Rohelise vesiniku tootmise lahendus

Üldiselt saab vesinikku kütusena kasutada peamiselt kahel viisil. Seda saab põletada soojuse tootmiseks või suunata elektrienergia tootmiseks vesinikkütuseelemendisse. Hea uudis on see, et kui sinine või roheline vesinik on toodetud, on sellel mitmeid erinevaid rakendusi:
Transport:Vesinikku kasutatakse juba busside ja muude ühistranspordiliikide kütusena, eriti Jaapanis. Seda saab kasutada ka kaubaveokite ja rongide toiteks, samas kui vesinikupõhiseid kütuseid, nagu ammoniaak, saab kasutada lennunduses ja laevanduses. Vesiniku laialdasem kasutamine sõidukite toiteks sõltub vesinikkütuseelementide odavnemisest ja vesiniku tanklate levinumast.

Elektri tootmine:Vesinikku saab kasutada taastuvate energiaallikate muutmiseks kütuseks, mida saab seejärel ladustada ja pikkade vahemaade taha transportida. Vesinikku ja ammoniaaki saab kasutada ka gaasiturbiinides ja söeküttel töötavates elektrijaamades, et vähendada nende heitkoguseid.

Hoonete kütmine:Vesinikul on tohutu potentsiaal asendada maagaas majapidamis- ja ärihoonete kütmisel olemasoleva maagaasi infrastruktuuri kaudu. Vesinikkatlad ja kodumajapidamises kasutatavad vesinikkütuseelemendid vajavad edasiarendamist, kuid võivad tulevikus mängida olulist rolli.

Tööstusharu:Vesinikku kasutatakse praegu paljudes olulistes tööstusprotsessides. Nende hulka kuuluvad bensiini rafineerimine, terase tootmine, metallide töötlemine ja mitmesuguste kemikaalide tootmine.

Erinevalt hallist vesinikust on roheline vesinik täielikult taastuv nii lähtematerjali kui ka energiavarustuse poolest. Lähtematerjali jaoks toodetakse tänapäeval rohelist vesinikku tavaliselt veest elektrolüüsina tuntud protsessi kaudu, mis kasutab elektrivoolu vee jagamiseks vesiniku ja hapniku molekulideks. Selleks kasutatakse seadet, mida nimetatakse elektrolüüsiks, mis kasutab katoodi ja anoodi (positiivselt ja negatiivselt laetud elektroodid). See protsess toodab kõrvalsaadusena ainult hapnikku või auru. Mis puutub energiavarustusse, siis selleks, et kvalifitseeruda "roheliseks vesinikuks", peab elektrolüüsiks kasutatav elektrienergia pärinema taastuvast energiast, näiteks tuule- või päikeseenergiast.

Elektrolüüsijaid on kolme peamist tüüpi:Leeliseline, prootonivahetusmembraan (PEM) ja tahke oksiid. Need erinevad kasutatava elektrolüüdi materjali olemuse poolest. Leeliselistes elektrolüsaatorites kasutatakse elektrijuhtivuse tagamiseks leeliselise soolaga vesilahust, PEM-elektrolüüsides aga tahket polümeermembraani (elektrolüüti). Tahkeoksiidelektrolüsaatorid kasutavad elektrolüüdina tahket keraamilist materjali, mis võimaldab neil töötada suurema elektritõhususega ja palju kõrgematel temperatuuridel. See võimaldab kasutada auru ja välist soojust energiaallikana, mitte tugineda elektrile. Seega võimaldab tahke oksiidelektrolüüs oluliselt madalamaid tegevuskulusid, kuna soojus on tavaliselt odavam ja seda toodetakse mõnikord looduslikult teatud tööstuslike protsesside kõrvalsaadusena.

Aastaid tagasi nähti vesinikku ainult rohelisemate sõidukite evolutsiooni lahendusena. Kuna elektrisõidukid on saanud rohkem veojõudu, nähakse vesinikku üha enam lahendusena teistes tööstusharudes.

Nõudlus vesiniku järele kasvab jätkuvalt, kuna selle kasutamine laieneb tööstus- ja töötlevas tööstuses erinevatel eesmärkidel, sealhulgas nafta rafineerimiseks, terase ja tsemendi tootmiseks. Kuna aga vesiniku populaarsus kasvab, ei saa rohelise vesiniku tähtsust üle hinnata. Murettekitav on see, et 98% vesinikust on valmistatud fossiilkütustest, ilma süsinikdioksiidi heitkoguste kontrolli või eeskirjadeta. Kuid rohelisel vesinikul on potentsiaali seda lõplikult muuta.

Alates kaubanduslikust taimetootmise suitsust kuni bensiini- ja diiselmootoriga autode heitgaasideni vähendab rohelise vesiniku tootmine vajadust fossiilkütuste energiaallikate järele, mis eraldavad õhku suures koguses süsinikdioksiidi. Andmekeskuste tööstuses, kuna salvestussüsteemid arendavad vesinikku, saab seda kasutada tulevaste andmekeskuste energiastamiseks diiselmootoriga varugeneraatorite asemel. Selle tulemusena on rohelise vesiniku eelised küllaldased, võimaldades valitsustel ja organisatsioonidel tugevdada riiklikku energiajulgeolekut, säästa kütust, vähendada üldisi heitkoguseid ja mitmekesistada transpordi energiavalikuid autodest ulatuslike ühistranspordisüsteemideni.

Rohelise vesiniku tehnoloogiat poleks saanud kasutusele võtta paremal ajal. USA Energiateabe Administratsioon ennustab, et ülemaailmne energianõudlus kasvab 2050. aastaks 47%. Ainus viis nafta- ja söeenergia tootmise nõudluse korvamiseks on võtta kasutusele rohelisemad meetodid, nagu roheline vesinik.

Tänu tehnoloogilistele läbimurretele, mis on vesiniku tootmist sisuliselt dekarboniseerinud, pöörduvad paljud ettevõtted süsinikdioksiidi tasakaalustamise poole, mis võimendab rohelist vesinikku, et vähendada oma süsiniku jalajälge ja täita agressiivseid ESG eesmärke.

Rohelise vesiniku genereerimise protsessil on eelised. Rahvusvaheline Energiaagentuur (IEA) väidab, et roheline vesinik säästab aastas umbes 830 miljonit tonni süsinikdioksiidi, võrreldes sellega, kui gaasi toodetakse traditsiooniliste fossiilkütuste meetoditega. See võrdub Ühendkuningriigi ja Indoneesia kogu aasta heitkogustega!

Nagu iga uue tehnoloogia puhul, tuleb ka rohelise vesinikubuumi jõudmisel ületada mõningaid väljakutseid. Mõned küsimused, mida tuleks kaaluda, hõlmavad protsessi tõhusust ja suuremahulise tootmise kulusid, lisaks pikaajaliste survestatud ladustamislahenduste loomisele. Kui väljakutsed kõrvale jätta, on roheline vesinik uus põnev tehnoloogia, mis võib aidata tasakaalustada väga vajalikku rohelise energia laiaulatuslikku tootmist.

Suur osa fossiilkütustelt eemaldumisel hõlmab mõne meie igapäevaselt kasutatavate nafta- ja gaasitoitel masinate elektrifitseerimist – autod ja kohalik transport ning mõnes riigis näiteks kodude küte. Nende jaoks, kes on juba elektrifitseeritud, nagu arvutid ja kodumasinad, asendab kivisütt tuumaenergia ja taastuvenergia, näiteks tuule- ja päikeseenergia.

Kuid mõned tööstusharud nõuavad nii palju energiat, et traditsioonilised taastuvad energiaallikad ei suuda nende nõudlust rahuldada. See on probleem, sest need tööstused on kasvuhoonegaaside suurimate emiteerijate hulgas.

See on koht, kus eksperdid ütlevad, et rohelisel vesinikul on tohutu potentsiaal.
"Elekter, mis pärineb sellistest allikatest nagu tuul, päike ja tuumaenergia, on meie energiasüsteemi süsinikdioksiidiheite vähendamiseks hädavajalik, kuid see ei saa seda üksi teha ning pikamaatransport ja rasketööstus on koduks, mida on kõige raskem vähendada heitkoguseid," ütles energiaanalüütik. Rahvusvaheline Energiaagentuur.

"Vesinik on piisavalt mitmekülgne, et täita mõned neist kriitilistest lünkadest – pakkudes elutähtsaid lähteaineid keemia- ja terasetööstusele või pakkudes olulisi koostisosi madala süsinikusisaldusega kütustele lennukitele ja laevadele," ütles Remme CNN-ile.

Näiteks lennuki või suure laeva käitamine nõuab nii palju energiat, et päikese- või tuuleenergia salvestamiseks kasutatav aku oleks tõenäoliselt laeva jaoks liiga suur ja raske. Roheline vesinik seevastu võib olla vedelal kujul ja on kergem. Heitmevaba kommertslennukit arendava Airbusi sõnul on rohelise vesiniku energiatihedus kolm korda suurem kui praegu kasutatavatel lennukikütustel.

Kuigi vedel roheline vesinik eraldaks süsinikku nulli, on sellel mõned piirangud. Avatud atmosfääris põletamisel eraldub väike kogus dilämmastikoksiidi, mis on tugev kasvuhoonegaas. Kui vesinikku juhitakse kütuseelemendi kaudu, eraldab see aga ainult vett ja sooja õhku.

Mõnedel väikestel lennukitel on õnnestunud lennata vesinikuga toidetavate kütuseelementidega, kuigi seda tehnoloogiat pole veel kaubanduslikult laiendatud.

Praegu on kliimaeesmärkide saavutamine kõik käed-jalad töödeldud. Energia üleminek vajab tõesti suurt tõuget. Vesinik võib sellesse olulise panuse anda. Koostöö on hädavajalik selleks, et vesinikku saaks edukalt kasutada, näiteks aidata kaasa CO2 vähendamisele tööstuses, e-kütustele lennukites ja kasutamisele ehitatud keskkonnas. Aga investeeringuid on vaja ja küsimusi on.

Mis on vesinik?
Vesinik on meie universumis kõige levinum element. Tavaolukorras on see gaasiline ja me räägime gaasilisest vesinikust (H2). Vesinik on ka kõige kergem gaas, mida me teame, ja seetõttu on sellel madal energiatihedus ruumalaühiku kohta (m3). Kaalu kohta (kg) on ​​vesinikul kõrge energiatihedus 120 megadžauli (MJ) kilogrammi kohta. See on peaaegu kolm korda rohkem kui maagaas (45 MJ kg kohta). Vesinik on sageli surve all. Vesinikgaasi survestamine (kokkusurumine) nõuab aga samuti vajalikku energiat (umbes 10%).

Mis on hall ja sinine vesinik?
Peaaegu kogu praegu maailmas toodetav vesinik on nn hall vesinik. Praegu toimub tootmine Steam Methane Reforming (SMR) kaudu. Siin reageerib kõrgsurveaur (H2O) maagaasiga (CH4), mille tulemuseks on vesinik (H2) ja kasvuhoonegaas CO2. Hollandis toodetakse sel viisil ligikaudu 0,8 miljonit tonni H2, kasutades neli miljardit kuupmeetrit maagaasi ja tekitades 12,5 miljonit tonni CO2 heitkoguseid.
Mõistet „sinine vesinik” või „madala süsinikusisaldusega vesinik” kasutatakse juhul, kui halli vesiniku tootmise käigus eralduv CO2 kogutakse ja säilitatakse suures osas (80-90%). Seda nimetatakse ka CCS: süsiniku kogumiseks ja säilitamiseks. See võib juhtuda Põhjamere all asuvatel tühjadel gaasiväljadel. Mitte kusagil mujal maailmas ei toodeta sinist vesinikku massiliselt.

Mis on roheline vesinik?
Roheline vesinik, tuntud ka kui "taastuv vesinik", on vesinik, mida toodetakse säästva energia abil. Tuntuim on elektrolüüs, mille käigus vesi (H2O) jaguneb rohelise elektri abil vesinikuks (H2) ja hapnikuks (O2). Paljud osapooled Hollandis katsetavad neid megavatise mastaabiga elektrolüsaatoreid. Vesinik vabaneb ka biomassi kõrgel temperatuuril gaasistamise käigus.

Mis on türkiissinine vesinik?
Maagaasist nn sulametalli pürolüüsitehnoloogia abil toodetud vesinikku nimetatakse türkiissiniseks vesinikuks või madala süsinikusisaldusega vesinikuks. Maagaas juhitakse läbi sulametalli, mis eraldab nii vesinikgaasi kui ka tahket süsinikku. Viimased võivad leida kasulikku rakendust näiteks autorehvides. See tehnoloogia on alles laboratoorses faasis ja esimese katsetehase realiseerimiseks kulub vähemalt kümme aastat.

Millised on täiendavad põhimõttelised erinevused sinise ja rohelise vahel?
Lisaks tootmismeetodile on veel mitmeid olulisi erinevusi:
Ainult elektrolüüsi teel toodetud roheline vesinik tagab, et suured kogused merel ja maal toodetud säästvat elektrit saab korralikult integreerida meie energiasüsteemi. Ainult elektrolüüs suudab elektrit paindlikult (nõudmisel) vesinikuks muuta ja seejärel salvestada.
Lisaks aitab suuremahulise elektrolüüsi arendamine rahuldada kasvavat elektrinõudlust ja stimuleerida seega säästva energia kasvu.
Vahe on ka kvaliteedis. Roheline vesinik on kõrgema puhtusastmega ja seda saab kohe kasutada näiteks sõiduki kütuseelemendis. Sinise vesiniku puhtusaste on madalam, piisav tööstuslikuks kasutamiseks.
Sinise vesiniku tootmine on viis tööstuse „dekarboniseerimiseks” ehk CO2 vähendamiseks suures mahus ja suhteliselt madalate kuludega.

Valge vesinik mullast on tuleviku puhas energiaallikas?
Teame juba halli, sinist ja rohelist vesinikku, kuid nüüd tundub, et saadaval on ka valge või looduslik vesinik. See pärineb pinnasest, nagu maagaas. Vesiniku põletamisel hapnikuga eraldub ainult vesi. Valge vesinik on maapõuest pärinev looduslik vesinik, mis võib saada oluliseks tuleviku energiaallikaks, kui seda toodetakse vee elektrolüüsil tuule- või päikeseenergiaga (roheline).
Seejärel ei valmistata seda looduslikust tuhast ega kivisöest (hall), isegi mitte CO2 esmase püüdmise teel (sinine). Gaasi kasutatakse peamiselt protsesside soojendamiseks keemiatööstuses ning terase ja väetiste tootmisel. Fossiilselt rohelisele energiale üleminekul võib see olla päikese- ja tuuleta perioodidel elektrienergia salvestuspuhvrina.

Millist rolli mängib vesinik energia üleminekul?
Meie praeguses energiavalikus tarnitakse ligikaudu 20% elektrienergiana ja 80% maagaasi või vedela fossiilkütusena (bensiin, diislikütus). Meie kliimaeesmärgid muudavad seda olukorda lähitulevikus oluliselt. Tuule- ja päikeseenergiaga toodetud elektri osakaal suureneb järsult. Paljude rakenduste jaoks, nagu rasketransport, kõrge temperatuuriga protsessid tööstuses ja lennunduses, puudub endiselt hea elektrilahendus ja vajadus säästva gaasi järele on endiselt olemas. Vesinik võib siin kasulikku rolli mängida. Lisaks on vesinik oluline suuremahulise ladustamise näol nendel hetkedel, kui on tuuletu ja pilvine.

Millised riigid tegelevad ka vesinikuga?
Sellised riigid nagu Norra, Austraalia, Maroko, Tšiili, Saudi Araabia, Hiina ja Jaapan on rohelise vesinikuga väga aktiivsed, peamiselt seetõttu, et rohelise vesiniku tootmiseks on tuule-, päikese- või hüdroenergiast saadav odav taastuvenergia märkimisväärne (potentsiaalne) kättesaadavus. Erandiks on aga Jaapan, mille energiavarustus sõltub suuresti impordist ja on välja töötanud strateegia (rohelise) vesiniku laiaulatuslikuks importimiseks. Selle võtmeroll on tehnoloogia arendamisel. Holland on heas positsioonis osaliselt tänu meie teadmistele gaasi- ja elektrolüüsitehnoloogia vallas, Põhjamere tuuleenergia suurele potentsiaalile ja energiamahukale tööstusele, mis peab võtma tugeva panuse jätkusuutlikkusele.

Milleks me vesinikku kasutame?
Vesinik on eriti oluline töötleva tööstuse jaoks. Praegu kasutatakse seda peamiselt väetiste tootmiseks, kuid tulevikus saab seda kasutada ka kõrgtemperatuurilistes protsessides, näiteks terase tootmiseks, mille jaoks kasutatakse nüüd maagaasi või kivisütt. Lisaks hakkab vesinik liikuvuses rolli mängima, näiteks linnadevaheliste busside puhul, mis peavad läbima pikemaid vahemaid ja kus elektrisõit ei ole lahendus.

Mida tähendab vesinik kodaniku jaoks?
Lühiajalises perspektiivis ei ilmne palju. Näiteks vesiniku kasutamine kodudes on ammu aegunud, kui see üldse juhtub. Enamiku kodude jaoks pakub paremat lahendust kollektiivne soojusvõrk või elektriline soojuspump. Liikluses kasvab aeglaselt vesinikuautode arv (praegu alla saja) ja vesinikutanklate arv (2018. aastal: 3).

Millised on riskid?
Vesinik on väga kerge gaas, väga tuleohtlik ja seda kasutatakse liikuvuses kuni 700 baari rõhu all. Nii nagu iga teist gaasi, on oluline seda tootmise, transpordi ja kasutamise ajal hoolikalt käsitseda ning jätta see ainult professionaalsete ettevõtete hooleks. Kui vesinikku kasutatakse olemasolevates gaasijuhtmetes, on oluline täiendavalt uurida, kuidas vesinik tegelikult praktikas käitub. Vesinik on maagaasist kergem ja võib ventiilidest ja tihenditest kergemini väljuda.

Millega TNO vesinikuuuringutega tegeleb?
TNO on sõltumatu organisatsioon, mis viib läbi tipptasemel rakendusuuringuid. Tema vesinikualased uuringud keskenduvad tootmisele, infrastruktuurile ja rakendustele (muundamine ja lõppkasutus). 2020. aastal viis TNO nende teemadega seotud rohkem kui 50 projekti. Lingid nende projektide valikule leiate allpool (punkt 15).

Kui kaugel on rohelise vesiniku areng?
Aastatel 2000–2018 käivitati umbes 230 elektrolüüsiprojekti koguvõimsusega umbes 100 MW (allikas: IEA 2019, The Future of Hydrogen). 2020. aastal oli ülemaailmne installeeritud võimsus 200 MW ja 2023. aasta lõpuks ligikaudu 2400 MW. Need arvud näitavad, et me alles alustame ja peame välja töötama täiesti uue tarneahela.
Vajame uusi ettevõtteid, uusi tarnijaid ja uusi tootjaid, et arendada materjale ja komponente suuremate ja järgmise põlvkonna elektrolüüsisüsteemide jaoks. See on Hollandi kõrgtehnoloogilise tööstuse jaoks suurepärane võimalus. Euroopa Liidu eesmärk on paigaldada 2030. aastaks liitu 40 GW ja Põhja-Aafrikasse veel 40 GW elektrolüüsivõimsust. Selle eesmärgi saavutamine nõuab meilt nii tehnoloogilise innovatsiooni kui ka tegelike projektide tempo kiirendamist.

Millised on elektrolüüsi suurimad tehnilised väljakutsed?
Vee elektrolüüsi osas on praegu saadaval neli tehnoloogiat (AEM, SOE, PEM ja Alkaline), millest igaühel on oma eelised, puudused ja küpsusaste. Vaadake meie videot vesiniku tootmise kohta elektrolüüsi abil (avaneb uues aknas või vahekaardil) (viitab teisele veebisaidile). Kõigi nelja tehnoloogia puhul on kolm peamist uurimisprobleemi:
süsteemiga seotud kapitalikulude vähendamiseks
süsteemi tõhususe parandamiseks
ületada suuremahulise tootmise takistused, et 2030. aastaks oleks võimalik saavutada 30 GW aastane ülemaailmne elektrolüüsiseadmete tootmisvõimsus.

Tooteid müüakse kõigis Hiina piirkondades ja eksporditakse riikidesse üle maailma. Neid on müüdud enam kui 20 riigis ja piirkonnas, sealhulgas Ameerika Ühendriikides, Saksamaal, Marokos, Keenias, Saudi Araabias, Vietnamis, Alžeerias, Indias, Tansaanias ja Taiwanis. Edukalt pakuti selliseid tuntud ettevõtteid nagu China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group ja teised tuntud ettevõtted. Seal on palju rohelisi vesiniku hüdrogeenimisjaamu, nagu Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming jne, mis pakuvad rohelisi ja vesiniku tootmise projekte.