Rešitev za proizvodnjo zelenega vodika

Na splošno se lahko vodik kot gorivo uporablja na dva glavna načina. Lahko se sežge, da proizvede toploto, ali pa se vnese v vodikovo gorivno celico, da proizvede elektriko. Dobra novica je, da ima, ko je proizveden modri ali zeleni vodik, številne različne uporabe:
Prevoz:Vodik se že uporablja za gorivo avtobusov in drugih oblik javnega prevoza, zlasti na Japonskem. Lahko se uporablja tudi za pogon tovornih tovornjakov in vlakov, medtem ko se goriva na osnovi vodika, kot je amoniak, lahko uporabljajo v letalstvu in ladijskem prometu. Bolj razširjena uporaba vodika za pogon vozil bo odvisna od tega, ali bodo cene vodikovih gorivnih celic postale cenejše in postajališča za oskrbo z vodikom vse pogostejša.

Močna generacija:Vodik se lahko uporablja za pretvorbo obnovljivih virov energije v gorivo, ki ga je mogoče shraniti in prevažati na dolge razdalje. Vodik in amoniak se lahko uporabljata tudi v plinskih turbinah in elektrarnah na premog za zmanjšanje njunih emisij.

Ogrevanje zgradb:Vodik ima ogromen potencial za nadomestitev zemeljskega plina za ogrevanje gospodinjstev in poslovnih zgradb prek obstoječe infrastrukture za zemeljski plin. Vodikovi kotli in gospodinjske vodikove gorivne celice potrebujejo nadaljnji razvoj, vendar bi lahko imeli pomembno vlogo v prihodnosti.

Industrija:Vodik se trenutno uporablja v številnih pomembnih industrijskih procesih. Ti vključujejo rafiniranje bencina, proizvodnjo jekla, obdelavo kovin in proizvodnjo vrste kemikalij.

Za razliko od sivega vodika je zeleni vodik v celoti obnovljiv tako v izvornem materialu kot v oskrbi z energijo. Za izvorni material je zeleni vodik danes običajno proizveden iz vode s postopkom, znanim kot elektroliza, ki uporablja električni tok za razdelitev vode na sestavne molekule vodika in kisika. To se naredi z napravo, imenovano elektrolizer, ki uporablja katodo in anodo (pozitivno in negativno nabiti elektrodi). Ta proces proizvaja le kisik – ali paro – kot stranski produkt. Kar zadeva oskrbo z energijo, mora vir električne energije, ki se uporablja za elektrolizo, izhajati iz obnovljivih virov energije, kot sta vetrna ali sončna energija, da bi se opredelil kot "zeleni vodik".

Obstajajo tri glavne vrste elektrolizatorjev:Alkalna, protonsko izmenjevalna membrana (PEM) in trdni oksid. Ti se razlikujejo po naravi uporabljenega elektrolitskega materiala. Alkalni elektrolizatorji uporabljajo vodno raztopino z alkalno podobno soljo, ki omogoča električno prevodnost, medtem ko elektrolizerji PEM uporabljajo trdno polimerno membrano (elektrolit). Elektrolizerji s trdnim oksidom kot elektrolit uporabljajo trden keramični material, kar jim omogoča delovanje pri večji električni učinkovitosti in veliko višjih temperaturah. To omogoča uporabo pare in zunanje toplote kot vira energije namesto zanašanja na električno energijo. Tako elektroliza s trdnim oksidom omogoča bistveno nižje stroške delovanja, saj je toplota običajno cenejša in se včasih naravno proizvaja kot stranski produkt določenih industrijskih procesov.

Pred leti je bil vodik viden le kot rešitev za razvoj okolju prijaznejših vozil. Ker so električna vozila vse bolj priljubljena, se vodik vedno bolj obravnava kot rešitev za druge industrije.

Povpraševanje po vodiku še naprej narašča, saj se njegova uporaba širi v industrijskih in proizvodnih panogah za različne namene, vključno z rafiniranjem nafte, proizvodnjo jekla in proizvodnjo cementa. Ker pa priljubljenost vodika raste, pomena zelenega vodika ni mogoče preceniti. Zaskrbljujoče je, da je 98 % vodika narejenega iz fosilnih goriv brez nadzora nad emisijami ogljikovega dioksida ali predpisov. Toda zeleni vodik lahko to spremeni – za vedno.

Od dima iz komercialnih rastlin do izpušnih plinov avtomobilov, ki jih poganja bencin in dizel, proizvodnja zelenega vodika zmanjšuje ali odpravlja potrebo po virih energije iz fosilnih goriv, ​​ki v zrak sproščajo velike količine ogljikovega dioksida. V industriji podatkovnih centrov, ko sistemi za shranjevanje razvijajo vodik, ga je mogoče uporabiti namesto rezervnih generatorjev na dizelski pogon za oskrbo prihodnjih podatkovnih centrov. Posledično je veliko prednosti zelenega vodika, ki vladam in organizacijam omogoča krepitev nacionalne energetske varnosti, varčevanje z gorivom, zmanjšanje skupnih emisij in diverzifikacijo možnosti transportne energije od avtomobilov do ekspanzivnih sistemov javnega prevoza.

Tehnologija zelenega vodika ne bi mogla biti predstavljena ob boljšem času. Ameriška uprava za energetske informacije napoveduje, da se bo globalno povpraševanje po energiji do leta 2050 povečalo za 47 %. Edini način za izravnavo tega povpraševanja v obliki proizvodnje energije iz nafte in premoga je uporaba okolju prijaznejših metod, kot je zeleni vodik.

In zahvaljujoč tehnološkim prebojem, ki so v bistvu razogljičili proizvodnjo vodika, se številna podjetja obračajo na izravnave ogljika, ki izkoriščajo zeleni vodik za zmanjšanje svojega ogljičnega odtisa in doseganje agresivnih ciljev ESG.

Postopek pridobivanja zelenega vodika ima prednosti. Mednarodna agencija za energijo (IEA) navaja, da zeleni vodik letno prihrani približno 830 milijonov ton ogljikovega dioksida v primerjavi s proizvodnjo plina s tradicionalnimi metodami fosilnih goriv. To je enakovredno celoletnim emisijam Združenega kraljestva in Indonezije skupaj!

Tako kot pri vsaki novi tehnologiji je tudi pri razmahu zelenega vodika treba premagati nekaj izzivov. Nekatera vprašanja, ki jih je treba upoštevati, vključujejo učinkovitost postopka in stroške proizvodnje v velikem obsegu, poleg vzpostavitve dolgoročnih rešitev za shranjevanje pod pritiskom. Ne glede na izzive je zeleni vodik vznemirljiva nova tehnologija, ki bi lahko pomagala uravnotežiti prepotrebno obsežno proizvodnjo zelene energije.

Velik del odmika od fosilnih goriv vključuje elektrifikacijo nekaterih vsakodnevnih strojev, ki jih uporabljamo in jih poganjata nafta in plin – na primer avtomobilov in lokalnega prevoza ter ogrevanja domov v nekaterih državah. Za tiste, ki so že elektrificirani, kot so računalniki in gospodinjski aparati, elektrika iz jedrske energije in obnovljivih virov, kot sta veter in sonce, nadomeščajo premog.

Toda nekatere industrije potrebujejo toliko energije, da tradicionalni obnovljivi viri energije ne morejo zadovoljiti njihovega povpraševanja. To je problem, ker so te industrije med največjimi onesnaževalci toplogrednih plinov.

Tu ima strokovnjaki pravijo, da ima zeleni vodik ogromen potencial.
"Elektrika iz virov, kot so veter, sonce in jedrska energija, je bistvenega pomena za razogljičenje našega energetskega sistema – vendar tega ne more storiti sama, promet na dolge razdalje in težka industrija pa sta dom emisij, ki jih je najtežje zmanjšati," je dejal energetski analitik pri Mednarodna agencija za energijo.

"Vodik je dovolj vsestranski, da zapolni nekatere od teh kritičnih vrzeli – pri zagotavljanju vitalnih surovin za kemično in jeklarsko industrijo ali ključnih sestavin za nizkoogljična goriva za letala in ladje," je Remme povedal za CNN.

Upravljanje letala ali velike ladje, na primer, zahteva toliko energije, da bi bila vsaka baterija, ki se uporablja za shranjevanje električne energije iz sonca ali vetra, verjetno prevelika in težka za plovilo. Zeleni vodik pa je lahko v tekoči obliki in je lažji. Po podatkih Airbusa, ki razvija komercialno letalo brez emisij, je energetska gostota zelenega vodika trikrat večja od reaktivnih goriv, ​​ki jih uporabljamo danes.

Medtem ko bi tekoči zeleni vodik oddajal nič ogljika, ima nekatere omejitve. Pri zgorevanju v odprtem ozračju sprosti majhno količino dušikovega oksida, ki je močan toplogredni plin. Če pa se vodik dovaja skozi gorivno celico, bo oddajal le vodo in topel zrak.

Nekaterim majhnim letalom je uspelo leteti z gorivnimi celicami na vodik, čeprav tehnologija še ni bila komercialno razširjena.

Trenutno se vsi ukvarjajo z doseganjem podnebnih ciljev. Energetski prehod resnično potrebuje velik zagon. K temu lahko pomembno prispeva vodik. Sodelovanje je bistvenega pomena za uspešno uporabo vodika, na primer za prispevanje k zmanjšanju CO2 v industriji, e-gorivih za letala in uporabi v grajenem okolju. Toda naložbe so potrebne in obstajajo vprašanja.

Kaj je vodik?
Vodik je najpogostejši element v našem vesolju. V normalnih okoliščinah je plinast in govorimo o vodikovem plinu (H2). Vodik je tudi najlažji plin, kar jih poznamo, zato ima nizko energijsko gostoto na prostorninsko enoto (v m3). Na težo (v kg) ima vodik visoko energijsko gostoto 120 megajoulov (MJ) na kg. To je skoraj trikrat več kot zemeljski plin (45 MJ na kg). Vodik je pogosto pod pritiskom. Tlačenje (stiskanje) vodikovega plina pa zahteva tudi potrebno energijo (približno 10 %).

Kaj je sivi in ​​modri vodik?
Skoraj ves vodik, ki se trenutno proizvaja po vsem svetu, je tako imenovani "sivi vodik". Proizvodnja trenutno poteka s parnim reformiranjem metana (SMR). Tukaj visokotlačna para (H2O) reagira z zemeljskim plinom (CH4), pri čemer nastane vodik (H2) in toplogredni plin CO2. Na Nizozemskem se na ta način proizvede približno 0,8 milijona ton H2, pri čemer se uporabijo štiri milijarde kubičnih metrov zemeljskega plina in ustvarijo emisije CO2 v višini 12,5 milijona ton.
Izraz 'modri vodik' ali 'vodik z nizko vsebnostjo ogljika' se uporablja, ko se CO2, sproščen v procesu proizvodnje sivega vodika, v veliki meri (80-90 %) zajame in shrani. To se imenuje tudi CCS: zajemanje in shranjevanje ogljika. To bi se lahko zgodilo na praznih plinskih poljih pod Severnim morjem. Nikjer drugje na svetu se modri vodik ne proizvaja v velikem obsegu.

Kaj je zeleni vodik?
Zeleni vodik, znan tudi kot 'obnovljivi vodik', je vodik, proizveden s trajnostno energijo. Najbolj znana je elektroliza, pri kateri se voda (H2O) prek zelene elektrike razdeli na vodik (H2) in kisik (O2). Veliko število strank na Nizozemskem eksperimentira s temi megavatnimi elektrolizatorji. Vodik se sprošča tudi pri visokotemperaturnem uplinjanju biomase.

Kaj je turkizni vodik?
Vodik, proizveden iz zemeljskega plina s tako imenovano tehnologijo pirolize staljenih kovin, se imenuje "turkizni vodik" ali "nizkoogljični vodik". Zemeljski plin gre skozi staljeno kovino, ki sprošča vodikov plin in trdni ogljik. Slednje lahko najdejo uporabno uporabo na primer pri avtomobilskih gumah. Ta tehnologija je še v laboratorijski fazi in do realizacije prve pilotne naprave bo trajalo vsaj deset let.

Kakšne so nadaljnje temeljne razlike med modro in zeleno?
Poleg načina izdelave obstaja še vrsta drugih ključnih razlik:
Samo zeleni vodik, proizveden z elektrolizo, zagotavlja, da se lahko velike količine trajnostne električne energije, proizvedene na morju in kopnem, pravilno vključijo v naš energetski sistem. Le z elektrolizo lahko elektriko pretvorite v vodik fleksibilno (na zahtevo) in jo nato shranite.
Poleg tega bo razvoj obsežne elektrolize pomagal zadovoljiti naraščajoče povpraševanje po električni energiji in tako spodbudil rast trajnostne energije.
Razlika je tudi v kvaliteti. Zeleni vodik ima višjo stopnjo čistosti in ga je mogoče uporabiti takoj, na primer v gorivni celici vozila. Modri ​​vodik ima nižjo stopnjo čistosti, ki zadostuje za industrijsko uporabo.
Proizvodnja modrega vodika je način za „dekarbonizacijo“ industrije, tj. zmanjšanje CO2, v velikem obsegu in z relativno nizkimi stroški.

Beli vodik iz zemlje čisti vir energije prihodnosti?
Sivi, modri in zeleni vodik že poznamo, zdaj pa se zdi, da je na voljo tudi beli ali naravni vodik. To prihaja iz zemlje, tako kot zemeljski plin. Pri sežigu vodika s kisikom se sprosti samo voda. Beli vodik je naravni vodik iz podzemlja, ki lahko postane pomemben vir energije v prihodnosti, če ga pridobivajo z elektrolizo vode z vetrno ali sončno energijo (zeleno).
Potem ni narejen iz naravnega pepela ali premoga (sivo), niti s prvim zajemanjem CO2 (modro). Plin se uporablja predvsem za ogrevanje procesov v kemični industriji ter pri proizvodnji jekla in gnojil. Pri prehodu iz fosilne v zeleno energijo lahko služi kot varovalka za shranjevanje električne energije v obdobjih brez sonca in vetra.

Kakšno vlogo igra vodik pri energetskem prehodu?
V naši trenutni energetski mešanici je približno 20 % dobavljene v obliki električne energije in 80 % v obliki zemeljskega plina ali tekočega fosilnega goriva (bencin, dizel). Naši podnebni cilji bodo to situacijo v bližnji prihodnosti precej spremenili. Delež električne energije, proizvedene z vetrno in sončno energijo, se bo močno povečal. Za številne aplikacije, kot so težki transport, visokotemperaturni procesi v industriji in letalstvu, še vedno manjka dobra električna rešitev in še vedno obstaja potreba po trajnostnem plinu. Vodik ima lahko tukaj koristno vlogo. Poleg tega je vodik pomemben v obliki obsežnega skladišča za tiste trenutke, ko je brez vetra in oblačno.

Katere države delajo tudi na vodiku?
Države, kot so Norveška, Avstralija, Maroko, Čile, Savdska Arabija, Kitajska in Japonska, so zelo aktivne z zelenim vodikom, predvsem zato, ker obstaja precejšnja (potencialna) razpoložljivost poceni obnovljive energije iz vetrne, sončne ali vodne energije za proizvodnjo zelenega vodika. Izjema pri tem je sicer Japonska, ki je pri oskrbi z energijo v veliki meri odvisna od uvoza in je razvila strategijo za uvoz (zelenega) vodika v velikem obsegu. Njegova ključna vloga je v razvoju tehnologije. Nizozemska je v dobrem položaju deloma zaradi našega znanja o tehnologiji plina in elektrolize, velikega potenciala za vetrno energijo v Severnem morju in energetsko intenzivne industrije, ki se mora močno zavezati trajnosti.

Za kaj bomo uporabljali vodik?
Vodik je še posebej pomemben za procesno industrijo. Zdaj se uporablja predvsem za proizvodnjo gnojil, v prihodnosti pa se bo lahko uporabljal tudi za visokotemperaturne procese, kot je proizvodnja jekla, za katero se zdaj uporablja zemeljski plin ali premog. Poleg tega bo vodik imel vlogo pri mobilnosti, na primer za medkrajevne avtobuse, ki morajo prevoziti daljše razdalje in kjer električna vožnja ni rešitev.

Kaj vodik pomeni za državljane?
Kratkoročno ne bo veliko vidnega. Uporaba vodika v domovih bo na primer že zdavnaj pretekla, če bo do tega sploh prišlo. Za večino domov je boljša rešitev skupno toplotno omrežje ali električna toplotna črpalka. V prometu bo počasi naraščalo število avtomobilov na vodik (trenutno manj kot sto) in število vodikovih polnilnic (leta 2018: 3).

Kakšna so tveganja?
Vodik je zelo lahek plin, lahko vnetljiv in se uporablja v mobilnosti pod tlakom do 700 barov. Tako kot z vsakim drugim plinom je pomembno, da z njim med proizvodnjo, transportom in uporabo ravnamo previdno in ga prepustimo izključno strokovnim podjetjem. Če se vodik uporablja v obstoječih plinovodih, je pomembno nadalje raziskati, kako se vodik dejansko „obnaša“ v praksi. Vodik je lažji od zemeljskega plina in lahko lažje uhaja iz ventilov in tesnil.

Kaj počne TNO v smislu raziskav vodika?
TNO je neodvisna organizacija, ki izvaja vrhunske uporabne raziskave. Njegove raziskave vodika se osredotočajo na proizvodnjo, infrastrukturo in aplikacije (pretvorba in končna uporaba). Leta 2020 se je TNO lotil več kot 50 projektov, povezanih s temi temami. Povezave do izbora teh projektov so na voljo spodaj (točka 15).

Kako daleč je razvoj zelenega vodika?
Med letoma 2000 in 2018 je začelo delovati približno 230 projektov elektrolize s skupno zmogljivostjo približno 100 MW (vir: IEA 2019, The Future of Hydrogen). Leta 2020 je bila svetovna nameščena zmogljivost 200 MW in približno 2400 MW do konca leta 2023. Te številke kažejo, da smo šele na začetku in da moramo razviti popolnoma novo dobavno verigo.
Potrebujemo nova podjetja, nove dobavitelje in nove proizvajalce za razvoj materialov in komponent za večje elektrolizne sisteme naslednje generacije. To je zlata priložnost za nizozemsko visokotehnološko industrijo. Cilj Evropske unije je do leta 2030 namestiti 40 GW zmogljivosti za elektrolizo v Uniji in dodatnih 40 GW v Severni Afriki. Za dosego tega cilja bomo morali pospešiti tako tehnološke inovacije kot dejanske projekte.

Kateri so največji tehnični izzivi, ki jih predstavlja elektroliza?
Kar zadeva elektrolizo vode, so trenutno na voljo štiri tehnologije (AEM, SOE, PEM in Alkaline), vsaka s svojimi posebnimi prednostmi, slabostmi in stopnjo zrelosti. Oglejte si naš video o proizvodnji vodika z elektrolizo (odpre se v novem oknu ali zavihku) (nanaša se na drugo spletno mesto). Za vse štiri tehnologije so trije glavni raziskovalni izzivi:
zmanjšati kapitalske izdatke, povezane s sistemom
za izboljšanje učinkovitosti sistema
premagati ovire za obsežno proizvodnjo, tako da bo do leta 2030 mogoče doseči letno svetovno proizvodno zmogljivost elektrolizerja 30 GW.

Izdelki se prodajajo v vseh regijah Kitajske in izvažajo v države po vsem svetu. Prodane so bile v več kot 20 državah in regijah, vključno z Združenimi državami, Nemčijo, Marokom, Kenijo, Savdsko Arabijo, Vietnamom, Alžirijo, Indijo, Tanzanijo in Tajvanom. Uspešno je zagotovil dobro znana podjetja, kot so China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group in druga znana podjetja. Obstaja veliko postaj za hidrogeniranje zelenega vodika, kot so Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming itd., ki zagotavljajo zelene projekte in projekte za proizvodnjo vodika.