Zašto bi neko koristio obnovljivu energiju za proizvodnju zelenog vodonika, a zatim ga sagorevao za proizvodnju električne energije? Efikasnost povratnog putovanja bila bi manja od 40%, tako da bi svakih 10kWh energije vetra ili sunca obezbedilo manje od 4kWh električne energije. I zašto bi iko stvorio plavi vodonik od prirodnog gasa sa hvatanjem i skladištenjem ugljenika (CCS) – uz sve dodatne troškove reformiranja metana i komprimovanja / ukapljivanja, transporta i skladištenja H2 sa kojim se teško može rukovati – kad biste mogli samo da dodate CCS u postojeće elektrane na gas?

A ipak, velike energetske kompanije kao što su Siemens Energy, Equinor i SSE veruju da postoji svetla budućnost za elektrane na vodonik. Zašto?

Elektrane sa zelenim vodonikom

Nemački Siemens Energy, koji je prošle godine izdvojen iz matične kompanije Siemens, sada nudi kupcima rešenja za elektrane na vodonik.

„Imam obnovljivu energiju, pretvorim je u vodonik pa ponovo elektrifikujem, sa ukupnom efikasnošću ciklusa manjom od 40%. To, očigledno, ima smisla samo ako se vodonik koristi za dugoročno skladištenje energije i kompenzaciju promenljivih obnovljivih izvora“, kaže Erik Zindel, potpredsednik kompanije Siemens Energy za prodaju proizvodnje vodonika.

Zindel objašnjava da „ako zaista želite skladištiti energiju danima, nedeljama, mesecima, ili za sezonsko skladištenje – koje zimi koristi solarnu energiju od leta, ili energiju vetra od jeseni do leta – električnu energiju treba da skladištite uz pomoć hemije“.

„I dalje vam je potrebna čista snaga tokom mračnih zatišja, tokom zime, kada dve ili tri nedelje sunčevi zraci nisu dovoljno jaki i ne duva vetar. Tada morate da imate snabdevanje vodonikom“, kaže , potpredsednik kompanije Siemens Energy.

Zeleni vodonik

Erik Zindel je za portal Recharge, takođe, rekao da će velike zalihe vodonika biti korisne i u obrnutom slučaju, tj. periodu kada je potrebno smanjiti uticaj vetra i solarne energije tokom vetrovitih/sunčanih perioda.

„Jednom kada uđete u zelenu vodoničnu arenu, možete povećati količinu obnovljivih izvora koje želite da izgradite u mreži, jer možete iskoristiti višak obnovljive energije, koja bi, inače, bila umanjena, jer se ne može prodati“, Zindel objašnjava.

Dakle, ako imate elektrolizu, koja koristi električnu energiju da deli molekule vode na H2 i kiseonik možete da sačuvate taj višak energije kao vodonik. Tako, zaista, možete da dozvolite da elektroenergetski sistem proširi korišćenje OIE za značajnu količinu. Jer ako to ne učinite, bićete suočeni sa brzim ograničenjima. Biće previše viška energije, koju morate da bacate.

„Ali, kad jednom iskoristite taj višak energije, onda zaista možete udvostručiti, utrostručiti, učetvorostručiti kapacitete obnovljive energije koje želite da izgradite“, poručuje Zindel.

Elektrane sa plavim vodonikom

Norveški naftni gigant Equinor i škotska kompanija SSE nedavno su najavili plan za izgradnju potpuno nove elektrane jačine 1,8 GW na vodonik u Kedbiju na severoistoku Engleske, krajem ove decenije. Saopštili su da bi ovakve elektrane gotovo sigurno pokretao niskougljenični plavi vodonik, koji bi se koristio za podršku promenljivoj obnovljivoj energiji, verovatno vetru na moru.

Pa zašto bi elektrana sa plavim vodonikom bila poželjnija od generatora na prirodni gas sa CCS?

Henrik Solgaard Andersen, potpredsednik kompanije Equinor objasnio je da je hvatanje ugljenika u fazi pre sagorevanja isplativije od hvatanja posle sagorevanja u elektrani na gas.

Andersen navodi da je u dimnim gasovima u elektrani na gas pritisak veoma nizak, a koncentracija CO2 veoma niska, pa je to veoma teško. To je, kako kaže, kao da tražite igle u plastu sena. I što više CO2 izvadite, igala je sve manje i sve je teže naći ostatak [CO2]. I, konačno, ne možete ga naći“, dobiti.

Plavi vodonik

„U pogonu na plavi vodonik imamo CO2 pod visokim pritiskom. Dakle, u početku imamo veliku količinu igala. Pritisak je toliko visok da možete da uhvatite mnogo više CO2 u postrojenju sa plavim vodonikom u poređenju sa postrojenjem nakon sagorevanja. Tako možete da spustite CO2 na 97-98%“, kaže Andersen.

Bilo bi još manje isplativo hvatati CO2 u elektrani na gas koja bi radila manje od 50% vremena – kao što bi to radila rezervna elektrana Keadbi.

„Postrojenje sa CCS posle sagorevanja prirodnog gasa mora biti spremno da uhvati 90% CO2 svaki put kada radi, bilo da je period rada kratak ili dug. Mislimo da bi sva ova pokretanja i zaustavljanja značila da se postrojenje za hvatanje previše zagreva i hladi, tako da neće moći da uhvati tu količinu CO2“, objašnjava Andersen.

Uz to, kako ističe „niko do sada nije vodio elektranu na gas sa CCS-om. Niko zapravo ne zna kolika će biti energetska efikasnost i stopa hvatanja. Dakle, tu postoje neke neizvesnosti“.

Visoki troškovi

Dok Equinor i SSE planiraju izgradnju potpuno nove elektrane na vodonik, Siemens Energy svoj poslovni model zasniva na konverziji postojećih elektrana na fosilne gasove, kao i na izgradnji novih gasovoda u kombinovanom ciklusu objekata „spremnih za vodonik“.

„Ipak, iako bi pretvaranje elektrane na gas na elektrane koje troše H2 bilo „prilično jeftino“, korišćenje čistog vodonika za proizvodnju električne energije danas „nije nešto što ima ekonomski smisao“, kaže Zindel.

Prirodni gas je, jednostavno, mnogo jeftiniji od zelenog, plavog, pa čak i sivog vodon. „Procenjuje se da se troškovi zelenog H2 danas kreću u rasponu od 2,50 do 6USD/kg, dok je plavi vodonik negde između 1,50 i 4USD/kg. Da bi čist H2 bio dostupan po ceni od dva evra (2,35 dolara) po kg, kada bi bio konkurentniji fosilnomm gasu „bila bi potrebna cena CO2 između 200 i 250 evra po toni. A to je još daleko“, navodi Zindel.

Cena ugljenika u EU iznosila je oko 53 evra po toni u vreme objavljivanja ovog teksta.

Zindel veruje da se čisti vodonik neće koristiti za veliku proizvodnju električne energije do 2035. godine. Do tada će biti isplativije koristiti H2 u drugim sektorima, poput transporta i teške industrije.

„Očekujemo da će se elektrifikacija vodonika dogoditi 2035. ili 2040-ih u velikom obimu. Tada, zaista, moramo da uđemo u duboku dekarbonizaciju energetskog sektora“, smatra Zindel.

Iz Equinora najavljuju da će njihovo postrojenje za vodonik u Keadbiju ići samo „sa uspostavljenim odgovarajućim mehanizmima politike“. Drugim rečima, ako je u velikoj meri subvencionisan.

„Imamo neuspeh na tržištu. Dakle, radimo na poslovnom modelu koji je, verovatno, prilagođeniji nekoj vrsti producentskog ugovora. Tako bi otkupljivači platili cenu za prirodni gas, a oni koji proizvode plavi vodonik dobili bi neku vrstu subvencije za pokrivanje [dodatnih troškova]“, “, kaže Andersen za Recharge.

Zašto sada?

Ako Siemens Energy ne veruje da će elektroenergetski sektor proizvoditi električnu energiju iz H2 još 15 do 20 godina, zašto danas plasira energetska rešenja na vodonik?

„Iz različitih razloga. Prvi jer znamo da je to budućnost, pa moramo početi sa radom sada. Naš plan je da do kraja decenije dostignemo 100% H2 sposobnost. Da imamo dostupna rešenja kada dobijemo prvi pravi komercijalan projekat“, kaže Zindel.

Ovi planovi zasnovani su na očekivanju da će elektrane sa kombinovanim ciklusom biti glavna tehnologija izbora za obezbeđivanje zaostalog opterećenja u scenariju potpuno dekarbonizovane energije. Zindel kaže da će ovi kombinovani ciklusi trajati samo 20 do -30% vremena. Ne više, jer će biti dovoljno vetar i solarne energije u sistemu.

„Druga, i mnogo važnija tačka je da naši kupci danas moraju da grade elektrane na prirodni gas. Dakle, ako danas gradite elektranu na prirodni gas, koja komercijalno radi, recimo, od 2023. ili 2024. godine tipični životni vek, znači da će ove elektrane i dalje raditi 2050-ih, kada bismo trebali da se potpuno dekarbonizujemo. To znači da će svaka nova elektrana, koja će se od sada graditi, morati da se, vrlo verovatno, u budućnosti opremi za sagorevanje vodonika“, ističe Zindel.

Siemens Energy

Zato u Siemens Energy smatraju da je veoma važno da se već danas elektrane pripreme za to. To nazivaju „konceptom spremnim za vodonik“.

Dakle, vode računa da imaju prave materijale, izabranu pravu električnu opremu i dovoljno prostora za dodatne sisteme, koji će biti potrebni kada se postrojenje pretvori u pogon na H2.

„Vidimo da, barem u Evropi, gotovo svaki kupac govori o spremnosti za vodonik za svoje nove elektrane. Ali, i drugi regioni sveta sada postaju veoma agresivni oko smanjenja ugljenika. To je vrlo važna tema u našoj industriji“, kaže Zindel.

Argument za to mu je to što nuklearne elektrane prestaju da rade mnogo pre nego što se završi njihov komercijalni i tehnički vek.

„Sada vide kako se i elektrane na ugalj skidaju sa mreže. Pomalo im je dosadilo imati neupotrebljivu imovinu u vidu ugašenog postrojenja, pa žele da budu sigurni da će danas kombinovani ciklusi biti sigurni i u budućnosti,“ komentariše predstavnik Siemens Energy

Kako pretvoriti termoelektranu na gas u vodonik?

Vodonik ima drugačije osobine od prirodnog gasa. Na primer, on je manji molekul, ima manju gustinu energije i dovodi do krhkosti čelika, pa će biti potrebne različite promene kako bi se omogućilo da elektrana na gas radi na H2.

„Niža zapreminska gustina, uglavnom, utiče na deo opreme – na plinsku turbinu, sistem za gorivo.. Potrebne su vam cevi za gorivo povećanog prečnika. Dakle, ako znate da će elektrana u budućnosti morati da radi na vodonik, možete da napravite cevi većeg prečnika, koristeći prave materijale. U suprotnom, ako želite da dogradite, možda nećete imati prostora za šire cevi“, objašnjava Zindel, navodeći da, ako turbini treba podizanje centralne ose, da bi se prilagodila širim cevima, „to odmah dovodi u pitanje ekonomsku isplativost preuređenja“.

Ovaj stručnjak navodi još niz promena, koje bi mogle biti potrebne. Na primer, novi električni i sistemi za detekciju gasova, što zavisi i od regulatornih zahteva. Tu je i dodavanje sistema selektivne katalitičke redukcije (SCR), kako bi se smanjile emisije azot-oksida (NOx) – gasova sa efektom staklene bašte, kada se vodonik sagoreva u vazduhu bogatom azotom.

Elektrane na vodonik

Ali, najistaknutija promena bila bi prilagođavanje gasne turbine na sagorevanje H2, što bi zahtevalo promene u komori za sagorevanje i nove gorionike.

„Vodonik kao gorivo ima mnogo veću reaktivnost i mnogo veću brzinu plamena u poređenju sa prirodnim gasom. To znači da se plamen približava samom gorioniku i imate rizik da plamen „pojede“ gorionik. A zatim ga ošteti. Dakle, potreban vam je novi dizajn gorionika, koji ima veću otpornost. Istovremeno, morate imati nešto višu temperaturu plamena, što znači da bi se emisija NOx povećala“, kaže Zindel.

Problem je i kako pokrenuti ili isključiti jedinicu bez oštećenja gorionika, kada već imate mali protok vazduha kroz komoru za sagorevanje.

„I to je manje-više izazov za istraživanje i razvoj koji imamo. Dizajnirati gorionik koji je stabilan i siguran za sagorevanje vodonika, istovremeno zadržavajući emisiju NOx pod kontrolom. Ne možete ih potpuno eliminisati, ali možete ih znatno smanjiti“, kaže Zindel.

Prema njegovim rečima potreban je holistički pogled na sve gasove staklene bašte. Dakle, ne radi se samo o smanjenju CO2 i NOx, već i o metanu – moćnom gasu sa efektom staklene bašte – koji se može emitovati, takođe, kada se koristi prirodni gas za plavi H2.

Zašto ne koristiti gorivne ćelije?

Ako će sagorevanje vodonika uvek proizvesti neke gasove staklene bašte NOx, zašto ne bismo vodonik pretvorili u električnu energiju koristeći gorivne ćelije bez emisija?

„Gorivna ćelija je konkurentna tehnologija u poređenju sa kombinovanim ciklusom sa gasnom turbinom. Ali, na kraju, zaista se radi o ekonomiji“, kaže Zindel.

Ako se poredi efikasnost, današnje tehnologije kombinovanog ciklusa, sa nivoima efikasnosti od 63-64%, to je već više od tipične gorivne ćelije, koja je obično ograničena na 60%.

„Tada su troškovi ulaganja u elektranu sa kombinovanim ciklusom, takođe, mnogo jeftiniji nego u gorivne ćelije slične veličine. Biće potrebno mnogo, mnogo godina dok se gorivne ćelije ne približe LCOE(ekonomska mera ulaganja i isplativosti) izjednačenim troškovima energije kombinovanog ciklusa. Ako se, uopšte, to i desi“, poručuje Zindel.

To znači da treba sagledati mnogo veću fleksibilnost goriva, kod turbina na gas i mogućnost da se postojeći kombinovani ciklusi prirodnog gasa naknadno ugrade u sagorevanje vodonika, što bi dodatno umanjilo potrebna ulaganja.

„Sve to govori o kombinovanim ciklusima kao glavnoj tehnologiji za buduću ponovnu elektrifikaciju vodonika. Gorivne ćelije, uprkos tome što su veoma atraktivna tehnologija, sa značajnim potencijalom poboljšanja, imaće svoje glavne oblasti primene u mobilnosti i na malim ostrvskim mrežama, gde kombinovani ciklus nije izvodljiv.

Pilot postrojenja

Zindel objašnjava da Siemens Energy trenutno gradi i pušta u rad tri pilot elektrane, koje će sagorevati 100% vodonik ili mešavinu gasova bogatu vodonikom.

Dva nova komercijalna postrojenja za kogeneraciju – postrojenje od 500 MW u zapadnoj Rusiji i projekat snage 80 MW u državi Sao Paulo u Brazilu,- koristiće vodonik koji je nusproizvod iz rafinerija, da bi obezbedili struju i grejanje u tim rafinerijama u koncentracijama od 27% i 60%. Trenutno se puštaju u pogon oba postrojenja.

Ali, nesumnjivo, najvažniji od pilot projekata kompanije Siemens Energy biće projekat Hiflekpover snage 12 MW u Francuskoj, koji će koristiti 100% zelenog vodonika u postojećem postrojenju za kogeneraciju na gas, koje snabdeva električnom energijom i grejanjem fabriku papira u zapadnoj centralnoj Francuskoj.

„To je lep demonstracioni projekat za naše nove tehnologije gorionika, koje su sposobne da kombinuju bilo koju kombinaciju goriva između prirodnog gasa i vodonika. Očekujemo da ćemo do 2023. godine doći do 100% vodonika sa niskim emisijama Nox. I to bi bio naš prvi pravi demonstracioni projekat na terenu“, kaže Zindel.

Na ovom projektu radi konzorcijumom koji uključuje Engie Solutions, Nemački vazduhoplovni centar i četiri evropska univerziteta, a finansira se iz programa Horizon 2020 Evropske komisije.

Veoma, veoma veliko, ali…

Zindel kaže da, iako Siemens Energy ne očekuje da će se elektrane na vodonik graditi u velikim razmerama pre 2035. godine, postoji „vrlo, vrlo veliko, ali“.

Preduslov za to je da zakonodavstvo prihvati put dekarbonizacije. I, to prilično brzo. Zemlje će morati da primene dekarbonizaciju. Lakše je primeniti ciljeve dekarbonizacije na 50 velikih kompanija, nego na 30 miliona glasača, koji će na sledećim izborima dati mišljenje o vašem učinku u prethodne četiri ili pet godina.

Dakle, rizik za operatore elektrana je taj što bi mogli postići brže ciljeve dekarbonizacije nego što očekuju.

Zindel dodaje da je „važno razumeti da će propisi voditi promenu, jer nijedna od ovih tehnologija trenutno nije jeftinija od postojećih. Nijedna kompanija neće preći na vodonik jer je to fensi stvar“.

Ti propisi su subvencije ili porezi na CO2, ili više cene CO2 sertifikata, ili ograničavanja emisija, ili… A, doći će, pre ili kasnije.

Izvor: Rechargenews