Razvoj novih energentov
| Avtorja: Igor Grofelnik, Marjan Sternad, Fakulteta za logistiko, Univerza v Mariboru |
Globalno povpraševanje po povečani proizvodnji energije in s tem povezanimi okoljskimi vprašanji, kot je onesnaževanje in globalno segrevanje, postaja med bolj perečimi problemi 21. stoletja. Nekateri strokovnjaki menijo, da je povišanje globalne temperature za 2 °C neizogibno, v kolikor bomo nadaljevali z uporabo trenutnih energetskih pristopov. Prav tako je vse bolj jasno tudi dejstvo, da je ruska invazija na Ukrajino povzročila visok skok cen zemeljskega plina in ostalih klasičnih energentov. Visok skok cen plina je povzročil, da se zeleni vodik, proizveden izključno z obnovljivo energijo, nenadoma zdi veliko bolj dostopen, kot je bil prej, kar je spodbudilo naložbe in zanimanje za sektor, ki bi lahko zmanjšal ceno potrebnih energentov, hkrati pa bi lahko drastično znižali svoje emisije ogljika.
Strokovnjaki menijo, da bi vrsta »čistega« zelenega vodika lahko nadomestila fosilna goriva v vseh pogledih. Zato je potrebno cilje zasnove energetskega sistema razširiti tako, da se ne nanašajo samo na trenutno tehnologijo in ekonomijo, vključevati morajo tudi analizo in redukcijo vpliva na okolje ter trajnost skozi celoten življenjski cikel (Hosseini & Butler, An overview of development and challenges in hydrogen powered vehicles, 2019). Zanimivo je tudi dejstvo, da se je povojni skok povprečne cene sivega vodika praktično izenačil s stroški zelenega vodika, pri 4,8 €/kg v Evropi. Samo v nekaj mesecih je ukrajinska vojna sprožila tudi 71 milijard evrov novih naložb v zeleni vodik. Prav tako je Evropska unija za podporo sektorju ustanovila banko zelenega vodika v vrednosti 3 milijard evrov, medtem ko so Združene države s svojim zakonom o zmanjševanju inflacije uvedle velik davčni dobropis v višini 3 dolarjev/kg za proizvodnjo zelenega vodika. (Mbuk, 2022).
Vodik tako predstavlja široko paleto uporabnosti v energetskem in transportnem sektorju. Lahko se namreč uporablja za ogrevanje in druge namene, medtem ko v transportu služi kot pogonsko gorivo. V energetskem sektorju sežiganje vodika za proizvodnjo električne energije bliskovito narašča. V Združenih državah je več elektrarn objavilo načrte za delovanje na mešanico goriva zemeljskega plina in vodika v plinskih turbinah z zgorevanjem. Zanimiv primer predstavlja Long Ridge Energy Generation Project v Ohiu s plinsko zgorevalno turbino, ki bo delovala na mešanico goriva zemeljskega plina in vodika v plinski turbini z načrtom, da 100 % zelenega vodika proizvedejo izključno iz obnovljivih virov. Drug primer je načrtovana pretvorba obstoječe elektrarne na premog v Utahu s strani Intermountain Power Agency v elektrarno s kombiniranim ciklom na plin, ki bi sprva uporabljala do 30 % vodika in sčasoma uporabljala 100 % zelenega vodika (Poljak, 2022).
Transportni sektor v Evropski uniji predstavlja tretjino vse porabljene končne energije. Večina te energije temelji na uporabi fosilnih goriv. Dejstvo je, da je promet odgovoren za velik delež emisij toplogrednih plinov v Evropski uniji. Trenutna transportna sredstva in stroji so skoraj izključno odvisni od fosilnih goriv, hkrati pa porabijo veliko količino energije (Mori & Hirose, 2009). Tako zaradi izčrpavanja virov fosilnih goriv in vse večje stopnje antropogenih emisij toplogrednih plinov (GHG) energetski strategi in okoljevarstveniki izpostavljajo možnost uporabe drugih primarnih nosilcev energije (Hosseini & Wahid, 2012). Trenutno približno 65 % svetovnega povpraševanja po energiji pokrivajo fosilna goriva v tekoči obliki, ker so zlahka dostopna in priročna za uporabo. V mestnem prometu (osebni avtomobili, taksiji, avtobusi in mestni železniški promet) je poraba energije različnih možnosti različna, pri čemer imajo osebni avtomobili največjo porabo energije. Hiter razvoj industrije zasebnih avtomobilov negativno vpliva na energetski scenarij prihodnosti ter okolja v urbanih področjih (Chen, in drugi, 2018). Trenutna cestna vozila namreč porabijo približno 50 % svetovne proizvodnje nafte (Balat, Balat, & Oz, 2014). Povpraševanje po surovi nafti se tako nenehno povečuje zaradi gospodarskega pospeševanja, hkrati pa se zaradi rusko-ukrainskega spora višajo tudi cene nafte.
Vodik postaja del strateških načrtov vlad
Zato energetski načrtovalci na globalni ravni iščejo trajnostne rešitve, ki bi zadovoljile potrebo po energiji zlasti v prometnem sektorju (Hosseini & Butler, 2019). V tem kontekstu so se oblikovale raziskave in naložbe v uporabo obnovljivih in trajnostnih alternativnih goriv ter izboljšanje energetske učinkovitosti motorjev (Hosseini & Wahid, 2012). Vodik je tako eden najpomembnejših kandidatov za zadovoljevanje potreb po energiji v prihodnosti in igra ključno vlogo v večini vladnih strateških načrtov (Elnashaie, Chen, & Prasad, 2007). Vodik ima na masni osnovi trikrat večjo kurilno vrednost kot nafta in ustvarja bistveno manj škodljivih emisij v motorjih z notranjim zgorevanjem in gorivnih celicah, kar je ena najpomembnejših pomanjkljivosti fosilnih goriv (Fayaz, in drugi, 2012). Vodik ima tako velik potencial, da postane trajnostno gorivo prihodnosti. Z njegovo uporabo lahko namreč zmanjšamo globalno odvisnost od fosilnih virov goriv, prav tako pa lahko drastično zmanjšamo trenutne emisije na področju prometa. Uporaba zelenega vodika namesto fosilnih goriv prinaša nešteto prednosti.
Najpomembnejša prednost je, da velja za okolju prijazno gorivo, saj pri uporabi v gorivnih celicah oddaja kot končni emisijski produkt vodo (Zeng & Zhang, 2010). Vodik, ki je najpogostejši element v vesolju, ima najvišjo specifično energijsko vsebnost v primerjavi z ostalimi fosilnimi gorivi (Balat, Balat, & Oz, 2014). Njegov energijski izkoristek je 122 kJ/g, kar je 2,75-krat več kot številna ogljikovodikova goriva (Kapdan & Kargi, 2006). Energija na enoto mase, ki je shranjena v vodiku, je približno 2,6-krat večja od bencina. Vendar pa je vodik lahko neugoden za shranjevanje, saj ima približno štirikrat večjo prostornino kot bencin, če je shranjen v tekočem stanju. Prav tako ima 19-krat večjo prostornino, če ga hranimo v plinastem agregatnem stanju (Hosseini S. E., 2019).
Za vozila vodik na gorivne celice
Uporaba vodika kot goriva v vozilih s pogonom na motorje z notranjim zgorevanjem (ICE) ali s pomočjo gorivne celice (FC) predstavlja obetavno rešitev. Motorji z notranjim izgorevanjem z vodikovim gorivom imajo nizko dosegljivo učinkovitost 20–25 %, kar predstavlja težavo pri obravnavi trenutnih zmogljivosti shranjevanja vodika v plinastem in tekočem stanju. Zaradi nizke učinkovitosti H2ICE in nizke zmogljivosti shranjevanja v kombinaciji s pomanjkanjem infrastrukture za oskrbo z vodikom je takšen tip motorja za potrošnike trenutno še neučinkovit. Veliko študij je bilo v preteklosti usmerjenih tudi v raziskovanje metod za izboljšanje učinkovitosti motorjev z notranjim zgorevanjem na vodik (H2ICE), ki pa so izpostavile resen problem skladiščenja vodika. Tako je danes trend na področju razvoja in raziskav usmerjen v vozila na vodik na gorivne celice. Uporaba gorivnih celic ponuja več potenciala, saj predstavljajo do 60 %-tno učinkovitost v primerjavi s konvencionalnimi vozili. Izpostaviti je potrebno tudi problem izdelave gorivnih celic. Uporaba redkih zemeljskih kovin v različnih vrstah FC-jev poveča stroške in ustvari omejujoč dejavnik pri izdelavi (Verhelst S. , 2013). Problem predstavljajo tudi določene vrste membran, ki se uporabljajo v gorivnih celicah, saj se poškodujejo zaradi uporabe vodika slabše kakovosti. Te poškodbe tako skrajšajo življenjsko dobo gorivnih celic. Vendar pa je potrebno poudariti, da je bilo v zadnjem času izvedenih kar nekaj študij o izboljšanju delovanja in povečanju učinkovitosti glede vzdržljivosti in življenjske dobe gorivnih celic (Chen, in drugi, 2018). Zelo nizka gostota vodika tako povzroča nekaj izzivov za njegovo skladiščenje, distribucijo in shranjevanje v vozilih. Vendar pa so prednosti uporabe vodika v transportnem sistemu dovolj pomembne, da lahko vodik uvedemo kot resnega kandidata za nosilca energije za sodobne transportne sisteme (Verhelst & Wallner, 2009).
Obstaja več eksperimentalnih metod za pridobivanje in proizvodnjo zelenega vodika:
- pridobivanje vodika s pomočjo vetrne energije (Nagasawa, Davidson, Lloyd, & Webber, 2019),
- pridobivanje vodika s pomočjo sončne energije (Burhan, Jin Oh, Chua, & Choon Ng, 2017),
- pridobivanje vodika s pomočjo biomase (Hosseini S. , Wahid, Jamil, Azli, & Misbah, 2015).
- pridobivanje vodika s pomočjo geotermalne energije (Kianfard, Khalilarya, & Jafarmadar, 2018),
- pridobivanje vodika s pomočjo jedrske energije (Sorgulu & Dincer, 2021),
- pridobivanje vodika s pomočjo disociacije vode z elektrolizo (Santos, in drugi, 2017)
- ter pridobivanje vodika iz fosilnih goriv (Lee, Elgowainy, & Dai, 2018).
Zeleni vodik predstavlja čisto, vsestransko in učinkovito gorivo, če je proizveden iz različnih obnovljivih virov energije in metod. Vendar pa je le nekaj teh metod trenutno komercialno izvedljivih (Barbir, 2009). Večina vodika je trenutno proizvedena iz dragih neobnovljivih virov (Holladay, Hu, King, & Wang, 2009), kar predstavlja iz okoljskega vidika problem. Elektroliza trenutno predstavlja proizvodno metodo, ki lahko uporablja obnovljivo energijo, vendar z energetskega vidika zdaj predstavlja še neučinkovit proces, ki pa se z večanjem uporabe izboljšuje (Hwang, 2013). Vodik je čisto, vsestransko in učinkovito gorivo, če je proizveden iz različnih obnovljivih virov energije in metod. Vendar pa je le nekaj teh metod komercialno izvedljivih (Barbir, 2009). Trenutno je cena vodika več kot dvakrat višja od cene dizla in bencina na množični osnovi. Da bo proizvodnja vodika okoljsko trajnostna in cenovno konkurenčna, je treba doseči znaten napredek. Za vzpostavitev delujočega vodikovega gospodarstva je treba oceniti potrebno energijo za proizvodnjo čistega vodika, njegovo shranjevanje in transport (Herzog & Tatsutani, 2005). Obnovljiva energija lahko lokalno zagotovi vodik, vendar pa niso ustrezni viri za zagotovitev dovolj vodika za izpolnitev globalnih potreb (Lindorfer, Reiter, Tichler, & Steinmüller, 2019). To je zato, ker trenutno ni ustreznih rešitev za shranjevanje vodika, ki bi bile poceni. Po podatkih Ministrstva za energijo ZDA je sonce najverjetneje edini vir obnovljive energije, ki lahko proizvede dovolj vodika za razvoj vodikovega gospodarstva (Edwards, Kuznetsov, David, & Brandon, 2008).
Z vodikom do ničelnih emisij
Zaradi številnih izzivov v procesih proizvodnje in uporabe vodika je postalo raziskovanje razvoja in različnih lastnosti vodika, predvsem pri uporabi transportnih motorjev, ena najpomembnejših raziskovalnih usmeritev. Številne vlade in oblikovalci politik zdaj verjamejo v vodik, ki jim bo pomagal doseči ničelne neto emisije toplogrednih plinov do leta 2050 . Verjamejo namreč, da je način njegove proizvodnje in uporabe mogoče spremeniti. Tako bi lahko vodik igral bistveno vlogo pri razogljičenju proizvodnje in izpodrivanju fosilnih goriv v prometu in proizvodnji električne energije. Ambicije za pretvorbo vodika v čisto gorivo in kemično zalogo pa bodo odvisne od hitre gradnje elektrolizatorjev, ki ločijo vodo – spojino vodika in kisika – na njene sestavne elemente. Zagotavljanje, da bo električna energija, uporabljena pri ločevanju, pridobljena iz obnovljivih virov in ne iz fosilnih goriv, bo ključnega pomena za sprejetje resnično »zelenega« vodika (Kavanagh, 2022).
Vodik podpirajo tudi akterji v energetiki
Pravi čas je, da izkoristimo potencial vodika, ki igra ključno vlogo v čisti, varni in cenovno dostopni energetski prihodnosti. Čisti vodik trenutno uživa politični in poslovni zagon brez primere, saj se število politik in projektov po vsem svetu hitro širi. Ugotavljamo tudi, da je zdaj čas za razširitev tehnologij in znižanje stroškov, da se omogoči široka uporaba vodika. Zagotovljena pragmatična in izvedljiva priporočila vladam in industriji bodo prav tako omogočila, da se ta vse večji zagon v celoti izkoristi. Vodik tako lahko pomaga pri reševanju različnih kritičnih energetskih izzivov, hkrati pa ponuja izvrsten način za razogljičenje številnih sektorjev. Pomaga tudi izboljšati kakovost zraka in ima moč okrepiti energetsko varnost, ki v današnjem času postaja pravi izziv. Menimo, da so v preteklosti bili opravljeni napačni pristopi glede implementacije vodika, vendar pa bi lahko bilo tokrat drugače. Izrazit razvoj fotovoltaike, vetrne energije, baterij in električnih vozil so pokazali, da imajo politike in tehnološke inovacije moč za izgradnjo svetovnih industrij čiste energije, ki sledi konceptu Net-Zero. Glede na to, da se svetovni energetski sektor spreminja, vsestranskost vodika z vsakim dnem bolj pritegne vse večje zanimanje raznolike skupine vlad ter gospodarstva. Zanimivo je tudi dejstvo, da danes podpora vodiku prihaja od vlad, ki uvažajo in izvažajo energijo, dobaviteljev električne energije iz obnovljivih virov, proizvajalcev industrijskega plina, podjetij za oskrbo z električno energijo in plinom, proizvajalcev avtomobilov, velikih inženirskih podjetij ter velikih mest, ki se trudijo vpeljati v svoja mesta brezemisijske tehnologije. Tako naložbe v vodik pomagajo spodbuditi nov tehnološki in industrijski razvoj v gospodarstvu po vsem svetu, prav tako pa ustvarjajo nova kvalificirana delovna mesta. Ključno je tudi mednarodno sodelovanje, ki je bistvenega pomena za pospešitev rasti vsestranskega čistega vodika po vsem svetu. Če si vlade prizadevajo za povečevanje vodika na usklajen način, lahko to pomaga spodbuditi naložbe v tovarne in infrastrukturo, ki bodo znižale stroške ter omogočile izmenjavo znanja in najboljših praks.
Vlada naj spodbuja naložbe v vodikove tehnologije
V Republiki Sloveniji trend trajnosti in nizkoogljične družbe narašča. Zato se pobuda implementacije vodikove strategije kaže kot obetavna. Vodik ima potencial, da igra pomembno vlogo pri razogljičenju različnih sektorjev gospodarstva, vključno s prometom, industrijo in proizvodnjo električne energije. Slovenija je s projekti, kot sta Vodikov center – projekt H2GreenTECH (H2GreenTECH, 2023) in North Adriatic Hydrogen Valley (Neewsroom, 2022), že naredila nekaj korakov v smeri implementacije vodikove tehnologije, vendar pa je na tem področju še veliko prostora za znatno širitev in razvoj. Slovenija je namreč še med redkimi evropskimi državami brez strategije uvajanja vodika (Pavšič, 2022). S polnim prevzemom vodikove strategije ima Slovenija priložnost, da se uveljavi kot vodilna na področju vodikove tehnologije in spodbudi prehod v bolj trajnostno in nizko ogljično prihodnost. Menimo, da bo sprejetje vodikove strategije zahtevalo usklajena prizadevanja tako javnega kot zasebnega sektorja. Vlada bi morala zagotoviti financiranje in podporo za raziskave in razvoj vodikovih tehnologij, pa tudi spodbude za podjetja, da sprejmejo vodikove rešitve. Hkrati pa je potrebno spodbujati podjetja, da vlagajo v vodikove tehnologije in jih uvajajo ter sodelujejo z raziskovalci in oblikovalci politik, da prepoznajo in obravnavajo vse ovire za njihovo sprejetje. Skratka, sprejem vodikove strategije predstavlja edinstveno priložnost za Slovenijo, da prevzame vodilno vlogo pri prehodu v bolj trajnostno in nizkoogljično prihodnost. Z vlaganjem in implementacijo vodikove tehnologije lahko Slovenija razogljiči različne sektorje gospodarstva, zmanjša onesnaženost zraka ter ustvari nova delovna mesta in gospodarske priložnosti. Zdaj je čas za ukrepanje – sprejmimo vodikovo strategijo in s sprejetjem ustvarimo prehod v svetlejšo in bolj trajnostno prihodnost.
Viri in literatura
Kavanagh, M. (2022). Europe’s energy crisis gives boost to green hydrogen. Financial Times, 1-3.
Poljak, J. (2022). ‘Could Europe replace Russian gas with green hydrogen? Let’s look at the numbers’. RECHARGE, 1-3.
Fernandez, I. J., Birkel, S., Simonson, J., Lyon, B., & Pershing, A. (2020). Maine’s Climate Future: 2020 Update. Maine: The University of Maine.
Hosseini, S. E., & Butler, B. (2019). An overview of development and challenges in hydrogen powered vehicles. International Journal of Green Energy, 13-37.
Hosseini, E., & Wahid, M. A. (2012). Necessity of biodiesel utilization as a source of renewable energy in Malaysia. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 5732-5740.
Chen, B., Li, J., Wu, X., Han, M., Zeng, L., Li, Z., & Chen, G. (2018). Global energy flows embodied in international trade: A combination of environmentally extended input–output analysis and complex network analysis. Applied Energy, 98-107.
Balat, M., Balat, H., & Oz, C. (2014). Literature Review on Biorefinery Processes Integrated to the Pulp Industry. Natural Resources,, 551-573.
Fayaz, H., Saidur, R., Razali, N., Anuar, F., Saleman, A., & Islam, M. (2012). An overview of hydrogen as a vehicle fuel. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 5511-5528.
Elnashaie, S., Chen, Z., & Prasad, P. (2007). Efficient Production and Economics of Clean-Fuel Hydrogen. International Journal of Green Energy.
Zeng, K., & Zhang, D. (2010). Recent progress in alkaline water electrolysis for hydrogen production and applications. Progress in Energy and Combustion Science, 307-326.
Kapdan, I., & Kargi, F. (2006). Hydrogen Production Technologies Overview. Journal of Power and Energy Engineering, 1-8.
Hosseini, S. E. (2019). An Overview of Development and Challenges in Hydrogen Powered Vehicles. International Journal of Green Energy, 1-8.
Verhelst, S. (2013). Recent progress in the use of hydrogen as a fuel for internal combustion engines. International Journal of Hydrogen Energy, 1071-1085.
Nagasawa, K., Davidson, T., Lloyd, A. C., & Webber, M. E. (2019). Impacts of renewable hydrogen production from wind energy in electricity markets on potential hydrogen demand for light-duty vehicle. Applied Energy, 1001-1016.
Burhan, M., Jin Oh, S., Chua, K., & Choon Ng, K. (2017). Solar to hydrogen: Compact and cost effective CPV field for rooftop operation and hydrogen production. Applied Energy, 255-266.
Hosseini, S., Wahid, M., Jamil, M., Azli, M., & Misbah, M. (2015). A review on biomass-based hydrogen production for renewable energy supply. Internationa journal of energy research, 1597-1615.
Kianfard, H., Khalilarya, S., & Jafarmadar, S. (2018). Exergy and exergoeconomic evaluation of hydrogen and distilled water production via combination of PEM electrolyzer, RO desalination unit and geothermal driven dual fluid ORC. Energy Conversion and Management, 339-349.
Sorgulu, F., & Dincer, I. (2021). Cost evaluation of two potential nuclear power plants for hydrogen production. Int. J. Hydrogen Energy, 10522-10529.
Santos, K. g., Eckert, C., De Rossi, E., Aparecido Bariccatti, R., Pires Frigo, E., Lindino, C. A., & Alves, H. J. (2017). Hydrogen production in the electrolysis of water in Brazil, a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 563-571.
Barbir, F. (2009). Transition to renewable energy systems with hydrogen as an energy carrier. Energy, 308-312.
Holladay, J., Hu, j., King, D. L., & Wang, Y. (2009). An overview of hydrogen production technologies. Catalysis Today, 244-260.
Hwang, J. (2013). Sustainability study of hydrogen pathways for fuel cell vehicle applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 220-229.
Herzog, A., & Tatsutani, M. (2005). A HYDROGEN FUTURE? An Economic and Environmental Assessment of Hydrogen Production Pathways . Natural Resources Defense Council, 1-23.
Lee, D. Y., Elgowainy, A., & Dai, Q. (2018). Life cycle greenhouse gas emissions of by-product hydrogen from chlor-alkali plants. Argonne, Illinois: Argonne National Laboratory.
Lindorfer, J., Reiter, G., Tichler, R., & Steinmüller, H. (2019). 14 – Hydrogen fuel, fuel cells, and methane. Managing Global Warming, An Interface of Technology and Human Issues, 419-453.
Verhelst, S., & Wallner, T. (2009). Hydrogen-fueled internal combustion engines. PROGRESS IN ENERGY AND COMBUSTION SCIENCE, 490–527.
Edwards, P., Kuznetsov, V., David, W., & Brandon, N. (2008). Hydrogen and fuel cells: Towards a sustainable energy future. Energy Policy, 4356-4362 .
Mori, D., & Hirose, K. (2009). Recent challenges of hydrogen storage technologies for fuel cell vehicles. International Journal of Hydrogen Energy, 4569-4574.
Mbuk, K. (2022). War drives $73bn spend on green hydrogen as soaring gas price risks stranding of ‘dirty’ hydrogen. Amsterdam: Carbon Tracker.
Casci, J. L., Martin Lok, C., & Shannon, M. D. (2009). Fischer–Tropsch catalysis: The basis for an emerging industry with origins in the early 20th Century. Catalysis Today, 38.44.
Li, J., Wei, Y., Liu, L., Li, X., & Yan, R. (2022). The carbon footprint and cost of coal-based hydrogen production with and without carbon capture and storage technology in China. Journal of Cleaner Production, 1-8.
Novotny, V. (2022). Blue hydrogen can be a source of green energy in the period of decarbonization. International Journal of Hydrogen Energy, 1-12.
Fernández-González, R., Puime-Guillén, F., & Panait, M. (2022). Multilevel governance, PV solar energy, and entrepreneurship: the generation of green hydrogen as a fuel of renewable origin. Utilities Policy, 1-9.
Plug. (2022, 11 16). Hydrogen Basics: Fuel of the Future Explained.
Kane, M. K., & Gil, S. (2022, 6 23). Green Hydrogen: A key investment for the energy transition. London.
Jennifer, L. (2022, October 10). Is Green Hydrogen Energy of the Future? London.
H2GreenTECH. (2023). H2GreenTECH. Retrieved from Vodikov Center: https://www.h2greentech.eu/sl/vodikov-center/
Neewsroom. (2022). Croatia, Slovenia and Italy to establish a North Adriatic Hydrogen Valley. London, United Kingdom.
Pavšič, G. (2022). Celo Hrvati jo imajo, Slovenija še brez: strategija vodika vse nujnejša. Ljubljana: Avtomoto.
