Održivi vodik kao čisti nositelj energije

Proizvodnja zelenog vodika putem integracije obnovljivih izvora energije

Zeleni vodik nastaje kada višak obnovljive električne energije, uglavnom iz vjetroelektrana i solarnih panela, napaja proces koji se zove elektroliza. Ovaj proces u osnovi razdvaja molekule vode na plinoviti vodik i kisik, bez izravnog ispuštanja ugljičnih emisija tijekom samog procesa. U usporedbi s tradicionalnim metodama koje se oslanjaju na fosilna goriva, ovaj pristup znatno smanjuje emisije ugljičnog dioksida – oko 9 do 12 kilograma manje po kilogramu vodika proizvedenog konvencionalnim putem. Ono što čini zeleni vodik tako perspektivnim kao rješenje za čistu energiju je njegova sposobnost najboljeg djelovanja u trenucima kada je dostupno puno obnovljive energije. Kada elektrolizeri rade na vrhuncu tijekom takvih razdoblja, bolje koriste resurse i zapravo pomažu u smanjenju opterećenja električne mreže umjesto da ga povećavaju.

Ekološke prednosti i potencijal smanjenja emisija ugljičnog dioksida

Prebacivanje na zeleni vodik može smanjiti oko 830 milijuna tona emisija CO2 svake godine u teškim industrijama do sredine 2030-ih godina, prema izvješću Međunarodne agencije za energiju iz prošle godine. Razlog? Kada se sagori, proizvodi isključivo vodenu paru, čime postaje važnim alatom za smanjenje ugljičnog otiska u industrijama poput proizvodnje čelika, kemijskoj industriji i brodskim operacijama. Ako uspijemo stvarno implementirati ovu tehnologiju na velikoj razini, industrijska područja mogla bi ostvariti smanjenje štetnih emisija dušikovih oksida za otprilike 45 posto. Takva poboljšanja pomogla bi u dostizanju klimatskih ciljeva, istovremeno poboljšavajući kvalitetu zraka za ljude koji žive u blizini ovih objekata.

Emisije tijekom cijelog životnog ciklusa i kriteriji održivosti za proizvodnju vodika

Ekološki otisak vodika u velikoj mjeri ovisi o načinu njegove proizvodnje. Studije koje analiziraju cijeli životni ciklus pokazuju da sivi vodik, proizveden reformacijom prirodnog plina, emitira otprilike deset puta više ugljičnog dioksida u odnosu na zeleni vodik. Europska unija razvila je 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 elektrolize. Tvrtke moraju pažljivo pratiti ova uputstva. U suprotnom, mogli bismo završiti s inicijativama za proizvodnju vodika koje na papiru izgledaju čisto, ali u pozadini i dalje održavaju našu ovisnost o fosilnim gorivima. Ovakva vrsta pranja zelene boje mogla bi oslabiti stvarni napredak prema održivim energetskim rješenjima.

Uloga zelenog vodika u potpori kružnim energetskim sustavima

Zeleni vodik igra važnu ulogu u poboljšanju kružnih energetskih sustava. Kada postoji višak električne energije iz obnovljivih izvora poput vjetra ili sunca, ona se pretvara u gorivo koje se može pohraniti i kasnije upotrijebiti u različitim industrijama ili čak ponovno u proizvodnji energije. Neki napredni pogoni sada miješaju uhvaćeni CO2 iz bioloških izvora s ovim zelenim vodikom kako bi proizveli tzv. e-metanol, što znači da spriječavaju otpuštanje ugljičnog dioksida u atmosferu. Mogućnost dvosmjernog procesa iznimno je korisna za uravnoteženje elektroenergetskih mreža s velikim brojem solarnih panela i vjetroagregata. Osim toga, ovaj proces stvara čiste materijale potrebne za proizvodnju gnojiva i čelika bez uobičajenih emisija ugljičnog dioksida povezanih s tim procesima.

Dekarbonizacija teško dostižnih sektora uz pomoć zelenog vodika

Primjene u proizvodnji čelika, kemikalija i teške industrije

Zeleni vodik nudi način smanjenja emisija ugljičnog dioksida u industrijskim sektorima gdje prijelaz na električnu energiju jednostavno nije izvediv. Uzmimo primjerice proizvodnju čelika, koja otpada za otprilike 7 posto svih CO2 emisija širom svijeta. Zamjenom ugljena zelenim vodikom tijekom procesa redukcije željezne rude, tvornice mogu smanjiti svoje emisije za gotovo 98%. Projekt H2 Green Steel u Švedskoj pokazao je da ovo funkcionira u praksi već od 2024. godine. Za proizvodnju amonijaka, prelazak na vodik proizveden elektrolizom smanjuje emisije za oko 40 posto. Proizvođači cementa također uočavaju korist, jer miješanje vodika u gorivo smanjuje potrebnu temperaturu te količinu nastalog prašine. Ono što ističe vodik je njegova sposobnost upravljanja ekstremnim temperaturama i kemijskim reakcijama koje su neophodne u ovim zahtjevnim sektorima, koje je inače teško očistiti.

Intersektorska integracija u industriji i prometu

Vodik na zanimljiv način povezuje različite dijelove našeg energetskog sustava. On pokreće velike strojeve, vozi dugačke kamione koje vidimo na autocestama i pomaže u održavanju stabilnosti električnih mreža kada se mijenja potražnja. Kada postoji višak zelene energije iz solarnih ili vjetrovnih izvora, možemo je pretvoriti u vodik putem procesa koji se zove elektroliza. Zatim se taj vodik koristi na mjestima poput kemijskih tvornica koje zahtijevaju intenzivnu toplinu, ili čak u posebnim vlakovima koji rade na gorivnim ćelijama umjesto na dizelu. Najvažnije? Jedan jedini vodikov vod nije koristan samo za jednu stvar. Prema nekim nedavnim istraživanjima iz 2023. godine, ti vodovi mogu zadovoljiti otprilike trećinu industrijskih potreba za grijanjem u određenom području, a istovremeno služiti kao rješenja za skladištenje energije u razdobljima kada vjetroelektrane ne proizvode dovoljno energije. Takva dvostruka svrha čini cijeli sustav znatno učinkovitijim nego što bi bilo graditi odvojenu infrastrukturu za svaku pojedinačnu namjenu.

Studija slučaja: Zeleni vodik u proizvodnji čelika i kemijskoj industriji

U Njemačkoj je jedna industrijska zona uspjela smanjiti emisije raspona 1 za gotovo dvije trećine tijekom samo 18 mjeseci. To su postigli prelaskom s prirodnog plina na zeleni vodik za procese poput žarenja čelika i proizvodnje metanola. Ono što ovo čini još impresivnijim jest da cijela operacija radi na električnoj energiji iz offshore vjetroelektrana snage 140 megavata. Kao rezultat, mogu proizvesti oko 9.500 tona vodika svake godine. Samo ta količina dovoljna je za proizvodnju približno pola milijuna tona čelika s znatno nižim udjelom ugljika. Gledajući kako stvari djeluju zajedno u različitim industrijama, ova inicijativa ističe se kao odličan primjer dijeljenja resursa. Skoro sav višak kisika i toplinski otpad ponovno se koristi negdje drugdje unutar sustava, pri čemu se otprilike 92% nekako ponovno iskorištava unutar klastera.

Kružnost u lancu vrijednosti tehnologije vodika

Recikliranje kritičnih materijala: metali platinske skupine u gorivnim ćelijama i elektrolizerima

Tehnologija membrane za razmjenu protona uvelike ovisi o metalima platinske skupine poput platine i iridija. Ovi dragi metali stvaraju pravi problem za lance opskrbe jer su njihove zalihe ograničene, a postupci vađenja uzrokuju značajnu štetu okolišu. S druge strane, kada pogledamo gorivne ćelije i jedinice za elektrolizu na kraju životnog vijeka, većina ovih vrijednih metala zapravo može biti vraćena putem reciklaže. Prema nedavnim podacima Instituta za cirkularne materijale iz 2023. godine, stopa povrata prelazi 90%, čime se smanjuje naša ovisnost o vađenju novih sirovina iz rudnika. Još bolje je to što su tvrtke koje surađuju u zatvorenim sustavima s reciklerima uspjele smanjiti emisije tijekom životnih ciklusa proizvoda za čak četrdeset do šezdeset posto u usporedbi s tradicionalnim metodama koje se oslanjaju isključivo na nove sirovine.

Dizajn za ponovnu uporabu i oporavak na kraju životnog vijeka u sustavima s vodikom

Današnji sustavi s vodikom prelaze na modularne postavke koje zapravo pomažu u produljenju vijeka trajanja opreme tako što omogućuju obnovu dijelova ili njihovu uporabu u novim svrhama. Uzmimo na primjer stogove elektrolizera koji se često rastavljaju i ponovno koriste u manjim operacijama. Međutim, bipolarne ploče se obično mogu obnoviti kroz neku vrstu elektrokemijskog poliranja. Također postoji standard ISO 22734 iz 2023. godine koji pravi valove u industriji. On osnovno omogućuje različitim dijelovima da rade zajedno kroz različite generacije infrastrukture, tako da stariji komponenti ne postanu zastarjeli kada dođe nova tehnologija. To je važno jer proizvođači žele da njihova ulaganja dulje traju, bez potrebe da svake dvije-tri godine potpuno zamijene sve.

Balansiranje utjecaja rudarstva PGM-a s stopama recikliranja i inovacijama u kružnom modelu

Recikliranje pomaže u smanjenju potrebe za novim PGM-ovima, ali ne možemo zanemariti činjenicu da rudarstvo i dalje doprinosi 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 kapaciteta za recikliranje postalo prilično kritično. Također pojavljuju se i neke zanimljive alternative. Vidimo razvoj katalizatora na bazi rutena te elektroliznih sustava koji uopće ne zahtijevaju dragocene metale. Ovi razvoji znače manju ovisnost o rijetkim sirovinama i približavamo se ciljevima krugovne ekonomije o kojima svi stalno govore.

Power-to-Gas i povezivanje sektora za integrirane energetske sustave

Tehnologije pretvorbe električne energije u plin (P2G) transformiraju održive energetske sustave omogućujući integraciju između sektora i fleksibilnost mreže putem elektrolize i skladištenja na bazi vodika. Ova rješenja povezuju viškove obnovljive električne energije s industrijskim potrebama za energijom te unapređuju načela kružnog gospodarstva.

Elektroliza i metanizacija: Tehnologije pretvorbe električne energije u plin koje omogućuju fleksibilnost

Proces elektrolize koristi obnovljivu električnu energiju za cijepanje molekula vode na plinoviti vodik i kisik. U međuvremenu, metanizacija funkcionira drugačije tako da kombinira vodik s ugljičnim dioksidom koji je uhvaćen na drugom mjestu kako bi se stvorilo sintetsko gorivo metan. Ove tehnologije postaju vrlo zanimljive kada rade na solarnim panelima ili vjetroagregatima jer tada dobivamo goriva koja ne ispuštaju dodatni ugljični dioksid u atmosferu. Posebno dobro funkcioniiraju u industrijama poput zrakoplovstva gdje potpuni prijelaz na električnu energiju još uvijek nije praktičan. S obzirom na trenutačne brojke, moderni sustavi elektrolizera imaju učinkovitost od oko 75 do 80 posto. To predstavlja porast od otprilike 15 postotnih bodova u odnosu na dostupno stanje iz 2020. godine, što pomaže ovim tehnologijama da se približe komercijalnoj isplativosti kao opcija za poduzeća koja žele smanjiti emisije.

Pohrana energije temeljena na vodiku i uravnoteženje mreže

Vodik ima gustoću energije od oko 33,3 kWh po kilogramu, što ga čini prilično dobrom opcijom za pohranjivanje dodatne obnovljive energije kada potražnja opadne. Kada se vjetrenjače povežu s elektrolizatorima kapaciteta od oko 5 gigavata, one svake godine smanjuju otpad energije za otprilike 34 posto u mrežama u kojima dominiraju obnovljivi izvori, kako je pokazano u istraživanju prošle godine. Na praktičnoj razini, to znači da energetske kompanije mogu bolje upravljati naglim fluktuacijama u opskrbi te održavati neprekidni tok električne energije čak i tijekom dana dugih perioda lošeg vremena.

Kopling sektora: Integracija električnih, industrijskih i plinskih mreža

P2G potiče simbiotske odnose između sektora: električne mreže opskrbljuju vodikom tvornice gnojiva, dok industrijski otpadni toplinski tokovi podržavaju daljinsko grijanje. Integrirani modeli pokazuju da ove konfiguracije smanjuju gubitke primarne energije za 28–32% u usporedbi s izoliranim sustavima. Hibridne električne i plinske mreže također poboljšavaju otpornost, imajući za 40% manje sati prekida tijekom ekstremnih vremenskih uvjeta.

Biomasa i putovi proizvodnje vodika iz otpada u modelima kružnog ugljičnog ciklusa

Pretvaranje biomase i organskog otpada u održivi vodik

Poljoprivredni ostatci, ostaci hrane i čak mulj iz kanalizacije dobivaju novi život kroz procese gasifikacije i anaerobne digestije koji ih pretvaraju u vodik kao gorivo. Samo u Europi, ove tehnologije bi mogle obraditi oko 60 milijuna tona organskog otpada svake godine, pretvarajući smeće u nešto vrijedno umjesto da leži na deponijama. Nedavna poboljšanja metoda hidrotermalne obrade znače da postižemo bolje rezultate pri radu s vlažnim biomaterijalima, pa se sada one mokre tokove otpada koji su nekad bili problematični mogu učinkovito obraditi. Dodatna prednost je i zaštita okoliša, jer ovim postupkom sprječavamo ispuštanje metana tijekom prirodnog razgradnje otpada, što ima smisla za sve one koji su zabrinuti zbog utjecaja na klimatske promjene.

Integracija vodika u okvir cirkularne ekonomije ugljika

Vodik proizveden iz otpada povezuje prirodne ugljične cikluse s naporima za smanjenje industrijskih emisija. Kombiniranje ovog pristupa s tehnologijom zahvata ugljika zapravo rezultira uklanjanjem više ugljika iz atmosfere nego što se njega otpušta. Uzmimo primjer odlagališta otpada. Pretvaranje njihovih emisija metana u uporabljivi vodik, uz istodobno fiksiranje CO2, stvara ono što se naziva sustav zatvorenog ugljičnog ciklusa. Ovakvi sustavi posebno su korisni za industrije poput proizvodnje cementa, gdje zamjenjuju tradicionalna goriva u pećima. Nadalje, uhvaćeni CO2 ne pohranjuje se pasivno negdje; umjesto toga koristi se za uzgoj algi koje proizvode biogoriva. Na taj način ugljični molekuli ostaju aktivni u našoj ekonomiji, a ne akumuliraju se kao onečišćenje.

Usporedba održivosti: Vodik iz otpada naspram zelenog vodika

Vodik iz otpada pruža odmah učinke smanjenja emisija korištenjem otpada, dok zeleni vodik nudi dugački i razmjerljivi rješenje koje koristi obnovljivu energiju.

Često postavljana pitanja o održivom vodiku

Što je zeleni vodik i kako se proizvodi?

Zeleni vodik proizvodi se elektrolizom koju pokreće obnovljiva energija, poput vjetra ili sunčeve energije. Ovaj proces dijeli molekule vode na vodik i kisik bez ikakvih izravnih emisija ugljičnog dioksida.

Kako zeleni vodik smanjuje emisije ugljičnog dioksida?

Zeleni vodik omogućuje industrijama znatno smanjenje emisija 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 opskrbe dragocjenim metalima koji se koriste u tehnologiji vodika.

Može li vodik zaista biti održiv na dugoročni način?

Da, posebno ako se kombinira s reciklažom i aktivnostima u okviru kružne ekonomije kako bi se smanjila upotreba sirovih materijala i osigurala održivost životnog ciklusa komponenti tehnologije vodika.