Rozwiązanie do produkcji zielonego wodoru

Ogólnie rzecz biorąc, wodór można wykorzystać jako paliwo na dwa główne sposoby. Można go spalić w celu wytworzenia ciepła lub wprowadzić do wodorowego ogniwa paliwowego w celu wytworzenia energii elektrycznej. Dobra wiadomość jest taka, że ​​wyprodukowany niebieski lub zielony wodór ma wiele różnych zastosowań:
Transport:Wodór jest już wykorzystywany do napędzania autobusów i innych form transportu publicznego, szczególnie w Japonii. Można go również stosować do napędzania ciężarówek i pociągów towarowych, a paliwa na bazie wodoru, takie jak amoniak, można stosować w lotnictwie i żegludze. Szersze wykorzystanie wodoru do zasilania pojazdów będzie uzależnione od spadku cen wodorowych ogniw paliwowych i upowszechnienia się stacji tankowania wodoru.

Wytwarzanie energii:Wodór można wykorzystać do przekształcenia odnawialnych źródeł energii w paliwo, które można następnie przechowywać i transportować na duże odległości. Wodór i amoniak można również stosować w turbinach gazowych i elektrowniach węglowych w celu zmniejszenia ich emisji.

Ogrzewanie budynków:Wodór ma ogromny potencjał w zakresie zastąpienia gazu ziemnego w ogrzewaniu budynków mieszkalnych i komercyjnych za pośrednictwem istniejącej infrastruktury gazu ziemnego. Kotły wodorowe i domowe wodorowe ogniwa paliwowe wymagają dalszego rozwoju, ale mogą odegrać ważną rolę w przyszłości.

Przemysł:Wodór jest obecnie wykorzystywany w wielu ważnych procesach przemysłowych. Należą do nich rafinacja benzyny, produkcja stali, obróbka metali i produkcja szeregu chemikaliów.

W przeciwieństwie do szarego wodoru, zielony wodór jest w pełni odnawialny zarówno pod względem materiału źródłowego, jak i źródła energii. W przypadku materiału źródłowego zielony wodór jest obecnie zwykle wytwarzany z wody w procesie znanym jako elektroliza, w którym prąd elektryczny rozdziela wodę na cząsteczki składowe: wodór i tlen. Odbywa się to za pomocą urządzenia zwanego elektrolizerem, które wykorzystuje katodę i anodę (elektrody naładowane dodatnio i ujemnie). W procesie tym jako produkt uboczny powstaje wyłącznie tlen – lub para. Jeśli chodzi o dostawy energii, aby można je było zakwalifikować jako „zielony wodór”, źródło energii elektrycznej wykorzystywanej do elektrolizy musi pochodzić z energii odnawialnej, takiej jak energia wiatrowa lub słoneczna.

Istnieją trzy główne rodzaje elektrolizerów:Zasadowy, membrana do wymiany protonów (PEM) i stały tlenek. Różnią się one rodzajem użytego materiału elektrolitu. Elektrolizery alkaliczne wykorzystują wodny roztwór soli alkalicznej, aby umożliwić przewodnictwo elektryczne, podczas gdy elektrolizery PEM wykorzystują stałą membranę polimerową (elektrolit). Elektrolizery ze stałym tlenkiem wykorzystują stały materiał ceramiczny jako elektrolit, co umożliwia im pracę z wyższą wydajnością elektryczną i znacznie wyższymi temperaturami. Pozwala to na wykorzystanie pary i ciepła zewnętrznego jako źródeł energii, zamiast polegać na energii elektrycznej. Zatem elektroliza stałego tlenku umożliwia znacznie niższe koszty operacji, ponieważ ciepło jest zazwyczaj tańsze i czasami jest naturalnie wytwarzane jako produkt uboczny niektórych procesów przemysłowych.

Wiele lat temu wodór był postrzegany jedynie jako rozwiązanie umożliwiające ewolucję bardziej ekologicznych pojazdów. W miarę jak pojazdy elektryczne zyskują coraz większą przyczepność, wodór jest coraz częściej postrzegany jako rozwiązanie dla innych gałęzi przemysłu.

Zapotrzebowanie na wodór stale rośnie wraz ze wzrostem jego wykorzystania w gałęziach przemysłu i wytwórczości do różnych celów, w tym do rafinacji ropy naftowej, produkcji stali i produkcji cementu. Jednak wraz ze wzrostem popularności wodoru nie można przecenić znaczenia zielonego wodoru. Niepokojące jest to, że 98% wodoru wytwarza się z paliw kopalnych, przy braku obowiązujących przepisów ani kontroli emisji dwutlenku węgla. Ale zielony wodór może to zmienić – na dobre.

Od dymu z zakładów komercyjnych po spaliny samochodów napędzanych benzyną i olejem napędowym, produkcja zielonego wodoru zmniejsza lub eliminuje zapotrzebowanie na źródła energii z paliw kopalnych, które uwalniają duże ilości dwutlenku węgla do powietrza. W branży centrów danych, w miarę jak w systemach pamięci masowej rozwija się wodór, można go stosować zamiast generatorów zapasowych zasilanych olejem napędowym do zasilania przyszłych centrów danych. W rezultacie ekologiczny wodór przynosi mnóstwo korzyści, umożliwiając rządom i organizacjom zwiększanie krajowego bezpieczeństwa energetycznego, oszczędzanie paliwa, redukcję ogólnych emisji i dywersyfikację opcji wykorzystania energii w transporcie, począwszy od samochodów po ekspansywne systemy transportu publicznego.

Technologia zielonego wodoru nie mogła zostać wprowadzona w lepszym momencie. Amerykańska Agencja Informacji o Energii przewiduje, że światowe zapotrzebowanie na energię wzrośnie o 47% do 2050 r. Jedynym sposobem na zrównoważenie tego zapotrzebowania w postaci produkcji energii z ropy naftowej i węgla jest przyjęcie bardziej ekologicznych metod, takich jak ekologiczny wodór.

Dzięki przełomom technologicznym, które zasadniczo zdekarbonizowały produkcję wodoru, wiele firm zwraca się w stronę kompensacji emisji dwutlenku węgla, która wykorzystuje ekologiczny wodór w celu zmniejszenia swojego śladu węglowego i osiągnięcia ambitnych celów w zakresie ESG.

Proces wytwarzania zielonego wodoru ma swoje zalety. Międzynarodowa Agencja Energetyczna (IEA) podaje, że ekologiczny wodór pozwala zaoszczędzić około 830 milionów ton emitowanego dwutlenku węgla rocznie w porównaniu z produkcją gazu tradycyjnymi metodami opartymi na paliwach kopalnych. Odpowiada to łącznej wartości emisji z Wielkiej Brytanii i Indonezji za cały rok!

Podobnie jak w przypadku każdej nowej technologii, w obliczu boomu na ekologiczny wodór należy stawić czoła pewnym wyzwaniom. Niektóre kwestie, które należy wziąć pod uwagę, obejmują wydajność procesu i koszty produkcji na dużą skalę, a także ustanowienie długoterminowych rozwiązań w zakresie przechowywania pod ciśnieniem. Pomijając wyzwania, zielony wodór to nowa, ekscytująca technologia, która może pomóc zrównoważyć bardzo potrzebną produkcję zielonej energii na dużą skalę.

Duża część odchodzenia od paliw kopalnych polega na elektryzowaniu niektórych używanych na co dzień maszyn napędzanych ropą i gazem – na przykład samochodów i transportu lokalnego oraz ogrzewania domów w niektórych krajach. W przypadku urządzeń już zelektryfikowanych, takich jak komputery i sprzęt gospodarstwa domowego, węgiel zastępuje energia elektryczna pochodząca z energii jądrowej i odnawialnych źródeł energii, takich jak wiatr i słońce.

Są jednak gałęzie przemysłu, które wymagają tak dużo energii, że tradycyjne odnawialne źródła energii nie są w stanie zaspokoić ich zapotrzebowania. To jest problem, bo te gałęzie przemysłu należą do największych emitentów gazów cieplarnianych.

Eksperci twierdzą, że w tym przypadku zielony wodór ma ogromny potencjał.
„Energia elektryczna ze źródeł takich jak wiatr, energia słoneczna i energia jądrowa jest niezbędna do dekarbonizacji naszego systemu energetycznego, ale nie może tego zrobić sama, a transport dalekobieżny i przemysł ciężki są źródłem emisji, których ograniczenie jest najtrudniejsze” – powiedział analityk ds. energetyki w firmie Międzynarodowa Agencja Energetyczna.

„Wodór jest na tyle wszechstronny, że może wypełnić niektóre z tych krytycznych luk – dostarczając niezbędne surowce dla przemysłu chemicznego i stalowego lub kluczowe składniki niskoemisyjnych paliw do samolotów i statków” – Remme powiedział CNN.

Na przykład eksploatacja samolotu lub dużego statku wymaga tak dużej ilości energii, że jakakolwiek bateria używana do magazynowania energii słonecznej lub wiatrowej byłaby prawdopodobnie zbyt duża i ciężka dla statku. Z drugiej strony zielony wodór może występować w postaci płynnej i jest lżejszy. Według Airbusa, który opracowuje bezemisyjny samolot komercyjny, gęstość energii zielonego wodoru jest trzykrotnie większa niż w przypadku dzisiejszego paliwa do silników odrzutowych.

Chociaż ciekły, zielony wodór nie emituje dwutlenku węgla, ma on pewne ograniczenia. Spalony na otwartej przestrzeni uwalnia niewielką ilość podtlenku azotu, który jest silnym gazem cieplarnianym. Jeżeli jednak wodór będzie przepuszczany przez ogniwo paliwowe, będzie emitować jedynie wodę i ciepłe powietrze.

Niektórym małym samolotom udało się latać z ogniwami paliwowymi zasilanymi wodorem, chociaż technologia ta nie została jeszcze zastosowana na skalę komercyjną.

Obecnie wszystkie ręce są na pokładzie, aby osiągnąć cele klimatyczne. Transformacja energetyczna naprawdę potrzebuje dużego impulsu. Wodór może wnieść do tego istotny wkład. Współpraca jest niezbędna, aby móc z powodzeniem wykorzystywać wodór, na przykład do przyczyniania się do redukcji emisji CO2 w przemyśle, wytwarzania e-paliw do samolotów i stosowania w środowisku zabudowanym. Potrzebne są jednak inwestycje i pojawiają się pytania.

Co to jest wodór?
Wodór jest najpowszechniejszym pierwiastkiem w naszym wszechświecie. W normalnych warunkach jest to gaz i mówimy o gazowym wodorze (H2). Wodór jest także najlżejszym znanym nam gazem i dlatego ma niską gęstość energii na jednostkę objętości (w m3). Na wagę (w kg) wodór ma wysoką gęstość energii wynoszącą 120 megadżuli (MJ) na kg. To prawie trzy razy więcej niż gazu ziemnego (45 MJ/kg). Wodór często znajduje się pod ciśnieniem. Jednakże sprężanie (sprężanie) wodoru wymaga również niezbędnej energii (około 10%).

Co to jest szary i niebieski wodór?
Prawie cały wodór produkowany obecnie na świecie to tzw. „szary wodór”. Produkcja odbywa się obecnie w procesie parowego reformingu metanu (SMR). W tym przypadku para pod wysokim ciśnieniem (H2O) reaguje z gazem ziemnym (CH4), w wyniku czego powstaje wodór (H2) i gaz cieplarniany CO2. W Holandii w ten sposób produkuje się około 0,8 miliona ton H2, wykorzystując cztery miliardy metrów sześciennych gazu ziemnego i generując emisję CO2 na poziomie 12,5 miliona ton.
Terminu „niebieski wodór” lub „wodór niskoemisyjny” używa się, gdy CO2 uwalniany w procesie produkcji szarego wodoru jest w dużej mierze (80-90%) wychwytywany i magazynowany. Nazywa się to również CCS: wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla. Może się to zdarzyć na pustych polach gazowych pod Morzem Północnym. Nigdzie indziej na świecie niebieski wodór nie jest produkowany na dużą skalę.

Co to jest zielony wodór?
Zielony wodór, znany również jako „wodór odnawialny”, to wodór wytwarzany przy użyciu zrównoważonej energii. Najbardziej znana jest elektroliza, podczas której woda (H2O) jest rozkładana na wodór (H2) i tlen (O2) za pomocą zielonej energii elektrycznej. Wiele podmiotów w Holandii eksperymentuje z elektrolizerami o mocy megawatów. Wodór wydziela się także podczas wysokotemperaturowego zgazowania biomasy.

Co to jest turkusowy wodór?
Wodór wytwarzany z gazu ziemnego przy użyciu tzw. technologii pirolizy stopionego metalu nazywany jest „wodorem turkusowym” lub „wodorem niskoemisyjnym”. Gaz ziemny przepuszcza się przez roztopiony metal, który uwalnia wodór oraz stały węgiel. Te ostatnie mogą znaleźć przydatne zastosowanie na przykład w oponach samochodowych. Technologia ta znajduje się wciąż w fazie laboratoryjnej, a realizacja pierwszej instalacji pilotażowej zajmie co najmniej dziesięć lat.

Jakie są dalsze podstawowe różnice między niebieskim i zielonym?
Oprócz metody produkcji istnieje wiele innych kluczowych różnic:
Tylko ekologiczny wodór wytwarzany w drodze elektrolizy gwarantuje, że duże ilości zrównoważonej energii elektrycznej produkowanej na morzu i na lądzie będą mogły zostać właściwie zintegrowane z naszym systemem energetycznym. Tylko elektroliza może elastycznie (na żądanie) przekształcić energię elektryczną w wodór, a następnie ją magazynować.
Ponadto rozwój elektrolizy na dużą skalę pomoże zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną, a tym samym pobudzi rozwój energii odnawialnej.
Jest też różnica w jakości. Zielony wodór ma wyższy stopień czystości i można go natychmiast wykorzystać, na przykład w ogniwie paliwowym pojazdu. Niebieski wodór ma niższy poziom czystości, wystarczający do zastosowań przemysłowych.
Produkcja niebieskiego wodoru to sposób na „dekarbonizację” przemysłu, czyli redukcję emisji CO2, na dużą skalę i stosunkowo niskim kosztem.

Biały wodór z gleby czystym źródłem energii przyszłości?
Znamy już wodór szary, niebieski i zielony, ale teraz okazuje się, że dostępny jest również wodór biały lub naturalny. Pochodzi z gleby, podobnie jak gaz ziemny. Podczas spalania wodoru z tlenem uwalniana jest tylko woda. Biały wodór to naturalny wodór pochodzący z podpowierzchni, który może stać się ważnym źródłem energii przyszłości, jeśli będzie wytwarzany w procesie elektrolizy wody za pomocą energii wiatrowej lub słonecznej (zielonej).
Nie jest wówczas wytwarzany z naturalnego popiołu ani węgla (szary), nawet poprzez wcześniejsze wychwytywanie CO2 (niebieski). Gaz wykorzystywany jest głównie do ogrzewania procesów w przemyśle chemicznym oraz przy produkcji stali i nawozów. W procesie przechodzenia od energii kopalnej do zielonej może służyć jako bufor magazynujący energię elektryczną w okresach bez słońca i wiatru.

Jaką rolę odgrywa wodór w transformacji energetycznej?
W naszym obecnym miksie energetycznym około 20% energii dostarczane jest w postaci energii elektrycznej, a 80% w postaci gazu ziemnego lub płynnego paliwa kopalnego (benzyna, olej napędowy). Nasze cele klimatyczne w najbliższej przyszłości znacząco zmienią tę sytuację. Gwałtownie wzrośnie udział energii elektrycznej wytwarzanej z wiatru i słońca. W przypadku szeregu zastosowań, takich jak transport ciężki, procesy wysokotemperaturowe w przemyśle i lotnictwie, nadal brakuje dobrego rozwiązania elektrycznego i nadal istnieje zapotrzebowanie na zrównoważony gaz. Wodór może tu odegrać użyteczną rolę. Ponadto wodór ma znaczenie w postaci magazynowania na dużą skalę w chwilach, gdy jest bezwietrznie i pochmurno.

Które kraje również pracują nad wodorem?
Kraje takie jak Norwegia, Australia, Maroko, Chile, Arabia Saudyjska, Chiny i Japonia bardzo aktywnie wykorzystują ekologiczny wodór, głównie ze względu na znaczną (potencjalną) dostępność taniej energii odnawialnej z wiatru, słońca lub wody do produkcji zielonego wodoru. Wyjątkiem jest jednak Japonia, która w zakresie dostaw energii jest w dużej mierze uzależniona od importu i opracowała strategię importu (zielonego) wodoru na dużą skalę. Jego kluczowa rola polega na rozwoju technologii. Holandia znajduje się w dobrej sytuacji, częściowo dzięki naszej wiedzy na temat technologii gazu i elektrolizy, ogromnemu potencjałowi energii wiatrowej na Morzu Północnym oraz energochłonnemu przemysłowi, który musi mocno zaangażować się w zrównoważony rozwój.

Do czego będziemy używać wodoru?
Wodór jest szczególnie ważny dla przemysłu przetwórczego. Obecnie wykorzystuje się go głównie do produkcji nawozów, ale w przyszłości można go również stosować w procesach wysokotemperaturowych, takich jak produkcja stali, do której obecnie wykorzystuje się gaz ziemny lub węgiel. Ponadto wodór będzie odgrywał rolę w mobilności, na przykład w autobusach międzymiastowych, które muszą pokonywać większe odległości i gdzie napęd elektryczny nie jest rozwiązaniem.

Co wodór oznacza dla obywatela?
W krótkim terminie niewiele będzie widać. Na przykład wykorzystanie wodoru w domach będzie już dawno spóźnione, jeśli w ogóle do tego dojdzie. W przypadku większości domów lepszym rozwiązaniem jest zbiorcza sieć ciepłownicza lub elektryczna pompa ciepła. W ruchu powoli będzie rosła liczba samochodów wodorowych (obecnie niecałe sto) oraz liczba stacji tankowania wodoru (w 2018 r.: 3).

Jakie jest ryzyko?
Wodór jest gazem bardzo lekkim, wysoce łatwopalnym i stosowanym w transporcie pod ciśnieniem do 700 barów. Jak z każdym innym gazem, należy obchodzić się z nim ostrożnie podczas produkcji, transportu i użytkowania oraz zlecać go wyłącznie profesjonalnym firmom. Jeżeli wodór ma być stosowany w istniejących gazociągach, ważne jest dalsze zbadanie, jak wodór faktycznie „zachowuje się” w praktyce. Wodór jest lżejszy od gazu ziemnego i łatwiej może ulatniać się z zaworów i uszczelek.

Co robi TNO w zakresie badań nad wodorem?
TNO jest niezależną organizacją prowadzącą najnowocześniejsze badania stosowane. Jej badania nad wodorem koncentrują się na produkcji, infrastrukturze i zastosowaniach (konwersja i wykorzystanie końcowe). W 2020 roku TNO zrealizowało ponad 50 projektów związanych z tą tematyką. Linki do wybranych projektów znajdują się poniżej (poz. 15).

Jak zaawansowany jest rozwój zielonego wodoru?
W latach 2000–2018 rozpoczęto realizację około 230 projektów elektrolizy o łącznej mocy około 100 MW (źródło: IEA 2019, Przyszłość wodoru). W 2020 r. globalna moc zainstalowana wyniosła 200 MW, a do końca 2023 r. około 2400 MW. Liczby te pokazują, że dopiero zaczynamy i że musimy opracować całkowicie nowy łańcuch dostaw.
Potrzebujemy nowych firm, nowych dostawców i nowych producentów, aby opracowywać materiały i komponenty do większych systemów elektrolizy nowej generacji. To wspaniała szansa dla holenderskiego przemysłu zaawansowanych technologii. Celem Unii Europejskiej jest zainstalowanie w Unii 40 GW mocy elektrolizy do 2030 r. i kolejnych 40 GW w Afryce Północnej. Osiągnięcie tego celu będzie wymagało od nas przyspieszenia tempa zarówno innowacji technologicznych, jak i samych projektów.

Jakie są największe wyzwania techniczne związane z elektrolizą?
Jeśli chodzi o elektrolizę wody, dostępne są obecnie cztery technologie (AEM, SOE, PEM i Alkaline), każda ma swoje specyficzne zalety i wady oraz poziom dojrzałości. Obejrzyj nasz film o produkcji wodoru metodą elektrolizy(otwiera się w nowym oknie lub nowej zakładce) (odsyła do innej strony internetowej). W przypadku wszystkich czterech technologii trzy główne wyzwania badawcze to:
w celu zmniejszenia nakładów inwestycyjnych związanych z systemem
w celu poprawy wydajności systemu
przezwyciężenie barier w produkcji na dużą skalę, tak aby do 2030 r. można było osiągnąć światową roczną zdolność produkcyjną elektrolizerów na poziomie 30 GW.

Produkty sprzedawane są we wszystkich regionach Chin i eksportowane do krajów na całym świecie. Zostały sprzedane w ponad 20 krajach i regionach, w tym w Stanach Zjednoczonych, Niemczech, Maroku, Kenii, Arabii Saudyjskiej, Wietnamie, Algierii, Indiach, Tanzanii i Tajwanie. Pomyślnie dostarczono dobrze znane przedsiębiorstwa, takie jak China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group i inne znane przedsiębiorstwa. Istnieje wiele stacji uwodornienia zielonego wodoru, takich jak Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming itp., które realizują projekty ekologiczne i wytwarzające wodór.