Drago Babič

V brezogljični družbi bo fosilna goriva nadomestila predvsem elektrika, proizvedena iz brezogljičnih virov (sonce, veter, voda in jedrska energija). Zaradi fizikalnih lastnosti elektrike mora potekati njena proizvodnja in poraba istočasno, kar je možno, če so proizvajalci in porabniki neposredno priključeni na električno omrežje in se proizvodnja sproti prilagaja porabi. Če to ni mogoče, kot je to v cestnem prometu, ali pri spremenljivih OVE (sonce, veter), pri katerih je proizvodnja odvisna od naravnih pogojev in ne od potreb porabnikov, je treba elektriko začasno skladiščiti. Do sedaj najbolj uporaben način skladiščenja elektrike v večjem obsegu je v obliki mehanske energije vode v črpalnih in akumulacijskih hidroelektrarnah, v krajših, nekajurnih količinah tudi v pretočnih hidroelektrarnah. Ker je to že znan princip, ga v tem gradivu ne bom obravnaval, ampak se bom posvetil sodobnejšim načinom skladiščenja elektrike.  Za ta namen se bodo v bodoče uporabljale predvsem baterije in vodik.

Baterije

Baterije delujejo na način, da neposredno skladiščijo elektriko z visokimi izkoristki (90%) preko kemijskih reakcij, ki potekajo v baterijah. Praznjenje – koriščenje te uskladiščene energije je izredno hitro, polnjenje pa poteka precej počasneje, predvsem zaradi omejene moči polnilcev in absorpcijske sposobnosti baterij. Poleg tega imajo te elektrokemične reakcije relativno nizek uporaben energijski potencial, zato je specifična utežna gostota energije v baterijah relativno nizka (100-250 Wh/kg). V primerjavi z vodikom je stokrat nižja. To ima za posledico relativno veliko težo baterij in v prometu omejen doseg vozil z eno polnitvijo ter relativno visoko vsebnost materialov, ki se vgrajujejo v baterije.

Razmerje med energijo, težo in ceno je še sprejemljivo za lažja vozila, pri tovornjakih in avtobusih, ki morajo poleg večje nosilnosti imeti še daljši doseg, pa so baterije pretežke, saj bi z lastno težo odvzele velik del koristne nosilnosti vozila. Pri avtomobilih je baterija s kapaciteto 85 KWh težka 500 kg (za doseg okoli 400 km z enim polnjenjem, proizvajalec Tesla), pri težkih tovornjakih z daljšim dosegom pa bi morale baterije tehtati kar 7-8 ton. Za primerjavo, za isti doseg z isto močjo pogona zadostuje 80 kg vodika (Vir: daimler-truck.com)

V elektroenergetskih sistemih so baterije primerne za kratkotrajno skladiščenje nekajurne zaloge, predvsem pa za hitro koriščenje manjših količin elektrike z relativno veliko močjo, kar pride v poštev pri sistemskih storitvah, predvsem pri uravnavanju frekvence. Relativno velika vsebnost materialov v bateriji pomeni, da bodo baterije ostale drage in za hranjenje večjih količin elektrike za dalj časa manj primerne v primerjavi s hidroelektrarnami in vodikom.

Prednost baterij je v tem, da so tehnološko že precej razvite in da bo njihova cena s povečevanjem uporabe še naprej padala. V naslednji sliki prikazujem dosedanje gibanje cen baterij, izraženo v dolarjih na 1 KWh energije, ki jo lahko shranimo v baterijah:

Predvideva se, da bo cena baterij v bližnji prihodnosti padla pod 100 $/KWh. Vendar bo potrebno v bodoče vse baterije reciklirati, kar bo stalo okoli 30 $/KWh (natančnejših ocen tega stroška še ni, ker tudi recikliranja v velikem obsegu še ni). Po moji oceni bodo dolgoročni stroški energije iz baterij, narejenih po sedaj znanih tehnologijah, upoštevaje recikliranje, znašali najmanj 130 $/KWh. Pri tej ceni bodo baterije primerne za uporabo v prometu za pogon lažjih vozil, kjer bodo stali avtomobili na električni pogon približno toliko, kot danes stanejo avtomobili z motorji na notranje izgorevanje.

Uporabne bodo tudi za določene sistemske storitve v prenosnih in distribucijskih elektro omrežjih (uravnavanje frekvence), še največ pa za podporo distribuirani proizvodnji elektrike iz manjših sončnih elektrarn v samooskrbi. Za skladiščenje večjih količin elektrike za dalj časa pa bo treba uporabiti drugačne tehnologije, predvsem vodik.

Vodik

Vodik ima bistveno višjo energijsko gostoto kot baterije, zato je njegova uporabnost širša.

• v kombinaciji z gorivnimi celicami, v katerih se vodik pretvarja nazaj v elektriko, je uporaben za pogon težjih vozil z dolgim dosegom, tudi za obstoječa letala, če ga pretvorimo v sintetični kerozin,
• za skladiščenje večjih količin energije v podzemnih skladiščih,
• za transport večjih količin energije na daljše razdalje po plinovodih,
• vodik se uporablja v kemijski industriji (metanol, sintetična goriva), proizvodnji umetnih gnojil (amonijak), v proizvodnji kovin, kjer bo zamenjal ogljik/koks ter v proizvodnji cementa.
• ker ga lahko transportiramo po obstoječih (nekoliko prirejenih) cevovodih za zemeljski plin, bo vodik lahko v široki rabi in industriji postopoma nadomestil zemeljski plin kot vir visoko temperaturne toplote.
• pomembna bo funkcija vodika za skladiščenje viškov elektrike, ki jih povzročajo spremenljivi, od vremena odvisni viri elektrike (veter, sonce), zato vodikovo verigo vzpodbujajo predvsem tiste države, ki računajo na velik delež spremenljivih OVE v strukturi proizvodnje elektrike (na čelu z Nemčijo), saj bodo brez vodika njihovi elektroenergetski sistemi nestabilni.

Celotni ciklus vodika lahko ponazorimo z naslednjo sliko:

Vir: The role of  hydrogen and fuel cells in delivering energy security fort he UK, A. Velasquez A. et all, 2017

Vendar ima vodik določene slabosti:

• v naravi praktično ni čistega vodika, ga je pa ogromno vezanega v vodi, zato je potrebno najprej vodo razgraditi z elektrolizo ali s termokemičnimi procesi v vodik in kisik, če želimo proizvesti vodik na brezogljični način.
• nato ga je treba začasno skladiščiti v rezervoarjih in ga transportirati do končnih porabnikov,
• na koncu cikla ga je potrebno pretvoriti nazaj v elektriko v gorivnih celicah ali uporabiti neposredno v kemični procesni industriji ali kot visoko temperaturni vir toplote.

Vse te manipulacije/pretvorbe že same po sebi povzročajo določene izgube (okrog 50% začetne energije). Nadalje, manipulacijo vodika otežujejo njegove fizikalno kemijske lastnosti. Je zelo redek plin, sestavljen iz malih molekul in ima zato nizko volumsko gostoto (90 g/m3 pri sobni temperaturi), zato ga je treba pri skladiščenju in transportu stiskati do visokih tlakov, ali utekočinjati ali pretvarjati v druge kemijske oblike (na primer amonijak, sintetična goriva), ki jih je lažje skladiščiti in transportirati. Poleg tega prodira skozi nezaščitena jekla, ki se običajno uporabljajo pri izdelavi skladiščnih in transportnih sistemov pri visokih tlakih in jih spreminja v smeri večje krhkosti, zato je treba pri manipulacij vodika uporabljati druge materiale, ali jekla, ki so površinsko zaščitena s posebnimi prevlekami. Za vse te procese je potrebno imeti ustrezno opremo oziroma infrastrukturo (elektrolizatorje, rezervoarje, kompresorje, cevovode, gorivne celice), ki zaenkrat še ni zadostno razvita. To vse skupaj ekonomijo vodika precej obremenjuje.

Sedaj je veleprodajna cena vodika, proizvedenega iz brezogljičnih virov, dostavljenega uporabniku, od 5 do 6 eur/kg oziroma od 200 in 240 eur/MWh. Po tej ceni je vodik ekonomsko sprejemljiv le za uporabo v prometu, za druge namene pa bi se morala cena za uporabnika znižati na 1-1,5 eur/kg brez davkov. Da bi tako ceno dosegli, bi morali izpolniti naslednje pogoje:

• Zagotoviti v zadostnih količinah in ustreznih cenah osnovni vir za proizvodnjo vodika, to je elektriko (20-30 eur/MWh) ali visokotemperaturno toploto (10-15 eur/MWh)
• Zagotoviti ustrezne kapacitete za proizvodnjo vodika z nižjo ceno opreme
• Zgraditi infrastrukturo za skladiščenje in distribucijo vodika
• Izpopolniti opremo za pretvorbo vodika v elektriko in druge oblike energije.

Torej mora ekonomija vodika najprej prehoditi podobno razvojno pot, kot so jo že obnovljivi viri energije in baterije, preden bo lahko postala ekonomsko konkurenčna.

Spodbujanje tehnološkega in ekonomskega razvoja vodikove verige (v smislu pocenitve opreme zaradi množične proizvodnje) naslavlja nova evropska strategija vodika, sprejeta predlani (EC – A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe). Po tej strategiji naj bi leta 2050 vodik, proizveden iz obnovljivih virov energije, predstavljal 13-14% vse energetske porabe, skupaj z neenergetsko porabo v industriji pa celo 23% vse koriščene energije. Torej naj bi bil v bodoče pomen vodika velik, njegova ekonomija naj bi bila vsaj za petkrat obsežnejša od uporabe baterij.

Upoštevaje predpostavke iz gradiva evropske komisije iz februarja letos, da bomo v EU-27 leta 2050 potrebovali skupno za 1.200 Mtoe (14.000 TWh) btto končne energije, od tega približno polovico v obliki elektrike in 23% v obliki vodika (ki ga bomo pridobivali z elektrolizo vode z elektriko iz OVE s 70% izkoristkom), bo potrebno sedanjo proizvodnjo elektrike iz vetra in sonca v EU povečati za 25-krat, torej vsako leto za toliko, kolikor znašajo vse trenutne kapacitete, kar je nerealno pričakovati. Niti nimamo takih proizvodnih in montažnih kapacitet, še manj prostega prostora za postavitev sončnih in vetrnih elektrarn. Zato nekateri razmišljajo, da bi obsežnejšo proizvodnjo vodika iz sončnih elektrarn postavili v Severni Afriki ali proizvajali elektriko in vodik iz vetrnih elektrarn na Severnem morju in ga od tam transportirali po obstoječih plinovodih za zemeljski plin.

Druga možnost je proizvodnja vodika iz visokotemperaturne toplote in/ali elektrike, proizvedene iz jedrskih elektrarn. Prednosti takega načina so naslednje:

• bistveno večja energijska gostota proizvodnje elektrike in toplote iz JE, zato bi jih lahko gradili v Evropi, transport po cevovodih bi bil bistveno krajši, izgube in stroški bi bili nižji,
• cenejša proizvodnja elektrike/vodika v primerjavi z OVE (dosegljiva cena 1 eur/kg vodika)

V kolikor se bomo odločili za pomembnejšo vlogo jedrske industrije v brezogljični družbi, bo postala pomemben vir za proizvodnjo vodika visokotemperaturna toplota, ki jo  proizvajajo visokotemperaturni jedrski reaktorji. S pomočjo toplote pri 900 stopinjah lahko s termokemičnimi procesi neposredno razgrajujemo vodo v vodik z dobrimi izkoristki (okoli 45%). Procesi so bili že preizkušeni v polindustrijskem obsegu, vendar bo potrebno za množično uporabo teh postopkov celotno tehnologijo še razviti (Vir).

Pomen jedrske energije pri proizvodnji vodika in pri proizvodnji brezogljične elektrike ponazarja zgornji izračun, koliko elektrike iz OVE (veter, sonce) bomo potrebovali, da nadomestimo fosilne vire energije do leta 2050. Bo pa treba zgraditi mrežo namenskih visokotemperaturnih JE, kar bo znaten investicijski zalogaj, vendar še vedno bistveno cenejši od OVE scenarija.

Za Slovenijo bi to pomenilo, da bi za domačo proizvodnjo vodika morali zgraditi še eno visokotemperaturno JE podobne termične moči, kot jo bo imel JEK2.

Povzetek

Če povzamem, baterije so enostavnejše za uporabo, vendar imajo zaradi nizke specifične energijske gostote omejeno uporabo, predvsem v prometu. Vodik je energijsko bolj učinkovit, vendar je pridobivanje, pretvorba nazaj v elektriko in manipulacija z njim bolj komplicirana in draga. V praksi to pomeni, da bodo baterije uporabne kot nosilec energije v lažjih vozilih in za kratkotrajno skladiščenje elektrike v manjšem obsegu, vodik pa bo uporaben za pogon težjih vozil ter za druge namene, predvsem v industrijskih procesih, ter za skladiščenje in transport večjih količin energije. V tem primeru  bo ekonomija vodika bistveno presegla ekonomijo baterij.