Zielony wodór – czym jest?

Zielony wodór trafia na pierwsze strony gazet i wyłania się jako najnowszy, ważny trend w rewolucji energetycznej, ale czy wiemy, czym on jest, do czego się go wykorzystuje i jak się go produkuje?

Stoimy przed prawdziwym wyzwaniem technologicznym, jakim jest ograniczenie wpływu działalności człowieka na planetę. Nasz zawrotny rozwój gospodarczy i społeczny – poprzez rewolucje przemysłowe – szedł ręka w rękę z niebezpiecznym wzrostem naszego śladu węglowego, zagrażając równowadze klimatycznej, a tym samym ekosystemom i życiu na naszej planecie. Rzeczywistość, której, na szczęście, jesteśmy coraz bardziej świadomi każdego dnia – być może niewystarczająco – i którą, jako społeczeństwo, chcemy ograniczyć poprzez różne rozwiązania pozwalające nam powstrzymać zanieczyszczanie i niszczenie naszej planety, zapewniając jednocześnie poprawę jakości życia wszystkich ludzi. W ten sposób, w ostatnich dekadach, inwestycje w innowacje i technologie pozwoliły nam opracować różne rozwiązania w zakresie wytwarzania zielonej energii, redukcji zanieczyszczeń oraz eliminacji i/lub zastępowania emisji szkodliwych składników do atmosfery substancjami bardziej nieszkodliwymi. Krótko mówiąc, ludzie próbują, choć nie osiągnęli jeszcze niezbędnego globalnego konsensusu, ograniczyć bardzo ważny problem zarówno dla samej ludzkości, jak i dla planety. W ciągu ostatnich dziesięciu lat przeżywaliśmy rewolucyjne zmiany w sektorach takich jak transport, w których (od)rodziły się dwaj protagoniści: pojazd elektryczny (należy pamiętać, że pierwsze pojazdy miały silniki elektryczne, a nie spalinowe) oraz pojazd wodorowy. Właśnie na tym ostatnim punkcie chcemy się skupić. Istotą sprawy jest to, czy wiemy, czym jest wodór, a nawet, co bardziej złożone, zielony wodór i jak może on zmienić sektor transportu, a przynajmniej jego fundamentalną część? Do dzieła!

Jak wyjaśniliśmy, każda działalność pozostawia ślad; co jest widoczne w naszym obecnym modelu mobilności opartym na spalaniu paliw kopalnych. Niezależnie od tego, czy jest to olej napędowy, benzyna, czy nafta (wykorzystywana głównie w lotnictwie), silniki spalinowe zasilane paliwami kopalnymi pozyskują energię mechaniczną poprzez energię chemiczną paliwa spalanego w komorze spalania. Oznacza to, że ogromne ilości zanieczyszczających gazów i cząstek, takich jak tlenki azotu, tlenki węgla, dwutlenek węgla, a także inne lotne związki organiczne i pyły zawieszone różnego rodzaju, przedostają się do naszej atmosfery, powodując więcej niż oczywiste szkody dla naszego zdrowia i środowiska. Z tego powodu od lat podejmowane są wysiłki mające na celu znalezienie alternatyw dla tych paliw kopalnych do wykorzystania w naszych pojazdach. Poszukiwania przeprowadzone w ostatnich dekadach pozwoliły nam podzielić te alternatywne technologie na dwie duże grupy, różniące się znacząco w zależności od obserwowanych obecnie trendów w sektorze, których nie można analizować na tym samym poziomie, ale raczej według ich specyfiki i możliwych zastosowań w bliskiej perspektywie. W związku z tym przystępujemy do rozróżnienia tych dwóch współistniejących technologii:

• Silniki elektryczne: Ich działanie opiera się na jednym lub kilku silnikach elektrycznych, które zasilane akumulatorami generują opór i przekształcają energię kinetyczną (ruch) w prąd przemienny, który przepływa przez przetwornicę, stając się prądem stałym, a następnie magazynowanym w akumulatorze, aby być ponownie wykorzystywanym. Wydaje się, że to właśnie to rozwiązanie zyskuje na popularności jako alternatywa dla silników spalinowych w samochodach osobowych i codziennych dojazdach do pracy; choć wciąż jest za wcześnie, aby przewidzieć jego reprezentację na rynku pojazdów. Jasne jest, że jest to kluczowe rozwiązanie dla dekarbonizacji transportu, jeśli będzie wspierane przez wykorzystanie odnawialnych źródeł energii.

• Silnik wodorowy: Działa z ogniwem paliwowym, które znajduje się z przodu pojazdu i które, poprzez reakcję chemiczną z tlenem uzyskanym z zewnątrz pojazdu, wytwarza energię elektryczną do poruszania samochodu. Nadwyżka wytwarzana w tym procesie to tylko para wodna. Inną kwestią jest to, w jaki sposób wodór jest wytwarzany i jak bardzo zanieczyszczamy środowisko w tym procesie produkcyjnym, stąd znaczenie rodzaju używanego wodoru. To rozwiązanie wydaje się idealne dla tych metod transportu, które wymagają dużej autonomii i mocy, a także w gazochłonnych procesach przemysłowych. To tutaj ponownie pojawia się słynny zielony wodór; teraz zobaczymy dlaczego.

Zielony wodór i inne rodzaje wodoru dopełniają tęczę 

Jak powiedzieliśmy, produkcja i/lub pozyskiwanie wodoru jest tak ważne w tym procesie, że całkowicie determinuje ślad węglowy, który generujemy przy użyciu każdej technologii. Przede wszystkim należy wyjaśnić, że wodór nie jest związkiem, który można swobodnie wychwytywać w naszym naturalnym środowisku, jest obecny, ale nie w ilości lub formie niezbędnej do jego wychwytu, ale raczej jest tym, co w chemii nazywa się „wektorem energii”, a także jest lekki i łatwy do przechowywania. Zasadniczo oznacza to, że jego produkcja wymaga procesu podlegającego wykorzystaniu energii; to znaczy, że w zależności od źródła energii, którego używamy, wodór może generować ślad węglowy różnego rodzaju. Im bardziej ekologiczny będzie proces produkcji wodoru, tym bardziej ekologiczny będzie sam wodór.

Mając to na uwadze, być może najważniejszą rzeczą jest poznanie różnic między różnymi rodzajami wodoru w zależności od sposobu jego produkcji. Możemy zatem mówić, jak o pasie sztuk walki, o ośmiu klasyfikacjach kolorów, pomimo faktu, że sam wodór nie ma koloru jako takiego, z następującymi różnicami:

Zielony wodór i inne kolory wodoru

Czarny/brązowy wodór

To jest ten Powstaje w wyniku zgazowania węgla poprzez spalanie różnych minerałów węglowych, takich jak węgiel bitumiczny (czarny) lub węgiel kamienny i lignit (brunatny). Ponieważ opiera się na czystym spalaniu, różne emisje zanieczyszczeń, w tym dwutlenek węgla, są uwalniane do atmosfery jako część procesu chemicznego. Dlatego jest uważany za najbardziej szkodliwy dla środowiska rodzaj wodoru.

Wodór szary

Jest to najpopularniejszy i najłatwiejszy do wytworzenia (a zatem najtańszy) kolor wodoru, chociaż jest również jednym z tych, które uwalniają do atmosfery największą ilość dwutlenku węgla. Wodór szary jest wytwarzany poprzez tak zwany reforming parowy (SMR) paliw kopalnych, zwłaszcza gazu ziemnego.

Wodór żółty

Wodór żółty to wodór, w którym energia elektryczna używana do elektrolizy pochodzi z różnych źródeł, w tym zarówno tych opartych na energii odnawialnej, jak i tych, które wykorzystują paliwa kopalne. Osobliwością jest to, że żółty wodór odnosi się również do wodoru wytwarzanego przy użyciu energii słonecznej, chociaż byłby on klasyfikowany jako całość w ramach koloru zielonego; w rzeczywistości można by argumentować, że jest to odcień zielonego wodoru.

Niebieski wodór

Wodór turkusowy

Jest on uzyskiwany za pomocą rewolucyjnej metody, ujawnionej przez japońską firmę przemysłową Ebara, która umożliwia ekstrakcję metanu zawartego w gazie ziemnym i biogazie poprzez pirolizę metanu. W rezultacie węgiel powstający w tym procesie przechodzi w stan stały i nie jest uwalniany do atmosfery, co sprawia, że ​​jego odzysk i magazynowanie stają się zbędne i może być wykorzystywany do produkcji szeregu innych użytecznych produktów na bazie węgla, takich jak nawozy.

Mimo wszystko proces ten jest wciąż w fazie rozwoju; więc nie można go oceniać ani produkować na tym samym poziomie, co inne kolory wodoru.

Różowy wodór

Jest to rodzaj wodoru, który powstaje w wyniku elektrolizy wody, rozkładając cząsteczkę wody na wodór i tlen, z jedną szczególną cechą: energia elektryczna używana w tym procesie jest energią jądrową. Jest to wodór niemal zrównoważony, biorąc pod uwagę, że jego wpływ na środowisko jest związany wyłącznie z samą energią jądrową.

Zielony wodór

Ten rodzaj wodoru jest naszym wielkim protagonistą dzisiaj. Jest produkowany metodą elektrolizy, rozkładając cząsteczkę wody na wodór i tlen, z jedną szczególną cechą: wykorzystuje wyłącznie prąd elektryczny ze źródeł odnawialnych. Oznacza to, że zielony wodór jest jedynym, który uzyskuje się w 100% z czystej energii, takiej jak fotowoltaika (żółty), wiatr lub hydroenergia, i nie powoduje żadnych bezpośrednich emisji dwutlenku węgla do atmosfery.

Biały wodór

Kiedy mówimy o białym wodorze, mamy na myśli ten, który występuje naturalnie w postaci wolnej, zazwyczaj w formie gazowej w atmosferze, a czasami w złożach podziemnych. Największym problemem jest to, że ten rodzaj wodoru nie ma strategii technologicznej, która pozwalałaby nam na jego wykorzystanie na dużą skalę, więc jest bezużyteczny dla naszych celów.

Jak powstaje zielony wodór?

Jak widzieliśmy, istnieje wiele procesów, które prowadzą do powstania wodoru, choć nie wszystkie z nich można uznać za zrównoważone. Dlatego, aby wyjaśnić, jak powstaje H2, skupimy się na próbie rozwikłania, jak powstaje główny bohater tego artykułu: zielony wodór.

Zobaczmy, wodór jest nadal pierwiastkiem chemicznym układu okresowego – konkretnie pierwszym na liście – który, w tym przypadku, jest uzyskiwany przez rozdzielenie cząsteczek tworzących wodę (H2O) w procesie dysocjacji tych cząsteczek pod wpływem prądu elektrycznego. Proces ten, zwany elektrolizą, umożliwia oddzielenie cząsteczek wodoru od cząsteczek tlenu. W przypadku zielonego wodoru odbywa się to dzięki energii elektrycznej wytwarzanej przez dowolne odnawialne źródło energii (głównie energię wiatru i/lub fotowoltaikę).

W ten sposób prąd elektryczny jest dostarczany w sposób ciągły do ​​wspomnianego elektrolizera, a proces ten wymaga uprzedniej konwersji prądu przemiennego na prąd stały za pomocą elektroniki mocy i urządzeń zwanych prostownikami. Aby prostowniki te mogły pracować przy odpowiednich poziomach prądu przemiennego i napięcia sieci, muszą być zabezpieczone przed ewentualnymi zmianami; dlatego stosujemy centra transformacyjne wyposażone w ogniwa zabezpieczające sieć oraz transformatory do regulacji poziomów. To sprawia, że ​​są one kluczowymi elementami dla prawidłowego działania i wymagają wysokiego poziomu technologicznego i innowacyjnego. Proces ten stwarza jednak dwa dylematy:

1. W przypadku, gdy proces elektrolizy jest przeprowadzany poprzez podłączenie do sieci elektroenergetycznej, połączenie będzie realizowane za pomocą centrów przyłączeniowych i rozdzielczych do publicznych sieci elektroenergetycznych.
2. W przypadku, gdy proces elektrolizy rozpoczyna się od sieci przesyłowych, potrzebne są podstacje elektroenergetyczne; Ponieważ musimy przekształcić energię elektryczną z wysokiego na średnie napięcie, gwarantując bezpieczeństwo procesu i jego prawidłowe działanie przez cały czas.

W każdym razie podstawowy schemat zakładałby magazynowanie i/lub transportowanie określonej ilości wody do instalacji produkującej wodór, która następnie przechodzi przez elektrolizer, gdzie poddawana jest procesowi separacji molekularnej z wykorzystaniem energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych, co powoduje rozkład jej pierwotnego składu cząsteczkowego. Po tej separacji tlen jest magazynowany do użytku przemysłowego lub medycznego i/lub usuwany z układu do atmosfery, a wodór jest przesyłany do zbiorników magazynowych, gdzie jest przechowywany w postaci sprężonego gazu lub skraplany do użytku w przemyśle lub w wodorowych ogniwach paliwowych.

To właśnie ta podróż pozwala, dzięki energii odnawialnej i infrastrukturze elektrycznej, przekształcić prostą kroplę wody w zielone paliwo o zerowej emisji. Dlatego rozwój tej branży jest tak ważny.