Pridobivanje vodika in metana iz jedrskih elektrarn

Vodik

Vodik je v vesolju najpogostejši element, saj predstavlja kar tri četrtine vse snovi in je najpomembnejši gradnik vseh zvezd, galaksij in ostalih stvari v vesolju. Na Zemlji samostojnega prostega vodika, v smislu vodikovega plina (H2), skoraj ne najdemo, saj je zelo reaktiven in hitro reagira in tvori razne spojine, zaradi česar ga je težko shranjevati, kot molekularni plin pa je veliko lažji od zraka, zaradi česar se dviguje in uhaja iz atmosfere. Vodik je eksploziven plin in ima v primerjavi z ostalimi gorivi zelo majhno volumsko energijsko gostoto, veliko manjšo kot npr. bencin ali metan, kar posledično vodi v potrebo po velikih skladiščih ali velikih rezervoarjih.

Proizvodnja in poraba vodika

Približno 96 % vsega vodika je proizvedenega iz zemeljskega plina, nafte in premoga, le 4 % pa z direktno elektrolizo in kot stranski produkt pri elektrolizi za proizvodnjo klora. Večina vodika se trenutno še vedno porabi za proizvodnjo amonijaka in v rafinerijah nafte.

Proizvodnjo vodika lahko razdelimo na:

• Vodik proizveden z elektrolizo vode, pri katerem se uporablja električna energija, pridobljena samo s proizvodnjo brez izpustov CO₂. To so jedrske elektrarne (roza vodik), hidroelektrarne, sončne elektrarne in elektrarne na veter (zeleni vodik).
• Vodik proizveden s pirolizo biomase, ki je proizvedena trajnostno, pri tem ne nastaja dodaten CO₂. Ta način lahko z bilančnega vidika štejemo za CO₂ nevtralen način.
• Vodik proizveden z elektrolizo vode, pri kateri se uporablja elektrika iz omrežja.
• Vodik proizveden s pomočjo parnega preoblikovanja fosilnih virov energije (predvsem zemeljski plin in tudi premog), brez zajemanja CO₂ (sivi vodik).
• Vodik proizveden s pomočjo parnega preoblikovanja fosilnih virov energije (predvsem zemeljski plin in tudi premog), s tehnologijo zajemanja in shranjevanja CO₂, vendar so te tehnologije še v razvoju (modri vodik).
• Vodik kot stranski produkt pri drugih procesih.

Od vseh naštetih, razen pri prvi alineji, gre vedno za izpuste CO₂ in različno upravljanje z njimi.

Tipi gorivnih celic:

• Alkalne gorivne celice (AFC)
• Gorivne celice s polimerno membrano (PEMFC)
• Gorivne celice s fosforjevo kislino (PAFC)
• Gorivne celice s tekočim karbonatom (MCFC)
• Oksidno keramične gorivne celice (SOFC)

Sintetični metan

Elektrika v Plin (Power to Gas ali PtG) je primerna tehnologija za shranjevanje energije, ki lahko zagotavlja večjo prilagodljivost električnega sistema. Koncept PtG vključuje dve možnosti glede na končni produkt: čisti vodik (PtH₂) ali sintetični metan (PtSNG).

Trenutno obstajajo tri možne poti integracije vodika v plinsko omrežje:

• mešanje metana in vodika (CH₄/H₂) v obstoječem plinovodnem sistemu
• 100 % H₂ v naprednem plinovodnem sistemu
• metanacija in uporaba 100 % CH₄ v obstoječem plinovodnem sistemu

Vodik v zemeljskem plinu se obravnava kot nečistoča, zato je vsebnost vodika v zemeljskem plinu omejena na nekaj odstotnih točk, saj metanu zmanjša kurilno vrednost in vpliva na opremo za prenos zemeljskega plina (npr. staranje materiala, zmanjšanje elastičnosti) ter povzroča tehnološke težave na prenosnem sistemu (npr. vibracije, staranje opreme). Zaradi želje po vse večji uporabi brezogljičnih tehnologij, kamor spada tudi vodik, se dovoljena vrednost maksimalnega deleža vodika v zemeljskem plinu povečuje, vendar je zelo malo verjetno, da bo ta omejitev kadarkoli bistveno višja kot 10 %, v najbolj optimističnem primeru do 20 %.

Za prehod na plinovod, ki bo sposoben sprejeti večje količine vodika, oziroma povsem čist vodik, bo potrebno definirati kakovost vodika, tako za območje normalnega obratovanja, kot za območje obratovanja v posebnih razmerah. Za varno delovanje omrežij in učinkovito upravljanje je potrebno raziskati in oceniti vpliv vodika na obstoječo infrastrukturo za zemeljski plin. Pri zmeseh z večjim deležem vodika se soočamo z večjimi težavami in omejitvami po celotnem omrežju, vključno z materiali cevovodov in spremembami, potrebnimi za kompresorje, tesnila, merilnike itd. Posebno pozornost je treba nameniti tesnjenju (puščanju), energiji vžiga, območju vnetljivosti in karakteristikam materialov.

 Boljša rešitev, kot uporaba čistega vodika, oziroma kot dodajanje čistega vodika v zemeljski plin je konverzija vodika v metan (sintetičen metan). S konverzijo vodika v sintetičen metan pridobimo energetski vektor, ki ga lahko brez omejitev dodajamo v omrežje zemeljskega plina (zemeljski plin sestavlja v veliki večini prav metan) in ga tudi povsem brez omejitev uporabljamo v vseh že obstoječih napravah, ki so narejene za uporabo navadnega zemeljskega plina.

Proizvodnja vodika v jedrskih elektrarnah

Vsak jedrski reaktor je lahko osnova za proizvodnjo vodika. Energijo (toploto in elektriko) za proizvodnjo vodika lahko zagotavljajo že obstoječe jedrske elektrarne II. generacije, pri čemer gre v večini primerov za lahkovodne tehnologije (PWR in BWR), vodik pa lahko proizvajajo tudi vse ostale jedrske elektrarne. Prednost proizvodnje vodika je velika ekonomska učinkovitost procesa zaradi velike operativne zmogljivosti – tj. ur, ko se proces lahko nemoteno in v polni moči izvaja. To ponuja, predvsem v primerjavi z OVE, nujno časovno stabilnost oskrbe z vodikom.

Okoljsko smiselni so procesi, kjer se kot surovina za proizvodnjo vodika uporablja voda, tehnično izvedljivi pa procesi, kjer je za proizvodnjo vodika iz vode potrebna elektrika, torej nizkotemperaturna elektroliza. V nizkotemperaturno elektrolizo spadata dva postopka, alkalni elektrolizni postopek ter elektrolizni postopek s protonsko izmenljivo membrano (PEM elektroliza).

Več držav in jedrskih elektrarn po svetu razvija pilotne projekte za proizvodnjo vodika v kombinaciji z jedrsko energijo, saj se vodik vidi kot ključni element v prehodu na nizkoogljično družbo. Nekatere države in jedrske elektrarne, ki so vključene v te projekte so ZDA z elektrarnama Nine Mile Point ter Davis-Besse, Francija, Rusija, Japonska, ZAE itd.

Proizvodnja vodika v jedrskih elektrarnah v prihodnosti

Proizvodnja vodika z uporabo visokotemperaturnih jedrskih reaktorjev IV. generacije bo omogočila doseganje višjih izkoristkov in proizvodnjo večjih količin vodika. Jedrske elektrarne IV. generacije še niso komercialno dobavljive, zato takšna proizvodnja v praksi še ni izvedena. Na svetu pa že obstajajo številni prototipni in demonstracijski jedrski reaktorji IV. generacije, ki že dosegajo veliko višje temperature hladila, kot obstoječi komercialne jedrske elektrarne. V tem primeru pride za proizvodnjo vodika v poštev več postopkov, kot zgolj nizkotemperaturna elektroliza, saj imamo poleg električne energije na voljo tudi toploto. Smiselni so termokemični in hibridni postopki.

Stroški brezogljičnega vodika

Proizvodnja vodika je močno odvisna od faktorja razpoložljivosti vira električne energije. Za boljšo ekonomičnost je potreben čim večji faktor razpoložljivosti.

Strošek produkcija kilograma vodika iz sončne energije (pri kateri je strošek CapEx 1.095 USD/kW) znaša 4,28 UDS/kg pri 27% faktorju razpoložljivosti – tak faktor razpoložljivosti imajo sončne elektrarne na optimalnih legah v puščavi. V Sloveniji je faktor razpoložljivosti za sončne elektrarne med 10% in 15%, kar pomeni da bi strošek produkcije znašal tudi preko 10 USD/kg vodika.

Med cene, ki jih prikazuje slika zgoraj je dodana tudi vetrna energija na kopnem z nameščenimi stroški 1.555 USD/kW in faktorjem zmogljivosti od 30 % do 50 % (te stroške prevzema tudi Nacionalni laboratorij za obnovljive vire energije, pri čemer se, za veter na kopnem, uporablja srednji primer za leto 2019). Najnižji dosegljivi stroški vodika, pridobljenega iz vetra na kopnem, so tik pod 3 USD/kg (tudi ob predpostavki 64-odstotne učinkovitosti elektrolize). V manj optimalnih pogojih (faktor zmogljivosti 35 % ali manj), se stroški povzpnejo nad 4 USD/kg. Vetrnice na morju dosegajo višje faktorje zmogljivosti, vendar imajo tudi višji CapEx, tako da je najnižji dosegljivi strošek 3,50 USD/kg za vodik. Vetrnici v Sloveniji imata faktor razpoložljivosti 21% (Vir: ELES, 5 letno povprečje).

Slika prikazuje tudi stroške proizvodnje čistega vodika, pridobljenega iz OVE ali kombinacije elektrike in čiste toplote iz jedrske elektrarne, z uporabo dveh različnih kapitalskih stroškov za leto 2019 za visoko temperaturno elektrolizo. Jedrske novogradnje, kot so novo zgrajene elektrarne  v EU in ZDA (prototipni projekti), ne morejo proizvajati vodika za manj kot 4 USD/kg, tudi z višjim faktorjem zmogljivosti. Nizkocenovne novogradnje (standardizirani projekti), na primer na Kitajskem ali drugih azijskih trgih, lahko vodik proizvedejo z približno 2 USD/kg, kar je verjetno najcenejša kratkoročna možnost od vseh različnih tehnologij. Vse te možnosti pa so po trenutnih cenah predrage, da bi lahko vplivale na globalne emisije ogljika zaradi uporabe vodika.

V nekaterih delih sveta, ob dobavljivosti dovolj poceni toplote, bi se lahko vodik proizvajal že za skoraj 1 USD/kg (na osnovi visokotemperaturne elektrolize ob jedrski elektrarni s polno amortizirano investicijo). Samo za vodik, pridobljen iz čiste toplote jedrskih elektrarn se pričakuje, da bo konkurenčen vodiku iz fosilnih goriv. Z najbolj optimističnim scenarijem izdelave malih modularnih reaktorjev bi lahko dosegli skoraj enako ceno v rangu okoli 1 USD/kg.