Zaļais ūdeņraža ražošanas risinājums

Kopumā ūdeņradi var izmantot kā degvielu divos galvenajos veidos. To var sadedzināt, lai ražotu siltumu, vai arī to var ievadīt ūdeņraža degvielas šūnā, lai ražotu elektroenerģiju. Labā ziņa ir tā, ka pēc zilā vai zaļā ūdeņraža iegūšanas tam ir daudz dažādu pielietojumu:
Transports:Ūdeņradis jau tiek izmantots autobusu un cita veida sabiedriskā transporta degvielas uzpildei, īpaši Japānā. To var izmantot arī kravas automašīnu un vilcienu darbināšanai, savukārt ūdeņraža bāzes degvielu, piemēram, amonjaku, var izmantot aviācijā un kuģniecībā. Plašāka ūdeņraža izmantošana transportlīdzekļu darbināšanai būs atkarīga no tā, vai ūdeņraža degvielas elementi kļūs lētāki un ūdeņraža degvielas uzpildes stacijas kļūs arvien izplatītākas.

Enerģijas ražošana:Ūdeņradi var izmantot, lai pārvērstu atjaunojamos enerģijas avotus degvielā, ko pēc tam var uzglabāt un transportēt lielos attālumos. Ūdeņradi un amonjaku var izmantot arī gāzturbīnās un ogļu spēkstacijās, lai samazinātu to emisijas.

Ēku apkure:Ūdeņradim ir milzīgs potenciāls aizstāt dabasgāzi mājsaimniecību un komerciālo ēku apkurei, izmantojot esošo dabasgāzes infrastruktūru. Ūdeņraža katli un sadzīves ūdeņraža kurināmā elementi ir jāattīsta tālāk, taču tiem varētu būt svarīga loma nākotnē.

Nozare:Ūdeņradi pašlaik izmanto daudzos svarīgos rūpnieciskos procesos. Tie ietver benzīna rafinēšanu, tērauda ražošanu, metālu apstrādi un dažādu ķīmisko vielu ražošanu.

Atšķirībā no pelēkā ūdeņraža, zaļais ūdeņradis ir pilnībā atjaunojams gan savā izejmateriālā, gan energoapgādē. Attiecībā uz izejmateriālu zaļais ūdeņradis mūsdienās parasti tiek ģenerēts no ūdens, izmantojot procesu, kas pazīstams kā elektrolīze, kurā tiek izmantota elektriskā strāva, lai sadalītu ūdeni ūdeņraža un skābekļa molekulās. To veic, izmantojot ierīci, ko sauc par elektrolizatoru, kas izmanto katodu un anodu (pozitīvi un negatīvi lādētus elektrodus). Šis process rada tikai skābekli vai tvaiku kā blakusproduktu. Attiecībā uz energoapgādi, lai to kvalificētu kā "zaļo ūdeņradi", elektrolīzei izmantotajam elektroenerģijas avotam ir jābūt iegūtam no atjaunojamiem enerģijas avotiem, piemēram, vēja vai saules enerģijas.

Ir trīs galvenie elektrolizatoru veidi:Sārmains, protonu apmaiņas membrāna (PEM) un cietais oksīds. Tie atšķiras atkarībā no izmantotā elektrolīta materiāla. Sārma elektrolizatori izmanto ūdens šķīdumu ar sārmainam līdzīgu sāli, lai nodrošinātu elektrisko vadītspēju, savukārt PEM elektrolizatori izmanto cietu polimēra membrānu (elektrolītu). Cietā oksīda elektrolizatori izmanto cietu keramikas materiālu kā elektrolītu, kas ļauj tiem darboties ar augstāku elektrisko efektivitāti un daudz augstāku temperatūru. Tas ļauj izmantot tvaiku un ārējo siltumu kā enerģijas avotus, nevis paļauties uz elektrību. Tādējādi cietā oksīda elektrolīze nodrošina ievērojami zemākas operāciju izmaksas, jo siltums parasti ir lētāks un dažreiz dabiski tiek ražots kā noteiktu rūpniecisko procesu blakusprodukts.

Pirms gadiem ūdeņradis tika uzskatīts tikai par risinājumu videi draudzīgāku transportlīdzekļu attīstībai. Tā kā elektriskie transportlīdzekļi ir ieguvuši lielāku saķeri, ūdeņradis arvien vairāk tiek uzskatīts par risinājumu citām nozarēm.

Pieprasījums pēc ūdeņraža turpina pieaugt, jo tā izmantošana paplašinās visās rūpniecības un ražošanas nozarēs dažādiem mērķiem, tostarp naftas rafinēšanai, tērauda ražošanai un cementa ražošanai. Tomēr, pieaugot ūdeņraža popularitātei, zaļā ūdeņraža nozīmi nevar pārvērtēt. Satraucoši, ka 98% ūdeņraža tiek ražoti no fosilā kurināmā bez oglekļa dioksīda emisiju kontroles vai noteikumiem. Bet zaļajam ūdeņradim ir potenciāls to mainīt uz labo pusi.

No komerciālās ražošanas dūmiem līdz ar benzīnu un dīzeļdegvielu darbināmu automašīnu izplūdes gāzēm zaļā ūdeņraža ražošana samazina vai novērš nepieciešamību pēc fosilā kurināmā enerģijas avotiem, kas izdala lielu daudzumu oglekļa dioksīda gaisā. Datu centru nozarē, glabāšanas sistēmām attīstot ūdeņradi, to var izmantot ar dīzeļdegvielu darbināmu rezerves ģeneratoru vietā, lai darbinātu nākotnes datu centrus. Rezultātā zaļā ūdeņraža priekšrocības ir daudz, ļaujot valdībām un organizācijām stiprināt valsts energoapgādes drošību, taupīt degvielu, samazināt kopējās emisijas un dažādot transporta enerģijas iespējas, sākot no automašīnām līdz plašām sabiedriskā transporta sistēmām.

Zaļo ūdeņraža tehnoloģiju nevarēja ieviest labākā laikā. ASV Enerģētikas informācijas administrācija prognozē, ka globālais pieprasījums pēc enerģijas pieaugs par 47% līdz 2050. gadam. Vienīgais veids, kā kompensēt šo pieprasījumu naftas un ogļu enerģijas ražošanas veidā, ir pieņemt videi nekaitīgākas metodes, piemēram, zaļo ūdeņradi.

Pateicoties tehnoloģiskajiem sasniegumiem, kas būtībā ir dekarbonizējuši ūdeņraža ražošanu, daudzi uzņēmumi pievēršas oglekļa kompensācijām, kas izmanto zaļo ūdeņradi, lai samazinātu oglekļa pēdas nospiedumu un sasniegtu agresīvos ESG mērķus.

Zaļā ūdeņraža ģenerēšanas procesam ir priekšrocības. Starptautiskā Enerģētikas aģentūra (IEA) norāda, ka zaļais ūdeņradis ik gadu ietaupa aptuveni 830 miljonus tonnu oglekļa dioksīda, salīdzinot ar to, kad gāze tiek ražota, izmantojot tradicionālās fosilā kurināmā metodes. Tas ir līdzvērtīgs visa gada emisijām no Apvienotās Karalistes un Indonēzijas kopā!

Tāpat kā jebkurai jaunai tehnoloģijai, zaļajam ūdeņraža bumam ir jāpārvar daži izaicinājumi. Daži jautājumi, kas jāņem vērā, ietver procesa efektivitāti un liela mēroga ražošanas izmaksas, kā arī ilgtermiņa spiediena uzglabāšanas risinājumu izveidi. Neņemot vērā izaicinājumus, zaļais ūdeņradis ir aizraujoša jauna tehnoloģija, kas varētu palīdzēt līdzsvarot tik ļoti nepieciešamo zaļās enerģijas liela mēroga ražošanu.

Liela daļa no pārejas no fosilā kurināmā ir saistīta ar dažu mūsu ikdienā lietojamo mašīnu, kas tiek darbinātas ar naftu un gāzi, elektrificēšanu — automašīnas un vietējais transports, kā arī dažās valstīs, piemēram, māju apkure. Tiem, kas jau ir elektrificēti, piemēram, datori un sadzīves tehnika, elektrība no kodolenerģijas un atjaunojamiem enerģijas avotiem, piemēram, vēja un saules, aizstāj ogles.

Taču ir dažas nozares, kurām nepieciešams tik daudz enerģijas, ka tradicionālie atjaunojamie energoresursi nespēj apmierināt to pieprasījumu. Tā ir problēma, jo šīs nozares ir vienas no lielākajām siltumnīcefekta gāzu emisijām.

Šeit eksperti saka, ka zaļajam ūdeņradim ir milzīgs potenciāls.
"Elektrība no tādiem avotiem kā vējš, saule un kodolenerģija ir būtiska mūsu enerģētikas sistēmas dekarbonizēšanai, taču tā nevar to paveikt viena pati, un tālsatiksmes transportā un smagajā rūpniecībā ir visgrūtāk samazināt emisijas," sacīja enerģētikas analītiķis. Starptautiskā enerģētikas aģentūra.

"Ūdeņradis ir pietiekami daudzpusīgs, lai aizpildītu dažas no šīm kritiskajām nepilnībām — nodrošinot vitāli svarīgas izejvielas ķīmisko vielu un tērauda rūpniecībai vai būtiskas sastāvdaļas zema oglekļa satura degvielai lidmašīnām un kuģiem," CNN sacīja Remme.

Piemēram, lidmašīnas vai liela kuģa vadīšana prasa tik daudz enerģijas, ka jebkurš akumulators, ko izmanto, lai uzglabātu elektrību no saules vai vēja, visticamāk, būtu pārāk liels un smags kuģim. No otras puses, zaļais ūdeņradis var būt šķidrā veidā un ir vieglāks. Saskaņā ar Airbus, kas izstrādā nulles emisiju komerciālo lidmašīnu, zaļā ūdeņraža enerģijas blīvums ir trīs reizes lielāks nekā reaktīvo degvielu, ko mēs izmantojam šodien.

Lai gan šķidrais zaļais ūdeņradis neizdala nulli oglekļa, tam ir daži ierobežojumi. Dedzinot atklātā atmosfērā, tas izdala nelielu daudzumu slāpekļa oksīda, kas ir spēcīga siltumnīcefekta gāze. Ja ūdeņradis tiek padots caur kurināmā elementu, tas izdala tikai ūdeni un siltu gaisu.

Dažām mazām lidmašīnām ir izdevies lidot ar ūdeņraža degvielas elementiem, lai gan tehnoloģija vēl nav komerciāli paplašināta.

Patlaban klimata mērķu sasniegšanai viss ir uz klāja. Enerģijas pārejai patiešām ir vajadzīgs liels stimuls. Ūdeņradis var dot nozīmīgu ieguldījumu šajā jomā. Sadarbība ir būtiska, lai varētu veiksmīgi izmantot ūdeņradi, piemēram, lai veicinātu CO2 samazināšanu rūpniecībā, e-degvielu lidmašīnām un izmantošanu apbūvētajā vidē. Bet investīcijas ir vajadzīgas un ir jautājumi.

Kas ir ūdeņradis?
Ūdeņradis ir visizplatītākais elements mūsu Visumā. Normālos apstākļos tas ir gāzveida, un mēs runājam par ūdeņraža gāzi (H2). Ūdeņradis ir arī vieglākā mums zināmā gāze, un tāpēc tai ir zems enerģijas blīvums uz tilpuma vienību (m3). Uz svaru (kg) ūdeņradim ir augsts enerģijas blīvums — 120 megadžouli (MJ) uz kg. Tas ir gandrīz trīs reizes vairāk nekā dabasgāze (45 MJ uz kg). Ūdeņradis bieži ir zem spiediena. Tomēr ūdeņraža gāzes spiedienam (saspiešanai) ir nepieciešama arī nepieciešamā enerģija (apmēram 10%).

Kas ir pelēkais un zilais ūdeņradis?
Gandrīz viss pašlaik pasaulē ražotais ūdeņradis ir tā sauktais “pelēkais ūdeņradis”. Pašlaik ražošana notiek, izmantojot tvaika metāna reformēšanu (SMR). Šeit augstspiediena tvaiks (H2O) reaģē ar dabasgāzi (CH4), radot ūdeņradi (H2) un siltumnīcefekta gāzi CO2. Nīderlandē šādā veidā tiek saražoti aptuveni 0,8 miljoni tonnu H2, izmantojot četrus miljardus kubikmetru dabasgāzes un radot 12,5 miljonus tonnu CO2 emisijas.
Termins “zilais ūdeņradis” vai “zema oglekļa dioksīda ūdeņradis” tiek lietots, ja pelēkā ūdeņraža ražošanas procesā izdalītais CO2 lielākoties (80-90%) tiek uztverts un uzglabāts. To sauc arī par CCS: oglekļa uztveršana un uzglabāšana. Tas varētu notikt tukšos gāzes laukos zem Ziemeļjūras. Nekur citur pasaulē zilais ūdeņradis netiek ražots lielā apjomā.

Kas ir zaļais ūdeņradis?
Zaļais ūdeņradis, kas pazīstams arī kā “atjaunojamais ūdeņradis”, ir ūdeņradis, ko iegūst, izmantojot ilgtspējīgu enerģiju. Vispazīstamākā ir elektrolīze, kurā ūdens (H2O) ar zaļās elektrības palīdzību tiek sadalīts ūdeņradī (H2) un skābeklī (O2). Daudzas partijas Nīderlandē eksperimentē ar šiem megavatu mēroga elektrolizatoriem. Ūdeņradis izdalās arī biomasas augstas temperatūras gazifikācijas laikā.

Kas ir tirkīza ūdeņradis?
Ūdeņradi, kas iegūts no dabasgāzes, izmantojot tā saukto izkausētu metālu pirolīzes tehnoloģiju, sauc par “tirkīza ūdeņradi” vai “zema oglekļa satura ūdeņradi”. Dabasgāze tiek izvadīta caur izkausētu metālu, kas izdala ūdeņraža gāzi, kā arī cieto oglekli. Pēdējais var atrast noderīgu pielietojumu, piemēram, automašīnu riepās. Šī tehnoloģija joprojām ir laboratorijas fāzē, un būs nepieciešami vismaz desmit gadi, līdz tiks realizēta pirmā izmēģinājuma iekārta.

Kādas ir turpmākās būtiskas atšķirības starp zilo un zaļo?
Papildus ražošanas metodei ir vairākas citas būtiskas atšķirības:
Tikai zaļais ūdeņradis, kas ražots ar elektrolīzi, nodrošina, ka lielu daudzumu ilgtspējīgas elektroenerģijas, kas saražota jūrā un uz sauszemes, var pareizi integrēt mūsu enerģētikas sistēmā. Tikai elektrolīze var elastīgi (pēc pieprasījuma) pārveidot elektroenerģiju par ūdeņradi un pēc tam to uzglabāt.
Turklāt liela mēroga elektrolīzes attīstība palīdzēs apmierināt pieaugošo pieprasījumu pēc elektroenerģijas un tādējādi stimulēs ilgtspējīgas enerģijas pieaugumu.
Ir arī atšķirība kvalitātē. Zaļajam ūdeņradim ir augstāka tīrības pakāpe, un to var izmantot nekavējoties, piemēram, transportlīdzekļa degvielas šūnā. Zilajam ūdeņradim ir zemāks tīrības līmenis, kas ir pietiekams rūpnieciskai lietošanai.
Zilā ūdeņraža ražošana ir veids, kā plašā mērogā un ar salīdzinoši zemām izmaksām “dekarbonizēt” rūpniecību, ti, samazināt CO2.

Baltais ūdeņradis no augsnes ir tīrs nākotnes enerģijas avots?
Mēs jau zinām pelēko, zilo un zaļo ūdeņradi, bet tagad šķiet, ka ir pieejams arī baltais vai dabiskais ūdeņradis. Tas nāk no augsnes, tāpat kā dabasgāze. Kad ūdeņradis sadedzina ar skābekli, izdalās tikai ūdens. Baltais ūdeņradis ir dabisks ūdeņradis no zemes virsmas, kam ir potenciāls kļūt par svarīgu nākotnes enerģijas avotu, ja to iegūst ūdens elektrolīzē ar vēja vai saules enerģiju (zaļais).
Pēc tam tas netiek izgatavots no dabīgiem pelniem vai oglēm (pelēks), pat ne vispirms uztverot CO2 (zils). Gāzi galvenokārt izmanto ķīmiskajā rūpniecībā, kā arī tērauda un mēslošanas līdzekļu ražošanā. Pārejot no fosilās enerģijas uz zaļo enerģiju, tā var kalpot kā elektrības uzglabāšanas buferis periodos bez saules un vēja.

Kādu lomu ūdeņradis spēlē enerģijas pārejā?
Mūsu pašreizējā enerģijas sadalījumā aptuveni 20% tiek piegādāti elektroenerģijas veidā un 80% dabasgāzes vai šķidrā fosilā kurināmā (benzīns, dīzeļdegviela) veidā. Mūsu klimata mērķi tuvākajā nākotnē būtiski mainīs šo situāciju. Strauji pieaugs vēja un saules enerģijas saražotās elektroenerģijas īpatsvars. Vairākiem lietojumiem, piemēram, smagajam transportam, augstas temperatūras procesiem rūpniecībā un aviācijā, joprojām trūkst laba elektriska risinājuma, un joprojām ir vajadzīga ilgtspējīga gāze. Ūdeņradim šeit var būt noderīga loma. Turklāt ūdeņradis ir svarīgs liela mēroga uzglabāšanas veidā tiem brīžiem, kad ir bezvējš un mākoņains.

Kuras valstis arī strādā pie ūdeņraža?
Tādas valstis kā Norvēģija, Austrālija, Maroka, Čīle, Saūda Arābija, Ķīna un Japāna ļoti aktīvi izmanto zaļo ūdeņradi, galvenokārt tāpēc, ka zaļā ūdeņraža ražošanai ir ievērojama (potenciāla) lētas atjaunojamās enerģijas pieejamība no vēja, saules vai hidroenerģijas. Tomēr izņēmums ir Japāna, kuras energoapgāde lielā mērā ir atkarīga no importa un ir izstrādājusi stratēģiju (zaļā) ūdeņraža importam plašā mērogā. Tās galvenā loma ir tehnoloģiju attīstībā. Nīderlande atrodas labā stāvoklī, daļēji pateicoties mūsu zināšanām par gāzes un elektrolīzes tehnoloģijām, lielajam vēja enerģijas potenciālam Ziemeļjūrā un energoietilpīgajai nozarei, kurai ir jāuzņemas stingras saistības attiecībā uz ilgtspējību.

Kam mēs izmantosim ūdeņradi?
Ūdeņradis ir īpaši svarīgs apstrādes rūpniecībā. Pašlaik to galvenokārt izmanto mēslošanas līdzekļu ražošanai, bet nākotnē to var izmantot arī augstas temperatūras procesos, piemēram, tērauda ražošanā, kurā tagad izmanto dabasgāzi vai ogles. Turklāt ūdeņradim būs nozīme mobilitātē, piemēram, starppilsētu autobusiem, kuriem jāveic garāki attālumi un kur elektriskā braukšana nav risinājums.

Ko pilsonim nozīmē ūdeņradis?
Īstermiņā nekas daudz nebūs redzams. Ja tas vispār notiks, ūdeņraža izmantošana mājās, piemēram, būs jau sen. Lielākajai daļai māju labāks risinājums ir kolektīvais siltumtīkls vai elektriskais siltumsūknis. Satiksmē lēnām pieaugs ūdeņraža automašīnu skaits (šobrīd nepilns simts) un ūdeņraža uzpildes staciju skaits (2018. gadā: 3).

Kādi ir riski?
Ūdeņradis ir ļoti viegla gāze, viegli uzliesmojoša un tiek izmantota mobilitātei zem spiediena līdz 700 bāriem. Tāpat kā ar jebkuru citu gāzi, ražošanas, transportēšanas un lietošanas laikā ir svarīgi ar to rīkoties uzmanīgi un atstāt to tikai profesionāliem uzņēmumiem. Ja ūdeņradis ir paredzēts izmantot esošajos gāzes cauruļvados, ir svarīgi turpināt pētīt, kā ūdeņradis faktiski “uzvedas” praksē. Ūdeņradis ir vieglāks par dabasgāzi un var vieglāk izplūst no vārstiem un blīvēm.

Ko TNO dara ūdeņraža pētniecības jomā?
TNO ir neatkarīga organizācija, kas veic progresīvus lietišķos pētījumus. Tās pētījumi par ūdeņradi koncentrējas uz ražošanu, infrastruktūru un lietojumiem (pārveidošanu un galapatēriņu). 2020. gadā TNO īstenoja vairāk nekā 50 projektus, kas saistīti ar šīm tēmām. Saites uz šo projektu izlasi ir atrodamas zemāk (15. punkts).

Cik tālu ir zaļā ūdeņraža attīstība?
Laikā no 2000. līdz 2018. gadam tika uzsākti aptuveni 230 elektrolīzes projekti ar kopējo jaudu aptuveni 100 MW (avots: IEA 2019, The Future of Hydrogen). 2020. gadā globālā uzstādītā jauda bija 200 MW un aptuveni 2400 MW līdz 2023. gada beigām. Šie skaitļi liecina, ka mēs tikai sākam darbu un ka mums ir jāizstrādā pilnīgi jauna piegādes ķēde.
Mums ir vajadzīgi jauni uzņēmumi, jauni piegādātāji un jauni ražotāji, lai izstrādātu materiālus un sastāvdaļas lielākām un nākamās paaudzes elektrolīzes sistēmām. Šī ir lieliska iespēja Nīderlandes augsto tehnoloģiju nozarei. Eiropas Savienības mērķis ir līdz 2030. gadam Savienībā uzstādīt 40 GW elektrolīzes jaudu un Ziemeļāfrikā vēl 40 GW. Lai sasniegtu šo mērķi, mums būs jāpaātrina gan tehnoloģisko inovāciju, gan faktisko projektu temps.

Kādi ir lielākie tehniskie izaicinājumi, ko rada elektrolīze?
Attiecībā uz ūdens elektrolīzi pašlaik ir pieejamas četras tehnoloģijas (AEM, SOE, PEM un Alkaline), katrai no tām ir savas īpašās priekšrocības, trūkumi un brieduma līmenis. Apskatiet mūsu video par ūdeņraža ražošanu, izmantojot elektrolīzi (atveras jaunā logā vai cilnē) (attiecas uz citu vietni). Visām četrām tehnoloģijām trīs galvenie pētniecības izaicinājumi ir:
samazināt ar sistēmu saistītos kapitālizdevumus
lai uzlabotu sistēmas efektivitāti
pārvarēt šķēršļus liela mēroga ražošanai, lai līdz 2030. gadam varētu sasniegt 30 GW elektrolizatoru ikgadējo ražošanas jaudu visā pasaulē.

Produkti tiek pārdoti visos Ķīnas reģionos un tiek eksportēti uz pasaules valstīm. Tie ir pārdoti vairāk nekā 20 valstīs un reģionos, tostarp ASV, Vācijā, Marokā, Kenijā, Saūda Arābijā, Vjetnamā, Alžīrijā, Indijā, Tanzānijā un Taivānā. Veiksmīgi nodrošināti labi zināmi uzņēmumi, piemēram, China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group un citi labi zināmi uzņēmumi. Ir daudzas zaļās ūdeņraža hidrogenēšanas stacijas, piemēram, Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming uc nodrošina zaļo un ūdeņraža ražošanas projektus.