Vihreä vedyn tuotantoratkaisu

Yleisesti ottaen vetyä voidaan käyttää polttoaineena kahdella päätavalla. Se voidaan polttaa lämmön tuottamiseksi tai se voidaan syöttää vetypolttokennoon sähkön tuottamiseksi. Hyvä uutinen on, että kun sinistä tai vihreää vetyä on tuotettu, sillä on useita erilaisia ​​sovelluksia:
Kuljetus:Vetyä käytetään jo nyt linja-autojen ja muiden joukkoliikenteen polttoaineena erityisesti Japanissa. Sitä voidaan käyttää myös rahtiautojen ja junien voimanlähteenä, kun taas vetypohjaisia ​​polttoaineita, kuten ammoniakkia, voidaan käyttää lento- ja merenkulussa. Vedyn laajempi käyttö ajoneuvojen voimanlähteenä riippuu vetypolttokennojen hintojen halpenemisesta ja vetyn tankkausasemien yleistymisestä.

Sähköntuotanto:Vetyä voidaan käyttää uusiutuvien energialähteiden muuttamiseksi polttoaineeksi, jota voidaan sitten varastoida ja kuljettaa pitkiä matkoja. Vetyä ja ammoniakkia voidaan käyttää myös kaasuturbiineissa ja hiilivoimaloissa niiden päästöjen vähentämiseksi.

Rakennusten lämmitys:Vedyllä on valtavat mahdollisuudet korvata maakaasu kotitalouksien ja liikerakennusten lämmityksessä nykyisen maakaasuinfrastruktuurin kautta. Vetykattilat ja kotimaiset vetypolttokennot vaativat lisäkehitystä, mutta niillä voi olla tärkeä rooli tulevaisuudessa.

Ala:Vetyä käytetään tällä hetkellä monissa tärkeissä teollisissa prosesseissa. Näitä ovat bensiinin jalostus, teräksen valmistus, metallien käsittely ja erilaisten kemikaalien valmistus.

Toisin kuin harmaa vety, vihreä vety on täysin uusiutuva sekä lähdemateriaalinsa että energiansaannin suhteen. Lähdemateriaalina vihreää vetyä tuotetaan nykyään tyypillisesti vedestä elektrolyysinä tunnetulla prosessilla, jossa sähkövirtaa käytetään jakaa vesi sen komponenttimolekyyliksi, vety- ja happimolekyyliksi. Tämä tehdään käyttämällä elektrolyysilaitetta, joka käyttää katodia ja anodia (positiivisesti ja negatiivisesti varautuneita elektrodeja). Tämä prosessi tuottaa vain happea – tai höyryä – sivutuotteena. Mitä tulee energiantoimitukseen, jotta se voidaan luokitella "vihreäksi vedyksi", elektrolyysissä käytettävän sähkön lähteen on oltava peräisin uusiutuvasta energiasta, kuten tuuli- tai aurinkoenergiasta.

Elektrolysaattoreita on kolmea päätyyppiä:Alkalinen, protoninvaihtokalvo (PEM) ja kiinteä oksidi. Ne vaihtelevat käytetyn elektrolyyttimateriaalin luonteen mukaan. Alkalisissa elektrolyysaattoreissa käytetään vesiliuosta emäksisen kaltaisen suolan kanssa sähkönjohtavuuden mahdollistamiseksi, kun taas PEM-elektrolysaattorit käyttävät kiinteää polymeerikalvoa (elektrolyyttiä). Kiinteät oksidielektrolysaattorit käyttävät kiinteää keraamista materiaalia elektrolyyttinä, mikä mahdollistaa niiden käytön korkeammalla sähkötehokkuudella ja paljon korkeammissa lämpötiloissa. Tämä mahdollistaa höyryn ja ulkoisen lämmön käytön energianlähteenä sähkön luottamuksen sijaan. Kiinteäoksidielektrolyysi mahdollistaa siten huomattavasti alhaisemmat toimintakustannukset, koska lämpö on tyypillisesti halvempaa ja joskus sitä syntyy luonnostaan ​​tiettyjen teollisten prosessien sivutuotteena.

Vuosia sitten vetyä nähtiin vain ratkaisuna vihreämpien ajoneuvojen kehittämiseen. Kun sähköajoneuvot ovat saaneet enemmän pitoa, vety nähdään yhä useammin ratkaisuna muille teollisuudenaloille.

Vedyn kysyntä kasvaa edelleen, kun sen käyttö laajenee teollisuus- ja valmistusteollisuudessa eri tarkoituksiin, mukaan lukien öljynjalostus, teräksen ja sementin tuotanto. Vedyn suosion kasvaessa vihreän vedyn merkitystä ei kuitenkaan voida liioitella. Hälyttävää kyllä, 98 % vedystä valmistetaan fossiilisista polttoaineista ilman hiilidioksidipäästöjen valvontaa tai määräyksiä. Mutta vihreällä vedyllä on potentiaalia muuttaa tämä – lopullisesti.

Kaupallisen kasvituotannon savusta bensiini- ja dieselkäyttöisten autojen pakokaasuihin vihreän vedyn tuotanto vähentää tai eliminoi fossiilisten polttoaineiden energialähteiden tarvetta, jotka vapauttavat suuria määriä hiilidioksidia ilmaan. Konesaliteollisuudessa, kun varastojärjestelmät kehittävät vetyä, sitä voidaan käyttää dieselkäyttöisten varageneraattoreiden sijasta tulevien datakeskusten energianlähteenä. Tämän seurauksena vihreän vedyn etuja on runsaasti, jolloin hallitukset ja organisaatiot voivat vahvistaa kansallista energiaturvallisuutta, säästää polttoainetta, vähentää kokonaispäästöjä ja monipuolistaa liikenteen energiavaihtoehtoja autoista laajoihin julkisiin liikennejärjestelmiin.

Vihreää vetyteknologiaa ei olisi voitu ottaa käyttöön parempaan aikaan. US Energy Information Administration ennustaa maailmanlaajuisen energian kysynnän kasvavan 47 % vuoteen 2050 mennessä. Ainoa tapa kompensoida kysyntää öljyn ja hiilen energiantuotannon muodossa on ottaa käyttöön vihreämpiä menetelmiä, kuten vihreää vetyä.

Ja kiitos teknologisten läpimurtojen, jotka ovat pääosin vähentäneet vedyn tuotantoa hiilidioksidipäästöistä, monet yritykset ovat siirtymässä hiilidioksidipäästöjen kompensoimiseen, joka hyödyntää vihreää vetyä hiilijalanjälkensä pienentämiseksi ja aggressiivisten ESG-tavoitteiden saavuttamiseksi.

Vihreän vedyn tuotantoprosessilla on etuja. Kansainvälisen energiajärjestön IEA:n mukaan vihreä vety säästää noin 830 miljoonaa tonnia hiilidioksidipäästöjä vuodessa verrattuna siihen, kun kaasua tuotetaan perinteisillä fossiilisilla polttoaineilla. Se vastaa koko vuoden päästöjä Yhdistyneestä kuningaskunnasta ja Indonesiasta yhteensä!

Aivan kuten minkä tahansa uuden tekniikan kanssa, on haasteita voitettavana vihreän vetypuomin vallitessa. Joitakin huomioitavia asioita ovat prosessin tehokkuus ja suuren mittakaavan tuotannon kustannukset sekä pitkäaikaisten paineistetun varastointiratkaisujen luominen. Haasteita lukuun ottamatta vihreä vety on jännittävä uusi teknologia, joka voi auttaa tasapainottamaan kaivattua vihreän energian laajamittaista tuotantoa.

Suuri osa fossiilisista polttoaineista luopumiseen liittyy joidenkin öljyllä ja kaasulla toimivien jokapäiväisten käyttämiemme koneiden – autojen ja paikallisliikenteen sekä kotien lämmittämistä joissakin maissa – sähköistäminen. Jo sähköistetyille, kuten tietokoneille ja kodinkoneille, ydinsähkö ja uusiutuvat energialähteet, kuten tuuli ja aurinko, korvaavat hiilen.

Mutta jotkut teollisuudenalat vaativat niin paljon energiaa, että perinteiset uusiutuvat energialähteet eivät pysty vastaamaan niiden kysyntään. Se on ongelma, koska nämä teollisuudenalat ovat yksi suurimmista kasvihuonekaasupäästöjen aiheuttajista.

Tässä asiantuntijat sanovat, että vihreällä vedyllä on valtava potentiaali.
"Tuuli-, aurinko- ja ydinvoiman kaltaisista lähteistä saatava sähkö on välttämätöntä energiajärjestelmämme hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä – mutta se ei voi tehdä sitä yksin, ja pitkän matkan liikenteessä ja raskaassa teollisuudessa on vaikein vähentää päästöjä", sanoi energia-analyytikko. Kansainvälinen energiajärjestö.

"Vety on riittävän monipuolinen täyttämään jotkin näistä kriittisistä aukoista – tarjoamalla elintärkeitä raaka-aineita kemian- ja terästeollisuudelle tai välttämättömiä ainesosia vähähiiliseen polttoaineeseen lentokoneita ja laivoja varten", Remme kertoi CNN:lle.

Esimerkiksi lentokoneen tai suuren laivan käyttäminen vaatii niin paljon energiaa, että mikä tahansa akku, jota käytetään varastoimaan sähköä auringosta tai tuulesta, olisi todennäköisesti liian suuri ja painava alukselle. Vihreä vety voi toisaalta tulla nestemäisessä muodossa ja on kevyempää. Nollapäästöistä kaupallista lentokonetta kehittävän Airbusin mukaan vihreän vedyn energiatiheys on kolme kertaa suurempi kuin nykyään käyttämillämme lentopolttoaineilla.

Vaikka nestemäinen vihreä vety ei vapauttaisi hiiltä, ​​sillä on joitain rajoituksia. Avoimessa ilmakehässä poltettaessa se vapauttaa pienen määrän typpioksiduulia, joka on voimakas kasvihuonekaasu. Jos vetyä syötetään polttokennon kautta, se kuitenkin vapauttaa vain vettä ja lämmintä ilmaa.

Jotkut pienet lentokoneet ovat onnistuneet lentämään vetykäyttöisillä polttokennoilla, vaikka tekniikkaa ei ole vielä laajennettu kaupallisesti.

Tällä hetkellä kaikki on käsillä ilmastotavoitteiden saavuttamisessa. Energiasiirtymä tarvitsee todella paljon piristystä. Vetyllä voi olla tärkeä panos tähän. Yhteistyö on välttämätöntä, jotta vetyä voidaan käyttää menestyksekkäästi esimerkiksi teollisuuden hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen, lentokoneiden e-polttoaineisiin ja käyttöön rakennetussa ympäristössä. Mutta investointeja tarvitaan ja kysymyksiä on.

Mikä on vety?
Vety on yleisin alkuaine universumissamme. Normaalioloissa se on kaasumaista ja puhumme vetykaasusta (H2). Vety on myös kevyin kaasu, jonka tiedämme, ja siksi sillä on alhainen energiatiheys tilavuusyksikköä kohti (m3). Painoa (kg) kohti vedyn energiatiheys on 120 megajoulea (MJ) kilogrammaa kohti. Se on lähes kolme kertaa enemmän kuin maakaasu (45 MJ/kg). Vety on usein paineistettua. Vetykaasun paineistaminen (puristaminen) vaatii kuitenkin myös tarvittavan energian (n. 10 %).

Mikä on harmaa ja sininen vety?
Lähes kaikki tällä hetkellä maailmanlaajuisesti tuotettu vety on niin kutsuttua "harmaata vetyä". Tuotanto tapahtuu tällä hetkellä Steam Methane Reformingin (SMR) avulla. Tässä korkeapaineinen höyry (H2O) reagoi maakaasun (CH4) kanssa, jolloin syntyy vetyä (H2) ja kasvihuonekaasua CO2. Alankomaissa tuotetaan tällä tavalla noin 0,8 miljoonaa tonnia H2:ta, jossa käytetään neljä miljardia kuutiometriä maakaasua ja syntyy 12,5 miljoonan tonnin hiilidioksidipäästöt.
Termiä "sininen vety" tai "vähähiilinen vety" käytetään, kun harmaan vedyn tuotantoprosessissa vapautuva hiilidioksidi otetaan suurelta osin (80-90%) talteen ja varastoidaan. Tätä kutsutaan myös nimellä CCS: Carbon Capture & Storage. Tämä voi tapahtua tyhjillä kaasukentillä Pohjanmeren alla. Missään muualla maailmassa sinistä vetyä ei tuoteta suuressa mittakaavassa.

Mikä on vihreä vety?
Vihreä vety, joka tunnetaan myös nimellä "uusiutuva vety", on vetyä, jota tuotetaan kestävällä energialla. Tunnetuin on elektrolyysi, jossa vesi (H2O) jaetaan vedyksi (H2) ja hapeksi (O2) vihreän sähkön avulla. Monet tahot Alankomaissa kokeilevat näitä megawattimittakaavan elektrolyysilaitteita. Vetyä vapautuu myös biomassan korkean lämpötilan kaasutuksessa.

Mikä on turkoosi vety?
Maakaasusta ns. sulametallipyrolyysiteknologialla tuotettua vetyä kutsutaan turkoosiksi vedyksi tai vähähiiliseksi vedyksi. Maakaasu johdetaan sulan metallin läpi, joka vapauttaa vetykaasua sekä kiinteää hiiltä. Jälkimmäiselle voi löytyä hyödyllistä sovellusta esimerkiksi autonrenkaissa. Tämä tekniikka on vielä laboratoriovaiheessa ja kestää vähintään kymmenen vuotta ennen kuin ensimmäinen koelaitos toteutuu.

Mitkä ovat muut perustavanlaatuiset erot sinisen ja vihreän välillä?
Tuotantotavan lisäksi on useita muita keskeisiä eroja:
Vain elektrolyysillä tuotettu vihreä vety varmistaa, että suuret määrät merellä ja maalla tuotettua kestävää sähköä voidaan integroida kunnolla energiajärjestelmäämme. Vain elektrolyysi voi muuttaa sähköä vedyksi joustavasti (tarpeen mukaan) ja varastoida sen sitten.
Lisäksi laajamittaisen elektrolyysin kehittäminen auttaa vastaamaan kasvavaan sähkön kysyntään ja siten edistämään kestävän energian kasvua.
Myös laadussa on eroa. Vihreällä vedyllä on korkeampi puhtausaste ja sitä voidaan käyttää välittömästi esimerkiksi ajoneuvon polttokennossa. Sinisellä vedyllä on alhaisempi puhtausaste, mikä riittää teolliseen käyttöön.
Sinisen vedyn tuotanto on tapa "decarbonisoida" teollisuutta eli vähentää hiilidioksidipäästöjä suuressa mittakaavassa ja suhteellisen alhaisin kustannuksin.

Valkoinen vety maaperästä tulevaisuuden puhdas energialähde?
Tiedämme jo harmaan, sinisen ja vihreän vedyn, mutta nyt näyttää siltä, ​​että saatavilla on myös valkoista tai luonnonvetyä. Se tulee maaperästä, aivan kuten maakaasu. Kun vetyä poltetaan hapen kanssa, vapautuu vain vettä. Valkoinen vety on maanalaista luonnollista vetyä, josta voi tulla tärkeä tulevaisuuden energialähde, jos se valmistetaan vesielektrolyysillä tuuli- tai aurinkovoimalla (vihreä).
Sitä ei sitten valmisteta luonnontuhkasta tai hiilestä (harmaa), ei edes ottamalla ensin talteen CO2 (sininen). Kaasua käytetään pääasiassa prosessien lämmittämiseen kemianteollisuudessa sekä teräksen ja lannoitteiden valmistuksessa. Siirtymässä fossiilisesta energiasta vihreään energiaan se voi toimia sähkön varastopuskurina aurinko- ja tuulettomina aikoina.

Mikä rooli vedyllä on energiamuutoksessa?
Nykyisestä energiavalikoimastamme noin 20 % toimitetaan sähkönä ja 80 % maakaasuna tai nestemäisenä fossiilisena polttoaineena (bensiini, diesel). Ilmastotavoitteemme muuttavat tätä tilannetta merkittävästi lähitulevaisuudessa. Tuuli- ja aurinkovoimalla tuotetun sähkön osuus kasvaa jyrkästi. Useisiin sovelluksiin, kuten raskaaseen liikenteeseen, korkean lämpötilan prosesseihin teollisuudessa ja lentoliikenteessä, hyvä sähköratkaisu puuttuu edelleen ja kestävälle kaasulle on edelleen tarvetta. Vetyllä voi olla tässä hyödyllinen rooli. Lisäksi vety on tärkeä suuren mittakaavan varastoinnin muodossa tuulettomana ja pilvisenä hetkenä.

Mitkä maat työskentelevät myös vedyn parissa?
Sellaiset maat kuin Norja, Australia, Marokko, Chile, Saudi-Arabia, Kiina ja Japani ovat erittäin aktiivisia vihreän vedyn suhteen, pääasiassa siksi, että on olemassa huomattava (potentiaalinen) saatavuus halpaa uusiutuvaa energiaa tuuli-, aurinko- tai vesivoimasta vihreän vedyn tuottamiseksi. Poikkeuksena on kuitenkin Japani, jonka energiansaanti on suurelta osin riippuvainen tuonnista ja joka on kehittänyt strategian tuoda (vihreä) vetyä laajassa mittakaavassa. Sen avainrooli on teknologian kehittämisessä. Alankomaat on hyvässä asemassa muun muassa kaasu- ja elektrolyysiteknologian tuntemuksen, Pohjanmeren tuulienergian suuren potentiaalin ja energiaintensiivisen teollisuuden ansiosta, jonka on sitouduttava vahvasti kestävään kehitykseen.

Mihin aiomme käyttää vetyä?
Vety on erityisen tärkeä prosessiteollisuudelle. Sitä käytetään nykyään pääasiassa lannoitteiden valmistukseen, mutta tulevaisuudessa sitä voidaan käyttää myös korkean lämpötilan prosesseissa, kuten teräksen tuotannossa, jossa käytetään nyt maakaasua tai hiiltä. Lisäksi vedyllä tulee olemaan roolinsa liikkuvuudessa esimerkiksi kaukoliikenteen linja-autoissa, joiden on ajava pitkiä matkoja ja joissa sähköllä ajaminen ei ole ratkaisu.

Mitä vety tarkoittaa kansalaisille?
Lyhyellä aikavälillä ei paljoa tule näkymään. Esimerkiksi vedyn käyttö kodeissa tulee olemaan kauan myöhässä, jos näin ylipäänsä tapahtuu. Suurimpaan osaan kodeista yhteislämpöverkko tai sähkölämpöpumppu on parempi ratkaisu. Liikenteessä vetyautojen määrä (tällä hetkellä alle sata) ja vetytankkausasemien määrä (vuonna 2018: 3) kasvavat hitaasti.

Mitkä ovat riskit?
Vety on erittäin kevyt kaasu, erittäin syttyvä ja sitä käytetään liikkumiseen jopa 700 baarin paineessa. Kuten mitä tahansa muuta kaasua, on tärkeää käsitellä sitä huolellisesti tuotannon, kuljetuksen ja käytön aikana ja jättää se yksinomaan ammattiyrityksille. Jos vetyä aiotaan käyttää olemassa olevissa kaasuputkissa, on tärkeää tutkia tarkemmin, kuinka vety "käyttäytyy" käytännössä. Vety on kevyempää kuin maakaasu ja voi vapautua helpommin venttiileistä ja tiivisteistä.

Mitä TNO tekee vetytutkimuksen suhteen?
TNO on riippumaton organisaatio, joka tekee huippuluokan soveltavaa tutkimusta. Sen vetytutkimus keskittyy tuotantoon, infrastruktuuriin ja sovelluksiin (muunnos ja loppukäyttö). Vuonna 2020 TNO toteutti yli 50 näihin teemoihin liittyvää hanketta. Linkit valikoimaan näistä hankkeista löytyvät alta (kohta 15).

Kuinka pitkällä vihreän vedyn kehitys on?
Vuosina 2000–2018 otettiin käyttöön noin 230 elektrolyysiprojektia, joiden kokonaiskapasiteetti on noin 100 MW (lähde: IEA 2019, The Future of Hydrogen). Vuonna 2020 maailmanlaajuinen asennettu kapasiteetti oli 200 MW ja noin 2 400 MW vuoden 2023 loppuun mennessä. Nämä luvut osoittavat, että olemme vasta alussa ja että meidän on kehitettävä kokonaan uusi toimitusketju.
Tarvitsemme uusia yrityksiä, uusia toimittajia ja uusia valmistajia kehittämään materiaaleja ja komponentteja suurempiin ja seuraavan sukupolven elektrolyysijärjestelmiin. Tämä on kultainen mahdollisuus Hollannin korkean teknologian teollisuudelle. Euroopan unionin tavoitteena on asentaa unioniin 40 GW elektrolyysikapasiteettia vuoteen 2030 mennessä ja vielä 40 GW Pohjois-Afrikkaan. Tämän tavoitteen saavuttaminen edellyttää sekä teknologisen innovaation että varsinaisten hankkeiden vauhtia.

Mitkä ovat elektrolyysin suurimmat tekniset haasteet?
Vesielektrolyysin osalta on tällä hetkellä saatavilla neljä teknologiaa (AEM, SOE, PEM ja Alkaline), joista jokaisella on erityiset edut, haitat ja kypsyysaste. Katso videomme vedyn tuotannosta elektrolyysillä (avautuu uuteen ikkunaan tai välilehteen) (viittautuu toiselle verkkosivustolle). Kaikkien neljän teknologian kolme tärkeintä tutkimushaastetta ovat:
vähentää järjestelmään liittyviä pääomakustannuksia
järjestelmän tehokkuuden parantamiseksi
voittamaan suuren mittakaavan tuotannon esteitä, jotta 30 GW:n vuotuinen maailmanlaajuinen elektrolyysilaitteiden tuotantokapasiteetti voidaan saavuttaa vuoteen 2030 mennessä.

Tuotteita myydään kaikilla Kiinan alueilla ja viedään maihin ympäri maailmaa. Niitä on myyty yli 20 maassa ja alueella, mukaan lukien Yhdysvallat, Saksa, Marokko, Kenia, Saudi-Arabia, Vietnam, Algeria, Intia, Tansania ja Taiwan. Onnistuneesti toimitettuja tunnettuja yrityksiä, kuten China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group ja muut tunnetut yritykset. On monia vihreitä vetyvetyhydrausasemia, kuten Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming jne. tarjoavat vihreitä ja vetyä tuottavia projekteja.