Kako se vodikova energija uporablja pri proizvodnji električne energije

Pridobivanje električne energije s pomočjo vodika poteka predvsem prek dveh metod: gorivnih celic in zgorevalnih turbin, ki so bile prilagojene za uporabo vodika. Tehnologija gorivnih celic deluje tako, da ustvarja električno energijo s pomočjo elektrokemičnih procesov, in ko je kombinirana s sistemi za izrabo toplote, lahko doseže učinkovitost okoli 60 %. Številne obstoječe zgorevalne turbine, prvotno zgrajene za delovanje na zemeljski plin, lahko sedaj uporabljajo mešanice vodika ali celo čisti vodik, kar omogoča operaterjem omrežja bistveno večjo fleksibilnost pri zagotavljanju stabilnega oskrbovanja z električno energijo. Proizvodnja zelenega vodika vključuje razcepljanje molekul vode z obnovljivimi viri energije, kot sta veter in sončna energija, s postopkom, imenovanim elektroliza. Ta zeleni vodik se shrani, dokler ne pride do upada razpoložljivosti obnovljive energije, nato pa se lahko spet pretvori v električno energijo. Vzemimo na primer Nemčijo, kjer več offshore vetrnih elektrarn že proizvaja zeleni vodik. Te projekte so uspele zmanjšati odvisnost od premogovnih elektrarn za približno 40 % v določenih testnih območjih, čeprav se rezultati razlikujejo glede na lokalne pogoje in specifičnosti izvedbe.

Integracija vodika v obstoječa omrežja za distribucijo električne energije

Vodik pomaga omrežjem za distribucijo električne energije postati čistejšim, hkrati pa ohranja njihovo stabilnost. Ko je na voljo odvečna obnovljiva energija, jo vodik shrani in nato sprosti nazaj, ko se povpraševanje poveča. Vzemimo Dansko – njihovi pilotni projekti so pokazali, da shranjevanje vodika v solnih jamah zmanjša izgube energije za približno 15 do celo 20 odstotkov na leto. Vidimo, da se pojavljajo takšne hibridne naprave, kjer sončne elektrarne delujejo skupaj z opremo za elektrolizo, čeprav je za gladko delovanje potrebno precej sofisticirano upravljanje energije, saj energija v sistemu teče v obeh smereh. Oglejte si, kaj počne Kalifornija s svojim projektom Renewable Hydrogen Backbone – tam dejansko uporabljajo vodik za ohranjanje stabilnega delovanja omrežja med intenzivnimi valovi vročine, ki vse pogosteje motijo normalno obratovanje.

Primerjava primera: Elektrarne na vodik v Nemčiji in na Japonskem

Energiepark Mainz v Nemčiji združuje 6 megavatni elektrolizer z virom energije iz vetra za proizvodnjo približno 200 ton vodika na leto. Ta naprava lahko med izpadi električne energije oskrbi z elektriko okoli 2.000 gospodinjstev prek svojega sistema gorivnih celic z močjo 1,4 MW. Na drugi strani Tihega oceana je Japonska razvila še večji projekt, imenovan Fukushima Hydrogen Energy Research Field, ali krajše FH2R. Z zmogljivostjo 10 MW predstavlja največjo rastlino za proizvodnjo zelenega vodika na svetu. Ne le da pomaga oskrbovati dele Tokia z elektriko, temveč jo raziskovalci uporabljajo tudi za poskuse s prevažanjem vodika čez oceane. To, kar ti projekti izpostavi, je njihova izjemna učinkovitost približno 95 %. Te visoke zmogljivosti dosežejo tako, da prilagajajo količino proizvedenega vodika glede na dejansko potrebo električnega omrežja v določenem trenutku.

Omejitve pri povečevanju uporabe vodika za osnovno obremenitev

Trije glavni ovire omejujejo vlogo vodika pri osnovni obremenitvi:

• Stroški : Investicijski stroški elektrolizerjev so še vedno približno trikrat višji kot pri plinskih turbinskih agregatih.
• Izgube učinkovitosti : Ciklični proces pretvorbe elektrike v vodik in nazaj povzroči izgubo energije v višini 30–35 %.
• Infrastruktura : Manj kot 15 % svetovnih plinskih cevovodov lahko varno prenaša mešanice vodika nad 20 %.

Pregled industrije iz leta 2021 je poudaril trajnost gorivnih celic in krušenje cevovodov kot ključne raziskovalne in razvojne prednosti, pri čemer je ocenil potrebo po infrastrukturnih posodobitvah v višini 1,2 bilijona USD do leta 2040. Čeprav vodik dopolnjuje obnovljive vire energije, trenutno še ne dosega cenovne primerljivosti za obsežno uporabo v osnovnem delovanju.

Vodik za ogrevanje: dekarbonizacija industrijskih in stanovanjskih sistemov

Vloga vodikove energije pri dekarbonizaciji sistemov ogrevanja

Okoli 40 odstotkov vseh emisij CO2 iz porabe energije po svetu prihaja iz ogrevanja, kar je razlog, da mnogi strokovnjaki vidijo v vodiku resničnega spremenika iger za nadomeščanje fosilnih goriv tako v industrijskih pečeh kot v domačih kotlih. Dejstvo, da vodik gori pri temperaturah, ki segajo do skoraj 2800 stopinj Celzija, ga naredi še posebej primeren za težke industrije, kot je proizvodnja jekla. Nekateri testi s sistemom mikro kombinirane proizvodnje toplote in električne energije na gorilne celice so pokazali tudi impresivne rezultate in dosegli učinkovitost okoli 90 odstotkov, kadar se uporabljajo za omrežja daljinskega ogrevanja. Zanimivo je, da vodik dejansko deluje precej dobro v približno 20 % obstoječih plinskih cevovodov brez potrebe po spreminjanju infrastrukture, kar bi lahko resnično pospešilo hitrost sprejemanja te tehnologije v različnih sektorjih.

Mešanje vodika z zemeljskim plinom v cevovodih

Mešanje vodika v obstoječa plinska omrežja ponuja prehodno rešitev:

Evropski poskusi kažejo, da bi mešanice z vsebnostjo 20 % lahko zmanjšale emisije za 6 milijonov ton na leto, hkrati pa ohranjale varno obratovanje. Vendar morajo pri višjih ravneh mešanice zaradi nižje prostorske gostote energije vodik povečati pretok za 15–25 %.

Pilotni projekti na Združenem kraljestvu in Nizozemskem, ki uporabljajo vodik za ogrevanje domov

Program HyDeploy na Združenem kraljestvu je uspel vmešati vodik v plinski vir za približno 300 gospodinjstev na ravni okoli 20 %, pri čemer je bilo večini ljudi to všeč – približno 8 od 10 udeležencev je poročalo o zadovoljstvu. Na Nizozemskem so stvari postale še bolj zanimive z poskusom H2Stad, kjer so dejansko preklopili 1.500 gospodinjstev popolnoma na vodikove kotle. Rezultati so bili prav tako impresivni, saj so s tem zmanjšali emisije, povezane s kurjavo, za skoraj 90 % v primerjavi s tradicionalnimi sistemi na zemeljski plin. Čeprav ti poskusni programi kažejo, da je uporaba vodika mogoča v večjem merilu, obstajajo tudi nekatere zaskrbljujoče točke. Preizkusi materialov kažejo, da se lahko pri cevovodih, ki neprestano prenašajo čisti vodik, njihova uporabna doba skrajša med 12 % in 18 %. To niso najbolje novice, a jih je še vedno mogoče obvladati z ustreznim načrtovanjem.

Učinkovitost in varnostne zadeve pri ogrevanju na osnovi vodika

Vodikovi kotli delujejo s približno 85 do 90 odstotno učinkovitostjo, kar je nekoliko nižje v primerjavi z naravnim plinom, ki ima okoli 94 %. Kar zadeva vodik, se ta zelo hitro vname, saj za to potrebuje le 0,02 mJ, medtem ko metan potrebuje 0,3 mJ. To pomeni, da potrebujemo zelo dobre sisteme za zaznavanje uhajanja, ki lahko zaznajo tudi najmanjše količine, morda že pri koncentraciji 1 %. Glede na nekatere nedavne raziskave DNV-ja iz leta 2023 vodik prodre skozi polietilenske cevi približno 30-krat hitreje kot običajni plin. Zaradi tega bodo verjetno večina starejših cevnih omrežij potrebovala dodatne posebne kompozitne obloge. Prav tako ne smemo pozabiti niti na ustrezno prezračevanje. Ko stavbe pravilno prenovo, samo ta preprosta ukrep zmanjša nevarnost eksplozije za kar 92 %.

Vodik v prometu: Od gorivnih celic do letalstva

Vozila z gorilnimi celicami na vodik kot čista alternativa prevoza

Vozila z gorilnimi celicami delujejo tako, da ustvarjajo električno energijo s kemičnimi reakcijami znotraj celice, pri čemer kot izpuh oddajajo predvsem vodno paro. Velika prednost je, da se polnjenje opravi v manj kot petih minutah, vozila pa lahko prevozijo več kot 500 kilometrov, preden potrebujejo ponovno polnjenje. Pri uporabi v daljnovzmetnih tovornjakih in tovornih ladjah so takšna vozila boljša od običajnih baterij, saj v manjšem prostoru shranijo več energije, hkrati pa ne zasedejo preveč prostora za tovor. Podjetji, kot sta Toyota in Hyundai, so v zadnjem času začela resno investirati v vodikovo tehnologijo za svoje večje prevozne potrebe.

Uveljavljanje vodikovskih avtobusov in tovornjakov v Kaliforniji ter Južni Koreji

Projekt H2 Frontier v Kaliforniji je od leta 2023 namestil več kot 50 vodikom pogonskih avtobusov na 12 prometnih območjih, kar vsako leto zmanjša emisije za 1.200 ton. V Južni Koreji naftna luknja Ulsan upravlja 120 tovornjakov z gorilnimi celicami za prevoz kontejnerjev, ki jih podpirajo elektrolizerji, napajani z energijo iz offshore vetrnih elektrarn.

Vodikom pogonjena vlaka v Nemčiji in Franciji

Nemški vlaki Coradia iLint so leta 2023 prevozili 220.000 kilometrov brez emisij. Francoska proga TER Occitanie je zamenjala 15 dizelskih enot z vodikovimi hibridnimi vlaki, ki uporabljajo gorilne celice na strehi za podaljšanje dosega na neelektrificiranih progah.

Nove uporabe v pomorskem in letalskem sektorju

Pomorski operaterji uporabljajo amonijak iz vodika za pogon štirih tovornih ladij v Severnem morju, kar zmanjša emisije CO2 za 85 % v primerjavi s težkim gorivnim oljem. V letalstvu se pričakuje, da bodo brezemisijski regionalni letali, ki uporabljajo tekoči vodik za zgorevanje, stopili v redno obratovanje do leta 2035, medtem ko trenutni prototipi uspešno opravljajo testne polete dolžine 750 km.

Infrastrukturni izzivi za omrežja polnitvenih postaj z vodikom

Na svetu obstaja manj kot 1.000 polnitvenih postaj z vodikom, od tega 42 % v Evropi in 38 % v Aziji. Shranjevanje pod visokim tlakom ostaja draga zadeva – 1.800 USD na kg leta 2024 – krhkost materiala cevovodov pa predstavlja izziv za porazdelitev v večjem obsegu.

Proizvodnja zelene vodike: Napredek trajnostnih metod

Siva, modra in zelena vodik: Okoljski in gospodarski kompromisi

Obstaja kar nekaj različnih načinov proizvodnje vodika, vsak s svojim okoljskim vplivom in stroški. Sivi vodik izvira iz reforminga zemeljskega plina z vodno paro (SMR) in sprosti med 9 in 12 kilogrami CO2 za vsak kilogram proizvedenega vodika. Kakšni so stroški? Okoli 1,50 do 2,80 USD na kilogram, glede na Mednarodno agencijo za energijo leta 2023. Nato imamo modri vodik, ki uporablja enak postopek SMR, vendar dodaja tehnologijo lovilnikov ogljika. To zmanjša emisije za približno 80 do 90 odstotkov, vendar poveča stroške na približno 2,50 do 4,00 USD na kilogram. In končno imamo zeleni vodik, ki nastane, ko elektrika iz obnovljivih virov napaja opremo za elektrolizo. Ta metoda ne sprošča nobenih neposrednih emisij in trenutno stane med 3,00 in 5,00 USD na kilogram. To je dejansko precej nižje v primerjavi s preteklostjo, saj sta bila pred nekaj leti ceni še med 4,00 in 6,00 USD na kilogram.

Napredki v elektrolizi, ki povečujejo proizvodnjo zelene vodikove energije

Elektrolizatorji s membrano za izmenjavo protonov (PEM) zdaj dosegajo učinkovitost 7583%, kar je več kot 60% v letu 2010. Alkalni sistemi delujejo z učinkovitostjo 65-70% in življenjsko dobo več kot 60.000 ur. Elektrolizatorji trdnih oksidov (SOEC), ki delujejo pri 700900 °C, so v preskušanjih dosegli 85% učinkovitosti, kar je obetavno za proizvodnjo zelenega vodika v industrijskem obsegu (ScienceDirect 2024).

Trendi stroškov in razširljivost proizvodnje vodika na obnovljivih virih

Stroški proizvodnje vodika s sončno elektrolizo so močno padli, približno za 62 % od leta 2015. Leta 2024 že opazujemo cene med 3 in 4,50 dolarja na kilogram. Spodaj v Avstraliji veternice proizvedejo več kot 1.000 ton zelenega vodika na leto po približno 3,80 dolarja na kg. Medtem pa v Kitajski velike namestitve elektrolizerjev vsako leto znižujejo stroške proizvodnje, in sicer za okoli 18 % na leto. Naprej gledano, napoveduje BloombergNEF, da bi se zeleni vodik do leta 2030 lahko znižal na le 1,50 dolarja na kg. To bi se zgodilo, ko bodo obnovljivi viri energije nadaljevali s hitrim razvojem, kar naj bi po pričakovanjih predstavljalo skoraj 85 % vse nove električne energije na svetu.

Pogosta vprašanja

Kateri so glavni načini pridobivanja električne energije s pomočjo vodika? Glavni načini so gorivne celice in zgorevalne turbine, prilagojene za uporabo vodika.
Kako vodik prispeva k stabilnosti električnega omrežja? Vodik shranjuje presežno obnovljivo energijo in jo sprosti med piki povpraševanja, da zagotovi stabilnost omrežja.
Kateri so trenutni izzivi pri uporabi vodika za osnovno proizvodnjo električne energije? Visoke stroške, izgube učinkovitosti med pretvorbo energije in omejitve infrastrukture predstavljajo glavne izzive.
Kako se vodik uporablja v sistemih ogrevanja? Vodik lahko nadomesti fosilna goriva v industrijskih in stanovanjskih sistemih ogrevanja ter ponuja trajnostno alternativo.
Kateri napredki so bili doseženi pri proizvodnji zelenega vodika? Razvoj tehnologije elektrolize in velikorasponske namestitve so znatno zmanjšale stroške in povečale učinkovitost.