Optimizam vezan za prvi element periodnog sustava poznat je po tome što se periodično pali i gasi. Neke prognoze za 2023. tako kažu da bi ovo mogla biti godina kada će zeleni vodik iskoračiti iz sfere ideje u realnost, zahvaljujući nizu strategija i najavljenih ulaganja u vodikove tehnologije.
Vodik se smatra središnjim aspektom europskog “Green Deala”, pa predsjednica Europske komisije Ursula von der Leyen izjavljuje da bi čisti vodik mogao “pokretati teške industrije, pokretati naše automobile, kamione i zrakoplove, sezonski skladištiti energiju, grijati naše domove” – sve s “gotovo nula emisija”. Europa je donijela svoju strategiju za vodik 2020., a Hrvatska samo dvije godine kasnije.
Međunarodna energetska agencija (IAE) pozdravila je pojačani interes za čisti vodik zadnjih godina. Ipak, pišu i sljedeće:
Ispunjavanje klimatskih obećanja vladâ zahtijevalo bi proizvodnju 34 mega tona vodika s niskim emisijama godišnje do 2030.; put koji je u skladu s postizanjem neto nulte emisije do 2050. na globalnoj razini zahtijevao bi oko 100 Mt do 2030.
Upitali smo Ankicu Kovač iz Hrvatske udruge za vodik (CROH2), inicijatoricu hrvatske strategije i zamjenicu predsjednika stručne radne skupine za njenu izradu, jesmo li ispravno razumjeli da prema procjenama IAE sve aktualne (nad)nacionalne strategije i planirani kapaciteti nisu dovoljni.
“Tako je! Iščitavate na pravi način. Potrebno je povećati kapacitete kako bi ostvarili ciljeve klimatske neutralnosti do 2050. i na tome se ubrzano radi”, odgovara nam ona.
No, imamo li vremena za to?
Boje bezbojnog vodika
U vodik s niskim emisijama ubrajaju se zeleni i plavi vodik.
Plavi vodik dobiva se iz fosilnih goriva, prvenstveno postupkom reformiranja metana parom – samo što se u slučaju plavoga emisije ugljičnog dioksida hvataju i pohranjuju (CCS).
Zeleni vodik nema emisije. Dobiva se elektrolizom vode pomoću struje iz obnovljivih izvora energije i trenutno čini tek par postotaka ukupnih količina proizvedenog vodika u svijetu.
No, čak 96 posto vodika u Europi, kao i u ostatku svijeta, i dalje čini tzv. sivi vodik.
Tako kaže europska strategija za vodik iz 2020. Koliko je prljav vodik dobiven iz fosilnih goriva, govori podatak da proizvodnja 90-ak megatona vodika za današnje svjetske potrebe po emisijama premašuje čitav svjetski zračni promet i ide do 900 megatona. Ukratko – na kilogram sivog vodika, dobije se deset puta više kila CO2 i na kraju je prljaviji od paljenja samih fosilnih goriva, jer i sami proces reformiranja metana traži ulaganje energije. [1, 2]
No, to je samo dio problema. Strategija navodi i da taj nosač energije pokriva tek par postotaka trenutne potrošnje energije u Europi.
Trenutna nepostojeća potražnja i snovi o ekonomiji vodika
I Hrvatska strategija za vodik do 2050. godine priznaje da RH trenutno nema ni proizvodnju, niti potražnju za obnovljivim vodikom. Ipak, strategija razlaže plan u tri etape do sredine stoljeća i već u prvoj točki oslikava optimističnu viziju gospodarstva temeljenog na vodiku – ekonomije koja se oslanja na vodik kao komercijalno gorivo koje bi isporučivalo značajan dio nacionalne energije.
I europska i hrvatska strategija naglasak stavljaju upravo na zeleni vodik. No, uoči donošenja ove prve, briselskim su hodnicima kružili lobisti, čiji glavni igrači dolaze iz fosilne industrije. Hidrogenski lobi deklarirao je 58.6 milijuna eura godišnjeg uloga u lobiranje (CEO, Politico) i to baš u vrijeme hrvatskog predsjedanja EU. No, taj je iznos poput sjemenke lubenice kada ga uspoređujemo s “masom” očekivanog ploda: europska strategija predviđa ulaganja u vodikove tehnologije “teške” gotovo pola bilijuna eura (470.000.000.000 €) do 2050. godine.
Industrija odgovorna za klimatsku krizu financira i propagira priču o vodiku od krajnjeg istoka do krajnjeg zapada, odnosno najinovativnijeg Japana do bogatog krajnjeg zapada, SAD-a. To vodik dovodi na loš glas, kao i činjenica da je za okoliš prihvatljiva proizvodnja vodika u smislu nosača energije – za razliku od solarne i vjetroelektrana – još uvijek daleko od široke primjene i niskih cijena.
Tehnologije povezane s vodikom, piše tako u hrvatskoj strategiji, razvile su se diljem svijeta nevjerojatnom brzinom u posljednjem desetljeću. No, što to znači, ako IAE tvrdi da je “nekoliko kritičnih tehnologija vezanih za vodik danas u ranim fazama razvoja”?
Savršen, ali
Tehnologija vodika doista napreduje, ali postoji strah da se to događa presporo da bi se na vrijeme i lako nosila s napornim fundamentalnim svojstvima tog plina.
Više od 90 posto svih atoma svemira je vodik, ali ga nije lako odvojiti od atoma drugih elemenata. To je značajan dio problema.
“9 kg vode sadrži 1 kg vodika i 8 kg kisika. Da bi se elektrolizom razdvojilo tih 9 kg vode na kisik i vodik potrebno je 40 do 50 kWh električne energije, ovisno o učinkovitosti uređaja”, pojašnjava Mihajlo Firak, umirovljeni profesor Fakulteta strojarstva i brodogradnje u Zagrebu. On je čitav svoj znanstveno-istraživački vijek, od 1975. godine do mirovine, posvetio energetici i ekologiji, a utemeljio je i Laboratorij za vodik u Končar Institutu za elektrotehniku.
Za razumijevanje ove količine energije može se koristiti usporedba s dizelom:
- jedna litra dizela ima 0,84 kilograma i može producirati 10 kWh električne energije, odnosno pogoniti automobil 15-ak kilometara
- za dobivanje kilograma vodika potreban je ekvivalent energije 4,5 litre odnosno 3,78 kg dizela
- jedan kilogram vodika ima potencijal stvaranja 33 kWh električne energije u gorivnom članku
Nadalje, vodik se smatra “gorivom” budućnosti zbog gustoće energije, tj. činjenice da gram vodika sadrži više energije od grama benzina. Ali to ne vrijedi i za litru.
Volumen
Na sobnoj temperaturi i tlaku, naime, vodik zauzima oko 3 000 puta više prostora od benzina koji sadrži ekvivalentnu količinu energije. To znači da nasuprot litri benzina stoji desetak kâda za kupanje prosječne veličine ispunjenih plinovitim vodikom. Svođenje vodika na prihvatljiv volumen također (energetski) košta. Treba ga ili tlačiti ili hladiti na temperaturu približnu apsolutnoj ništici (ispod -253 °C), ili ga kemijski pohraniti u molekule koje će ga otpustiti kada nam to odgovara.
“Za široku propagaciju korištenja vodika koja se danas zahtijeva, pohrana vodika je najveći praktični problem pa tu i mora biti težište daljnjega razvoja u kontekstu vodikovih tehnologija općenito”, piše nam profesor Firak.
I zato hrvatska strategija kaže da je potrebno “istaknuti očekivanja tehnološkog skoka u području proizvodnje, pohrane (skladištenja) i korištenja obnovljivog vodika iza 2030. godine, a što može pozitivno utjecati na povećanje kapaciteta obnovljivog vodika”.
Što se ukapljivanja tiče, doktor kemije i ambasador klimatskog pakta Europske unije, Nikola Biliškov, koji je godinama radio na razvoju materijala za pohranu vodika, nije siguran da se ulog te značajne energije može smanjiti. Neke firme, primjerice njemačka firma Linde koja proizvodi tankove za plinove, napravile su najbolje sisteme za kompresiju i ukapljivanje, no “radi se o termodinamici i fundamentalnim svojstvima vodika”, kaže nam Biliškov.
Toyota Mirai, primjerice, vodik u svojim spremnicima drži pod tlakom od 10.000 psi iliti 7.000 tona po metru kvadratnom. Takvi spremnici su ujedno i puno teži od rezervoara za benzin.
Kemijsko rješenje
Tu dolazimo do kemijskih spremnika, koji mogu vezati puno više vodika po jedinici volumena i pritom ga kontrolirano ispuštati. Spremnici bazirani na materijalima kojih imamo u izobilju, poput magnezija ili aluminija, prilikom punjenja i pražnjenja uglavnom vrlo brzo degradiraju ili imaju druge probleme.
“Magnezijev hidrid obično radi u obliku tableta i može se gotovo beskonačno reciklirati, jer ima dobra mehanička svojstva. Problem je što on vodik ispušta na 400 °C, a to je visoka temperatura, što znači da za to treba uložiti dosta energije”, pojašnjava Biliškov.
Materijali koji su jako učinkoviti, s druge strane, sastoje se od rijetkih materijala, teških metala na koje se mogu vezivati brojni atomi vodika.
“Praktički možeš čuvati pet litara vodika u maloj kapsulici i to je fantastično! Samo, problem je što se ti materijali baziraju na lantanidima. To su jako teški i skupi metali, a ležišta se većinom nalaze u Sibiru i Kini. Onda se tu povlače i pitanja radničkih prava ljudi koji pribavljaju te metale te energetskog inputa za preradu ruda do kemijski čistih metala. Lantanidi se u rudama uglavnom nalaze pomiješani, kemijski su vrlo slični jedni drugima i moraju se separirati, što je energetski vrlo zahtjevno”, pojašnjava Biliškov.
Problem je, zaključuje Biliškov, što još nije otkriven materijal koji bi zadovoljavao sve tehnološke zahtjeve.
Transport vodika
Vodik se može prenositi plinovodima, ali postojeća infrastruktura to ne može zbog velikih gubitaka, ali i degradiranja materijala. Stoga strategije spominju modernizaciju postojećih plinovoda, što je također šansa za očuvanje postojeće i razvoj nove plinske infrastrukture. Klimatska kriza dovela je, primjerice, ulaganje u plinovod Midcat na loš glas, a vodik je oživio sličan projekt i to javnim, europskim novcem.
“To je još jedan razlog zašto ‘fosilaši’ žele vodik: imaju tisuće kilometara cijevi i kapacitete za prijevoz. Iako sva postojeća tehnologija i materijali nisu preko noći primjenjivi za vodik, postoji kadar koji ima određena tehnička znanja o postupanju s plinovima, definirani su propisi, zakonski okviri, poznato je vlasništvo nad zemljom na kojoj se nalaze plinovodi i postrojenja. Proizlazi da uvođenje vodika od strane ‘fosilaša’ ne može biti samo tako zanemareno”, piše nam profesor Firak.
Već u prvoj fazi, hrvatska strategija navodi da će se “započeti planiranje transportne infrastrukture za transport čistog vodika i infrastrukture za hvatanje i korištenje CO2” temeljeno na principu najmanjeg troška, odnosno na “optimiziranom korištenju i prenamjeni postojeće plinske infrastrukture u plinovode za transport vodika i CO2”.
Cijena
Da bi ekonomija vodika – najviši cilj svih aktualnih i najavljenih investicija u vodik – bila moguća i klimatski održiva, cijena vodika, prije svega zelenog, mora pasti. Europska i hrvatska strategija za vodik navode kako se cijena sivog vodika kreće oko 1,5 euro po kilogramu. Uz CCS ona raste na dva eura po kilogramu. Cijena zelenog vodika se kreće između 2,5 i 5,5 eura po kilogramu, a predviđa se da će zbog pojeftinjenja OIE pasti na 1,5 euro do 2030. godine.
No, ovo približavanje cijena plavog i zelenog vodika događa se nešto brže od predviđenog. Solari i vjetar, prema IAE, brže će od projiciranog preuzeti vodstvo u proizvodnji električne energije u odnosu na ugljen i plin. Ankica Kovač navodi kako se to događa zbog rata u Ukrajini i potrebe smanjenja ovisnosti o ruskim energentima, kao i ubrzanog pojeftinjenja solara.
“Tehnologija perovskitnih fotonaponskih članaka ima realni potencijal daljnjega, rekla bih čak dramatičnog, sniženja cijene električne energije. To su printani fotonaponski članci na jeftinim savitljivim substratima koji u višeslojnoj izvedbi mogu postići učinkovitost pretvorbe sunčeve energije čak do 40%. Njihov životni vijek trajanja jest 3-4 puta kraći od klasičnih silikonskih fotonaponskih članaka, ali to postaje nevažno kada je investicijska cijena bagatelna, a razvoj tehnologije eksponencijalan”, navodi Kovač.
Smatra da bi pametna integracija takvih fotonaponskih članaka s industrijski proizvedenim građevinskim elementima visokih termo izolacijskih značajki vjerojatno mogla revolucionizirati proizvodnju i korištenje energije u sektoru zgradarstva, ali i šire.
“Niža cijena električne energije pomoći će i snižavanju cijene obnovljivoga vodika. Zapravo, s druge strane, uslijed enormnog povećanja cijene prirodnoga plina, već imamo efekt povećanja konkurentnosti obnovljivoga vodika koji je sada cjenovno konkurentan sivom vodiku, što se nije očekivalo prije 2030. godine, ali očigledno je energetska kriza skratila i tu granicu. Jeftina sunčeva fotonaponski generirana električna energija i jeftini obnovljivi vodik je u narednih desetak godina po mojem mišljenju jedini istinski održivi strateški pravac razvoja proizvodnje i korištenja energije u Hrvatskoj”, drži Kovač.
Firak također ističe da je cijena vodika dobivenoga elektrolizom prije prošlogodišnjih poremećaja na tržištu plina bila 2,5 do 6 puta viša od cijene sivog vodika. No, potražnja za elektrolizatorima trenutno premašuje proizvodnju i plavi vodik je potencijalno u većem problemu od zelenog.
“Pohrana CO2 pod zemlju je složena i dodatno opterećuje cijenu vodika dobivenoga reformiranjem i k tome nije svugdje moguća. To samo po sebi tzv. plavi vodik, šire gledano, stavlja u nepovoljniji položaj. Vodik dobiven reformiranjem redovito se koristi u rafinerijama ugljikovodika, a vodik dobiven elektrolizom obično u prehrambenoj i elektroničkoj industriji. Kako i što, kada i zašto je posljedica više faktora u koje sada nećemo ulaziti”, navodi Firak.
Kako najpametnije upotrijebiti (vrlo dragocjeni) vodik?
Korištenje vodika, osim u ranije spomenute industrijske svrhe, ide danas u dva nova smjera, navodi Firak. Prvi je u svrhu dobivanja toplinske energije na velikoj i maloj skali – cementare, željezare, centralizirano grijanje kućanstava, i slično. Drugi je u svrhu proizvodnje električne energije također na velikoj i maloj skali uz tendenciju što manjih popratnih toplinskih gubitaka. Proces od pretvorbe viška struje u vodik i ponovnu pretvorbu vodika u struju nosi energetske gubitke. Dakle, vodik može poslužiti kao svojevrsna “baterija” za solare i vjetar, ali “iz navedenoga se vidi ogromna kompleksnost problematike vodika kao univerzalnoga spasitelja iz koje izviru brojne diskusije i brojni prijedlozi različitih rješenja”.
“Ako se baš želi govoriti o redoslijedu uvođenja vodika, usprkos tome što će ona teći paralelno po sektorima, a ne po nekom redoslijedu”, navodi Firak, “sigurno je jedan od najvažnijih sektora proizvodnja umjetnih gnojiva i cementna industrija. Bez hrane i bez zgrada nam nema života. Tu je i transport željeznicom na neelektrificiranim prugama i autobusni gradski i međugradski prijevoz”.
Iako je prodor vodika u osobna vozila puno obećavao pa i dalje obećava, tu je osnovni problem potreba izgradnje lokalnih
punionica vodika. Kod autobusa ili kamiona koji imaju svoje unaprijed zadane rute, moguće je na tim rutama uspostaviti potrebne punionice. Međutim, preko noći je nemoguće zamijeniti sve punionice ugljikovodičnim gorivima punionicama na vodik.
“Iako se vodikova vozila u odnosu na baterijska ‘tankaju’ nesumjerljivo većim brzinama (desetak sekundi u odnosu na nekoliko sati) i imaju niz drugih prednosti nad baterijskima, problem nedostatka mreže vodikovih punionica neusporedivo je veći od uspostave električnih punionica i to je ono što usporava uvođenje vozila na pogon vodikom. Dakle, različiti su i koji puta skriveni kriteriji koji određuju što će se desiti u budućnosti, kada i gdje”, navodi Firak.
Kada govorimo samo o Hrvatskoj, umirovljeni profesor smatra da je ključno stimulirati sunčevu energiju i energiju vjetra, te proizvodnju vodika u južnoj Hrvatskoj, jer za to tu postoji niz komparativnih prednosti. Zatim, potrebno je preurediti plinovod koji povezuje sjever i jug Hrvatske za potrebe transporta vodika.
“Sjever Hrvatske je industrijaliziraniji i tu je vodik posebno potreban. Kao zemlja koja ide prema 20% udjela turizma u nacionalnom dohotku, opravdano bi bilo izgrađivati i punionice vodika duž autoputa i na nekim otocima jer po EU vodikova vozila već cirkuliraju. Mogućnosti za proizvodnju i korištenje zelenoga vodika u Hrvatskoj su izrazito velike i na njihovoj pretvorbi u realnost treba ubrzano raditi”, zaključuje Firak.
Strategije za vodik (2): Plavi vodik – tranzicijska pljačka?
