Zeleni vodik i druge boje vodika: perspektiva korištenja vodika kao energenta
Vodik/vodonik/hidrogen (H2) je svestran energent koji se može koristiti na različite načine kako bi se zadovoljile energetske potrebe, i zato se sve više o njemu priča kako o energentu koji nema emisije ugljičnog dioksida. Vodik i to zeleni vodik ima značajan potencijal u prelazu prema održivijem energetskom sistemu, dekarbonizaciji i treba mu dati šansu.
Iako je vodik najobilniji hemijski element u svemiru, on se ne pojavljuje slobodno u prirodi i mora se proizvoditi pomoću drugih izvora energije. Najčešći izvor za globalnu proizvodnju vodika je metan putem, dok obnovljiva elektroliza čini manje od jedan posto proizvodnje vodika. Međutim, industrija vidi veliki potencijal u iskorištavanju viškova energije dobivene vjetrom i solarne energije kako bi proizvodila zeleni vodik (green hydrogen). Zapravo, prognoze proizvodnje vodika koje dolaze od velikih energetskih institucija pokazuju da će zeleni vodik daleko nadmašiti proizvodnju fosilnog plina do sredine ovog vijeka.
Od zagrijavanja naših domova do pogona automobila i skladištenja viška energije, zagovornici ističu vodik kao ključnog igrača u dekarbonizaciji privrede. U sektoru prevoza, gorivne ćelije na vodik pokreću motore stvaranjem električne energije, ispuštajući samo vodenu paru. U teškim industrijskim sektorima poput proizvodnje cementa i čelika, neke tvrtke istražuju upotrebu zelenog vodika umjesto koksnog ugljena, što bi moglo proizvodnju ovih materiajal učiniti zelenijom održivijom i sa manjim ugljičnim otiskom.
U 2023. godini, procijenjena vrijednost globalnog tržišta za pohranu energije vodika iznosila je gotovo 16 milijardi američkih dolara (podaci Statista).
Predviđa se da će proizvodnja plavog vodika do 2050. iznositi 80 miliona tona.
Globalna potražnja za vodikom dosegnula je 95 Mt (miliona tona) u 2022., gotovo 3% više nego u 2021 (Podaci IEA).
Analitičari predviđaju da će 67% vodika do 2050. godine biti zeleno a 16% plavo (podaci Hydrogen Insight).
Kako se vodik može koristiti kao energent?
Vodik se može koristiti kao gorivo u vodikovim gorivnim ćelijama. Ovaj postupak stvara električnu energiju i vodu kao nusprodukt, čime se izbjegavaju emisije CO2.
Vodik može biti izravno izgaran u industrijskim postrojenjima, zamjenjujući tradicionalna fosilna goriva.
Vodik se može koristiti u transportu kao gorivo za vodikove gorivne ćelije u vozilima, što smanjuje emisije stakleničkih plinova u usporedbi s vozilima koja koriste konvencionalna goriva.
Važno je naglasiti da vodik ima potencijalna ograničenja. Proizvodnja vodika može zahtijevati znatne količine energije, a trenutno većina vodika proizvodi se iz fosilnih goriva. Osim toga, infrastruktura za skladištenje i transport vodika zahtijeva znatna ulaganja. Daljnji razvoj tehnologija proizvodnje, skladištenja i korištenja vodika, zajedno s povećanjem proizvodnje zelene električne energije, može pomoći u ostvarivanju čistije i održivije energetske budućnosti.
Međutim, nije tačno da vodik proizveden na bilo koji način može biti “zeleno gorivo”. Načini proizvodnje vodika iz fosilnih goriva svakako nisu zeleni. Stoga se trebamo upoznati s tipovima vodika, načinima proizvodnje i posebno sa zelenim vodikom, ekološki prihvatljivim. Upitali smo izvanrednu profesoricu dr Ankicu Kovač sa Fakulteta strojarstva i brodogradnje pri Sveučilištu u Zagrebu da nam podrobno pojasni razlike između različitih tipova vodika.
Naime, standardna podjela proizvedenoga vodika prema bojama podrazumijeva podjelu prema načinu proizvodnje. Obuhvaća zelenu, sivu, plavu i tirkiznu boju vodika, ali postoje i slučajevi proizvodnje koji ne prikazuju u potpunosti jednu navedenu boju, zbog čega možemo susresti i žutu (vodik proizveden elektrolizom korištenjem električne energije iz mreže), bijelu (vodik proizveden kao nusprodukt industrijskih procesa) i ružičastu/ljubičastu/crvenu boju (vodik proizveden elektrolizom korištenjem nuklearne energije).
Zeleni vodik, također poznat kao čisti ili obnovljivi vodik, među svim ostalim nijansama vodika, smatra se jedinim prihvatljivim za postizanje ciljeva nulte emisije do 2050. godine.
“To je vodik proizveden elektrolizom vode korištenjem 100% obnovljivih izvora energije, bez popratnih štetnih emisija. Obnovljivi vodik trenutno čini zanemarivu količinu ukupne proizvodnje vodika, ali se očekuje da će rasti kako cijena energije iz obnovljivih izvora energije i dalje bude padala. Obnovljivi vodik igrat će ključnu ulogu u uravnoteženju elektroenergetskoga sustava temeljenoga na obnovljivim izvorima energije. Prema najnovijoj europskoj taksonomiji, pod pojmom obnovljivi vodik podrazumijeva se vodik koji je proizveden s manje od 3 kg CO2eq / kgH2“, objasnila je dr Ankica Kovač.
Sivi se vodik proizvodi iz fosilnih goriva metodama koje ovise o vrsti fosilnoga goriva.
“U tom smislu, neka literatura razlikuje smeđu od crne boje vodika opisujući smeđu kao vodik proizveden iz ugljena rasplinjavanjem i crnu kao vodik proizveden iz metana korištenjem SMR-a. Korištenje sivog vodika podrazumijeva značajne emisije CO2 što ove tehnologije čini neprihvatljivima za postizanje cilja klimatske neutralnosti“, objasnila je dr Ankica Kovač.
Plavi vodik definisan je kao sivi vodik zbog istog izvora energije (fosilno gorivo), ali s dodatkom carbon capture and storage tehnologije – CCS (tehnologije “hvatanja” i “pohranjivanja” emisija ugljičnog dioksida). CCS je proces koji se koristi kako bi se smanjila emisija ugljičnog dioksida (CO2) u atmosferu iz postrojenja koja koriste fosilna goriva, poput termoelektrana i postrojenja za preradu nafte i plina. Ova tehnologija ima za cilj smanjiti negativan utjecaj na klimu uzrokovan povećanim emisijama CO2, što je jedan od glavnih faktora globalnog zatopljenja.
“Iako je plavi vodik potreban u procesu energetske tranzicije, osobito na početku, treba imati na umu njegova ograničenja poput energetske ovisnosti o ograničenim fosilnim gorivima i dodatnih troškova za transport i pohranu te praćenje CO2. Štoviše, emisije CO2 iz proizvodnje vodika smanjuju se CCS-om, ali se ne eliminiraju, budući da se očekuje da će učinkovitost CCS-a doseći 85-95% u najboljem slučaju, što još uvijek prati 5-15% emitiranoga CO2. To su razlozi zašto se plavi vodik smatra samo kratkoročnim rješenjem dok se ne izgrade potrebni kapaciteti za proizvodnju obnovljivoga vodika na putu do neto nultih emisija tijekom ranih faza energetske tranzicije“, kazala je dr Kovač.
Tirkizni vodik koristi prirodni plin kao izvor energije, ali bez sveobuhvatne proizvodnje CO2, eliminirajući tako potrebu za CCS-om. Proces proizvodnje naziva se piroliza metana, gdje ugljik u metanu postaje čvrsta čađa. Tržište za čađu već postoji (npr. tvrtke za proizvodnju guma) koje osigurava dodatni prihod, ali trenutno tehnologija tirkiznoga vodika nije dovoljno zrela jer je još uvijek u fazi istraživanja. Proces zahtijeva visoke temperature (od 600 do 1200–1400 °C), što se postiže konvencionalnim sredstvima (npr. električnim grijačima) ili pomoću plazme.
“Njegov nedostatak je što zahtijeva više prirodnoga plina nego SMR. Također, postoji i problem u vidu deaktivacije katalizatora koji se ne može riješiti izgaranjem ugljika s površine katalizatora, budući da u tom slučaju emisije CO2 postaju usporedive s emisijama u SMR-u. Dodatno, ukupna učinkovitost pretvorbe energije metana i električne energije kombiniranih u vodik iznosi 40 – 45%“, dodala je dr Ankica Kovač.
Međutim, očekuje se da će ova cijena progresivno padati kroz pad cijene električne energije iz obnovljivih izvora energije, kao i kroz tehnološke inovacije i masovniju primjenu. Taj je potencijal opisan u IEA NZE scenariju do 2050. godine u kojem cijena obnovljivog vodika pada u rasponu od 1,3 do 3,5 USD po kgH2 do 2030. godine, što je usporedivo s cijenom plavog vodika. Dugoročno gledano, troškovi proizvodnje obnovljivog vodika mogli bi pasti na 1 do 3 USD/kgH2.
Proizvodnja obnovljivog vodika trenutno je otprilike tri puta skuplja od proizvodnje sivog vodika. No kada bi sivi vodik bio terećen za popratnu emisiju CO2 odnos cijena zasigurno ne bi tako izgledao. Potrebno je postupno, ali ubrzano gasiti energetske tehnologije koje imaju za cilj proizvodnju i korištenje fosilnih goriva uz popratne emisije CO2 i novac preusmjeravati u one tehnologije koje takvih emisija nemaju.
Proizvodnja zelenog vodika podrazumijeva proizvodnju vodika elektrolizom vode u elektrolizatoru korištenjem obnovljivih izvora energije. Taj proces je u potpunosti bez emisija CO2. Tako proizvedeni vodik može se koristiti u različitim sistemima, ali njegova najatraktivnija primjena je u vodikovim gorivnim ćelijama. Zašto?! Zato jer jer na taj način je i korištenje vodika bez popratnih emisija CO2.
Gorivne ćelije (gorivni članci) su elektrohemijski uređaji u kojima se odvija elektrohemijsko izgaranje vodika (iz spremnika) i kisika (bilo iz spremnika bilo iz zraka). Glavni produkt ove elektroemijske reakcije je električna energija, a jedini nus-produkti su toplina i voda. Toplinu možemo ‘baciti’ u okoliš ili koristiti tamo gdje nam je potrebna. Vodu skupljamo i vraćamo u sistem elektrolizatora za ponovnu proizvodnju zelenog vodika. Na taj način osiguravamo kruženje vodika u prirodi s minimalnim utjecajem na okoliš. Elektroliza vode je trenutno jedina komercijalno dostupna tehnologija za proizvodnju zelenog vodika.
