Riešenie na výrobu zeleného vodíka

Vo všeobecnosti možno vodík použiť ako palivo dvoma hlavnými spôsobmi. Môže byť spálený na výrobu tepla alebo môže byť privedený do vodíkového palivového článku na výrobu elektriny. Dobrou správou je, že akonáhle sa modrý alebo zelený vodík vyrobí, má množstvo rôznych aplikácií:
Doprava:Vodík sa už používa na poháňanie autobusov a iných foriem verejnej dopravy, najmä v Japonsku. Môže byť tiež použitý na pohon nákladných vozidiel a vlakov, zatiaľ čo palivá na báze vodíka, ako je amoniak, môžu byť použité v letectve a lodnej doprave. Širšie využívanie vodíka na pohon vozidiel bude závisieť od toho, že cena vodíkových palivových článkov bude lacnejšia a čerpacie stanice na vodík budú čoraz bežnejšie.

Vytváranie energie:Vodík možno použiť na premenu obnoviteľných zdrojov energie na palivo, ktoré sa potom môže skladovať a prepravovať na veľké vzdialenosti. Vodík a čpavok možno použiť aj v plynových turbínach a uhoľných elektrárňach na zníženie ich emisií.

Vykurovanie budov:Vodík má obrovský potenciál nahradiť zemný plyn na vykurovanie domácností a komerčných budov prostredníctvom existujúcej infraštruktúry zemného plynu. Vodíkové kotly a domáce vodíkové palivové články si vyžadujú ďalší vývoj, ale v budúcnosti by mohli zohrať dôležitú úlohu.

Priemysel:Vodík sa v súčasnosti používa v širokej škále dôležitých priemyselných procesov. Patrí medzi ne rafinácia benzínu, výroba ocele, úprava kovov a výroba rôznych chemikálií.

Na rozdiel od šedého vodíka je zelený vodík plne obnoviteľný ako vo svojom zdrojovom materiáli, tak aj v dodávke energie. Pokiaľ ide o zdrojový materiál, zelený vodík sa dnes zvyčajne generuje z vody prostredníctvom procesu známeho ako elektrolýza, ktorý využíva elektrický prúd na rozdelenie vody na molekuly vodíka a kyslíka. Robí sa to pomocou zariadenia nazývaného elektrolyzér, ktorý využíva katódu a anódu (kladne a záporne nabité elektródy). Tento proces produkuje iba kyslík – alebo paru – ako vedľajší produkt. Pokiaľ ide o dodávku energie, na to, aby sa mohla považovať za „zelený vodík“, zdroj elektriny používanej na elektrolýzu musí pochádzať z obnoviteľnej energie, ako je veterná alebo slnečná energia.

Existujú tri hlavné typy elektrolyzérov:Alkalické, protónová výmenná membrána (PEM) a tuhý oxid. Tieto sa líšia v povahe použitého elektrolytického materiálu. Alkalické elektrolyzéry využívajú vodný roztok s alkalickou soľou na umožnenie elektrickej vodivosti, zatiaľ čo elektrolyzéry PEM používajú pevnú polymérnu membránu (elektrolyt). Elektrolyzéry s pevným oxidom používajú ako elektrolyt pevný keramický materiál, ktorý im umožňuje pracovať pri vyššej elektrickej účinnosti a oveľa vyšších teplotách. To umožňuje použitie pary a vonkajšieho tepla ako zdroja energie namiesto spoliehania sa na elektrinu. Elektrolýza pevných oxidov teda umožňuje výrazne nižšie náklady na operácie, pretože teplo je zvyčajne lacnejšie a niekedy sa prirodzene vyrába ako vedľajší produkt určitých priemyselných procesov.

Pred rokmi bol vodík vnímaný len ako riešenie pre evolúciu ekologickejších vozidiel. Keďže elektrické vozidlá získali väčšiu trakciu, vodík je čoraz viac vnímaný ako riešenie pre iné priemyselné odvetvia.

Dopyt po vodíku sa neustále zvyšuje, pretože jeho používanie sa rozširuje v priemyselných a výrobných odvetviach na rôzne účely, vrátane rafinácie ropy, výroby ocele a výroby cementu. Ako však rastie popularita vodíka, význam zeleného vodíka nemožno preceňovať. Alarmujúce je, že 98 % vodíka sa vyrába z fosílnych palív, pričom neexistujú žiadne kontroly alebo predpisy týkajúce sa emisií oxidu uhličitého. Ale zelený vodík má potenciál to zmeniť – navždy.

Od dymu z komerčnej rastlinnej výroby až po výfukové plyny poháňané benzínom a naftou, výroba zeleného vodíka znižuje alebo eliminuje potrebu zdrojov energie z fosílnych palív, ktoré uvoľňujú veľké množstvo oxidu uhličitého do ovzdušia. V odvetví dátových centier, keď sa v úložných systémoch vyvíja vodík, možno ho použiť namiesto dieselových záložných generátorov na napájanie budúcich dátových centier. Výsledkom je množstvo výhod zeleného vodíka, ktoré umožňujú vládam a organizáciám posilniť národnú energetickú bezpečnosť, šetriť palivo, znižovať celkové emisie a diverzifikovať energetické možnosti dopravy od áut až po rozsiahle systémy verejnej dopravy.

Technológia zeleného vodíka nemohla byť predstavená v lepšom čase. US Energy Information Administration predpovedá, že globálny dopyt po energii sa do roku 2050 zvýši o 47 %. Jediný spôsob, ako kompenzovať tento dopyt vo forme výroby energie z ropy a uhlia, je prijatie ekologickejších metód, ako je napríklad zelený vodík.

A vďaka technologickým objavom, ktoré v podstate dekarbonizovali výrobu vodíka, sa mnoho spoločností obracia na uhlíkové kompenzácie, ktoré využívajú zelený vodík na zníženie ich uhlíkovej stopy a splnenie agresívnych cieľov ESG.

Proces výroby zeleného vodíka má svoje výhody. Medzinárodná energetická agentúra (IEA) uvádza, že zelený vodík ušetrí približne 830 miliónov ton oxidu uhličitého emitovaného ročne v porovnaní s tým, keď sa plyn vyrába pomocou tradičných metód fosílnych palív. To sa rovná celoročnej hodnote emisií z Veľkej Británie a Indonézie dohromady!

Rovnako ako pri každej novej technológii, aj tu je potrebné prekonať niekoľko výziev, keď nastane boom zeleného vodíka. Niektoré otázky, ktoré je potrebné zvážiť, zahŕňajú efektívnosť procesu a náklady na výrobu vo veľkom meradle, okrem vytvárania riešení dlhodobého skladovania pod tlakom. Odhliadnuc od výziev, zelený vodík je vzrušujúca nová technológia, ktorá by mohla pomôcť vyvážiť veľmi potrebnú veľkovýrobu zelenej energie.

Veľká časť odklonu od fosílnych palív zahŕňa elektrifikáciu niektorých každodenných strojov, ktoré používame a ktoré sú poháňané ropou a plynom – autá a miestna doprava a napríklad vykurovanie domácností v niektorých krajinách. Pre tých, ktorí sú už elektrifikovaní, ako sú počítače a domáce spotrebiče, uhlie nahrádza elektrina z jadra a obnoviteľné zdroje, ako je vietor a slnko.

Existujú však odvetvia, ktoré vyžadujú toľko energie, že tradičné obnoviteľné zdroje nedokážu uspokojiť ich dopyt. To je problém, pretože tieto odvetvia patria medzi najväčších producentov skleníkových plynov.

Práve tu má podľa odborníkov obrovský potenciál zelený vodík.
„Elektrická energia zo zdrojov, ako je vietor, slnko a jadro, je nevyhnutná pre dekarbonizáciu nášho energetického systému – ale nedokáže to sama, a diaľková doprava a ťažký priemysel sú domovom emisií, ktoré sa dajú najťažšie znížiť,“ povedal energetický analytik Medzinárodná agentúra pre energiu.

„Vodík je dostatočne všestranný na to, aby zaplnil niektoré z týchto kritických medzier – pri poskytovaní životne dôležitých surovín pre chemický a oceliarsky priemysel alebo kľúčových prísad do nízkouhlíkových palív pre lietadlá a lode,“ povedal Remme pre CNN.

Napríklad prevádzka lietadla alebo veľkej lode si vyžaduje toľko energie, že akákoľvek batéria používaná na skladovanie elektriny zo slnka alebo vetra by bola pre plavidlo pravdepodobne príliš veľká a ťažká. Zelený vodík, na druhej strane, môže prísť v tekutej forme a je ľahší. Podľa spoločnosti Airbus, ktorá vyvíja komerčné lietadlo s nulovými emisiami, je energetická hustota zeleného vodíka trikrát vyššia ako pri prúdových palivách, ktoré dnes používame.

Zatiaľ čo tekutý zelený vodík by emitoval nulový uhlík, má určité obmedzenia. Pri spaľovaní vo voľnej atmosfére sa uvoľňuje malé množstvo oxidu dusného, ​​čo je silný skleníkový plyn. Ak sa však vodík privádza cez palivový článok, bude vypúšťať iba vodu a teplý vzduch.

Niektorým malým lietadlám sa podarilo lietať s palivovými článkami napájanými vodíkom, hoci technológia ešte nebola komerčne rozšírená.

V súčasnosti je všetko na palube, aby sa dosiahli klimatické ciele. Energetický prechod skutočne potrebuje veľkú podporu. Vodík k tomu môže významne prispieť. Spolupráca je nevyhnutná na to, aby bolo možné úspešne využívať vodík, napríklad na prispievanie k znižovaniu CO2 v priemysle, e-palivách pre lietadlá a využívaní v zastavanom prostredí. Potrebné sú však investície a sú tu otázky.

čo je vodík?
Vodík je najbežnejším prvkom v našom vesmíre. Za normálnych okolností je plynný a hovoríme o plynnom vodíku (H2). Vodík je tiež najľahší plyn, aký poznáme, a preto má nízku hustotu energie na jednotku objemu (v m3). Na hmotnosť (v kg) má vodík vysokú hustotu energie 120 megajoulov (MJ) na kg. To je takmer trikrát viac ako zemný plyn (45 MJ na kg). Vodík je často pod tlakom. Natlakovanie (stlačenie) plynného vodíka si však vyžaduje aj potrebnú energiu (asi 10 %).

Čo je sivý a modrý vodík?
Takmer všetok vodík, ktorý sa v súčasnosti celosvetovo vyrába, je takzvaný „sivý vodík“. Výroba v súčasnosti prebieha prostredníctvom Steam Methane Reforming (SMR). Tu vysokotlaková para (H2O) reaguje so zemným plynom (CH4), čím vzniká vodík (H2) a skleníkový plyn CO2. V Holandsku sa týmto spôsobom vyrobí približne 0,8 milióna ton H2, pričom sa použijú štyri miliardy metrov kubických zemného plynu a vygenerujú sa emisie CO2 vo výške 12,5 milióna ton.
Pojem „modrý vodík“ alebo „nízkouhlíkový vodík“ sa používa vtedy, keď sa CO2 uvoľnený v procese výroby sivého vodíka z veľkej časti (80-90 %) zachytí a uloží. Toto sa tiež nazýva CCS: Carbon Capture & Storage. To by sa mohlo stať v prázdnych plynových poliach pod Severným morom. Nikde inde na svete sa modrý vodík vo veľkom nevyrába.

Čo je zelený vodík?
Zelený vodík, tiež známy ako „obnoviteľný vodík“, je vodík, ktorý sa vyrába z udržateľnej energie. Najznámejšia je elektrolýza, pri ktorej sa voda (H2O) štiepi na vodík (H2) a kyslík (O2) prostredníctvom zelenej elektriny. Veľký počet strán v Holandsku experimentuje s týmito elektrolyzérmi v megawattovom meradle. Vodík sa uvoľňuje aj pri vysokoteplotnom splyňovaní biomasy.

Čo je tyrkysový vodík?
Vodík vyrobený zo zemného plynu pomocou takzvanej technológie pyrolýzy roztaveného kovu sa nazýva „tyrkysový vodík“ alebo „nízkouhlíkový vodík“. Zemný plyn prechádza cez roztavený kov, ktorý uvoľňuje plynný vodík, ako aj pevný uhlík. Ten môže nájsť užitočné uplatnenie napríklad v pneumatikách automobilov. Táto technológia je stále v laboratórnej fáze a bude trvať najmenej desať rokov, kým sa zrealizuje prvý pilotný závod.

Aké sú ďalšie zásadné rozdiely medzi modrou a zelenou?
Okrem spôsobu výroby existuje niekoľko ďalších kľúčových rozdielov:
Iba zelený vodík vyrobený elektrolýzou zaisťuje, že veľké množstvá trvalo udržateľnej elektriny vyrobenej na mori a na súši možno správne integrovať do nášho energetického systému. Len elektrolýza dokáže flexibilne (na požiadanie) premeniť elektrinu na vodík a následne ju uskladniť.
Rozvoj elektrolýzy vo veľkom meradle navyše pomôže uspokojiť rastúci dopyt po elektrickej energii a tým stimulovať rast udržateľnej energie.
Rozdiel je aj v kvalite. Zelený vodík má vyšší stupeň čistoty a možno ho okamžite použiť, napríklad v palivovom článku vozidla. Modrý vodík má nižšiu úroveň čistoty, dostatočnú na priemyselné použitie.
Výroba modrého vodíka je spôsob, ako „dekarbonizovať“ priemysel, tj znížiť CO2, vo veľkom meradle a za relatívne nízke náklady.

Biely vodík z pôdy čistý zdroj energie budúcnosti?
Už poznáme sivý, modrý a zelený vodík, no teraz sa ukazuje, že dostupný je aj biely alebo prírodný vodík. Pochádza z pôdy, rovnako ako zemný plyn. Pri spaľovaní vodíka s kyslíkom sa uvoľňuje iba voda. Biely vodík je prírodný vodík z podpovrchu, ktorý má potenciál stať sa dôležitým zdrojom energie budúcnosti, ak bude vyrobený elektrolýzou vody s veternou alebo solárnou energiou (zelený).
Nevyrába sa potom z prírodného popola alebo uhlia (sivé), a to ani tým, že najprv zachytí CO2 (modré). Plyn sa používa najmä na tepelné procesy v chemickom priemysle a pri výrobe ocele a hnojív. Pri prechode z fosílnej na zelenú energiu môže slúžiť ako zásobník elektriny v období bez slnka a vetra.

Akú úlohu hrá vodík pri prechode energie?
V našom súčasnom energetickom mixe sa približne 20 % dodáva vo forme elektriny a 80 % vo forme zemného plynu alebo kvapalného fosílneho paliva (benzín, nafta). Naše klimatické ciele túto situáciu v blízkej budúcnosti značne zmenia. Podiel elektriny vyrobenej veternou a solárnou energiou sa prudko zvýši. Pre množstvo aplikácií, ako je ťažká doprava, vysokoteplotné procesy v priemysle a letectve, stále chýba dobré elektrické riešenie a stále existuje potreba trvalo udržateľného plynu. Vodík tu môže hrať užitočnú úlohu. Vodík je navyše dôležitý vo forme veľkokapacitného skladovania pre tie chvíle, keď je bezvetrie a zamračené.

Ktoré krajiny tiež pracujú na vodíku?
Krajiny ako Nórsko, Austrália, Maroko, Čile, Saudská Arábia, Čína a Japonsko sú so zeleným vodíkom veľmi aktívne, najmä preto, že na výrobu zeleného vodíka existuje značná (potenciálna) dostupnosť lacnej obnoviteľnej energie z veternej, solárnej alebo vodnej energie. Výnimkou je však Japonsko, ktoré je do značnej miery závislé od dovozu, pokiaľ ide o dodávky energie, a vyvinulo stratégiu na dovoz (zeleného) vodíka vo veľkom meradle. Jeho kľúčová úloha spočíva v rozvoji technológií. Holandsko je v dobrej pozícii čiastočne vďaka našim znalostiam technológie plynu a elektrolýzy, veľkému potenciálu veternej energie v Severnom mori a energeticky náročnému priemyslu, ktorý sa musí pevne zaviazať k udržateľnosti.

Na čo budeme využívať vodík?
Vodík je obzvlášť dôležitý pre spracovateľský priemysel. V súčasnosti sa používa najmä na výrobu hnojív, ale v budúcnosti sa môže použiť aj na vysokoteplotné procesy, ako je výroba ocele, na ktorú sa teraz používa zemný plyn alebo uhlie. Okrem toho bude vodík hrať úlohu v mobilite, napríklad pre medzimestské autobusy, ktoré musia prekonávať väčšie vzdialenosti a kde elektrický pohon nie je riešením.

Čo znamená vodík pre občana?
Z krátkodobého hľadiska sa toho veľa neukáže. Napríklad používanie vodíka v domácnostiach bude dávno prekonané, ak k tomu vôbec dôjde. Pre väčšinu domov predstavuje lepšie riešenie spoločná tepelná sieť alebo elektrické tepelné čerpadlo. V premávke sa bude pomaly zvyšovať počet vodíkových áut (v súčasnosti menej ako sto) a počet vodíkových čerpacích staníc (v roku 2018: 3).

Aké sú riziká?
Vodík je veľmi ľahký plyn, vysoko horľavý a používa sa pri pohybe pod tlakom do 700 barov. Tak ako s každým iným plynom je dôležité pri výrobe, preprave a používaní s ním narábať opatrne a prenechať ho výhradne odborným firmám. Ak sa má vodík používať v existujúcich plynovodoch, je dôležité ďalej skúmať, ako sa vodík vlastne „správa“ v praxi. Vodík je ľahší ako zemný plyn a môže ľahšie uniknúť z ventilov a tesnení.

Čo robí TNO z hľadiska výskumu vodíka?
TNO je nezávislá organizácia, ktorá vykonáva špičkový aplikovaný výskum. Jej výskum v oblasti vodíka sa zameriava na výrobu, infraštruktúru a aplikácie (konverzia a konečné použitie). V roku 2020 TNO realizovalo viac ako 50 projektov súvisiacich s týmito témami. Odkazy na výber z týchto projektov nájdete nižšie (položka 15).

Ako ďaleko je vývoj zeleného vodíka?
V rokoch 2000 až 2018 bolo uvedených do prevádzky približne 230 projektov elektrolýzy s celkovou kapacitou približne 100 MW (zdroj: IEA 2019, The Future of Hydrogen). V roku 2020 bola globálna inštalovaná kapacita 200 MW a približne 2 400 MW do konca roku 2023. Tieto čísla ukazujú, že sme len na začiatku a že musíme vyvinúť úplne nový dodávateľský reťazec.
Potrebujeme nové spoločnosti, nových dodávateľov a nových výrobcov na vývoj materiálov a komponentov pre väčšie elektrolýzne systémy novej generácie. Toto je jedinečná príležitosť pre holandský high-tech priemysel. Cieľom Európskej únie je do roku 2030 nainštalovať 40 GW elektrolýznej kapacity v Únii a ďalších 40 GW v severnej Afrike. Dosiahnutie tohto cieľa si bude vyžadovať zrýchlenie tempa technologických inovácií a skutočných projektov.

Aké sú najväčšie technické výzvy, ktoré predstavuje elektrolýza?
Pokiaľ ide o elektrolýzu vody, v súčasnosti sú k dispozícii štyri technológie (AEM, SOE, PEM a Alkaline), z ktorých každá má svoje špecifické výhody, nevýhody a úroveň zrelosti. Pozrite si naše video o výrobe vodíka pomocou elektrolýzy (otvorí sa v novom okne alebo karte) (odkazuje na inú webovú stránku). Pre všetky štyri technológie sú tri hlavné výskumné výzvy:
znížiť kapitálové výdavky spojené so systémom
zlepšiť efektívnosť systému
prekonať prekážky brániace veľkovýrobe, aby sa do roku 2030 mohla dosiahnuť ročná celosvetová výrobná kapacita elektrolyzéra 30 GW.

Produkty sa predávajú vo všetkých regiónoch Číny a vyvážajú sa do krajín po celom svete. Predávali sa vo viac ako 20 krajinách a regiónoch vrátane Spojených štátov, Nemecka, Maroka, Kene, Saudskej Arábie, Vietnamu, Alžírska, Indie, Tanzánie a Taiwanu. Úspešne poskytli známe podniky, ako sú China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group a ďalšie známe podniky. Existuje mnoho staníc na hydrogenáciu zeleného vodíka, ako sú Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming atď., ktoré poskytujú zelené projekty a projekty na výrobu vodíka.