Solució de producció d'hidrogen verd

En termes generals, l'hidrogen es pot utilitzar com a combustible de dues maneres principals. Es pot cremar per produir calor, o es pot alimentar a una pila de combustible d'hidrogen per generar electricitat. La bona notícia és que un cop s'ha produït hidrogen blau o verd, té una varietat d'aplicacions diferents:
Transport:L'hidrogen ja s'utilitza per alimentar autobusos i altres formes de transport públic, especialment al Japó. També es pot utilitzar per alimentar camions i trens de càrrega, mentre que els combustibles basats en hidrogen com l'amoníac es poden utilitzar en l'aviació i el transport marítim. Un ús més estès de l'hidrogen per alimentar els vehicles dependrà del preu de les piles de combustible d'hidrogen que s'abarati i que les estacions de reabastament d'hidrogen siguin més habituals.

Generació d'energia:L'hidrogen es pot utilitzar per convertir les fonts d'energia renovables en un combustible que després es pot emmagatzemar i transportar a llargues distàncies. L'hidrogen i l'amoníac també es poden utilitzar en turbines de gas i centrals elèctriques de carbó per reduir les seves emissions.

Calefacció d'edificis:L'hidrogen té un gran potencial per substituir el gas natural per escalfar edificis domèstics i comercials mitjançant la infraestructura de gas natural existent. Les calderes d'hidrogen i les piles de combustible d'hidrogen domèstiques requereixen més desenvolupament, però podrien tenir un paper important en el futur.

Indústria:Actualment, l'hidrogen s'utilitza en una àmplia gamma de processos industrials importants. Aquests inclouen el refinament de gasolina, la fabricació d'acer, el tractament de metalls i la producció d'una sèrie de productes químics.

A diferència de l'hidrogen gris, l'hidrogen verd és totalment renovable tant en el seu material d'origen com en el seu subministrament d'energia. Pel que fa al material d'origen, l'hidrogen verd actualment es genera normalment a partir d'aigua mitjançant un procés conegut com a electròlisi, que utilitza un corrent elèctric per dividir l'aigua en les seves molècules components d'hidrogen i oxigen. Això es fa mitjançant un dispositiu anomenat electròlitzador, que utilitza un càtode i un ànode (elèctrodes carregats positivament i negativament). Aquest procés només produeix oxigen (o vapor) com a subproducte. Pel que fa al subministrament d'energia, per qualificar-se com a "hidrogen verd", la font d'electricitat utilitzada per a l'electròlisi ha de derivar d'energies renovables, com l'energia eòlica o solar.

Hi ha tres tipus principals d'electrolitzadors:Alcalina, membrana d'intercanvi de protons (PEM) i òxid sòlid. Aquests varien en la naturalesa del material electròlit utilitzat. Els electrolitzadors alcalins utilitzen una solució aquosa amb una sal semblant a l'alcalina per permetre la conductivitat elèctrica, mentre que els electrolitzadors PEM utilitzen una membrana de polímer sòlid (electròlit). Els electrolitzadors d'òxid sòlid utilitzen material ceràmic sòlid com a electròlit, que els permet funcionar a una eficiència elèctrica més alta i temperatures molt més altes. Això permet l'ús del vapor i la calor externa com a fonts d'energia en lloc de dependre de l'electricitat. Així, l'electròlisi d'òxid sòlid permet un cost de les operacions significativament més baix, ja que la calor és normalment menys costosa i de vegades es produeix de manera natural com a subproducte de certs processos industrials.

Fa anys, l'hidrogen només es va veure com una solució per a l'evolució dels vehicles més ecològics. A mesura que els vehicles elèctrics han guanyat més tracció, l'hidrogen es veu cada cop més com una solució per a altres indústries.

La demanda d'hidrogen continua augmentant a mesura que el seu ús s'expandeix a les indústries industrials i manufactureres per a diversos propòsits, com ara la refinació del petroli, la fabricació d'acer i la producció de ciment. Tanmateix, a mesura que la popularitat de l'hidrogen creix, la importància de l'hidrogen verd no es pot exagerar. De manera alarmant, el 98% de l'hidrogen es fa a partir de combustibles fòssils sense controls ni regulacions d'emissions de diòxid de carboni. Però l'hidrogen verd té el potencial de canviar-ho per bé.

Des del fum de la producció de plantes comercials fins als fums d'escapament dels cotxes de gasolina i dièsel, la producció d'hidrogen verd redueix o elimina la necessitat de fonts d'energia de combustibles fòssils que alliberen grans quantitats de diòxid de carboni a l'aire. A la indústria dels centres de dades, a mesura que els sistemes d'emmagatzematge desenvolupen hidrogen, es pot utilitzar en lloc de generadors de seguretat alimentats amb dièsel per dinamitzar els futurs centres de dades. Com a resultat, els beneficis de l'hidrogen verd abunden, cosa que permet als governs i a les organitzacions reforçar la seguretat energètica nacional, estalviar combustible, reduir les emissions generals i diversificar les opcions d'energia del transport, des dels cotxes fins als sistemes de transport públic expansius.

La tecnologia d'hidrogen verd no es podria haver introduït en un millor moment. L'Administració d'informació energètica dels EUA prediu que la demanda mundial d'energia augmentarà un 47% el 2050. L'única manera de compensar aquesta demanda en forma de producció d'energia de petroli i carbó és adoptant mètodes més ecològics, com l'hidrogen verd.

I gràcies als avenços tecnològics que essencialment han descarbonitzat la producció d'hidrogen, moltes empreses estan recorrent a compensacions de carboni que aprofiten l'hidrogen verd per reduir la seva petjada de carboni i assolir objectius ESG agressius.

El procés de generació d'hidrogen verd té avantatges. L'Agència Internacional de l'Energia (IEA) afirma que l'hidrogen verd estalvia aproximadament 830 milions de tones de diòxid de carboni emesos anualment en comparació amb quan el gas es produeix mitjançant els mètodes tradicionals de combustibles fòssils. Això equival a un any sencer d'emissions del Regne Unit i Indonèsia junts!

Igual que amb qualsevol tecnologia nova, hi ha alguns reptes per superar a mesura que s'apodera el boom de l'hidrogen verd. Alguns aspectes a considerar inclouen l'eficiència del procés i els costos de producció a gran escala, a més d'establir solucions d'emmagatzematge a pressió a llarg termini. Reptes a part, l'hidrogen verd és una nova tecnologia emocionant que podria ajudar a equilibrar la tan necessària producció a gran escala d'energia verda.

Una gran part del canvi dels combustibles fòssils implica l'electrificació d'algunes de les màquines quotidianes que utilitzem que funcionen amb petroli i gas: cotxes i transport local, i calefacció per a les llars en alguns països, per exemple. Per als que ja estan electrificats, com els ordinadors i els electrodomèstics, l'electricitat de la nuclear i les renovables com l'eòlica i la solar estan substituint el carbó.

Però hi ha algunes indústries que requereixen tanta energia que les renovables tradicionals no poden satisfer la seva demanda. Això és un problema, perquè aquestes indústries es troben entre els principals emissors de gasos d'efecte hivernacle.

Aquí és on els experts diuen que l'hidrogen verd té un gran potencial.
"L'electricitat de fonts com l'eòlica, solar i nuclear és essencial per descarbonitzar el nostre sistema energètic, però no pot fer-ho sol, i el transport de llarga distància i les indústries pesades són les llars de les emissions més difícils de reduir", va dir un analista energètic de l'institut. Agència Internacional de l'Energia.

"L'hidrogen és prou versàtil per omplir alguns d'aquests buits crítics, en proporcionar matèries primeres vitals per a les indústries químiques i siderúrgiques o ingredients crucials per a combustibles baixos en carboni per a avions i vaixells", va dir Remme a CNN.

Operar un avió o un vaixell gran, per exemple, requereix tanta energia que qualsevol bateria que s'utilitzi per emmagatzemar electricitat del solar o del vent probablement seria massa gran i pesada per al vaixell. L'hidrogen verd, en canvi, pot venir en forma líquida i és més lleuger. Segons Airbus, que està desenvolupant un avió comercial d'emissions zero, la densitat energètica de l'hidrogen verd és tres vegades més gran que els combustibles per a avions que utilitzem actualment.

Tot i que l'hidrogen verd líquid emetria zero carboni, té algunes limitacions. Quan es crema a l'atmosfera oberta, allibera una petita quantitat d'òxid nitrós, que és un gas d'efecte hivernacle potent. Tanmateix, si l'hidrogen s'alimenta a través d'una pila de combustible, només emetrà aigua i aire calent.

Alguns avions petits han aconseguit volar amb piles de combustible alimentades amb hidrogen, tot i que la tecnologia encara no s'ha ampliat comercialment.

Actualment, tot està a punt per assolir els objectius climàtics. La transició energètica realment necessita un gran impuls. L'hidrogen pot fer una contribució important a això. La col·laboració és essencial per poder utilitzar l'hidrogen amb èxit, per exemple, per contribuir a la reducció de CO2 a la indústria, els combustibles electrònics per a avions i l'ús en l'entorn construït. Però cal inversions i hi ha preguntes.

Què és l'hidrogen?
L'hidrogen és l'element més comú del nostre univers. En circumstàncies normals és gasós i parlem de gas hidrogen (H2). L'hidrogen també és el gas més lleuger que coneixem i, per tant, té una baixa densitat d'energia per unitat de volum (en m3). Per pes (en kg), l'hidrogen té una alta densitat d'energia de 120 megajoules (MJ) per kg. Això és gairebé tres vegades més que el gas natural (45 MJ per kg). L'hidrogen sovint està a pressió. La pressurització (compressió) del gas hidrogen, però, també requereix l'energia necessària (al voltant del 10%).

Què és l'hidrogen gris i blau?
Gairebé tot l'hidrogen que es produeix actualment a tot el món és l'anomenat "hidrogen gris". Actualment, la producció es realitza mitjançant Steam Methane Reforming (SMR). Aquí el vapor d'alta pressió (H2O) reacciona amb el gas natural (CH4) donant lloc a hidrogen (H2) i el gas d'efecte hivernacle CO2. Als Països Baixos, es produeixen aproximadament 0,8 milions de tones d'H2 d'aquesta manera, utilitzant quatre mil milions de metres cúbics de gas natural i generant emissions de CO2 de 12,5 milions de tones.
El terme "hidrogen blau" o "hidrogen baix en carboni" s'utilitza quan el CO2 alliberat en el procés de producció d'hidrogen gris es captura i emmagatzema en gran part (80-90%). Això també s'anomena CCS: Captura i emmagatzematge de carboni. Això podria passar en jaciments de gas buits sota el mar del Nord. En cap altre lloc del món es produeix hidrogen blau a gran escala.

Què és l'hidrogen verd?
L'hidrogen verd, també conegut com "hidrogen renovable", és l'hidrogen que es produeix amb energia sostenible. La més coneguda és l'electròlisi, en la qual l'aigua (H2O) es divideix en hidrogen (H2) i oxigen (O2) mitjançant electricitat verda. Un gran nombre de partits als Països Baixos estan experimentant amb aquests electròlitzadors a escala de megawatts. L'hidrogen també s'allibera durant la gasificació a alta temperatura de la biomassa.

Què és l'hidrogen turquesa?
L'hidrogen produït a partir del gas natural mitjançant l'anomenada tecnologia de piròlisi de metalls fosos s'anomena "hidrogen turquesa" o "hidrogen baix en carboni". El gas natural es fa passar a través d'un metall fos que allibera gas hidrogen i carboni sòlid. Aquest últim pot trobar una aplicació útil en, per exemple, pneumàtics de cotxes. Aquesta tecnologia encara es troba en fase de laboratori i caldrà almenys deu anys perquè es realitzi la primera planta pilot.

Quines són les altres diferències fonamentals entre el blau i el verd?
A més del mètode de producció, hi ha altres diferències clau:
Només l'hidrogen verd produït mitjançant electròlisi garanteix que grans quantitats d'electricitat sostenible produïda al mar i a la terra es puguin integrar correctament al nostre sistema energètic. Només l'electròlisi pot convertir l'electricitat en hidrogen de manera flexible (a demanda) i després emmagatzemar-la.
A més, el desenvolupament de l'electròlisi a gran escala ajudarà a cobrir la creixent demanda d'electricitat i, per tant, estimularà el creixement de l'energia sostenible.
També hi ha una diferència de qualitat. L'hidrogen verd té un grau de puresa més alt i es pot utilitzar immediatament, per exemple a la pila de combustible d'un vehicle. L'hidrogen blau té un nivell de puresa més baix, suficient per a l'aplicació industrial.
La producció d'hidrogen blau és una manera de 'descarbonitzar' la indústria, és a dir, reduir el CO2, a gran escala ia un cost relativament baix.

L'hidrogen blanc del sòl, la font d'energia neta del futur?
Ja coneixem l'hidrogen gris, blau i verd, però ara sembla que també hi ha hidrogen blanc o natural. Que prové del sòl, igual que el gas natural. Quan es crema hidrogen amb oxigen, només s'allibera aigua. L'hidrogen blanc és un hidrogen natural del subsòl que té el potencial de convertir-se en una important font d'energia del futur si es fa per electròlisi de l'aigua amb energia eòlica o solar (verda).
Aleshores, no es fa amb cendra natural o carbó (gris), ni tan sols captant primer el CO2 (blau). El gas s'utilitza principalment per escalfar processos en la indústria química i en la producció d'acer i fertilitzants. En la transició de l'energia fòssil a l'energia verda, pot servir com a amortidor d'emmagatzematge d'electricitat durant els períodes sense sol i vent.

Quin paper juga l'hidrogen en la transició energètica?
En el nostre mix energètic actual, aproximadament el 20% es subministra en forma d'electricitat i el 80% en forma de gas natural o combustible fòssil líquid (gasolina, gasoil). Els nostres objectius climàtics canviaran aquesta situació considerablement en un futur proper. La proporció d'electricitat generada per l'energia eòlica i solar augmentarà considerablement. Per a una sèrie d'aplicacions, com ara el transport pesat, els processos d'alta temperatura a la indústria i l'aviació, encara falta una bona solució elèctrica i encara es necessita un gas sostenible. L'hidrogen pot tenir un paper útil aquí. A més, l'hidrogen és important en forma d'emmagatzematge a gran escala per a aquells moments en què no fa vent i ennuvolat.

Quins països també estan treballant en hidrogen?
Països com Noruega, Austràlia, el Marroc, Xile, l'Aràbia Saudita, la Xina i el Japó són molt actius amb l'hidrogen verd, principalment perquè hi ha una disponibilitat considerable (potencial) d'energia renovable barata procedent de l'eòlica, solar o hidràulica per produir hidrogen verd. Tanmateix, una excepció és el Japó, que depèn en gran mesura de les importacions per al seu subministrament energètic i ha desenvolupat una estratègia per importar hidrogen (verd) a gran escala. El seu paper clau rau en el desenvolupament tecnològic. Els Països Baixos es troben en una bona posició gràcies, en part, al nostre coneixement de la tecnologia de gas i electròlisi, el gran potencial de l'energia eòlica al mar del Nord i la indústria intensiva en energia que ha de fer un fort compromís amb la sostenibilitat.

Per a què farem servir l'hidrogen?
L'hidrogen és especialment important per a la indústria de processos. Actualment s'utilitza principalment per a la producció de fertilitzants però en el futur també es pot utilitzar per a processos d'alta temperatura com la producció d'acer per a la qual ara s'utilitza gas natural o carbó. A més, l'hidrogen tindrà un paper en la mobilitat, per exemple per als autobusos interurbans que han de recórrer distàncies més llargues i on la conducció elèctrica no és una solució.

Què significa l'hidrogen per al ciutadà?
A curt termini no es veurà gaire. L'ús de l'hidrogen a les llars, per exemple, s'haurà de fer molt de temps si això passa. Per a la majoria d'habitatges, una xarxa de calor col·lectiva o una bomba de calor elèctrica ofereix una millor solució. En el trànsit, el nombre de cotxes d'hidrogen (actualment menys d'un centenar) i el nombre d'estacions de servei d'hidrogen (el 2018: 3) augmentaran lentament.

Quins són els riscos?
L'hidrogen és un gas molt lleuger, altament inflamable i s'utilitza en mobilitat a pressions de fins a 700 bar. Com qualsevol altre gas, és important manipular-lo amb cura durant la producció, transport i ús, i deixar-lo exclusivament a empreses professionals. Si s'ha d'utilitzar l'hidrogen en gasoductes existents, és important investigar més com l'hidrogen es "comporta" realment a la pràctica. L'hidrogen és més lleuger que el gas natural i pot escapar més fàcilment de les vàlvules i els segells.

Què està fent TNO pel que fa a la recerca de l'hidrogen?
TNO és una organització independent que realitza recerca aplicada d'avantguarda. La seva recerca sobre l'hidrogen se centra en la producció, la infraestructura i les aplicacions (conversió i ús final). El 2020, TNO va dur a terme més de 50 projectes relacionats amb aquests temes. A continuació es poden trobar enllaços a una selecció d'aquests projectes (element 15).

Fins a quin punt està el desenvolupament de l'hidrogen verd?
Uns 230 projectes d'electròlisi van entrar en funcionament entre el 2000 i el 2018 amb una capacitat total d'uns 100 MW (font: IEA 2019, The Future of Hydrogen). El 2020, la capacitat instal·lada global era de 200 MW i aproximadament 2.400 MW a finals de 2023. Aquestes xifres mostren que només estem començant i que hem de desenvolupar una cadena de subministrament totalment nova.
Necessitem noves empreses, nous proveïdors i nous fabricants per desenvolupar materials i components per a sistemes d'electròlisi més grans i de nova generació. Aquesta és una oportunitat d'or per a la indústria d'alta tecnologia holandesa. L'objectiu de la Unió Europea és instal·lar 40 GW de capacitat d'electròlisi a la Unió l'any 2030 i 40 GW més al nord d'Àfrica. Assolir aquest objectiu requerirà accelerar el ritme tant d'innovació tecnològica com dels projectes reals.

Quins són els reptes tècnics més importants que planteja l'electròlisi?
Pel que fa a l'electròlisi de l'aigua, actualment hi ha quatre tecnologies disponibles (AEM, SOE, PEM i Alcaline), cadascuna amb els seus avantatges, inconvenients i nivell de maduresa específics. Fes una ullada al nostre vídeo sobre la producció d'hidrogen mitjançant electròlisi (s'obre en una finestra o pestanya nova) (es refereix a un lloc web diferent). Per a les quatre tecnologies, els tres reptes principals de recerca són:
reduir la despesa de capital associada al sistema
per millorar l'eficiència del sistema
per superar les barreres a la producció a gran escala de manera que es pugui assolir una capacitat anual de producció d'electròlitzadors a tot el món de 30 GW l'any 2030.

Els productes es venen a totes les regions de la Xina i s'exporten a països de tot el món. S'han venut a més de 20 països i regions, inclosos els Estats Units, Alemanya, el Marroc, Kenya, l'Aràbia Saudita, Vietnam, Algèria, l'Índia, Tanzània i Taiwan. Va proporcionar amb èxit empreses conegudes com China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group i altres empreses conegudes. Hi ha moltes estacions d'hidrogenació d'hidrogen verd com Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc. ofereixen projectes verds i de fabricació d'hidrogen.