Řešení pro výrobu zeleného vodíku

Obecně lze vodík použít jako palivo dvěma hlavními způsoby. Může být spálen za účelem výroby tepla nebo může být přiváděn do vodíkového palivového článku pro výrobu elektřiny. Dobrou zprávou je, že jakmile byl modrý nebo zelený vodík vyroben, má řadu různých aplikací:
Doprava:Vodík se již používá k pohonu autobusů a dalších forem veřejné dopravy, zejména v Japonsku. Může být také použit k pohonu nákladních vozidel a vlaků, zatímco paliva na bázi vodíku, jako je čpavek, lze použít v letectví a lodní dopravě. Širší využívání vodíku k pohonu vozidel bude záviset na zlevnění ceny vodíkových palivových článků a na stále častějších čerpacích stanicích na vodík.

Výroba elektřiny:Vodík lze využít k přeměně obnovitelných zdrojů energie na palivo, které lze skladovat a přepravovat na velké vzdálenosti. Vodík a čpavek lze také použít v plynových turbínách a uhelných elektrárnách ke snížení jejich emisí.

Vytápění budov:Vodík má obrovský potenciál nahradit zemní plyn pro vytápění domácností a komerčních budov prostřednictvím stávající infrastruktury zemního plynu. Vodíkové kotle a domácí vodíkové palivové články vyžadují další vývoj, ale v budoucnu by mohly hrát důležitou roli.

Průmysl:Vodík se v současnosti používá v celé řadě důležitých průmyslových procesů. Patří mezi ně rafinace benzínu, výroba oceli, úprava kovů a výroba řady chemikálií.

Na rozdíl od šedého vodíku je zelený vodík plně obnovitelný jak ve svém zdrojovém materiálu, tak v dodávkách energie. Pro zdrojový materiál je dnes zelený vodík typicky generován z vody procesem známým jako elektrolýza, který využívá elektrický proud k štěpení vody na molekuly vodíku a kyslíku. To se provádí pomocí zařízení zvaného elektrolyzér, který využívá katodu a anodu (kladně a záporně nabité elektrody). Tento proces produkuje pouze kyslík – nebo páru – jako vedlejší produkt. Pokud jde o dodávky energie, aby bylo možné kvalifikovat se jako „zelený vodík“, zdroj elektřiny využívaný pro elektrolýzu musí pocházet z obnovitelné energie, jako je větrná nebo solární energie.

Existují tři hlavní typy elektrolyzérů:Alkalické, protonová výměnná membrána (PEM) a pevný oxid. Ty se liší povahou použitého elektrolytického materiálu. Alkalické elektrolyzéry využívají vodný roztok s alkalickou solí pro umožnění elektrické vodivosti, zatímco PEM elektrolyzéry používají pevnou polymerní membránu (elektrolyt). Elektrolyzéry s pevným oxidem používají jako elektrolyt pevný keramický materiál, který jim umožňuje pracovat při vyšší elektrické účinnosti a mnohem vyšších teplotách. To umožňuje použití páry a externího tepla jako zdroje energie spíše než spoléhání na elektřinu. Elektrolýza pevných oxidů tedy umožňuje výrazně nižší náklady na operace, protože teplo je obvykle méně nákladné a někdy se přirozeně vyrábí jako vedlejší produkt určitých průmyslových procesů.

Před lety byl vodík vnímán pouze jako řešení pro vývoj ekologičtějších vozidel. Vzhledem k tomu, že elektrická vozidla nabývají na trakci, je vodík stále více vnímán jako řešení pro jiná průmyslová odvětví.

Poptávka po vodíku stále roste, protože jeho použití se rozšiřuje napříč průmyslovými a výrobními odvětvími pro různé účely, včetně rafinace ropy, výroby oceli a výroby cementu. Nicméně, jak roste popularita vodíku, význam zeleného vodíku nelze přeceňovat. Alarmující je, že 98 % vodíku je vyrobeno z fosilních paliv bez žádných kontrol nebo předpisů týkajících se emisí oxidu uhličitého. Ale zelený vodík má potenciál to změnit – nadobro.

Výroba zeleného vodíku snižuje nebo eliminuje potřebu zdrojů energie z fosilních paliv, které do ovzduší uvolňují velké množství oxidu uhličitého, od kouře z komerční rostlinné výroby až po benzínové a naftové výfukové plyny automobilů. V odvětví datových center, protože úložné systémy vyvíjejí vodík, jej lze použít místo záložních generátorů na dieselový pohon k napájení budoucích datových center. Výsledkem je spousta výhod zeleného vodíku, které vládám a organizacím umožňují posílit národní energetickou bezpečnost, šetřit palivo, snížit celkové emise a diverzifikovat energetické možnosti dopravy od automobilů po rozsáhlé systémy veřejné dopravy.

Technologie zeleného vodíku nemohla být představena v lepší době. Americký úřad pro energetické informace předpovídá, že se celosvětová poptávka po energii do roku 2050 zvýší o 47 %. Jediný způsob, jak kompenzovat tuto poptávku ve formě výroby energie z ropy a uhlí, je přijetí ekologičtějších metod, jako je zelený vodík.

A díky technologickým průlomům, které v podstatě dekarbonizovaly výrobu vodíku, se mnoho společností obrací na uhlíkové kompenzace, které využívají zelený vodík ke snížení jejich uhlíkové stopy a splnění agresivních cílů ESG.

Proces generování zeleného vodíku má své výhody. Mezinárodní energetická agentura (IEA) uvádí, že zelený vodík ušetří přibližně 830 milionů tun oxidu uhličitého vypouštěného ročně ve srovnání s tím, kdy se plyn vyrábí tradičními metodami fosilních paliv. To se rovná celoročním emisím z Velké Británie a Indonésie dohromady!

Stejně jako u každé nové technologie je třeba překonat několik výzev, protože nastává boom zeleného vodíku. Některé problémy, které je třeba zvážit, zahrnují efektivitu procesu a náklady na výrobu ve velkém měřítku, navíc k vytvoření řešení dlouhodobého skladování pod tlakem. Výzvy stranou, zelený vodík je vzrušující nová technologie, která by mohla pomoci vyvážit tolik potřebnou velkovýrobu zelené energie.

Velká část odklonu od fosilních paliv zahrnuje elektrifikaci některých každodenních strojů, které používáme a které jsou poháněny ropou a zemním plynem – auta a místní doprava a například vytápění domácností v některých zemích. Pro ty, kteří jsou již elektrifikováni, jako jsou počítače a domácí spotřebiče, elektřina z jádra a obnovitelné zdroje, jako je vítr a slunce, nahrazují uhlí.

Ale jsou některá odvětví, která vyžadují tolik energie, že tradiční obnovitelné zdroje jejich poptávku nedokážou pokrýt. To je problém, protože tato odvětví patří k největším producentům skleníkových plynů.

Právě zde má podle odborníků obrovský potenciál zelený vodík.
„Elektřina ze zdrojů, jako je větrná, solární a jaderná energie, je nezbytná pro dekarbonizaci našeho energetického systému – ale nemůže to udělat sama, a dálková doprava a těžký průmysl jsou domovem emisí, které je nejobtížnější snížit,“ řekl energetický analytik společnosti. Mezinárodní energetická agentura.

„Vodík je dostatečně všestranný, aby zaplnil některé z těchto kritických mezer – v poskytování životně důležitých surovin pro chemický a ocelářský průmysl nebo klíčových přísad pro nízkouhlíková paliva pro letadla a lodě,“ řekl Remme CNN.

Například provoz letadla nebo velké lodi vyžaduje tolik energie, že jakákoli baterie používaná k ukládání elektřiny ze slunce nebo větru by byla pro plavidlo pravděpodobně příliš velká a těžká. Zelený vodík na druhé straně může přijít v kapalné formě a je lehčí. Podle společnosti Airbus, která vyvíjí komerční letadlo s nulovými emisemi, je energetická hustota zeleného vodíku třikrát vyšší než u proudových paliv, která dnes používáme.

Zatímco kapalný zelený vodík by emitoval nulový uhlík, má určitá omezení. Při spalování v otevřené atmosféře se uvolňuje malé množství oxidu dusného, ​​což je silný skleníkový plyn. Pokud je vodík přiváděn přes palivový článek, bude emitovat pouze vodu a teplý vzduch.

Některým malým letadlům se podařilo létat s palivovými články napájenými vodíkem, ačkoli tato technologie ještě nebyla komerčně rozšířena.

V současné době je vše v rukou k dosažení klimatických cílů. Energetický přechod opravdu potřebuje velkou podporu. Vodík k tomu může významně přispět. Spolupráce je nezbytná k tomu, abychom mohli úspěšně využívat vodík, například přispívat ke snižování CO2 v průmyslu, e-palivech pro letadla a použití v zastavěném prostředí. Ale investice jsou potřeba a jsou tu otázky.

Co je vodík?
Vodík je nejběžnějším prvkem v našem vesmíru. Za normálních okolností je plynný a hovoříme o plynném vodíku (H2). Vodík je také nejlehčí plyn, který známe, a proto má nízkou hustotu energie na jednotku objemu (v m3). Na hmotnost (v kg) má vodík vysokou hustotu energie 120 megajoulů (MJ) na kg. To je téměř trojnásobek zemního plynu (45 MJ na kg). Vodík je často pod tlakem. Tlakování (stlačování) plynného vodíku však také vyžaduje potřebnou energii (asi 10 %).

Co je šedý a modrý vodík?
Téměř veškerý vodík, který se v současnosti celosvětově vyrábí, je takzvaný „šedý vodík“. Výroba v současnosti probíhá prostřednictvím Steam Methane Reforming (SMR). Zde vysokotlaká pára (H2O) reaguje se zemním plynem (CH4) a vzniká vodík (H2) a skleníkový plyn CO2. V Nizozemsku se tímto způsobem vyrábí přibližně 0,8 milionů tun H2, spotřebovávají se čtyři miliardy metrů krychlových zemního plynu a vygenerují se emise CO2 ve výši 12,5 milionů tun.
Termín „modrý vodík“ nebo „nízkouhlíkový vodík“ se používá, když je CO2 uvolněný v procesu výroby šedého vodíku z velké části (80-90 %) zachycován a skladován. To se také nazývá CCS: Carbon Capture & Storage. To by se mohlo stát v prázdných nalezištích plynu pod Severním mořem. Nikde jinde na světě se modrý vodík nevyrábí ve velkém.

Co je zelený vodík?
Zelený vodík, také známý jako „obnovitelný vodík“, je vodík, který se vyrábí z udržitelné energie. Nejznámější je elektrolýza, při které se voda (H2O) štěpí na vodík (H2) a kyslík (O2) prostřednictvím zelené elektřiny. Velký počet stran v Nizozemsku experimentuje s těmito elektrolyzéry v megawattovém měřítku. Vodík se uvolňuje také při vysokoteplotním zplyňování biomasy.

Co je tyrkysový vodík?
Vodík vyrobený ze zemního plynu pomocí takzvané technologie pyrolýzy roztaveného kovu se nazývá „tyrkysový vodík“ nebo „nízkouhlíkový vodík“. Zemní plyn prochází roztaveným kovem, který uvolňuje plynný vodík a také pevný uhlík. Posledně jmenovaný může najít užitečné uplatnění například v pneumatikách automobilů. Tato technologie je stále v laboratorní fázi a bude trvat nejméně deset let, než bude realizován první pilotní závod.

Jaké jsou další zásadní rozdíly mezi modrou a zelenou?
Kromě způsobu výroby existuje řada dalších klíčových rozdílů:
Pouze zelený vodík vyrobený elektrolýzou zajišťuje, že velká množství udržitelné elektřiny vyrobené na moři a na souši mohou být řádně integrována do našeho energetického systému. Pouze elektrolýza může elektřinu flexibilně (na vyžádání) přeměnit na vodík a následně ji uložit.
Rozvoj rozsáhlé elektrolýzy navíc pomůže uspokojit rostoucí poptávku po elektřině a stimulovat tak růst udržitelné energie.
Rozdíl je také v kvalitě. Zelený vodík má vyšší stupeň čistoty a lze jej okamžitě použít, například v palivovém článku vozidla. Modrý vodík má nižší úroveň čistoty, dostačující pro průmyslové použití.
Výroba modrého vodíku je způsob, jak „dekarbonizovat“ průmysl, tj. snížit CO2, ve velkém měřítku a za relativně nízké náklady.

Bílý vodík z půdy čistý zdroj energie budoucnosti?
Šedý, modrý a zelený vodík již známe, ale nyní se ukazuje, že je dostupný i bílý nebo přírodní vodík. Pochází z půdy, stejně jako zemní plyn. Při spalování vodíku s kyslíkem se uvolňuje pouze voda. Bílý vodík je přírodní vodík z podpovrchu, který má potenciál stát se důležitým zdrojem energie budoucnosti, pokud bude vyroben elektrolýzou vody větrnou nebo solární energií (zelený).
Nevyrábí se pak z přírodního popela nebo uhlí (šedá), a to ani tím, že nejprve zachytí CO2 (modrá). Plyn se používá především k tepelným procesům v chemickém průmyslu a při výrobě oceli a hnojiv. Při přechodu z fosilní na zelenou energii může sloužit jako zásobník elektřiny v obdobích bez slunce a větru.

Jakou roli hraje vodík v energetickém přechodu?
V našem současném energetickém mixu je přibližně 20 % dodáváno ve formě elektřiny a 80 % ve formě zemního plynu nebo kapalných fosilních paliv (benzín, nafta). Naše klimatické cíle tuto situaci v blízké budoucnosti výrazně změní. Podíl elektřiny vyrobené z větrné a solární energie prudce vzroste. Pro řadu aplikací, jako je těžká doprava, vysokoteplotní procesy v průmyslu a letectví, stále chybí dobré elektrické řešení a stále existuje potřeba udržitelného plynu. Vodík zde může hrát užitečnou roli. Vodík je navíc důležitý ve formě velkokapacitního úložiště pro ty chvíle, kdy je bezvětří a zataženo.

Které země také pracují na vodíku?
Země jako Norsko, Austrálie, Maroko, Chile, Saúdská Arábie, Čína a Japonsko jsou se zeleným vodíkem velmi aktivní, zejména proto, že je zde značná (potenciální) dostupnost levné obnovitelné energie z větrné, solární nebo vodní energie pro výrobu zeleného vodíku. Výjimkou je však Japonsko, které je do značné míry závislé na dovozu svých dodávek energie a vyvinulo strategii dovozu (zeleného) vodíku ve velkém měřítku. Jeho klíčová role spočívá ve vývoji technologií. Nizozemsko je v dobré pozici částečně díky našim znalostem technologie plynu a elektrolýzy, velkému potenciálu větrné energie v Severním moři a energeticky náročnému průmyslu, který se musí pevně zavázat k udržitelnosti.

K čemu budeme používat vodík?
Vodík je zvláště důležitý pro zpracovatelský průmysl. Nyní se používá hlavně pro výrobu hnojiv, ale v budoucnu může být použit také pro vysokoteplotní procesy, jako je výroba oceli, pro kterou se nyní používá zemní plyn nebo uhlí. Vodík bude navíc hrát roli v mobilitě, například pro meziměstské autobusy, které musí překonávat delší vzdálenosti a kde není řešením elektrická jízda.

Co znamená vodík pro občana?
Krátkodobě se toho moc neprojeví. Pokud k tomu vůbec dojde, bude například používání vodíku v domácnostech dávno opožděné. Pro většinu domů je lepším řešením společná tepelná síť nebo elektrické tepelné čerpadlo. V provozu bude pomalu přibývat vodíkových aut (aktuálně méně než sto) a vodíkových čerpacích stanic (v roce 2018: 3).

Jaká jsou rizika?
Vodík je velmi lehký plyn, vysoce hořlavý a používá se při pohyblivosti pod tlakem až 700 barů. Stejně jako s každým jiným plynem je důležité při výrobě, přepravě a používání s ním zacházet opatrně a přenechat jej výhradně odborným firmám. Pokud se má vodík používat ve stávajících plynovodech, je důležité dále zkoumat, jak se vodík vlastně „chová“ v praxi. Vodík je lehčí než zemní plyn a může snadněji unikat z ventilů a těsnění.

Co dělá TNO z hlediska výzkumu vodíku?
TNO je nezávislá organizace, která provádí špičkový aplikovaný výzkum. Její výzkum v oblasti vodíku se zaměřuje na výrobu, infrastrukturu a aplikace (konverze a konečné použití). V roce 2020 TNO realizovalo více než 50 projektů souvisejících s těmito tématy. Odkazy na výběr z těchto projektů naleznete níže (bod 15).

Jak daleko je vývoj zeleného vodíku?
V letech 2000 až 2018 bylo uvedeno do provozu asi 230 projektů elektrolýzy s celkovou kapacitou asi 100 MW (zdroj: IEA 2019, The Future of Hydrogen). V roce 2020 byla globální instalovaná kapacita 200 MW a přibližně 2 400 MW do konce roku 2023. Tato čísla ukazují, že jsme teprve na začátku a že potřebujeme vyvinout zcela nový dodavatelský řetězec.
Potřebujeme nové společnosti, nové dodavatele a nové výrobce, kteří vyvinou materiály a komponenty pro větší systémy elektrolýzy nové generace. Toto je jedinečná příležitost pro nizozemský high-tech průmysl. Cílem Evropské unie je do roku 2030 instalovat v Unii 40 GW elektrolýzy a dalších 40 GW v severní Africe. Dosažení tohoto cíle bude vyžadovat zrychlení tempa technologických inovací i skutečných projektů.

Jaké jsou největší technické výzvy, které představuje elektrolýza?
Z hlediska elektrolýzy vody jsou v současné době k dispozici čtyři technologie (AEM, SOE, PEM a Alkaline), z nichž každá má své specifické výhody, nevýhody a úroveň vyspělosti. Podívejte se na naše video o výrobě vodíku pomocí elektrolýzy (otevře se v novém okně nebo záložce) (odkazuje na jiný web). U všech čtyř technologií jsou tři hlavní výzkumné výzvy:
snížit kapitálové výdaje spojené se systémem
zlepšit efektivitu systému
překonat překážky velkovýroby tak, aby bylo možné do roku 2030 dosáhnout roční celosvětové výrobní kapacity elektrolyzérů 30 GW.

Produkty se prodávají ve všech regionech Číny a vyvážejí se do zemí po celém světě. Byly prodávány ve více než 20 zemích a regionech včetně Spojených států, Německa, Maroka, Keni, Saúdské Arábie, Vietnamu, Alžírska, Indie, Tanzanie a Tchaj-wanu. Úspěšně poskytly známé podniky, jako jsou China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group a další známé podniky. Existuje mnoho stanic na hydrogenaci zeleného vodíku, jako jsou Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming atd., které poskytují zelené projekty a projekty na výrobu vodíku.