Zeleno rješenje za proizvodnju vodonika

Uopšteno govoreći, vodonik se može koristiti kao gorivo na dva glavna načina. Može se spaliti kako bi se proizvela toplina ili se može ubaciti u vodoničnu gorivnu ćeliju za proizvodnju električne energije. Dobra vijest je da nakon što se proizvede plavi ili zeleni vodonik, ima niz različitih primjena:
prijevoz:Vodonik se već koristi za gorivo autobusa i drugih oblika javnog prevoza, posebno u Japanu. Može se koristiti i za pogon teretnih kamiona i vozova, dok se goriva na bazi vodika, kao što je amonijak, mogu koristiti u avijaciji i pomorstvu. Raširenija upotreba vodika za pogon vozila ovisit će o pojeftinjenju cijena vodoničnih gorivnih ćelija i sve češćih stanica za dopunu vodonika.

Proizvodnja energije:Vodik se može koristiti za pretvaranje obnovljivih izvora energije u gorivo koje se zatim može skladištiti i transportirati na velike udaljenosti. Vodik i amonijak se također mogu koristiti u plinskim turbinama i elektranama na ugalj kako bi se smanjile njihove emisije.

Grejanje zgrada:Vodonik ima ogroman potencijal da zamijeni prirodni plin za grijanje domaćih i poslovnih zgrada putem postojeće infrastrukture prirodnog plina. Kotlovi na vodonik i domaće vodonične gorivne ćelije zahtijevaju daljnji razvoj, ali bi mogli igrati važnu ulogu u budućnosti.

Industrija:Vodik se trenutno koristi u širokom spektru važnih industrijskih procesa. To uključuje rafinaciju benzina, proizvodnju čelika, obradu metala i proizvodnju niza hemikalija.

Za razliku od sivog vodonika, zeleni vodonik je u potpunosti obnovljiv iu izvornom materijalu i u opskrbi energijom. Za izvorni materijal, zeleni vodonik danas se obično proizvodi iz vode kroz proces poznat kao elektroliza, koji koristi električnu struju da podijeli vodu na sastavne molekule vodonika i kisika. To se radi pomoću uređaja koji se zove elektrolizer, koji koristi katodu i anodu (pozitivno i negativno nabijene elektrode). Ovaj proces proizvodi samo kisik – ili paru – kao nusproizvod. Što se tiče snabdijevanja energijom, da bi se kvalifikovao kao "zeleni vodonik", izvor električne energije koji se koristi za elektrolizu mora proizaći iz obnovljive energije, kao što je energija vjetra ili sunčeva energija.

Postoje tri glavne vrste elektrolizera:Alkalna, protonska izmjenjivačka membrana (PEM) i čvrsti oksid. Oni se razlikuju po prirodi upotrijebljenog materijala elektrolita. Alkalni elektrolizatori koriste vodeni rastvor sa alkalnom soli da bi omogućili električnu provodljivost, dok PEM elektrolizatori koriste čvrstu polimernu membranu (elektrolit). Čvrsti oksidni elektrolizatori koriste čvrsti keramički materijal kao elektrolit, što im omogućava da rade na većoj električnoj efikasnosti i mnogo višim temperaturama. Ovo omogućava korištenje pare i vanjske topline kao izvora energije umjesto oslanjanja na električnu energiju. Dakle, elektroliza čvrstog oksida omogućava znatno niže troškove operacija, budući da je toplina obično jeftinija i ponekad se prirodno proizvodi kao nusprodukt određenih industrijskih procesa.

Prije mnogo godina na vodonik se gledalo samo kao na rješenje za evoluciju ekološkijih vozila. Kako su električna vozila stekla sve veću vuču, na vodonik se sve više gleda kao na rješenje za druge industrije.

Potražnja za vodikom nastavlja da raste kako se njegova upotreba širi u industrijskim i proizvodnim industrijama za različite svrhe, uključujući rafinaciju nafte, proizvodnju čelika i proizvodnju cementa. Međutim, kako popularnost vodika raste, važnost zelenog vodonika ne može se precijeniti. Alarmantno je da se 98% vodonika proizvodi od fosilnih goriva bez kontrole emisije ugljičnog dioksida ili propisa. Ali zeleni vodonik ima potencijal da to promijeni – zauvijek.

Od dima iz komercijalnih postrojenja do izduvnih gasova automobila na benzin i dizel, proizvodnja zelenog vodika smanjuje ili eliminira potrebu za izvorima energije iz fosilnih goriva koji oslobađaju velike količine ugljičnog dioksida u zrak. U industriji data centara, kako sistemi za skladištenje razvijaju vodonik, on se može koristiti umesto rezervnih generatora sa dizel pogonom za napajanje budućih centara podataka. Kao rezultat toga, prednosti zelenog vodonika su brojne, omogućavajući vladama i organizacijama da jačaju nacionalnu energetsku sigurnost, štede gorivo, smanje ukupne emisije i diverzificiraju energetske mogućnosti transporta od automobila do ekspanzivnih sistema javnog prijevoza.

Tehnologija zelenog vodonika nije mogla biti uvedena u boljem trenutku. Američka uprava za energetske informacije predviđa da će se globalna potražnja za energijom povećati za 47% do 2050. Jedini način da se ta potražnja nadoknadi u obliku proizvodnje energije iz nafte i uglja je usvajanje zelenih metoda, kao što je zeleni vodonik.

A zahvaljujući tehnološkim otkrićima koji su u suštini dekarbonizirali proizvodnju vodonika, mnoge kompanije se okreću kompenzacijama ugljika koje koriste zeleni vodonik kako bi smanjile svoj ugljični otisak i ispunile agresivne ESG ciljeve.

Proces stvaranja zelenog vodonika ima prednosti. Međunarodna energetska agencija (IEA) navodi da zeleni vodonik štedi oko 830 miliona tona ugljičnog dioksida koji se godišnje emituje u poređenju sa onim kada se plin proizvodi korištenjem tradicionalnih metoda fosilnih goriva. To je ekvivalentno emisiji iz Velike Britanije i Indonezije zajedno za cijelu godinu!

Kao i sa bilo kojom novom tehnologijom, postoje neki izazovi koje treba prevladati kako bum zelenog vodonika zavlada. Neka pitanja koja treba razmotriti uključuju efikasnost procesa i troškove proizvodnje u velikim razmjerima, uz uspostavljanje dugoročnih rješenja za skladištenje pod pritiskom. Izazovi na stranu, zeleni vodonik je uzbudljiva nova tehnologija koja bi mogla pomoći u balansiranju prijeko potrebne velike proizvodnje zelene energije.

Veliki dio pomaka od fosilnih goriva uključuje elektrifikaciju nekih od svakodnevnih mašina koje koristimo, a pokreću se naftom i plinom – automobili i lokalni transport, te grijanje za domove u nekim zemljama, na primjer. Za one koji su već elektrificirani, poput kompjutera i kućnih aparata, električna energija iz nuklearnih i obnovljivih izvora poput vjetra i sunca zamjenjuju ugalj.

Ali postoje neke industrije koje zahtijevaju toliko energije da tradicionalni obnovljivi izvori energije ne mogu zadovoljiti njihovu potražnju. To je problem, jer su te industrije među najvećim emiterima stakleničkih plinova.

Ovdje stručnjaci kažu da zeleni vodonik ima ogroman potencijal.
"Struja iz izvora kao što su vjetar, solarna i nuklearna energija neophodna je za dekarbonizaciju našeg energetskog sistema - ali to ne može učiniti sam, a transport na velike udaljenosti i teška industrija su dom najteže emisije za smanjenje", rekao je energetski analitičar u Međunarodna agencija za energiju.

"Vodonik je dovoljno svestran da popuni neke od ovih kritičnih praznina - u obezbjeđivanju vitalnih sirovina za industriju hemikalija i čelika ili ključnih sastojaka za niskougljična goriva za avione i brodove", rekao je Remme za CNN.

Za upravljanje avionom ili velikim brodom, na primjer, potrebno je toliko energije da bi svaka baterija koja se koristi za skladištenje električne energije iz sunca ili vjetra vjerojatno bila prevelika i teška za brod. Zeleni vodonik, s druge strane, može doći u tečnom obliku i lakši je. Prema Airbusu, koji razvija komercijalni avion s nultom emisijom, gustoća energije zelenog vodonika je tri puta veća od mlaznog goriva koje danas koristimo.

Dok bi tekući zeleni vodonik emitovao nula ugljika, on ima neka ograničenja. Kada sagorijeva u otvorenoj atmosferi, oslobađa malu količinu dušikovog oksida, koji je snažan staklenički plin. Međutim, ako se vodik dovodi kroz gorivu ćeliju, on će emitovati samo vodu i topli zrak.

Neki mali avioni su uspjeli da lete sa gorivnim ćelijama napajanim vodonikom, iako tehnologija još nije komercijalno proširena.

Trenutno je sve na palubi za postizanje klimatskih ciljeva. Energetska tranzicija zaista treba veliki poticaj. Vodonik može dati važan doprinos tome. Saradnja je neophodna kako bismo mogli uspješno koristiti vodonik, na primjer, kako bi doprinijeli smanjenju CO2 u industriji, e-gorivu za avione i korištenju u izgrađenom okruženju. Ali potrebna su ulaganja i pitanja.

Šta je vodonik?
Vodik je najčešći element u našem svemiru. U normalnim okolnostima je gasovito i govorimo o gasovitom vodoniku (H2). Vodonik je takođe najlakši gas koji poznajemo i stoga ima nisku gustinu energije po jedinici zapremine (u m3). Po težini (u kg), vodonik ima veliku gustoću energije od 120 megadžula (MJ) po kg. To je skoro tri puta više od prirodnog gasa (45 MJ po kg). Vodik je često pod pritiskom. Međutim, pod pritiskom (komprimovanje) gasa vodonika je potrebna i potrebna energija (oko 10%).

Šta je sivi i plavi vodonik?
Gotovo sav vodonik koji se trenutno proizvodi u svijetu je takozvani 'sivi vodonik'. Proizvodnja se trenutno odvija putem parnog reformisanja metana (SMR). Ovdje para visokog pritiska (H2O) reaguje sa prirodnim gasom (CH4) što rezultira vodonikom (H2) i gasom staklene bašte CO2. U Holandiji se na ovaj način proizvodi približno 0,8 miliona tona H2, koristeći četiri milijarde kubnih metara prirodnog gasa i generišući emisiju CO2 od 12,5 miliona tona.
Izraz 'plavi vodonik' ili 'vodik s niskim udjelom ugljika' koristi se kada se CO2 koji se oslobađa u procesu proizvodnje sivog vodonika u velikoj mjeri (80-90%) hvata i skladišti. Ovo se također naziva CCS: Carbon Capture & Storage. To bi se moglo dogoditi na praznim plinskim poljima ispod Sjevernog mora. Nigdje drugdje u svijetu se plavi vodonik ne proizvodi u velikim razmjerima.

Šta je zeleni vodonik?
Zeleni vodonik, također poznat kao 'obnovljivi vodonik', je vodonik koji se proizvodi održivom energijom. Najpoznatija je elektroliza, u kojoj se voda (H2O) dijeli na vodik (H2) i kisik (O2) putem zelene struje. Veliki broj stranaka u Holandiji eksperimentiše sa ovim elektrolizerima megavata. Vodik se takođe oslobađa tokom visokotemperaturne gasifikacije biomase.

Šta je tirkizni vodonik?
Vodik proizveden iz prirodnog plina takozvanom tehnologijom pirolize rastopljenog metala naziva se "tirkizni vodonik" ili "vodik s niskim udjelom ugljika". Prirodni plin prolazi kroz rastopljeni metal koji oslobađa plin vodonik kao i čvrsti ugljik. Potonji mogu naći korisnu primjenu u, na primjer, automobilskim gumama. Ova tehnologija je još uvijek u laboratorijskoj fazi i trebat će najmanje deset godina da se realizuje prvo pilot postrojenje.

Koje su dalje fundamentalne razlike između plave i zelene?
Osim načina proizvodnje, postoji niz drugih ključnih razlika:
Samo zeleni vodonik proizveden elektrolizom osigurava da velike količine održive električne energije proizvedene na moru i na kopnu mogu biti pravilno integrirane u naš energetski sistem. Samo elektroliza može fleksibilno (na zahtjev) pretvoriti električnu energiju u vodonik i zatim je uskladištiti.
Osim toga, razvoj elektrolize velikih razmjera pomoći će u zadovoljavanju rastuće potražnje za električnom energijom i na taj način stimulirati rast održive energije.
Postoji i razlika u kvaliteti. Zeleni vodonik ima veći stepen čistoće i može se odmah koristiti, na primer u gorivim ćelijama vozila. Plavi vodonik ima niži nivo čistoće, dovoljan za industrijsku primenu.
Proizvodnja plavog vodonika način je 'dekarbonizacije' industrije, odnosno smanjenja CO2, u velikom obimu i uz relativno niske troškove.

Bijeli vodonik iz tla čist izvor energije budućnosti?
Već poznajemo sivi, plavi i zeleni vodonik, ali sada se čini da je dostupan i bijeli ili prirodni vodonik. To dolazi iz tla, baš kao i prirodni gas. Kada se vodonik sagorijeva s kisikom, oslobađa se samo voda. Bijeli vodonik je prirodni vodonik iz podzemnih voda koji ima potencijal da postane važan izvor energije budućnosti ako se dobije elektrolizom vode vjetrom ili solarnom energijom (zeleno).
Tada se ne pravi od prirodnog pepela ili uglja (siva), čak ni tako što se prvo uhvati CO2 (plavo). Plin se uglavnom koristi za zagrijavanje procesa u kemijskoj industriji i proizvodnji čelika i gnojiva. U prelasku sa fosilne na zelenu energiju, može poslužiti kao tampon za skladištenje električne energije tokom perioda bez sunca i vjetra.

Koju ulogu ima vodonik u energetskoj tranziciji?
U našem trenutnom energetskom miksu, otprilike 20% se isporučuje u obliku električne energije, a 80% u obliku prirodnog plina ili tečnog fosilnog goriva (benzin, dizel). Naši klimatski ciljevi će značajno promijeniti ovu situaciju u bliskoj budućnosti. Udio električne energije proizvedene energijom vjetra i sunca će se naglo povećati. Za brojne primjene kao što su teški transport, visokotemperaturni procesi u industriji i avijaciji, još uvijek nedostaje dobro električno rješenje i još uvijek postoji potreba za održivim plinom. Vodonik ovdje može igrati korisnu ulogu. Osim toga, vodonik je važan u obliku skladišta velikih razmjera za one trenutke kada je bez vjetra i oblačno.

Koje zemlje takođe rade na vodoniku?
Zemlje kao što su Norveška, Australija, Maroko, Čile, Saudijska Arabija, Kina i Japan su vrlo aktivne sa zelenim vodonikom, uglavnom zato što postoji značajna (potencijalna) dostupnost jeftine obnovljive energije iz vjetra, sunca ili hidroenergije za proizvodnju zelenog vodonika. Izuzetak od ovoga je Japan, koji je u velikoj mjeri ovisan o uvozu za svoje snabdijevanje energijom i koji je razvio strategiju za uvoz (zelenog) vodonika u velikim razmjerima. Njegova ključna uloga leži u razvoju tehnologije. Nizozemska je u dobroj poziciji dijelom zahvaljujući našem znanju o tehnologiji plina i elektrolize, velikom potencijalu za energiju vjetra u Sjevernom moru i energetski intenzivnoj industriji koja se mora snažno posvetiti održivosti.

Za šta ćemo koristiti vodonik?
Vodik je posebno važan za procesnu industriju. Sada se uglavnom koristi za proizvodnju gnojiva, ali se u budućnosti može koristiti i za visokotemperaturne procese kao što je proizvodnja čelika za koju se sada koristi prirodni plin ili ugalj. Osim toga, vodonik će igrati ulogu u mobilnosti, na primjer za međugradske autobuse koji moraju prelaziti veće udaljenosti i gdje električna vožnja nije rješenje.

Šta vodonik znači za građanina?
Kratkoročno neće biti mnogo toga evidentno. Upotreba vodonika u kućama, na primjer, dugo će biti zakašnjela ako se to uopće dogodi. Za većinu domova, kolektivna toplotna mreža ili električna toplotna pumpa nudi bolje rješenje. U saobraćaju će se polako povećavati broj automobila na vodik (trenutno manje od sto) i broj stanica za punjenje vodonikom (2018: 3).

Koji su rizici?
Vodonik je vrlo lagan gas, lako zapaljiv i koristi se u pokretljivosti pod pritiscima do 700 bara. Kao i sa svakim drugim gasom, važno je pažljivo rukovati njime tokom proizvodnje, transporta i upotrebe i prepustiti ga isključivo profesionalnim kompanijama. Ako se vodik koristi u postojećim gasovodima, važno je dalje istražiti kako se vodonik zapravo 'ponaša' u praksi. Vodik je lakši od prirodnog plina i može lakše izaći iz ventila i brtvi.

Šta TNO radi u smislu istraživanja vodonika?
TNO je nezavisna organizacija koja sprovodi najsavremenija primenjena istraživanja. Njegovo istraživanje vodonika fokusira se na proizvodnju, infrastrukturu i aplikacije (pretvorbu i krajnju upotrebu). U 2020. godini TNO je poduzeo više od 50 projekata koji se odnose na ove teme. Linkovi na izbor ovih projekata nalaze se u nastavku (stavka 15).

Koliko je daleko razvoj zelenog vodonika?
Oko 230 projekata elektrolize ušlo je u rad između 2000. i 2018. sa ukupnim kapacitetom od oko 100 MW (izvor: IEA 2019, Budućnost vodika). U 2020. godini, globalni instalirani kapacitet bio je 200 MW i približno 2.400 MW do kraja 2023. Ove brojke pokazuju da smo tek na početku i da moramo razviti potpuno novi lanac snabdijevanja.
Potrebne su nam nove kompanije, novi dobavljači i novi proizvođači za razvoj materijala i komponenti za veće elektrolizne sisteme nove generacije. Ovo je zlatna prilika za holandsku industriju visoke tehnologije. Cilj Evropske unije je instaliranje 40 GW elektroliznog kapaciteta u Uniji do 2030. godine i još 40 GW u sjevernoj Africi. Postizanje ovog cilja od nas će zahtijevati da ubrzamo tempo i tehnoloških inovacija i stvarnih projekata.

Koji su najveći tehnički izazovi koje postavlja elektroliza?
Što se tiče elektrolize vode, trenutno su dostupne četiri tehnologije (AEM, SOE, PEM i alkalna), svaka sa svojim specifičnim prednostima, nedostacima i stepenom zrelosti. Pogledajte naš video o proizvodnji vodika pomoću elektrolize (otvara se u novom prozoru ili kartici) (odnosi se na drugu web stranicu). Za sve četiri tehnologije, tri glavna istraživačka izazova su:
za smanjenje kapitalnih izdataka povezanih sa sistemom
za poboljšanje efikasnosti sistema
kako bi se prevladale prepreke za proizvodnju velikih razmjera kako bi se godišnji svjetski kapacitet proizvodnje elektrolizera od 30 GW mogao postići do 2030.

Proizvodi se prodaju u svim regionima Kine i izvoze u zemlje širom sveta. Prodani su u više od 20 zemalja i regija uključujući Sjedinjene Države, Njemačku, Maroko, Keniju, Saudijsku Arabiju, Vijetnam, Alžir, Indiju, Tanzaniju i Tajvan. Uspješno su osigurala poznata preduzeća kao što su China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group i druga poznata preduzeća. Postoje mnoge zelene stanice za hidrogenaciju vodonika kao što su Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, itd. koje pružaju projekte zelene i vodonik.