecnológicos, econômicos e políticos permanecem antes que o hidrogênio possa oferecer uma maneira verdadeiramente econômica de diminuir as emissões de gases de efeito estufa (GEE). Se o hidrogênio atingir todo o seu potencial, deve se tornar mais barato e mais eficiente para produzir, distribuir e usar. Chegar lá exigirá duas tendências para se unir.

First, government policymakers and regulators must continue to support, through direct subsidies and policy changes, the production and use of low-carbon hydrogen for applications where hydrogen offers the greatest potential for abating GHG emissões. ¹ 1 O hidrogênio de baixo carbono refere-se ao hidrogênio produzido por métodos que liberam quantidades mínimas de gases de efeito estufa. Consulte “Fazendo o hidrogênio de baixo carbono” para obter mais detalhes. Os governos em várias jurisdições já estão incorporando hidrogênio em seus esforços para cumprir as metas de emissões de GEE. A UE, por exemplo, fez do hidrogênio um elemento -chave de sua estratégia para atingir zero emissões até 2050.

Segundo, a economia de hidrogênio precisa se tornar uma realidade, e as partes interessadas ao longo do ecossistema precisam contribuir. Em particular, os fabricantes de máquinas (as empresas que desenvolvem e fabricam as máquinas, equipamentos e componentes necessários) e seus investidores devem fazer sua parte. Com o apoio adequado em toda a cadeia de valor de hidrogênio-e assumindo que o esforço global para reduzir as emissões de GEE aumenta de acordo com os objetivos do Acordo de Paris-o mercado de máquinas, equipamentos e componentes relacionados a hidrogênio pode subir para US $ 200 bilhões ou mais por 2050. ² 2 Os cálculos são baseados no cenário de desenvolvimento sustentável da Agência Internacional de Energia, assumindo o caso de inovação mais rápido.

Atualmente, o mercado nascente para hidrogênio de baixo carbono é altamente complexo e altamente fragmentado, mas Ele tem promessa real . O dinheiro de governos e investidores privados está começando a fluir para o setor, e grandes empresas, pequenas e médias empresas, e as startups estão entrando rapidamente em campo. No entanto, as incertezas - sobre o mercado, os modelos de negócios certos, as melhores tecnologias e o apoio contínuo do governo - permanecem altos. Navegar no mercado terá muita experiência e uma estratégia consistente e cuidadosamente considerada.

Neste relatório, consideramos a estrutura do mercado de hidrogênio de baixo carbono-junto com suas oportunidades, benefícios e desafios-e oferecemos um roteiro para os fabricantes de máquinas capturarem sua parcela justa do valor inerente ao ecossistema de hidrogênio. Seus esforços para pesquisar, desenvolver e produzir as tecnologias necessários serão fundamentais para reduzir o custo e aumentar a eficiência das aplicações de hidrogênio - e fazer uma contribuição real para a luta para reduzir o aquecimento global.

A cadeia de valor de hidrogênio

O potencial do hidrogênio para diminuir as emissões de GEE é alto. Até 2050, as emissões de GEE poderiam ser reduzidas em 5 a 6 gigatons anualmente por meio de aplicações como a substituição de limpo H ₂ for base chemical production and refinery, the use of fuel cells in heavy vehicles, and as a reduction agent in the iron and steel industry. Altogether, those changes would eliminate about 15% of the 35-gigaton total that we included in our Análise anterior de Green Tech. ³ 3 Para nosso último estudo, incluímos dados de emissões de 34 dos países membros da Organização para Cooperação e Desenvolvimento Econômico (excluindo a Coréia do Sul e o México) e os quatro países do BRIC (Brasil, Rússia, Índia e China). As emissões de GHG são declaradas em termos de CO ₂ equivalentes (CO ₂-e), um método para definir constantemente o potencial de aquecimento global de todos os GEE. O metano, por exemplo, possui um potencial de aquecimento global 28 vezes maior que o CO ₂. (Veja o Anexo 1.)

Hydrogen can be produced in a variety of ways, some of them “cleaner” than others. (See “Making Low-Carbon Hydrogen.”) To maximize the environmental gains, H ₂ deve ser produzido sem emitir GEE. O método mais limpo de produzir H₂ involves breaking water down into its constituent parts through electrolysis, using electricity from renewable-energy sources. It is this so-called “green” H ₂ em que nos concentramos aqui. Para maximizar seus benefícios ambientais, o hidrogênio deve ser "verde"-feito inteiramente de fontes de energia renovável. Outros métodos, no entanto, também continuarão sendo empregados, alguns mais limpos que outros. (Veja a exposição.) Atualmente, o método mais comum, cinza H

Exhibit 2 breaks down the potential market in 2050—$200 billion in annual capital spending—for the equipment and components needed at each link in the hydrogen value chain:

• Produção de H ₂, principalmente por meio de sistemas eletrolisos
• Distribution, including compression, pipelines, and storage
• Conversion of H₂ to transportable forms, mostly components and materials-handling equipment
• Aplicações de transporte e indústria, incluindo células de combustível, combustão e uso como matéria-prima

These market segments will not mature at the same time. While production and distribution will need to develop independently of where and how H₂ is to be used, the conversion of H₂ into transportable forms and its specific uses depend on their economic competitiveness with current technologies and other green alternatives, as well as government policies and customer Preferências. A eletrificação direta usando sistemas elétricos da bateria é outra alternativa verde para aplicações de transporte, mas nos segmentos pesados, células de combustível e combustíveis à base de hidrogênio têm vantagens operacionais em comparação com as opções elétricas da bateria devido à sua maior densidade de potência e tempos de reabastecimento mais rápidos. Esperamos que a energia elétrica da bateria domine o carro de passageiros e os segmentos de veículos-comércio-comércio-comércio devido à sua eficiência de ida e volta geralmente mais alta. Isso exigirá reduzir ainda mais os custos de produção de hidrogênio ou o desenvolvimento de redes descentralizadas de produção e distribuição. De qualquer maneira, as empresas precisam superar barreiras relacionadas à alta intensidade de capital de fornecer a infraestrutura necessária e a disponibilidade de veículos e equipamentos movidos a hidrogênio em escala industrial. (Veja o Anexo 3.)

Our scenario analysis shows that at $2 per kilogram of hydrogen, several applications will likely be economically competitive in Europe by 2030. For heavy-duty transport, unit economics will be favorable comparatively early. Direct electrification using battery-electric systems is another green alternative for transport applications, but in the heavy-duty segments, fuel cells and hydrogen-based fuels have operational advantages compared with battery-electric options owing to their higher power density and faster refueling times. We expect battery-electric power to dominate the passenger car and light-commercial-vehicle segments because of its generally higher round-trip efficiency.

In addition to unit economics, handling and distribution costs will need to be considered in order to make hydrogen competitive for those heavy-duty applications. This will require either lowering hydrogen production costs even further or developing decentralized production and distribution networks. Either way, companies need to overcome barriers related to the high capital intensity of providing the required infrastructure and to the availability of hydrogen-powered vehicles and equipment at industrial scale. (See Exhibit 3.)

Aplicações no setor químico e a indústria de ferro e aço também podem se tornar economicamente viáveis ​​até 2030, pois os custos de produção de hidrogênio disputam. As principais barreiras serão os altos investimentos necessários para mudar para a produção de hidrogênio de baixo carbono, a necessidade de manter a continuidade operacional na produção química e aço e os longos ciclos de investimento e períodos de planejamento necessários. Quanto mais alto que os impostos ou os custos de emissões de GEE aumentam e, mais rápidas as barreiras na infraestrutura e disponibilidade de equipamentos em escala industrial forem removidas, mais cedo cada aplicação se tornará economicamente viável. A seguir, analisamos os quatro segmentos do mercado de hidrogênio-produção, distribuição, conversão e aplicações-e as oportunidades que cada segmento oferece aos fabricantes de máquinas. Neste relatório, focamos na produção de hidrogênio verde através da eletrólise. Embora azul h

Despite the challenges, the economic viability of H₂ applications will increase over the next decade. The higher that taxes or GHG emissions costs rise, and the faster the barriers in infrastructure and availability of equipment at industrial scale are removed, the sooner each application will become economically viable.

The task of developing and scaling up the equipment and processes needed to reduce the costs of producing, distributing, and developing uses for hydrogen will fall primarily to the world’s machinery makers. In what follows, we analyze the four segments of the hydrogen market—production, distribution, conversion, and applications—and the opportunities each segment offers to machinery makers.

PRODUCING HYDROGEN

In the future, most of the hydrogen produced will be low-carbon—either green or blue. In this report, we focus on the production of green hydrogen through electrolysis. Although blue H ₂ provavelmente também representará uma quantidade considerável do suprimento total de hidrogênio, o mercado para as tecnologias de membrana de captura de carbono necessárias para produzi -lo permanecerá consideravelmente menor que o mercado internacional. H

Under its Sustainable Development Scenario, the International Energy Agency expects installed electrolysis capacity for producing H ₂ para subir para 130 gigawatts em 2030, com a UE representando 80 gigawatts do total, incluindo produção para importação. A alimentação de todos esses eletrolisadores para produzir hidrogênio verde exigirá a produção de cerca de 600 horas de terawatt de energia renovável, fornecendo um enorme mercado novo para a indústria de geração de energia renovável (não considerada nesta análise). Mas, para atender à demanda esperada por H ₂, o custo da eletrólise deve diminuir e sua eficiência deve aumentar. Os mais comuns são os eletrolisadores de membrana de eletrólitos ou trocas de prótons (PEM), que usam pilhas de membranas de polímero sólido entre o ânodo e o cátodo do eletrolisador e as células de eletrólise alcalina (AECs), que usam uma solução líquida alcalina como eletrólito. As células de eletrólise de óxido sólido (SOECs) usam um eletrólito sólido para produzir H

Several different types of electrolyzers are in use. The most common are polymer electrolyte or proton exchange membrane (PEM) electrolyzers, which use stacks of solid polymer membranes between the electrolyzer’s anode and cathode, and alkaline electrolysis cells (AECs), which use a liquid alkaline solution as the electrolyte. Solid oxide electrolysis cells (SOECs) use a solid electrolyte to produce H ₂ do vapor; A tecnologia é menos madura, mas oferece o potencial de níveis de eficiência de até 80%. (Veja a Figura 4.) O aumento da eficiência geral oferece uma grande oportunidade para os fabricantes de máquinas. Por exemplo, aumentando a eficiência do sistema de eletrolisadores PEM de 60% a 70% parece possível, principalmente melhorando os materiais usados ​​na pilha. Esses custos de capital são altos por vários motivos. Por um lado, os eletrolisadores requerem uma grande quantidade de material caro, como metais preciosos. Isso é verdade especialmente para pilhas de eletrolisador PEM que usam principalmente uma membrana com platina no cátodo e irídio ou rutênio no lado do ânodo. A P&D está em andamento para explorar maneiras de reduzir a quantidade de metal precioso necessário sem arriscar a durabilidade. Uma questão é que apenas um pequeno número de eletrolisadores está sendo produzido. E os custos de fabricação são altos devido à falta de automação de produção. Os eletrolisadores normalmente contêm até 150 células, em dez camadas muito finas; Dada a precisão necessária para fazê -los, a automação do processo é extremamente difícil e requer considerável experiência. Faltam padrões de qualidade, forçando os operadores a garantir a qualidade de cada eletrolisador individual, aumentando ainda mais os custos. Finalmente, o maior eletrolisador operacional tem uma capacidade de apenas 10 megawatts. Nas capacidades relativamente pequenas de hoje, o custo da configuração dos componentes periféricos para cada eletrolisador é alto.

The cost both to produce and to operate electrolyzers is high, owing largely to the inefficiency of current electrolyzer technology and the end-to-end support systems they require. (See Exhibit 4.) Increasing overall efficiency offers a major opportunity for machinery makers. For example, boosting the system efficiency of PEM electrolyzers from 60% to 70% seems possible, primarily by improving the materials used in the stack.

At present, building out the required electrolyzer capacity is far too costly to be practical. These capital cost are high for several reasons. For one, electrolyzers require a large amount of pricey material, such as precious metals. This holds true especially for PEM electrolyzer stacks that mostly use a membrane with platinum on the cathode and iridium or ruthenium on the anode side of it. R&D is ongoing to explore ways of reducing the amount of precious metal needed without risking durability.

Other factors also contribute to the high capex. One issue is that only a small number of electrolyzers are being produced. And manufacturing costs are high owing to a lack of production automation. Electrolyzers typically contain as many as 150 cells, in ten very thin layers; given the precision needed to make them, automating the process is extremely difficult and requires considerable expertise. Quality standards, too, are lacking, forcing operators to ensure the quality of each individual electrolyzer, further increasing costs. Finally, the largest operational electrolyzer has a capacity of just 10 megawatts. At today’s relatively small capacities, the cost of setting up the peripheral components for each electrolyzer is high.

Reduzindo o custo dos materiais e o aumento da automação e padronização pode reduzir o CAPEX necessário para as pilhas da AEC em 30% a 40%, se a produção puder ser escalada de 50 unidades para 1.000 unidades por ano. Nessa escala, o Capex necessário para o saldo da planta (BOP) diminuiria de 20% a 30%, elevando o custo geral do sistema para cerca de US $ 280 a US $ 350 por quilowatt (sem incluir margens, despesas gerais e SG&A). Para eletrolólios PEM, o Capex necessário para as pilhas precisaria cair de 40% a 50% e para o BOP em 20% a 30%, reduzindo os custos gerais do sistema para US $ 320 a US $ 400 por quilowatt. Estabeleça plantas de eletrólise em larga escala nos padrões de qualidade necessários. Com o tempo, no entanto, espera -se que isso mude, pois o aumento da especialização abre oportunidades para fornecedores de componentes como membranas e placas bipolares para a pilha de eletrólise, bem como os compressores, as bombas, a eletrônica de potência e a aplicação de um total de produtos de eletrólise. até 2050.

As production of H₂ electrolyzers ramps up, established system makers may have an advantage because they are more likely to be able to establish large-scale electrolysis plants at the required quality standards. In time, however, this is expected to change, as increasing specialization opens up opportunities for suppliers of components such as membranes and bipolar plates for the electrolysis stack, as well as the compressors, pumps, power electronics, and gas analytics for entire electrolysis systems.

Tomado em conjunto, o final da produção da cadeia de valor de hidrogênio oferece uma variedade de oportunidades para os fabricantes de máquinas, no valor de um total de US $ 60 bilhões a US $ 65 bilhões anualmente até 2050. Construir e melhorar a eficiência dos eletrolzers que serão necessários é apenas parte da equação. Serão necessários mais P&D para melhorar os tempos de reação e inicialização dos eletrolisadores e os métodos para executá -los sob diferentes condições. Unlike the current oil and gas industry, the low-carbon hydrogen ecosystem will require a mix of centralized and decentralized production, distribution, and storage, depending on the availability of renewable energy, the existing infrastructure, and the locations for efficiently using the H

DISTRIBUTING AND STORING HYDROGEN

If the market for hydrogen is to reach its full potential, companies must overcome several significant hurdles in distribution and storage. Unlike the current oil and gas industry, the low-carbon hydrogen ecosystem will require a mix of centralized and decentralized production, distribution, and storage, depending on the availability of renewable energy, the existing infrastructure, and the locations for efficiently using the H₂.

Unlike hydrocarbons, hydrogen is highly volatile e mais leve que o ar, tornando o transporte e o armazenamento complicado. Assim, faz sentido, no curto prazo, localizar a produção de hidrogênio perto de onde será usado. Com o tempo, no entanto, à medida que a demanda por hidrogênio de baixo carbono aumenta, as vantagens de custo de produzir grandes volumes de H ₂ No hemisfério sul, quase 13 fontes de energia renovável (especialmente energia solar), aumentará o crescimento internacional para os mercados internacionais. desenvolvido, provavelmente usando navios. Para distâncias mais curtas, grandes quantidades podem ser enviadas através de oleodutos, enquanto uma combinação de trens e caminhões pode fornecer quantidades menores. (Consulte o Anexo 5.)_2. Long-distance transportation networks must be developed, most likely using ships. For shorter distances, large amounts can be sent through pipelines, while a combination of trains and trucks can deliver smaller amounts. (See Exhibit 5.)

H _{2 || 3888 e um pouco de uma dama e explicações e explicações, que se escapou, por mais que se escapassem e, com facilidade. O transporte de uma de suas formas de maior densidade é preferível, mas requer compressão, liquefação ou conversão. H} is highly flammable and explosive, escapes easily, and has a relatively low density. Transporting it in one of its higher-density forms is preferable but requires compression, liquefaction, or conversion. H ₂ também reage com muitos metais, fazendo com que se tornem quebradiços. H

These considerations open up a number of potential markets for machinery manufacturers, especially those that specialize in hazardous materials, and for suppliers that can adapt their products for use with hydrogen.

Because of its low density, H ₂ deve ser altamente comprimido para armazená -lo com eficiência e enviá -lo para seu destino. Várias tecnologias estão em consideração. H ₂ torna -se um líquido a uma temperatura de –252 ° C, mas o transporte de hidrogênio líquido a longas distâncias é de apenas 70%; A eficiência é limitada pela necessidade de tanques criogênicos super gelados e resfriamento ativo constante para impedir o aumento da pressão e o risco associado de explosão. E ainda assim, parte do líquido retornará inevitavelmente ao seu estado gasoso e escapará como gás fervura. Métodos de liquefação aprimorados e materiais de isolamento precisam ser desenvolvidos para tornar o envio liquefeito H ₂ em distâncias mais longas economicamente competitivas. Novos navios que podem manter o H ₂ Cold também deve ser projetado e construído; e obstáculos regulatórios devem cair: transportar líquido H ₂ Atualmente não é permitido. (Veja a próxima seção.) O hidrogênio convertido pode ser tratado através da infraestrutura de transporte existente em uso pela indústria de gás. Mas se o hidrogênio convertido precisar ser reconvertido em seu destino, as perdas de eficiência são ainda mais altas do que para o hidrogênio líquido. A partir de 2018, por exemplo, a Europa tinha apenas 2.000 quilômetros de oleodutos que transportam H

Another option for long-distance transportation is converting hydrogen to a different form. (See the next section.) Converted hydrogen can be handled through existing transport infrastructure in use by the gas industry. But if the converted hydrogen needs to be reconverted at its destination, efficiency losses are even higher than for liquid hydrogen.

The most economical way to transport H₂ across distances of up to a few thousand kilometers is through pipelines, opening up a further opportunity in pipeline construction and repurposing. As of 2018, for example, Europe had just 2,000 kilometers of pipelines carrying H ₂, mas tinha quase 23.000 quilômetros de tubulações de gases de metano que poderiam ser reformadas para H ₂ por 2040. H ₂ também pode ser instalado dentro de tubulações atuais, tornando -se desnecessário recrutar e selar os tubos existentes. H

Either way, there will be high demand for pipeline materials that can withstand H₂ for decades and for the equipment required to keep the H ₂ Em compressão, à medida que se move através dos pipelines. Sedas à prova de vazamentos, bombas, sistemas de gerenciamento de fluxo de gás e trocadores de calor, além de peças menores, como válvulas, também serão necessárias. As soluções variam de cilindros a gás para pequenas quantidades de hidrogênio comprimido até cavernas de sal e cavidades de rocha para grandes quantidades. Os valores médios provavelmente serão armazenados em vasos ou tanques maiores, em formas compactadas, liquefeitas ou convertidas. H

Opportunities in the storage of H₂ for future transport and use differ depending on the amount being stored. Solutions vary from gas cylinders for small amounts of compressed hydrogen up to salt caverns and rock cavities for large amounts. Medium amounts will most likely be stored in larger vessels or tanks, in compressed, liquefied, or converted forms.

For machinery makers, the potential hydrogen distribution market opportunity will total an annual $25 billion to $30 billion by 2050.

CONVERTING HYDROGEN

As mentioned above, once H ₂ é produzido, ele pode ser convertido em outras formas, como amônia e hidrocarbonetos sintéticos como metanol, ou ligado a um portador orgânico líquido como o tolueno. Isso permite que ele seja armazenado e transportado através da infraestrutura de commodities existente, incluindo tanques de armazenamento, navios e pipelines. (Consulte o Anexo 6.) O Japão, por exemplo, espera importar 300.000 toneladas de H ₂ anualmente até 2030. Navios capazes de transportar 50 toneladas de liquefeito H _{2 || 3931} are in development, and that would require 5,000 to 6,000 shiploads. But transporting H ₂ convertido em amônia, por exemplo, pode reduzir o número de navios de navio exigidos por um fator de 100.

Energy efficiency losses vary from about 12% when converting H ₂ em amônia, para mais de 20% ao convertê -lo em metanol ou ligá -lo a um transportador e até cerca de 35% ao convertê -lo em um hidrocarboneto sintético. Neste último caso, o carbono adicionado necessário deve ser derivado de fontes que não sejam combustíveis fósseis - através de um processo chamado captura direta de ar, por exemplo. Por exemplo, a amônia pode ser usada diretamente como matéria -prima na indústria química e fazer fertilizantes, e o metanol pode ser convertido em energia e calor para a indústria siderúrgica por meio da combustão. Ambos os processos oferecem um potencial considerável assim que a produção de verde H

Depending on its application, the converted H₂ does not necessarily need to be reconverted to pure H₂. For example, ammonia can be used directly as a feedstock in the chemical industry and to make fertilizers, and methanol can be converted to power and heat for the steel industry through combustion. Both processes offer considerable potential as soon as producing green H ₂ torna -se competitivo com outros métodos de produção. A amônia, assim como o hidrocarboneto sintético, poderia eventualmente ser usado para combustão direta em outras aplicações, mas isso depende da substituição de mecanismos de combustão e turbinas tradicionais por amônia ou synfuels, que não é possível vincular H ||! O portador que é menos tóxico que a amônia (como o tolueno), envie -o e, em seguida, retorne à forma gasosa quando chegar ao destino. Atualmente, o processo de conversão e reconversão ou desidrogenação resulta em uma perda de 50% de H

A further possibility is to link H₂ to a liquid organic carrier that is less toxic than ammonia (such as toluene), ship it, and then return it to gaseous form once it reaches the destination. At present, the conversion and reconversion or dehydrogenation process results in a 50% loss of H ₂, muito menos eficiente do que outros processos de conversão. E o transportador orgânico líquido desidrogenado deve ser enviado de volta para onde o H ₂ foi originalmente convertido para que possa ser reutilizado. Mas os avanços tecnológicos na conversão e no transporte podem tornar esse método mais eficiente em termos de energia.

O desenvolvimento de tecnologias aprimoradas de conversão e recuperação apresenta uma oportunidade considerável para os fabricantes de máquinas - US $ 35 bilhões a US $ 40 bilhões por ano até 2050.

Usando hidrogênio

Hidrogênio será colocado para uma ampla variedade de usos. As aplicações com a maior oportunidade para os fabricantes de máquinas são células de combustível para transporte e matéria -prima para a indústria de ferro e aço. (Consulte o Anexo 7.) A longo prazo, H ₂ Também deve ser usado em combustão direta para produzir energia e calor. Juntos, eles somam uma receita potencial para os fabricantes de máquinas de US $ 80 bilhões a US $ 90 bilhões anualmente até 2050. No entanto, o hidrogênio ainda não é tão econômico quanto as aplicações atuais e deve competir com outras tecnologias de baixo carbono para algumas aplicações.

Transporte. Como combustível para caminhões, trens e navios, o hidrogênio tem muitas vantagens. Dada sua maior densidade de energia, oferece vantagens consideráveis ​​no alcance e tempo de reabastecimento em comparação com a eletrificação direta através de sistemas elétricos da bateria. Mas o custo de redução da substituição das emissões atuais de GEE do setor pode ser alto, dependendo da forma de transporte. Embora o custo total de propriedade dos veículos elétricos da bateria seja menor, seus longos tempos de recarga e baterias pesadas fornecem veículos alimentados com vantagens operacionais de células de combustível em aplicações como caminhões pesados, veículos fora da percurso, como trimestres de mineração e escavadeiras, e os ranks de que os rangues de uma mineração são de que os rangos e os ranks de mineração e os ranks em 4 de manhã. Alimentado pelo hidrogênio já está em operação de passageiros na Europa hoje.

Because of the considerable efficiency losses inevitable in both the electrolysis process and the use of fuel cells, direct electrification has a much higher round-trip efficiency. Although the total cost of ownership of battery-electric vehicles is lower, their long recharging times and heavy batteries give vehicles powered with fuel cells operational advantages in applications such as heavy-duty trucks, off-highway vehicles such as mining trucks and excavators, and long-haul buses, given their heavy loads, long ranges, high fuel consumption, and the need for fast refueling.

No transporte ferroviário, as células de combustível fornecem uma alternativa verde em situações em que um sistema de catenário aéreo que fornece energia elétrica não pode ser usado e provavelmente se tornarão competitivos com o diesel nos próximos dez anos. O desafio da infraestrutura é menor do que no transporte rodoviário, uma vez que são necessárias menos estações de reabastecimento. Os primeiros trens alimentados pelo hidrogênio já estão em operação de passageiros na Europa hoje. Em certos tipos de transporte, como balsas, é provável que se tornem uma alternativa verde aos biocombustíveis, dadas as possíveis restrições às emissões próximas a algumas linhas costeiras. Para outras formas de remessa, amônia e metanol derivados de verde H

Fuel cells can also be used in other forms of transport. In certain kinds of shipping, such as ferries, they are likely to become a green alternative to biofuels, given potential restrictions on emissions close to some coastlines. For other forms of shipping, ammonia and methanol derived from green H ₂ provavelmente se tornarão a alternativa verde favorita à energia elétrica da bateria, embora essas aplicações provavelmente não sejam desenvolvidas em escala em 2030. | Esperamos que o uso de hidrogênio no setor de transporte cresça rapidamente nos próximos dez anos - embora de uma base baixa - oferecendo, eventualmente, uma oportunidade de mercado para as empresas de máquinas de US $ 45 bilhões a US $ 50 bilhões anualmente até 2050. H

For transport applications, fuel cell technology is already well advanced, and both policymakers and vehicle manufacturers are beginning to promote it heavily. We expect the use of hydrogen in the transport sector to grow rapidly over the next ten years—albeit from a low base—eventually offering a market opportunity for machinery companies of some $45 billion to $50 billion annually by 2050. The opportunity can be broken down into three areas:

• Refueling Stations. If the demand for H ₂ Para veículos pesados ​​na estrada, sobe para até 40 megatons a 45 megatons por ano, mais de 50.000 h ₂ REFULING STATIONS NECESSÁRIOS EM MUNDIO DE 2050 A RICUTOS, de apenas 450 em 2019. H₂ per year—by providing a consistent supply of hydrogen to the station via pipelines or other means, by storing enough H₂ at the station, and perhaps by producing the H₂ at the station itself, conceivably with onsite solar panels or wind turbinas. Para garantir tempos curtos de reabastecimento comparáveis ​​ao reabastecimento de diesel ou gasolina, o H ₂ também deve ser pré -resfriado e comprimido. H
• Fuel Tanks. Powering vehicles with H₂ can be done in three ways: through direct combustion of H ₂ Em um motor, conversão de H ₂ em uma célula de combustível para gerar eletricidade para alimentar motores elétricos e conversão em um combustível sintético ou e-combustão para administrar um motor de combustão. Os dois primeiros exigem a capacidade de armazenar H ₂ a bordo do veículo de forma compacta, segura e barata. Os tanques devem ser capazes de suportar alta pressão e serem selados perfeitamente. As oportunidades para as empresas de máquinas também incluirão melhorar e reduzir o custo dos processos de produção para os tanques e as fibras de carbono usadas para fabricá-las. As células de combustível são feitas de centenas de membranas celulares individuais que geram eletricidade. Eles são combinados em pilhas e equipados com sistemas de refrigeração, compressores, bombas, unidades de controle e sistemas de gerenciamento de fluxo de gás para formar um sistema completo de combustível. A eficiência, a durabilidade, a longevidade e o custo das células devem ser melhoradas, e a quantidade de metais preciosos, como a platina, que são usados ​​para fazê -las devem ser reduzidos. Também será necessário desenvolver um método de reciclagem desses metais para que eles possam ser reutilizados.
• Fuel Cells. Perhaps the greatest challenge lies in developing and producing the high-quality, efficient, and affordable fuel cells used to provide power for electric vehicles. Fuel cells are made from hundreds of individual cell membranes that generate electricity. These are combined into stacks and equipped with cooling systems, compressors, pumps, control units, and gas flow management systems to form a complete fuel system.
  Altogether, fuel cells offer many opportunities for machinery makers. The efficiency, durability, longevity, and cost of the cells must be improved, and the amount of precious metals, such as platinum, that are used to make them must be reduced. It will also be necessary to develop a method of recycling these metals so that they can be reused.
  Atualmente, as células de combustível são criadas principalmente manualmente, um método demorado. O processo deve se tornar totalmente automatizado em velocidades rápidas de menos de 2 segundos cada, permitindo que as fábricas produzam até 1 milhão por ano, dentro de altas tolerâncias e sob extrema pressão. Diferentes tipos de pilhas e sistemas de células de combustível precisarão ser fabricados para aplicações específicas. Isso aumentará a demanda por equipamentos de linha de montagem muito complexos e para o equipamento necessário para fabricar os muitos componentes que entram no sistema de combustível completo.

Processos industriais. H ₂ pode ser usado em uma variedade de aplicações industriais. Na indústria química, h ₂ já é usado para produzir matéria -prima, diminuindo significativamente o potencial de mercado do equipamento nesse setor. O uso de verde ou azul H _2, No entanto, reduzirá significativamente as emissões de GEE geradas como resultado do processo. H

If blue H₂ is used for these processes, it could be produced onsite by refitting steam methane reformers and installing carbon capture and compression equipment to produce clean blue H ₂. Fornecer o equipamento de captura de carbono e a tecnologia de membrana para filtrar os GEE lançados devem oferecer uma oportunidade de negócios para os fabricantes de máquinas de US $ 5 bilhões a US $ 7 bilhões por ano até 2050.

A indústria de ferro e siderúrgica é a segunda aplicação industrial mais prática, onde h ||-4060 como um Grãos ₂ can replace methane gas as a reduction agent for producing direct-reduced iron that can then be used in an electric-arc furnace to produce steel. Assuming that countries around the world comply with the Paris Agreement, this market could reach an annual $16 billion to $20 billion by 2050, including the equipment needed for cooling, heat recuperation and compression, as well as humidifiers and gas-drying systems. To reach that potential, however, several challenges must be overcome. These include boosting the quality of the steel made using H ₂, gerenciando dinamicamente o fornecimento de h ₂ de um sistema de eletroliadores no local e otimizar o ponteiro h₂ Substitua todos os fornos de explosão tradicionais existentes. H

Finally, H₂ can be put to use in a variety of power and heat generation applications, a market that could total a yearly $8 billion to $10 billion by 2050. It can be used, for example, as a combustion fuel for large-scale, stationary turbine engines and generators and to produce heat for industrial uses. H ₂ células a combustível também podem ser usadas em aplicações de energia estacionária descentralizadas, onde podem gerar eletricidade, e o calor criado como um subproduto pode ser capturado e usado em outras aplicações industriais. A economia de hidrogênio enfrenta vários desafios e riscos, além do desenvolvimento das tecnologias e do esforço para torná-las competitivas em custos. A superação desses obstáculos exigirá um planejamento considerável, bem como o apoio de outros jogadores.

ENTERING THE HYDROGEN ARENA

Like companies moving into any new and rapidly growing sector, machinery makers looking to participate in the hydrogen economy face several challenges and risks, aside from the development of the technologies and the effort to make them cost-competitive. Overcoming these obstacles will require considerable planning as well as support from other players.

incerteza regulatória. Como a tecnologia de hidrogênio ainda é imaturo, o crescimento contínuo do mercado dependerá consideravelmente do forte apoio regulatório e político. As empresas estão fazendo investimentos significativos em produção e desenvolvimento de mercado, e a maioria ainda está perdendo dinheiro. Os riscos envolvidos permanecem altos e a resistência será necessária para permanecer no jogo.

Governos em todo o mundo têm um papel crítico a desempenhar na criação da cadeia de valor de hidrogênio e uma grande participação para torná-la sustentável-através de impostos sobre emissões de GEE, esquemas de cap-and-trade, regulamentação de mercado e apoio direto à indústria. Esses esforços aumentariam significativamente o potencial positivo do mercado de hidrogênio, mas se os governos continuarão apoiando o hidrogênio e em que nível permanecerá incerto. A diversificação geograficamente reduzirá a dependência de mercados únicos e a exposição ao apoio regulatório e político individuais. Algumas áreas oferecem políticas locais favoráveis ​​e apoio financeiro, através do financiamento público de projetos de farol. Investidores privados também podem ajudar a financiar esses esforços, mas isso exigiria casos de negócios mais fortes apoiados por maior apoio regulatório.

Players should therefore consider taking several steps to reduce their risk in the face of uncertain government support. Diversifying geographically will reduce dependence on single markets and exposure to individual regulatory and policy support. Some areas offer favorable local policies and financial support, through public funding of lighthouse projects. Private investors might also help fund such efforts, but this would require stronger business cases backed by greater regulatory support.

Hype de investimento. Em alguns casos, os múltiplos múltiplos de valor da empresa estão subindo mais de 50. Como resultado, as empresas de máquinas em exercício que desejam crescer inorganicamente acharão negócios muito caros para fazer. A inundação de dinheiro nessas empresas está permitindo que sua administração investem pesadamente em P&D e produção, tornando muito mais difícil para empresas privadas sem acesso a esse capital para competir. Atualmente, existem cerca de 120 provedores ativos de eletrolisadores e células de combustível móvel e estacionário isoladamente, de acordo com o fornecedor de análise Delphai, e dois terços deles entraram no mercado nos últimos 20 anos. Como pode ser visto no Anexo 8, um grande número de empresas está se concentrando no PEM; Embora tenha Capex mais alto do que a tecnologia alcalina mais madura, o PEM é considerado a tecnologia mais promissora para aplicações de mobilidade. Esta decisão deve ser baseada em várias considerações: Investors are pouring money into hydrogen-oriented companies, rapidly driving up valuations for pure-play hydrogen companies with little revenue but strong growth prospects. In some cases, the enterprise value-to-sales multiples are heading upward of 50. As a result, incumbent machinery companies looking to grow inorganically will find deals very expensive to make. The money flooding into these companies is enabling their management to invest heavily in R&D and production, making it that much more difficult for private companies without access to that capital to compete.

Ecosystem Complexity. Adding to the challenge is the sheer complexity of the hydrogen investment landscape. At present, there are about 120 active providers of electrolyzers and mobile and stationary fuel cells alone, according to analytics provider Delphai, and two-thirds of them entered the market in the past 20 years. As can be seen in Exhibit 8, a large number of companies are focusing on PEM; although it has higher capex than the more mature alkaline technology, PEM is considered the most promising tech for mobility applications.

Given the market’s complexity, companies must first decide which sectors to enter. This decision should be based on several considerations:

• Que conhecimento tecnológico específico a empresa traz para a mesa? Espera que sua tecnologia se torne madura o suficiente no médio prazo para iniciar ou continuar investindo nela agora? Quão difícil será para o jogador ganhar uma posição no mercado lá, dado o cenário competitivo da região? Muitas parcerias e joint ventures surgiram no cenário de hidrogênio, cada uma com sua própria composição específica de parceiros, áreas de especialização e objetivos estratégicos. As opções de colaboração disponíveis para os fabricantes de máquinas podem ser divididas em quatro categorias, como mostrado abaixo, com exemplos:
• Which uses can the company’s technology most effectively be applied to in order to create the most value?
• Which regions are the most promising, considering the company’s technology and the market’s need? How difficult will it be for the player to gain a foothold in the market there, given the region’s competitive landscape?

After prospective players choose their preferred market, they have several options for how to participate (see “Promising Strategic Plays”):

• Companies targeting organic growth should focus on the most promising link in the hydrogen value chain, depending on their specific expertise. This is true for both suppliers of specific components, such as valves, and those offering complete systems, such as electrolysis, refueling stations, or mobility applications. Canadian fuel cell maker Ballard, for example, has partnered with several mobility players to combine its fuel cell expertise with their know-how in specific transport modes, including Siemens for trains, Van Hool for buses, and Weichai for commercial vehicles.
• Companies first entering the hydrogen market or targeting growth by acquisition must move fast in emerging segments. Given the current high valuations, they should be prepared to pay up or consider very early-stage companies, even though these players typically conform to a lower M&A risk profile.
• Muitas empresas provavelmente preferem estabelecer parcerias ou joint ventures. Qualquer tipo de acordo pode promover o acúmulo de efeitos da rede-e, portanto, a criação de um ecossistema e um pouco mais completo de fornecimento e demanda, crescimento mais sustentável. As avaliações continuarão a subir, permitindo que as empresas continuem investindo fortemente em P&D e produção, e os parceiros em potencial serão mais difíceis de encontrar. Finalmente, uma vez que a pandemia covid-19 diminua, uma quantidade considerável de financiamento público destinado a estimular a economia deve se concentrar nas tecnologias verdes.

Given the current dynamics of the market, moving quickly would be wise. Valuations will keep climbing, enabling companies to continue investing heavily in R&D and production, and potential partners will be harder to find. Finally, once the COVID-19 pandemic subsides, a considerable amount of public funding intended to stimulate the economy is expected to focus on green technologies.

As empresas devem considerar duas abordagens para capturar a maior parte possível do valor disponível no mercado de hidrogênio. Por um lado, eles poderiam se diferenciar por meio de tecnologia superior. Existem oportunidades para diminuir o custo e melhorar a eficiência dos componentes individuais, além de otimizar os sistemas necessários para vários H ₂ Aplicativos, por exemplo. Todo aprimoramento de desempenho se traduz diretamente em economia de custos para os clientes, um fator crítico para tornar o hidrogênio economicamente viável em escala. Novos modelos de negócios, como "equipamento como serviço", já estão sendo explorados; A Nikola planeja alugar caminhões movidos a hidrogênio por hora, por exemplo. E a energia do plug está desenvolvendo soluções integradas para seus clientes, fornecendo células de combustível para empilhadeiras, bem como eletrolisadores e infraestrutura e serviços de reabastecimento para operadores de centros de distribuição. A meta do contrato de Paris de manter o aumento da temperatura média global para bem abaixo de 2 ° C até 2050. Cabe aos fabricantes de máquinas, equipamentos e componentes relacionados a hidrogênio para ajudar a atingir esse objetivo-uma oportunidade anual de receita de US $ 200 bilhões ou mais em 2050. || 4170

On the other hand, companies can also strive to excel in the services they provide and the way they provide them. New business models such as “equipment as a service” are already being explored; Nikola plans to rent out hydrogen-powered trucks by the hour, for example. And Plug Power is developing integrated solutions for its customers, providing fuel cells for forklifts as well as electrolyzers and refueling infrastructure and services to operators of distribution centers.

POWERING UP

Although the hydrogen ecosystem is still nascent, it has the potential to dramatically cut GHG emissions by as much as 6 gigatons a year, contributing significantly to the Paris Agreement goal of keeping the increase in global average temperature to well below 2°C by 2050. It is up to the makers of hydrogen-related machinery, equipment, and components to help meet this objective—an annual revenue opportunity of $200 billion or more by 2050.

Taking advantage of the full potential of hydrogen brings with it significant challenges and risks. Many technological hurdles remain, and the market is highly fragmented, with no clear winners likely to emerge for some time. Further progress will also depend to a significant degree on government subsidies and supportive policies and regulations.

Ainda assim, acreditamos que os fabricantes de máquinas têm muito a ganhar participando do futuro brilhante do hidrogênio. Nosso conselho: comece a inovar em breve, lute para produtos tecnicamente superiores e econômicos e encontre uma vantagem nas reprodução do ecossistema e em escala. contribuições para este relatório. Eles também são gratos a Edward Baker e Siobhan Donovan por escrever e editar suporte, Kim Friedman for Design e Taylor Tinmouth e Mariella von Plessem para assistência de marketing. Max Ludwig

The authors thank BCG’s Christian Beck, Rajarshi Bhattacharyya, Jorge de Esteban, Joonas Päivärinta, and Filippo Pizzocchero, as well as Delphai’s Jan-Peter Ferdinand for their contributions to this report. They also are grateful to Edward Baker and Siobhan Donovan for writing and editing support, Kim Friedman for design, and Taylor Tinmouth and Mariella von Plessem for marketing assistance.