Extragerea de energie curată din apă este un vis de mai bine de un secol și mulți dintre noi își amintesc de cartea scrisă de Jules Verne în 1874, “Insula misterioasă” și de viziunea sa de a extrage hidrogenul din apă, acesta devenind o sursă infinită de energie pentru generațiile viitoare. Așadar, timp de 147 de ani, utilizarea hidrogenului în scopuri civile a fost dezbătută și nu putem să ne hazardăm să estimăm numărul de articole, conferințe și anunțuri care au sprijinit ideea utilizării hidrogenului ca sursă incontestabilă de energie.
Noi, ca ingineri electroniști în domeniul electronicii de putere, la fel ca în viziunea lui Jules Verne, știm că energia rezultată din hidrogen se obține mai întâi prin electroliza hidrogenului și a oxigenului și apoi prin utilizarea unei pile de combustie pentru a genera electricitate. În realitate, producția mondială de hidrogen prin electroliză este mai mică de 4%, iar peste 94% este produsă din resurse fosile, în principal cărbune și gaz, producția din biomasa și altele reprezentând doar 2%.
Figura 1: Prezentare generală a Programului European Green Deal (© PRBX/ European Commission)
70% din hidrogenul global produs în lume este extras din gazul metan natural. Pentru extracția acestuia se folosește un proces numit “reformare cu abur”, în care se utilizează abur la temperaturi ridicate (700°C – 1.000°C) pentru a produce hidrogen. Dacă nu se captează CO2, procesul de reformare cu aburi este responsabil de niveluri ridicate de emisii de gaze cu efect de seră. Cantitatea de CO2 eliberată de producția de hidrogen la nivel mondial este estimată la aproximativ 830 de milioane de tone de dioxid de carbon emise în atmosferă.
Iată unde ne aflăm astăzi, cu enigma “hidrogenul verde – mit sau realitate” care alimentează dezbaterea. Dar lucrurile se schimbă și ne apropiem din ce în ce mai mult de viziunea lui Jules Verne!
Culorile hidrogenului!
Pentru a simplifica înțelegerea diferitelor metode de producție și a impactului lor asupra mediului, industria a codificat hidrogenul în funcție de culoare. În practică, sunt utilizate în mod obișnuit patru categorii principale: maro, gri, albastru și verde. Din când în când apar subcategorii, de exemplu, hidrogenul produs de electrolizoarele alimentate de centralele nucleare este denumit uneori “roz”, însă acest lucru este mai degrabă anecdotic decât o delimitare de facto.
Hidrogenul brun
Culoarea maro a fost atribuită hidrogenului extras din cărbune prin gazeificare. În acest proces, materialul pe bază de carbon este transformat într-un amestec de monoxid de carbon, hidrogen și dioxid de carbon. Gazeificarea se realizează la temperaturi foarte ridicate (>700°C), fără ardere, cu o cantitate controlată de oxigen și/sau abur. Monoxidul de carbon reacționează apoi cu apa pentru a forma dioxid de carbon și mai mult hidrogen prin intermediul unei reacții de deplasare apă-gaz. Gazul rezultat în urma acestui proces se numește gaz de sinteză. Hidrogenul produs prin această metodă este cunoscut sub denumirea de brun (lignit) sau negru (bituminos), în funcție de tipul de cărbune utilizat. Oricum, acest proces este foarte poluant, deoarece atât CO2, cât și monoxidul de carbon nu pot fi refolosite și sunt eliberate în atmosferă.
Hidrogenul gri
În prezent, hidrogenul gri reprezintă cea mai mare parte a producției. Mai mult de 70% din hidrogenul produs acum la nivel mondial este clasificat drept hidrogen gri. Cel mai frecvent proces de producție utilizează reformarea cu abur a metanului (SMR – Steam Methane Reforming). În cadrul acestui proces, aburul la presiune ridicată reacționează cu metanul, rezultând hidrogen și CO2, gaz cu efect de seră. Procesul generează aproximativ 9,3 kg de CO2 la fiecare kg de hidrogen, ceea ce este mai puțin decât în cazul hidrogenului brun, deși reprezintă totuși o cantitate substanțială atunci când este eliberat în atmosferă.
Hidrogenul albastru
Atunci când CO2 produs prin metodele anterioare este captat și stocat în subteran cu ajutorul sistemului industrial de captare și stocare a carbonului (CSS – Carbon Capture and Storage), procesul de producție este mai puțin dăunător pentru mediu, deși este mai scump și mai puțin eficient decât metodele convenționale. Hidrogenul albastru este considerat un pas important în tranziția energetică către hidrogenul verde, iar marea majoritate a noilor unități de producție sunt strict controlate în ceea ce privește impactul lor asupra mediului. Cu toate acestea, în ciuda nivelurilor ridicate de îmbunătățire, în comparație cu hidrogenul brun și gri, 10 până la 20% din CO2 nu poate fi captat și este eliberat.
Hidrogenul verde
La nivel mondial, cantitatea de hidrogen produsă prin electroliza apei este foarte mică, mai puțin de 4%, dar este cea mai cunoscută tehnică, una pe care unii dintre noi și-o amintesc din lecțiile de chimie de la școală. Cu ajutorul electricității, hidrogenul este produs prin scindarea moleculelor de H2O în hidrogen și oxigen. În cazul hidrogenului verde, electricitatea este produsă din surse de energie regenerabilă (mai puțin de 1%). În acest proces, electrolizoarele reprezintă “piesa de rezistență” și sunt utilizate de zeci de ani, cu o eficiență medie de 73% (față de 65% în cazul procesului de reformare cu abur). În ceea ce privește alimentarea cu energie electrică, îmbunătățirea eficienței acesteia este, în mod evident, de o importanță vitală pentru a reduce consumul de energie și costurile. La nivel mondial, cercetările intense vizează atingerea unei eficiențe de conversie de 95%, ceea ce, de fapt, nu suntem departe de a o atinge.
Hidrogenul în Europa – stadiul actual al industriei
Figura 2: Avionul AIRBUS cu emisii zero alimentat cu hidrogen (© PRBX/AIRBUS)
Suntem cu toții conștienți de provocările climatice și de Acordul de la Paris, adoptat la 12 decembrie 2015 de 196 de părți la COP 21 de la Paris. Acordul ratificat a intrat în vigoare la 4 noiembrie 2016. Acordul de la Paris îmbrățișează o viziune de utilizare deplină a progresului tehnologic și a transferului atât pentru îmbunătățirea rezistenței la schimbările climatice, cât și pentru reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră.
Ca răspuns la provocările legate de schimbările climatice, în Decembrie 2019, Comisia Europeană a comunicat așa-numitul “European Green Deal”, cu scopul de a transforma UE într-o societate echitabilă și prosperă, cu o economie modernă, eficientă din punctul de vedere al utilizării resurselor și competitivă, în care să nu existe emisii nete de gaze cu efect de seră în 2050 ( figura 1). “European Green Deal” este, de asemenea, colacul de salvare pentru a ieși din pandemia COVID-19. O treime din investițiile de 1800 de miliarde de euro din planul de redresare “NextGenerationEU” și din bugetul pe șapte ani al UE vor finanța European Green Deal.
Pentru a atinge acest obiectiv au fost inițiate numeroase activități, iar una dintre acestea este dezvoltarea și implementarea unei strategii Europene pentru hidrogen. Această strategie a fost publicată în iulie 2020, stabilind o viziune asupra modului în care UE poate transforma hidrogenul curat într-o soluție viabilă pentru decarbonizarea diferitelor sectoare în timp, instalând în UE cel puțin 6GW de electrolizoare de hidrogen regenerabil până în 2024 și 40GW de electrolizoare de hidrogen regenerabil până în 2030.
Pentru a sprijini această strategie, este important să existe o coordonare globală între autoritățile publice, industrie, societatea civilă și comunitatea de cercetare. S-au format o serie de alianțe care au facilitat sinergiile și executarea strategiilor.
Alianța UE pentru hidrogen curat
Ca parte a Noii Strategii industriale pentru Europa, în iulie 2020 a fost lansată Alianța Europeană pentru Hidrogen Curat (ECH2A – European Clean Hydrogen Alliance), în contextul strategiei privind hidrogenul pentru o Europă neutră din punct de vedere climatic.
Alianța Europeană pentru Hidrogenul Curat are ca scop dezvoltarea și utilizarea hidrogenului ca vector energetic viabil și competitiv în Europa. Alianța sprijină punerea în aplicare a strategiei privind hidrogenul pentru o Europă neutră din punct de vedere climatic, acționând pentru dezvoltarea unui lanț valoric al hidrogenului complet și accesibil la nivelul UE. Acest lucru va fi realizat, printre altele, prin intermediul unei agende de investiții și a unei rezerve de proiecte, precum și prin mobilizarea resurselor și a acțiunilor de instalare de electrolizoare de hidrogen regenerabil pentru a atinge obiectivele de 6GW și 40GW menționate anterior.
În aprilie 2021, Comisia Europeană a trimis o invitație către toți cei peste 1000 de membri ai Alianței Europene pentru Hidrogen Curat, invitându-i să prezinte proiecte pentru tehnologii și soluții privind hidrogenul regenerabil și cu emisii reduse de dioxid de carbon. În iunie 2021 a avut loc cel de-al doilea Forum European al Hidrogenului, care a raportat un număr impresionant de 1052 de proiecte depuse, din care 997 au îndeplinit criteriile de eligibilitate. Acest număr reflectă angajamentul foarte mare al Industriei Europene de a accelera dezvoltarea hidrogenului în Europa.
Întreprinderea comună UE în domeniul pilelor de combustie și al hidrogenului
Figura 3: Suedia/Mariestad ElectriVillage – Stație autonomă de transformare a energiei solare în hidrogen (© PRBX / Mariestad Municipality)
Deoarece importanța dezvoltării unor electrolizoare eficiente reprezintă o prioritate ridicată, încă din 2003, Comisia Europeană a facilitat crearea platformei Europene pentru tehnologia hidrogenului și a pilelor de combustie, cu scopul de a lega cercetarea publică și privată și de a crea inițiative pentru a accelera dezvoltarea unor tehnologii eficiente pentru pilele de combustie și hidrogen.
Ca urmare a acestei inițiative, în mai 2008, Consiliul Uniunii Europene a înființat Întreprinderea comună pentru pile de combustie și hidrogen (FCH JU – Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking) cu obiectivul: Să contribuie la punerea în aplicare a celui de-al șaptelea program-cadru și, în special, a temelor programului specific “Cooperare” pentru “Energie”, “Nanoștiințe, nanotehnologii, materiale și noi tehnologii de producție”, “Mediu (inclusiv schimbările climatice)” și “Transporturi (inclusiv aeronautică)”.
Printre proiecte și inițiative, ar trebui să menționăm un studiu foarte interesant, comandat de întreprinderile comune Clean Sky 2 și Fuel Cells & Hydrogen 2, privind potențialul de utilizare a hidrogenului în aviație. Utilizarea hidrogenului în aeronautică va necesita o cantitate uriașă de inovații tehnice și o nouă infrastructură, dar este considerată un pas înainte major în reducerea emisiilor de CO2 din sectorul aviației. Producătorul de avioane AIRBUS a luat parte la studiu și merită menționat ambiția companiei de a dezvolta primul avion comercial cu emisii zero din lume până în 2035 (figura 2).
De la mic la mare, hidrogenul își face loc!
Pas cu pas, încet, dar sigur, hidrogenul verde devine o realitate, iar numărul de electrolizoare instalate crește rapid. Evident, ar fi dificil să enumerăm toate proiectele, dar este interesant să menționăm câteva dintre ele pentru a ilustra realitatea.
Suedia – Mariestad ElectriVillage
Situată în partea sudică a Suediei, pe malul lacului Vänern, municipalitatea din Mariestad a dezvoltat un concept de creare a unui ecosistem energetic durabil bazat pe energie regenerabilă și hidrogen. Proiectul inițial includea o serie mare de panouri solare pentru a alimenta electrolizoare care să genereze hidrogen pentru o stație autonomă de realimentare pentru autoturisme și vehicule utilitare. Explorând gama largă de posibilități oferite de această tehnologie, stația ar putea, de asemenea, să utilizeze hidrogenul stocat pentru a alimenta o celulă de combustibil pentru a genera electricitate. Oxigenul rezultat în urma procesului de divizare în electrolizoare este capturat și stocat pentru aplicații medicale, industriale sau agricole. Această stație autonomă este un bun exemplu de ceea ce ar putea fi implementat la o scară mai mare și chiar pentru a genera hidrogen pentru alte vehicule, cum ar fi trenurile locale (figura 3).
Germania – Wesseling, cel mai mare electrolizator PEM din UE
Figura 4
În cadrul consorțiului european REFHYNE și cu finanțare UE prin intermediul Întreprinderii comune pentru pile de combustie și hidrogen (FCH JU), cei mai mari electrolizatori de apă cu membrană electrolitică polimerică (PEM – Polymer Electrolyte Membranes) din Europa au început să funcționeze în Parcul de energie și produse chimice al Shell din Renania, lângă Köln. Electrolizoarele din Rheinland vor utiliza energie electrică din surse regenerabile pentru a produce până la 1.300 de tone de hidrogen verde pe an, iar planurile sunt în curs de desfășurare pentru a extinde capacitatea electrolizoarelor de la 10 megawați la 100 de megawați).
Aceste două exemple reflectă amploarea inițiativelor privind hidrogenul în Europa și, mai ales având în vedere numărul mare de proiecte, plasează Europa ca actor principal în tranziția energetică și decarbonizarea industriei.
În concluzie
După decenii de preocupare pentru hidrogen, am intrat în sfârșit într-o nouă eră. Europa și-a început angajamentul “H” în urmă cu mai bine de 20 de ani, iar “Green Deal” a impulsionat cercetarea, cooperarea și implementarea. Nu există nicio îndoială că Europa a făcut pași importanți pentru a atinge obiectivul pentru 2050, iar alte țări își accelerează, de asemenea, strategiile privind hidrogenul. În SUA, sub impulsul lui Joe Biden, au loc activități majore. După cum a anunțat la 7 iulie 2021 Departamentul pentru Energie al SUA (DOE – Department of Energy), o alocare de 52,5 milioane de dolari va finanța 31 de proiecte pentru a avansa tehnologiile curate pe bază de hidrogen de ultimă generație și pentru a sprijini inițiativa recent anunțată de DOE “Hydrogen Energy Earthshot”, care vizează reducerea costurilor și accelerarea progreselor în sectorul hidrogenului curat. Acestea sunt semne clare că hidrogenul este o parte importantă a strategiei de tranziție energetică a SUA.
Hidrogenul nu mai este un mit, iar viziunea lui Jules Verne: “Într-o zi, apa va fi folosită drept combustibil, iar hidrogenul și oxigenul care o compun, folosite singure sau împreună, vor furniza o sursă inepuizabilă de căldură și lumină, de o intensitate imposibil de realizat cu ajutorul cărbunelui” va deveni realitate.
Referințe:
Powerbox (PRBX): https://www.prbx.com
EU Green Deal: https://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal_en
EU Hydrogen: https://ec.europa.eu/energy/topics/energy-system-integration/hydrogen_en
EU Clean Hydrogen Alliance https://www.ech2a.eu/
EU Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking: https://www.fch.europa.eu/
Mariestad ElectriVillage (Youtube video): https://youtu.be/ryfOEIqQTco?list=PLT-QkyUkOkuuT_PZU-QBx40juY6jmWva1
AIRBUS ZEROe : https://www.airbus.com/innovation/zero-emission/hydrogen/zeroe.html
Germany – Wesseling REFHYNE PEM Electrolyser plant: https://www.shell.com/energy-and-innovation/new-energies/hydrogen.html
Autor: Patrick Le Fèvre, Director Marketing & Communication
Powerbox – A Cosel Group Company| www.prbx.com
