Статья (11 страниц)

Многие участники энергетического сектора сталкиваются с общей проблемой: переосмыслить бизнес как обычно или рискнуть отстать в переходе к нулевым выбросам углерода. В Соединенных Штатах местные компании по распределению природного газа (или газоснабжающие предприятия) и комбинированные электроэнергетические и газовые коммунальные предприятия имеют уникальную возможность помочь осуществить этот переход.

Сегодня на долю сжигания природного газа приходится около 20% глобальных выбросов CO ₂ . ¹ 1. Global Energy Review 2021 , Международное энергетическое агентство, апрель 2021 г. На долю промышленности также приходится около 30 процентов общих выбросов метана. ² 2. Инвентаризация выбросов и стоков парниковых газов в США: 1990–2019 , Агентство по охране окружающей среды США, апрель 2021 г. другой парниковый газ, как правило, из-за утечки из трубопровода (см. врезку «Неконтролируемые выбросы метана»). В Соединенных Штатах некоторые муниципалитеты и штаты ввели прямой запрет на новые подключения к газу или затруднили их получение. ³ 3. «Мэр де Блазио подписывает знаковый законопроект о запрете сжигания ископаемого топлива в новых зданиях», Город Нью-Йорк, 22 декабря 2021 г. ; «Мэр Дуркан объявляет о запрете на использование ископаемого топлива для отопления в новостройках с целью дальнейшей электрификации зданий с использованием экологически чистой энергии», Город Сиэтл, 3 декабря 2020 г. На федеральном уровне увеличилось количество предложений по расходам, направленных на отказ от природного газа как источника электроэнергии и тепла и переход к возобновляемым источникам энергии и электрификации. ⁴ 4. «Информационный бюллетень: администрация Байдена активизирует усилия по созданию рабочих мест, делая американские здания более доступными, чистыми и устойчивыми», Белый дом, 17 мая 2021 г. Но в то же время природный газ получает признание за его необходимую роль для резервного копирования и обеспечения отказоустойчивости в самых разных системах, от Северо-Востока до Техаса и Калифорнии.

Неопределенности неизбежны при планировании декарбонизации на общесистемном уровне, поскольку технологии, потребности клиентов и политика постоянно развиваются. Газовые компании могут столкнуться с рядом сценариев, включая высокие темпы электрификации при значительном снижении потребления газа или более умеренную электрификацию с переходом на биогаз. ⁵ 5. Биогаз (или возобновляемый природный газ) при обработке для закачки в трубопроводную инфраструктуру обычно называют биометаном. На протяжении всей этой статьи мы используем термин биогаз. захват углерода или водорода. Поскольку газовые компании рассматривают разные пути декарбонизации, им необходимо будет планировать разные бизнес-траектории в условиях неопределенности, не забывая при этом о насущных потребностях общества и клиентов, а также о своих обязательствах перед акционерами.

Чтобы решить эти проблемы, некоторые газовые компании США рассматривают роль своих ресурсов и инфраструктуры в обезуглероженном будущем. Согласно нашему исследованию, газовые компании имеют уникальные возможности для разработки и инвестирования в систему чистого топлива (см. врезку «О нашем исследовании»). Такая система могла бы поставлять смесь биотоплива и водорода подмножеству клиентов, которых уже обслуживают газовые компании; обеспечить новые источники спроса, такие как судоходство и авиация; транспортировать углерод к местам улавливания, утилизации и хранения углерода (CCUS) и обратно; и поддерживать расширенную энергосистему с низким уровнем выбросов углерода.

Газовые компании владеют и эксплуатируют инфраструктуру, которая может быть частично перепрофилирована для доставки чистого топлива. Они обладают глубокими знаниями и опытом в области энергетических систем, которые необходимы для разработки новой инфраструктуры, соблюдения нормативных требований и объединения необходимых заинтересованных сторон. Кроме того, у них есть точки соприкосновения, необходимые для обучения клиентов более широкому переходу на энергетическую систему и облегчения изменений, которые могут потребоваться клиентам. Многие газовые коммунальные предприятия также работают за пределами местного бизнеса по распределению природного газа — например, с предприятиями по сжиженному природному газу, производству или распределению электроэнергии или по переработке природного газа — которые могут иметь синергию с сетью экологически чистых видов топлива. Газовые компании, которые берут на себя инициативу в направлении чистого топлива в будущем, могут также способствовать внедрению инноваций, необходимых для перехода на систему экологически чистого топлива, вместо того, чтобы защищать существующую базу активов без плана обезуглероживания. Наши выводы, как показано ниже, основаны на анализе обезуглероживания в масштабах всей экономики, проведенном для ряда коммунальных предприятий в США, которые изучили роль газа в обеспечении обезуглероженного будущего на своих территориях обслуживания.

Поскольку система чистого топлива напрямую связана с существующей инфраструктурой и ресурсами ископаемого топлива, вопрос о том, что делать с этой инфраструктурой, вызывает споры. Некоторые выступают за полный вывод из эксплуатации инфраструктуры, работающей на ископаемом топливе, и полный переход на электрификацию. Другие могут отвергнуть электрификацию как слишком сложную задачу, поскольку альтернативное топливо, такое как биогаз, может удовлетворить текущий спрос на газ. Наше исследование показывает, что обе позиции упускают из виду критическую сложность проблемы и что гибридный подход, вероятно, будет более осуществимым.

Будущее экологически чистого топлива могло бы предоставить некоторым газовым компаниям возможность перепрофилировать определенные активы, инвестировать в новые и работать с электроэнергетическими компаниями, политиками, коммерческими и промышленными клиентами, инвесторами и другими заинтересованными сторонами над общесистемной декарбонизацией. В этой статье мы обрисуем в общих чертах потенциальную ценность региональных сетей экологически чистого топлива, различные варианты того, как будет выглядеть изменение инфраструктуры, и путь вперед.

Ценность системы чистого топлива

1. Чтобы замедлить отток, уделяйте больше внимания тому, что действительно нужно работникам.
2. Грядущая буря: возможность переупорядочить отрасль здравоохранения
3. Что-то грядет: как американские компании могут повысить устойчивость, пережить спад и процветать в следующем цикле
4. Ускорение перехода к нулевому путешествию
5. Этика данных: что это значит и что для этого нужно

Система экологически чистых видов топлива может поддерживать и способствовать обезуглероженной энергетической системе США. Зеленый водород (из возобновляемых источников энергии), голубой водород (из природного газа и CCUS) и биогаз являются низкоуглеродными источниками энергии, которые могут дополнять возобновляемые источники в электрической сети, что важно, поскольку спрос на электроэнергию от транспорта, отопления зданий электрификации, а в ближайшие годы ожидается рост промышленного сектора. Трубопроводы в системе экологически чистого топлива также могут транспортировать углерод от мест улавливания к местам секвестрации или утилизации. Наше моделирование показывает, что путь декарбонизации энергетической системы, основанный исключительно на электрификации, возобновляемых источниках энергии и хранении, без экологически чистых видов топлива или связывания углерода, приводит к чистым более высоким социальным издержкам (Иллюстрация 1). Энергетическая система с сетью экологически чистых видов топлива снизит общие затраты для общества и создаст потенциальные возможности для газовых компаний инвестировать в переход к энергетике. Инвестиции в инфраструктуру экологически чистого топлива могут подойти для регулируемой коммунальной службы, поскольку, во-первых, они потребуют долгосрочного горизонта — возможно, нескольких десятилетий, а во-вторых, они должны быть сделаны достаточно рано, чтобы ускорить переход к рынку.

Экспонат 1

Мы стремимся предоставить людям с ограниченными возможностями равный доступ к нашему веб-сайту. Если вам нужна информация об этом контенте, мы будем рады работать с вами. Пожалуйста, напишите нам по адресу: [email protected]

Система экологически чистого топлива потенциально может создавать ценность, поддерживая доступную и устойчивую электрическую систему с нулевым потреблением энергии; переориентация спроса на новых клиентов, чтобы обеспечить декарбонизацию в труднодоступных секторах; транспорт углерода от источников к поглотителям; и диверсификация путей декарбонизации.

Поддержка доступной и отказоустойчивой электрической системы с нулевым потреблением электроэнергии. Многочисленные исследования и наш собственный анализ показали, что в обезуглероженной энергетической системе мощность тепловой генерации является наиболее доступным способом поддержания надежности и отказоустойчивости энергосистемы, когда возобновляемые источники энергии низки или спрос высок в течение нескольких дней. ⁶ 6. Дополнительную информацию о том, как энергетический сектор США может потенциально привести в соответствие спрос и предложение электроэнергии в обезуглероженной энергетической системе, см. в статье «Нулевой баланс к 2035 г.: путь к быстрой декарбонизации энергетической системы США», 14 октября 2021 г. Чистые виды топлива, такие как зеленый или синий водород или биогаз, потенциально могут использоваться в этих же генераторах. Природный газ также может использоваться в системе, если это необходимо для удовлетворения спроса. Но для достижения полной декарбонизации сопутствующие выбросы, в том числе неорганизованные выбросы по всей цепочке создания стоимости, должны быть сведены на нет в других областях — например, за счет улавливания и секвестрации углерода.

Переключение спроса на новых клиентов, чтобы обеспечить декарбонизацию в трудно поддающихся сокращению секторах. Анализ McKinsey показал, что до 30 процентов выбросов CO ₂ , связанных с энергетикой, трудно сократить только за счет электрификации. Тяжелые транспортные, морские, судоходные, авиационные и высокотемпературные промышленные процессы (например, производство стали), которые исторически основывались на сжигании ископаемого топлива, могут быть сложными для электрификации с учетом требований высокой мощности. Многие из этих отраслей изучают водород и другие экологически чистые виды топлива в качестве потенциальных решений по обезуглероживанию.

Некоторые части строительного сектора также с трудом поддаются обезуглероживанию. Например, в более холодном климате электрификация систем отопления может быть рентабельной в умеренно холодные сезоны (осень, весна), но может быть непомерно высокой зимой, когда потребность в отоплении потребует очень высокой мощности электрической системы. Кроме того, электрификация некоторых типов зданий обходится дороже, в том числе старых зданий, которые могут потребовать дорогостоящей замены электропроводки и модернизации панелей, или многоквартирных домов, требующих модернизации всего здания. В качестве альтернативы электрификации водород, смешанный с другими видами топлива с низким содержанием углерода, можно сжигать на территории здания для парового отопления, хотя это потребует модернизации технологий и инфраструктуры, а также мер по устранению текущих затрат и неэффективности использования энергии. Пилотные проекты таких систем отопления уже осуществляются в других странах, например, в Соединенном Королевстве. ⁷ 7. Проект HyDeploy в Соединенном Королевстве начался с пилотного проекта с 2019 по 2021 год, который продемонстрировал смешивание водорода в системе природного газа Кильского университета. Вторая фаза HyDeploy предлагает смешать водород с общественной газовой сетью на северо-востоке Англии.

Транспортировка углерода от источников к поглотителям. Выбросы углерода можно улавливать непосредственно из трудно поддающихся сокращению источников, таких как крупные электростанции и промышленные потребители. Или, чтобы создать отрицательные выбросы, углерод может быть извлечен из окружающего воздуха путем прямого улавливания воздуха (DAC) или при производстве биоэнергии. В тех случаях, когда места улавливания углерода не расположены рядом с местами секвестрации или утилизации, можно использовать трубопроводы для экономичной транспортировки больших объемов углерода. На сегодняшний день использование улавливания углерода ограничено из-за высоких затрат и высоких энергетических потребностей. Но появляются новые технологии, и все больше инвестиций направляется в CCUS.

Диверсификация путей декарбонизации. Существует много неизвестных и неопределенностей, присущих общесистемному планированию обезуглероживания. Чрезмерная зависимость от единственного пути может привести к повышенной концентрации риска. Например, если сеть с технологией накопления энергии не может обеспечить достаточную мощность в течение более длительного времени, то опора исключительно на электрификацию, возобновляемые источники энергии и хранение может поставить под угрозу надежность этой сети. Диверсификация может помочь снизить такой риск, а чистые виды топлива предлагают путь к обезуглероживанию, особенно в качестве сети доставки энергии, которая работает параллельно с системой электроснабжения.

Инфраструктурный перенос газового хозяйства

Газовым компаниям потребуется правильная инфраструктура экологически чистого топлива, чтобы реализовать эти ценностные предложения (Иллюстрация 2). Газовые компании, имеющие опыт строительства и обслуживания трубопроводов, работающие в соответствии с регулирующими структурами и финансирующие крупномасштабные инфраструктурные проекты, могут иметь хорошие возможности для строительства и владения необходимыми активами. Система чистого топлива может открыть возможности и для других игроков, например, для тех, у кого есть опыт в развитии энергетической инфраструктуры.

Экспонат 2

Мы стремимся предоставить людям с ограниченными возможностями равный доступ к нашему веб-сайту. Если вам нужна информация об этом контенте, мы будем рады работать с вами. Пожалуйста, напишите нам по адресу: [email protected]

Варианты инфраструктуры для газоснабжения могут включать следующее:

Перепрофилирование инфраструктуры. Современная инфраструктура доставки газа, включая трубопроводы передачи и распределения (T&D), компрессорные станции и другое оборудование, может использоваться для транспортировки определенных возобновляемых видов топлива, таких как биогаз. ⁸ 8. Производство и доставка биогаза приводит к летучим выбросам метана, как и ископаемый природный газ. Чтобы обеспечить систему с низким уровнем выбросов, даже при наличии биогаза в трубопроводах, сеть экологически чистого топлива должна минимизировать неорганизованные выбросы. Подробнее об управлении неконтролируемыми выбросами метана см. врезку «Неорганизованные выбросы метана».

Однако транспортировка водорода потребует изменений в существующей инфраструктуре. Существующие трубопроводы могут быть перепрофилированы с различными уровнями модернизации для транспортировки ограниченного количества водорода, смешанного с природным газом. Чем больше транспортируется водорода, тем больше требуется модернизации, что, в свою очередь, зависит от способности конечных пользователей приспосабливаться к водороду, возраста трубопровода и условий эксплуатации, материалов трубопровода и расположения трубопровода в системе. Что касается материалов, распределительные линии из полиэтилена и пластика могут работать на 100-процентном водороде с ограниченными модернизациями. ⁹ 9. Ольга Антония, Марк В. Мелаина и Майкл Пенев, Смешивание водорода с сетями газопроводов: обзор ключевых вопросов , Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии, март 2013 г. тогда как стальные трубопроводы высокого давления, особенно с более высокой прочностью на растяжение, скорее всего, потребуют обширной модернизации даже при более низких уровнях водородной смеси. Также потребуются новые технологии доставки водорода, такие как мембраны для извлечения водорода из трубопроводов смешанного газа и новые способы отслеживания безопасности трубопроводов. Помимо трубопроводов, другое оборудование в сети, например компрессорные станции, может потребовать дорогостоящей модернизации или замены в зависимости от уровня содержания водорода.

Газовые компании уже берут на себя обязательства и инвестиции. Компания Southern California Gas Company (SoCalGas), крупнейшая газовая компания в Соединенных Штатах, взяла на себя обязательство добиться нулевых выбросов к 2045 году. Для достижения этой цели SoCalGas работает над рядом инициатив, включая разработку стандартов для смешивания водорода. ¹⁰ 10. «SoCalGas начинает испытания смешивания водорода», SoCalGas, 1 октября 2021 г.

Вывод из эксплуатации. В некоторых регионах существующая газовая инфраструктура может больше не оправдывать текущих затрат на безопасное и надежное техническое обслуживание или ее модернизация для перехода на экологически чистое топливо может оказаться слишком дорогой. В таких случаях сообщества и коммунальные службы могут изучить варианты безопасного и доступного вывода из эксплуатации, при этом удовлетворяя потребности клиентов, например, за счет электрификации, улучшенного хранения энергии и микросетей на чистом топливе для обеспечения отказоустойчивости или резервного копирования. Вывод из эксплуатации более дорогих частей существующей сети также может предоставить больше возможностей для расширенных инвестиций в инфраструктуру экологически чистого топлива. Вывод из эксплуатации более вероятен для распределительных трубопроводов, которые обслуживают в основном жилые районы, по сравнению с магистральными трубопроводами, которые обслуживают производителей и промышленных потребителей или транспортируют газ по территории предприятия.

Вывод из эксплуатации, скорее всего, потребует участия заинтересованных сторон, руководства со стороны регулирующих органов, а также тщательного планирования и взаимодействия с клиентами. Например, клиентам, чьи бытовые приборы ранее работали на газе, вероятно, потребуется достаточное предупреждение, время и ресурсы, чтобы перевести свои приборы на электроэнергию. Плохое планирование и коммуникация во время преобразования могут привести к перебоям в обслуживании или быстрой и дорогостоящей замене оборудования. Такой опыт может вызвать негативную реакцию клиентов, которая замедлит их поддержку усилий по декарбонизации. Кроме того, чтобы обеспечить адекватные инвестиции для поддержания безопасности и надежности активов до момента вывода из эксплуатации, владельцы газовой инфраструктуры и регулирующие органы могут захотеть рассмотреть такие механизмы, как ускоренная амортизация и секьюритизация, финансовые инструменты. которые были исследованы при выводе из эксплуатации угольных активов.

Строительство новой инфраструктуры водородного транспорта. Поскольку спрос в некоторых регионах потенциально увеличивается, выделенная сеть транспортировки водорода может доставлять его для конечных пользователей с большими объемами, таких как промышленные клиенты и транспортные узлы (аэропорты и порты, водородные заправочные станции для дальних перевозок). В зависимости от местоположения инфраструктура на чистом водороде может быть более рентабельной инвестицией, чем инфраструктура, поддерживающая смешанный водород.

Строительство новой инфраструктуры транспортировки углерода. Управление выбросами углерода может полагаться на транспортировку по трубопроводу для перемещения CO ₂ от источников (электростанции, крупные промышленные потребители) к поглотителям (места связывания, промышленные потребители углерода), где они не расположены совместно.

Различия по регионам

В ходе нашего углубленного моделирования в различных регионах стало ясно одно: не существует универсального решения для экологически чистого топлива. Тем не менее, центры чистого топлива могут быть построены в отдельных районах для поддержки тяжелой промышленности, станции чистого топлива могут поддерживать дальние перевозки тяжелых грузов, а чистое топливо может обеспечить устойчивость электросетей в местах, где это необходимо. На оптимальную конфигурацию системы чистого топлива может влиять ряд факторов, в том числе следующие:

• Климат. В более теплых регионах, таких как Юго-Запад и Юго-Восток, отопление зданий может становиться все более электрифицированным, а это означает, что система трубопроводов может быть намного более компактной, чем сегодня, по сравнению с Северо-Востоком и Среднем Западом, где топливо может быть более необходимо для удовлетворения потребностей в тепле в зима.
• Наличие возобновляемых ресурсов. Регионы с сильными ветровыми ресурсами, такими как Средний Запад, или достаточными солнечными ресурсами, такими как Юго-Запад, могут иметь больше возможностей для производства зеленого водорода, а это означает, что определенные районы могут стать водородными центрами, поддерживающими трудно электрифицируемые сектора.
• Ограничения системы T&D. В крупных густонаселенных городских центрах могут возникать проблемы с удовлетворением спроса на электроэнергию. Хотя модернизация городской газовой системы не является дешевой, в некоторых случаях она может быть более осуществимой, чем увеличение мощности электрической системы, особенно новой передачи. Здания в таких районах, как Лос-Анджелес и Нью-Йорк, потенциально могут полагаться на чистые виды топлива, чтобы помочь сбалансировать спрос, по сравнению с регионами, которые имеют избыточную мощность электросетей или возможность построить дополнительную мощность при относительно низких затратах.
• Доступность связывания углерода. Регионы, имеющие доступ к безопасным и относительно недорогим объектам связывания углерода, могут в некоторых случаях более эффективно с точки зрения затрат продолжать использовать природный газ, улавливая и связывая выбрасываемый углерод. Учитывая целевые показатели обезуглероживания, ориентированные на государство, штаты, не имеющие потенциала связывания углерода, вероятно, будут в большей степени полагаться на возобновляемые источники энергии.
• Макияж клиента. Как упоминалось выше, некоторые отрасли, такие как тяжелая промышленность и большегрузный транспорт, электрифицировать труднее, чем другие. Центры экологически чистого топлива потенциально могут поддерживать региональные промышленные кластеры, например, районы вокруг портов, аэропортов и вдоль грузовых транзитных коридоров.
• Строительный инвентарь. Регионы со значительно старым фондом зданий могут сравнить затраты на модернизацию для размещения электрифицированного отопления с затратами на внедрение системы экологически чистого топлива.

Планирование с учетом неопределенности

Как упоминалось ранее, любое общесистемное планирование обезуглероживания неизбежно является неопределенным из-за развивающихся технологий, потребностей клиентов и политики. Чтобы определить стратегию в условиях неопределенности, постоянная оценка и переоценка потенциальных траекторий являются ключевыми и требуют анализа и пилотных проектов для проверки гипотез и понимания затрат и осуществимости. По мере того, как газовые компании планируют и начинают двигаться по пути декарбонизации, необходимо будет определить критически важные аспекты, такие как стоимость технологии, траектории производительности и уровень принятия клиентами, чтобы можно было внедрить планы снижения рисков и отслеживать указатели. Несмотря на то, что в различных сценариях, вероятно, будут некоторые «беспроигрышные» возможности, планы могут быть разработаны таким образом, чтобы экономически эффективно сохранить опциональность. Например, хотя окончательная роль и масштаб связывания углерода еще не известны, коммунальные предприятия могут оценивать жизнеспособность потенциальных технологий, мест связывания, а также стоимость и осуществимость CO ₂ трубопроводы на своей территории.

Кроме того, участники всей системы, в том числе регулирующие органы, осознают необходимость более комплексного планирования электрических, газовых и транспортных систем, но еще не пришли к выводу, как решить проблему обезуглероживания. Это может стать серьезным препятствием для осуществления энергетического перехода, который требует неотложного внимания. Возьмем, к примеру, электрификацию зданий. Электроэнергетические компании могут рассмотреть возможность планирования ряда сценариев, чтобы убедиться, что их системы имеют достаточную мощность. Если модернизация мощностей не может быть рентабельна или практически достигнута в конкретном здании, о таких проблемах можно сообщить газовым компаниям на той же территории, чтобы можно было разработать комплексный план поставки энергии. Планировщикам в энергетической системе, вероятно, потребуется выработать коллективное мнение о том, как обеспечить надежность и отказоустойчивость на своих территориях, и рассмотреть ряд различных сценариев декарбонизации.

Путь вперед

Работая с заинтересованными сторонами, руководители газовых компаний могут разработать стратегию преобразования сегодняшней системы природного газа в сеть экологически чистого топлива, которая обеспечивает декарбонизацию всей экономики, удовлетворяя при этом критически важные потребности системы в доступности, безопасности, надежности и отказоустойчивости. Чтобы осуществить этот переход, заинтересованные и информированные коммунальные предприятия могут рассмотреть следующие шаги.

Инвестируйте в необходимую инфраструктуру. Преобразование существующей системы природного газа в систему экологически чистого топлива, вероятно, потребует инвестиций в миллиарды долларов на уровне штата и коммунальных предприятий. Например, в Европе оценочная стоимость преобразования системы природного газа в «водородную магистраль» составляет от 27 до 64 миллиардов евро, исходя из оценок, что 75 процентов системы можно построить из существующих газопроводов, а 25 процентов потребуются новые трубопроводы. ¹¹ 11. Мод Бусман и др., Европейская водородная магистраль 2020 , Газ для климата, июль 2020 г. Хотя эти инвестиции значительны, наше моделирование предполагает, что они часто приводят к более доступному пути декарбонизации, чем сценарии, которые полагаются исключительно на электрическую систему и вывод из эксплуатации газовой системы. Кроме того, вероятны возможности повышения эффективности капиталовложений, что будет иметь решающее значение для поддержания доступности для клиентов.

Переоценить запланированные инвестиции. По мере снижения потребления природного газа газовым компаниям в сотрудничестве с регулирующими органами и другими заинтересованными сторонами, вероятно, потребуется оценить потенциальное сокращение расходов, где это уместно (с учетом региональных потребностей и стандартов безопасности). Коммунальные предприятия могут рассмотреть пути минимизации новых подключений к газу, оценить запланированные инвестиции и, возможно, создать резерв для инвестиций в другом месте. Кроме того, газовые компании и заинтересованные стороны могут провести анализ того, можно ли вывести части существующей сети из эксплуатации с наименьшими затратами.

Катализируйте новые рынки. Поддержка со стороны государственного и частного секторов, вероятно, потребуется для ускорения преобразования рынка и помощи в масштабировании необходимых новых участников рынка, таких как производители водорода, участники процесса улавливания углерода, владельцы и операторы технологий связывания операторы станций, компании по производству топливных элементов, производители водородных турбин) и подрядчики, которые внедряют энергоэффективность и электрификацию зданий. Например, некоторые коммунальные предприятия уже вкладывают средства в закупку или разработку биогаза. Наши исследования показывают, что, учитывая ограничения поставок, биогаз, вероятно, будет относительно небольшой частью окончательного решения по глубокой декарбонизации, но это рычаг, который газовые компании могут рассмотреть в ближайшем будущем, учитывая, что технология его производства в больших масштабах уже существует. и что при надлежащей подготовке биогаз может стать альтернативным топливом для существующей инфраструктуры доставки газа.

Ранние инвестиции и обязательства коммунальных предприятий по созданию межсетевых соединений и инфраструктуры доставки топлива могут привлечь больше участников рынка и дополнительные инвестиции, помогая снизить кривую затрат на критически важные технологии экологически чистого топлива. Коммунальные предприятия также могут опробовать такие технологии в контексте своих обслуживаемых территорий. В этом случае индустрия чистого топлива может извлечь уроки из индустрии возобновляемой энергетики в том, что ранние мандаты и обязательства коммунальных предприятий по закупке возобновляемой генерации помогли масштабировать солнечную электроэнергетику, снизить затраты и стимулировать новые частные инвестиции на рынке.

Поддержка инноваций. Чтобы облегчить более дешевый и быстрый переход к системе чистого топлива, газовые компании могут рассмотреть возможность поддержки разработки и тестирования необходимых технологий, работая с исследователями, технологическими компаниями и политиками для уточнения предположений и путей по мере того, как эти технологии эволюционировать. Могут потребоваться технологические инновации, например, электролиз для производства водорода; доставка и использование водорода; инфраструктура водородных заправочных станций; крупногабаритные топливные элементы; улавливание углерода, в том числе DAC; секвестрация углерода; и производство биоэнергии.

Перераспределить затраты и изменить тарифы. Согласно нашему моделированию, снижение потребления газа, скорее всего, приведет к увеличению тарифов на газ для клиентов в соответствии с текущими структурами распределения затрат и расчета тарифов, если только расходы на газовую систему не будут сокращены соразмерно. Повышение тарифов на газ может побудить некоторых клиентов сделать выбор в пользу электрификации, в результате чего клиенты, которые не могут оплатить первоначальные затраты на электрификацию своих домов, будут оплачивать фиксированные расходы на инфраструктуру газовой системы. Для управления системой таким образом, чтобы она обеспечивала всех пользователей надежной и доступной энергией, можно проводить интегрированное системное планирование и анализ тарифов, чтобы оценить, как можно справедливо распределить затраты между газовыми и электрическими системами.

Поддержка переходов клиентов. Коммунальные предприятия могут помочь в управлении переходом клиентов — будь то переход на новые виды топлива, такие как водород, переход на электрификацию или сочетание этих двух факторов. Например, во многих регионах электрификация, вероятно, станет экономически эффективным рычагом обезуглероживания зданий. Несколько политик и новых строительных норм уже существуют или, как ожидается, будут введены в действие для стимулирования внедрения электроприборов для обогрева помещений и нагрева воды, таких как нью-йоркский приказ об эффективности и электрификации, ¹² 12. «Приказ, разрешающий портфели энергоэффективности коммунальных предприятий и электрификации зданий до 2025 года», Комиссия по коммунальным услугам штата Нью-Йорк, вступает в силу 16 января 2020 года. который устанавливает цели коммунальных предприятий для внедрения тепловых насосов. Коммунальные предприятия могут активно способствовать такому местному переходу, разрабатывая стимулирующие программы, аналогичные существующим программам повышения энергоэффективности, которые помогают потребителям перейти на электроприборы или, где это уместно, на приборы с более высоким порогом смешивания водорода. Коммунальные предприятия также могут работать со своими сетями подрядчиков, чтобы помочь монтажникам и электрикам повысить квалификацию в установке тепловых насосов или другого необходимого оборудования.

Коммунальные предприятия, работая с регулирующими органами и другими заинтересованными сторонами, могут намеренно оценивать воздействие на сообщества с низким доходом и разрабатывать политику и программы, необходимые для обеспечения справедливого перехода.

Участие в обсуждениях с заинтересованными сторонами, включая планирование интегрированной системы. Масштабы и влияние этих преобразований потребуют от газовых компаний ориентироваться в сложном энергетическом ландшафте с участием множества заинтересованных сторон — электроэнергетических компаний, клиентов и политиков, и это лишь некоторые из них. Принимая во внимание, в частности, электроэнергетическую компанию, газовые лидеры могут помочь перевести споры о декарбонизации «газ против электричества», которые могут происходить между коммунальными предприятиями, регулирующими органами и другими заинтересованными сторонами, в обсуждение общесистемных решений. Газовые компании могут рассмотреть возможность сотрудничества с политиками и другими заинтересованными сторонами для развития этого диалога, выдвижения предложений, определяющих ценность системы экологически чистого топлива и определяющих ее роль в экономике с нулевым уровнем выбросов.

Поймите последствия. Чтобы газовые компании предприняли эти действия и зарекомендовали себя как проводники перехода к энергетике, важно понимать, как пути декарбонизации влияют на регион, клиентов и коммунальный бизнес. Для этого коммунальные службы могут выполнять детальное моделирование, которое делает следующее:

• представляет собой межотраслевой подход, объединяющий не только электрические и газовые системы, но и транспорт, здания и промышленность
• рассматривает долгосрочную перспективу, выходя за рамки обычных горизонтов планирования 2025 или 2030 годов, чтобы оценить, что необходимо для достижения долгосрочных (2040, 2050) целей по декарбонизации
• моделей на региональном или национальном уровне, чтобы динамика конкретной территории учитывалась в контексте более широкой декарбонизации с последствиями для доступности ресурсов и затрат

Создайте дорожную карту. Коммунальные предприятия могут рассмотреть возможность разработки дорожной карты и плана инвестиций для различных путей обезуглероживания, чтобы помочь им в периоды неопределенности. Эту дорожную карту можно использовать в качестве отправной точки для привлечения заинтересованных сторон и координации действий во взаимосвязанных системах. Энергетический переход, возможно, вызовет самые большие изменения в газовых компаниях с момента их образования. Крайне важно понимать, какие инвестиции требуются и когда, какие указатели следует отслеживать, и иметь точку зрения, основанную на аналитике, для обсуждений с заинтересованными сторонами.

Действуйте сейчас. Переход на систему экологически чистого топлива, вероятно, займет десятилетия. Многим заинтересованным сторонам и регулирующим органам необходимо будет согласовать дальнейший путь. После этого планирование, пилотирование, тестирование и демонстрация могут занять много лет, в зависимости от того, как технология зарождается и как она развивается с течением времени. После того, как технологии будут проверены, сроки крупномасштабного развития инфраструктуры могут растянуться на десятилетия и потребуют от инвесторов, разрешительных органов, профсоюзов и других заинтересованных сторон совместной работы над проектированием и строительством. Исторически отрасль медленно продвигалась к крупномасштабным преобразованиям. Коммунальные предприятия должны действовать сейчас, чтобы помочь достичь нулевых показателей и обеспечить доступность в будущем.

Для газовых коммунальных предприятий переход на сеть экологически чистого топлива станет полной трансформацией. Физическая среда, бизнес-модели коммунальных предприятий, нормативная структура и опыт клиентов изменятся. Хотя быстрое, экономичное и безопасное преобразование станет колоссальной задачей, это также возможность для газовых компаний провести общесистемные улучшения, обеспечить более высокий уровень обслуживания своих клиентов и обеспечить декарбонизацию экономики.

Декарбонизация природного газа как средство контроля выбросов парниковых газов

Введение

Природный газ играет очень важную роль в нашем обществе как сырье для самых разных промышленных процессов. Его использование в качестве основного источника энергии было закреплено за последние несколько десятилетий благодаря высокому соотношению водорода и углерода, эффективному сгоранию и меньшему количеству загрязняющих веществ в выхлопных газах, включая более низкие выбросы двуокиси углерода. Технологический переход от других ископаемых видов топлива (таких как уголь и нефть) к природным газам способствовал значительному сокращению углеродного следа производства энергии, проникая во многие сектора от производства электроэнергии до систем отопления домов. Это плавное проникновение осуществлялось параллельно с развитием соответствующей инфраструктуры, состоящей из местных, национальных и транснациональных газовых сетей, а также заводов по газификации и судов-газовозов.

Природный газ отвечает требованиям высокой доли спроса на энергию, но следующая фаза является сложной фазой, на которой опасения по поводу глобального потепления мотивируют переход энергии на обезуглероженную энергетическую систему. Природный газ может сыграть очень важную роль в этом энергетическом переходе. Имеющиеся ресурсы газа далеко не исчерпаны, что позволяет учитывать как традиционные, так и нетрадиционные методы добычи, а также потенциальные запасы в виде гидратов метана. Более низкий уровень выбросов двуокиси углерода по сравнению с углем и нефтью вынуждает использовать природный газ в большинстве стратегий перехода к энергетике для достижения экологических целей в долгосрочной перспективе (т. е. до 2050 г.).

Тем не менее, продолжать использовать природный газ «как обычно» недостаточно для удовлетворения требований нашего общества, а использование ресурсов природного газа в низкоуглеродной экономике предполагает разработку новых технологий для достижения незначительного выброса парниковых газов. газовые выбросы. Для достижения этой цели необходимо избегать выброса соединений углерода в атмосферу в результате использования природных ресурсов. Возможны три основных варианта: улавливание и секвестрация углерода (CCS), улавливание и утилизация углерода (CCU) и прямая декарбонизация (Abbasi and Abbasi, 2011). Подход УХУ сталкивается с рядом технологических, экономических и социальных трудностей. Некоторые эксперты пришли к выводу, что «альтернативные технологии снижения выбросов потенциально являются единственным решением, которое могло бы спасти нас от ужасной ситуации, к которой мы приближаемся к концу этого века» (Maddali et al., 2015). Следовательно, развитие обезуглероживания ископаемого топлива может стать важной альтернативой в технологическом портфеле, который может способствовать смягчению последствий изменения климата, позволяя использовать природный газ во время быстрого перехода к энергетике.

Декарбонизация природного газа

Декарбонизация природного газа представляет собой расщепление природного газа на его компоненты: твердый углерод и водород. Метан является основным компонентом природного газа (и основной молекулой синтетического природного газа (СПГ), основным вектором схемы Power-to-Gas). Разложение метана описывается следующей общей реакцией:

Ch5→C+2h3                (ΔH0=32,43 кДж/моль·ч3)

Реакция разложения метана является эндотермической, при этом необходимо затратить энергию на удаление сильных связей C-H (энергия диссоциации: 436 кДж/моль). Об этой реакции имеется множество работ, включая обширные обзоры (Abbas and Wan Daud, 2010; Amin et al., 2011) и экспериментальные работы с несколькими типами катализаторов (Botas et al., 2010; Pudukudy and Yaakob, 2015). Такие потребности в энергии подразумевают, что для начала разложения метана требуется температура выше 500°C, достигая высоких скоростей конверсии выше 1100°C. Степень превращения от 10% при 500°C (Li et al., 2006) до 9%.5% при 1050°C (Maag et al., 2009) были достигнуты с различными катализаторами. Катализаторы столкнулись с некоторыми трудностями при их внедрении в промышленном масштабе из-за их дезактивации либо за счет накопления кокса на их активной поверхности в металлических катализаторах, либо за счет снижения поверхностных свойств углеродсодержащих катализаторов (Abánades et al., 2012). В частности, в случае гетерогенных катализаторов их регенерация зависит от окисления кокса воздухом/паром с образованием диоксида углерода и риском спекания. Наиболее подходящей реализацией катализируемого термического обезуглероживания был процесс HYPRO, основанный на реакторах с псевдоожиженным слоем (Poblenz and Scot, 19).66).

Существуют и другие технологические варианты, позволяющие развивать разложение природного газа. Использование плазменной дуги для запуска пиролиза метана было опробовано на промышленном уровне с 90-х годов. Основной попыткой была разработка процесса Kvaerner CB&H (Gaudernack and Lynum, 1998). Производственная мощность завода Kvaerner составляла 500 кг/ч чистого углерода и 2000 Нм ³ /ч водорода. Однако завод был остановлен из-за проблем с плазменным отделением. Фактически этот процесс считается эталонной промышленной разработкой по разложению метана. Предлагаются и другие аналогичные практические реализации, основанные на производстве углеродосодержащих аэрозолей с помощью плазменной технологии (Мурадов и др., 2009).).

Прямой термический крекинг может привести к разложению метана при относительно высоких температурах (выше 1000°C) с приемлемыми степенями конверсии, тем самым обеспечивая подходящее время пребывания метана в реакторе (Abánades et al., 2011) или очень высокие температуры (более 1500°C). C, когда кинетика реакции очень быстрая). Были даже некоторые предложения по созданию пилотной установки для прямого разложения метана (Rodat et al., 2011). Одной из основных проблем, связанных с этими методами, является извлечение углерода из реактора, который при высоких температурах образует очень твердые графитовые отложения. В стадии разработки находятся дополнительные технологии, такие как использование жидких металлических реакционных сред (Geißler et al., 2015, 2016).

Необходимо внедрить новые технологические разработки, чтобы ограничить изменение климата, как отмечают многие авторы (Davis et al., 2010). Поиск технологического решения для продолжения использования ресурсов ископаемого топлива при одновременном предотвращении выбросов CO ₂ является ключом к достижению целей по защите климата, установленных на международных форумах, таких как Парижское соглашение об изменении климата. Такие технологии, как разложение метана, могут служить связующим звеном при переходе от экономики, основанной на ископаемом топливе, к более устойчивой (Weger et al., 2017), позволяя использовать имеющиеся ресурсы до полного внедрения новой системы.

Схема общества с низким уровнем выбросов углерода

Энергетический переход к новой энергетической модели, основанной на обществе без выбросов CO ₂ , является одной из самых важных задач для нашего глобального сообщества. Это подразумевает интегральную трансформацию нашего социального и производственного метаболизма на нескольких уровнях, таких как производство энергии (массовый переход от ископаемых к возобновляемым источникам энергии), векторы энергии (тепло, электричество, газ, жидкое топливо и т. д.) и конечное использование (промышленность). , транспорт, жилье, услуги и др.). Такая трансформация должна включать в себя новые передовые технологии, чтобы сделать возможным переход от энергосистемы, основанной на централизованном производстве энергии, к распределенной, в которой исчезает четкое различие между производителями и потребителями энергии. Например, массовое хранение энергии является одной из важнейших проблем либо для управления распределенной энергосистемой с микронакопителями (например, автомобильными аккумуляторами), либо для домашних систем хранения. Практическая реализация интеллектуальных сетей (электрических) или схем преобразования энергии в газ (тепловых/химических) (Götz et al., 2016), вероятно, потребует изменения социальных привычек для достижения цели их эффективного и бесперебойного управления, создания новых бизнес-моделей и возможностей, а также глубоких изменений в нашем обществе. Эти изменения будут глобальными, с очень важным влиянием на международном уровне, поскольку такой энергетический переход должен учитывать взаимосвязи между различными регионами, странами и многонациональными кластерами, такими как Европейский Союз, Евразия или регионы MENA. Система, с другой стороны, будет построена на местном уровне, образуя небольшие энергетические сообщества. Их взаимосвязь будет обеспечиваться применением технологий больших данных для управления энергетическим рынком на основе огромного количества просьюмеров (одновременно производителей и потребителей энергии, включая возможности собственного хранения). Этот переход к новой энергетической модели должен быть адаптирован и применен ко всему спектру экономических, климатических и демографических характеристик разных стран мира.

Одним из вариантов обеспечения возможности хранения и гибкости развивающейся энергетической системы является схема «энергия-газ» (Blanco and Faaij, 2018) или «энергия-жидкость» (Buttler and Spliethoff, 2018). В такой схеме прерывистое генерирование источника энергии сохраняется в химическом веществе, служащем хранилищем энергии, объединяя устойчивость и экологические преимущества чистого источника и возможности управления массивным хранилищем.

Предложения по химическим промежуточным переносчикам включают метан, аммиак и водород или их комбинацию, поэтапно, в зависимости от конечного использования или основного буфера для хранения химической энергии. В варианте «электроэнергия-газ» ветряные мельницы и фотоэлектрические установки должны быть основным источником первичной энергии, в котором прерывистое и переменное производство электроэнергии управляется большой емкостью хранения в форме SNG, произведенного их избыточным производством. Существующая инфраструктура логистики природного газа (хранилища и резервуары, а также трубопроводы) используется без резкого увеличения затрат на энергетическую систему. Дополнительную безуглеродную электроэнергию можно производить из биомассы или из концентрированного солнечного тепла чистых ископаемых растений (применяя такие технологии, как CCS и CCU, а также обезуглероживание). Гидравлические коммуникации играют двойную роль в производстве и хранении энергии и могут внести свой вклад в настройку схемы.

Декарбонизация метана может быть ключевой технологией, применяемой рядом с конечным потребителем энергии в варианте преобразования энергии в газ. Энергия, хранящаяся в виде СПГ, доставляется потребителям по газопроводам. К потребителям относятся промышленные предприятия, коммунальные службы или домашние хозяйства. Естественная декарбонизация позволит напрямую улавливать углерод путем преобразования природного газа в водород, что сделает возможным применение технологий топливных элементов или прямого окисления H ₂ . Разработка масштабируемого и модульного процесса разделения метана на чистый углерод и водород может быть очень применима для объектов, требующих мощности от нескольких кВт, таких как домашние хозяйства, до нескольких МВт для промышленных применений. Очевидно, это будет зависеть от технологической возможности утилизации водорода, более применимого в установках средней и большой мощности, как это имеет место в случае водородных станций для транспортных средств или производства аммиака, или в качестве способа улавливания углерода в газовых установках, где экономия масштаба и потребность в процессах улавливания водорода или углерода очень актуальны. На рис. 1 показано применение обезуглероживания метана у конечного потребителя в варианте преобразования энергии в газ. Далее будет проанализирован случай применения этой технологии в водородной станции и комбинированном цикле на природном газе.

Рисунок 1 . Декарбонизация метана в схеме Power-to-Gas.

Практические примеры обезуглероживания метана в преобразование энергии в газ

В этой статье два примера иллюстрируют потенциальное применение обезуглероживания в схеме превращения энергии в газ. Рассмотрены две бизнес-модели реализации разложения метана: Установка среднего размера, производящая порядка нескольких единиц МВт, состоящая из водородной станции и промышленной установки, интегрированной в парогазовый цикл в качестве инструмента для улавливания углерода. Обратите внимание, что в обоих случаях природный газ поступает из внешних газопроводов и локально преобразуется в водород, улавливая углерод и устраняя необходимость в транспортировке и хранении водорода, поскольку природный газ является переносчиком энергии.

Экономическая эффективность водородной станции определяется двумя хорошо известными параметрами, такими как чистая приведенная стоимость (NPV) и внутренняя норма доходности (IRR), которые определяются в зависимости от денежного потока (CF), взвешенного средняя стоимость капитала ( r ) и количество лет ( n ) как: установить NPV = 0, CAPEX — первоначальные капитальные затраты, вложенные в начале срока эксплуатации станции.

В случае применения к комбинированному циклу природного газа (NGCC) ключевым параметром для оценки экономической эффективности станции является нормированная стоимость электроэнергии (LCOE), которая рассчитывается по следующему выражению:

LCOE=CAPEX+∑t=1N[CO&Mt+Cfuelt+CCO2t(1+r)t]∑t=1N[Et(1+r)t]