Zielony wodór – czym jest?

Zielony wodór staje się coraz bardziej popularny jako najnowszy trend w rewolucji energetycznej. Czy jednak wiemy, czym on właściwie 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 – rewolucje przemysłowe – szedł w parze z niebezpiecznym wzrostem naszego śladu węglowego, zagrażając równowadze klimatycznej, a tym samym ekosystemom i życiu na naszej planecie. To rzeczywistość, której, na szczęście, z każdym dniem stajemy się coraz bardziej świadomi – być może niewystarczająco – i którą, jako społeczeństwo, chcemy powstrzymać poprzez różne rozwiązania, które pozwolą nam powstrzymać zanieczyszczanie i niszczenie naszej planety, zapewniając jednocześnie poprawę jakości życia wszystkich ludzi.

W ostatnich dekadachInwestycje w innowacje i technologie pozwoliły nam opracować różnorodne rozwiązania służące generowaniu zielonej energii, redukcja zanieczyszczeń lub tłumienie i/lub zastępowanie emisji szkodliwych składników do atmosfery innymi, bardziej nieszkodliwymi. Krótko mówiąc, ludzie starają się, choć nie osiągnęli jeszcze niezbędnego globalnego konsensusu, ograniczyć bardzo ważny problem zarówno dla samej ludzkości, jak i dla planety. W ten sposób w ciągu ostatnich dziesięciu lat byliśmy świadkami rewolucyjnych zmian w sektorach takich jak transport, w których (od)rodziło się dwóch protagonistów: pojazd elektryczny (należy pamiętać, że pierwsze pojazdy były napędzane silnikami elektrycznymi, a nie silnikami spalinowymi) oraz pojazd wodorowy. To właśnie na tym ostatnim punkcie chcielibyśmy się skupić. Czy wiemy, czym jest wodór, a nawet, co bardziej złożone, zielony wodór i jak może on zmienić sektor transportu? Zajmijmy się tym.

Jak wyjaśniliśmy, każda aktywność pozostawia ślad; co jest oczywiste w naszym obecnym modelu mobilności opartym na spalaniu paliw kopalnych. Niezależnie od tego, czy chodzi o olej napędowy, benzynę czy naftę (głównie w lotnictwie), silniki oparte na spalaniu paliw kopalnych 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, dwutlenki węgla, a także inne lotne związki organiczne i mikrocząstki różnego rodzaju, przedostają się do naszej atmosfery, powodując więcej niż oczywiste szkody dla naszego zdrowia i środowiska.

Z tego powodu przez latastaraliśmy się znaleźć alternatywy dla tych paliw kopalnychaby wykorzystać je w naszych pojazdach. Poszukiwania, które w ostatnich dekadach doprowadziły do ​​podziału tych alternatywnych technologii na dwie główne grupy:

• Silniki elektryczne: Ich działanie opiera się na jednym lub kilku silnikach elektrycznych, które zasilane są bateriami, generują opór i przekształcają energię kinetyczną (ruch) w prąd przemienny, który przepływa przez przetwornicę, stając się prądem stałym, a następnie jest magazynowany w baterii w celu ponownego wykorzystania.
• Silnik spalinowy wodorowy: Działa on z wykorzystaniem ogniwa paliwowego umieszczonego z przodu samochodu, które poprzez reakcję chemiczną z tlenem pochodzącym z zewnątrz pojazdu wytwarza energię elektryczną potrzebną do napędu. Nadwyżka powstająca w tym procesie to po prostu para wodna. Sposób wytwarzania tego wodoru i ilość zanieczyszczeń, które generowany jest w tym procesie, to osobna kwestia, stąd znaczenie rodzaju używanego wodoru. To właśnie tutaj ponownie pojawia się słynny zielony wodór; teraz zobaczymy dlaczego.

Wodór i jego specyficzna tęcza

Jak wspomnieliśmy, produkcja i/lub wytwarzanie wodoru jest w tym procesie tak istotne, że całkowicie determinuje ślad węglowy, jaki generujemy stosując każdą technologię. Przede wszystkim należy wyjaśnić, że wodór nie jest związkiem chemicznym, który może być swobodnie wychwytywany w naszym środowisku naturalnym. Jest obecny, ale nie w ilości ani formie niezbędnej do jego wychwytu, ponieważ jest tym, co w chemii nazywa się „wektorem energii”, a ponadto jest lekki i łatwy do magazynowania. Oznacza to zasadniczo, że aby go uzyskać, konieczny jest proces energetyczny; innymi słowy, w zależności od źródła energii, wodór może generować ślad węglowy o różnym charakterze. Im bardziej ekologiczny jest proces pozyskiwania wodoru, tym bardziej ekologiczny będzie sam wodór.

Być może, mając to na uwadze, najważniejsze jest poznanie różnic między różnymi rodzajami wodoru, które występują w zależności od sposobu jego wytwarzania. Możemy zatem mówić, niczym o pasie sztuk walki, o ośmiu klasyfikacjach według koloru, chociaż sam wodór nie ma koloru jako takiego, z następującymi różnicami:

Wodór czarny/brązowy

Powstaje w wyniku zgazowania węgla poprzez spalanie różnych minerałów węglowych, takich jak węgiel kamienny (węgiel kamienny), węgiel kamienny czy węgiel brunatny (węgiel brunatny). Ponieważ opiera się wyłącznie na spalaniu, w ramach procesu chemicznego do atmosfery uwalniane są różne emisje zanieczyszczeń, w tym dwutlenek węgla. Dlatego jest on uważany za najbardziej szkodliwy dla środowiska rodzaj wodoru.

Wodór szary

Jest to najpopularniejszy i najłatwiejszy do wytworzenia (a zatem najtańszy) barwnik wodorowy, ale jednocześnie taki, który emituje najwięcej dwutlenku węgla do atmosfery. Wodór szary jest wytwarzany metodą reformingu parowego metanu (SMR) w reakcji paliw kopalnych, zwłaszcza gazu ziemnego.

Żółty wodór

Żółty wodór to taki, w którym energia elektryczna wykorzystywana do elektrolizy pochodzi z różnych źródeł, zarówno odnawialnych, jak i kopalnych. Co ciekawe, żółty wodór odnosi się również do wodoru wytwarzanego z energii słonecznej, choć ogólnie rzecz biorąc, zalicza się go do zielonego wodoru; w rzeczywistości można by argumentować, że żółty wodór jest jego odcieniem.

Niebieski wodór

Niebieski wodór definiuje się jako wodór wytwarzany w wyniku wykorzystania gazu ziemnego jako surowca. Proces ten jest szczególnie interesujący, ponieważ w wyniku tego wykorzystania gazu dwutlenek węgla jest oddzielany i wychwytywany, a następnie magazynowany w głębokich formacjach geologicznych (pustkach w skorupie ziemskiej) w celu późniejszego wykorzystania w produkcji paliw ekologicznych. Jest to wodór niskoemisyjny, ale nie można go określić jako czystego.

Wodór turkusowy

Jest on uzyskiwany za pomocą rewolucyjnej metody, ujawnionej przez japońską firmę przemysłową Ebara, która pozwala na 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. Nie wymaga on ponownego wychwytywania ani magazynowania i może być wykorzystywany do produkcji szeregu innych użytecznych produktów węglowych, takich jak nawozy.

Jednakże proces produkcyjny jest wciąż w fazie rozwoju, a turkusowego wodoru nie da się oceniać i wytwarzać na równi z innymi kolorami wodoru.

Różowy wodór

To rodzaj wodoru wytwarzanego w procesie elektrolizy wody, polegającej na rozbiciu cząsteczki wody na wodór i tlen. Cechą szczególną tego procesu jest energia elektryczna pochodząca z energii jądrowej. Jest to wodór niemal zrównoważony, ponieważ jego wpływ na środowisko jest związany wyłącznie z energią jądrową.

Zielony wodór

Ten rodzaj wodoru jest obecnie naszym głównym. Jest on wytwarzany metodą elektrolizy, rozbijając cząsteczkę wody na wodór i tlen, co ma szczególną cechę: wykorzystuje wyłącznie energię elektryczną ze źródeł odnawialnych. Innymi słowy, zielony wodór jest jedynym, który jest pozyskiwany w 100% z czystej energii, takiej jak energia fotowoltaiczna (żółta), wiatrowa czy hydroelektryczna, i nie powoduje bezpośredniej emisji dwutlenku węgla do atmosfery.

Biały wodór

Kiedy mówimy o białym wodorze, mamy na myśli wodór występujący naturalnie, zazwyczaj w postaci gazowej w atmosferze, a czasami w podziemnych zbiornikach. Największym problemem jest to, że ten rodzaj wodoru nie posiada technologii, która pozwoliłaby nam na jego eksploatację na dużą skalę, co czyni go bezużytecznym do naszych celów.

Jak wytwarza się zielony wodór?

Jak widzieliśmy, istnieje wiele procesów, które generują wodór, choć nie wszystkie z nich można uznać za zrównoważone. Dlatego też, aby wyjaśnić, jak H₂jest produkowany, skupimy się na próbie rozwikłania, w jaki sposób powstaje główny bohater tego artykułu — zielony wodór.

Zobaczmy, wodór jest pierwiastkiem chemicznym układu okresowego — konkretnie pierwszym na liście — który w tym przypadku uzyskuje się poprzez oddzielenie cząsteczek tworzących wodę (H₂O) poprzez proces dysocjacji tych cząsteczek pod wpływem energii elektrycznej. Proces ten, zwany elektrolizą, oddziela cząsteczki wodoru od cząsteczek tlenu, a w przypadku zielonego wodoru odbywa się to dzięki energii elektrycznej generowanej przez dowolne odnawialne źródło energii (głównie energię wiatrową i/lub fotowoltaiczną).

W ten sposób prąd elektryczny jest dostarczany w sposób ciągły do ​​elektrolizera. Proces ten wymaga najpierw przekształcenia prądu przemiennego na stały, dzięki zastosowaniu elektroniki mocy i urządzeń zwanych prostownikami. Aby prostowniki te mogły pracować przy odpowiednim poziomie prądu przemiennego i napięcia sieci, muszą być zabezpieczone przed ewentualnymi zmianami, dlatego stosujemy centra transformacyjne wyposażone w przekaźniki zabezpieczające oraz transformatory obniżające napięcie. To sprawia, że ​​są one kluczowymi elementami dla prawidłowego działania i wymagają wysokiego poziomu technologii i innowacji. Proces ten wiąże się jednak z dwoma dylematami:

1. W przypadku gdy proces elektrolizy przeprowadzany jest poprzez podłączenie do sieci elektroenergetycznej, przyłączenie do publicznej sieci rozdzielczej należy wykonać za pomocą węzłów przyłączeniowo-rozdzielczych.
2. W przypadku, gdy proces elektrolizy opiera się na sieciach przesyłowych energii elektrycznej, niezbędne są podstacje elektroenergetyczne, gdyż musimy przekształcić prąd z wysokiego napięcia na średnie, gwarantując w każdym momencie bezpieczeństwo procesu i jego prawidłowy przebieg.

W obu przypadkach podstawowy schemat zakładałby magazynowanie i/lub transportowanie X wody do instalacji produkującej wodór, która następnie przechodzi przez elektrolizer, gdzie poddawana jest procesowi separacji molekularnej, wykorzystującemu energię elektryczną ze źródeł odnawialnych, co powoduje rozkład jej pierwotnego składu molekularnego. Po tej separacji tlen jest magazynowany do celów przemysłowych lub medycznych i/lub usuwany z układu do atmosfery, a wodór jest przesyłany do zbiorników magazynowych, gdzie jest przechowywany w postaci sprężonego lub skroplonego gazu do zastosowań przemysłowych lub do produkcji wodorowych ogniw paliwowych.

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