ANALIZE / ODRŽIVOST U BRODSKOM PROMETU KORIŠTENJEM VODIKA / BY ENERGYPRESS.NET


07.02.2020
Piše: dr.sc. Luka Perković  Očekuje se da će vodik kao nosioc energije odigrati značajnu ulogu u onim segmentima elektrifikacije prometa gdje nije moguće premostiti prepreku niske gustoće energije elektrokemijske pohrane u baterijama.

Prvenstveno se tu misli na kamionski, brodski i željeznički promet, kao i na neka cestovna vozila. Ideja je da se višak energije iz intermitentnih obnovljivih izvora električne energije transformira u neki oblik goriva, pri čemu zajednički element, vodik, može biti vrlo efikasno proizveden u niskotemperaturnim PEM elektrolizatorima. Naime oko 80% ulazne električne energije je moguće konvertirati u ogrjevnu vrijednost gotovo pa savršeno čistog vodika separiranog iz vode. Vodik može biti korišten ili izravno kao nosioc energije (do gorivne ćelije) ili kao ulazna komponenta za proizvodnju amonijaka (koji može biti gorivo ili nosioc energije) ili za proizvodnju e-goriva, npr. sintetičkog etanola ili metanola. U razvoju su i hibridni pogoni, pri čemu se baterijska pohrana energije kombinira s pohranom CO2-neutralnih goriva kao što su vodik i amonijak za zajedničku dobavu energije na elektromotorni pogon.

Ako malo pobliže promotrimo nedavna nastojanja dekarbonizacije i općenito smanjenja šetnih emisija iz sektora pomorskog prometa, onda vidimo da se često upravo vodik i amonijak prikazuju u pozitivnom svjetlu kao prominentne i gotovo neizbježne tehnologije. Iako su obje tehnologije već sasvim dovoljno poznate i dostupne na tržištu u stacionarnim sustavima (ali i osobnim automobilima), baš kao i logistike vodika i amonijaka kao nosioca energije, ekonomski i politički se značajniji proboj tih tehnologija očekuje tek (ili već) u idućem desetljeću. Ovdje treba napomenuti da proof-of-concept za male brodice već postoji, (Energy Observer) kao i planovi za prvi kruzer (NES, 2023) i trajekte pogonjene hibridnim baterijskim/pogonom na gorivne ćelije (Schottel, 2021).

Primjeri brodova na vodik

Brod pogonjen vodikom: https://www.independent.co.uk/environment/energy-observer-hydrogen-powered-zero-emissions-ship-london-climate-a9146571.html

Planovi za prvi kruzer na vodik: https://www.rechargenews.com/transition/world-s-first-liquid-hydrogen-fuel-cell-cruise-ship-planned-for-norway-s-fjords/2-1-749070

Trajekt: https://maritime-executive.com/corporate/schottel-to-propel-world-s-first-hydrogen-ferry

Glavne značajke ove dvije tehnologije su:

• Propulzija s vodikom kao gorivom/nosiocem energije: izravno izgaranje nije vjerojatno zbog prevelikih brzina reakcije i visokih temperatura plamena, ali se već koristi (postoji proof-of-concept) kao nosioc energije u PEMFC gorivnim ćelijama.

• Propulzija s amonijakom kao gorivom/nosiocem energije: jednostavnija logistika amonijaka kao goriva. Moguće je izravno izgaranje, ali je brzina izgaranja niska te je stoga potrebno dodati vodik (mješavina NH3-H2, eng. blends) radi povećavanja brzine izgaranja. Kod izgaranja amonijaka ili smjesa amonijaka i vodika potrebno je koristiti SCR obradu dimnih plinova zbog značajnih količina emisija dušičnih oksida (NOx). Moguće je koristiti i PEMFC gorivne ćelije, pri čemu se vodik separira iz amonijaka in-situ, izravno prije korištenje vodika u gorivnoj ćeliji. U posljednje vrijeme je intenzivan razvoj ćelija koje izravno koriste amonijak kao ulazni nosioc energije (DAFC – Direct Ammonia Fuel Cell)

Usporedba amonijaka i vodika koja pokazuje praktičnost korištenja amonijaka kao nosioca energije u odnosu na vodik, unatoč značajno manjoj specifičnoj energiji (energija po jedinici mase) koju sa sobom nosi.

 

 

Bez obzira na to, amonijak ima veću gustoću energije (energija po jedinici volumena), te ga je moguće jednostavnije čuvati u kapljevitom stanju na temperaturi koja je bliža okolišnoj. Također, po jedinici volumena amonijak sadrži više molekula vodika od samog vodika, što ga čini odličnim nosiocem energije. Kada se govori o pohrani vodika u spremniku energije u brodovima, gotovo uvijek se spominje ukapljeni vodik u kriogenim spremnicima.

Ako promotrimo analizu potrebe za primarnom energijom za proizvodnju određenih vrsta goriva u tzv. well-to-wheel analizi (u ovom slučaju od izvora do brodskog vijka) za neke promatrane izvore energije u brodskom prometu, vidimo značajne potrebe, kao i gubitke iste do pretvorbe u konačni korisni oblik energije:

Vidimo da je prednost korištenja baterija kao spremnika energije značajna ako je cilj uštedjeti potrebu za primarnom energijom, što ima implikacije na instaliranu snagu obnovljive električne energije (npr. manje potrebe za površinom PV panela). Međutim, baterije imaju znatno lošiju gustoću pohrane energije od tekućih goriva (sintetičkog metanola, vodika ili amonijaka), pa je optimalna konfiguracija CO2-neutralne zapravo hibridna, koja kombinira prednosti visoke efikasnosti baterijskog sustava i visoku gustoću energije amonijaka i/ili vodika.


Usporedba troškova od izvora do spremnika za tri CO2-neutralnih goriva – vidljivo je da kod H2 nema proizvodnje goriva mimo samog H2, ali su veliki troškovi logistike u transmisiji, distribuciji i razvodu, slika preuzeta iz reference “An efficient direct ammonia fuel cell for affordable carbon-neutral transportation”//Joule v3/iss.10

Kako prikazuje nedavna studija u znanstvenom časopisu Joule, kod sva tri goriva su troškovi proizvodnje, prikupljanja i pohrane vodika otprilike jednaki (amonijak i sintetički metanol koriste vodik kao sirovinu), dok su kod vodika značajni troškovi koji nastaju uslijed fugitivnih gubitaka u prijenosu, distribuciji i razvodu do potrošnje. Ti troškovi nadmašuju dodatne troškove koji nastaju uslijed sinteze amonijaka kao nosioca energije (uključivo s dobavom dušika) ili sintetičkog metanola kao goriva (uključivo s dobavom ugljičnog dioksida).

Dobro je znati:

• RH ima iskustva u sintezi amonijaka > 100 godina u Petrokemiji, pri čemu se za proizvodnju N2 koristi kriogena separacija zraka i parno reformiranje prirodnog plina (sirovina) za proizvodnju H2

• s druge strane, kako bi transport pomoću H2/NH3 bio održiv/obnovljiv, izvor električne energije za procese hidrolize vode (H2O -> H2 + O2) i separacije zraka (N2+O2) treba biti obnovljiv kako bi i samo gorivo bilo obnovljivo

• po pitanju pogona koji koriste obnovljivu el. energiju, kao i sustav baterije i elektromotora za propulziju, tvrtka iCat je već isporučila svoje elektrokatamarane u Nacionalni park Mljet, kao dio strategije dekarbonizacije i elektrifikacije vlastitih prijevoznih sredstava

• prva punionica vodika otvorena je 2019. u sklopu Laboratorija za energetska postrojenja na Fakultetu strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu, pod vodstvom doc. dr. sc. Ankice Đukić


 

07.02.2020 · VODONIK