Kako se vodikova energija koristi u proizvodnji električne energije

Proizvodnja električne energije korištenjem vodika odvija se na dva glavna načina: gorivim ćelijama i komornim turbinama prilagođenim za upotrebu vodika. Tehnologija gorivih ćelija stvara električnu energiju elektrohemijskim procesima, a u kombinaciji sa sistemima za povrat toplote može postići efikasnost od oko 60%. Mnoge postojeće komorne turbine koje su prvobitno izgrađene za rad na prirodni plin sada mogu koristiti smjese vodika ili čak čisti vodik, što omogućava operatorima mreže potrebnu fleksibilnost za održavanje stabilne opskrbe električnom energijom. Proizvodnja zelenog vodika podrazumijeva cepanje molekula vode uz pomoć obnovljivih izvora energije, poput vjetra i sunčeve energije, kroz proces koji se naziva elektroliza. Ovaj zeleni vodik se skladišti sve dok ne dođe do pada dostupnosti obnovljive energije, nakon čega se može ponovo pretvoriti u električnu energiju. Uzmimo Njemačku kao primjer, gdje više offshore instalacija već proizvodi zeleni vodik. Ovi projekti uspjeli su smanjiti zavisnost od termoelektrana na ugljen za otprilike 40% u određenim testnim područjima, iako rezultati variraju u zavisnosti od lokalnih uslova i specifičnosti implementacije.

Integracija vodika u postojeće električne mreže

Vodik pomaže da električne mreže postanu čistije, a istovremeno održava njihovu stabilnost. Kada postoji višak obnovljive energije, vodik tu energiju skladišti i kasnije je vraća u mrežu kada potražnja naglo poraste. Uzmimo Dansku kao primjer – njihovi pilot projekti pokazali su da pohranjivanje vodika u solnim šupljinama smanjuje gubitak energije između 15 do čak 20 posto godišnje. Sve više se pojavljuju hibridni sistemi gdje solarne elektrane rade uz opremu za elektrolizu, iako za efikasno funkcionisanje takvih sistema potrebno sofisticirano upravljanje energijom zbog dvosmjernog toka energije kroz sistem. Pogledajte što radi Kalifornija sa svojim projektom Renewable Hydrogen Backbone – oni zapravo koriste vodik kako bi mreža ostala stabilna tokom intenzivnih talasa vrućine koji u posljednje vrijeme znatno remete normalno funkcionisanje.

Studija slučaja: Elektrane na vodik u Njemačkoj i Japanu

Energiepark Mainz u Njemačkoj kombinuje elektrolizer od 6 megavati sa izvorima vjetra kako bi proizveo oko 200 tona vodika svake godine. Ova postrojenja zapravo mogu snabdijevati električnom energijom otprilike 2.000 domaćinstava u slučaju prekida struje, kroz svoj sistem gorivih ćelija od 1,4 MW. Preko Pacifika, Japan je razvio još veći projekat poznat kao Fukushima polje za istraživanje vodikove energije, ili kraće FH2R. Sa kapacitetom od 10 MW, ovo je najveća zelena vodikova postrojba na svijetu. Ona ne samo da pomaže u snabdijevanju dijelova Tokija energijom, već je i istraživači koriste za eksperimente u vezi sa transportom vodika preko okeana. Ono što ovim projektima daje posebnu težinu je njihova impresivna efikasnost od oko 95%. Postižu ovakvu visoku učinkovitost time što prilagođavaju količinu proizvedenog vodika stvarnim potrebama električne mreže u svakom trenutku.

Izazovi u skaliranju vodika za osnovnu proizvodnju energije

Tri glavna prepreke ograničavaju ulogu vodika u osnovnoj proizvodnji energije:

• Cijena : Kapitalni troškovi elektrolizera ostaju otprilike tri puta veći u odnosu na troškove gasnih turbina.
• Gubici efikasnosti : Proces pretvaranja električne energije u vodik i nazad rezultira gubitkom energije od 30–35%.
• Infrastruktura : Manje od 15% svjetskih gasovoda može sigurno prenositi smjese vodika iznad 20%.

Industrijska analiza iz 2021. godine istakla je trajnost gorivih ćelija i krtost cjevovoda kao ključne prioritete istraživanja i razvoja, procjenjujući potrebu za infrastrukturnim unapređenjima u vrijednosti od 1,2 biliona dolara do 2040. godine. Iako vodik dopunjava obnovljive izvore energije, trenutno mu nedostaje ekonomska konkurentnost za široku primjenu u osnovnim mrežama.

Vodik za grejanje: Dekarbonizacija industrijskih i stambenih sistema

Uloga vodikove energije u dekarbonizaciji sistema za grejanje

Otprilike 40 posto svih emisija CO2 iz potrošnje energije širom svijeta potiče od grejanja, prema podacima MEI-a iz prošle godine, zbog čega mnogi stručnjaci smatraju vodik pravom igračkom promjenom za zamjenu fosilnih goriva u industrijskim pećima i kućnim kotlovima. Činjenica da vodik sagorijeva na temperaturama koje dostižu gotovo 2800 stepeni Celzijus čini ga posebno pogodnim za teške industrije poput proizvodnje čelika. Neki testovi sa mikrosistemima toplotne i električne energije na bazi gorivih ćelija također su pokazali impresivne rezultate, dosežući efikasnost od oko 90 posto kada se koriste za sisteme daljinskog grejanja. Zanimljivo je da vodik zapravo prilično dobro funkcioniše u otprilike 20 posto postojećih gasovoda bez ikakvih izmjena infrastrukture, što bi moglo znatno ubrzati prihvatanje ove tehnologije u različitim sektorima.

Miješanje vodika sa prirodnim plinom u cjevovodima

Miješanje vodika u postojeće gasne mreže nudi prelazni put:

Europska ispitivanja pokazuju da mješavine od 20% mogu smanjiti emisije za 6 miliona tona godišnje, uz očuvanje sigurnog rada. Međutim, zbog niže zapreminske gustine energije vodika, protok mora povećati za 15–25% pri višim nivoima mješavine.

Pilot projekti u Ujedinjenom Kraljevstvu i Nizozemskoj koji koriste vodik za grejanje domova

Program HyDeploy u Ujedinjenom Kraljevstvu uspio je pomiješati vodik u plinsku mrežu za oko 300 domaćinstava sa sadržajem od približno 20%, a većina ljudi je bila zadovoljna - otprilike 8 od 10 učesnika izjavilo je da su zadovoljni. U Nizozemskoj stvari su postale još zanimljivije eksperimentom H2Stad, gdje su prebacili čak 1.500 domaćinstava potpuno na kotlove napajane vodikom. Rezultati su također bili impresivni jer su time smanjili emisije vezane za grejanje za skoro 90% u poređenju sa uobičajenim sistemima na prirodni plin. Iako ovi testni programi pokazuju da vodik može funkcionisati na većoj skali, postoje i neke zabrinutosti koje treba istaci. Testovi materijala ukazuju da ako cjevovodi stalno prenose čisti vodik, njihov koristan vijek trajanja može biti skraćen između 12% i možda 18%. Nije to dobra vijest, ali ipak upravljivo uz odgovarajuće planiranje.

Zabrinutosti vezane za efikasnost i sigurnost kod grejanja na bazi vodika

Vodonični kotlovi rade sa učinosti od oko 85 do 90 posto, što je zapravo nešto niže u odnosu na prirodni plin koji ima učinost od oko 94%. Ono što je karakteristično za vodik je da se mnogo lakše pali, budući mu je potrebno samo 0,02 mJ u odnosu na metanovih 0,3 mJ. To znači da su nam potrebni vrlo dobri sistemi za otkrivanje curenja koji mogu detektovati čak i male količine, možda i koncentraciju nisku kao 1%. Prema nekim nedavnim istraživanjima DNV-a iz 2023. godine, vodik teži prodiranju kroz polietilenske cijevi oko 30 puta brže nego obični plin. Zbog ovog problema, većini starijih mreža cijevi će vjerojatno trebati dodati posebne kompozitne obloge tokom vremena. Također ne smijemo zaboraviti ni na odgovarajuće provjetravanje. Kada se zgrade pravilno rekonstruiraju, sama ta mjera može smanjiti opasnost od eksplozije skoro za 92%.

Vodik u prometu: Od gorivnih ćelija do avio-prometa

Vozila na vodonične gorivne ćelije kao čista alternativa u prometu

Vozila s gorivnim člancima rade tako što proizvode energiju kroz hemijske reakcije unutar ćelije, a u suštini ispuštaju samo vodenu paru kao izduvne gasove. Velika prednost je što punjenje traje manje od pet minuta, a ova vozila mogu preći više od 500 kilometara prije nego što im treba nova dopuna. Za stvari poput dalekobojnih kamiona i teretnih brodova, ovo ih čini boljim od običnih baterija jer pakuju više energije u manje prostora, bez velikih žrtava korisnog prostora za teret. Kompanije kao što su Toyota i Hyundai su u posljednje vrijeme počele ozbiljno ulaži u vodoničnu tehnologiju za svoje veće transportne potrebe.

Uvođenje vodoničnih autobusa i kamiona u Kaliforniji i Južnoj Koreji

Projekat H2 Frontier u Kaliforniji rasporedio je više od 50 vodoničnih autobusa na 12 saobraćajnih područja od 2023. godine, smanjujući emisije za 1.200 tona godišnje. U Južnoj Koreji, luka Ulsan koristi 120 kamiona s gorivnim ćelijama za transport kontejnera, uz pomoć elektrolizera koji se napajaju energijom s obližnjih offshore vjetroelektrana.

Vodikom pogonjene željeznice u Njemačkoj i Francuskoj

Njemački vozovi Coradia iLint prešli su 220.000 kilometara bez emisije u 2023. godini. Francuska linija TER Occitanie zamijenila je 15 dizelskih jedinica vodikovim hibridnim vozovima, koji koriste gorivne ćelije postavljene na krovu kako bi povećali domet na neelektrificiranim prugama.

Novonastale primjene u pomorskom i avio sektoru

Pomorski operateri koriste amonijak izveden iz vodika za pogon četiri teretna broda u Sjevernom moru, smanjujući emisiju CO2 za 85% u poređenju sa teškim gorivom. U avio saobraćaju, regionalni avioni bez emisije koji koriste tečni vodik u procesu sagorijevanja očekuje se da stupaju u službu do 2035. godine, pri čemu trenutni prototipovi već obavljaju probne letove na rastojanju od 750 km.

Izazovi infrastrukture za mreže napajanja vodikom

Globalno postoji manje od 1.000 stanica za punjenje vodikom, od kojih je 42% u Evropi, a 38% u Aziji. Skladištenje pod visokim pritiskom i dalje je skupo — 1.800 USD po kg-u 2024. godine — a krhkost materijala cjevovoda predstavlja izazov za distribuciju u velikim razmjerama.

Proizvodnja zelene vodike: Unapređenje održivih metoda

Siva, plava i zelena vodik: Ekološki i ekonomski kompromisi

Postoji prilično nekoliko različitih načina proizvodnje vodika, a svi oni imaju svoje posledice po životnu sredinu i cijene. Sivi vodik nastaje iz reforminga metana pare (SMR) i emituje između 9 i 12 kilograma CO2 za svaki kilogram proizvedenog vodika. Cijena? Otprilike od 1,50 do 2,80 dolara po kilogramu prema Međunarodnoj energetskoj agenciji iz 2023. godine. Zatim postoji plavi vodik koji u osnovi koristi isti SMR proces, ali dodaje tehnologiju hvatanja ugljičnog dioksida. Ovo smanjuje emisije za oko 80 do 90 posto, iako povećava cijenu na otprilike od 2,50 do 4 dolara po kilogramu. I konačno, tu je zeleni vodik, koji se proizvodi kada električna energija iz obnovljivih izvora pogoni opremu za elektrolizu. Ova metoda ne emituje direktno nikakve emisije i trenutno košta između 3 i 5 dolara po kilogramu. To je zapravo znatno niže u odnosu na ranije prije par godina kada su cijene bile između 4 i 6 dolara po kilogramu.

Napredak u elektrolizi povećava proizvodnju zelene vodikove energije

Elektrolizeri s protonskom izmjenom membrane (PEM) sada dosežu učinkovitost od 75–83%, u odnosu na 60% 2010. godine. Alkalni sistemi rade s učinkovitošću od 65–70% i imaju vijek trajanja veći od 60.000 sati. Elektrolizeri sa čvrstim oksidima (SOEC), koji rade na temperaturama od 700–900°C, postigli su učinkovitost od 85% u ispitivanjima, što pokazuje potencijal za proizvodnju zelenog vodika u industrijskoj razmeri (ScienceDirect 2024).

Trendovi cijena i skalabilnost proizvodnje vodika uz pomoć obnovljivih izvora energije

Cijena proizvodnje vodika putem elektrolize pokretane solarne energije drastično je opala, smanjivši se oko 62% od 2015. godine. Trenutno uočavamo cijene između 3 i 4,50 dolara po kilogramu u 2024. godini. Na jugu Australije, vjetrenjače godišnje proizvode više od 1.000 tona zelenog vodika po cijeni od oko 3,80 dolara po kg. U međuvremenu, u Kini, velikokapacitetne instalacije elektrolizera svake godine čine proizvodnju jeftinijom, smanjujući troškove otprilike 18% godišnje. Napredno, BloombergNEF predviđa da bi cijena zelenog vodika mogla dosegnuti svega 1,50 dolara po kg do 2030. godine. To bi se desilo kako se obnovljivi izvori energije nastavljaju brzo širiti, a očekuje se da će činiti skoro 85% svih novih kapaciteta za proizvodnju električne energije širom svijeta.

Često se postavljaju pitanja

Koje su glavne metode proizvodnje električne energije korištenjem vodika? Glavne metode su putem gorivnih ćelija i kompresionih turbina prilagođenih za vodik.
Kako vodik doprinosi stabilnosti električne mreže? Vodik skladišti višak obnovljive energije, a zatim je otpušta tijekom vrhunskih potražnji kako bi osigurao stabilnost mreže.
Koji su trenutni izazovi u korištenju vodika za osnovnu proizvodnju energije? Visoki troškovi, gubici učinkovitosti tijekom pretvorbe energije i ograničenja infrastrukture su glavni izazovi.
Kako se vodik koristi u sustavima grijanja? Vodik može zamijeniti fosilna goriva u industrijskim i stambenim sustavima grijanja, nudeći održivu alternativu.
Koja su postignuća ostvarena u proizvodnji zelene vodikove energije? Razvoj tehnologije elektrolize i velikih instalacija znatno je smanjio troškove i povećao učinkovitost.