Održivi vodik kao čisti energetski nosilac

Proizvodnja zelenog vodika kroz integraciju obnovljivih izvora energije

Zeleni vodik se proizvodi kada višak obnovljive električne energije, uglavnom iz vjetroelektrana i solarnih panela, pokreće proces koji se zove elektroliza. Ovaj proces u suštini razdvaja molekule vode na vodik i kisik bez direktnog ispuštanja ugljičnih emisija tokom samog procesa. U poređenju s tradicionalnim metodama koje koriste fosilna goriva, ovaj pristup znatno smanjuje emisiju ugljen-dioksida – za oko 9 do 12 kilograma po kilogramu vodika proizvedenog konvencionalnim putem. Ono što čini zeleni vodik toliko obećavajućim kao rješenjem za čistu energiju je njegova sposobnost da najbolje funkcioniše u periodima kada je dostupno mnogo obnovljive energije. Kada elektrolizeri rade na svom maksimumu tijekom ovih perioda, efikasnije koriste resurse i zapravo pomažu u smanjenju opterećenja električne mreže umjesto da ga povećavaju.

Ekološke prednosti i potencijal smanjenja emisija ugljenika

Prelazak na zeleni vodik može smanjiti oko 830 miliona tona emisija CO2 svake godine u teškoj industriji do sredine 2030-ih, prema izvještaju Međunarodne agencije za energiju iz prošle godine. Razlog? Kada se sagori, proizvodi isključivo vodenu paru, čime postaje važno sredstvo za smanjenje ugljičnog otiska u industrijama poput proizvodnje čelika, hemijske industrije i brodskih operacija. Ako uspijemo ostvariti široku primjenu ove tehnologije, industrijska područja bi mogla zabilježiti smanjenje štetnih emisija dušikovih oksida za približno 45 posto. Takva poboljšanja doprinijela bi ispunjavanju klimatskih ciljeva, istovremeno unapređujući kvalitet vazduha za ljude koji žive u blizini ovih objekata.

Emisije tokom životnog ciklusa i kriteriji održivosti za proizvodnju vodika

Ekološki otisak vodika u velikoj mjeri zavisi od načina na koji se proizvodi. Studije koje analiziraju cjelokupni životni ciklus pokazuju da sivi vodik, proizveden reformingom prirodnog plina, emituje otprilike deset puta više ugljičnog dioksida u odnosu na svog zelenog suparnika. Evropska unija je razvila certifikacijske standarde pod nazivom RFNBO kako bi potvrdila autentičnu proizvodnju zelenog vodika. Ova pravila ne provjeravaju samo korištenje obnovljivih izvora energije, već zapravo prate vrijeme i mjesto proizvodnje električne energije u odnosu na trenutak kada se odvijala elektroliza. Kompanije moraju pažljivo pratiti ova uputstva. U suprotnom, možemo završiti sa inicijativama za vodik koji izgleda čisto na papiru, ali u stvarnosti i dalje podržava našu zavisnost od fosilnih goriva. Ovakva vrsta 'greenwashingu' može oslabiti stvarni napredak ka održivim energetskim rješenjima.

Uloga zelenog vodika u podršci kružnim energetskim sistemima

Zelena vodika ima važnu ulogu u poboljšanju kružnih energetskih sistema. Kada postoji višak električne energije iz obnovljivih izvora poput vjetra ili sunca, ona se pretvara u gorivo koje se može skladištiti i kasnije koristiti u različitim industrijama, čak i za povratnu proizvodnju energije. Neki napredni pogoni sada miješaju uhvaćeni CO2 iz bioloških izvora sa zelenom vodikom kako bi proizveli tzv. e-metanol, što znači da spriječavaju otpuštanje ugljičnog dioksida u atmosferu. Mogućnost dvosmjerne konverzije je izuzetno korisna za uravnoteženje elektroenergetskih mreža s velikim brojem solarnih panela i vjetrenjača. Osim toga, ovaj proces proizvodi čiste materijale potrebne za proizvodnju đubriva i čelika bez uobičajenih emisija ugljenika povezanih s tim procesima.

Dekarbonizacija teško dostižnih sektora uz pomoć zelene vodike

Primjena u proizvodnji čelika, hemijskoj industriji i teškoj industriji

Zeleni vodik nudi način smanjenja emisije ugljičnog dioksida u industrijskim sektorima gdje prelazak na električnu energiju jednostavno nije izvodljiv. Uzmimo primjer proizvodnje čelika, koja otpada za otprilike 7 posto svih CO2 emisija širom svijeta. Zamjenom uglja zelenim vodikom tokom procesa redukcije željezne rude, fabrike mogu smanjiti svoje emisije za skoro 98%. Projekat H2 Green Steel u Švedskoj pokazao je da ovo funkcioniše u praksi još od 2024. godine. Kod proizvodnje amonijaka, prelazak na vodik koji se proizvodi elektrolizom smanjuje emisije za oko 40 posto. Proizvođači cementa također pronalaze korist, jer miješanje vodika u gorivo smanjuje potrebnu količinu toplote i količinu prašine koja nastaje. Ono što vodik ističe je njegova sposobnost upravljanja ekstremnim temperaturama i hemijskim reakcijama koje su neophodne u ovim teško izvodljivim sektorima, koje je inače teško očistiti.

Intersektorska integracija u industriji i saobraćaju

Vodik na zanimljiv način povezuje različite dijelove našeg energetskog svijeta. On pogoni velike mašine, vozi duge kamione koje vidimo na autoputevima i pomaže u održavanju stabilnosti električnih mreža kada se potražnja mijenja. Kada imamo višak zelene energije iz solarnih ili vjetrovnih izvora, možemo je pretvoriti u vodik putem procesa koji se naziva elektroliza. Zatim se taj vodik koristi na mjestima poput hemijskih postrojenja kojima je potrebna jaka toplota, ili čak u posebnim vozovima koji rade na gorivnim ćelijama umjesto dizela. Ključna prednost? Jedan jedini vodikov vod nije koristan samo za jednu stvar. Prema nekim nedavnim istraživanjima iz 2023. godine, ti vodovi bi mogli zadovoljiti otprilike trećinu industrijskih potreba za grejanjem u određenoj oblasti, istovremeno služeći kao rješenje za skladištenje tokom perioda kada vjetrenjače ne proizvode dovoljno energije. Takva dvostruka funkcija čini cijeli sistem znatno efikasnijim nego što bi bilo graditi odvojenu infrastrukturu za svaku pojedinačnu namjenu.

Studija slučaja: Zeleni vodik u proizvodnji čelika i hemikalija

U Njemačkoj, jedna industrijska zona je uspjela smanjiti emisije izvora 1 za skoro dvije trećine samo tokom 18 mjeseci. To su postigli prelaskom sa prirodnog plina na zeleni vodik za procese poput žarenja čelika i proizvodnje metanola. Ono što ovo čini još impresivnijim je to što se čitava operacija napaja energijom od 140 megavata offshore vjetrenjača. Kao rezultat, oni mogu proizvesti oko 9.500 tona vodika svake godine. Samo ta količina je dovoljna za proizvodnju približno pola miliona tona čelika sa znatno nižim sadržajem ugljika. Gledajući kako stvari funkcionišu u međusektorskom okruženju, ova inicijativa ističe se kao odličan primjer dijeljenja resursa. Skoro sav višak kiseonika i otplovna toplota ponovo se vraća u sistem negdje drugdje, pri čemu se otprilike 92% ponovo koristi na neki način unutar klastera.

Cirkularnost u lancu vrijednosti tehnologije vodika

Recikliranje ključnih materijala: metali platinske grupe u gorivim ćelijama i elektrolizerima

Tehnologija membrane za razmjenu protona u velikoj mjeri zavisi od metala platinske grupe, poput platine i iridija. Ovi dragi metali predstavljaju stvarne probleme za lance snabdijevanja jer su njihove rezerve ograničene, a procesi vađenja uzrokuju značajnu štetu za okolinu. S druge strane, kada pogledamo gorive ćelije i jedinice za elektrolizu na kraju svog vijeka trajanja, većina ovih vrijednih metala se zapravo može povratiti putem reciklaže. Prema nedavnim podacima Instituta za cirkularne materijale iz 2023. godine, stopa povraćaja prelazi 90%, čime se smanjuje naša zavisnost od vađenja sirovih materijala iz rudnika. Još bolje je to što su kompanije koje rade zajedno u zatvorenim sistemima s reciklerima uspjele smanjiti emisije tokom životnih ciklusa proizvoda negdje između četrdeset i šezdeset posto u poređenju sa tradicionalnim metodama koje se oslanjaju isključivo na potpuno nove sirovine.

Dizajn za ponovnu upotrebu i oporavak na kraju životnog vijeka u sistemima sa vodikom

Današnji sistemi sa vodikom prelaze na modularne postavke koje zapravo pomažu u produženju vijeka trajanja opreme tako što omogućavaju popravku dijelova ili njihovu novu upotrebu. Uzmimo elektrolizere, na primjer, koji se često rastavljaju i ponovo koriste u manjim operacijama. U međuvremenu, bipolarni pločici se obično mogu obnoviti kroz neku vrstu elektrohemijskog poliranja. Postoji takođe standard ISO 22734 iz 2023. godine koji pravi veliki utisak u industriji. On osnovno omogućava različitim komponentama da rade zajedno kroz različite generacije infrastrukture, tako da stariji dijelovi ne postanu zastarjeli kada dođe nova tehnologija. Ovo je važno jer proizvođači žele da njihova ulaganja duže traju, bez potrebe da svake dvije-tri godine potpuno zamijene sve.

Ravnoteža između uticaja rudarstva PGM-a, stopa reciklaže i kružnih inovacija

Recikliranje pomaže u smanjenju potrebe za novim PGM-ovima, ali ne možemo zanemariti činjenicu da rudarstvo i dalje čini oko 8 do 12 posto ugljičnog otiska u tehnologiji vodika. Međunarodna agencija za energiju predviđa da bi proizvodnja gorivnih ćelija mogla porasti triput do 2030. godine, pa je stoga proširenje naših kapaciteta za recikliranje postalo prilično kritično. Pojavljuju se i neke zanimljive alternative. Vidimo stvari poput katalizatora napravljenih od rutenija i sistema elektrolize koji uopće ne zahtijevaju dragocene metale. Ovi razvoji znače manju zavisnost od rijetkih resursa i približavaju nas ciljevima krugovne ekonomije o kojima svi stalno pričaju.

Snaga-na-plin i spajanje sektora za integrirane energetske sisteme

Tehnologije pretvaranja električne energije u plin (P2G) transformišu održive energetske sisteme omogućavajući integraciju između sektora i fleksibilnost mreže kroz elektrolizu i skladištenje zasnovano na vodiku. Ova rješenja povezuju viškove obnovljive električne energije s industrijskim potrebama za energijom, istovremeno unapređujući principe cirkularne ekonomije.

Elektroliza i metanizacija: Tehnologije pretvaranja električne energije u plin koje omogućavaju fleksibilnost

Proces elektrolize koristi obnovljivu električnu energiju kako bi razdvojio molekule vode na vodik i kisik. U međuvremenu, metanizacija funkcioniše drugačije tako što kombinuje vodik sa ugljičnim dioksidom uhvaćenim na nekom drugom mjestu, stvarajući sintetsko gorivo u obliku metana. Ove tehnologije postaju posebno zanimljive kada se pogone pomoću solarnih panela ili vjetrenjača, jer tada dobijamo goriva koja ne ispuštaju dodatni ugljenik u atmosferu. One posebno dobro funkcioniraju za industrije poput avijacije, gdje potpuno prebacivanje na električnu energiju još uvijek nije praktično. Gledajući trenutne brojke, moderni sistemi elektrolizera sada imaju efikasnost od oko 75 do 80 posto. To predstavlja skok od otprilike 15 procentnih poena u odnosu na mogućnosti iz 2020. godine, što pomaže da ove tehnologije priđu bliže komercijalnoj isplativosti kao opcija za poslovne subjekte koji žele smanjiti emisije.

Skladištenje energije zasnovano na vodiku i uravnoteženje mreže

Vodik ima energetsku gustinu od oko 33,3 kWh po kilogramu, što ga čini prilično dobrim za skladištenje dodatne obnovljive energije kada potražnja opadne. Kada se vjetrenjače povežu s otprilike 5 gigavata elektrolizera, one smanjuju otpadnu energiju za otprilike 34 posto svake godine u mrežama u kojima dominiraju obnovljivi izvori, kako je pokazano u istraživanju iz prošle godine. Što praktično znači da kompanije za snabdijevanje električnom energijom mogu bolje upravljati tim naglim fluktuacijama u snabdijevanju, kao i održavati protok struje čak i tokom dana dugih perioda lošeg vremena bez prekida.

Povezivanje sektora: Integracija mreža za struju, industriju i plin

P2G unapređuje simbiotske odnose između sektora: elektroenergetski sistemi snabdijevaju vodikom pogone za proizvodnju đubriva, dok otplinsko toplota iz industrije podržava daljinsko grejanje. Integrirani modeli pokazuju da ove konfiguracije smanjuju gubitke primarne energije za 28–32% u poređenju sa izolovanim sistemima. Hibridne mreže struje i plina također povećavaju otpornost, imajući za 40% manje sati prekida napajanja tokom ekstremnih vremenskih prilika.

Biomasa i putanje pretvaranja otpada u vodik u okviru cirkularnih ugljičnih modela

Pretvaranje biomase i organskog otpada u održivi vodik

Poljoprivredni ostatci, ostaci hrane i čak mulj iz kanalizacije dobijaju novi život kroz procese gasifikacije i anaerobne digestije koji ih pretvaraju u vodikovo gorivo. Samo u Evropi, ove tehnologije bi mogle obraditi oko 60 miliona tona organskog otpada svake godine, pretvarajući smeće u nešto vrijedno umjesto da stoji na deponijama. Nedavna poboljšanja metoda hidrotermalne obrade znače da postižemo bolje rezultate pri radu s vlažnim biomaterijalima, tako da se sada one vlažne tokove otpada koje je ranije bilo problematično obraditi mogu efikasno procesuirati. Dodatni benefit je i zaštita okoline, jer ovaj postupak sprječava ispuštanje metana dok se otpad prirodno razlaže tokom vremena, što ima smisla za sve one koji su zabrinuti zbog uticaja na klimatske promjene.

Integracija vodika u okvir za cirkularnu ekonomiju ugljika

Vodik proizveden od otpada povezuje prirodne ugljične cikluse s naporima za smanjenje industrijskih emisija. Kombinovanje ovog pristupa sa tehnologijom hvatanja ugljičnog dioksida zapravo rezultira uklanjanjem više ugljičnog dioksida iz atmosfere nego što se njega oslobodi. Uzmimo primjer sa deponijama. Pretvaranje njihovih emisija metana u upotrebljiv vodik, istovremeno sa zatvaranjem CO2, stvara ono što se naziva zatvorenim sistemom ugljičnog ciklusa. Ove vrste postrojenja posebno su korisna za industrije poput proizvodnje cementa, gdje zamjenjuju tradicionalna goriva u pećima. Osim toga, uhvaćeni CO2 ne čuva se pasivno negdje; umjesto toga koristi se za uzgoj algi koje proizvode biogoriva, a ne da samo leži neiskorišten. Ovo drži ugljične molekule aktivno uključene u našoj ekonomiji, umjesto da se akumuliraju kao zagađenje.

Uporedna održivost: Vodik iz otpada naspram zelenog vodika

Vodik iz otpada pruža odmah uočive beneficije u smanjenju emisija korištenjem otpada, dok zeleni vodik nudi dugoročno, skalabilno rješenje koje koristi obnovljivu energiju.

Često postavljana pitanja o održivom vodiku

Šta je zeleni vodik i kako se proizvodi?

Zeleni vodik se proizvodi elektrolizom koja koristi obnovljivu energiju, poput vjetra ili sunčeve energije. Ovaj proces razdvaja molekule vode na vodik i kiseonik bez ikakvih direktnih emisija ugljičnog dioksida.

Kako zeleni vodik smanjuje emisije ugljičnog dioksida?

Zeleni vodik omogućava industrijama da znatno smanje emisije CO2 zamjenom fosilnih goriva vodikom, koji pri sagorijevanju ispušta samo vodenu paru.

Koji su izazovi kod korištenja zelenog vodika?

Izazovi uključuju potrebu za novom infrastrukturom za obnovljivu energiju, certifikacijske standarde kako bi se osigurala stvarno 'zelena' proizvodnja, te upravljanje lancima snabdijevanja dragocjenim metalima koji se koriste u tehnologiji vodika.

Može li vodik zaista biti održiv na dugoročni način?

Da, pogotovo ako se kombinuje sa reciklažom i naporima kružne ekonomije kako bi se smanjila upotreba sirovih materijala i osigurala održivost životnog ciklusa komponenti tehnologije vodika.