Kako se hidrogenska energija koristi u proizvodnji električne energije

Proizvodnja električne energije korištenjem vodika odvija se na dva glavna načina: gorivim ćelijama i kombustijskim turbinama prilagođenima za uporabu vodika. Tehnologija gorivih ćelija stvara električnu energiju elektrokemijskim procesima, a uz sustave povrata topline može postići učinkovitost od oko 60%. Mnoge postojeće kombustijske turbine koje su prvotno izgrađene za rad s prirodnim plinom sada mogu koristiti smjese vodika ili čak čisti vodik, što omogućuje operatorima mreže potrebnu fleksibilnost za održavanje stabilne opskrbe električnom energijom. Proizvodnja zelenog vodika uključuje cijepanje molekula vode pomoću obnovljivih izvora energije poput vjetra i sunčeve energije kroz proces koji se naziva elektroliza. Taj zeleni vodik pohranjuje se sve dok ne dođe do pada dostupnosti obnovljive energije, nakon čega se može ponovno pretvoriti u električnu energiju. Uzmimo Njemačku kao primjer, gdje već nekoliko offshore vjetroelektrana proizvodi zeleni vodik. Ti projekti uspjeli su smanjiti ovisnost o termoelektranama na ugljenju za otprilike 40% u određenim testnim područjima, iako rezultati variraju ovisno o lokalnim uvjetima i specifičnostima provedbe.

Integracija vodika u postojeće električne mreže

Vodik pomaže u očuvanju čistijih električnih mreža, istovremeno održavajući njihovu stabilnost. Kada postoji višak obnovljive energije, vodik tu energiju pohranjuje i kasnije je otpušta kada potražnja naglo poraste. Uzmimo primjer Danske – njihovi pokusni projekti pokazali su da pohrana vodika u solnim špiljama smanjuje gubitak energije za između 15 i čak 20 posto godišnje. Sve češće se pojavljuju hibridne instalacije u kojima solarne elektrane rade uz opremu za elektrolizu, iako za učinkovito funkcioniranje takvih sustava potrebno prilično sofisticirano upravljanje energijom zbog dvosmjernog toka energije kroz sustav. Pogledajte što radi Kalifornija s projektom Renewable Hydrogen Backbone – oni zapravo koriste vodik kako bi mreža ostala stabilna tijekom jakih valova vrućine koji u posljednje vrijeme znatno remete normalno funkcioniranje.

Studija slučaja: Elektrane na vodik u Njemačkoj i Japanu

Energiepark Mainz u Njemačkoj kombinira 6 megavata elektrolizera s izvorima vjetrenje energije kako bi proizveo oko 200 tona vodika godišnje. Ova postrojba može zapravo opskrbljivati električnom energijom otprilike 2.000 domaćinstava tijekom prekida struje putem svog 1,4 MW sustava gorivih ćelija. Preko Pacifika, Japan je razvio još veći projekat pod nazivom Fukushima polje za istraživanje vodikove energije, kraće FH2R. S kapacitetom od 10 MW, ovo je najveća zelena vodikova postrojba na svijetu. Ne samo da pomaže u snabdijevanju dijelova Tokija energijom, već istraživači to koriste i za eksperimente s brodskim prijevozom vodika preko oceana. Ono što ovaj projekat ističe je njegova impresivna učinkovitost od oko 95%. Postižu ovu visoku učinkovitost prilagođavanjem količine proizvedenog vodika stvarnim potrebama električne mreže u svakom trenutku.

Izazovi u proširivanju upotrebe vodika za osnovnu proizvodnju energije

Tri glavna prepreke ograničavaju ulogu vodika u osnovnoj proizvodnji energije:

• Trošak : Troškovi kapitala za elektrolizere ostaju otprilike tri puta veći nego kod plinskih turbina.
• Gubici učinkovitosti : Proces pretvaranja električne energije u vodik i nazad rezultira gubitkom energije od 30–35%.
• Infrastruktura : Manje od 15% svjetskih plinskih cjevovoda može sigurno prenositi smjese vodika iznad 20%.

Industrijska analiza iz 2021. istaknula je izdržljivost gorivnih ćelija i krtost cjevovoda kao ključne prioritete istraživanja i razvoja, procjenjujući potrebu za infrastrukturnim unapređenjima od 1,2 bilijuna USD do 2040. godine. Iako vodik dopunjuje obnovljive izvore energije, trenutačno mu nedostaje ekonomska isplativost za široku primjenu u osnovnim sustavima napajanja.

Vodik za grijanje: dekarbonizacija industrijskih i stambenih sustava

Uloga vodikove energije u dekarbonizaciji sustava grijanja

Otprilike 40 posto svih emisija CO2 iz potrošnje energije na globalnoj razini potječe od grijanja, prema podacima MEA iz prošle godine, zbog čega mnogi stručnjaci vodik smatraju pravim prekretnicom u zamjeni fosilnih goriva u industrijskim pećima i kotlovima za domaćinstva. Činjenica da vodik sagorijeva na temperaturama koje dosežu gotovo 2800 stupnjeva Celzijevih čini ga osobito prikladnim za teške industrije poput proizvodnje čelika. Neki testovi s mikrosustavima kombinirane proizvodnje topline i snage na bazi gorivih ćelija također su pokazali impresivne rezultate, postižući učinkovitost od oko 90 posto kada se koriste za mreže daljinskog grijanja. Zanimljivo je da vodik zapravo prilično dobro funkcionira u otprilike 20 posto trenutačnih plinskih cjevovoda bez ikakvih izmjena infrastrukture, što bi moglo znatno ubrzati uvođenje ove tehnologije u različitim sektorima.

Miješanje vodika s prirodnim plinom u cjevovodima

Miješanje vodika u postojeće plinske mreže nudi prijelazni put:

Europska ispitivanja pokazuju da mješavine od 20% mogu smanjiti emisije za 6 milijuna tona godišnje, uz očuvanje sigurnog rada. Međutim, zbog niže volumno energijske gustoće vodika, protok mora povećati za 15–25% kod viših razina mješavine.

Pilot projekti u Ujedinjenom Kraljevstvu i Nizozemskoj koji koriste vodik za grijanje kuća

Program HyDeploy u Ujedinjenom Kraljevstvu uspio je pomiješati vodik u plinski sustav za oko 300 kuća s udjelom od otprilike 20%, a većina ljudi je bila zadovoljna – otprilike 8 od 10 sudionika izjavilo je da su zadovoljni. U Nizozemskoj su stvari postale još zanimljivije s eksperimentom H2Stad, gdje su zapravo potpuno prebacili 1.500 kuća na kotlove napajane vodikom. Rezultati su također bili impresivni jer su time smanjili emisije povezane s grijanjem za skoro 90% u usporedbi s uobičajenim sustavima prirodnog plina. Iako ovi pokusni programi pokazuju da vodik može funkcionirati u većem obujmu, postoje i neke zabrinjavajuće strane koje vrijedi istaknuti. Testovi materijala sugeriraju da ako cjevovodi stalno vode čisti vodik, njihov koristan vijek trajanja može skratiti između 12% i možda 18%. Nisu to sjajne vijesti, ali ipak upravljivo uz odgovarajuće planiranje.

Zabrinutost zbog učinkovitosti i sigurnosti kod grijanja temeljenog na vodiku

Vodikove kotlovnice rade s učinkovitošću od oko 85 do 90 posto, što je zapravo nešto niže u odnosu na prirodni plin koji ima učinkovitost od oko 94%. Ono što je karakteristično za vodik jest da se lakše pali, budući mu je potrebno samo 0,02 mJ u usporedbi s metanom koji zahtijeva 0,3 mJ. To znači da su nam potrebni vrlo dobri sustavi za otkrivanje curenja koji mogu detektirati čak i najmanje količine, možda one koncentracije niske kao 1%. Prema nekim nedavnim istraživanjima DNV-a iz 2023., vodik prolazi kroz polietilenske cijevi otprilike 30 puta brže nego obični plin. Zbog ovog problema, većina starijih cjevovodnih mreža vjerojatno će morati dodatno ugraditi posebne kompozitne obloge. Također ne smijemo zaboraviti ni na odgovarajuće ventilacije. Kada se zgrade pravilno prenamjene, sama ta mjera može smanjiti opasnost od eksplozije skoro za 92%.

Vodik u prometu: Od gorivnih ćelija do zrakoplovstva

Vozila na vodikove gorivne ćelije kao čista alternativa u prometu

Vozila s gorivnim člankom rade tako što stvaraju energiju kemijskim reakcijama unutar ćelije, a u osnovi ispuštaju samo vodenu paru kao ispuh. Velika prednost je što se punjenje obavlja za manje od pet minuta, a ova vozila mogu prijeći više od 500 kilometara prije nego što im treba nova dopuna. Za stvari poput dugačkih kamiona i teretnih brodova, to ih čini boljima od redovnih baterija jer pakiraju više energije u manje prostora, bez prevelikog gubitka prostora za teret. Tvrtke poput Toyote i Hyundaia u posljednje vrijeme počele su ulažuši stvarna sredstva u vodikovu tehnologiju za svoje veće transportne potrebe.

Uvođenje vodikovih autobusa i kamiona u Kaliforniji i Južnoj Koreji

Kalifornijski projekt H2 Frontier od 2023. godine rasporedio je više od 50 vodikom pogonjenih autobusa na 12 prijevoznih područja, smanjujući emisije za 1.200 tona godišnje. U Južnoj Koreji, vodikova luka Ulsan upravlja 120 kamiona s gorivnim člancima za prijevoz kontejnera, uz podršku elektrolizera napajanih offshore vjetrom iz blizine.

Vodikom pogonjeni vlakovi u Njemačkoj i Francuskoj

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

Razvijajuće primjene u pomorskom i zračnom prometu

Pomorski operateri koriste amonijak izveden iz vodika za pogon četiri teretna broda u Sjevernom moru, smanjujući emisiju CO2 za 85% u usporedbi s teškim loživim uljem. U zračnom prometu se očekuje da će letjelice za regionalne letove bez emisije, koje koriste tekući vodik kao gorivo, stupiti u službu do 2035. godine, dok trenutni prototipovi već obavljaju probne letove na udaljenosti od 750 km.

Izazovi infrastrukture za mreže napajanja vodikom

Globalno postoji manje od 1.000 stanica za punjenje vodikom, od kojih je 42% u Europi, a 38% u Aziji. Skladištenje pod visokim tlakom i dalje je skupo — 1.800 USD po kg-u 2024. godine — a krtost materijala cjevovoda stvara izazove za distribuciju u velikim razmjerima.

Proizvodnja zelene vodik: Unapređenje održivih metoda

Sivi naspram plavog naspram zelenog vodika: Okolišni i ekonomski kompromisi

Postoji prilično nekoliko različitih načina proizvodnje vodika, a svi oni imaju svoje posljedice po okoliš i cijene. Sivi vodik dobiva se iz reforminga metana parom (SMR) i emitira između 9 i 12 kilograma CO2 po kilogramu proizvedenog vodika. A cijena? Otprilike od 1,50 do 2,80 USD 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. To smanjuje emisije za oko 80 do 90 posto, iako time postaje skuplji, otprilike od 2,50 do 4 USD po kilogramu. I konačno, zeleni vodik nastaje kada električna energija iz obnovljivih izvora pokreće opremu za elektrolizu. Ova metoda ne emitira izravne emisije i trenutačno košta između 3 i 5 USD po kilogramu. To je zapravo znatno niže u odnosu na prije samo par godina kada su cijene bile između 4 i 6 USD po kilogramu.

Napretci u elektrolizi povećavaju proizvodnju energije iz zelene vodike

Elektrolizeri s protonskom izmjenom membrane (PEM) sada dosežu učinkovitost od 75–83%, u odnosu na 60% 2010. godine. Alkalni sustavi rade s učinkovitošću od 65–70% i vremenom trajanja preko 60.000 sati. Elektrolizeri s krutim oksidom (SOEC), koji rade na temperaturama od 700–900°C, postigli su učinkovitost od 85% u ispitivanjima, što pokazuje potencijal za proizvodnju zelene vodike u industrijskom mjerilu (ScienceDirect 2024).

Trendovi cijena i skalabilnost proizvodnje vodika uz pomoć obnovljivih izvora energije

Trošak proizvodnje vodika putem elektrolize pokretane suncem snažno je opao, otprilike 62% od 2015. godine. Trenutno uočavamo cijene između 3 i 4,50 USD po kilogramu u 2024. godini. Dolje u Australiji, vjetrenjače godišnje proizvode više od 1.000 tona zelenog vodika po cijeni od oko 3,80 USD po kg. U međuvremenu, u Kini velikokapacitetne instalacije elektrolizera svake godine čine proizvodnju jeftinijom, smanjujući troškove otprilike 18% godišnje. Napred, BloombergNEF predviđa da bi zeleni vodik mogao doseći samo 1,50 USD po kg do 2030. godine. To bi se dogodilo kako se obnovljivi izvori energije nastavljaju brzo širiti, a očekuje se da će činiti gotovo 85% svih novih električnih kapaciteta širom svijeta.

Česta pitanja

Koje su glavne metode proizvodnje električne energije korištenjem vodika? Glavne metode su putem gorivnih ćelija i turbina za sagorijevanje prilagođenih vodiku.
Kako vodik doprinosi stabilnosti električne mreže? Vodik pohranjuje višak obnovljive energije, a oslobađa je tijekom vršnih potražnji kako bi osigurao stabilnost mreže.
Koje su trenutačne prepreke u korištenju vodika za osnovnu proizvodnju energije? Visoke cijene, 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 zelenog vodika? Napredak u tehnologiji elektrolize i velikim instalacijama znatno je smanjio troškove i povećao učinkovitost.