Nova perjanica zelene energetske tranzicije

Piše: doc. dr. sc. Ankica Kovač

Vodikove tehnologije dosegle su takav nivo razvoja da se danas odmičemo od preinaka različitih konvencionalnih vozila i sustava u ona na pogon vodikovim gorivnim člancima, a okrećemo se industrijskom razvoju vodikovih sustava s ciljem komercijalizacije proizvoda. Taj razvoj se kao i do sada oslanja na istraživanja i razvoj na znanstvenim institucijama kao temeljnoj bazi znanja i izobrazbe stručnog kadra, odnosno na transfer znanja iz akademije u industriju. Suradnja industrije i akademije uz političku potporu državnih institucija na svim razinama ključ je tehnološkog i gospodarskog razvoja jedne države. Da i Republika Hrvatska (RH) ide u tom smjeru, potvrđeno je na mini tematskoj konferenciji pod nazivom “Vodik u energetskoj traniciji” održanoj 11. rujna 2020. godine u hotelu Westin u Zagrebu, na kojoj su nazočili predstavnici privrednih subjekata, predstavnici državnih institucija, predstavnici znanstvenoistraživačkih institucija i medija. Na konferenciji je predstavljen projekt “Osiguranje električne energije u slučaju klimatskih ekstrema i prirodnih katastrofa”, koji je sufinanciran iz Europskog fonda za regionalni razvoj, a vrijedan je više od 3,5 milijuna kuna. U okviru projekta razvit će se energetska jezgra koja se sastoji od elektrolizatora, spremnika vodika i svežnja gorivnih članaka s glavnim ciljem održavanja funkcionalnom električne mikromreže u slučaju ispada glavne mreže. Dio projekta bavi se simulacijom i optimizacijom različitih varijanti mikromreža i njihova povezivanja međusobno i s makromrežom. Teret može biti povezan s lokalnim izvorom energije u mikromreži i/ili u makromreži s udaljenim izvorom energije poput termoelektrane, hidroelektrane, toplane. S obzirom na to da u svjetlu dekarbonizacije i energetske tranzicije vodik kao energent ulazi na velika vrata u sve privredne sektore diljem svijeta, značenje ovog projekta višestruko je i za ključne dionike na hrvatskom tržištu proizvodnje i korištenja energije. S jedne strane, to je važna demonstracija sustava zasnovanih na integraciji obnovljivih izvora energije (OIE) i vodika. Sustavima zasnovanima na ovim integracijama te njihovim potencijalnim daljnjim umnožavanjem i umrežavanjem može se riješiti ne samo pitanje energije za najnužnije potrebe u kriznim uvjetima bez emisije CO2 nego i sigurna opskrba dekarboniziranom električnom i toplinskom energijom na razini cijele RH. Na taj način OIE i vodikove tehnologije (prozvodnja, pohrana, distribucija i korištenje vodika) postaju ključ energetske tranzicije i dekarbonizacije energetskog sektora, a u integraciji s ICT sektorom mogu osigurati novi ciklus industrijskog razvoja države. Tijekom i po završetku projekta bit će održavane radionice za tvrtke koje se imaju namjeru uključiti u komercijalnu proizvodnju komponenti vodikove tehnologije.

Međutim, u prirodi nema čistog vodika. Gotovo sav vodik vezan je s kisikom u molekule vode koje tvore rijeke, mora i oceane. Vodom se ne možemo koristiti u elektranama/toplanama kao gorivom. Tu na scenu stupaju OIE. Korištenjem fotonaponskih (FN) modula i/ili vjetroturbina već se danas dobiva jako puno čiste (zelene) električne energije koja se uglavnom koristi odmah čim je proizvedena. U slučaju da nema potrebe za tako proizvedenom električnom energijom, ona se može pohraniti u električne baterije za kasniju uporabu. Pohrana električne energije u baterije na velikoj skali iz raznih razloga je manje praktična od pohrane u obliku vodika. Kako vode ima, ali vodika nema, viškovi struje iz OIE koriste se za elektrolizu vode. Tako proizvedeni vodik i kisik mogu biti pohranjeni na neograničeno vrijeme. Potom, po potrebi,u gorivnim člancima mogu ponovno biti spojeni u vodu i pri tome vratiti većinu uložene električne energije, a ostatak vratiti u okolinu u obliku topline. To je zatvoreni kružni ciklus koji pokreću OIE. Tijekom elektrolize vode kisik može, ali i ne mora biti pohranjivan za kasniju uporabu i može se slobodno otpuštati u atmosferu. U tom slučaju tijekom rada gorivnoga članka u njega se upuhuje, osim vodika, i slobodni zrak iz okruženja (budući da zrak sadrži 21% kisika i 78% dušika, svežnjevi gorivnih članaka moraju biti nešto drugačije konstruirani). Takav kružni ciklus vodika i uređaje kojima se to omogućava u konačnici se može promatrati s više motrišta. Prvo je to što više ne bi bilo emisije stakleničkih plinova, pa bi se usporilo globalno zagrijavanje. Usput bi nestalo visokih dimnjaka, ali i svih dimnjaka industrijskih energana i kvartovskih toplana. Moguć je i značajan utjecaj na projektiranje i gradnju zgrada. Energetska učinkovitost takvih uređaja ne zavisi bitno o njihovoj veličini. Moguća su čista kogeneracijska i trigeneracijska postrojenja na razini kilovata ili megavata. Primjena u prometu omogućava električna vozila s mnogo većim putnim dosegom ako ona svoju energiju za putovanje nose u spremniku vodika, a ne u bateriji.

Najveća prepreka bržem i širem usvajanju OIE odnosno zelenoj energetskoj tranziciji jest, prije svega, njihova intermitencija (slučajne i isprekidane promjene) na dnevnoj i godišnjoj razini (ako zanemarimo psihološke i interesne barijere). Kada bi se uz OIE gradili gore opisani vodikovi sustavi, mogli bi se viškovi električne energije koji se povremeno javljaju pohranjivati za kasniju uporabu kada OIE “ne rade” ili “rade” manjkavo. Intermitencija OIE kao prepreka njihovu ubrzanom razvoju tako bi bila kompenzirana bez popratne emisije stakleničkih plinova. Današnja proizvodnja energije iz OIE zasnovana je na farmama vjetroturbina i poljima FN modula, a da bi se kompenzirala intermitencija proizvodnje, u rezervi moraju biti spremne termoelektrane ili hidroelektrane. Buduća proizvodnja prema sadašnjim projekcijama je i dalje iz vjetra i sunca, ali kompenzacija intermitencije ide prema baterijama i vodiku, a u najnovije vrijeme izgleda da se vodik probija na prvo mjesto. Energetska tranzicija prema OIE hitno je potrebna na velikoj skali zbog prijetnje klimatskih promjena, a nju je moguće ubrzati oslanjanjem na masovno proizvedeni zeleni vodik. Termin zeleni vodik, ili, kako se u EU vodikovoj strategiji naziva, obnovljivi vodik, jest vodik proizveden elektrolizom vode korištenjem OIE, dakle bez popratnih emisija stakleničkih plinova. Kada je u pitanju proizvodnja zelenog vodika, bez obzira na snagu postrojenja, prema vodikovoj strategiji EU objavljenoj 8. srpnja 2020. izbor je pao na elektrolizu vode. Prema vodikovoj strategiji EU, u naredne četiri godine (2020.-2024.) planira se instalacija najmanje 6 GW elektrolizatora (trenutno je u EU instalirano oko 1 GW) za proizvodnju zelenog vodika u količini od 1 milijun tona, a u razdoblju od 2025.-2030. vodik postaje ključni dio integriranog energetskog sustava EU s najmanje 40 GW elektrolizatora koji proizvode do 10 milijuna tona zelenog vodika. U razdoblju od 2030.-2050. očekuje se široka primjena zelenog vodika u svim sektorima. Sukladno vodikovoj strategiji EU, ključ za brži prijelaz na OIE su spremnici energije, konkretno spremnici zelenog vodika! Spremnici vodika malog (kg), srednjeg (deseci i stotine kg) i velikog (tone) kapaciteta mogu biti strateški geografski raspoređeni i međusobno povezani. Oni su centralni dio mikromreže. Umrežavanjem zelenih mikromreža može se prekriti čitav geografski prostor regije ili države jednom izuzetno fleksibilnom i robusnom zelenom električnom mrežom. Moguće je i direktno povezivanje spremnika i mrežom cjevovoda za vodik. Dakle, moguće je postići da cijeli energetski i prometni sustav ne ovisi o fosilnim gorivima.

Getty

Kako oblikovati hrvatsku vodikovu strategiju? Sve je već dulje vrijeme pokazivalo da se osim vodika ne vidi neko bolje i sveobuhvatnije rješenje u kratkoročnom (do 2030.) i dugoročnom (do 2050.) periodu. Sada definitivno RH s investicijama u vodik ne može pogriješiti. Treba oblikovati hrvatsku vodikovu strategiju koja bi bila zasnovana na tri stupa. To su proizvodnja vodika, korištenje vodika i obrazovanje odgovarajućeg potrebnog kadra. Prvi stup podrazumijeva definiranje šire strategije nego što je trgovina sivim (reformiranim) vodikom, dakle strategiju razvoja koja u prvoj fazi dopušta manje količine sivog vodika, ali dugoročno to mora biti zeleni vodik. To su smjernice EU. Treba definirati trajanje tog kratkog doba sivog vodika u RH u kojem će s jedne strane biti realizirano nekoliko oglednih projekata i istovremeno dočekati niže cijene elektrolizatora za proizvodnju zelenog vodika (a koje su već danas 60% niže od početnih). Postoji stav da taj zeleni vodik u količinama koje će biti potrebne može jedino doći od velikih proizvođača zelene struje, a to su privatne i/ili državne vjetroturbine i sunčane elektrane, odnosno javno-privatnih partnerstva. Tu za sada svakako figurira i HEP d.d. Međutim, ako bi se planiralo da se vodik proizvodi i domaćom proizvedenom opremom, a ne samo uvoznom, mogla bi se pokrenuti domaća proizvodnja opreme manjih snaga i time povećati zaposlenost. Ako bi tako usmjerenu proizvodnju pratila strategija omasovljavanja mikromreža sa sunčano-vodikovim energetskim jezgrama, u konačnici bismo dobili Hrvatsku bez uvoza fosilnih goriva i s fleksibilnijom i robusnijom električnom mrežom spremnijom na klimatske ekstreme i njihove posljedice koje nam, po svemu sudeći, slijede narednih desetljeća. Tko će se tim vodikom koristiti, odnosno tko će ga kupovati? To je drugi stup strategije o kojoj govorimo. U prvom mahu to će biti javni gradski prijevoz – autobusi na pogon vodikom. Dakle, tu u obzir dolaze poduzeća javnog prijevoza (autobusi, kamionski prijevoz, željeznica), a s vremenom i vlasnici osobnih automobila, dostavnih vozila, pa i vozila na tri i/ili dva kotača poput motocikla i bicikla na vodik. Tu su trenutno interesantni Toyota i Hyundai, možda i europski proizvođači. Vodik će kupovati i vlasnici stacionarnih energetskih jezgri lokalnih mikromreža u većim zgradama ili kvartovima gradova. Što je treći stup strategije? To su oni koji sve to skupa kreiraju i brinu se da to sve dobro i sigurno funkcionira. Odgovarajući fakulteti i druge obrazovne institucije su oni koji trebaju osigurati stručne ljude i u proizvodnji i u korištenju vodika. Tu treba ponuditi nastavne programe, različite centre za istraživanje, razvoj i obuku. Kadar obrazovan za potrebe energetske tranzicije koja uključuje vodikove tehnologije potreban je naprosto svim subjektima prvog i drugog stupa, od velikih preko srednjih do malih poduzeća.

Kada bi se usvojio takav osnovni koncept vodikove strategije, ne bi bio problem razraditi svaki stup zasebno definirajući sudionike, njihova zaduženja i vremenske i financijske okvire za pojedine radnje. U ovoj fazi pripreme strategije svoje mjesto mogu imati svi oni koji su zainteresirani za vodik u RH. Potencijalno mjesto za iznošenje i usuglašavanje stavova svakako će biti konferencija Regional Hydrogen Energy Conference (RHEC-2021) koja će se u okviru MIPRO-a održati u svibnju 2021. godine u Opatiji. Osim znanstvenog dijela, konferencija će tematski biti posvećena strateškim pitanjima daljnjeg razvoja vodika u RH i regiji. Očekuje se nazočnost ne samo znanstvenika nego i predstavnika industrijskog i financijskog sektora kako bi se vidjeli modeli financiranja i kreditiranja konkretnih projekata.

Izgleda nemoguće u narednih dva-tri desetljeća zamijeniti ugljen, naftu i plin s OIE, a s ciljem eliminacije emisije stakleničkih plinova. Ali, bez promjene današnjeg modela ponašanja, do 2100. godine postižemo ne samo riskantne klimatske promjene nego i koncentraciju CO2 od 900 do 1200 ppm. Kod tih koncentracija CO2, kognitivne sposobnosti čovjeka slabe 20-30%. Svaki komentar je suvišan - otvaranjem prozora više neće biti moguće prozračiti sobu!

*Autorica je docentica na Fakultetu strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu gdje je voditeljica Laboratorija za energetska postrojenja. Njeno područje istraživanja su vodikove tehnologije, te njihovo povezivanje s OIE, a doktorirala je na proizvodnji zelenog vodika.