Trajnostni vodik kot čisten energetski nosilec

Proizvodnja zelenega vodika s pomočjo integracije obnovljivih virov energije

Zeleni vodik nastane, ko odvečna obnovljiva električna energija, predvsem iz vetrnih elektrarn in sončnih panelov, napaja postopek, imenovan elektroliza. Ta postopek razcepi molekule vode na plinasta vodik in kisik, pri čemer sam postopek neposredno ne proizvede ogljikovega dioksida. V primerjavi s tradicionalnimi metodami, ki temeljijo na fosilnih gorivih, ta pristop znatno zmanjša emisije ogljikovega dioksida – približno 9 do 12 kilogramov za vsak kilogram konvencionalno proizvedenega vodika. Kar naredi zeleni vodik tako obetavnega kot rešitev za čisto energijo, je to, da najbolje deluje v časih, ko je na voljo veliko obnovljive energije. Ko elektrolizerji delujejo na vrhuncu v teh obdobjih, bolje izkoriščajo vire in dejansko zmanjšujejo obremenitev električne mreže namesto da jo povečujejo.

Okoljske koristi in potencial zmanjšanja ogljikovega dioksida

Prehod na zeleni vodik bi lahko do sredine tridesetih let zmanjšal približno 830 milijonov ton emisij CO2 na leto v težki industriji, kar napoveduje poročilo Mednarodne agencije za energijo iz lanskega leta. Zakaj? Ker pri zgorevanju proizvede le vodno paro, je pomembno orodje za zmanjševanje ogljičnega odtisa v panogah, kot so proizvodnja jekla, kemična industrija in pomorski prevozi. Če bi to tehnologijo uspeli uresničiti v velikem merilu, bi industrijska območja lahko doživela zmanjšanje škodljivih emisij dušikovih oksidov za približno 45 odstotkov. Takšen napredek bi prispeval k izpolnjevanju podnebnih ciljev in hkrati izboljšal kakovost zraka za ljudi, ki živijo v bližini teh obratov.

Emisije skozi celoten življenjski cikel in merila za trajnostno pridobivanje vodika

Okoljski odtis vodika je zelo odvisen od tega, kako je proizveden. Študije, ki analizirajo celoten življenjski cikel, kažejo, da sivo vodikovo proizvodnjo z reformacijo zemeljskega plina spremlja približno desetkrat več emisij ogljikovega dioksida v primerjavi z njegovim zelenim nasprotnikom. Evropska unija je razvila certifikacijske standarde, imenovane RFNBO, za preverjanje resnične proizvodnje zelenega vodika. Ta pravila ne preverjajo le uporabe obnovljivih virov energije, temveč sledijo tudi času in kraju proizvodnje električne energije ter času, ko se je izvajala elektroliza. Podjetja morajo te smernice skrbno upoštevati. V nasprotnem primeru bi lahko končali z iniciativami na področju vodika, ki na papirju izgledajo čisto, v ozadju pa še naprej podpirajo odvisnost od fosilnih goriv. To vrsto zelenega pranja bi lahko oslabila dejanski napredek proti trajnostnim energetskim rešitvam.

Vloga zelenega vodika pri podpiranju krožnih energetskih sistemov

Zelena vodikova energija igra pomembno vlogo pri izboljševanju delovanja krožnih energetskih sistemov. Ko je na voljo odvečna električna energija iz obnovljivih virov, kot sta veter ali sonce, se ta pretvori v gorivo, ki ga je mogoče shraniti in kasneje uporabiti v različnih panogah ali celo za ponovno proizvodnjo električne energije. Nekatere napredne naprave zdaj mešajo zajeti CO2 iz bioloških virov s tem zelenim vodikom, da proizvedejo tako imenovani e-metanol, kar pomeni, da preprečujejo uhajanju ogljika v ozračje. Možnost pretvarjanja v obeh smereh je zelo uporabna za uravnoteženje električnih omrežij, v katera je priključenih veliko sončnih panelov in vetrnih turbin. Poleg tega ta postopek ustvarja čiste materiale, potrebne za proizvodnjo stvari, kot so gnojila in jeklo, brez običajnih emisij ogljika, povezanih s temi procesi.

Odglikovanje težko odpravljalnih sektorjev z zelenim vodikom

Uporaba v jeklarski, kemični in težki industriji

Zeleni vodik ponuja način zmanjšanja ogljičnih emisij v industrijskih panogah, kjer prehod na elektriko preprosto ne deluje. Vzemimo na primer proizvodnjo jekla, ki prispeva približno 7 odstotkov vseh CO2 emisij na svetu. S tem, ko se premog nadomesti z zelenim vodikom med procesom redukcije železove rude, tovarne zmanjšajo svoje emisije za skoraj 98 %. Projekt H2 Green Steel v Švedski je od leta 2024 pokazal, da to v praksi deluje. Pri proizvodnji amoniaka prehod na vodik, proizveden s postopkom elektrolize, zmanjša emisije za približno 40 %. Tudi proizvajalci cementa ugotavljajo koristi, saj mešanje vodika v gorivo zmanjša potrebno količino toplote in količino nastalega prahu. Posebnost vodika je ta, da omogoča obravnavo ekstremnih temperatur in kemičnih reakcij, ki so potrebne v teh zahtevnih sektorjih, katerih očiščevanje sicer ostaja težko dosegljivo.

Presektorska integracija v industriji in prometu

Vodik na zanimiv način povezuje različne dele našega energetskega sveta. Poganja velike stroje, vozi dolge tovorne avtomobile po avtocestah in pomaga ohranjati stabilnost električnih omrežij ob nihajoči porabi. Ko imamo odvečno zeleno energijo iz sončnih ali vetrnih virov, jo lahko s postopkom elektrolize pretvorimo v vodik. Nato ta vodik uporabljamo na mestih, kot so kemične tovarne, kjer potrebujejo intenzivno toploto, ali celo pri posebnih vlakih, ki namesto dizla delujejo na gorilne celice. Najboljše pa je, da en sam vodikov vod ni primeren le za eno stvar. Po nedavnih raziskavah iz leta 2023 bi lahko ti vodi zadostili približno tretjini industrijskih potreb območja po toploti, hkrati pa bi služili tudi kot rešitev za shranjevanje energije v obdobjih, ko vetrne elektrarne ne proizvajajo dovolj moči. Takšna dvojna funkcija naredi celoten sistem veliko učinkovitejšim, kot če bi gradili ločeno infrastrukturo za vsako posamezno uporabo.

Primer primera: Zelena vodikova energija v proizvodnji jekla in kemični industriji

V Nemčiji je industrijsko območje uspelo zmanjšati emisije iz vira 1 za skoraj dve tretjini v le 18 mesecih. To so dosegli tako, da so namesto zemeljskega plina za postopke, kot sta žarjenje jekla in proizvodnja metanola, začeli uporabljati zeleni vodik. Še bolj impresivno pa je to, da celotna dejavnost deluje na električno energijo iz morskih vetrnih elektrarn s skupno močjo 140 megavatov. Posledično lahko proizvedejo približno 9.500 ton vodika na leto. Ta količina sama po sebi zadostuje za proizvodnjo približno pol milijona ton jekla z bistveno nižjo vsebnostjo ogljika. Če pogledamo, kako posamezne dejavnosti med seboj delujejo prek različnih industrij, ta pobuda izstopa kot odličen primer skupne rabe virov. Skoraj vsak preostali kisik in odpeljano toploto ponovno vključijo v sistem drugje, pri čemer se približno 92 % nekako ponovno uporabi v okviru celotnega klasterja.

Krožnost v verigi vrednosti tehnologije vodika

Recikliranje kritičnih materialov: kovine skupine platine v gorilnih celicah in elektroliznih napravah

Tehnologija membrane z izmenjavo protonov zelo zanesljivo uporablja kovine skupine platine, kot sta platina in iridij. Te dragocene kovine predstavljajo resnične težave za dobavne verige, saj so njihove zaloge omejene, pridobivanje pa povzroča pomembno okoljsko škodo. Vendar pa se ob koncu življenjske dobe gorilnih celic in elektroliznih enot večina teh vrednih kovin dejansko lahko obnovi s postopki recikliranja. Glede na najnovejše podatke Inštituta za krožne materiale iz leta 2023 se stopnje pridobivanja gibljejo nad 90 %, kar zmanjšuje odvisnost od pridobivanja svežih materialov iz rudnikov. Še bolje pa je, da so podjetja, ki delujejo v zaprtih sistemih v sodelovanju z reciklerji, uspela zmanjšati emisije skozi celoten življenjski cikel izdelkov za približno štirideset do šestdeset odstotkov v primerjavi s tradicionalnimi metodami, ki se osredotočajo izključno na nove surovine.

Načrtovanje za ponovno uporabo in pridobivanje na koncu življenjske dobe pri vodikovih sistemih

Današnji vodikovi sistemi se premikajo proti modularnim nastavitvam, ki dejansko podaljšujejo življenjsko dobo opreme, saj omogočajo obnovo ali ponovno uporabo posameznih delov. Vzemimo na primer sklade električnih razcepov, ki se pogosto razstavijo in znova uporabijo v manjših operacijah. Medtem pa se bipolarni plošče običajno lahko obnovijo z neko obliko elektrokemičnega poliranja. Obstaja tudi standard ISO 22734 iz leta 2023, ki povzroča valove v industriji. Omogoča, da različni deli delujejo skupaj prek različnih generacij infrastrukture, tako da starejši komponenti ne postanejo zastareli, ko pride nova tehnologija. To je pomembno, ker proizvajalci želijo, da bi njihove naložbe trajale dlje, ne da bi morali vsakih nekaj let popolnoma zamenjati vse.

Ravnotežje med vplivi rudarjenja PGM, stopnjami recikliranja in krožno inovacijo

Recikliranje pomaga zmanjšati potrebo po novih PGM-ih, vendar ne moremo prezreti dejstva, da rudarjenje še vedno prispeva okoli 8 do 12 odstotkov k ogljičnemu odtisu pri vodikovi tehnologiji. Mednarodna agencija za energijo napoveduje, da se proizvodnja gorivnih celic do leta 2030 lahko potroji, zato je razširitev naših zmogljivosti recikliranja izredno pomembna. Pojavljajo se tudi nekatere zanimive možnosti. Vidimo stvari, kot so katalizatorji na osnovi rutenija in sistemi elektrolize, ki sploh ne potrebujejo dragocenih kovin. Ti razvoji pomenijo manjšo odvisnost od redkih virov in nas približujejo ciljem krožnega gospodarstva, o katerih vsi nenehno govorimo.

Pretvorba električne energije v plin in povezovanje sektorjev za integrirane energetske sisteme

Tehnologije pretvorbe električne energije v plin (P2G) spreminjajo trajnostne energetske sisteme tako, da omogočajo medsektorsko integracijo in prilagodljivost omrežja prek elektrolize in shranjevanja na osnovi vodika. Te rešitve povezujejo presežke obnovljive električne energije z industrijskimi potrebami po energiji ter hkrati napredujejo načela krožnega gospodarstva.

Elektroliza in metanizacija: tehnologije pretvorbe električne energije v plin, ki omogočajo prilagodljivost

Postopek elektrolize uporablja obnovljivo električno energijo in razcepi molekule vode na vodik in kisik. Medtem deluje metanizacija drugače, saj združi vodik s plinastim ogljikovim dioksidom, ki je bil zajet drugje, ter tako ustvari sintetično metansko gorivo. Te tehnologije postanejo zelo zanimive, kadar delujejo na sončne panoge ali vetrne turbine, saj potem dobimo goriva, ki ne sproščajo dodatnega ogljika v atmosfero. Delujejo posebej dobro za industrije, kot je letalstvo, kjer še ni izvedljivo popolno preklapljanje na električno energijo. Če pogledamo trenutne podatke, so sodobni sistemi elektrolizerjev danes učinkoviti približno 75 do 80 odstotkov. To predstavlja približno 15-procentno izboljšanje v primerjavi s tem, kar je bilo mogoče doseči leta 2020, kar pomaga tem tehnologijam pristopiti bliže komercialni uporabnosti za podjetja, ki iščejo načine za zmanjševanje emisij.

Shranjevanje energije na osnovi vodika in uravnoteženje omrežja

Vodik ima energijsko gostoto približno 33,3 kWh na kilogram, kar ga naredi zelo primernega za shranjevanje dodatne obnovljive energije, ko upade povpraševanje. Ko se vetrne elektrarne povežejo s približno 5 gigavati elektrolizerjev, vsako leto zmanjšajo izgube energije za okoli 34 odstotkov v omrežjih, kjer prevladujejo obnovljivi viri, kot je pokazala raziskava iz lanskega leta. To praktično pomeni, da lahko energetske podjetja bolje uravnavajo nenadne nihanja v oskrbi ter ohranjajo neprekinjen tok električne energije tudi med večdnevnimi obdobji slabega vremena.

Povezovanje sektorjev: Integracija električne energije, industrije in plinskih omrežij

P2G spodbuja simbiotske odnose med sektorji: električne mreže oskrbujejo vodik v tovarnah gnojil, medtem ko industrijska odpadna toplota podpira daljinsko ogrevanje. Integrirani modeli kažejo, da te konfiguracije zmanjšajo izgube primarne energije za 28–32 % v primerjavi s samostojnimi sistemi. Hibridne električno-plinske mreže prav tako izboljšujejo odpornost in imajo za 40 % manj ur izpadov med ekstremnimi vremenskimi pojavi.

Poti iz biomase in odpadkov v vodik v okviru krožnih ogljikovih modelov

Pretvorba biomase in organskih odpadkov v trajnosten vodik

Kmetijski ostanki, preostanki hrane in celo komunalni mulj dobivajo novo življenje s procesi plinifikacije in anaerobnega razkraja, ki jih pretvarjajo v vodikov gorivo. Samo v Evropi bi lahko te tehnologije obdelale okoli 60 milijonov ton organskih odpadkov vsako leto, iz smeti naredile nekaj vrednega namesto da bi le stali na odlagališčih. Nedavna izboljšanja metod hidrotermalne obdelave pomenijo, da dosegamo boljše rezultate pri delu z mokrimi biomasnimi materiali, tako da se lahko učinkovito obdelujejo tudi mokri tokovi odpadkov, ki so bili prej problematični. Dodatna prednost je tudi varovanje okolja, saj ta metoda preprečuje izpuščanje metana med naravnim razpadanjem odpadkov s časom, kar je smiselno za vse, ki skrbijo za vplive podnebnih sprememb.

Vključevanje vodika v okvir krožnega ogljičnega gospodarstva

Vodik, pridobljen iz odpadkov, povezuje naravne ogljične cikle z ukrepi za zmanjševanje industrijskih emisij. Kombinacija tega pristopa s tehnologijo lovljenja ogljika dejansko povzroči odstranitev več ogljika iz atmosfere, kot se jih sprosti. Vzemimo za primer odlagališča. Pretvorba njihovih metanskih emisij v uporaben vodik in hkratno fiksiranje CO2 ustvari tako imenovani zaprti ogljični sistem. Takšne naprave so še posebej uporabne za industrije, kot je proizvodnja cementa, kjer nadomeščajo tradicionalna goriva v pečeh. Poleg tega ujeti CO2 ni le shranjen nekje; namesto tega se uporablja za gojenje alig, ki proizvajajo biogoriva, namesto da bi miroval. Tako ogljikove molekule ostajajo aktivne v gospodarstvu, namesto da se kopičijo kot onesnaževala.

Primerjalna trajnost: vodik iz odpadkov nasproti zelenemu vodiku

Vodik iz odpadkov omogoča takojšnje zmanjšanje emisij z valorizacijo odpadkov, medtem ko zeleni vodik ponuja dolgoročno in obsežno rešitev, ki jo omogočajo obnovljivi viri energije.

Pogosta vprašanja o trajnostnem vodiku

Kaj je zeleni vodik in kako se proizvaja?

Zeleni vodik se proizvaja s postopkom elektrolize, ki jo napajajo obnovljivi viri energije, kot sta veter ali sončna energija. Ta postopek razcepi molekule vode na vodik in kisik brez neposrednih ogljikovih emisij.

Kako zeleni vodik zmanjšuje emisije ogljika?

Zeleni vodik omogoča industriji znatno zmanjšanje emisij CO2 tako, da nadomešča fosilna goriva s vodikom, ki pri zgorevanju oddaja le vodno paro.

Kakšne so izzivi pri uporabi zelenega vodika?

Med izzive spadajo potreba po novi infrastrukturi za obnovljive vire, certifikacijski standardi za zagotavljanje resnično zelene proizvodnje ter upravljanje dobavnih verig za redke kovine, uporabljene v vodikovi tehnologiji.

Ali lahko vodik resnično dolgoročno ostati trajnosten?

Da, še posebej če se kombinira s recikliranjem in prizadevanji za krožno gospodarstvo, da se zmanjša uporaba svežih materialov in zagotovi trajnostnost življenjske dobe komponent tehnologije vodika.