Како се водонична енергија користи у производњи електричне енергије

Производња електричне енергије коришћењем водоника се првенствено одвија кроз две методе: горивне ћелије и комбинације турбина прилагођене за употребу водоника. Технологија горивних ћелија ради тако што ствара енергију електрохемијским процесима, а у комбинацији са системима рекуперације топлоте може постићи ефикасност од око 60%. Многе постојеће комбинационе турбине које су првобитно изграђене за рад на природни гас сада могу да обраде смесе водоника или чак чисти водоник, чиме оператерима мреже обезбеђују потребну флексибилност за одржавање стабилне електро-снабдевености. Производња зеленог водоника подразумева расцепљивање молекула воде коришћењем обновљивих извора енергије као што су ветар и сунчева енергија, кроз процес који се назива електролиза. Овај зелени водоник се затим складишти све док не дође до смањења доступности обновљиве енергије, када се може поново претворити у електричну енергију. Узмимо на пример Немачку, где више офшор инсталација ветрогенератора већ производи зелени водоник. Ови пројекти су успели да смање зависност од електрана на угљу за отприлике 40% у одређеним тестним подручјима, иако се резултати разликују у зависности од локалних услова и специфика имплементације.

Интеграција водоника у постојеће електричне мреже

Водоник доприноси очишћавању електричних мрежа, истовремено одржавајући њихову стабилност. Када има вишка обновљиве енергије, водоник је акумулира и затим испушта када захтев за енергијом расте. Узмимо као пример Данску – њихови пилот пројекти су показали да складиштење водоника у соним шупљинама смањује губитак енергије између 15 и чак 20 процената годишње. Све чешће се појављују овакви хибридни системи у којима соларне фарме раде паралелно са опремом за електролизу, мада за слажење свих компонената потребан напредан систем управљања енергијом због двосмерног тока енергије кроз систем. Погледајте шта Калифорнија ради кроз свој пројекат Renewable Hydrogen Backbone – ту се водоник користи како би се одржала стабилност мреже током интензивних таласа врућина који у последње време често ометају нормалан рад система.

Студија случаја: Електране на водоник у Немачкој и Јапану

Енерги-парк Мајнц у Немачкој спаја електролизер од 6 мегавата са изворима енергије ветра како би сваке године произвео око 200 тона водоника. Ова поставка може заправо да снабдева електричном енергијом отприлике 2.000 домаћинстава током прекида напајања, кроз свој систем горивних ћелија од 1,4 MW. Преко Тихог океана, Јапан је развио нешто још веће под називом Фукушима хидрогенски центар за истраживање енергије, или скраћено FH2R. Са капацитетом од 10 MW, то је највећа зелена водонична инсталација на свету. Она не само да помаже у напајању делова Токија, већ истраживачи је користе и за експерименте у вези превоза водоника преко океана. Оно што овим пројектима истиче је њихова импресивна ефикасност од око 95%. Постижу ову високу перформансу зато што прилагођавају количину произведеног водоника у зависности од стварне потражње електричне мреже у било ком тренутку.

Изазови у повећању употребе водоника за основно напајање

Три главна баријера ограничавају улогу водоника у основном напајању:

• Trošak : Трошкови капиталне опреме за електролизер су и даље отприлике три пута већи него код гасних турбина.
• Губици ефикасности : Претварање електричне енергије у водоник и назад има губитак енергије од 30–35%.
• Infrastruktura : Мање од 15% светских гасовода може безбедно да преноси смесе водоника изнад 20%.

Преглед индустрије из 2021. године истакао је издржљивост горивних ћелија и омекшавање цевовода као кључне приоритете истраживања и развоја, проценивши потребу за улагањем од 1,2 трилиона долара у надградњу инфраструктуре до 2040. године. Иако водоник допуњује обновљиве изворе енергије, тренутно му недостаје паритет по питању трошкова за широко распрострањену основну употребу.

Водоник за загревање: Децарбонизација индустријских и стамбених система

Улога енергије водоника у декарбонизацији система за загревање

Око 40 процената свих емисија CO2 из потрошње енергије широм света долази од загревања, према подацима Међународне агенције за енергију из прошле године, због чега многи стручњаци сматрају да је водоник прави играч у замени фосилних горива и у индустријским пећима и у котловима за домове. Чињеница да водоник гори на температурама које достижу скоро 2800 степени Целзијуса чини га посебно погодним за тешке индустрије као што је производња челика. Неки тестови са микро системима комбиноване топлоте и снаге на горивне ћелије такође су показали импресивне резултате, достигавши ефикасност од око 90 процената када се користе за мреже централног отопљења. Занимљиво је да водоник заправо ради прилично добро у отприлике 20% тренутних гасоводних цевовода без потребе за изменама инфраструктуре, нешто што би заиста могло убрзати усвајање ове технологије у различитим секторима.

Мешање водоника са природним гасом у цевоводима

Мешање водоника у постојеће гасне мреже нуди прелазни пут:

Evropska ispitivanja pokazuju da mešavine od 20% mogu smanjiti emisiju za 6 miliona tona godišnje, uz očuvanje bezbednog rada. Međutim, zbog niže zapreminske gustine energije vodonika, protok mora da se poveća za 15–25% pri višim nivoima mešavine.

Pilot projekti u Velikoj Britaniji i Holandiji koji koriste vodonik za grejanje domova

Програм HyDeploy у УК је успео да умеша водоник у гасовод за око 300 дома са концентрацијом од приближно 20%, а већина људи је била задовољна – отприлике 8 од 10 учесника изјавило је да су задовољни. На другој страни, у Холандији, ствари су постале још занимљивије са експериментом H2Stad, где су потпуно пребацили 1.500 дома на бојлере напајане водоником. Резултати су такође били импресивни, јер су емисије из гретања смањене за скоро 90% у поређењу са обичним системима на природни гас. Иако ови тестни програми показују да водоник може функционисати у већем размеру, постоје и забринутости које треба имати у виду. Тестови материјала указују да, ако цевоводи стално преносе чист водоник, њихов корисни век може бити скраћен између 12% и можда 18%. Нису то добре вести, али је и даље управљиво уз одговарајуће планирање.

Ефикасност и безбедносне забринутости код грејања на бази водоника

Водонични бојлери раде са ефикасношћу од око 85 до 90 процената, што је заправо нешто ниже у односу на природни гас који има око 94%. Водоник се међутим лакше запали, јер му је потребно само 0,02 mJ у поређењу са метаном којем је потребно 0,3 mJ. То значи да су нам потребни веома добри системи за откривање цурења који могу детектовати чак и минималне количине, можда чак и концентрацију од 1%. Према неким недавним студијама ДНВ-а из 2023. године, водоник тендуира да продре кроз полиетиленске цеви око 30 пута брже него обични гас. Због овог проблема, већина старијих мрежа цеви вероватно ће морати да дода специјалне композитне подлоге у неком тренутку. А није треба заборавити ни на правилну вентилацију. Када се зграде правилно модернизују, ова једноставна мера сама по себи може смањити опасност од експлозије за скоро 92%.

Водоник у саобраћају: од горивних ћелија до авијације

Возила са горивним ћелијама на водоник као чиста алтернатива превозу

Vozila sa gorivnim člankom rade tako što stvaraju energiju putem hemijskih reakcija unutar ćelije, a u suštini ispuštaju samo vodenu paru kao izduvni gas. Velika prednost je da se punjenje obavi za manje od pet minuta, a ova vozila mogu preći više od 500 kilometara pre nego što im ponovo zatreba dopuna. Kada je reč o vozilima za duga putovanja, kao što su kamioni i teretni brodovi, ovo ih čini boljim od običnih baterija jer upakuju više energije u manji prostor, bez velikih gubitaka prostora za teret. Kompanije kao što su Toyota i Hyundai su u poslednje vreme počele ozbiljno ulažući sredstva u vodonične tehnologije za svoje veće transportne potrebe.

Uvođenje autobusa i kamiona na vodonik u Kaliforniji i Južnoj Koreji

Projekat H2 Frontier u Kaliforniji rasporedio je više od 50 autobusa pogonjenih vodonikom na 12 prevoznih područja od 2023. godine, smanjujući emisiju gasova za 1.200 tona godišnje. U Južnoj Koreji, luka na vodonik u Ulzanu koristi 120 kamiona sa gorivnim člancima za transport kontejnera, uz pomoć elektrolizera napajanih vetrom s obližnjih offshore parkova.

Водонични возови у Немачкој и Француској

Немачки возови Coradia iLint завршили су 220.000 километара без емисија 2023. године. Француска линија TER Occitanie заменила је 15 дизел јединица водоничним хибридним возовима, који користе горивне ћелије на крову како би продужили домет на неелектрификованим пругама.

Нове примене у поморској и ваздушној саобраћајној индустрији

Поморски оператери користе амонијак из водоника за погон четири теретна брода у Северном мору, чиме смањују емисију CO2 за 85% у односу на тешко гориво. У ваздушном саобраћају, регионални авioni без емисија, погоњени сагоревањем течног водоника, требало би да ступе у службу до 2035. године, при чему тренутни прототипови завршавају тест летове на удаљености од 750 km.

Изазови у инфраструктури за мреже пуњења водоником

Глобално постоји мање од 1.000 станица за пуњење водоником, од чега 42% у Европи и 38% у Азији. Складиштење под високим притиском и даље је скупо — 1.800 долара по kg 2024. године — а крхкост материјала цевовода представља изазов за дистрибуцију у великом обиму.

Производња зеленог водоника: Напредне одрживе методе

Сиви, плави и зелени водоник: Компромиси између заштите животне средине и економске исплативости

Постоји доста различитих начина за производњу водоника, а сваки од њих има свој утицај на животну средину и ценовник. Сиви водоник настаје из парне реформације метана (SMR) и ослобађа између 9 и 12 килограма CO2 по килограму произведеног водоника. А колика је цена? Око 1,50 до 2,80 долара по килограму према Међународној агенцији за енергију из 2023. године. Затим постоји плави водоник који у основи користи исти SMR процес, али додаје технологију захватања угљеника. То смањује емисије за око 80 до 90 процената, мада повећава цену на отприлике 2,50 до 4 долара по килограму. И на крају имамо зелени водоник, који настаје када струја из обновљивих извора напаја опрему за електролизу. Ова метода не ослобађа никакве директне емисије и тренутно кошта између 3 и 5 долара по килограму. То је заправо доста ниже у односу на некадашње цене само пар година раније, кад су биле око 4 до 6 долара по килограму.

Напредак у електролизи побољшава производњу зеленог водоника

Електролизери са протонском разменом мембране (PEM) сада достигну ефикасност од 75–83%, у порасту у односу на 60% 2010. године. Алкални системи раде са ефикасношћу од 65–70% и имају век трајања већи од 60.000 сати. Електролизери са чврстом оксидном мембраном (SOEC), који раде на температурама од 700–900°C, постигли су ефикасност од 85% у испитивањима, што показује добре перспективе за производњу зеленог водоника на индустријској скали (ScienceDirect 2024).

Трендови цена и скалабилност производње водоника напајаног обновљивим изворима

Цена производње водоника путем електролизе коју напаја соларна енергија драстично је опала, смањивши се за око 62% од 2015. године. Сада у 2024. години имамо цене између 3 и 4,50 долара по килограму. На јужној страни, у Аустралији, ветрењаче производе више од 1.000 тона зеленог водоника сваке године по цени од око 3,80 долара по килограму. У међувремену, у Кини, велики електролизатори сваке године чине производњу све јефтинијом, смањујући трошкове за отприлике 18% годишње. У будућности, BloombergNEF предвиђа да би цена зеленог водоника могла достићи само 1,50 долара по килограму до 2030. године. Ово би се десило како се обновљиви извори енергије настављају са брзим ширењем, што се очекује да чини скоро 85% свих нових извора струје широм света.

Често постављене питања

Који су главни начини генерисања електричне енергије коришћењем водоника? Главни начини су преко горивних ћелија и комбинације турбина прилагођених за водоник.
Како водоник доприноси стабилности мреже? Водоник чува вишак обновљиве енергије и ослобађа је током вршних потражњи, чиме осигурава стабилност мреже.
Који су тренутни изазови у коришћењу водоника за основно напајање? Високи трошкови, губици ефикасности током конверзије енергије и ограничења инфраструктуре су главни изазови.
Како се водоник користи у системима за загревање? Водоник може заменити фосилна горива у индустријским и становним системима за загревање, пружајући одрживу алтернативу.
Који напредаци су постигнути у производњи зеленог водоника? Развој технологије електролизе и велики системи инсталација значајно су смањили трошкове и повећали ефикасност.