Več kot dve tretjini cene kilograma vodika predstavlja cena elektrike

Zeleni vodik – tudi čisti ali obnovljivi vodik – pridobivajo z elektrolizo vode, pri čemer molekulo vode razdelijo z elektriko iz obnovljivih virov, kot sta sonce in veter. A da iz vode naredijo vodik in kisik, morajo prek elektrolize vložiti veliko energije. Prav zato je treba izboljšati proces, da bo učinkovitejši.

Gre za trajnostno metodo, pri kateri ne nastajajo toplogredni plini, z njo pa pridobivajo zeleni vodik, ki je del zelenega prehoda. Tako pridobljeni vodik namreč dovedejo v gorivno celico, kjer se znova poveže s kisikom, pri čemer se sproščata energija in voda. Vodik torej omogoča shranjevanje in prenos te zelene oblike energije, da jo lahko uporabimo tam in takrat, ko jo potrebujemo.

Z razvojem novih materialov za elektrolizerje in visokotemperaturne gorivne celice se ukvarja Olivier Joubert, redni profesor za kemijo materialov na Univerzi v Nantesu, ki je tudi vodja skupine za elektrokemijsko shranjevanje in pretvorbo energije na Inštitutu Jeana Rouxela (CNRS-IMN), direktor Francoske raziskovalne mreže za vodik in član upravnega odbora Mednarodnega združenja za vodikovo energijo (IAHE).

Katere so glavne težave pri proizvodnji zelenega vodika?

Obstaja več načinov proizvodnje, glavni je elektroliza. Če zanjo uporabimo zeleno elektriko – sončno ali vetrno energijo, lahko proizvedemo zeleni vodik brez izpustov ogljikovega dioksida. Če uporabljamo denimo elektriko iz jedrskih elektrarn, pa dobimo nizkoogljični vodik.

Tradicionalna proizvodnja vodika je uporaba parnega reformiranja metana, a pri tem se proizvede približno deset kilogramov ogljikovega dioksida na kilogram vodika, kar je veliko. Če vozite avtomobil na vodik, ki je proizveden s tem procesom, je emisija CO₂ enaka emisijam toplogrednih plinov dizelskega avtomobila. Zato je nujno, da gremo v smeri zelenega vodika oziroma nizkoogljičnega. Čiste energije sicer za zdaj ne proizvedemo dovolj za vse potrebe, tako lahko uporabimo tudi druge vire za proizvodnjo zelenega vodika, denimo biomaso, pri čemer pa se proizvaja mešanica različnih plinov.

Trenutno je zelo aktualen beli vodik. Gre za naravno obliko vodika, ki se skriva globoko v zemlji. Področje je obetavno, vendar je še precej težav. Ta oblika vodika ni čista, težava je v dostopnosti, saj je lahko več tisoč metrov pod površjem. Vire odkrivamo v različnih delih sveta, tudi v Franciji, vendar ne vemo, kolikšne so te količine in ali gre za obnovljive vire. Po nekaterih ocenah ga je več milijard ton.

Očitek pri elektrolizi je, da ni zelo učinkovita. Precej vložene energije se izgubi. Kako izboljšati ta proces?

Voda je zelo uporabna molekula, a tudi zelo stabilna. Vez med kisikom in vodikom je močna, težko ju je ločiti, posledično potrebujemo veliko energije. Vrste elektrolize ločimo po delovni temperaturi elektrolizerja. Po eni strani gre za elektrolizerje pri nizki temperaturi, okoli 60 do 70 stopinj Celzija, na osnovi alkalnega elektrolizerja. Učinkovitost je od 65 do 70 odstotkov. Druga vrsta pri nizki temperaturi so elektrolizerji s protonsko izmenjalno membrano (PEM). Tudi ta vrsta deluje pri podobni temperaturi, a je proces učinkovitejši.

Tretji, elektrolizerji s trdnim oksidom (SO), ki uporabljajo trden keramični material kot elektrolit, pa delujejo pri visoki temperaturi, od 700 do 800 stopinj Celzija. Pri tem procesu se izkoriščata tako električna energija kot toplota, zato je proces učinkovitejši, približno 90-odstoten. Razlika med njimi je v elektrolitih. Alkalni elektrolizer ima tekoče elektrolite, medtem ko imata PEM in SO bolj varen trdni elektrolit. Trenutno se pri elektrolizi pomikamo v smer uporabe PEM. Čez deset ali dvajset let pa bomo verjetno prešli na visokotemperaturno elektrolizo. Tudi ti sistemi so sicer že danes na trgu.

Glavna težava je cena. Elektrolizerji so dragi in le z veliko uporabe si lahko vlagatelji obetajo nekaj dobička. Druga težava je življenjska doba. Takoj ko so temperature visoke, je vzdržljivost materialov krajša. Zato so na tem področju zelo pomembni raziskave in razvoj materialov. Nujne so tudi raziskave delovanja elektrolizerjev, da bomo vedeli, kje se lahko pojavijo težave in zakaj. Na koncu pa je težava še cena elektrike. Več kot dve tretjini (66 odstotkov) cene kilograma vodika predstavlja cena elektrike. Če zagotovimo poceni električno energijo, bomo imeli tudi poceni vodik.

FOTO: Črt Piksi  

Raziskovalno se ukvarjate predvsem z razvojem materialov.

V našem laboratoriju razvijamo kar nekaj novih materialov, sam se posvečam predvsem materialom za visokotemperaturno elektrolizo ali visokotemperaturne gorivne celice. Dosedanje materiale moramo zamenjati zaradi prej omenjenih razlogov, poleg tega pa zdaj uporabljamo nekatere redke materiale, po katerih je veliko povpraševanje, kot so nikelj, iridij, lantan … Te kritične elemente moramo nadomestiti z manj kritičnimi. Nujno moramo izboljšati vzdržljivost materialov, da bomo podaljšali življenjsko dobo, s tem pa bomo znižali stroške.

V laboratoriju izvajamo veliko poskusov med obratovanjem elektrolizerjev ali gorivnih celic, nato naredimo še »avtopsijo« materialov po izrabi. Predvsem pa skušamo sintetizirati nove materiale in preizkusiti vse lastnosti.

Razvijate pa tudi gorivne celice na biomaso.

Vodik je možno pridobivati tudi iz biomase, pri čemer se ta brez zgorevanja pretvori v vodik in druge proizvode. Pri uplinjanju biomase nastane mešanica vodika in ogljikovega monoksida, ki je dobra za visokotemperaturne gorivne celice.

Neto emisije ogljika so lahko majhne. V tem primeru ne gre za zeleni vodik, iz biomase proizvedemo vodik, bolj podoben naravnemu vodiku, saj vsebuje nečistoče, denimo vodikov sulfid (H2S), ki je strupen plin. Je pa biomase, uporabne za to proizvodnjo, pravzaprav veliko. Na primer urin, iz njega lahko pridobimo amonijak, ki ga uporabimo za shranjevanje vodika. Raziskujemo tudi pridobivanje vodika iz lesa.

Težav, kot opisujete, ni malo. Kakšno prihodnost torej napovedujete uporabi zelenega vodika? Kako pomemben bo vodik pri zelenem prehodu?

To je kompleksno vprašanje. Sivi vodik, ki se uporablja v industriji, je treba nujno zamenjati z zelenim. S tem se bodo na primer občutno zmanjšale emisije CO₂ pri sintezi amonijaka, ki se uporablja za proizvodnjo gnojil. Kot energetski vektor je po mojem mnenju najboljša pot kombinacija različnih rešitev. Veliko se ukvarjamo tudi z različnimi načini shranjevanja elektrike, od baterij do gorivnih celic. Nekako bomo morali najti ustrezen način pridobivanja, shranjevanja in pretvarjanja energije.

Zelo veliko se govori o uporabi vodika v transportu, predvsem za tovorni promet, tovornjake, vlake, ladje, letala. Vodik je mogoče hitro napolniti v razmeroma majhen rezervoar, bistveno hitreje kot baterije. Uporabimo ga lahko za energijo, pa tudi za moč. Tovornjakom bi lahko dodali še nekakšne baterije samo za povečevanje moči. Tako bi nastal hibrid med baterijami, superkondenzatorji in vodikom.

Zdi se, da so baterije doživele velik napredek, da je razvoj hitrejši kot na področju vodika.

V baterije se vlaga zelo veliko denarja. Vendar še vedno večinoma uporabljamo litijeve baterije, njihova zmogljivost se pravzaprav ne povečuje. Napredek pri vodiku je dejansko večji. Vsekakor pri rešitvah ne smemo tekmovati, ampak se moramo dopolnjevati.

Omenili ste letala. Menite, da bi jih lahko poganjal vodik?

Največja težava je, da bi za vodik potrebovali veliko večji rezervoar kot za kerozin. Torej bi morali izbrati med rezervoarjem in prostorom za potnike oziroma tovor, s čimer bi se vozovnice lahko zelo podražile. Trenutno najboljši način je proizvodnja e-goriva, to je SAF ali trajnostno letalsko gorivo. Gre za sintetični kerozin, ki ga lahko proizvedemo iz vodika v kombinaciji z ogljikovodiki, vendar pa pri tem nastajajo izpusti ogljikovega dioksida.

V Sloveniji ste v okviru francosko-slovenskega poslovnega in inovacijskega foruma, na katerem so se zbrali raziskovalci in podjetja, ki delujejo na področjih umetne inteligence, vodika in krožnega gospodarstva. Ste morda sklenili kakšno sodelovanje s slovenskimi raziskovalci?

Prvič sem v Ljubljani in spoznal sem nekatere odlične raziskovalce. Vsekakor je zelo pomembno, da se povezujemo in izmenjujemo znanje. Zanima me predvsem sodelovanje s skupino na Inštitutu Jožef Stefan, ki razvija keramiko za feroelektrike. Znanje lahko združimo in izdelamo nove materiale za elektrolizerje na keramični osnovi. Dogovarjamo se tudi o izmenjavi študentov.