Vodik je najjednostavniji element u svemiru i ima veliki potencijal kao gorivo budućnosti, jer izgaranjem stvara samo vodenu paru, čime značajno smanjuje ugljični otisak proizvoda. Zbog toga je često nazivan energentom budućnosti.
Ipak, vodik sam po sebi nije potpuno “čist” – ono što ga čini takvim jest način proizvodnje. Zato stručnjaci govore o vodiku raznih “boja”: sivi, plavi, zeleni, tirkizni, bijeli itd. Te se boje odnose na tehnologiju proizvodnje i količinu CO2 koji pri tome nastaje. Razlikovanje boja ključno je jer nam boja otkriva koliko je proizvodnja vodika ugljično intenzivna, odnosno koji je najzeleniji.
Također, ovdje je potrebno napomenuti, da ove boje nisu pravne kategorije, već pomoć u pamćenju i razumijevanju. No, EU sve više prelazi s “boja” na certifikaciju prema emisijama životnog ciklusa.
Vrste vodika po načinu proizvodnje
Sivi vodik – nastaje iz fosilnih goriva (uglavnom prirodnog plina) postupkom parnog reformiranja, pri čemu se oslobađa velika količina CO2. Danas se oko 95 posto vodika u svijetu proizvodi upravo parnim reformiranjem i drugim visokougljičnim postupcima.
Smeđi ili crni vodik – proizvodi se plinifikacijom ugljena ili lignita. Ova metoda ima vrlo visoke emisije CO2 i drugih onečišćivača (sumpor, dušikovi oksidi, katrani), pa se smatra najprljavijim oblikom vodika. To znači da se ugljen na visokim temperaturama i tlaku pretvara u sintetski plin (smjesa vodika, ugljičnog monoksida i CO2), a iz njega se potom odvaja vodik. Ova metoda je među najstarijima u industriji (npr. koristila se u Njemačkoj i SAD-u za proizvodnju tzv. “town gas”). Smeđi vodik je danas najmanje prihvatljiv s ekološke strane i u Europi se ne potiče, upravo zbog vezanosti uz ugljen. Zbog toga ga Europska unija ne potiče i sve je manje zastupljen u industriji.
Plavi vodik – proizvodi se na isti način kao sivi, ali uz tehnologije hvatanja i skladištenja CO2 (CCS), što znatno smanjuje emisije u atmosferu. Ipak, ni plavi vodik nije potpuno bez ugljičnog traga jer dio CO2 ostaje neuhvaćen, a i sve metode hvatanja tog plina još su uvijek ekološki neučinkovite, jer su pogoni za hvatanje ugljika također pogonjeni fosilnim gorivima.
Tirkizni vodik – dobiva se razgradnjom metana (pirolizom) na vodik i kruti ugljik. Kruti ugljik može ići u druge industrije (npr. proizvodnju guma ili kao poboljšivač tla), a izostaje izravan CO2 plin. Postupak se još ispituje, ali obećava niže emisije od sivog vodika uz niži trošak od zelenog.
Zeleni vodik – dobiva se elektrolizom vode uz pomoć obnovljivih izvora električne energije (vjetar, sunce, hidroelektrane). Taj postupak sam po sebi ne emitira CO2 (ispod visokotlačnog elektrolizatora nastaje kisik, a ne fosilni otpad). Zeleni vodik je stoga jedini tip vodika “klimatski neutralan”, pa bi u budućnosti mogao imati ključnu ulogu u dekarbonizaciji sektora industrije i prometa.
Bijeli (prirodni) vodik – nalazi se u zemljinoj kori, a nastaje geološkim procesima i povremeno se otkriva u podzemnim ležištima. Njegovo eksploatiranje tek je u začetku i zasad nisu poznati komercijalno održivi načini vađenja.
Svaka boja vodika nosi svoje prednosti i mana. Na primjer, sivi vodik je danas najjeftiniji za proizvodnju, ali i najmračniji s ekološkog stajališta. Zeleni je gotovo bez ugljika, ali mu je trošak proizvodnje znatno viši. Stoga se važno usredotočiti ne samo na nazivnu boju vodika, nego na njegov ugljični otisak. Fokus je na tome da se u gospodarstvu koristi što više vodika koji je proizveden niskougljičnim tehnologijama. Takav pristup omogućuje postizanje ciljeva klimatske neutralnosti.
Zašto razlikovati boje vodika
Boje vodika ukazuju na razliku u emisijama i troškovima proizvodnje. Sivi vodik (iz plina) emitira najviše CO2, dok plavi (sa hvatanjem CO2) i tirkizni (piroliza) znatno smanjuju emisije, a zeleni vodik gotovo nema emisija na mjestu proizvodnje. Na primjer, prema analizi, proces parnog reformiranja metana ispušta oko devet kg CO2 za svaki kilogram proizvedenog vodika, dok elektroliza s obnovljivom energijom ne proizvodi CO2 na samom mjestu proizvodnje.
Također, kako navodi Hrvatska strategija za vodik, danas je cijena “tradicionalnog” plinskog vodika oko 1,5 €/kg (bez računa troška ugljika), plavog vodika oko 2 €/kg, a zelene elektrolize oko 2,5–5,5 €/kg. Razlika je, dakle, značajna, iako se uz očekivani pad cijena obnovljive energije i elektrolizatora predviđa da će do 2030. zeleni vodik moći doseći konkurentnu cijenu od 1,5–3 €/kg.
Razumijevanje boja vodika važno je i zbog politike i regulacije. U Europskoj uniji, primjerice, definirani su udjeli obnovljivog vodika koje svaka zemlja mora uvesti u različite sektore do 2030. (prema RED III direktivi). U Hrvatskoj strategiji naznačeno je da se u prometu do 2030. planira barem jedan posto udjela obnovljivog vodika u cestovnom prijevozu i više od 42 posto u industriji. Jasna klasifikacija omogućuje i praćenje ispunjenja tih ciljeva.
Ukratko, boje vodika pomažu nam prepoznati koliko je “čist” vodik koji koristimo – jer, kako ističu stručnjaci, najvažnije je pogledati ugljični otisak čitavog lanca proizvodnje, a ne samo boju etikete.
Tehnologije proizvodnje vodika
Glavne tehnologije proizvodnje odgovaraju vrstama vodika opisanim gore. Kod parnog reformiranja (SMR) metan iz plina prolazi reaktor na visokim temperaturama, pri čemu nastaje mješavina vodika i ugljikovih spojeva – taj je postupak osnova sivog vodika. Kod pirolize metana gorivo se zagrijava bez zraka, a nastaje vodik i čvrsti ugljik (tirkizni vodik). Nasuprot tome, elektroliza vode razdvaja molekulu vode na vodik i kisik uz pomoć električne energije (najčešće iz vjetra, sunca ili vode). Taj vodik nazivamo zelenim ako je struja obnovljiva.
Elektrolizator je zapravo “katalizator” koji troši struju – osim vodenih sustava, razvijaju se i napredniji dizajni (PEM, alkalni, SOEC). Sve te tehnologije nemaju kemijske formule u tekstu, ali važno je razumjeti da procesi poput elektrolize ne proizvode štetne nusprodukte, dok reformiranje goriva proizvodi puno CO2.
Utjecaj na okoliš i troškovi
Pritom je utjecaj na okoliš i ekonomiju ključna razlika među vrstama vodika. Kao što je ranije spomenuto, oko 95 posto današnjeg vodika čini sivi i smeđi vodik dobiven iz ugljena i plina, što znači da se masovno emitiraju staklenički plinovi. Plavi i tirkizni vodik imaju niži ugljični otisak jer upotrebljavaju tehnologije hvatanja ili izbjegavaju izravan CO2, a zeleni gotovo da nema emisija pri proizvodnji.
Ključna prednost zelenog vodika jest što omogućuje skladištenje viška obnovljive energije. Naime, kada su vjetroelektrane ili solarne elektrane u punom pogonu, višak struje može se iskoristiti za proizvodnju vodika koji se pohranjuje i upotrebljava kasnije – poput “baterije” za elektroenergetski sustav.
Razlike u emisijama i procesima odražavaju se i u troškovima. Danas je elektroliza skuplja zbog cijene obnovljive energije i opreme, ali cijene brzo padaju. Na primjer, Međunarodna agencija za obnovljive izvore energije IRENA navodi da je proizvodnja zelenog vodika nekoliko puta skuplja od plavog (tirkizni 1,5–2,5×, zeleni je nekoliko puta od sivog).
EU strategija (COM(2020)301) i REPowerEU postavljaju ciljeve za širenje kapaciteta i uporabe vodika, ali ne daju eksplicitnu prognozu ”pariteta cijena” do 2030. Neke analize (npr. Hydrogen Europe i BloombergNEF) projiciraju da bi zeleni vodik mogao postati troškovno konkurentan sivom oko kraja desetljeća uz brzu gradnju kapaciteta i pad troškova.
Zeleni vodik za klimatski neutralnu budućnost
Prednosti zelenog vodika vidljive su u njegovoj ulozi u nizu sektora. Vodik se može koristiti i kao gorivo (npr. u kamionima, brodovima, vlakovima ili gorivnim ćelijama) i kao sirovina u industriji (npr. u rafinerijama, kemijskoj industriji). Na taj način zamjenjuje fosilna goriva i smanjuje emisije.
Prema procjeni iz Studije strategije vodika, integracijom obnovljivog vodika u hrvatski energetski sustav ostvarila bi se značajna redukcija CO2: oko 0,9 posto manje emisije do 2030. te oko 9,8 posto manje do 2050. u odnosu na razine iz 2021. godine. Drugim riječima, redovitim korištenjem zelenog vodika Hrvatska bi značajno doprinijela postizanju klimatskih ciljeva.
Zeleni vodik pomaže i u integraciji obnovljivih izvora u energetski sustav. Na primjer, viškovi struje iz OIE mogli bi se pretvarati u vodik i skladištiti za kasniju uporabu u plinskom sustavu ili u gorivnim ćelijama. Tako bi se “izravnala” varijabilnost sunca i vjetra. Dugoročno, zeleni vodik omogućuje prelazak sektora koji se teško elektrificiraju (teška industrija, zračni promet, dugolinijski prijevoz) na niskougljična goriva.
U idućem tekstu donosimo više o hrvatskim potencijalima i planovima za proizvodnju vodika kao goriva.