Como atender à próxima demanda por hidrogênio

The challenge is clear: worldwide efforts to reduce global warming to an increase of 1.5°C above pre-industrial levels, the goal of the Paris Agreement, depend largely on substituting renewable energy for the fossil fuels that currently power most of the world’s industries. Barring significant advances in technology, however, electricity alone will not be able to satisfy the energy needs of industries such as shipping, aviation, and cement and steel production.

Nossa melhor esperança de atender às necessidades de energia amigável ao clima dessas e de outras indústrias críticas está em uma variedade de combustíveis de baixo carbono, incluindo hidrogênio de baixo carbono (H₂) and an assortment of climate-friendly hydrogen-based low-carbon fuels such as ammonia, methanol, and kerosene—notably, so-called power-to-X (P2X) fuels that use hydrogen produced exclusively from renewable energy sources. Together, these fuels must provide from 10% to 12% of global energy consumption if we are to reach the Paris Agreement’s net-zero goal by 2050, according to the International Energy Agency (IEA).

In this article, we examine three critical questions:

• How much low-carbon fuel will the world need to support the global energy transition over the next three decades?
• How much of that quantity must consist of P2X fuels, and how much renewable energy will be necessary to make them?
• Como os produtores podem gerar essa quantidade de energia renovável? 380 milhões de toneladas por ano de hidrogênio de baixo carbono e seus derivados deverão limitar o aquecimento global a 2 ° C, subindo para 565 milhões de toneladas por ano, a fim de atingir a meta do acordo de Paris de um aumento de 1,5 °. A produção de hidrogênio de baixo carbono envolve o uso de tecnologias de captura de gás natural e de carbono ou eletrólise alimentada por energia renovável-muito. (Consulte “O futuro dos combustíveis”.) Não é provável que nenhuma tecnologia domine, como acesso futuro a barato e abundante

The answers will help illuminate the world’s ability to meet its net-zero goals.

Supply and Demand

According to our analysis of the future need for low-carbon fuels, 380 million tons per year of low-carbon hydrogen and its derivatives will be required to limit global warming to 2°C, rising to 565 million tons per year in order to reach the Paris Agreement goal of a 1.5° increase.

Meeting this need will require development and implementation of a combination of production technologies for low-carbon hydrogen and derivative fuels. Producing low-carbon hydrogen involves using either natural gas and carbon capture technologies or electrolysis powered by renewable energy—a lot of it. (See “The Future of Fuels.”) No single technology is likely to dominate, as future access to cheap and abundant Gás natural ou poder renovável barato e abundante dependerá das condições locais e das inovações nas tecnologias de produção e transporte. Todos os combustíveis de baixo carbono dependem do hidrogênio como uma matéria-prima chave. Existem duas categorias principais e três subcategorias principais de tais combustíveis. O desenvolvimento adicional dessas tecnologias dependerá em parte da disposição dos governos em armazenar CO

A necessidade de suprimentos de hidrogênio de baixo carbono para atender aos requisitos do cenário de 2 ° C da AIE está crescendo. (Ver Anexo 1.) Esperamos que a produção de hidrogênio baseada em renováveis ​​aumente em relação à produção de hidrogênio baseada em gás natural, pois as melhorias da tecnologia e as políticas relacionadas a carbono a tornam mais competitiva. A produção de hidrogênio baseada em energia nuclear também provavelmente desempenhará um papel, embora a energia nuclear enfrente desafios políticos significativos em muitos locais, e o custo da energia produzido é alto em relação às alternativas. Desafios

Four Challenges

Atendendo à demanda iminente por hidrogênio de baixo carbono não será uma tarefa fácil. Produzindo hidrogênio suficiente de baixo carbono usando gás natural ou Renováveis ​​ exigirá ações governamentais-aplicando impostos ou outros mecanismos para definir o preço do carbono alto o suficiente para garantir a competitividade de custos com hidrogênio incumbente e intensivo em fósseis e potencialmente subsidiar sua produção, a fim de fechar a lacuna de custo entre a TI e outras fúmeras de baixa carbono. emissões de metano. A produção de hidrogênio baseado em renováveis ​​suficientes exigirá a disponibilidade de um suprimento adequado de energia renovável barata e os locais terrestres ou offshore, onde pode ser gerado. Para evitar canibalizar a energia renovável disponível, os formuladores de políticas e outras partes interessadas devem garantir a existência de uma fonte adequadamente grande de renováveis ​​dedicadas à produção de hidrogênio e combustíveis P2X. A UE está considerando os requisitos para obter energia renovável para a produção de P2X sob acordos de compra de energia dedicados e separados e para localizar as fontes de energia necessárias próximas à produção de P2X para limitar a necessidade de fazer investimentos adicionais na grade de energia para fornecer a produção de P2X. Disponível, e o fornecimento o suficiente para atender ao seu cenário de 1,5 ° C exigirá 30% a mais. (Consulte o Anexo 2.)

The production of gas-based hydrogen will also require securing abundant supplies of inexpensive natural gas and establishing strict policies to limit the release of fugitive methane emissions. Producing enough renewables-based hydrogen will require the availability of an adequate supply of cheap renewable power and the land or offshore locations where it can be generated.

Today, almost all available and anticipated renewable power from wind and solar sources is reserved for direct electrification, which, from an abatement cost perspective, is the most beneficial decarbonization pathway. To avoid cannibalizing available renewable power, policymakers and other stakeholders must ensure the existence of a suitably large source of renewables dedicated to the production of hydrogen and P2X fuels. Already, the EU is considering requirements to source renewable energy for P2X production under separate, dedicated power purchase agreements and to locate the necessary power sources near P2X production to limit the need to make additional investments in the power grid in order to supply P2X production.

Supplying enough P2X fuels to meet the IEA’s 2°C scenario will require at least 12% more renewable energy by 2030 than is currently forecast to be available, and supplying enough to meet its 1.5°C scenario will require fully 30% more. (See Exhibit 2.)

A Europa enfrenta talvez o maior desafio ao atender à demanda próxima. If the EU is cut its dependency on natural gas from Russia, it will have to produce 10 million tons per year of renewables-based hydrogen locally, and import another 10 million tons per year, by 2030. Achieving this goal, however, will require between 100 gigawatts (GW) and 125 GW of electricity from solar and 80 GW to 100 GW from wind—about 30% more renewable capacity than the EU had set as its target prior to the war in Ucrânia. Essa quantidade é adicional ao aumento da capacidade renovável necessária para substituir o gás natural atualmente usado para gerar eletricidade na região, o que provavelmente terá prioridade, uma vez que os custos de redução são mais baixos para a conversão de gás em renováveis ​​do que usar renováveis ​​para produzir combustíveis baseados em hidrogênio e os projetos de energia e os projetos solares e os projetos solares e os projetos solares podem realizar a potência. As conexões de transmissão de longa distância de alta tensão podem levar até oito anos. Isso torna o desenvolvimento de quantidades significativas de capacidade renovável adicional um desafio que exige rastrear o processo de permissão e fornecer subsídios, como créditos tributários, para reduzir o risco dos desenvolvedores. Os formuladores de políticas devem assumir um papel ativo na promoção do desenvolvimento da capacidade de geração e distribuição renovável extra necessária para produzir hidrogênio e devem ajudar a reduzir os investimentos adicionais na rede de energia necessária. As usinas P2X podem até vender de volta à grade sua flexibilidade da demanda de energia, uma renda potencialmente significativa de subproduto para produtores de hidrogênio e p2x.

Furthermore, land-based wind and solar projects can take up to six years to plan, permit, and build, and offshore wind projects and the accompanying high-voltage long-distance transmission connections can take up to eight years. This makes developing significant amounts of additional renewable capacity a challenge that calls for fast-tracking the permitting process and providing subsidies such as tax credits to reduce developers’ risk. Policymakers must take an active role in promoting development of the extra renewable generation and distribution capacity needed to produce hydrogen, and they must help reduce the additional investments in the power grid needed. P2X plants could even sell back to the grid their power demand flexibility, a potentially significant by-product income for hydrogen and P2X producers.

Other regions will likely experience similar challenges—most notably regions such as Japan and South Korea, where hydrogen is likely to be vital to net-zero goals, but where access to cheap natural gas and renewable energy is limited.

In addition to the difficulties associated with any attempt to increase capacity, the effort to meet future demand for renewable power to use in producing hydrogen and P2X fuels must overcome hurdles related to cost, infrastructure, supply chains, and feedstocks.

Cost. Access to large volumes of low-cost renewable energy is a prerequisite for the growth of Fuels P2X. A quantidade de terra necessária para produzir renováveis ​​suficientes é enorme: usar energia solar para produzir metade dos 565 milhões de toneladas de hidrogênio e equivalentes exigiria até 30.000 quilômetros quadrados, aproximadamente o tamanho da Bélgica. Além disso, apenas cerca de 20% das terras do mundo são adequadas para a produção de energia solar a um custo inferior a US $ 30 por megawatt-hora ao longo da vida da instalação-o nível necessário para tornar o P2X competitivo com soluções alternativas de baixo carbono e combustíveis fósseis. E mais de 75% dessa terra está localizada na América Latina, Oriente Médio e África, onde a demanda por combustível de baixo carbono é limitada. O transporte de longa distância de derivados de hidrogênio, como amônia, metanol e combustíveis líquidos, como o querosene, já é econômico, mas a infraestrutura para transportar H

It will therefore be necessary to develop inexpensive methods of transporting hydrogen and its derivative fuels over long distances if P2X fuels are to become economically viable. Long-distance transportation of hydrogen derivatives such as ammonia, methanol, and liquid fuels such as kerosene is already cost effective, but the infrastructure to transport H ₂ Cracking.

Infraestrutura. Recentemente, concluímos estudos para a Alemanha e os países escandinavos, mostrando que as melhorias nas grades de energia e gás serão responsáveis ​​entre 25% e 35% do total As demand grows for renewable power to produce P2X fuels, major investments will be needed in the power and gas grid infrastructure to handle them. We recently completed studies for Germany and the Scandinavian countries showing that improvements in the power and gas grids there will account for between 25% and 35% of the total Transição de energia Investimento necessário para alcançar a rede líquida. Qualquer falta de melhorias na infraestrutura dificultará o desenvolvimento local e regional da produção de P2X e pode desencadear importações de navios muito mais caras para centros de demanda como Japão, Coréia do Sul e Europa Ocidental. É provável que alguns países em desenvolvimento optem por soluções mais descentralizadas, como alavancar a infraestrutura de combustível fóssil existente para transportar combustíveis P2X, se não puderem gerenciar os enormes custos de infraestrutura - especialmente os custos de renovação de que a eletrificação é necessária. Fabricantes de equipamentos para produzir H

Supply Chains. The additional renewable energy needed to meet future demand for P2X fuels will likely stress the supply chains of manufacturers of equipment for producing H ₂ e energia eólica e energia solar. Espera-se que o acesso a materiais baratos de terras raras seja uma restrição em algumas tecnologias, como os eletrolisadores de membrana de troca de prótons (PEM), onde a platina é fundamental para o alto desempenho. No entanto, os produtores podem mitigar isso por meio de inovações na ciência dos materiais e no desenvolvimento de tecnologias eletrolisadoras de segunda geração, como sistemas de óxido sólido.

Feedstocks. próximo à metade da demanda por h ₂ provavelmente terá que ser atendido através do aumento da produção de hidrogênio à base de gás. Por sua vez, isso exigirá mais gás natural e o desenvolvimento e ampliação das tecnologias de captura e armazenamento de carbono (CCS) para produzi -lo enquanto minimizam as emissões. Alguns governos, incluindo a Alemanha, já demonstraram relutância em aumentar sua dependência do gás e, portanto, o uso das tecnologias do CCS. No entanto, a crise energética desencadeada pela invasão da Ucrânia pela Rússia pode incentivar a Alemanha a mudar sua política atual em relação à produção de hidrogênio baseada em gás doméstica e armazenamento de carbono. Superá -los exigirá avanços tecnológicos e mudanças políticas em quatro frentes: tecnologias eficientes, outros tipos de hidrogênio, hubs de produção global e h

Step by Step

The hindrances to adequate supplies of renewable energy and economically viable renewables-based hydrogen are real. Overcoming them will require technological advances and policy changes on four fronts: efficient technologies, other types of hydrogen, global production hubs, and global H ₂ Cadeias de suprimentos. A pegada necessária para produzir a energia necessária. Três são especialmente dignos de nota:

Efficient Technologies. Several technologies now in development can significantly increase the efficiency and supply stability of renewable power while reducing the investment and footprint needed to produce the energy needed. Three are especially noteworthy:

• Solar. Células fotovoltaicas flutuantes podem reduzir a dependência de sistemas terrestres e, juntamente com a energia eólica costeira, gerar energia igual a fazendas solares terrestres sem exigir a pegada enorme. Além disso, o efeito de resfriamento natural da água pode aumentar a eficiência das células fotovoltaicas flutuantes em 5% a 10% em comparação com a energia solar terrestre. Tecnologias mais recentes, como células multifuncionais, prometem ganhar mais ganhos de eficiência - assim como o dobro da eficiência das células fotovoltaicas tradicionais - mas exigem desenvolvimento adicional.
• Wind. Mais adiante, no futuro, as turbinas eólicas flutuantes poderiam fornecer acesso a novas áreas de produção eólica-especialmente onde ainda não foram construídas as fazendas eólicas e solares de fundo fixo e de fundo fixo-e 10% a 20% maior do que as turbinas de fundo fixo oferecem. Esperamos que a tecnologia de vento flutuante se torne Smart rotor systems are being developed that permit the use of larger and more productive wind turbines, driving down the cost of electricity and the need for space. Farther in the future, floating wind turbines could provide access to new wind production areas—especially where cheap fixed-bottom offshore and land-based wind and solar farms haven’t yet been built—and 10% to 20% greater capacity than fixed-bottom turbines offer. We expect floating wind technology to become custo competitivo em cerca de 2030, permitindo que os produtores localizem a produção de Megascale P2X no mar, onde o nível médio de energia eólica é maior que em terra e ao longo da costa. Somente as turbinas flutuantes oferecem o potencial de produzir mais de 9.000 gigawatts de eletricidade perto dos centros de grande demanda. e tamanho físico de pegada necessária para atender à próxima demanda por energia renovável.
• Electrolysis. Compared to incumbent technologies such as polymer electrolyte membrane and alkaline electrolysis cell methods, new electrolyzer systems such as solid-oxide technology promise 20% to 30% greater efficiency—a key factor in reducing the investment amount and physical footprint size required to meeting the coming demand for renewable energy.

outros tipos de produção de hidrogênio. Os três métodos de produção a seguir mostram uma promessa considerável: Accelerating the technological development and commercialization of low-carbon hydrogen production methods other than gas- and renewables-based hydrogen would boost the overall supply. The following three production methods show considerable promise:

• hidrogênio baseado em nuclear. Ainda assim, uma usina nuclear em larga escala moderna combinada com um eletrolisador de óxido sólido que pode usar o calor e a energia de uma usina nuclear pode se tornar competitivo em regiões com menos obstáculos políticos, como a Índia. A longo prazo, a produção de energia baseada em pequenos sistemas de reator modular pode permitir que os produtores localizem H Using nuclear energy as a source of electricity to produce hydrogen faces significant political challenges, as well as a high cost of electricity, in many locations. Still, a modern large-scale nuclear plant combined with a solid-oxide electrolyzer that can use both the heat and the power from a nuclear plant might become cost competitive in regions with fewer political obstacles, such as India. In the longer term, power production based on small modular reactor systems could enable producers to locate H ₂ Produção mais próxima da demanda, mas muito dependerá de condições regulatórias futuras.
• Hidrogênio natural. O hidrogênio de mineração de formações naturais oferece o potencial de fornecer hidrogênio barato e eficientemente, mas o volume de reservas globais de hidrogênio natural ainda não está claro. Descobertas do reservatório no Brasil, EUA, Canadá e Austrália, por exemplo, juntamente com a produção real no Mali, sugerem que o potencial existe. Os custos esperados de produção seriam altamente competitivos com os do hidrogênio causado pelo homem.
• Hidrogênio baseado em bioenergia. Nesta área, as condições políticas locais podem tornar economicamente o uso de resíduos como matéria -prima para a produção de hidrogênio. There is some opportunity to produce hydrogen from waste, although other uses of waste, such as for biofuel production, are likely to be more profitable. In this area, local policy conditions may make the use of waste as a feedstock for hydrogen production economically viable.

Global Production Hubs. A disponibilidade de terras baratas com condições favoráveis ​​para a produção de energia solar e eólica está diminuindo, mesmo quando as limitações da nova infraestrutura para acomodar o crescimento esperado nos volumes de P2X estão aumentando. Juntos, esses fatores podem forçar produtores e reguladores a repensar sua abordagem estratégica à produção e transporte de hidrogênio. Vemos duas vias estratégicas:

• Produção offshore e flutuante eólica e solar. Além das tecnologias flutuantes de produção para infraestrutura eólica e solar, como os hubs de ilhas Energy, como uma maneira de aumentar a energia renovável e a produção de combustível de baixo carbono; Os projetos de centro de desenvolvimento no Mar do Norte estão em andamento. In principle, the potential for renewable power from offshore wind and solar facilities is virtually unlimited, especially if such facilities can be located beyond the near shore. In addition to floating production technologies for wind and solar, offshore infrastructure such as energy island hubs could provide a way to scale up renewable energy and low-carbon fuel production; developmental hub projects in the North Sea are ongoing.
• Megascale Onshore Renowable Power Production. hubs de energia renovável são particularmente adequados para a produção de hidrogênio. Ao combinar a geração eólica e solar, eles podem produzir energia em mais de 70% da capacidade total, aumentando significativamente a competitividade de custo do hidrogênio baseado em renováveis. Relativamente poucos desenvolvedores realizaram projetos que produzem 10 gigawatts ou mais de poder renovável, no entanto. O apoio do governo aos desenvolvedores a explorar ainda mais o potencial desses hubs - nas áreas do deserto ventoso, por exemplo - é essencial, como é o suporte à infraestrutura de oleodutos e grade. A produção de megascale em locais como o Oriente Médio, Austrália e América Latina pode ser competitiva em custos, e as empresas já estão começando a adquirir terras lá com um olho no desenvolvimento futuro.  

Global H ₂ Cadeias de suprimentos. H A further critical enabler for global production hubs—and for low-carbon and P2X fuels generally—is the existence of a global H₂ supply chain capable of cheaply and safely transporting H ₂ em longas distâncias. Várias tecnologias estão em desenvolvimento para esse transporte, inclusive na forma de amônia ou líquido H ₂ transportadores, da mesma maneira que o gás natural líquido é transportado hoje. Ambas as tecnologias requerem desenvolvimento adicional, desbaste e ampliando, mas podem reduzir o custo dos combustíveis de baixo carbono e permitir que sejam produzidos onde matérias-primas são mais baratas e abundantes. Fabricantes de tecnologia e governos e formuladores de políticas - precisam se preparar para a próxima economia de hidrogênio. Isso inclui identificar cuidadosamente quaisquer limitações potenciais em matérias -primas, terra e

Action Plans

Every stakeholder in the effort to generate hydrogen and P2X fuels—including power producers, renewable developers, oil and gas companies, production technology manufacturers, and governments and policymakers—needs to prepare for the coming hydrogen economy. This includes carefully identifying any potential limitations on feedstocks, land, and Infraestrutura que provavelmente surgirão nas próximas décadas e planejam mitigá-los. A seguir, ações específicas que cada parte interessada deve considerar tomar. Preços. Mercados. Maneiras de transportar hidrogênio e outros combustíveis de baixo carbono. Estenda a capacidade offshore. Transporte e usando moléculas de combustível de baixo carbono. Na próxima década, para produzir combustíveis P2X, além da demanda por fontes renováveis ​​de eletrificação em geral. A longo prazo, no entanto, à medida que surgem suprimentos mais abundantes e de baixo custo, a cadeia de suprimento global de hidrogênio passará por uma transformação. Alguns jogadores já estão estabelecendo posições competitivas atraentes na cadeia de valor P2X, alguns através de parceiros estratégicos. Os custos estratégicos de não garantir acesso oportuno a oportunidades de desenvolvimento de terras e mares - assim como a infraestrutura e o financiamento compartilhados - só aumentarão. As empresas que desejam se colocar em uma posição competitiva atraente devem começar a tomar as decisões estratégicas certas hoje, enquanto colaboram com outras partes interessadas para desenvolver um ecossistema eficaz de parceiros estratégicos.

The critical players in this process should determine the measures they can adopt to ensure that the hydrogen economy contributes the most it can to achieving net-zero emissions. Following are specific actions that each interested party should consider taking.

Power producers and renewable energy developers:

• Secure access to critical feedstocks—including renewable power (and the land or offshore sites needed to generate it), natural gas, and sustainable CO₂—at competitive prices.
• Use current nuclear plants to power hydrogen production in new P2X markets, and exploit nuclear capabilities to build hydrogen-production capacity in markets that have limited access to cheap gas and renewables.
• Seek additional income by selling P2X byproducts such as excess electricity and heat to the grid and by leveraging production flexibility to participate in power reserve capacity markets.

Oil and gas producers:

• Secure access to critical feedstocks—including renewable power, natural gas, and sustainable CO₂—at competitive prices.
• Extend current capabilities in the transportation and distribution of low-carbon molecules, and develop economical ways to transport hydrogen and other low-carbon fuels.

Production technology OEMs:

• Accelerate R&D capabilities to develop and commercialize more efficient hydrogen production and transportation technologies, including technologies that have reduced requirements for critical minerals.
• Support R&D efforts to develop and commercialize renewable power technologies to boost efficiency and extend offshore capacity.

Policymakers and regulators:

• Accelerate the buildup of needed infrastructure, possibly through public-private partnerships and frameworks for private capital investments.
• Make more land and offshore locations available for low-cost production of renewable energy.
• Institute standards for transporting and using low-carbon fuel molecules.
• Support partnerships between low-carbon fuel export hubs and demand centers.
• Create and support markets for trading hydrogen and low-carbon fuels.
• Support de-risking large capex investments.

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It will not be easy to supply the renewable power that will be needed over the coming decade to produce P2X fuels, on top of the demand for renewable sources of electrification generally. In the longer term, however, as more plentiful and lower-cost supplies emerge, the global hydrogen supply chain will undergo a transformation. Already, some players are establishing attractive competitive positions in the P2X value chain, some through strategic partners. The strategic costs of not securing timely access to land and sea development opportunities—as well as to shared infrastructure and funding—will only increase. Companies looking to put themselves in an attractive competitive position must begin making the right strategic decisions today, while collaborating with other stakeholders to develop an effective ecosystem of strategic partners.

Quando, onde e como eles devem participar da cadeia de valor? Como eles podem usar suas pegadas e parcerias atuais e futuras de clientes, produção e infraestrutura para obter uma vantagem competitiva? E como eles podem usar novas tecnologias para obter uma vantagem de custo? As respostas para essas perguntas -chave determinarão os vencedores no desenvolvimento dessas novas fontes críticas de energia. Diretor Associado