Vodik je najmanjša, najlažja in najbolj razširjena molekula v vesolju, ki obsega tri četrtine vse snovi v vesolju. A kozmična ironija je hotela, da je naš planet daleč od vesoljskega povprečja, zato elementarnega vodika skoraj ne najdemo. Ker je po večini vezan v vodo in fosilna goriva, ga moramo iz njih pridobiti. Potem ko se že vrsto leto uporablja kot raketno gorivo, se zdaj spodbuja tudi kot čistejša alternativa nafti in plinu za ogrevanje, prevoz in podobno. Toda ali je res najboljša podnebna rešitev?

Obnovljivi vodik zaseda pomembno mesto v prihodnji evropski energetski bilanci. V Bruslju je bil prav te dni teden vodika, ki je pritegnil visoke politične in gospodarske predstavnike. Predsednica Evropske komisije Ursula von der Leyen je med drugim napovedala ustanovitev dolgo pričakovane vodikove banke; ta bo pomenila nekakšno orodje za spodbujanje vodikovih projektov, ki jih financira EU. Evropski teden vodika je sicer že četrtič, seveda pa so tudi prej v Uniji že veliko govorili o vodiku in raziskave tega področja tudi izdatno financirali. O vodiku se po besedah Mateja Huša s Kemijskega inštituta danes več pogovarjamo tudi zato, ker je dozorelo spoznanje, da podnebna kriza ni oddaljen problem, temveč realnost, zaradi katere je potrebno takojšnje ukrepanje. "Hkrati pa je tehnologija dovolj napredovala, da sta tako proizvodnja kot tudi uporaba vodika danes veliko lažji kot pred desetletji."

Po besedah Tomaža Katrašnika s Fakultete za strojništvo v Ljubljani po svetu trenutno razvijajo vrsto tehnologij, ki bi bile podnebno nevtralne in bi zmanjšale ali popolnoma opustile spuščanje toplogrednih plinov in toksičnih onesnažil. "Ena izmed alternativ je električna energija, ki ima zelo visok izkoristek in je zato tam, kjer jo je mogoče uporabiti, ena prednostnih izbir. Kjer pa bi bilo treba shraniti večje količine energije, v stacionarni oziroma mobilni rabi ali pa v industrijah, v katerih bi potrebovali visoke temperature, kot sta steklarstvo in jeklarstvo, pa so zaželene tudi alternative fosilnih goriv, z vodikom na čelu."

Naravnih najdišč vodika je na Zemlji zelo malo

Vodik ni vir energije, ker na Zemlji skoraj ne najdemo elementarnega oziroma plinastega vodika v obliki molekul vodika. Ves je namreč vezan. V naravi navzočemu vodiku pravimo tudi beli vodik; pridobivajo ga enako kot zemeljski plin, torej neposredno iz globin in brez dodatnih kemijskih pretvorb. Kot pa je pojasnil Matej Huš, je naravnih najdišč vodika na Zemlji zelo zelo malo.

In zakaj vodika v taki obliki na Zemlji skoraj ni, čeprav ga je v vesolju toliko? Vodik so obdržali le zelo masivni planeti, recimo Jupiter. "Zemlja ima prešibko gravitacijo, da bi plinasti vodik lahko ostal v atmosferi."

Energetsko potratna in draga proizvodnja vodika

Vodik moramo torej pridobiti. Ko ga imamo, postane zelo zelen vir energije, saj pri uporabi nastaja le voda. Težava pa je v tem, da moramo za pridobivanje vodika vložiti veliko energije. Pri razcepu vode na vodik in kisik, recimo, je treba v postopek vložiti vsaj toliko energije, kot je potem pridobimo iz njega. Pri vodiku iz fosilnih goriv je bilanca nekoliko drugačna, a to ni več zeleni vodik. "Vodik je zato energetski shranjevalnik ali prenosnik, s tujko vektor. Za lažje razumevanje si lahko pomagamo z analogijo z elektriko. Tudi ta ni vir energije, a je zelo poenostavila naša življenja in hkrati – vsaj lokalno – odpravila marsikatero težavo z onesnaževanjem. Z vodikom je lahko podobno," pravi Huš.

Uporaba vodika ima že precej dolgo brado

Kako staro pa je izkoriščanje vodika za energijo? "Presenetljivo staro," odgovarja Huš. "Že leta 1800 sta William Nicholson in Anthony Carlisle ugotovila, da lahko vodo z elektriko razcepimo na vodik in kisik. Leto pozneje pa je Humphry Davy odkril koncept gorivne celice in do srede 19. stoletja so jo izpopolnili do delujoče oblike. A komercializacija je morala počakati še celo stoletje."

V gorivnih celicah se uporablja vodik, ki se v nadzorovani reakciji spaja s kisikom, pri tem pa nastajata voda in električna energija. Reakcija torej teče v nasprotno smer kot pri razcepu vode, pri katerem električno energijo porabljamo. Gorivne celice so podobne baterijam, le da morata potrebni kemikaliji – vodik in kisik – dotekati sproti. "Gorivne celice so danes popularnejše kot kdaj prej, a tehnologija je že stara. Že vesoljska sonda Gemini 5, ki je letela leta 1965, je imela gorivne celice in rezervoarja vodika in kisika."

Vodikova mavrica

V zadnjem času ob vodiku nastopa precej barv. Govorimo o tako imenovanem črnem, rjavem, sivem, modrem, zelenem, rožnatem, turkiznem in že omenjenem belem vodiku. Barve nakazujejo način njegovega nastanka oziroma pridobivanja. "Imajo figurativen pomen in so le priročno poimenovanje za ilustracijo okoljske škodljivosti različnih načinov njegove proizvodnje," pravi Matej Huš. "Vodik kot najlažji element je namreč plin brez barve, vonja ali okusa."

V preteklosti so za pridobivanje vodika uporabljali uplinjanje premoga, danes pa se po večini uporablja parni reforming metana ali delna oksidacija ogljikovodikov. "Postopka sta sorodna, in sicer potrebujemo premog, metan ali podobne ogljikovodike, visoke temperature in vodo, včasih tudi nekaj kisika," pojasnjuje Huš. Pri visokih temperaturah (govorimo o temperaturah do 1000 °C, pri uplinjanju premoga celo nad 1500 °C) v tej mešanici nastaja tudi vodik. "Skratka, za pridobivanje vodika na tak način potrebujemo fosilna goriva, nato pa še veliko energije."

Tak vodik iz premoga imenujemo črni ali rjavi. Vodik danes še vedno pridobivamo predvsem iz fosilnih goriv, na tak način ga nastane več kot 95 odstotkov. "Od tega je polovica metana nastala s parnim reformingom, 30 odstotkov ga pridobimo iz nafte in 18 odstotkov iz premoga. Zelenega vodika proizvedemo manj."

Zeleni vodik po Huševih besedah pridobivamo z razcepom vode, za katerega uporabljamo presežke elektrike iz obnovljivih virov. Če je električna energija pridobljena iz jedrske elektrarne, se tak vodik imenuje rožnati. "Vodik iz parnega reforminga metana se imenuje sivi vodik, ker pri postopku nastaja ogljikov dioksid, ki ga spuščajo v okolje. Če to preprečimo in ga ob nastanku zajamemo, je vodik moder."

Industrija in promet si največ obetata od vodika

Pri vodikovih tehnologijah po Huševih besedah trenutno rešujemo dva izziva: kako proizvesti zeleni vodik in kako ga uporabiti. Prvi izziv je energetski, drugi pa inženirski. Tomaž Katrašnik z ljubljanske Fakultete za strojništvo vidi več možnih uporab: "Najprej so tu deli težke industrije, v katerih ne morejo zagotavljati visokih temperatur z elektriko in so to doslej delali s kurjenjem, predvsem fosilnih goriv. V mislih imam predvsem steklarstvo, jeklarstvo, delno tudi cementarne ter del kemijskopredelovalne industrije. V teh je uporaba vodika v prihodnosti precej predvidljiva, časovnica pa je zelo odvisna od posameznih podjetij, tehnologij, ki so na voljo, in ekonomske dinamike."

Vodik bi lahko v prihodnje s pridom uporabljali tudi v transportu. "Za transport imamo jasno kaskado: ve se, da bodo določene količine goriv pridelovali iz biogoriv, seveda pa biogoriv ni dovolj, zato bomo imeli – ob elektriki – tudi tako imenovana e-goriva. Prva stopnja pri njih je vodik, na naslednji lahko z metanacijo dobimo lahke ogljikovodike, lahko pa pridobimo tudi kompleksnejše ogljikovodike oziroma kapljevita goriva," razlaga Katrašnik. Ponekod po Evropi, tudi v okviru ljubljanskega LPP, že vozijo avtobusi na vodik, Pipistrel je nedavno opravil več testnih poletov z vodikovim električnim letalom HY4. "Letalski transport na daljše razdalje bo še nekaj časa na kapljevita ogljikovodična goriva, naš namen pa je, da v teh gorivih izrinemo fosilne deleže."

"Uporabimo lahko zelo veliko obstoječe tehnologije, to je prednost; izziv pa je to, da ko gre za premikanje vozila, potrebujemo štirikrat ali petkrat večjo enoto električne energije samo za proizvodnjo e-goriv, kot če bi za ta pogon uporabili električno energijo." In kje je mesto vodika? "Nekje vmes. V vodik ne moremo shraniti tolikšne količine energije kot v kapljevita ogljikovodična goriva, lahko pa je shranimo več kot elektrika. Pri vodiku je ta pomnožitveni faktor dva in pol. Zagotovo bomo za prevoz z vozili, ki za gorivo uporabljajo vodik, potrebovali več obnovljive električne energije, ampak s tem bomo imeli daljši doseg in krajše polnilne čase, zato ima tudi raba vodika svojo ciljno aplikacijo." Obseg trga je po njegovih besedah še precej nejasen, prav tako ni nujno, da bo v vseh delih sveta enak.

Cena bo velik izziv

Trenutno so vodikove tehnologije še dražje, o tem ni dvoma, pravi Katrašnik. "Za proizvodnjo se trenutno najbolj uporabljajo elektrolizerji. Te naprave niso poceni. Vodik ni energijski vektor, ki bo postal prevladujoč, ampak bo ena izmed boljših, v nekaterih segmentih tudi najboljša rešitev."

Kako pa je z vprašanjem energetske bilance – kje bomo dobili vso to energijo za proizvodnjo zelenega vodika? »Del odgovora se že ponuja,« dodaja Katrašnik. "Trenutno nameščamo ogromno fotovoltaike in vetrne energije. V dneh, ko nastane presežek energije, bi bila vpeljava vodikovih tehnologij smiselna, ker bi jo lahko prestregli in pretvorili v vodik. Ena izmed možnosti je, da bi jo shranjevali v baterije, a je shranjevanje dražje. Naslednja možnost so črpalne elektrarne, a zanje so potrebni naravne danosti in dovoljenja. Možnosti za prestreganja presežkov energije je kar nekaj, ena izmed njih je vodik. Če bomo vodik proizvajali z nizko ali skoraj negativno ceno električne energije, se lahko zniža njegova cena, če pa bomo namensko instalirali obrate samo za proizvodnjo energije, bo cena veliko višja."

Evropa zelo stavi na vodik

Evropska unija se je z vodikom začela ukvarjati leta v začetku tisočletja, ko so ustanovili High Level Group on Hydrogen. To je bilo neuradno posvetovalno telo Prodijeve komisije, v katerem so bili raziskovalci, industrija, končni uporabniki in predstavniki oblasti. Zgodnji evropski okvirni programi so že financirali, čeprav nesistematično in razpršeno, raziskave gorivnih celic in vodikovih tehnologij, pojasnjuje Huš. V obdobju od leta 2007 do leta 2013 so ustanovili skupno podjetje FCH (Fuel Cells, Hydrogen), v katerem je bila na voljo skoraj milijarda evrov sredstev, od tega polovica za raziskovalni sektor in polovica za gospodarstvo. Odtlej se je znesek le še višal. "Trenutno govorimo o najmanj 13 milijardah, če bi sešteli samo javno financiranje raziskovalnih projektov, ki se neposredno ukvarjajo z vodikovimi tehnologijami. Vanje pa vlaga tudi gospodarstvo." Sprva so bili raziskovalni projekti še zelo razpršeni, v zadnjem desetletju pa je financiranje bolj sistemsko.

Evropska unija danes porabi približno 10 megaton (10 milijonov ton) vodika na leto. Ta je skoraj ves siv, torej iz fosilnih goriv. "Da bi proizvedli toliko zelenega vodika, bi potrebovali približno 550 TWh električne energije, ocenjuje Evropska komisija. To je dobrih 10 odstotkov vse elektrike, ki je proizvedemo v Evropi, ali štiridesetkrat več električne energije, kot je proizvaja Slovenija," dodaja Matej Huš.

Delež zelenega vodika minoren

Leta 2021 je globalna proizvodnja vodika znašala 120 megaton, od tega so iz nizkoogljičnih virov pridobili le 0,7 megaton vodika, pa še to večino modrega. Proizvodnja zelenega vodika znaša manj kot desetinko odstotka in je zanemarljiva. Vodikova strategija, ki jo je Evropska komisija predstavila leta 2020, predvideva podvojitev uporabe vodika v Evropi, in sicer do leta 2030 na 20 megaton. Od tega pričakujejo, da bo polovico proizvedla sama na zeleni način, polovico pa uvozila. Do leta 2050 naj bi se proizvodnja vodika v Uniji tako povečala za desetkrat, na 100 megaton, od tega pa naj bi več kot 80 odstotkov proizvedli na zeleni način. To bi porabo električne energije v Evropi podvojilo, razlaga Huš.

Kot dodaja, vodikova strategija Evropske komisije predvideva, da "bo prihodnje leto v Uniji za šest GW-elektrolizerjev za proizvodnjo zelenega vodika, to pa ustreza proizvodnji približno desetkratnika jedrske elektrarne Krško. S tem bi proizvedli 0,8 megatone vodika na leto; to je še daleč od želenih 10 megaton." Do leta 2030 načrtujejo za 40 GW proizvodnih zmogljivosti, s katerimi bi proizvedli pet megaton vodika na leto. "To je polovica današnje porabe, ki bo tedaj zagotovo višja, ocenjujejo, da vsaj za 70 odstotkov."

"Po teh scenarijih, ki so v resnici zelo optimistični, pa bo zelenega vodika manj od trenutnih potreb, kaj šele novih zaradi dodatne hidridizacije," ocenjuje Huš. "Seveda vodika ne bo zmanjkalo, le proizvajali ga bomo še naprej tudi na sivi način, torej iz metana. Obljubljajo cenejše in do okolja prijaznejše metode za zajem ogljikovega dioksida, ki ob tem nastaja, torej prehod na modri vodik, a tehnologija je še strahovito draga. Dokler jih ne bo, bomo imeli sivi vodik z večjim ogljičnim odtisom, kot če bi neposredno uporabljali metan – kjer to gre."

V Bruslju se sicer po podatkih Corporate Europe Observatoryja za lobiranje za vodikove tehnologije porabi 75 milijonov evrov na leto, "to je celo več od uradno prijavljenih lobističnih proračunov tehnoloških gigantov, ki porabijo 43 milijonov evrov, ali finančne industrije s 40 milijoni evrov".

In kje naj bi se izvajala načrtovana proizvodnja zelenega vodika? Evropska komisija načrtuje uvoz 10 megaton zelenega vodika na leto. "Če bo ta vodik res zelen in hkrati ne bo izkoriščal izvoznic, je to načelno pozitivno, sicer pa bo to novi kolonializem." Unija naj bi partnerstva podpisala z nekaterimi afriškimi (Egipt, Kenija, Namibija …) in južnoameriškimi državami.

Pri nas Severnojadranska vodikova dolina

Konec septembra so pri nas zagnali 200 milijonov evrov vreden projekt tako imenovane Severnojadranske vodikove doline, ki je eden prvih tovrstnih v Evropi. Projekt je po besedah Tomaža Katrašnika z ljubljanske Fakultete za strojništvo zelo pomemben za razmah vodikovih tehnologij v regiji. Pridobile so ga tri države: Italija, Hrvaška in Slovenija. "Njegov namen je zagotoviti 5000 ton zelenega vodika na leto in da bi ga vsaj 1000 ton tudi prečkalo meje." Veliko večino vodika želijo proizvesti s fotovoltaiko, nekaj tudi z vetrno energijo. S projektom poskušajo po Katrašnikovih besedah pokriti celotno verigo – od proizvodnje in logistike do rabe v različnih sektorjih. "Ta energijski vektor doslej ni bil tako navzoč v industriji in družbi, zato je treba hkrati upoštevati številne udeležence, ki so vključeni v verigo." Uporabljali bi ga v steklarstvu, jeklarstvu, pa tudi v kemijski industriji. "Naslednja uporaba pa bo, kot rečeno, v transportu. Pri nas merimo na cestni promet, na Hrvaškem tudi na pomorskega."