Обзор:

В этом техническом документе рассматриваются тенденции распространения водородных установок и их соответствующая мощность за последние два десятилетия. Мы представляем ряд математических основ, чтобы раскрыть новое понимание эволюции производства водородной энергии в ряде географических регионов. Мы используем данные Международного энергетического агентства.

Предыстория:

Водород обладает большим потенциалом в качестве альтернативного источника топлива и может сыграть роль в скоординированных усилиях мира по достижению нулевого уровня выбросов в этом столетии. Водород можно использовать для многих целей, включая промышленность, транспорт, отопление и производство энергии. Действительно, по массе водород содержит более чем в два раза больший энергетический потенциал, чем природный газ. Однако водород в чистом виде не существует в природе на Земле. Он должен быть синтезирован с помощью множества различных процедур.

Производство водорода классифицируется по цветам в зависимости от способа его получения. «Зеленый водород» относится к методам производства, которые не приводят к выбросам парниковых газов (ПГ). Это, конечно, идеальный метод производства для достижения цели альтернативного источника энергии, который не способствует дальнейшему глобальному потеплению. Как правило, зеленые водородные установки используют возобновляемые источники энергии (например, солнечную) для извлечения водорода путем электролиза воды. Это явно желательный процесс, однако мощность зеленых растений по производству энергии весьма ограничена. С другой стороны, черный, коричневый и серый водород относятся к технологиям производства, в которых используется соответственно черный уголь, бурый уголь и природный газ, в результате чего образуются вредные газы, включая двуокись углерода и монооксид. Синий водород определяется как производство с использованием природного газа с последующим улавливанием и хранением углерода (CSS). Это не процесс с нулевым уровнем выбросов, поскольку не все образующиеся парниковые газы могут быть уловлены.

Существует значительная изменчивость уровня развития страны в отношении альтернативной и чистой энергии. Многие европейские страны, такие как Германия, смогли сократить выбросы углекислого газа за последние 50 лет, в основном благодаря своей готовности стимулировать внедрение новых технологий, часто со значительными первоначальными затратами. Менее желая нести немедленные экономические последствия, многие развивающиеся страны, а также Соединенные Штаты и Австралия были более нерешительны в отношении использования экологически чистых и альтернативных источников энергии. Вместо этого они продолжают использовать источники энергии, которые уже достигли эффекта масштаба.

В этой статье исследуются тенденции развертывания и распространенности водородных установок как по технологии, так и по местоположению. Мы изучаем изменение распространения и мощности водородных установок с течением времени, уделяя особое внимание увеличению потенциала зеленых водородных установок. Мы также изучаем различия в этих развертываниях в зависимости от географического положения. Наш главный вывод многообещающий: экспоненциальное увеличение мощности зеленых растений с течением времени и резкое сближение между мощностью зеленых и незеленых растений.

Данные:

Наши данные получены от Международного энергетического агентства и состоят из станций, построенных (или запланированных к строительству) в 2000–2028 годах, период T = 29 лет. Каждое растение классифицируется в соответствии с одной из пяти основных технологий: четыре различных типа электролиза воды, все из которых являются зелеными растениями, и «ископаемое», что указывает на использование ископаемого топлива. По совокупности типов электролиза растения в основном классифицируются как зеленые или незеленые («ископаемые»). Для каждого завода также записывается местоположение, указанное либо по стране, либо по континенту. Таким образом, весь наш анализ проводится на основе континента за континентом, при котором мы записываем и анализируем только континент местоположения. Мы делим растения на континентальные группы следующим образом: Северная Америка, Южная Америка, Европа, Океания, Восточная Азия (Китай и Япония) и Другая Азия (в основном состоящая из индийских растений).

Линейный регрессионный анализ:

На рисунке 1 мы отображаем все заводы с известной энергетической мощностью в нашем наборе данных. Отображая логарифм мощности по отношению к году постройки, мы видим примерный линейный тренд между логарифмом мощности и годом. Это предполагает экспоненциальный рост емкости по сравнению со временем. Ранее мы видели, что ископаемые (т.е. незеленые) растения на несколько порядков превосходят по мощности зеленые растения, но со временем эта разница резко сокращается. Для дальнейшего изучения этих результатов мы реализуем две линейные регрессии:

Мы кодируем шесть континентов как Европа, Северная Америка, Южная Америка, Восточная Азия (Япония и Китай), Другая Азия (преимущественно Индия), Океания, с Европой в качестве категориальной переменной по умолчанию. Мы также рассматриваем пять технологий: ALK, PEM, SOEC, Unknown PtX и Fossil с ALK в качестве переменной по умолчанию. Для модели 1 скорректированный R² равен 0,17, а для модели 2 скорректированный R² равен 0,65. Это убедительно свидетельствует о лучшем соответствии там, где прогнозируется и понимается экспоненциальное увеличение емкости с течением времени, что подтверждает качественные наблюдения на рисунке 1.

Мы включили дополнительные сведения о модели 2 в Таблицу 2. По сравнению с Европой в качестве базового уровня Южная Америка имеет значительно большую пропускную способность p = 0,042, в то время как PEM и SOEC имеют меньшую пропускную способность, чем ALK. Это может представлять потенциальный интерес для тех, кто заинтересован в владении и эксплуатации зеленых водородных установок. В частности, можно рассмотреть последствия для прибыльности при сопоставлении различных затрат на электролиз с использованием PEM, SOEC и ALK и соответствующей производительности завода-кандидата.

Географическая разница:

В этом разделе мы изучаем географическое распространение водородных установок по всему миру. Мы используем те же группы континентов n=6, что и в предыдущих разделах. Мы хотим исследовать изменение географического распространения водородных электростанций и их мощности по производству энергии с течением времени. Для этой цели мы преобразуем эти временные ряды в скользящие распределения.

На рисунке 2а мы наносим изменяющуюся во времени географическую дисперсию сгруппированных 5-летних распределений. То есть это отражает географическое распространение новых заводов в течение скользящего 5-летнего периода. Как и везде в рукописи, нас постоянно интересует анализ зеленых и незеленых растений; в этом случае из-за сравнительно небольшого количества ископаемых растений график почти идентичен, если мы рассмотрим все новые растения или только все зеленые растения.

Оба рисунка 2a и 2b демонстрируют одинаковую траекторию между 2004–2024 гг., когда геодезическая дисперсия увеличивается до 2008 г., уменьшается до 2016 г., а затем увеличивается до 2024 г. Оба рисунка начинаются с изначально низкой геодезической дисперсии в 2005 г., что, вероятно, объясняется доминированием Европы. в распространении водородных растений. Во время начального увеличения мы видим, как по всей Азии появляется несколько растений, что приводит к увеличению дисперсии. В период с 2010 по 2015 год геодезическая дисперсия снижается, что, вероятно, связано с выравниванием распространения водородных электростанций в Восточной Азии. В 2015–2016 годах в Восточной Азии наблюдается значительный рост ввода водородных установок. Во многом это связано с Китаем, чей первый завод появился в 2017 году. С тех пор на долю Китая приходится множество других водородных заводов. Мы видим аналогичную картину для двух наших коллекций, всех водородных растений и исключительно зеленых водородных растений. Это в основном связано с тем, что на долю зеленых водородных установок приходится подавляющее большинство всех водородных установок. Резкий рост геодезической дисперсии после 2016 года может указывать на повышение осведомленности о чистой энергии и обезуглероживании.

Линейные оценки:

Чтобы прояснить изменения в растениях по континентам, мы построили кумулятивное количество растений и подобрали к ним линейные тренды на рисунке 3. Мы выделили результаты по Европе, Северной Америке, Восточной Азии и другим странам Азии на рисунках 3a, 3b, 3c и 3d. соответственно. Европа, Северная Америка и другие страны Азии демонстрируют относительно постоянный линейный тренд на протяжении всего периода анализа.

Однако совокупное количество растений в Восточной Азии плохо моделируется линейной подгонкой. Совокупное количество растений, возможно, лучше всего моделируется гиперболической функцией, учитывая относительно постоянный уровень в период с 2000 по 2015 год, за которым следует быстрый рост в период с 2015 по 2020 год и еще один постоянный период в начале-середине 2020-х годов. Эти модели, которые демонстрируют постоянство распространения водородных растений с течением времени, могут указывать на эволюцию интереса каждого континента к обезуглероживанию и производству водорода.

Корреляция расстояния:

Далее мы исследуем корреляцию расстояний между Северной Америкой и Европой на рисунке 4. Корреляцию расстояний не следует путать с более известной и широко используемой корреляцией Пирсона. Корреляция расстояния фиксирует линейные и нелинейные связи между двумя случайными величинами, в то время как корреляция Пирсона может обнаруживать только линейные связи.

В начале нашего окна анализа корреляция расстояний низка, что в основном связано с разреженностью данных. Кроме того, наша изменяющаяся во времени корреляция расстояний показывает локальный минимум в 2013 году. В это время Европа и Северная Америка демонстрируют глубокие различия в поведении вогнутости у новых растений. В этот период кумулятивные растения Европы имеют вогнутую вверх форму, в то время как североамериканские кумулятивные растения имеют вогнутую вниз форму. За пределами этой точки как в Северной Америке, так и в Европе наблюдается относительно постоянное линейное увеличение, что отражается в высокой корреляции расстояния между кумулятивными растениями в этих двух регионах.

Соотношение ископаемых и зеленых растений со временем:

На рисунках 5а и 5б мы отображаем долю ископаемых растений и мощности, соответственно, во времени. Мы видим, что изначально ископаемых растений нет, но как только первые появляются на каждом континенте, они доминируют над почти 100% водородной энергетической мощности этого континента. Однако по мере приближения к концу периода анализа это значение снижается до более разумных размеров.

На рисунке 5c мы отображаем изменяющуюся во времени матричную норму за наш период. Это полное несоответствие равно нулю до 2011 года либо из-за полного отсутствия ископаемых растений (следовательно, нет несоответствия между производством, количеством ископаемых и зелеными растениями), либо из-за того, что ископаемые растения есть только в Европе (поэтому матрицы смежности имеют блочно-диагональную структуру):

Затем, в 2011 году, мы видим, что в Северной Америке реализуется проект по ископаемому, который использует 99% мощностей как ископаемое, а 20% растений являются ископаемыми. Это первое введение несоответствия между континентами с точки зрения их отношений между их пропорциями ископаемых и зеленых растений по сравнению с дисперсией. Впоследствии, когда другие континенты начинают развертывать проекты, связанные с ископаемыми, на них приходится большая часть мощностей и относительно небольшие # заводы, что способствует дальнейшему несоответствию # проектов по ископаемым и их мощности. В 2016 году как Другая Азия, так и Восточная Азия создают свои первые ископаемые заводы.

Обратите внимание, что эти результаты сильно зависят от набора данных, который мы использовали. Будущие исследования более современных и, возможно, более полных наборов данных могут раскрыть дополнительные идеи, связанные с распространением водородных установок и их мощностью. Как всегда, пишите мне по адресу [email protected], если у вас есть какие-либо вопросы, связанные с официальным документом.