Soluție verde de producere a hidrogenului

În termeni generali, hidrogenul poate fi folosit ca combustibil în două moduri principale. Poate fi ars pentru a produce căldură sau poate fi alimentat într-o celulă de combustibil cu hidrogen pentru a genera electricitate. Vestea bună este că, odată ce hidrogenul albastru sau verde a fost produs, acesta are o varietate de aplicații diferite:
Transport:Hidrogenul este deja folosit pentru alimentarea autobuzelor și a altor forme de transport public, în special în Japonia. Poate fi folosit și pentru a alimenta camioanele și trenurile de marfă, în timp ce combustibilii pe bază de hidrogen, cum ar fi amoniacul, pot fi folosiți în aviație și transport maritim. O utilizare mai răspândită a hidrogenului pentru alimentarea vehiculelor va depinde de prețul pilelor de combustibil cu hidrogen care devin mai ieftine și de faptul că stațiile de alimentare cu hidrogen vor deveni mai comune.

Generarea de energie electrică:Hidrogenul poate fi folosit pentru a transforma sursele regenerabile de energie într-un combustibil care poate fi apoi stocat și transportat pe distanțe lungi. Hidrogenul și amoniacul pot fi, de asemenea, utilizate în turbinele cu gaz și centralele electrice pe cărbune pentru a-și reduce emisiile.

Încălzirea clădirilor:Hidrogenul are un potențial imens de a înlocui gazul natural pentru încălzirea clădirilor casnice și comerciale prin infrastructura existentă de gaze naturale. Cazanele cu hidrogen și pilele de combustie cu hidrogen de uz casnic necesită dezvoltare ulterioară, dar ar putea juca un rol important în viitor.

Industrie:Hidrogenul este utilizat în prezent într-o gamă largă de procese industriale importante. Acestea includ rafinarea petrolului, fabricarea oțelului, tratarea metalelor și producerea unei game de substanțe chimice.

Spre deosebire de hidrogenul gri, hidrogenul verde este complet regenerabil atât în ​​materie de sursă, cât și în furnizarea de energie. Pentru materialul sursă, astăzi, hidrogenul verde este generat de obicei din apă printr-un proces cunoscut sub numele de electroliză, care utilizează un curent electric pentru a împărți apa în moleculele sale componente de hidrogen și oxigen. Acest lucru se realizează folosind un dispozitiv numit electrolizor, care utilizează un catod și un anod (electrozi încărcați pozitiv și negativ). Acest proces produce doar oxigen – sau abur – ca produs secundar. În ceea ce privește furnizarea de energie, pentru a fi calificată drept „hidrogen verde”, sursa de electricitate utilizată pentru electroliză trebuie să provină din energie regenerabilă, cum ar fi energia eoliană sau solară.

Există trei tipuri principale de electrolizoare:Alcalină, membrană schimbătoare de protoni (PEM) și oxid solid. Acestea variază în ceea ce privește natura materialului electrolit utilizat. Electrolizoarele alcaline utilizează o soluție apoasă cu o sare asemănătoare alcalinei pentru a permite conductivitatea electrică, în timp ce electrolizoarele PEM folosesc o membrană polimerică solidă (electrolit). Electrolizoarele cu oxid solid utilizează material ceramic solid ca electrolit, ceea ce le permite să funcționeze la o eficiență electrică mai mare și la temperaturi mult mai ridicate. Acest lucru permite utilizarea aburului și a căldurii externe ca surse de energie, mai degrabă decât să se bazeze pe electricitate. Astfel, electroliza cu oxid solid permite costuri semnificativ mai mici ale operațiunilor, deoarece căldura este de obicei mai puțin costisitoare și uneori este produsă în mod natural ca produs secundar al anumitor procese industriale.

Cu ani în urmă, hidrogenul era văzut doar ca o soluție pentru evoluția vehiculelor mai ecologice. Pe măsură ce vehiculele electrice au câștigat mai multă tracțiune, hidrogenul este din ce în ce mai văzut ca o soluție pentru alte industrii.

Cererea de hidrogen continuă să crească pe măsură ce utilizarea acestuia se extinde în industriile industriale și de producție pentru o varietate de scopuri, inclusiv rafinarea petrolului, fabricarea oțelului și producția de ciment. Cu toate acestea, pe măsură ce popularitatea hidrogenului crește, importanța hidrogenului verde nu poate fi exagerată. În mod alarmant, 98% din hidrogen este produs din combustibili fosili, fără controale sau reglementări privind emisiile de dioxid de carbon. Dar hidrogenul verde are potențialul de a schimba asta – pentru bine.

De la fumul din fabricile comerciale la gazele de eșapament ale mașinilor alimentate cu benzină și motorină, producția de hidrogen verde reduce sau elimină nevoia de surse de energie din combustibili fosili care eliberează cantități mari de dioxid de carbon în aer. În industria centrelor de date, pe măsură ce sistemele de stocare dezvoltă hidrogen, acesta poate fi folosit în locul generatoarelor de rezervă alimentate cu motorină pentru a energiza viitoarele centre de date. Drept urmare, beneficiile hidrogenului verde abundă, permițând guvernelor și organizațiilor să consolideze securitatea energetică națională, să economisească combustibilul, să reducă emisiile generale și să diversifice opțiunile energetice de transport de la mașini la sistemele de transport public extinse.

Tehnologia cu hidrogen verde nu ar fi putut fi introdusă într-un moment mai bun. Administrația SUA pentru Informații Energetice estimează că cererea globală de energie va crește cu 47% până în 2050. Singura modalitate de a compensa această cerere sub formă de producție de energie de petrol și cărbune este prin adoptarea unor metode mai ecologice, cum ar fi hidrogenul verde.

Și datorită progreselor tehnologice care au decarbonizat în esență producția de hidrogen, multe companii apelează la compensarea emisiilor de carbon care valorifică hidrogenul verde pentru a-și reduce amprenta de carbon și pentru a îndeplini obiective ESG agresive.

Procesul de generare a hidrogenului verde vine cu avantaje. Agenția Internațională pentru Energie (IEA) afirmă că hidrogenul verde economisește aproximativ 830 de milioane de tone de dioxid de carbon emis anual, comparativ cu atunci când gazul este produs folosind metode tradiționale de combustibili fosili. Asta echivalează cu emisiile de un an întreg din Regatul Unit și Indonezia la un loc!

La fel ca în cazul oricărei tehnologii noi, există unele provocări de depășit pe măsură ce boom-ul hidrogenului verde se instalează. Unele aspecte de luat în considerare includ eficiența procesului și costurile de producție la scară largă, pe lângă stabilirea soluțiilor de stocare sub presiune pe termen lung. Lăsând la o parte provocările, hidrogenul verde este o nouă tehnologie captivantă care ar putea ajuta la echilibrarea producției pe scară largă de energie verde, atât de necesară.

O mare parte a trecerii de la combustibilii fosili implică electrificarea unora dintre mașinile de zi cu zi pe care le folosim, care sunt alimentate cu petrol și gaz - mașini și transport local și încălzirea caselor în unele țări, de exemplu. Pentru cei deja electrizați, cum ar fi computerele și electrocasnicele, electricitatea din energie nucleară și sursele regenerabile, cum ar fi eolianul și solarul, înlocuiesc cărbunele.

Dar există unele industrii care necesită atât de multă energie încât sursele regenerabile tradiționale nu pot satisface cererea lor. Aceasta este o problemă, deoarece acele industrii se numără printre cei mai mari emițători de gaze cu efect de seră.

Aici experții spun că hidrogenul verde are un potențial uriaș.
„Electricitatea din surse precum eolianul, solarul și nuclearul este esențială pentru decarbonizarea sistemului nostru energetic – dar nu poate face asta de una singură, iar transportul pe distanțe lungi și industriile grele găzduiesc cele mai greu de redus emisii”, a spus un analist de energie la Agenția Internațională pentru Energie.

„Hidrogenul este suficient de versatil pentru a umple unele dintre aceste lacune critice – în furnizarea de materii prime vitale pentru industriile chimice și siderurgice sau ingrediente esențiale pentru combustibili cu emisii scăzute de carbon pentru avioane și nave”, a spus Remme pentru CNN.

Operarea unui avion sau a unei nave mari, de exemplu, necesită atât de multă energie încât orice baterie folosită pentru a stoca electricitate de la soare sau eolian ar fi probabil prea mare și grea pentru navă. Hidrogenul verde, pe de altă parte, poate veni sub formă lichidă și este mai ușor. Potrivit Airbus, care dezvoltă o aeronavă comercială cu emisii zero, densitatea energetică a hidrogenului verde este de trei ori mai mare decât combustibilii pentru avioane pe care îi folosim astăzi.

În timp ce hidrogenul verde lichid ar emite zero carbon, are unele limitări. Când este ars în atmosferă deschisă, eliberează o cantitate mică de protoxid de azot, care este un gaz cu efect de seră puternic. Dacă hidrogenul este alimentat printr-o celulă de combustie, totuși, va emite doar apă și aer cald.

Unele avioane mici au reușit să zboare cu celule de combustibil alimentate cu hidrogen, deși tehnologia nu a fost încă extinsă comercial.

În prezent, este totul pe punte pentru a atinge obiectivele climatice. Tranziția energetică chiar are nevoie de un impuls mare. Hidrogenul poate aduce o contribuție importantă la acest lucru. Colaborarea este esențială pentru a putea folosi hidrogenul cu succes, de exemplu, pentru a contribui la reducerea CO2 în industrie, e-combustibili pentru aeronave și utilizarea în mediul construit. Dar sunt necesare investiții și există întrebări.

Ce este hidrogenul?
Hidrogenul este cel mai comun element din universul nostru. În condiții normale, este gazos și vorbim de hidrogen gazos (H2). Hidrogenul este, de asemenea, cel mai ușor gaz pe care îl cunoaștem și, prin urmare, are o densitate energetică scăzută pe unitatea de volum (în m3). Pe greutate (în kg), hidrogenul are o densitate mare de energie de 120 megajouli (MJ) per kg. Adică de aproape trei ori mai mult decât gazul natural (45 MJ pe kg). Hidrogenul este adesea presurizat. Presurizarea (comprimarea) hidrogenului gazos necesită însă și energia necesară (aproximativ 10%).

Ce este hidrogenul gri și albastru?
Aproape tot hidrogenul produs în prezent la nivel mondial este așa-numitul „hidrogen gri”. În prezent, producția are loc prin Steam Methane Reforming (SMR). Aici aburul de înaltă presiune (H2O) reacționează cu gazul natural (CH4) rezultând hidrogen (H2) și gazul cu efect de seră CO2. În Țările de Jos, aproximativ 0,8 milioane de tone de H2 sunt produse în acest mod, folosind patru miliarde de metri cubi de gaze naturale și generând emisii de CO2 de 12,5 milioane de tone.
Termenul „hidrogen albastru” sau „hidrogen cu conținut scăzut de carbon” este utilizat atunci când CO2 eliberat în procesul de producere a hidrogenului gri este în mare parte (80-90%) captat și stocat. Aceasta se mai numește și CCS: Captură și stocare a carbonului. Acest lucru s-ar putea întâmpla în zăcămintele de gaze goale de sub Marea Nordului. Nicăieri altundeva în lume nu se produce hidrogen albastru pe scară largă.

Ce este hidrogenul verde?
Hidrogenul verde, cunoscut și sub numele de „hidrogen regenerabil”, este hidrogenul care este produs cu energie durabilă. Cea mai cunoscută este electroliza, în care apa (H2O) este împărțită în hidrogen (H2) și oxigen (O2) prin electricitate verde. Un număr mare de partide din Țările de Jos experimentează cu aceste electrolizoare la scară de megawați. Hidrogenul este de asemenea eliberat în timpul gazificării la temperatură înaltă a biomasei.

Ce este hidrogenul turcoaz?
Hidrogenul produs din gaze naturale folosind așa-numita tehnologie de piroliză a metalului topit se numește „hidrogen turcoaz” sau „hidrogen cu conținut scăzut de carbon”. Gazul natural este trecut printr-un metal topit care eliberează hidrogen gazos, precum și carbon solid. Acesta din urmă poate găsi o aplicație utilă în, de exemplu, anvelopele auto. Această tehnologie este încă în faza de laborator și va fi nevoie de cel puțin zece ani pentru ca prima instalație pilot să fie realizată.

Care sunt diferențele fundamentale suplimentare dintre albastru și verde?
Pe lângă metoda de producție, există o serie de alte diferențe cheie:
Doar hidrogenul verde produs prin electroliză asigură că cantități mari de electricitate durabilă produsă pe mare și pe uscat pot fi integrate corespunzător în sistemul nostru energetic. Numai electroliza poate converti electricitatea în hidrogen în mod flexibil (la cerere) și apoi o poate stoca.
În plus, dezvoltarea electrolizei la scară largă va contribui la satisfacerea cererii în creștere de energie electrică și, astfel, la stimularea creșterii energiei durabile.
Există și o diferență de calitate. Hidrogenul verde are un grad mai mare de puritate și poate fi folosit imediat, de exemplu în pila de combustie a unui vehicul. Hidrogenul albastru are un nivel de puritate mai scăzut, suficient pentru aplicare industrială.
Producția de hidrogen albastru este o modalitate de „decarbonizare” a industriei, adică reducerea CO2, la scară largă și la un cost relativ scăzut.

Hidrogenul alb din sol, sursa de energie curată a viitorului?
Cunoaștem deja hidrogenul gri, albastru și verde, dar acum se pare că este disponibil și hidrogenul alb sau natural. Asta vine din sol, la fel ca gazul natural. Când hidrogenul este ars cu oxigen, se eliberează doar apă. Hidrogenul alb este un hidrogen natural din subsol care are potențialul de a deveni o sursă importantă de energie a viitorului dacă este realizat prin electroliza apei cu energie eoliană sau solară (verde).
Apoi nu este făcut din cenuşă naturală sau cărbune (gri), nici măcar prin captarea mai întâi a CO2 (albastru). Gazul este utilizat în principal pentru încălzirea proceselor din industria chimică și în producția de oțel și îngrășăminte. În tranziția de la energia fosilă la energia verde, aceasta poate servi drept tampon de stocare a energiei electrice în perioadele fără soare și vânt.

Ce rol joacă hidrogenul în tranziția energetică?
În mixul nostru energetic actual, aproximativ 20% este furnizat sub formă de energie electrică și 80% sub formă de gaz natural sau combustibil fosil lichid (benzină, motorină). Obiectivele noastre climatice vor schimba această situație în mod considerabil în viitorul apropiat. Ponderea energiei electrice generate de energia eoliană și solară va crește brusc. Pentru o serie de aplicații, cum ar fi transportul greu, procesele la temperatură înaltă din industrie și aviație, încă lipsește o soluție electrică bună și este încă nevoie de un gaz durabil. Hidrogenul poate juca un rol util aici. În plus, hidrogenul este important sub formă de stocare pe scară largă pentru acele momente în care este fără vânt și înnorat.

Ce țări lucrează și la hidrogen?
Țări precum Norvegia, Australia, Maroc, Chile, Arabia Saudită, China și Japonia sunt foarte active cu hidrogenul verde, în principal pentru că există o disponibilitate considerabilă (potențială) de energie regenerabilă ieftină din eolian, solar sau hidroenergie pentru a produce hidrogen verde. O excepție de la aceasta este însă Japonia, care depinde în mare măsură de importuri pentru aprovizionarea sa cu energie și a dezvoltat o strategie de a importa hidrogen (verde) pe scară largă. Rolul său cheie constă în dezvoltarea tehnologiei. Țările de Jos se află într-o poziție bună, în parte datorită cunoștințelor noastre despre tehnologia gazelor și electrolizei, potențialului mare pentru energia eoliană din Marea Nordului și industriei consumatoare de energie care trebuie să își asume un angajament ferm față de sustenabilitate.

La ce vom folosi hidrogenul?
Hidrogenul este deosebit de important pentru industria de proces. Acum este folosit în principal pentru producția de îngrășăminte, dar în viitor poate fi folosit și pentru procese la temperaturi înalte, cum ar fi producția de oțel, pentru care acum se utilizează gaz natural sau cărbune. În plus, hidrogenul va juca un rol în mobilitate, de exemplu pentru autobuzele interurbane care trebuie să parcurgă distanțe mai mari și unde conducerea electrică nu este o soluție.

Ce înseamnă hidrogenul pentru cetățean?
Pe termen scurt nu vor fi multe evidente. Utilizarea hidrogenului în case, de exemplu, va fi de mult așteptată dacă acest lucru se va întâmpla. Pentru majoritatea locuințelor, o rețea de căldură colectivă sau o pompă de căldură electrică oferă o soluție mai bună. În trafic, numărul de mașini cu hidrogen (în prezent mai puțin de o sută) și numărul de stații de alimentare cu hidrogen (în 2018: 3) vor crește încet.

Care sunt riscurile?
Hidrogenul este un gaz foarte ușor, foarte inflamabil și este utilizat în mobilitate la presiuni de până la 700 bar. La fel ca orice alt gaz, este important să îl manipulați cu grijă în timpul producției, transportului și utilizării și să îl lăsați exclusiv companiilor profesionale. Dacă hidrogenul urmează să fie utilizat în conductele de gaz existente, este important să se investigheze în continuare modul în care hidrogenul „se comportă” în practică. Hidrogenul este mai ușor decât gazul natural și poate scăpa mai ușor din supape și etanșări.

Ce face TNO în ceea ce privește cercetarea hidrogenului?
TNO este o organizație independentă care efectuează cercetări aplicate de ultimă oră. Cercetările sale privind hidrogenul se concentrează pe producție, infrastructură și aplicații (conversie și utilizare finală). În 2020, TNO a întreprins peste 50 de proiecte legate de aceste teme. Link-uri către o selecție a acestor proiecte pot fi găsite mai jos (punctul 15).

Cât de departe este dezvoltarea hidrogenului verde?
Aproximativ 230 de proiecte de electroliză au intrat în funcțiune între 2000 și 2018, cu o capacitate totală de aproximativ 100 MW (sursa: IEA 2019, The Future of Hydrogen). În 2020, capacitatea instalată globală a fost de 200 MW și aproximativ 2.400 MW până la sfârșitul anului 2023. Aceste cifre arată că suntem abia la început și că trebuie să dezvoltăm un lanț de aprovizionare complet nou.
Avem nevoie de noi companii, noi furnizori și noi producători care să dezvolte materiale și componente pentru sisteme de electroliză mai mari și de ultimă generație. Aceasta este o oportunitate de aur pentru industria high-tech olandeză. Scopul Uniunii Europene este de a instala 40 GW de capacitate de electroliză în Uniune până în 2030 și încă 40 GW în Africa de Nord. Atingerea acestui obiectiv va necesita să accelerăm ritmul atât al inovației tehnologice, cât și al proiectelor efective.

Care sunt cele mai mari provocări tehnice generate de electroliză?
În ceea ce privește electroliza apei, în prezent sunt disponibile patru tehnologii (AEM, SOE, PEM și Alkaline), fiecare cu avantajele, dezavantajele și nivelul de maturitate specifice. Aruncă o privire la videoclipul nostru despre producția de hidrogen prin electroliză (se deschide într-o fereastră sau o filă nouă) (se referă la un alt site web). Pentru toate cele patru tehnologii, cele trei provocări principale de cercetare sunt:
pentru a reduce cheltuielile de capital asociate sistemului
pentru a îmbunătăți eficiența sistemului
pentru a depăși barierele din calea producției pe scară largă, astfel încât să poată fi atinsă o capacitate anuală de producție de electrolizor la nivel mondial de 30 GW până în 2030.

Produsele sunt vândute în toate regiunile Chinei și exportate în țări din întreaga lume. Au fost vândute în peste 20 de țări și regiuni, inclusiv Statele Unite ale Americii, Germania, Maroc, Kenya, Arabia Saudită, Vietnam, Algeria, India, Tanzania și Taiwan. A furnizat cu succes întreprinderi binecunoscute, cum ar fi China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group și alte întreprinderi binecunoscute. Există multe stații de hidrogen hidrogen verde, cum ar fi Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc. oferă proiecte ecologice și de producere a hidrogenului.