Što je zeleni vodik i zašto nam je potreban

Pravo je vrijeme da se iskoristi potencijal vodika da igra ključnu ulogu u rješavanju kritičnih energetskih izazova. Nedavni uspjesi tehnologija obnovljivih izvora energije i električnih vozila pokazali su da politike i tehnološke inovacije imaju moć izgraditi globalne industrije čiste energije.

Vodik se pojavljuje kao jedna od vodećih opcija za skladištenje energije iz obnovljivih izvora s gorivima na bazi vodika koja potencijalno prenose energiju iz obnovljivih izvora na velike udaljenosti – od regija s obilnim energetskim resursima do područja gladnih energije tisućama kilometara daleko.

Zeleni vodik predstavljen je u nizu obećanja o smanjenju emisija na Konferenciji UN-a o klimi, COP26, kao sredstvo za dekarbonizaciju teške industrije, teretnog prijevoza na duge relacije, brodskog prijevoza i zrakoplovstva. I vlade i industrija priznale su vodik kao važan stup neto nulte ekonomije.

Zeleni vodikov katapult, inicijativa Ujedinjenih naroda za smanjenje cijene zelenog vodika, objavila je da gotovo udvostručuje svoj cilj za zelene elektrolizere s 25 gigavata postavljenih prošle godine na 45 gigavata do 2027. Europska komisija usvojila je niz zakonodavnih prijedlozi za dekarbonizaciju tržišta plina EU-a olakšavanjem korištenja obnovljivih plinova i plinova s ​​niskim udjelom ugljika, uključujući vodik, te osiguravanje energetske sigurnosti za sve građane Europe. Ujedinjeni Arapski Emirati također podižu ambicije, s novom vodikovom strategijom zemlje koja ima za cilj držati četvrtinu globalnog tržišta vodika s niskim udjelom ugljika do 2030., a Japan je nedavno najavio da će uložiti 3,4 milijarde dolara iz svog fonda za zelene inovacije kako bi ubrzao istraživanje i razvoj i promicanje korištenja vodika u sljedećih 10 godina.

Možete naići na pojmove 'sivo', 'plavo', 'zeleno' koji se povezuju kada se opisuju vodikove tehnologije. Sve se svodi na način na koji se proizvodi. Vodik izgaranjem emitira samo vodu, ali njegovo stvaranje može biti intenzivno ugljično. Ovisno o proizvodnim metodama, vodik može biti siv, plav ili zelen – a ponekad čak i ružičast, žut ili tirkiz. Međutim, zeleni vodik jedina je vrsta proizvedena na klimatski neutralan način, zbog čega je kritično postići neto nulu do 2050. godine.

Zamolili smo dr. Emanuelea Taibija, voditelja Strategije transformacije energetskog sektora, Međunarodna agencija za obnovljivu energiju (IRENA) da objasni što je to zeleni vodik i kako bi mogao utrti put prema neto nultim emisijama. Trenutačno radi u Centru za inovacije i tehnologiju IRENA u Bonnu, Njemačka, gdje je odgovoran za pomoć zemljama članicama u osmišljavanju strategija za transformaciju energetskog sektora, a trenutno upravlja radom na fleksibilnosti elektroenergetskog sustava, vodiku i skladištenju kao ključnom pokretači energetske tranzicije. Dr. Taibi je također sukustos Strateške obavještajne platforme Svjetskog ekonomskog foruma, gdje je njegov tim razvio mapu transformacije vodika.

Zelene vodikove tehnologije

Što Vas je motiviralo da razvijate svoju ekspertizu u energetskim tehnologijama i kako Vaš rad u IRENI doprinosi tome?

Bilo je to tijekom mog magistarskog rada. Odradio sam praksu u talijanskoj Nacionalnoj agenciji za energiju i okoliš (ENEA), gdje sam naučio o održivom razvoju i energiji, te vezi između to dvoje. O tome sam napisao svoj diplomski rad iz inženjerstva menadžmenta i odlučio da je to područje na koje želim usredotočiti svoj radni vijek. Premotavajući gotovo 20 godina iskustva u energetici i međunarodnoj suradnji, doktorat iz energetske tehnologije i vrijeme provedeno u privatnom sektoru, istraživačkim i međuvladinim agencijama, trenutno vodim tim za transformaciju energetskog sektora u IRENA-i od 2017.

Moj rad u IRENA-i je da doprinesem, sa svojim timom i u bliskoj suradnji s kolegama iz cijele agencije i vanjskim partnerima kao što je Svjetski ekonomski forum, u podršci naših 166 zemalja članica u energetskoj tranziciji, s fokusom na obnovljivu opskrbu električnom energijom i koristiti za dekarbonizaciju energetskog sektora kroz zelene elektrone kao i zelene molekule poput vodika i njegovih derivata.

Što je zeleni vodik? Kako se razlikuje od tradicionalnog 'sivog' vodika i plavog vodika s intenzivnim emisijama?

Vodik je najjednostavniji i najmanji element u periodnom sustavu. Bez obzira kako se proizvodi, na kraju ima istu molekulu bez ugljika. Međutim, putovi za njegovu proizvodnju vrlo su različiti, kao i emisije stakleničkih plinova poput ugljičnog dioksida (CO2) i metana (CH4).

Zeleni vodik se definira kao vodik proizveden cijepanjem vode na vodik i kisik korištenjem obnovljive električne energije. Ovo je vrlo različit put u usporedbi s sivim i plavim.

Sivi vodik tradicionalno se proizvodi iz metana (CH4), koji se parom dijeli na CO2 – glavnog krivca za klimatske promjene – i H2, vodik. Sivi vodik se sve više proizvodi i iz ugljena, sa znatno većim emisijama CO2 po jedinici proizvedenog vodika, toliko da se često naziva smeđim ili crnim vodikom umjesto sivim. Danas se proizvodi u industrijskim razmjerima, s povezanim emisijama usporedivim s kombiniranim emisijama Ujedinjenog Kraljevstva i Indonezije. Nema vrijednost prijelaza energije, upravo suprotno.

Plavi vodik slijedi isti proces kao i sivi, s dodatnim tehnologijama potrebnim za hvatanje CO2 proizvedenog kada se vodik odvoji od metana (ili od ugljena) i njegovo dugoročno skladištenje. Ne radi se o jednoj boji, već o vrlo širokoj gradaciji, jer se ne može uhvatiti 100 posto proizvedenog CO2, a nisu svi načini njegovog skladištenja dugoročno jednako učinkoviti. Glavna stvar je da se hvatanjem velikog dijela CO2 utjecaj proizvodnje vodika na klimu može značajno smanjiti.

Postoje tehnologije (tj. piroliza metana) koje obećavaju visoke stope hvatanja (90-95 posto) i učinkovito dugoročno skladištenje CO2 u krutom obliku, potencijalno toliko bolje od plave da zaslužuju vlastitu boju u " vodikova taksonomija duga", tirkizni vodik. Međutim, piroliza metana je još uvijek u pilot fazi, dok se zeleni vodik ubrzano povećava na temelju dvije ključne tehnologije - obnovljive energije (osobito iz solarne PV i vjetra, ali ne samo) i elektrolize.

Za razliku od obnovljive energije, koja je danas najjeftiniji izvor električne energije u većini zemalja i regije, elektrolizu za proizvodnju zelenog vodika potrebno je znatno povećati i smanjiti njezinu cijenu najmanje tri puta tijekom sljedećeg desetljeća ili dva. Međutim, za razliku od CCS i metanske pirolize, elektroliza je danas komercijalno dostupna i može se nabaviti odviše međunarodnih dobavljača upravo sada.

Rješenja zelene vodikove energije

Koje su prednosti rješenja energetske tranzicije prema 'zelenom' gospodarstvu vodika? Kako bismo mogli prijeći na zeleno vodikovo gospodarstvo s mjesta gdje smo trenutno sa sivim vodikom?

Zeleni vodik važan je dio energetske tranzicije. To nije sljedeći neposredni korak, jer prvo moramo dodatno ubrzati implementaciju obnovljive električne energije kako bismo dekarbonizirali postojeće elektroenergetske sustave, ubrzali elektrifikaciju energetskog sektora kako bismo iskoristili jeftinu obnovljivu električnu energiju, prije nego što konačno dekarboniziramo sektore koje je teško elektrificirati – poput teške industrije, brodogradnje i zrakoplovstva – kroz zeleni vodik.

Važno je napomenuti da danas proizvodimo značajnu količinu sivog vodika, s visokim emisijama CO2 (i metana): prioritet bi bio početak dekarbonizacije postojeće potražnje za vodikom, na primjer zamjenom amonijaka iz prirodnog plina zelenim amonijakom.

Nedavne studije potaknule su raspravu o konceptu plavog vodika kao prijelaznog goriva dok zeleni vodik ne postane troškovno konkurentan. Kako bi zeleni vodik postao troškovno konkurentan u odnosu na plavi vodik? Kakva se strateška ulaganja trebaju pojaviti u procesu razvoja tehnologije?

Prvi korak je dati signal da plavi vodik zamijeni sivi, jer bez cijene za emitiranje CO2, nema poslovnog opravdanja za tvrtke da ulažu u složene i skupe sustave za hvatanje ugljika (CCS) i geološka skladištenja CO2. Jednom kada je okvir takav da je vodik s niskim udjelom ugljika (plavi, zeleni, tirkizni) konkurentan sivom vodiku, tada se postavlja pitanje: trebamo li ulagati u CCS ako je rizik imati nasukanu imovinu i koliko će brzo zeleni postati jeftiniji od plava.

Odgovor će se naravno razlikovati ovisno o regiji. U neto nultom svijetu, cilju kojem se sve više zemalja obvezuje, preostale emisije iz plavog vodika morale bi se nadoknaditi negativnim emisijama. Ovo će imati svoju cijenu. Paralelno s tim, cijene plina su u posljednje vrijeme vrlo nestabilne, ostavljajući cijenu plavog vodika u velikoj korelaciji s cijenom plina i izloženu ne samo neizvjesnosti cijene CO2, već i nestabilnosti cijene prirodnog plina.

Za zeleni vodik, međutim, mogli bismo svjedočiti sličnoj priči kao i solarni PV. Kapitalno je intenzivan, stoga moramo smanjiti investicijske troškove, kao i troškove ulaganja, povećanjem proizvodnje obnovljivih tehnologija i elektrolizera, istovremeno stvarajući niskorizično preuzimanje kako bismo smanjili trošak kapitala za ulaganja u zeleni vodik. To će dovesti do stabilnog, padajućeg troška zelenog vodika, za razliku od promjenjivog i potencijalno rastućeg troška plavog vodika.

Tehnologije obnovljivih izvora energije već su danas dosegle razinu zrelosti koja omogućuje konkurentnu proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora diljem svijeta, što je preduvjet za konkurentnu proizvodnju zelenog vodika. Ipak, elektrolizatori se još uvijek koriste u vrlo malom opsegu, potrebno ih je povećati za tri reda veličine u sljedeća tri desetljeća kako bi se trostruko smanjio njihov trošak.

Danas su planirani projekti zelenog vodika na pravom putu za prepolovljenje troškova elektrolizera prije 2030. To, u kombinaciji s velikim projektima koji se nalaze na mjestima gdje su najbolji obnovljivi izvori, može dovesti do konkurentnog zelenog vodika koji će biti dostupan u velikom broju sljedećih {{1 }} godine. Ovo ne ostavlja puno vremena za plavi vodik – koji je danas još uvijek u pilot fazi – da se poveća s pilota na komercijalnu razinu, implementira složene projekte (npr. dugoročno geološko skladištenje CO2) na komercijalnoj razini i po konkurentnim cijenama te povrati ulaganja uložena u sljedećih 10-15 godina.

Nekoliko je vlada sada uključilo tehnologije vodikovog goriva u svoje nacionalne strategije. S obzirom na sve veće zahtjeve za prijelazom na dekarbonizaciju gospodarstva i omogućavanje tehnologija s višim stopama hvatanja ugljika, što bi bio vaš savjet kreatorima politike i donositeljima odluka koji procjenjuju prednosti i nedostatke zelenog vodika?

Trebat će nam zeleni vodik da postignemo neto nulte emisije, posebno za industriju, pomorstvo i zrakoplovstvo. Međutim, ono što nam je najhitnije potrebno je:

1) energetska učinkovitost;

2) elektrifikacija;

3) ubrzani rast proizvodnje energije iz obnovljivih izvora.

Kad se to postigne, preostaje nam ca. 40 posto potražnje treba dekarbonizirati, a tu trebamo zeleni vodik, modernu bioenergiju i izravno korištenje obnovljivih izvora energije. Nakon što dodatno povećamo obnovljivu energiju za dekarbonizaciju električne energije, bit ćemo u poziciji dodatno proširiti kapacitet obnovljive energije za proizvodnju konkurentnog zelenog vodika i dekarbonizirati sektore koje je teško smanjiti uz minimalne dodatne troškove.

Gdje vidite da će se energetske tehnologije povezane s vodikom razviti do 2030.? Možemo li predvidjeti gospodarska vozila s vodikovim pogonom?

Vidimo priliku za brzo prihvaćanje zelenog vodika u sljedećem desetljeću tamo gdje već postoji potražnja za vodikom: dekarbonizacija amonijaka, željeza i drugih postojećih proizvoda. Mnogi industrijski procesi koji koriste vodik mogu sivu zamijeniti zelenom ili plavom, pod uvjetom da CO2 ima odgovarajuću cijenu ili da se uspostave drugi mehanizmi za dekarbonizaciju tih sektora.

Za pomorstvo i zrakoplovstvo situacija je malo drugačija. Drop-in goriva, temeljena na zelenom vodiku, ali u biti identična mlaznom gorivu i metanolu proizvedenom iz nafte, mogu se koristiti u postojećim avionima i brodovima, uz minimalne ili nikakve prilagodbe. Međutim, ta goriva sadrže CO2, koji se mora negdje uhvatiti i dodati vodiku, da bi se ponovno oslobodio tijekom izgaranja: to smanjuje, ali ne rješava problem emisije CO2. Sintetička goriva mogu se primijeniti prije 2030. ako postoje pravi poticaji koji opravdavaju dodatne troškove smanjenih (ne eliminiranih) emisija.

U nadolazećim godinama brodovi mogu prijeći na zeleni amonijak, gorivo proizvedeno od zelenog vodika i dušika iz zraka, koje ne sadrži CO2, no bit će potrebna ulaganja u zamjenu motora i spremnika, a zeleni amonijak trenutno je puno skuplji od lož ulje.

Avioni na vodik (ili amonijak) su dalje, a to će biti u biti novi zrakoplovi koji će se morati dizajnirati, izgraditi i prodati zrakoplovnim kompanijama kako bi zamijenili postojeće avione na mlazno gorivo – očito neizvedivo do 2030.: u tom smislu, zeleni mlaz gorivo – proizvedeno kombinacijom zelenog vodika i održive bioenergije – rješenje je koje se može primijeniti u bliskoj budućnosti.

Zaključno, glavne radnje za ubrzavanje dekarbonizacije od sada do 2030. su 1) energetska učinkovitost 2) elektrifikacija s obnovljivim izvorima energije 3) brzo ubrzanje proizvodnje obnovljive energije (što će dodatno smanjiti ionako nisku cijenu obnovljive električne energije) 4) povećanje održive , moderna bioenergija, potrebna - između ostalog - za proizvodnju zelenih goriva koja zahtijevaju CO2 5) dekarbonizaciju sivog vodika sa zelenim vodikom, što bi dovelo do razmjera i smanjilo troškove elektrolize, čineći zeleni vodik konkurentnim i spremnim za daljnje povećati u 2030-ima, prema cilju postizanja neto nulte emisije do 2050.

Svjetski gospodarski forum dugogodišnji je zagovornik programa čistog vodika od 2017., koji je pomogao - između ostalog - u stvaranju Vijeća za vodik, uspostavljanju izazova za inovacije vodika u partnerstvu s Mission Innovation i stvaranju, zajedno s Energy Transitions Commission, Mission Possible platforme za pomoć u prijelazu sektora koje je teško smanjiti na neto nultu emisiju do 2050. Pročitajte više o inicijativi za ubrzavanje čistog vodika ovdje.