UPORABA VODIKOVIH TEHNOLOGIJ V CESTNEM PROMETU V SLOVENIJI magistrsko delo Študent: Študijski program: Mentor: Lektorica: Matej Jamnik magistrski štud

Transkripcija

1 UPORABA VODIKOVIH TEHNOLOGIJ V CESTNEM PROMETU V SLOVENIJI magistrsko delo Študent: Študijski program: Mentor: Lektorica: Matej Jamnik magistrski študijski program 2. stopnje Energetika red. prof. dr. Jurij Avsec Alenka Mirkac, prof. slov. Krško, november 2016 I

2 II

3 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju dr. Juriju Avscu za pomoč, vodenje in nasvete pri izdelavi diplomskega dela. Posebej se zahvaljujem staršem in ostalim družinskim članom, ki so mi študij omogočili in me v teh letih kakorkoli podpirali. Hvala Bogu za blagoslov in varstvo v vseh dosedanjih letih. III

4 UPORABA VODIKOVIH TEHNOLOGIJ V CESTNEM PROMETU V SLOVENIJI Ključne besede: vodik, goriva, promet, energijski viri UDK: 656:[ ](497.4)(043.2) Povzetek V primeru srednje- in dolgoročnega uvajanja vodikovih tehnologij v cestni promet bo treba predvideti potrebe po vodiku in zagotoviti ustrezne energetske vire za njegovo proizvodnjo. V tej nalogi so zbrani podatki o porabi pogonskih goriv v osebnem potniškem prometu v Sloveniji. Na osnovi tega so predvidene potrebne količine vodika, ki bi nadomestile trenutno uporabljana goriva. Nadalje so predstavljeni ključni energetski viri, z uporabo katerih bi lahko proizvajali vodik, in primerjava potencialnih proizvodnih zmogljivosti s predvidenimi potrebami. Poudarek je na obnovljivih virih energije in drugih okolju prijaznih postopkih. IV

5 APPLICATION OF HYDROGEN TECHNOLOGIES IN ROAD TRAFFIC IN SLOVENIA Key words: hydrogen, fuels, traffic, energy sources UDK: 656:[ ](497.4)(043.2) Abstract In the case of middle- and long-term introduction of hydrogen technologies in road traffic it will be necessary to predict needs of hydrogen and to provide appropriate energy sources for its production. In this master thesis the information about fuel consumption in personal passenger traffic in Slovenia is collected. On that basis quantities of hydrogen needed to replace currently used fuels are predicted. Furthermore, some key energy sources for hydrogen production and comparison of potential production capacities with predicted needs of hydrogen are presented. The focus of attention is renewable energy sources and other environment-friendly processes V

6 KAZALO VSEBINE 1 UVOD OPIS PROBLEMA PRIMER AVTOMOBILA S POGONOM NA GORIVNE CELICE TOYOTA MIRAI REGISTRIRANA OSEBNA VOZILA V SLOVENIJI IN POTREBE PO POGONSKIH GORIVIH PORABA POGONSKIH GORIV ZA OSEBNE AVTOMOBILE V SLOVENIJI NEKATERI DRUGI KAZALNIKI Število osebnih avtomobilov glede na prostornino motorja Rast števila osebnih avtomobilov in prve registracije novih vozil v obdobju POTREBE PO VODIKU V PRIMERU PREHODA NA VODIKOVE TEHNOLOGIJE V CESTNEM PROMETU POTREBE PO ELEKTRIČNI ENERGIJI V PRIMERU PREHODA NA ELEKTRIČNA VOZILA V CESTNEM PROMETU POTREBE PO POLNILNICAH V SLOVENIJI IN MOŽNE PRIMERNE LOKACIJE PREGLED TRENUTNEGA STANJA UTEMELJITEV ZA IZBIRO STROŠKOVNA PRIMERJAVA VOZIL GLEDE NA VRSTO POGONA PREDVIDENA ČASOVNICA PREHODA NA VODIKOVE TEHNOLOGIJE V OSEBNEM POTNIŠKEM PROMETU V SLOVENIJI MOŽNOSTI ZA PRIDOBIVANJE VODIKA IN USTREZNI VIRI ENERGIJE V SLOVENIJI KRITERIJI ZA PRESOJANJE TEHNOLOGIJ PRIDOBIVANJA VODIKA IN MOŽNIH VIROV PRIMARNE ENERGIJE TRENUTNO STANJE NA PODROČJU PRIDOBIVANJA, VIROV, PORABE IN CENE VODIKA V SVETOVNEM MERILU VI

7 9.3 PRIDOBIVANJE VODIKA IZ VODE Z ELEKTROLIZO Elektroliza s koriščenjem viškov električne energije Ovrednotenje pridobivanja vodika z elektrolizo TERMOKEMIČNI PROCESI PRIDOBIVANJA VODIKA Izkoristki termokemičnih ciklov pridobivanja vodika in njegove porabe Primerni viri energije za pridobivanje vodika v termokemičnih ciklih v Sloveniji Količina pridobljenega vodika Ovrednotenje pridobivanja vodika v termokemičnih ciklih PRIDOBIVANJE VODIKA S KORIŠČENJEM VETRNE ENERGIJE Potencial vetrne energije v Sloveniji Količina pridobljenega vodika Ovrednotenje pridobivanja vodika s koriščenjem vetrne energije PRIDOBIVANJE VODIKA S KORIŠČENJEM ELEKTRIČNE ENERGIJE, PRIDOBLJENE V SONČNIH ELEKTRARNAH Potencial sončne energije v Sloveniji Količina pridobljenega vodika Ovrednotenje pridobivanja vodika s koriščenjem električne energije, pridobljene v sončnih elektrarnah DRUGI NAČINI KORIŠČENJA SONČNE ENERGIJE ZA PRIDOBIVANJE VODIKA Ovrednotenje drugih načinov koriščenja sončne energije za pridobivanja vodika PRIDOBIVANJE VODIKA S KORIŠČENJEM HIDROENERGIJE Potencial hidroenergije v Sloveniji Količina pridobljenega vodika Ovrednotenje pridobivanja vodika s koriščenjem hidroenergije PRIDOBIVANJE VODIKA IZ BIOMASE VII

8 9.9.1 Potencial biomase in bioplina v Sloveniji Količina pridobljenega vodika Ovrednotenje pridobivanja vodika iz biomase RAZPRŠENA IN CENTRALNA PROIZVODNJA VODIKA Razpršena proizvodnja Centralna proizvodnja ZBRANI REZULTATI IN KOMENTAR SKLEP VIRI IN LITERATURA PRILOGE PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA VIII

9 KAZALO SLIK Slika 4.1: Deleži posameznih vrst cestnih vozil v Sloveniji [1]... 9 Slika 4.2: Delež osebnih avtomobilov glede na gorivo v Sloveniji [1] Slika 5.1: Teoretični in dejanski izkoristki motorjev z notranjim izgorevanjem in gorivnih celic ter celotnih pogonskih sklopov v vozilih [8] Slika 6.1: Kraji, ocenjeni kot primerni za postavitev prvih polnilnic vodika v Sloveniji [13] 29 Slika 7.1: Letni stroški goriva glede na vrsto pogona Slika 7.2: Skupni stroški nakupa vozila in goriva glede na vrsto pogona po letih Slika 7.3: Skupni stroški nakupa vozila in goriva glede na vrsto pogona in prevoženo razdaljo Slika 9.1: Območja s povprečno hitrostjo vetra več kot 4,5 m/s 50 metrov nad tlemi v obdobju [25] Slika 9.2: Globalno letno obsevanje na horizontalno površino v Sloveniji [27] Slika 10.1: Delež potreb po vodiku za pogon osebnega potniškega prometa v Sloveniji, ki bi ga lahko pokril posamezen energetski vir Slika 10.2: Delež potreb po vodiku za pogon osebnega potniškega prometa v Sloveniji, ki bi ga nadomestili obravnavani energetski viri brez jedrske energije Slika 10.3: Delež potreb po električni energiji za pogon osebnega potniškega prometa v Sloveniji, ki bi ga lahko pokril posamezen energetski vir IX

10 KAZALO TABEL Tabela 3.1: Glavne tehnične lastnosti sklopa gorivnih celic v Toyoti Mirai... 6 Tabela 3.2: Glavne tehnične lastnosti pretvornika Toyote Miari... 7 Tabela 3.3: Glavne tehnične lastnosti rezervoarja vodika Toyote Mirai... 8 Tabela 3.4: Nekatere druge tehnične lastnosti Toyote Mirai... 8 Tabela 4.1: Število osebnih avtomobilov v Sloveniji glede na vrsto goriva [1] Tabela 4.2: Povprečno število prevoženih kilometrov in povprečna poraba goriva na 100 km v osebnih vozilih v Sloveniji v letu 2014 glede na vrsto goriva [1] Tabela 4.3: Število osebnih avtomobilov v Sloveniji glede na prostornino motorja [1] Tabela 4.4: Rast števila osebnih avtomobilov in prve registracije novih vozil v Sloveniji v obdobju [1] Tabela 5.1: Tehnične lastnosti vodika [8] Tabela 5.2: Število in delež registriranih osebnih avtomobilov po slovenskih občinah [1] Tabela 6.1: Razdalje med kraji, primernimi za postavitev polnilnic vodika [12] Tabela 8.1: Predviden delež vozil z vodikom kot pogonskim gorivom v novih vozilih [20].. 35 Tabela 8.2: Predvideno število prvih registracij novih vozil z vodikom kot pogonskim gorivom v obdobju Tabela 9.1: Podatki o poceni električni energiji na izravnalnem trgu v Sloveniji v letu 2015 [23] Tabela 9.2: Pregled termokemičih ciklov pridobivanja vodika [8], [14] Tabela 9.3: Tehnični podatki Jedrske elektrarne Krško [24] Tabela 9.4: Število in skupna moč sončnih elektrarn glede na nazivno moč [29] Tabela 9.5: Posek lesa v Sloveniji v obdobju v 1000 m 3 [1] Tabela 9.6: Letni prirastek lesa v Sloveniji v obdobju v 1000 m3 [1] Tabela 9.7: Razlika med letnim prirastkom in letnim posekom lesa v Sloveniji v obdobju v 1000 m3 [1] Tabela 10.1: Potrebe po vodiku glede na različne scenarije uvajanja vodikovih tehnologij v promet in potencialni energetski viri za proizvodnjo vodika X

11 UPORABLJENI SIMBOLI C stopinja Celzija CH4 metan cm centimeter CO2 ogljikov dioksid d razdalja DC/AC pretvornik iz enosmerne v izmenično napetost DC/DC pretvornik enosmerne napetosti e - elektron f faktor FC povprečna poraba goriva GWh gigavatna ura H vodik H2O voda H2SO4 žveplova (VI) kislina Hi spodnja kurilna vrednost Hs zgornja kurilna vrednost hν foton K kelvin kg kilogram kj kilodžul km kilometer KM konjska moč kw kilovat XI

12 kwh kilovatna ura L liter m masa m 3 kubični meter min minuta MJ megadžul mj milidžul MPa megapaskal MW megavat MWh megavatna ura N število Ni-Mh nikelj metal hidrid Nm njutonmeter O kisik P moč s sekunda t čas t tona V prostornina V volt W energija wt% masni odstotek η izkoristek ρ gostota XII

13 UPORABLJENE KRATICE AC avtocestni DARS Direkcija za avtoceste Republike Slovenije GC gorivne celice HHV zgornja kurilna vrednost JEK Jedrska elektrarna Krško NEP Nacionalni energetski program OVE obnovljivi viri energije PEMFC gorivna celica s protonsko izmenljivo membrano SMR parni reforming metana SPTE soproizvodnja toplotne in električne energije SURS Statistični urad Republika Slovenije XIII

14 1 UVOD Ena pomembnejših nalog v energetiki je zagotavljanje zadostnih količin pogonskih goriv za promet. V Sloveniji okrog 40 odstotkov končne rabe energije predstavlja poraba v prometu. [1] Te potrebe se skoraj izključno pokrivajo s koriščenjem naftnih derivatov bencina in dizelskega goriva. Kljub zadnjim padcem cen nafte na svetovnih trgih je jasno, da so zaloge teh goriv omejene in da bomo v prihodnjih desetletjih morali najti nove vire energije tudi za promet. K temu nas še dodatno spodbujajo prizadevanja za zmanjševanje količin izpustov ogljikovega dioksida in drugih toplogrednih plinov v ozračje ter skrb za čistejši zrak predvsem v mestnih okoljih. Pri tem predstavljajo največji problem prašni delci, ki med drugim nastajajo tudi pri uporabi motorjev z notranjim izgorevanjem. Kot alternativa motorjem z notranjim izgorevanjem se najpogosteje omenjajo električni avtomobili, ki jih poganjajo električne baterije. Kar nekaj teh modelov že vidimo na naših cestah. Čeprav električni avtomobil sam po sebi ne proizvaja nobenih izpustov, pa ti nastajajo pri proizvodnji elektrike, če jo zagotavljamo z rabo fosilnih goriv v termoelektrarnah. Znatno povečanje uporabe električnih avtomobilov bi tako le delno zmanjšalo vpliv na okolje, saj bi velike količine potrebne električne energije težko zagotovili samo z obnovljivimi viri energije. Polnjenje baterij večjega števila električnih avtomobilov bi imelo velik vpliv tudi na električna omrežja. Glavni omejitvi pri sami uporabi električnega avtomobila sta doseg in predvsem čas polnjenja baterije. Druga alternativa je pogon z uporabo vodikovih tehnologij, pri čemer mislimo zlasti na gorivne celice. Te tehnologije so v primerjavi z električnimi avtomobili v zgodnejši fazi razvoja, klub temu pa se na trgu že pojavljajo prvi serijski avtomobili na gorivne celice. Povečuje se tudi število polnilnic z vodikom. Glavne prednosti vodikovih gorivnih celic so visoki izkoristki, ničelni izpusti ogljikovega dioksida, drugih toplogrednih plinov in prašnih delcev ter bistveno krajši čas polnjenja rezervoarja vodika v primerjavi z baterijo električnega avtomobila. Seveda pa je tudi na tem področju treba razrešiti še mnogo vprašanj. Danes veliko večino vodika 1

15 pridobimo iz ogljikovodikov, kar ne zmanjšuje odvisnosti od fosilnih goriv in izpustov ogljikovega dioksida. Polnilnic vodika je še bistveno premalo, da bi omogočale zadovoljivo avtonomnost vozila, proizvodna cena vodika pa je še previsoka. Tudi za proizvodnjo vodika je, podobno kot pri električnih avtomobilih, treba zagotoviti energijo iz obnovljivih virov ali drugih načinov, ki zmanjšujejo negativne vplive na okolje. Bistvena prednost vodikovih tehnologij je v tem, da je vodik kot nosilec energije možno shranjevati in ga zato pridelovati v času viškov razpoložljive energije. Električne energije ni mogoče shranjevati, ampak je treba proizvodnjo in porabo nenehno usklajevati, kar predstavlja velik problem za upravljanje elektroenergetskih omrežij. Namen te naloge je predvideti možne scenarije ob morebitnem znatnem povečanju deleža avtomobilov z gorivnimi celicami. Koliko vodika bi v Sloveniji v tem primeru morali zagotoviti? S katerimi energetskimi viri lahko pokrijemo potrebe po vodiku? 2

16 2 OPIS PROBLEMA Sama tehnologija avtomobila, ki ga poganjajo gorivne celice, je danes v grobem že rešena, bodo pa zagotovo potrebne številne izboljšave in predvsem zniževanje proizvodnih stroškov. Delovanje avtomobila z gorivnimi celicami je v nadaljevanju predstavljeno na primeru Toyote Mirai, ki je konec leta 2015 prišla na trge v Nemčiji, Veliki Britaniji in na Danskem, že prej pa jo je bilo mogoče kupiti na Japonskem in v ZDA. Uporaba vozil s pogonom na gorivne celice je seveda pogojena z ustrezno infrastrukturo polnilnic, zadostno ponudbo in konkurenčno ceno vodika na trgu. Ti vidiki poleg visoke cene vozil za zdaj zavirajo razmah vodikovih tehnologij v prometu. Mreža polnilnic z vodikom mora uporabniku omogočati udobno vsakodnevno uporabo in potovanje na večje razdalje. V začetni fazi uporabe vozil z gorivnimi celicami bo treba zagotoviti oskrbo z vodikom vsaj v večjih mestih in na primernih razdaljah na avtocestah. Če je ocenjen (US Department of Energy) doseg avtomobilov z gorivnimi celicami od 350 do 500 km [2] (proizvajalci navajajo tudi precej večje številke), morajo biti temu primerno razporejene tudi polnilnice. V Nemčiji je trenutno nekaj manj kot bencinskih servisov [3], od tega jih je po podatkih nemškega podjetja H2 MOBILITY [4] 19, na katerih je na voljo vodik pod tlakom 700 barov, ki omogoča polnjenje avtomobilskih rezervoarjev. Do leta 2023 naj bi bilo takih polnilnic v Nemčiji 400, kar bi omogočalo začetek praktične uporabe vodikovih tehnologij v prometu. V Sloveniji je trenutno le ena polnilnica vodika, in sicer na Petrolovem bencinskem servisu v Lescah, pa še na tej je vodik samo pod tlakom 350 barov, kar ne omogoča ustreznega polnjenja komercialnih avtomobilov na vodik. Ob uvajanju vodikovih tehnologij v promet bo treba predvideti ustrezno število in lokacije polnilnic, kar je obravnavano v 5. in 6. poglavju. 3

17 Osrednji problem pri uvajanju vodikovih tehnologij v promet je zagotavljanje vodika, ki naj bo cenovno primerljiv drugim pogonskim gorivom in proizveden na okolju prijazen način iz obnovljivih virov energije. Najprej je seveda treba predvideti, koliko vodika bi teoretično potrebovali, saj v Sloveniji v prometu porabljamo skoraj izključno naftne derivate [1]. Zato bomo v nadaljevanju s pomočjo statističnih podatkov o vozilih in porabi pogonskih goriv v Sloveniji poskušali predvideti potrebe po vodiku v odvisnosti od deleža osebnih vozil, ki bi jih poganjale gorivne celice. Šele po oceni, koliko vodika bi potrebovali, je smiselno razmišljati o možnih načinih proizvodnje. Trenutno 95 odstotkov vodika pridobimo iz fosilnih goriv, večino s procesom parnega reforminga metana (SMR), porabljamo pa ga skoraj izključno v industrijske namene. [5] Če bi znaten del vozil za pogon uporabljal vodik, bi bila poraba vodika mnogo višja. Uporaba sedaj uveljavljenih postopkov ni smiselna, saj ne zmanjšuje niti emisij ogljikovega dioksida niti odvisnosti od fosilnih goriv, kar bi upravičevalo uporabo vodika. Kljub temu je treba upoštevati, da je vodik, pridobljen s procesom SMR, trenutno daleč najcenejši in bo zato imel pomembno vlogo v fazi uvajanja vodikovih tehnologij v promet. Z razvojem novih tehnologij in predvsem optimizacijo in pocenitvijo nekaterih že obstoječih pa bi lahko v prihodnosti pridobivali ustrezne količine vodika neodvisno od fosilnih goriv. Ob pregledu trenutno uveljavljenih in razvijajočih se tehnologij bomo poskušali oceniti primerne načine proizvodnje vodika v Sloveniji in potencialno proizvodno zmogljivost ter to primerjati s predvidenimi potrebami po vodiku. Pri tem se bomo omejili na načine proizvodnje iz obnovljivih virov energije in druge načine, ki zmanjšujejo odvisnost od fosilnih goriv ali vpliv na okolje. V tem smislu je predvsem zanimiva elektroliza v času viškov električne energije. Tudi če je ta energija pridobljena iz konvencionalnih elektrarn, jo je morda smiselno porabiti za proizvodnjo vodika, saj se s tem uravnava razmerje proizvodnje in porabe v elektroenergetskem omrežju. Pri vsem tem je treba predvideti tudi tržno sprejemljivost cene proizvedenega vodika. Trenutne cene so previsoke, se pa znižujejo. 4

18 3 PRIMER AVTOMOBILA S POGONOM NA GORIVNE CELICE TOYOTA MIRAI Tehnologija gorivnih celic in delovanje avtomobilov s tem pogonom ni glavna tema te naloge, kljub temu pa je za razumevanje problematike treba poznati osnove avtomobilov z gorivnimi celicami. Za primer sem izbral Toyoto Mirai, ki je na evropski trg prišla konec leta Za zdaj jo je možno kupiti v Nemčiji, Veliki Britaniji in na Danskem, kar je povezano tudi z ustrezno infrastrukturo, ki je na voljo v teh državah. Cena se giblje od evrov dalje, prodali pa naj bi do 100 modelov, po celem svetu okrog Navzven se Toyota Mirai in ostali avtomobili na gorivne celice ne razlikujejo bistveno od kateregakoli drugega avtomobila, razen večjih odprtin za dovod zraka, potrebnega za delovanje gorivnih celic. Posebnost teh avtomobilov je pogonski sklop, ki ga sestavljajo: sklop gorivnih celic, pretvornik navzgor (pretvornik FC boost), baterija, elektromotor, enota za nadzor moči, visokotlačni rezervoar vodika. Naredimo lahko kratko primerjavo z ostalimi tipi avtomobilov. Pri motorjih z notranjim izgorevanjem gorivo (večinoma bencin ali dizel) zgoreva v delovnem prostoru (valjih) motorja, kar povzroči gibanje bata (mehansko delo). To gibanje se preko ostalih elementov pogonskega sklopa pretvori iz premega v rotacijsko in prenese na kolesa avtomobila. Pri avtomobilu z vodikovimi celicami imamo elektromotor, ki ga napaja elektrika, proizvedena v gorivnih celicah. Gibanje gredi, ki je posledica v elektromotorju opravljenega dela, je že v osnovi 5

19 rotacijsko. Zaradi drugačnih lastnosti elektromotorja odpade tudi potreba po menjalniku. Vozilo na električni pogon je precej bolj podobno vozilu z gorivnimi celicami. Od elektromotorja naprej med njima ni bistvenih razlik. Vir moči za elektromotor je električna energija, shranjena v bateriji. Ta je precej večja kot v vozilu z gorivnimi celicami, kjer shranjuje le viške električne energije. Opisi posameznih komponent so povzeti s spletnih strani proizvajalca Toyota. [6] Gorivna celica je naprava, ki proizvaja električno energijo s kemično reakcijo vodika in kisika. Vodik preko mreže cevk vstopa na anodo, okoliški zrak kot vir kisika pa na katodo gorivne celice. Obe elektrodi ločuje elektrolitska membrana iz trdnega polimera, ki ima na vsaki strani katalitsko plast in omogoča prehod vodikovih ionov iz anode na katodo. Posamezna gorivna celica je majhna in daje napetost, manjšo od enega volta, zato je več sto celic zaporedno povezanih v sklop, kar zagotavlja višjo napetost. Posamezne celice v sklopu so ločene s separatorji. V gorivnih celicah, kjer se kot gorivo uporablja vodik (v nekaterih tipih gorivnih celic so možna tudi druga goriva, npr. ogljikovodiki), je končni produkt reakcije samo kemijsko čista voda. Izpusti CO2 so zaradi tega nični, pri čemer pa je treba upoštevati sam proces proizvodnje vodika. Če se ga pridobiva iz fosilnih goriv, izpusti nastajajo že v tej fazi. Glavne tehnične lastnosti sklopa gorivnih celic v Toyoti Mirai so predstavljene v tabeli 3.1. Tabela 3.1: Glavne tehnične lastnosti sklopa gorivnih celic v Toyoti Mirai Število gorivnih celic 370 Največja moč 114 kw (155 KM) Volumska gostota moči 3,1 kw/l Pretvornik navzgor ali boost converter je element energetske elektronike in spada med direktne pretvornike DC/DC. V avtomobilu je njegova naloga dvig napetosti na motorju, s čimer se zmanjšuje potrebno število gorivnih celic, posledično pa masa in volumen vozila. Podobni pretvorniki se uporabljajo tudi v drugih Toyotinih modelih (npr. hibridih), kar je zmanjšalo 6

20 stroške razvoja pretvornika in zagotavlja večjo zanesljivost sistema. Nekatere njegove tehnične lastnosti so v tabeli 3.2. Tabela 3.2: Glavne tehnične lastnosti pretvornika Toyote Miari Največja izhodna napetost 650 V Prostornina 13 L Število faz 4 Metoda hlajenja vodno hlajen Baterija Ni-Mh (nikelj metal hidrid) shranjuje viške električne energije, ki nastajajo pri upočasnjevanju oziroma zaviranju. Sprošča jih med pospeševanjem in s tem dviguje zmogljivost motorja glede na izhodno moč gorivnih celic. Tako omogoča enostavnejšo in udobnejšo uporabo vozila. Kapaciteta baterije je 1,6 kwh. Elektromotor je v vozilih z gorivnimi celicami podoben ali kar enak kot v električnih avtomobilih. Model Mirai poganja Toyotin AC sinhronski motor z največjo močjo 113 kw (154 KM) in 335 Nm navora. Pri zaviranju deluje kot generator, proizvedena električna energija pa se shranjuje v baterijo. Enota za nadzor moči uravnava izhodno moč gorivnih celic ter polnjenje in praznjenje baterije glede na vozne razmere. Sestavljata jo tudi dva pretvornika: DC/AC za pretvorbo enosmerne napetosti gorivnih celic v izmenično, ki jo zahteva motor, in DC/DC, ki pretvarja napetost ob polnjenju/praznjenju baterije. Visokotlačni rezervoar vodika je zaradi potrebnih zelo visokih tlakov eden pomembnejših elementov v razvoju vozil z gorivnimi celicami. V Toyoti Mirai sta dva rezervoarja, ki sta nameščena pod zadnjimi sedeži. Njune lastnosti so prikazane v tabeli 3.3. Narejena sta iz treh slojev. Notranji je plastičen in zadržuje vodik. Srednji je iz plastike, ojačane z ogljikovimi vlakni, zunanji pa iz plastike, ojačane s steklenimi vlakni, kar varuje površje. 7

21 Tabela 3.3: Glavne tehnične lastnosti rezervoarja vodika Toyote Mirai Nazivni delovni tlak 70 MPa Delež mase vodika glede na rezervoar 5,7 wt% Notranja prostornina 122,4 L (60 L + 62,4 L) Največja masa shranjenega vodika 5 kg Z vidika uporabnosti avtomobila so bistvenega pomena še nekateri podatki (na svoji spletni strani jih podaja proizvajalec), predstavljeni v tabeli 3.4. Tabela 3.4: Nekatere druge tehnične lastnosti Toyote Mirai Doseg s polnim rezervoarjem Čas polnjenja rezervoarja Poraba goriva po ECE (mešan cikel) do 650 km okrog 3 min. 0,76 kg/100 km 8

22 4 REGISTRIRANA OSEBNA VOZILA V SLOVENIJI IN POTREBE PO POGONSKIH GORIVIH Pri določanju potreb po vodiku v prihodnosti je treba najprej narediti analizo trenutnega stanja vozil in porabe pogonskih goriv. Ker je področje prometa zelo široko, se bomo omejili na osebne avtomobile v Sloveniji. Osebni avtomobili in specialni avtomobili predstavljajo več kot tri četrtine cestnih vozil v Sloveniji (stanje ) (Slika 4.1), poleg tega pa se je v Evropi v letu 2015 začela prodaja prvih serijskih osebnih avtomobilov na gorivne celice: Hyundaija ix35 in Toyote Mirai. Iz teh dveh podatkov lahko zaključimo, da z izbranim segmentom zajemamo večino vseh vozil in da se bo uporaba vodikovih tehnologij najprej razširila prav med osebnimi vozili. To potrjuje smiselnost izbire. Slika 4.1: Deleži posameznih vrst cestnih vozil v Sloveniji [1] 9

23 Ključna podatka, ki ju moramo pridobiti, če želimo napovedati potrebe po vodiku v primeru uporabe vodikovih tehnologij v osebnih avtomobilih, sta: 1. poraba goriv v osebnih avtomobilih v Sloveniji, 2. energijska vrednost teh goriv. Iz energijske vrednosti porabljenih goriv lahko določimo energijsko ekvivalentno količino vodika, dobljeno vrednost pa popravimo z upoštevanjem različnih izkoristkov motorjev z notranjim izgorevanjem in gorivnih celic. Tako lahko predvidimo potrebe po vodiku, če se določen delež vozil zamenja z novimi z gorivnimi celicami. Za natančnejše napovedi pa so koristni tudi mnogi drugi podatki: 1. delež vozil glede na gorivo, 2. razporeditev osebnih vozil, njihovih prevoženih kilometrov in porabe goriva glede na vrsto goriva, 3. končna poraba energije v celotnem prometnem sektorju, 4. razporeditev vozil po občinah, saj je prve polnilnice vodika možno pričakovati v večjih mestih in ob avtocestnem omrežju, 5. število prvih registracij novih vozil, ki kaže na hitrost obnavljanja voznega parka, 6. rast števila osebnih vozil. 4.1 PORABA POGONSKIH GORIV ZA OSEBNE AVTOMOBILE V SLOVENIJI Do natančnih podatkov, koliko goriva se v Sloveniji porabi za pogon osebnih avtomobilov, seveda ni enostavno priti. Najenostavnejši podatek bi bil o količini prodanega goriva na bencinskih servisih, vendar nekatera podjetja te podatke obravnavajo kot poslovno skrivnost. Poleg tega je težko določiti, koliko tega goriva se porabi za pogon drugih vozil in strojev. Pri 10

24 določanju porabe goriva za pogon osebnih avtomobilov sem se zato oprl na podatke Statističnega urada Republike Slovenije (SURS), ki so prosto dostopni na podatkovnem portalu SI-STAT. Vsi pridobljeni podatki se nanašajo na leto SURS ima v svojih bazah podatkov povprečno število prevoženih kilometrov in povprečno porabo goriva na 100 km za vozila z dizelskimi in bencinskimi motorji ter vsa vozila. Pri tem ni natančno opredeljeno, katera so druga vozila, ki spadajo v kategorijo vseh vozil, in katera goriva z določeno kurilno vrednostjo porabljajo. Ker bencinski in dizelski avtomobili predstavljajo več kot 99 % vseh avtomobilov v Sloveniji (Slika 4.2), se mi zdi upravičeno, da ostanek zanemarimo. Slika 4.2: Delež osebnih avtomobilov glede na gorivo v Sloveniji [1] Če torej pomnožimo povprečno število prevoženih kilometrov, povprečno porabo goriva in število avtomobilov, dobimo količino porabljenega bencinskega in dizelskega goriva v motorjih 11

25 osebnih avtomobilov. Avtomobile z drugačnimi pogoni kot že rečeno zanemarimo. Potrebni podatki so v tabelah 4.1 in 4.2. Tabela 4.1: Število osebnih avtomobilov v Sloveniji glede na vrsto goriva [1] Vrsta goriva Število Električno vozilo 133 Bencin Dizel, nafta, plinsko olje Utekočinjen naftni plin Zemeljski plin 115 Ostalo Tabela 4.2: Povprečno število prevoženih kilometrov in povprečna poraba goriva na 100 km v osebnih vozilih v Sloveniji v letu 2014 glede na vrsto goriva [1] Povprečno število prevoženih kilometrov letno Povprečna poraba goriva (L/100 km) Neosvinčeni bencin Dizel ,7 6,3 Iz teh podatkov lahko nastavimo formuli za izračun porabljenega bencinskega in dizelskega goriva za pogon osebnih avtomobilov v letu V b = d FC N = 10235km 6,7L km = 417, L (4.1) m b = V b ρ b = 417, L 0,720kg L = 300, kg (4.2) kjer je: Vb volumen porabljenega bencinskega goriva (L); 12

26 d povprečno število prevoženih kilometrov letno (km); FC povprečna poraba goriva (L/100km); N število avtomobilov z bencinskimi motorji; ρb gostota bencinskega goriva (kg/l); mb masa porabljenega bencinskega goriva (kg). V d = d FC N = 16879km 6,3L km = 478, L (4.3) m d = V d ρ d = 478, L 0,875kg L = 419, kg (4.4) kjer je: Vd volumen porabljenega dizelskega goriva (L); d povprečno število prevoženih kilometrov letno (km); FC povprečna poraba goriva (L/100km); N število avtomobilov z dizelskimi motorji; ρd gostota dizelskega goriva (kg/l); md masa porabljenega dizelskega goriva (kg). Določimo še energijsko vrednost porabljenih goriv (viri za kurilne vrednosti goriv: [7]): W b = m b H i,b = 300, kg 42,7 106 J kg = 1, J (4.5) kjer je: Wb energijska vrednost porabljenega bencinskega goriva (J); 13

27 mb masa porabljenega bencinskega goriva (kg); Hi,b spodnja kurilna vrednost bencinskega goriva (J/kg). W d = m d H i,d = 419, kg 41,9 106 J kg = 1, J (4.6) kjer je: Wd energijska vrednost porabljenega dizelskega goriva (J); md masa porabljenega dizelskega goriva (kg); Hi,d spodnja kurilna vrednost dizelskega goriva (J/kg). Podatki o spodnji kurilni vrednosti bencinskega in dizelskega goriva se v različnih virih razlikujejo za do 10 %. Večinoma pa se kot orientacijske vrednosti upoštevajo te, ki so uporabljene v zgornjih enačbah. Skupna energijska vrednost porabljenega goriva za pogon osebnih avtomobilov v enem letu (2014) v Sloveniji znaša: W 2014 = W b + W d = 1, J + 1, J = 3, J (4.7) kjer je: W2014 energijska vrednost vsega porabljenega goriva v letu 2014 (J). Po podatkih SURS-a je končna poraba energije iz naftnih proizvodov v prometu leta 2014 znašala 7, J [1]. Torej znaša poraba za pogon osebnih avtomobilov 41 % vse porabljene energije v prometu. 14

28 4.2 NEKATERI DRUGI KAZALNIKI Število osebnih avtomobilov glede na prostornino motorja Pri določanju števila potencialnih kupcev vozil z gorivnimi celicami je smiselno upoštevati še nekatere podatke. Eden izmed njih je razporeditev osebnih avtomobilov glede na prostornino motorja, ki jo prikazuje tabela 4.3. Ta podatek je seveda pomemben samo pri motorjih z notranjim izgorevanjem, ne pa tudi pri električnih motorjih in gorivnih celicah. Zaradi tega bi bilo bolj smiselno obravnavati avtomobile glede na moč motorja, ki je pomembna za vse tipe motorjev, vendar dostopne statistične baze teh podatkov ne beležijo. Ti podatki so pomembni, ker so moči vozil z gorivnimi celicami od 100 kw navzgor (to velja za modele proizvajalcev Hyundai, Toyota in Honda, ki so ali pa bodo kmalu v prodaji v EU). Tudi sicer se pričakuje, da bodo avtomobili z gorivnimi celicami v prihodnosti nadomestili tiste z močnejšimi motorji in bodo namenjeni vožnji na večje razdalje, medtem ko naj bi električni avtomobili prevladali predvsem v mestih. Tabela 4.3: Število osebnih avtomobilov v Sloveniji glede na prostornino motorja [1] Prostornina motorja Število Delež do 1399 cm ,88 % od 1400 cm 3 do 2000 cm ,64 % nad 2000 cm ,48 % Čeprav ni mogoče določiti enostavne zveze med prostornino in močjo motorja z notranjim izgorevanjem, lahko vseeno predvidevamo, da gorivne celice ne bodo nadomeščale motorjev s prostornino do 1399 cm 3 in tudi ne dela vozil razreda od 1400 do 2000 cm 3 (tu se kaže pomanjkljivost statističnih podatkov, ki bi morali biti razdeljeni v več razredov). Tako lahko število potencialnih kupcev avtov z gorivnimi celicami iz tega razloga približno prepolovimo. 15

29 4.2.2 Rast števila osebnih avtomobilov in prve registracije novih vozil v obdobju Ta dva podatka sicer nista bistvena, saj v Sloveniji še ni v prodaji vozil z gorivnimi celicami, niti ni na voljo ustrezne infrastrukture, sta pa lahko v pomoč pri napovedih o hitrosti prehoda na vodikove tehnologije v osebnem potniškem prometu. Prikazana sta v tabeli 4.4. Tabela 4.4: Rast števila osebnih avtomobilov in prve registracije novih vozil v Sloveniji v obdobju [1] Leto Število vozil Rast števila glede na predhodno leto Število prvih registracij novih vozil Delež novih vozil ,26 % ,72 % ,46 % ,61 % ,04 % ,66 % ,21 % ,89 % ,43 % ,06 % 16

30 5 POTREBE PO VODIKU V PRIMERU PREHODA NA VODIKOVE TEHNOLOGIJE V CESTNEM PROMETU Preden izračunamo energijsko enakovredno maso vodika, moramo pojasniti pojem kurilne vrednosti in razliko v uporabi zgornje kurilne vrednosti Hs in spodnje kurilne vrednosti Hi. V Krautovem strojniškem priročniku je navedeno:»kurilnost je razlika entalpij udeleženih snovi pred zgorevanjem in po njem in pri konstantnem tlaku. Kurilnost navajamo na enoto mase goriva in jo označimo s H. Točne vrednosti za kurilnost goriva dobimo z merjenjem v posebnem kalorimetru, izračunane vrednosti pa so približne. Ločimo zgorevalno toploto, ki jo imenujemo tudi zgornjo kurilnost Hs, in kurilnost, ki jo po analogiji imenujemo tudi spodnjo kurilnost Hi. Zgorevalna toplota je količina toplote, ki jo dobimo, če pri hlajenju dimnih plinov, ki so nastali pri popolnem sežigu 1 kg goriva, izkoristimo kondenzacijsko toploto vodne pare v teh plinih. Spodnja kurilna vrednost je količina toplote, ki jo dobimo pri popolnem sežigu 1 kg goriva, kadar kondenzacijske toplote vodne pare v dimnih plinih ne izkoristimo.«[7] Ker v motorjih z notranjim izgorevanjem ne koristimo kondenzacijske toplote vodne pare, smo pri računanju energije, sproščene iz bencinskega in dizelskega goriva za pogon osebnih avtomobilov, vzeli spodnjo kurilno vrednost. Vodik je za namen pogona osebnih avtomobilov možno koristiti v motorjih z notranjim izgorevanjem, vendar je v tej nalogi predpostavljeno, da se vodik porablja v gorivnih celicah, ki poganjajo elektromotor v avtomobilu. Tako delujejo tudi vsi serijski avtomobili z gorivnimi celicami, ki so trenutno na trgu ali se bodo na njem pojavili v kratkem. Kot je pojasnjeno v [8], lahko pri gorivnih celicah, kjer gre za elektrokemijsko pretvorbo, za vodik vzamemo zgornjo kurilno vrednost Hs (tudi HHV higher heating value), saj že v sami reakciji v gorivni celici nastaja voda v tekoči obliki: 17

31 H 2 (g) O 2 (g) H 2 O (l) (5.1) Pri vodiku je razlika med zgornjo in spodnjo kurilno vrednostjo še posebej izrazita, okoli 18 % [8], medtem ko pri večini drugih goriv znaša do okoli 10 %. Pomembnejše tehnične lastnosti vodika so v tabeli 5.1. Tabela 5.1: Tehnične lastnosti vodika [8] Vrelišče (K) 20,3 Gostota tekočine (kg/m 3 ) 70,8 Gostota plina (kg/m 3 ) 0,0899 Izparilna toplota (kj/kg) 444 Zgornja kurilna vrednot (MJ/kg) 141,9 Spodnja kurilna vrednost (MJ/kg) 120,0 Difuzivnost v zraku (cm 2 /s) 0,63 Spodnja koncentracija vžiga (vol. % zraka) 4 Zgornja koncentracija vžiga (vol. % zraka) 75 Vžigna temperatura v zraku ( C) 585 Vžigna energija (mj) 0,02 Hitrost plamena (cm/s) 270 Pomembno je torej upoštevati zgornjo kurilno vrednost vodika, saj je visok izkoristek ena pomembnih prednosti uporabe gorivnih celic. Energijsko enakovredna masa vodika bi torej bila: m H,b = W b = 1, J H s,h 141, J/kg = 90,5 106 kg (5.2) 18

32 m H,d = W d = 1, J H s,h 141, J = 123, kg kg (5.3) m H = W 2014 H s,h = 3, J 141, J/kg = 214,3 106 kg (5.4) kjer je: mh,b masa vodika, energijsko ekvivalentna masi porabljenega bencinskega goriva (kg); mh,d masa vodika, energijsko ekvivalentna masi porabljenega dizelskega goriva (kg); mh masa vodika, energijsko ekvivalentna masi vsega porabljenega goriva v letu 2014 (kg); Hs,H zgornja kurilna vrednost vodika (J/kg). Izračunano vrednost lahko še dodatno popravimo z upoštevanjem različnih izkoristkov gorivnih celic in motorjev z notranjim izgorevanjem. Pri tem gre za zelo približne ocene, saj je nemogoče določiti povprečni izkoristek motorjev vseh avtomobilov. Po pregledu literature sem predpostavil povprečni izkoristek motorjev z notranjim izgorevanjem 30 % za bencinske in 35 % za dizelske, kar na primer ustreza tudi podatkom US Department of Energy [9]. Podobno so tudi pri gorivnih celicah podatki o izkoristku zelo različni. V splošnem se za gorivne celice tipa PEMFC, ki se uporabljajo tudi za pogon avtomobilov [6], navaja izkoristek % [8]. Thomas [10] v svojem članku upošteva izkoristek gorivne celice 51,8 %. V izračunu sem se odločil upoštevati izkoristek 45 %, da se izognemo preveč optimističnim napovedim. Izkoristki motorjev z notranjim izgorevanjem in gorivnih celic so prikazani tudi na Slika 5.1. Opazna je razlika med izkoristki samega motorja/gorivne celice in celotnega pogonskega sklopa. Za naš izračun ni toliko pomembno, katere izkoristke vzamemo, potrebno pa je, da pri vseh upoštevamo ali samo motor/gorivno celico ali celoten pogonski sklop. 19

33 Slika 5.1: Teoretični in dejanski izkoristki motorjev z notranjim izgorevanjem in gorivnih celic ter celotnih pogonskih sklopov v vozilih [8] Popravljena vrednost potrebne mase in energije vodika je tako: m H,b popr = m H,b η b = 90,5 106 kg 0,30 = 60, kg η GC 0,45 (5.5) m H,d popr = m H,d η d = 123,7 106 kg 0,35 = 96, kg η GC 0,45 (5.6) m H popr = m H,b + m H,d = 60, kg + 96, kg = (5.7) = 156, kg 20

34 W 2014 popr = m H popr H s,h = 156, kg 141, = 2, J J kg = (5.8) kjer je: mh,b popr popravljena izračunana masa vodika, energijsko ekvivalentna masi porabljenega bencinskega goriva (kg); ηb izkoristek Ottovega motorja z notranjim izgorevanjem na bencin; ηgc izkoristek gorivnih celic za pogon osebnega avtomobila; mh,d popr popravljena izračunana masa vodika, energijsko ekvivalentna masi porabljenega dizelskega goriva (kg); ηd izkoristek dizelskega motorja; mh popr popravljena izračunana masa vodika, energijsko ekvivalentna masi vsega porabljenega goriva v letu 2014 (kg); W2014 popr energijska vrednost vodika, ki bi nadomestil vso porabljeno gorivo v letu 2014 ob upoštevanju različnih izkoristkov motorjev z notranjim izgorevanjem in gorivnih celic (J). Tako smo izračunali enega ključnih podatkov pri uvajanju vodikovih tehnologij v osebni promet v Sloveniji. Vsa pogonska goriva bi teoretično lahko nadomestili s približno tonami vodika. Pri tem se je seveda treba zavedati, da kratko- in srednjeročno ni mogoče vseh osebnih avtomobilov zamenjati z novimi, ki bi jih poganjale gorivne celice. Ta proces je zelo nepredvidljiv in bo v vsakem primeru trajal nekaj desetletij. Izračunana številka pa nam služi kot osnova za nadaljnje izračune, saj bodo vozila z gorivnimi celicami v prihodnosti zagotovo imela svoj tržni delež. Iz tega bo izhajala tudi ocena potencialnih virov energije, s katero bi lahko v Sloveniji pokrivali potrebe po vodiku. Kot je bilo že navedeno, je v prvi fazi uvajanja vodikovih tehnologij v promet možno pričakovati polnilnice vodika ob avtocestnem omrežju in v večjih mestih. 21

35 To lahko utemeljimo s podatkom Direkcije za avtoceste Republike Slovenije (DARS), da je bilo v Sloveniji»na avtocestah in hitrih cestah v upravljanju DARS d.d., ki zasedajo skupaj približno 9 odstotkov dolžin celotnega slovenskega cestnega omrežja, v letu 2014 realizirano kar 49 odstotkov vsega cestnega prometa.«[11] Zaradi tega je pomemben podatek, koliko osebnih avtomobilov je v Sloveniji v večjih mestih ob avtocestnem križu. S tem lahko ocenimo število potencialnih uporabnikov vozil z vodikovimi gorivnimi celicami v prvi fazi, ko bodo potrebe po vodiku bistveno manjše kot ob morebitnem večjem razmahu teh vozil. Tabela 5.2 prikazuje število osebnih avtomobilov, registriranih v posamezni občini (prvih petnajst občin po številu registriranih osebnih avtomobilov). Z rdečo so v tabeli označene občine, ki smo jih ocenili kot primerne, da se v njih ali njihovi neposredni bližini postavijo prve polnilnice vodika. Izbira je utemeljena v naslednjem poglavju. Tabela 5.2: Število in delež registriranih osebnih avtomobilov po slovenskih občinah [1] Občina Število Delež Ljubljana ,23 % Maribor ,75 % Koper/Capodistria ,84 % Kranj ,65 % Celje ,29 % Novo mesto ,82 % Nova Gorica ,75 % Domžale ,72 % Velenje ,47 % Kamnik ,40 % Krško ,30 % Slovenska Bistrica ,26 % Brežice ,19 % Ptuj ,14 % Škofja Loka ,09 % 22

36 Skupni delež avtomobilov, registriranih v izbranih občinah znaša, 31,72 %. V nadaljevanju predpostavljamo, da je povprečno število prevoženih kilometrov, povprečna poraba goriva in razmerje bencinskih in dizelskih avtomobilov neodvisno od občin. Torej se v izbranih občinah porabi 31,72 % vse energije, porabljene za pogon osebnih avtomobilov v Sloveniji, enak je tudi delež potreb po vodiku, če bi vozila nadomestili z novimi s pogonom na gorivne celice. Potrebna količina vodika bi v tem primeru na letni ravni znašala skoraj ton: m H = 156, g 0,3172 = 49, kg (5.9) W H = m H H s,h = 49, kg 141,9 106 J kg = 0, J (5.10) kjer je: mh potrebna letna količina vodika za pogon osebnih avtomobilov na gorivne celice, ki bi teoretično nadomestili avtomobile v izbranih slovenskih občinah (kg); WH energijska vrednost količine vodika mh (J). Za primerjavo: svetovna proizvodnja vodika znaša okrog 50 milijonov ton, tisočkrat več [5]. 5.1 POTREBE PO ELEKTRIČNI ENERGIJI V PRIMERU PREHODA NA ELEKTRIČNA VOZILA V CESTNEM PROMETU Čeprav se ta naloga osredotoča na vodikove tehnologije, lahko na tem mestu brez težav ocenimo potrebe po električni energiji v primeru, da bi cestna osebna vozila, ki so trenutno v uporabi, nadomestili z električnimi. Pri tem upoštevamo nekoliko višji, 65% izkoristek električnega vozila v primerjavi z vozilom na gorivne celice. [10] Glede na rezultat enačbe 5.8 in omenjene izkoristke bi v letu 2014 za pogon vozil v osebnem potniškem prometu potrebovali 4,27 TWh električne energije. 23

37 W 2014 el = W 2014 popr η GC η EV = 2, J 0,45 0,65 = = 1, J = 4,27TWh (5.11) kjer je: W2014 el potrebna električna energije, ki bi ob uporabi električnih vozil nadomestila vse porabljeno bencinsko in dizelsko gorivo v letu 2014 (J, TWh); ηev izkoristek električnega vozila. Ocenimo lahko še moč elektrarne, ki bi bila potrebna za proizvodnjo potrebne električne energije. P el = W 2014 el N h/a = 4,27TWh 365,25 24h = 487MW (5.12) kjer je: Pel potrebna moč elektrarne za proizvodnjo električne energije, ki bi ob uporabi električnih vozil nadomestila vse porabljeno bencinsko in dizelsko gorivo v letu 2014 (MW); Nh/a povprečno število ur v letu. Moč elektrarne je ocenjena na približno 500 MW, kar je nekoliko manj od največjih proizvodnih enot, ki jih imamo trenutno v Sloveniji. Če bi upoštevali še potrebne remonte in druge zaustavitve elektrarn, ki zmanjšajo število delovnih ur, ter druge vrste prometa, bi vrednost še narasla. Ob tem pa se nismo niti dotaknili problema obremenitve elektroenergetskih omrežij, ki bi jih prineslo hkratno polnjenje tako velikega števila baterij električnih vozil. 24

38 6 POTREBE PO POLNILNICAH V SLOVENIJI IN MOŽNE PRIMERNE LOKACIJE 6.1 PREGLED TRENUTNEGA STANJA V Sloveniji trenutno stoji ena polnilnica vodika, in sicer na Petrolovem bencinskem servisu v Lescah. Projekt je demonstrativnega značaja in namenjen predvsem pridobivanju izkušenj. Polniti je mogoče osebne avtomobile in avtobuse, in sicer do 36 kilogramov vodika dnevno, kar zadošča za vsaj 6 vozil. Tlak, ki ga zagotavlja polnilnica, je 350 barov, kar pomeni, da ne omogoča učinkovitega polnjenja osebnih vozil na gorivne celice, za kar se zahteva tlak 700 barov. V načrtovanju sta še dve polnilnici, in sicer na Petrolovih bencinskih servisih Velenje in na AC-postajališču Barje (Ljubljana). V sosednjih državah so trenutno polnilnice vodika v Avstriji in Italiji. Nam najbližja je v Gradcu (ni javno dostopna), v Avstriji sta še na Dunaju in v Innsbrucku, načrtovana je v Linzu. V Italiji je nam najbližja polnilnica vodika v Bolzanu in je del projekta HyFIVE, ki naj bi z vodikovimi polnilnicami ustrezno opremil avtocesto Stuttgart-München-Innsbruck-Bolzano-Verona- Modena. V tem okviru so za zdaj načrtovane še tri polnilnice. V Nemčiji je 6 partnerjev (Air Liquide, Daimler, Linde, OMV, Shell in Total) ustanovilo podjetje H2 MOBILITY Deutschland, ki načrtuje izgradnjo 400 polnilnic do leta Za primerjavo, po podatkih iz statističnega poročila o bencinskih servisih v Evropi je v Nemčiji trenutno nekaj manj kot bencinskih servisov. [3] Trenutna infrastruktura v Sloveniji torej ne omogoča praktične uporabe vozila z gorivnimi celicami, niti tranzita preko Slovenije. Načeloma velja, da naj bi bile razdalje med polnilnicami 25

39 na avtocestah okoli 100 kilometrov ali manj. Pri umeščanju novih polnilnic je smiselno upoštevati tudi bližino večjih mest, s čimer se omogoči tudi lokalna uporaba vozil. V Sloveniji bi lahko najosnovnejšim potrebam po vodiku zadostili z nekaj polnilnicami ob avtocestnem križu. Glede na število registriranih avtomobilov, lego in medsebojne razdalje med posameznimi občinami sem izbral primerne za postavitev polnilnic vodika. Ocenjujem, da bi v Sloveniji potrebovali 8 polnilnic v naslednjih občinah ali njihovi bližini: Ljubljana (dve polnilnici), Maribor, Celje, Koper, Nova Gorica, Kranj, Krško ali Brežice ali Novo mesto. Tudi zgledi iz Nemčije in Avstrije kažejo, da je črpalke v prvi fazi uvajanja vodikovih tehnologij smiselno postavljati v večjih mestih v neposredni bližini avtocestnih vozlišč (v Avstriji na primer Dunaj, Linz in Innsbruck). Velikost mest je v Nemčiji seveda povsem drugačna kot v Sloveniji, toda če primerjamo število prebivalcev (Nemčija 82 milijonov, Slovenija 2 milijona) in predvidenih 400 polnilnic v Nemčiji, bi temu ustrezalo okoli 10 polnilnic v Sloveniji. Natančnejše umeščanje polnilnic ni stvar energetike, ampak drugih strok. 6.2 UTEMELJITEV ZA IZBIRO Ljubljana je največje mesto v Sloveniji z največ registriranimi avtomobili ( ), skoraj trikrat toliko kot drugi Maribor. Ima tretjo najvišjo povprečno plačo v Sloveniji [1]. Obenem leži v središču Slovenije, tu se stikajo vsi štirje kraki slovenskega avtocestnega križa. Ena polnilnica je že načrtovana na avtocestnem počivališču Barje. Druga primerna lokacija bi bila v severnem delu mesta. S tem bi pokrili avtocestni promet, ki se izogne južni ljubljanski obvoznici. Poleg tega je v tem delu sosednja občina Domžale z registriranimi avtomobili (8. mesto v Sloveniji). 26

40 Maribor je drugo največje mesto v Sloveniji in drugo po številu registriranih avtomobilov (50.729). Je tudi pomembno prometno križišče z avtocestnimi povezavami do Ljubljane, Gradca, Zagreba (deloma v gradnji) in Madžarske. Smiselno umeščena polnilnica med razcepoma Slivnica in Dragučova (razdalja 13 km [12]) bi lahko pokrivala potrebe tranzita in morebitnih uporabnikov iz mesta. Primerne so tudi razdalje od Maribora do Gradca in Zagreba, prvih večjih mest v sosednjih državah, kjer lahko pričakujemo polnilnice. Razdalja do Gradca je 78 km, do Zagreba 103 km [12]. Celje je v Sloveniji na petem mestu po številu registriranih avtomobilov (24.470) in leži na poti med Ljubljano (72 km) in Mariborom (50 km). Je najbolj smiselna vmesna točka med Ljubljano in Mariborom, ki sta med seboj oddaljena več kot 120 km. Koper je v Sloveniji na tretjem mestu po številu registriranih avtomobilov (30.375). Od Ljubljane (AC-počivališča Barje) je oddaljen 103 km, od Nove Gorice 91 km, od večjih sosednjih mest Trsta in Reke 22 oz. 84 km. Nova Gorica je v Sloveniji na sedmem mestu po številu registriranih avtomobilov (18.667). Od Ljubljane (AC-počivališča Barje) je oddaljena 103 km. V neposredni bližini je italijansko mesto Gorica s prebivalci. Verjetno bi bila v prvi fazi uvajanja vodikovih tehnologij smiselna ena polnilnica za obe mesti. Kranj je v Sloveniji na četrtem mestu po številu registriranih avtomobilov (28.273). Od Ljubljane (AC-počivališča Barje) je oddaljen 33 km, od Beljaka v Avstriji 65 km, od Celovca 58 km. V bližini Beljaka je tudi večje avtocestno vozlišče. Na dolenjskem kraku slovenskega avtocestnega omrežja bi bilo možno razmisliti o polnilnici v občinah Novo mesto ( registriranih avtomobilov), Krško (13.912) ali Brežice (12.751). Vsi trije so na primerni razdalji manj kot 100 km od Ljubljane in Zagreba. Po številu registriranih avtomobilov je v prednosti Novo mesto, vendar bi bilo zaradi neposredne bližine Krškega in Brežic mogoče zagotoviti eno polnilnico za obe mesti. Poleg tega je v občini Krško 27

41 tudi jedrska elektrarna, kar je pomembno z vidika proizvodnje vodika, kot je predstavljeno v nadaljevanju. Razdalje med kraji, ki bi bili primerni za postavitev prvih polnilnic vodika, so povzete v tabeli 6.1. Vidimo lahko, da so razdalje med posameznimi izbranimi kraji največ 103 kilometre, kar potrjuje smiselnost izbire krajev oziroma občin, v katerih bi lahko bile postavljene prve polnilnice vodika v Sloveniji. Tabela 6.1: Razdalje med kraji, primernimi za postavitev polnilnic vodika [12] Ljubljana Celje Ljubljana Koper Ljubljana Nova Gorica Ljubljana Kranj Ljubljana Krško Ljubljana Trst Maribor Celje Maribor Gradec Maribor Zagreb Koper Nova Gorica Koper Trst Koper Reka Nova gorica Trst Kranj Beljak Kranj Celovec Krško Zagreb 72 km 103 km 103 km 33 km 96 km 94 km 50 km 78 km 103 km 91 km 22 km 84 km 52 km 65 km 58 km 42 km Na spodnji sliki (zemljevidu) so označene lokacije, ki sem jih ocenil kot primerne za postavitev prvih polnilnic vodika v Sloveniji. 28

42 Slika 6.1: Kraji, ocenjeni kot primerni za postavitev prvih polnilnic vodika v Sloveniji [13] 29

43 7 STROŠKOVNA PRIMERJAVA VOZIL GLEDE NA VRSTO POGONA Za potencialnega kupca, ki se bo odločal za nakup vozila bodisi na gorivne celice bodisi na električni, hibridni ali bencinski (oziroma dizelski) motor, bo med odločilnimi dejavniki vsekakor tudi cena. Pri tem mislimo tako na strošek nakupa vozila kot strošek goriva. Zato bomo v nadaljevanju naredili primerjavo teh stroškov med primerljivimi vozili, ki se med seboj razlikujejo glede na vrsto pogona. Ker želimo čim bolj primerljive podatke, bomo vzeli štiri modele srednjega razreda proizvajalca Toyota: Corolla (bencinski motor), Prius (hibrid), Prius plug-in (plug-in hibrid) in Mirai. V primerjavo bomo dodali še model Volkswagen e-golf (električni), saj Toyota trenutno ne ponuja avtomobilov na zgolj električni pogon. V nadaljevanju so podani ključni podatki za vsakega od teh modelov. Cene so približne. Ker je poudarek te naloge na vodikovih tehnologijah, so pri Toyoti Mirai podane tri različne cene vodika. Prva je trenutno najnižja cena pridobivanja po postopku SMR, ki je tudi ciljna vrednost nekaterih termokemičnih postopkov. [14] Druga je cena, ki bi jo po ocenah lahko dosegli z elektrolizo, tretja pa je trenutno določena na polnilnicah v Nemčiji. Cena bencina je 1,213 EUR/L, kot je v začetku septembra 2016 v Sloveniji [15], enako velja za ceno elektrike za gospodinjstva. Ta znaša 0,072 EUR/kWh po enotni tarifi [16]. Predpostavili smo torej polnjenje električnih avtomobilov doma, saj je zelo težko določiti ceno polnjenja na javnih polnilnicah. Ponekod je celo zastonj, drugod se obračunava čas polnjenja ali preprosto pavšal za eno polnjenje. Poleg tega so te cene za zdaj promocijske. Strošek hišne polnilne postaje je od 700 do evrov [17]. Pri vseh avtomobilih bomo predpostavili povprečno število letno prevoženih kilometrov Model: Toyota Corolla [18] Cena novega vozila: EUR Vrsta pogona: bencinski motor, 1598 ccm, 97 kw Poraba goriva: 5,6 l/100 km Letni strošek goriva: 1019 EUR 30

44 2. Model: Toyota Prius [18] Cena novega vozila: EUR Vrsta pogona: bencinski motor, 1797 ccm, 72 kw/elektromotor 53 kw Poraba goriva: 4,7 l/100 km Letni strošek goriva: 855 EUR 3. Model: Toyota Prius plug-in [18] Cena novega vozila: EUR Vrsta pogona: bencinski motor, 1797 ccm, 72 kw/elektromotor 53 kw Poraba goriva: 0,5 l/100 km + 18 kwh/100 km Strošek goriva: 285 EUR 4. Model: Volkswagen e-golf [19] Cena novega vozila: EUR Vrsta pogona: elektromotor 85 kw Poraba goriva: 18 kwh/100 km Strošek goriva: 194 EUR 5. Model: Toyota Mirai [6] Cena novega vozila: EUR (v Sloveniji še ni naprodaj) Vrsta pogona: gorivne celice, elektromotor 113 kw Poraba goriva: 0,76 l/100 km Strošek goriva: a) 153 EUR pri 1,34 EUR/kg (postopek SMR v ZDA, ciljna vrednost za termokemične postopke) 31

45 b) 513 EUR pri 4,50 EUR/kg (ciljna vrednost za elektrolizo) c) 1083 EUR pri 9,50 EUR/kg (trenutna cena na nemških polnilnicah) Rezultati so prikazani na spodnjih grafih (sliki 7.1 in 7.2). Prvi prikazuje letne stroške goriva, drugi pa skupne stroške nakupa vozila in goriva za obdobje 15 let. Slika 7.1: Letni stroški goriva glede na vrsto pogona Slika 7.2: Skupni stroški nakupa vozila in goriva glede na vrsto pogona po letih 32

46 Iz slike 7.1 je razvidno, da je vodik trenutno najdražji energent. Ob upoštevanju daleč najvišje cene novega vozila je torej danes nakup vozila s pogonom na gorivne celice ekonomsko popolnoma neupravičen. Če se bodo uresničile najbolj optimistične napovedi o padanju cen vodika, bi ta lahko bil cenovno primerljiv s ceno električne energije. Pri tem pa se je treba zavedati, da bi imela množična uporaba električnih ali vodikovih vozil pomemben vpliv na ceno energentov. Drugi graf (slika 7.2) jasno prikazuje, da je največji problem še vedno zelo visoka cena vozil na gorivne celice. Tudi če bi bil vodik zastonj, v obdobju 15 let pri povprečnem številu prevoženih kilometrov nakup takega vozila ne bi bil ekonomičen. Za najugodnejšo možnost se trenutno še vedno izkažejo klasični avtomobili z bencinskim (ali dizelskim) motorjem, saj je njihova osnovna cena še vedno neprimerljivo nižja od drugih tipov vozil. Pri uvajanju vodikovih tehnologij bo torej najprej treba doseči bistveno nižjo ceno vozil z gorivnimi celicami, nato pa uresničiti napovedi o nižjih cenah vodika. Dodajmo še podoben graf (slika 7.3), ki namesto let upošteva število prevoženih kilometrov. Ta podatek je primernejši z vidika uporabnika vozila, saj so povprečne letne prevožene razdalje zelo različne. Vidimo, da hibridni plug-in in električni in avtomobili postanejo cenovno ugodnejši od bencinskih pri več kor prevoženih kilometrih. To pa je že razdalja, ki jo marsikateri uporabnik doseže v sprejemljivem času. Ne smemo pa pozabiti že omenjenih problemov z dosegom električnih vozil. Kar se tiče vozil z gorivnimi celicami lahko ponovimo zgornjo ugotovitev, da je trenutno problem že cena samega vozila, pa tudi cena vodika v Evropi še ni konkurenčna. 33

47 Slika 7.3: Skupni stroški nakupa vozila in goriva glede na vrsto pogona in prevoženo razdaljo 34

48 8 PREDVIDENA ČASOVNICA PREHODA NA VODIKOVE TEHNOLOGIJE V OSEBNEM POTNIŠKEM PROMETU V SLOVENIJI V prejšnjih poglavjih smo poskušali predvideti potrebe po vodiku v Sloveniji, če bi z njim nadomestili druga pogonska goriva v osebnem potniškem prometu. Dejansko uresničevanje prehoda na vodikove tehnologije, če bo do njega sploh prišlo, pa bo postopno in bo trajalo nekaj desetletij. Razlog je zahtevnost tehnologije in predvsem to, da so se kot glavna alternativa motorjem z notranjim izgorevanjem že uveljavila električna vozila. Ker so potrebe po vodiku tesno povezane z deležem vozil, ki ga bodo uporabljala kot pogonsko gorivo, je zelo pomembno predvideti, kolikšen delež bodo ta vozila predstavljala v prihodnosti. Te napovedi so zelo nenatančne in približne. Kot predvidevajo Lampič, Jeras, Zupanc in Troha v prilogi»kratek pregled pričakovanih trendov na področju prodaje novih električnih vozil ter njihove porabe energije v Sloveniji v letih 2015 do 2030«dokumenta»Dolgoročne energetske bilance Slovenije do leta 2030 in strokovne podlage za določanje nacionalnih energetskih ciljev«[20], bi lahko ta delež leta 2030 znašal od 0,5 do 3 % novih vozil (tabela 8.1). Tabela 8.1: Predviden delež vozil z vodikom kot pogonskim gorivom v novih vozilih [20] Scenarij Aktivni 0,5 % 1,5 % 3 % Osnovni 0,1 % 0,3 % 1 % Pasivni 0,02 % 0,1 % 0,5 % V dokumentu, ki se sicer v glavnem ukvarja z električni vozili, je omenjeno, da so možna odstopanja za nekaj 10 % v pozitivno ali negativno smer. Verjetno lahko zelo podobno sklepamo tudi za vozila z vodikovimi tehnologijami. Morebiten tehnološki preboj, ki bi prinesel tudi znatne pocenitve, bi lahko močno povečal delež teh vozil, ob morebitni stagnaciji pa bodo zagotovo povsem prevladala električna vozila. 35

49 Če predvidimo, da bo povprečno število prvih registracij novih vozil v obdobju do leta 2030 ostalo enako kot v obdobju , ko je znašalo vozil letno (tabela 4.4.), lahko izračunamo število vseh vozil z vodikovimi tehnologijami v Sloveniji v letu 2030 po različnih scenarijih. Ob tem predvidevamo linearno povezavo med deleži, predstavljenimi v tabeli 8.1. V tabeli 8.2 so predvidena števila prvih registracij novih vozil z vodikom kot pogonskim gorivom za posamezna leta v obdobju po različnih scenarijih. Tabela 8.2: Predvideno število prvih registracij novih vozil z vodikom kot pogonskim gorivom v obdobju Scenarij Aktivni Osnovni Pasivni Skupaj do V Sloveniji lahko do leta 2030 pričakujemo od do vozil na gorivne celice, ki bodo kot pogonsko gorivo uporabljala vodik. Razpon napovedi je zelo velik, kar kaže na težavnost predvidevanja na tem področju. V petem poglavju smo delež vozil, ki bi jih glede na predvideno infrastrukturo polnilnic lahko nadomestili z vozili z gorivnimi celicami, ocenili na 31,72 %, kar znaša malo manj kot vozil. Glede na predvidene scenarije bi do leta 2030 od 0,3 % do 3 % teh vozil (oziroma 0,1 % do 1 % vseh vozil) dejansko zamenjali z vozili z gorivnimi celicami. Temu primerne bi bile tudi potrebne količine vodika. 36

50 9 MOŽNOSTI ZA PRIDOBIVANJE VODIKA IN USTREZNI VIRI ENERGIJE V SLOVENIJI Uvajanje vozil s pogonom na gorivne celice je, kot je prikazano v prejšnjih poglavjih, tesno povezano z zagotavljanjem vodika, ki bi služil kot pogonsko gorivo za ta vozila. V drugem delu bodo zato predstavljene nekatere tehnologije pridobivanja vodika, ki bi jih v Sloveniji lahko uvedli, in primarni energetski viri, ki bi jih pri tem koristili. Poudarek bo na možnosti razpršene proizvodnje, neodvisnosti od malega števila energetskih virov, zagotavljanju samooskrbe v Sloveniji in čim manjših negativnih vplivih na okolje. 9.1 KRITERIJI ZA PRESOJANJE TEHNOLOGIJ PRIDOBIVANJA VODIKA IN MOŽNIH VIROV PRIMARNE ENERGIJE Vsaka tehnologija pridobivanja vodika in potencialen energetski vir bosta ovrednotena po naslednjih kriterijih: 1. Ali gre za obnovljiv vir energije (OVE)? 2. Ali kako drugače upravičuje proizvodnjo (npr. višanje izkoristka obstoječih energetskih postrojev, višanje energetske učinkovitosti, koriščenje viškov električne energije v elektroenergetskem omrežju itd.)? 3. Kakšni so drugi vplivi na okolje? 4. Koliko vodika bi lahko na ta način proizvedli v Sloveniji? 5. Je proizvodna zmogljivost odvisna od letnega časa, vremena? Cena vodika bo pri uvajanju vodikovih tehnologij v promet ključnega pomena, saj ni pričakovati večje uporabe vozil z gorivnimi celicami, dokler ne bo konkurenčna ceni običajnih 37

51 pogonskih goriv. Kljub temu finančni vidik v tej nalogi nima večje vloge, saj je, kot utemeljujeta Rand in Dell [8], težko ali nemogoče napovedovati gibanje cene vodika, na katero bo vplivala masovna proizvodnja, tehnološki napredek, okoljski dogovori, zemljepisna lega in druge naravne danosti. Ker moramo pri uvajanju vodikovih tehnologij razmišljati srednje- in dolgoročno, so vsakršne napovedi le špekulacije, zato dajemo prednost vrednotenju tehničnih vidikov proizvodnje vodika. 9.2 TRENUTNO STANJE NA PODROČJU PRIDOBIVANJA, VIROV, PORABE IN CENE VODIKA V SVETOVNEM MERILU Kot v svojem poročilu povzema Ministrstvo za energijo ZDA (maj 2013) [5], je svetovna proizvodnja vodika 50 milijonov ton, od tega 11 milijonov ton v ZDA. Večino (okrog 95 %) se ga pridobi s postopkom SMR iz zemeljskega plina, porabi pa se ga v rafinerijah, v proizvodnji amonijaka in drugih kemikalij ter v živilski industriji. Ocenjujejo, da bi lahko trenutna proizvodnja vodika zadostovala za oskrbo 250 milijonov vozil z gorivnimi celicami (ne upoštevajoč trenutno porabo). Glede na zaloge zemeljskega plina v ZDA bi lahko z uporabo tehnologije SMR bistveno dvignili proizvodnjo vodika za oskrbo trga novih vozil z gorivnimi celicami, ne da bi pri tem prizadeli trenutni sistem oskrbe z zemeljskim plinom. Cena vodika, pridobljenega po postopku SMR, je na osnovi cene zemeljskega plina sredi leta 2012 znašala 1,5 $/kg (veliki postroji) oziroma 3 6 $/kg (mali postroji). Trenutna cena zemeljskega plina je okrog 20 % nižja [21]. V zadnjih 20 letih je sicer zaznati stabilno upadanje cene vodika za 0,5 % letno. Tipična cena za transport vodika, ki je seveda odvisna od razdalje in tehnologije transporta, je 1,25 $/kg [5]. Vodik, pridobljen v velikih postrojih SMR in koriščen v vozilu z gorivnimi celicami, naj bi glede na prevoženo razdaljo že bil cenejši od bencina (to nikakor ne velja za Evropo). Cena vodika, pridobljenega z elektrolizo, je bistveno odvisna od cene električne energije in se v ZDA giblje med 6 in 15 $/kg [5]. V Evropi, ki je v veliki meri odvisna od uvoza zemeljskega plina in kjer so cene energije bistveno drugačne, je vodik cenovno še vedno neprimerljiv z uveljavljenimi gorivi. Na 38

52 vodikovih črpalkah v Nemčiji je po podatkih javno-zasebnega partnerstva Clean Energy Partnership CEP, v okviru katerega deluje 18 polnilnic, cena vodika 9,5 evra/kg [4]. Nekaj podobnega naj bi znašala tudi pri nas. Realne cene vodika pa ni možno predvideti, dokler ne bo trg vodikovih tehnologij in vozil z gorivnimi celicami bolje razvit. 9.3 PRIDOBIVANJE VODIKA IZ VODE Z ELEKTROLIZO Elektroliza je elektrokemični postopek, pri katerem zaradi vpliva enosmerne napetosti potekata redukcija/oksidacija kemijskih elementov oziroma spojin. Veliko se uporablja v proizvodnji kovin in kemikalij (npr. pridobivanje aluminija), z njo pa je mogoče tudi pridobivati vodik in kisik iz vode. Elektrolizni aparat elektrolizer v grobem sestoji iz dveh elektrod, pozitivne anode in negativne katode ter elektrolita. Glede na vrsto le-tega se elektrolizerji delijo na kislinske in alkalne. Na elektrodah potekajo kemične reakcije v odvisnosti od elektrolita: 1. Kislinsko okolje: katoda: 2H + + 2e H 2 anoda: 2H 2 O O 2 + 4H + + 4e skupaj: 2H 2 O 2H 2 + O 2 2. Bazično okolje: katoda: 2H 2 O + 2e H 2 + 4OH anoda: 4OH O 2 + 2H 2 O + 4e skupaj: 2H 2 O 2H 2 + O 2 39

53 V obeh primerih je skupna reakcija enaka: iz vode nastaneta vodik in kisik. Zapisi enačb na elektrodah so lahko različni, končna enačba pa je vedno enaka. S samim postopkom elektrolize se tukaj ne bomo podrobneje ukvarjali, saj je osnovni namen predvideti potrebne energijske vire, ki bi omogočali pridobivanje vodika. S tega vidika je pomemben podatek izkoristek elektrolize, ki nam pove, koliko kemijske energije vodika, upoštevajoč zgornjo kurilno vrednost (HHV), lahko pridobimo glede na vloženo električno energijo. Izkoristki večjih elektroliznih naprav se gibljejo med 60 in 75 %, manjše in bolj izpopolnjene naprave dosegajo do 85 % [8]. Elektrolizerji programa CUTE (European fuel cell bus) naj bi imeli izkoristke 76 77%. V nadaljevanju bomo predpostavili izkoristek elektrolize 70 %. Gledano zgolj z vidika izkoristka in cene je proizvodnja vodika z elektrolizo nekonkurenčna. Izkoristek celotnega sistema vodikovih tehnologij (vključno s porabo vodika v gorivnih celicah ali za zgorevanje) je nizek in bistveno nižji kot pri direktnem koriščenju električne energije, npr. za polnjenje baterije in pogon avtomobila. Elektroliza je tudi nekajkrat dražja od postopka SMR. Večji postroji za elektrolizo vode so bili postavljeni v državah z viški hidroenergije, kjer cena elektrike ni primarnega pomena (Kanada, Brazilija, Norveška). Po drugi strani pa ima elektroliza tudi nekatere prednosti. Električno energijo zanjo se lahko zagotovi iz različnih (obnovljivih) virov, tudi takih, ki so zaradi nepredvidljivosti težavni za elektroenergetska omrežja in operaterje omrežij (veter, sončno sevanje ). Omogoča koriščenje električne energije v času viškov, ko je cena nizka, in zmanjševanje nihanj potreb po električni energiji. Z uporabo različnih primarnih virov energije in sorazmerno majhnih elektroliznih postrojenj je možno doseči razpršeno proizvodnjo energije (veliko enostavneje kot v elektroenergetiki), povečati samooskrbo in zmanjševati odvisnost od fosilnih goriv ter uvoza energije (predvsem pogonskih goriv). Že prej smo omenili veliko prednost vodikovih tehnologij pred baterijami v prometu glede potrebnega časa polnjenja. 40

54 9.3.1 Elektroliza s koriščenjem viškov električne energije Proizvajanje vodika s postopkom elektrolize je pri trenutnih cenah električne energije ekonomsko nesmiselno. Lahko pa bi manjše količine vodika pridobivali z elektrolizo, za katero bi porabljali viške električne energije oziroma bi vodik proizvajali samo v času, ko je cena električne energije ugodna. Najprej je treba v grobem razumeti delovanje elektroenergetskega trga. Le-ta temelji na fizikalni zakonitosti, da električne energije v večjih količinah ni možno shranjevati. Zaradi tega je za delovanje elektroenergetskega sistema nujna nenehna usklajenost proizvodnje in porabe električne energije. V Sloveniji za usklajeno delovanje elektroenergetskega sistema skrbi družba Borzen, ki opravlja nalogo operaterja trga. Za izravnavo odstopanj predvidene proizvodnje in porabe električne energije se poskrbi na izravnalnem trgu, kjer je mogoče trgovati s pasovnimi, trapezni, urnimi in 15-minutnimi produkti električne energije. Trgovanje poteka vse dni v tednu, 24 ur na dan in največ za en dan vnaprej. Pri tem načinu trgovanja so cene zelo različne, cena energije je lahko celo negativna. Cena električne energije je nizka v času, ko je proizvodnja previsoka. Zato bi imelo koriščenje te energije pozitiven vpliv tudi na sam elektroenergetski sistem. Zmanjševalo bi odstopanja med porabo in proizvodnjo ter omogočilo bolj enakomerno delovanje drugih proizvodnih enot elektroenergetskega sistema. Iz dokumenta Poročilo o stanju na področju energetike v Sloveniji v letu 2015 [22] lahko razberemo, da je bila povprečna letna cena pasovne energije v letu ,41 EUR/MWh, povprečna cena vršne energije pa 46,87 EUR/MWh. Iz teh podatkov lahko povzamemo, da bi bila za proizvodnjo vodika s pomočjo elektrolize zanimiva električna energija, katere cena bi bila nižja od 40 EUR/MWh. Podatke o cenah električne energije na izravnalnem trgu je možno pridobiti na spletni strani Borzena. Za vsak dan, vsako uro in vsakih petnajst minut so na voljo podatki o moči (MW), 41

55 količini (MWh) in ceni električne energije. Podatke je možno izvoziti kot datoteko programa Microsoft Excel. Za namen te naloge bomo ugotavljali, koliko električne energije je prodane po ceni, nižji ali enaki 0, 10, 20, 30 in 40 evrov, pri kakšni moči in v kakšnem časovnem obdobju. Tako bomo lahko ocenili, koliko vodika bi lahko pridobili z elektrolizo s pomočjo električne energije po nizki ceni in ali je taka proizvodnja smiselna glede na število ur, ko je na voljo poceni elektrika. Vzeli bomo podatke za celotno leto 2015, pri čemer se moramo zavedati, da so lahko podatki iz leta v leto precej različni. Rezultati, pridobljeni po obdelavi podatkov, so predstavljeni v nadaljevanju, zbrani pa v tabeli Januar 2015 V januarju 2015 je bilo na izravnalnem trgu pod povprečno letno ceno pasovne energije prodanih 2415 MWh električne energije. Povprečna cena te energije je znašala 15,63 EUR/MWh. Poceni električna energija je bila na voljo 36,25 ure, kar je samo 4,9 % vsega časa v januarju Februar 2015 V februarju 2015 je bilo na izravnalnem trgu pod povprečno letno ceno pasovne energije prodanih 1425 MWh električne energije. Povprečna cena te energije je znašala 19,87 EUR/MWh. Poceni električna energija je bila na voljo 33,25 ure, kar je 4,9 % vsega časa v februarju. 42

56 Marec 2015 V marcu 2015 je bilo na izravnalnem trgu pod povprečno letno ceno pasovne energije prodanih 5020 MWh električne energije. Povprečna cena te energije je znašala 9,67 EUR/MWh. Poceni električna energija je bila na voljo 99,50 ure, kar je samo 13,4 % vsega časa v marcu April 2015 V aprilu 2015 je bilo na izravnalnem trgu pod povprečno letno ceno pasovne energije prodanih 6942,5 MWh električne energije. Povprečna cena te energije je znašala 16,30 EUR/MWh. Poceni električna energija je bila na voljo 126 ur, kar je 17,5 % vsega časa v aprilu Maj 2015 V maju 2015 je bilo na izravnalnem trgu pod povprečno letno ceno pasovne energije prodanih 5570 MWh električne energije. Povprečna cena te energije je znašala 14,17 EUR/MWh. Poceni električna energija je bila na voljo 119,25 ure, kar je 16,0 % vsega časa v maju Junij 2015 V juniju 2015 je bilo na izravnalnem trgu pod povprečno letno ceno pasovne energije prodanih 9154 MWh električne energije. Povprečna cena te energije je znašala 20,93 EUR/MWh. Poceni električna energija je bila na voljo 162,75 ure, kar je 22,6 % vsega časa v juniju. 43

57 Julij 2015 V juliju 2015 je bilo na izravnalnem trgu pod povprečno letno ceno pasovne energije prodanih 14782,5 MWh električne energije. Povprečna cena te energije je znašala 19,72 EUR/MWh. Poceni električna energija je bila na voljo 232,25 ure, kar je 31,2 % vsega časa v juliju Avgust 2015 V avgustu 2015 je bilo na izravnalnem trgu pod povprečno letno ceno pasovne energije prodanih MWh električne energije. Povprečna cena te energije je znašala 19,30 EUR/MWh. Poceni električna energija je bila na voljo 354,25 ure, kar je 47,6 % vsega časa v avgustu September 2015 V septembru 2015 je bilo na izravnalnem trgu pod povprečno letno ceno pasovne energije prodanih 14842,5 MWh električne energije. Povprečna cena te energije je znašala 17,18 EUR/MWh. Poceni električna energija je bila na voljo 200,5 ure, kar je 27,8 % vsega časa v septembru Oktober 2015 V oktobru 2015 je bilo na izravnalnem trgu pod povprečno letno ceno pasovne energije prodanih 15872,5 MWh električne energije. Povprečna cena te energije je znašala 23,25 EUR/MWh. Poceni električna energija je bila na voljo 239,5 ure, kar je 32,2 % vsega časa v oktobru. 44

58 November 2015 V novembru 2015 je bilo na izravnalnem trgu pod povprečno letno ceno pasovne energije prodanih MWh električne energije. Povprečna cena te energije je znašala 17,99 EUR/MWh. Poceni električna energija je bila na voljo 196,25 ure, kar je 27,3 % vsega časa v novembru December 2015 V decembru 2015 je bilo na izravnalnem trgu pod povprečno letno ceno pasovne energije prodanih 10611,5 MWh električne energije. Povprečna cena te energije je znašala 12,53 EUR/MWh. Poceni električna energija je bila na voljo 192,75 ure, kar je 25,9 % vsega časa v decembru Celotno leto 2015 Zbrane podatke za celotno leto 2015 prikazuje Tabela 9.1. V letu 2015 je bilo na izravnalnem trgu pod povprečno ceno pasovne električne energije prodanih dobrih 123 GWh električne energije. To je 0,8 % vse proizvodnje električne energije v Sloveniji v letu 2015, ki je znašala GWh. [1] Poceni električna energija je bila na voljo 1192,5 ure, kar je 22,7 % vsega časa v letu Povprečna cena je znašala 15,63 EUR/MWh. Ob upoštevanju izkoristka elektrolize 70 %, bi lahko z elektrolizo iz poceni električne energije dobili količino vodika z energijsko vrednostjo MWh, kar je enako 3, J. 45

59 Tabela 9.1: Podatki o poceni električni energiji na izravnalnem trgu v Sloveniji v letu 2015 [23] Cena v Količina električne energije v MWh EUR/MWh Jan. Feb. Mar. Apr. Maj Jun. Jul. Avg. Sep. Okt. Nov. Dec ali manj , , , , , , , , , , , , ,5 30, Skupaj , , , , , ,5 Povprečna cena (EUR) 15,63 19,87 9,67 16,30 14,17 20,93 19,72 19,30 17,18 23,25 17,99 12,53 15,63 Čas (ure) 36,25 33,25 99, ,25 162,75 232,25 354,25 200,5 239,5 196,25 192, ,5 Delež časa 4,9 % 4,9 % 13,4 % 17,5 % 16,0 % 22,6 % 31,2 % 47,6 % 27,8 % 32,2 % 27,3 % 25,9 % 22,7 % 46

60 9.3.2 Ovrednotenje pridobivanja vodika z elektrolizo Glede na postavljene kriterije ovrednotimo možnosti pridobivanja vodika z elektrolizo ob obstoječem stanju proizvodnih zmogljivosti električne energije v Sloveniji. 1. Koriščenje električne energije iz omrežja pomeni, da ne govorimo samo o enem primarnem viru energije. V Sloveniji je bilo v letu % električne energije pridobljene iz obnovljivih virov, predvsem hidroelektrarn. 2. V primeru, ko bi za elektrolizo koristimo samo viške električne energije, ko je tudi cena nizka, bi to imelo ugoden vpliv na elektroenergetska omrežja. Zniževala bi se odstopanja porabe in proizvodnje, omogočeno bi bilo enakomernejše in stabilnejše delovanje drugih proizvodnih enot. V kombinaciji z gorivnimi celicami za proizvodnjo električne energije ali SPTE bi lahko tovrstni postroji prevzeli vlogo hranilnikov električne energije, podobno kot črpalne hidroelektrarne. 3. Elektroliza vode nima nobenih večjih vplivov na okolje. Treba je poskrbeti za ustrezno varnost pri skladiščenju proizvedenega vodika. 4. V Sloveniji bi s koriščenjem samo tistega dela električne energije, ki je na izravnalnem trgu prodan pod ceno pasovne energije, in ob upoštevanju izkoristka elektrolize 70 % proizvedli ton vodika. 5. Količina električne energije, ki bi jo koristili za elektrolizo, je časovno zelo spremenljiva. Gledano v celoti je bila v letu 2015 na voljo 22,7 % vsega časa v različnih obdobjih in pri različnih močeh (od nekaj 10 do nekaj 100 MW). Poleg tega je zaradi značilnosti izravnalnega trga nemogoče vnaprej napovedovati količino, moč in ceno. To bi predstavljalo velike težave pri načrtovanju in dimenzioniranju morebitnega elektroliznega postrojenja. 9.4 TERMOKEMIČNI PROCESI PRIDOBIVANJA VODIKA Razgradnjo vode oziroma vodne pare na vodik in kisik lahko dosežemo tudi z ustrezno visokimi temperaturami, brez uporabe električne energije, ki je potrebna za elektrolizo. Ta razgradnja se 47

61 sama po sebi zgodi pri temperaturah nad 2500 C, ob prisotnosti nekaterih kemijskih snovi pa tudi pri bistveno nižjih temperaturah. Te procese imenujemo termokemični cikli razgradnje vode. Njihova prednost je predvsem v višjem izkoristku in nižji ceni pridobljenega vodika v primerjavi z elektrolizo. Pri slednji znaša neto izkoristek celotnega procesa, ki vključuje proizvodnjo električne energije in samo elektrolizo, tipično okoli 32 %. Izkoristki termokemičnih ciklov, ki upoštevajo pretvorbo iz toplotne energije v kemijsko energijo vodika, lahko presegajo 50 %. [14] Za proizvodnjo vodika s termokemičnimi cikli potrebujemo, poleg vode, kemikalije in vir toplote. Cikli so v glavnem poimenovani po kemikalijah, ki se v njih uporabljajo, razlikujejo pa se predvsem po potrebni temperaturi in izkoristku. Za kemikalije je značilno, da v procesu opravljajo zgolj vlogo katalizatorja, se reciklirajo in ne porabljajo. To pomeni, da ti procesi nimajo nobenega znatnega vpliva na okolje, potem ko imamo zagotovljen ustrezen vir toplote. Teoretično poznamo več kot 200 termokemičnih ciklov, pomembnejši so predstavljeni v tabeli 9.2. Tabela 9.2: Pregled termokemičih ciklov pridobivanja vodika [8], [14] Postopek Najvišja temperatura ( C) Izkoristek (%) Žveplo-jodov UT-3 kalcij-bromov Vanadij-klorov ,5 42,5 Jeklo-klorov Westinghouse hibridni žveplo-jodov Hibridni baker-klorov Hibridni baker-žveplov Hibridni cikli so tisti, pri katerih v določeni fazi poteka elektroliza kemijskih spojin, in sicer takih, za katere se porabi manj električne energije kot za elektrolizo vode. Najpomembnejši problem pri proizvodnji vodika v termokemičnih ciklih je zagotavljanje ustreznega vira toplote. Segrevanje vode s fosilnimi gorivi zgolj v ta namen ne pride v poštev zaradi nezmanjšanih vplivov na okolje (izpusti CO2) in ekonomske neupravičenosti. Najbolj smotrna je povezava termokemičnega cikla z jedrskimi elektrarnami in termoelektrarnami, kjer 48

62 se potrebna toplota zagotavlja iz istega vira kot za proizvodnjo pare in posledično električne energije. Pri tem je treba upoštevati, da je proizvodnja energije v jedrskih elektrarnah cenejša kot v termoelektrarnah, slednje pa so neprimerne tudi z vidika zmanjševanja odvisnosti od fosilnih goriv in izpustov CO2. Pri termokemičnih ciklih je potrebna temperatura še vedno višja od temperature, ki se jo doseže v primarnih krogih jedrskih elektrarn s konvencionalnimi tlačnovodnimi in vrelnovodnimi reaktorji (do 330 oziroma 285 C). Primernejši bi bili plinsko hlajeni jedrski reaktorji 4. generacije, ki pa jih je trenutno še zelo malo. Zato je treba ob koriščenju odpadne toplote poskrbeti za dodaten vir energije, ki dvigne temperaturo vode na želeno raven. Za to je najprimernejše uporabiti kar del električne energije, proizvedene v jedrski elektrarni, posebno pri hibridnih procesih, ki v določeni fazi potrebujejo električno energijo tudi za elektrolizo. Pri jedrskih elektrarnah je ugoden tudi režim obratovanja, to je pasovna proizvodnja, ki omogoča dobro vnaprejšnje predvidevanje proizvedene toplote in enakomerno proizvodnjo brez velikih nihanj Izkoristki termokemičnih ciklov pridobivanja vodika in njegove porabe Proizvodnja vodika v termokemičnih ciklih z jedrskim reaktorjem kot virom toplote je smiselna predvsem zaradi relativno visokega izkoristka, ki ga lahko glede na različne vire ocenimo na okrog 50 %. Tipični izkoristki jedrskih elektrarn znašajo okoli 35 %. Spodnje enačbe prikazujejo izkoristek celotnega sistema proizvodnje vodika in koriščenja v gorivnih celicah v primerjavi s proizvodnjo elektrike in porabo v električnih avtomobilih. Podatki, ki niso navedeni drugje v tej nalogi, so povzeti po [10]. η H = η TKC η s,h η GC = 0,50 0,93 0,45 = 0,21 (9.1) η el = η JE η pr η bat = 0,35 0,92 0,81 = 0,26 (9.2) kjer je: 49

63 ηh izkoristek sistema proizvodnje vodika s termokemičnimi cikli in koriščenja v gorivnih celicah; ηtkc izkoristek termokemičnega cikla; ηs,h izkoristek stiskanja in skladiščenja vodika; ηgc izkoristek gorivne celice; ηel izkoristek sistema proizvodnje elektrike v jedrski elektrarni in porabe za pogon električnih avtomobilov; ηje izkoristek jedrske elektrarne; ηpr izkoristek prenosa električne energije; ηbat izkoristek polnjenja, praznjenja baterije ter skladiščenja električne energije v njej. Izračun, kot je omenjeno že v uvodnih poglavjih, pokaže določeno prednost električnih vozil glede izkoristka. To pa se lahko spremeni ob predvidenih izboljšavah termoelektričnih ciklov, pri katerih se napovedujejo izkoristki preko 60 % [14]. Tudi izkoristek gorivnih celic je lahko višji od tukaj predpostavljenega. Ne glede na izkoristek pa imajo vodikove tehnologije že omenjene prednosti glede skladiščenja energije in časa polnjenja rezervoarjev avtomobilov Primerni viri energije za pridobivanje vodika v termokemičnih ciklih v Sloveniji V Sloveniji lahko kot primeren vir energije za termokemične cikle proizvodnje vodika obravnavamo Jedrsko elektrarno Krško (JEK). Uporablja tlačnovodni reaktor (lastnosti v tabeli 9.3) in tudi načrtovani drugi blok naj bi bil zaradi uveljavljenosti tehnologije in že ustrezno usposobljenega kadra istega tipa. Gradnja plinsko hlajenega reaktorja 4. generacije ni verjetna. Vzpostavitev postroja za pridobivanje vodika na obstoječi jedrski elektrarni seveda ne pride v poštev, bi pa lahko o njem razmislili v povezavi z morebitnim drugim blokom JEK-a. Moč postroja je odvisna od moči reaktorja, seveda pa se ustrezno zmanjša razpoložljiva moč za proizvodnjo električne energije. Zaradi že omenjenih temperaturnih zahtev termokemičnih 50

64 ciklov tega bi bilo treba zagotoviti dodaten vir energije za dogrevanje vode kot vhodne surovine v proizvodnji vodika. Za segrevanje vode za postopke termokemične razgradnje na vodik in kisik se razvijajo tudi metode uporabe energije sončnega sevanja. Ta se lahko s pomočjo zrcal v različnih izvedbah koncentrira in uporabi za segrevanje vode do 1500 C [14], vendar podnebje v Sloveniji ne omogoča učinkovitosti in zanesljivosti tovrstnih sistemov. Tabela 9.3: Tehnični podatki Jedrske elektrarne Krško [24] Tip reaktorja Lahkovodni tlačni reaktor (PWR) Termična moč reaktorja MW Bruto električna moč 727 MW Neto električna moč 696 MW Termični izkoristek 36 % Temperatura vode pri izstopu iz reaktorja 324 C Skupni masni pretok hladila reaktorja kg/s Količina pridobljenega vodika Ob trenutnem stanju v Sloveniji pridobivanje večjih količin vodika v termokemičnih ciklih ni možno. Lahko pa ocenimo, koliko vodika bi lahko pridobili v morebitnem novem bloku jedrske elektrarne. Predpostavimo, da je njegova moč enaka moči že obstoječega bloka. V izračunu bomo vzeli, kot da se energija, pridobljena v jedrskem reaktorju, v celoti porabi za proizvodnjo vodika. Tega sicer dejansko ne moremo pričakovati, lahko pa v nadaljevanju preprosto ocenimo, koliko vodika bi se pridobilo, če določen delež moči jedrskega reaktorja porabimo v ta namen. Znova je treba omeniti, da so za proizvodnjo vodika v termokemičnih ciklih potrebne zelo visoke temperature (tabela 9.2), ki jih dosegajo le plinsko hlajeni reaktorji 4. generacije. Tak reaktor v Sloveniji ni predviden, vendar pa je, kot je prikazano v 8. poglavju, tudi uvedba večjega števila vodikovih vozil v promet oddaljena še vsaj dvajset let. Nemogoče je napovedati, 51

65 ali bo takrat postavitev takega reaktorja v Sloveniji morda realna. Če pa upoštevamo trenutni tip reaktorja, bi vodik najlažje pridobivali z elektrolizo vode (postopek elektrolize je opisan v podpoglavju 9.3). Izkoristki jedrskih elektrarn znašajo okoli 35 %, izkoristek elektrolize 70 %, kar pomeni, da je skupni izkoristek celotnega postopka 25 %, tj. polovico manj kot pri termokemičnem ciklu. Sorazmerno manjša je tudi količina proizvedenega vodika. W H,TKC = P j t η TKC f r = = 1994MW ( )s 0, = = 2, J (9.3) m H,TKC = W H,TKC = 2, J H s,h 141, J = 209, kg kg (9.4) kjer je: WH,TKC energija vodika, pridobljenega v termokemičnih ciklih (J); Pj moč jedrskega reaktorja (MW); t čas, v vseh izračunih jemljemo obdobje enega leta (s); ηtkc izkoristek termokemičnega cikla; fr faktor remonta, ki upošteva enomesečni remont na vsakih osemnajst mesecev; mh,tkc masa vodika, pridobljenega v termokemičnih ciklih (kg). Če dobljene rezultate primerjamo s tistimi iz petega poglavja (enačbe 5.7 do 5.10), lahko vidimo, da bi s proizvodnjo vodika v termokemičnih ciklih (reaktor 4. generacije) in z močjo enega jedrskega reaktorja moči 1994 MW (kot je trenutno v JEK-u) pridobili dovolj vodika za ves osebni potniški promet v Sloveniji, če bi vozila poganjale gorivne celice. Ker pa bo prehod na vodikove tehnologije v prometu, če bo do njega sploh prišlo, postopen, bi že koriščenje nekaj odstotkov moči jedrskega reaktorja omogočilo proizvodnjo primernih količin vodika. Tudi 52

66 pridobivanje vodika z elektrolizo s pomočjo elektrike, pridobljene v jedrski elektrarni, bi kljub nižjemu izkoristku lahko dolgo pokrivalo potrebe po vodiku Ovrednotenje pridobivanja vodika v termokemičnih ciklih Glede na postavljene kriterije ovrednotimo možnosti za pridobivanje vodika v termokemičnih ciklih v Sloveniji. 1. Jedrska energija ne spada med obnovljive vire energije, kljub temu pa ne povzroča nobenih izpustov toplogrednih plinov. 2. Postopki pridobivanja vodika v termokemičnih ciklih imajo višji izkoristek pretvorbe energije jedrskega goriva v kemično energijo vodika kot jedrske elektrarne, ki jedrsko energijo pretvarjajo v električno. Če predpostavimo, da energijo porabljamo za pogon avtomobilov, bi bil izkoristek za zdaj nekoliko nižji, vendar je lahko primerljiv. Postroj za pridobivanje vodika v termokemičnih ciklih naj bi bil kombiniran z običajnim postrojem jedrske elektrarne, kar omogoča enostavno umeščanje v okolje. 3. Drugi vplivi na okolje so podobni kot pri jedrskih elektrarnah. Treba je zagotoviti odvajanje neizkoriščene toplote v okolje (v JEK-u se le-ta odvaja v reko Savo in po potrebi preko hladilnih stolpov), ustrezno shranjevanje in odlaganje jedrskih odpadkov, varno zaprtje jedrskega reaktorja po izteku življenjske dobe. Za preprečevanje nepredvidenih vplivov na okolje se mora zagotoviti ustrezna varnost pri ravnanju s kemikalijami (odvisno glede na vrsto uporabljenega termokemičnega cikla) in proizvedenim vodikom. 4. Količina proizvedenega vodika je teoretično omejena le z močjo jedrskega reaktorja in izkoristkom, če bi vso proizvedeno toplotno energijo porabili v termokemičnih ciklih. V tem primeru bi proizvedli dovolj vodika za pogon vseh osebnih avtomobilov v Sloveniji. Bolj verjetna pa je kombinacija s klasično jedrsko elektrarno, kjer bi se nekaj odstotkov energije porabilo za proizvodnjo vodika. 5. Proizvodna zmogljivost je v zelo veliki meri neodvisna od vremena. Le v primeru zelo nizkega vodostaja Save se lahko zgodi, da je zaradi omejenih možnosti odvajanja 53

67 odpadne toplote treba delno zmanjšati moč postroja. Načrtovane prekinitve obratovanja so posledica rednih remontov, ki se v JEK-u izvajajo na 18 mesecev in trajajo približno en mesec. 9.5 PRIDOBIVANJE VODIKA S KORIŠČENJEM VETRNE ENERGIJE Vetrno energijo večinoma koristimo z vetrnimi turbinami za proizvodnjo električne energije. Tudi ko govorimo o pridobivanju vodika s koriščenjem vetrne energije, imamo v mislih zelo podoben sistem, ki pa proizvedeno električno energijo, namesto da bi jo oddajal v elektroenergetski sistem, sproti porablja za elektrolizo vode. Sam postopek elektrolize je opisan v podpoglavju 9.3. Gre torej za isto tehnologijo, le za drugačen vir energije. Ker smo pred tem obravnavali zgolj možnost elektrolize glede na trenutno stanje elektroenergetskega sistema v Sloveniji, bomo koriščenja vetrne (in kasneje tudi sončne) energije obravnavali ločeno. V Sloveniji je potencial vetrne energije za zdaj skoraj neizkoriščen, delujeta le dve večji vetrni turbini. Poizkušali bomo torej predvideti, koliko vodika bi v Sloveniji lahko pridobili z učinkovitejšim izkoriščanjem vetrne energije, ki bi jo s pomočjo vetrnih turbin in elektrolize pretvarjali v kemično energijo vodika. Tak sistem bi imel določene pomembne prednosti pred vetrnimi elektrarnami, ki so priključene na elektroenergetsko omrežje. Lastnost vetra, ki je najbolj neugodna za proizvodnjo električne energije, je nestalnost, nezanesljivost in slaba napovedljivost. Zaradi tega so v elektroenergetskem sistemu vedno potrebne neobratujoče proizvodne zmogljivosti, ki lahko nadomestijo zmogljivost vetrnih elektrarn. Poleg tega so prehodi med stanjem visoke proizvodnje in popolno ustavitvijo vetrne elektrarne lahko zelo kratki. Ti razlogi omejujejo delež, ki ga v celotni proizvodnji v elektroenergetskem sistemu lahko zavzemajo vetrne elektrarne, če želimo zagotoviti njegovo stabilnost in zanesljivost. Pretvarjanje energije v kemično energijo vodika ima s tega vidika bistveno prednost, saj v nasprotju z elektriko omogoča shranjevanje energije. Proces elektrolize se prilagaja trenutni proizvodni zmogljivosti vetrnih turbin. Postroj za elektrolizo vode z izrabo električne energije, pridobljene v vetrnih 54

68 turbinah, se lahko nahaja v neposredni bližini polja vetrnic, s čimer odpade potreba po daljnovodih. Namesto tega je treba poskrbeti za ustrezno skladiščenje in transport vodika Potencial vetrne energije v Sloveniji Količina vodika, ki bi ga lahko pridobili s koriščenjem vetrne energije, je odvisna od vetrovnih razmer na določenem področju. Za ocenitev vetrnega potenciala so bile v Sloveniji že izdelane različne analize. Podatki v nadaljevanju so vzeti iz dokumenta Celovit pregled potencialno ustreznih območij za izkoriščanje vetrne energije [25], ki je služil kot strokovna podlaga za Nacionalni energetski program za obdobje Izdelan je bil v letu 2010 in dopolnjen leta Slika 9.1 prikazuje območja s povprečno hitrostjo vetra več kot 4,5 m/s 50 metrov nad tlemi v obdobju , kar pomeni, da so z vidika razpoložljive vetrne energije primerna za postavitev vetrnih elektrarn. Slika 9.1: Območja s povprečno hitrostjo vetra več kot 4,5 m/s 50 metrov nad tlemi v obdobju [25] 55

69 Poleg ustrezne hitrosti vetra je treba pri načrtovanju polj vetrnic upoštevati še druga merila, ki so povezana predvsem z omejitvami na varstvenih, zavarovanih in ogroženih območij. V referenčnem dokumentu je tako opredeljenih 14 potencialnih območij za postavitev vetrnih elektrarn moči nad 10 MW [25]: Porezen, Rogate Črnivec Ojstri vrh, Špitalič Trojane Motnik, Knezdol Mrzlica, Golte, Črni vrh Zaloška planina, Slivniško Pohorje, Velika gora, Novokrajski vrhi, Hrpelje Slope, Senožeška brda Vremščica Čebulovica Selivec, Grgar Trnovo, Banjšice Lokovec, Avče. Ocenjena letna potencialna proizvodnja v vetrnih elektrarnah na naštetih območjih znaša od MWh električne energije pri majhni pokritosti in gostoti vetrnega polja 3 vetrnice na km 2 do MWh pri večji pokritosti in gostoti vetrnega polja 5 vetrnic na km 2. Tako širok razpon znotraj ocene je posledica različnih dejavnikov. Nacionalni energetski program v referenčnem scenariju predvideva za leto 2030 kapaciteto vetrnih elektrarn 235 MW in letno proizvodnjo MWh električne energije. V intenzivnem scenariju je predvidena kapaciteta 415 MW in letna proizvodnja MWh, kar bi pomenilo 54% izkoriščenost vetrnega potenciala. [26] 56

70 9.5.2 Količina pridobljenega vodika Iz pridobljenih podatkov lahko ocenimo možnost pridobivanja vodika v primeru, da bi pridobljeno energijo iz vetrnih elektrarn sproti porabljali za elektrolizo vode. Kot v predhodnih poglavjih bomo predpostavili izkoristek elektrolize 70 %. W H,v ref = W v ref η el = 1, J 0,70 = 1, J (9.5) m H,v ref = W H,v ref H s,h = = 1, J 141, J kg = 7,5 106 kg (9.6) W H,v int = W v int η el = 2, J 0,70 = 1, J (9.7) m H,v int = W H,v int H s,h = = 1, J 141, J kg = 13,2 106 kg (9.8) kjer je: WH,v ref energija vodika, pridobljenega s koriščenjem vetrne energije po referenčnem scenariju (J); Wv ref energija, pridobljena v vetrnih elektrarnah po referenčnem scenariju (J); ηel izkoristek elektrolize; mh,v ref masa vodika, pridobljenega s koriščenjem vetrne energije po referenčnem scenariju (kg); WH,v int energija vodika, pridobljenega s koriščenjem vetrne energije po intenzivnem scenariju (J); Wv int energija, pridobljena v vetrnih elektrarnah po intenzivnem scenariju (J); 57

71 mh,v int masa vodika, pridobljenega s koriščenjem vetrne energije po intenzivnem scenariju (kg) Ovrednotenje pridobivanja vodika s koriščenjem vetrne energije Glede na postavljene kriterije ovrednotimo možnosti za pridobivanje vodika s koriščenjem vetrne energije v Sloveniji. 1. Vetrna energija spada med obnovljive vire energije. 2. Z ozirom ne prejšnjo točko je proizvodnja že upravičena. Dodatna prednost je v tem, da nenadne spremembe v moči proizvedene električne energije, ki so posledica sprememb hitrosti vetra, ne vplivajo na elektroenergetsko omrežje. 3. Drugi vplivi na okolje so podobni oziroma enaki kot sicer pri vetrnih elektrarnah. Te predstavljajo znaten poseg v naravno in kulturno okolje, čeprav so mnenja o dejanskem vplivu zelo različna. Za okoliške prebivalce je lahko problematičen tudi hrup, ki ga oddajajo vetrnice. 4. Količina proizvedenega vodika bi glede na scenarije izkoriščanja vetrne energije, opredeljene v Nacionalnem energetskem programu, lahko znašala od do ton. To predstavlja od 15,2 % do 26,7 % vrednosti, izračunane v 5. poglavju. Ob predvidenem postopnem in počasnem prehodu na vodikove tehnologije v prometu bi torej lahko potrebne količine vodika kar nekaj časa zagotavljali samo s koriščenjem vetrne energije. 5. Proizvodna zmogljivost je v zelo veliki meri odvisna od vremena in se lahko sorazmerno hitro spreminja. 58

72 9.6 PRIDOBIVANJE VODIKA S KORIŠČENJEM ELEKTRIČNE ENERGIJE, PRIDOBLJENE V SONČNIH ELEKTRARNAH Energijo sončnega sevanja, ki vpada na Zemljo, koristimo na različne načine. V tem poglavju se bomo osredotočili na uporabo fotonapetostnih sončnih celic, ki energijo sončnega sevanja pretvarjajo v električno energijo. Tehnologija je dobro poznana in tudi v Sloveniji pogosto uporabljana. Sončne celice iz polprevodnega silicija zaradi fotoefekta pretvarjajo energijo elektromagnetnega valovanja (sončnega sevanja) v električno energijo enosmerne napetosti. Podobno kot smo omenili že v prejšnjem podpoglavju o koriščenju vetrne energije, tudi tu proizvedeno električno energijo v postopku elektrolize porabimo za razgradnjo vode na vodik in kisik, torej jo pretvorimo v kemično energijo vodika. Prednosti tovrstnega sistema so podobne, kot smo jih omenili pri vetrni energiji. Tudi sončno sevanje kot vir energije je namreč nezanesljivo in zelo časovno spremenljivo. Nenadna pooblačitev moč celotne sončne elektrarne v zelo kratkem času zniža na minimum. Poleg tega je proizvodnja ponoči nemogoča. Vse to slabo vpliva na elektroenergetski sistem in omejuje delež, ki ga lahko v celotni proizvodnji zavzemajo sončne elektrarne. V primeru, ko bi proizvedeno električno energijo sproti porabljali za elektrolizo vode, se odstranijo ti vplivi na elektroenergetski sistem. Naslednja ugodna lastnost sončnih celic je, da proizvajajo električno energijo enosmerne napetosti, kot je tudi potrebna za elektrolizo. To pomeni, da odpade potreba po razsmernikih in pretvornikih AC/DC. Seveda pa je treba napetost še vedno prilagoditi na ustrezno vrednost. Problem sončnih elektrarn je tudi njihova majhnost in razdrobljenost, kot je prikazano v nadaljevanju. Cena elektroliznih naprav je že tako visoka, naprave manjših moči pa so sorazmerno še precej dražje Potencial sončne energije v Sloveniji V Sloveniji znaša povprečno sončno obsevanje na kvadratni meter vodoravne površine med 1053 in 1389 kwh na leto. [27] Največje vrednosti sončnega obsevanja so na Primorskem, Goriškem in v Posavskem hribovju (slika 9.2). 59

73 Slika 9.2: Globalno letno obsevanje na horizontalno površino v Sloveniji [27] Ti podatki o sončnem obsevanju so pomembni z vidika določanja primernih lokacij za postavitev sončnih elektrarn in postrojev za elektrolizo vodika. Ker pa izkoriščanje sončne energije ni odvisno samo od količine sevanja, temveč od številnih dejavnikov, se bomo v nadaljevanju oprli na podatke o trenutnem stanju sončnih elektrarn v Sloveniji in napovedi iz Nacionalnega energetskega programa [26]. V Sloveniji je bilo v letu aktivnih sončnih elektrarn. [28] Njihova skupna inštalirana moč znaša 257,6 MW, v letu 2015 pa so proizvedle 266 GWh električne energije, kar je pomenilo 1,9 % vse proizvedene električne energije v Sloveniji. Če primerjamo statistične podatke iz dokumenta Pregled fotovoltaičnega trga v Sloveniji, poročilo za leto 2015 [28] in različni strategiji Energetskih bilanc OVE iz Nacionalnega energetskega programa 2010 [26], vidimo, da dejanski rezultati močno presegajo tudi intenzivno strategijo (predvidena proizvodnja 94 GWh, dejanska 266 GWh). Ta strategija predvideva povečanje izkoriščanja sončne energije za pridobivanje električne energije na 916 GWh do leta Vendar pa je iz poročila [28] razvidno, da je trenutna proizvodnja posledica velike rasti fotovoltaičnega trga v letih 2011 in 2012, po prenehanju dodeljevanja podpor s 60

74 strani države pa se je trg skoraj povsem ustavil, in v letu 2015 so bile postavljene le tri nove elektrarne. Tako se trenutno zdi verjetnejša referenčna strategija, ki predvideva proizvodnjo 235 GWh do leta 2030, saj bodo elektrarne, nameščene v obdobju največje rasti trga sončnih elektrarn, takrat že proti koncu življenjske dobe. Morebitna ponovna rast trga in povečevanje proizvodnje sta odvisna predvsem od tehnološkega napredka na tem področju, ki bi ob znatno višjem izkoristku sončnih celic omogočal ekonomsko upravičene investicije tudi brez državnih podpor. Kot smo že omenili, je problem sončnih elektrarn v povezavi s pridobivanjem vodika z elektrolizo tudi v njihovi majhnosti in razdrobljenosti. Proizvodna cena vodika v elektrolizerjih manjših moči je namreč znatno višja kot v večjih enotah [8]. V spodnji tabeli 9.4 so elektrarne iz Registra deklaracij za proizvodne naprave [29] razporejene glede na nazivno električno moč. Podatki o nekoliko drugačni kot v poročilu [28]. Tabela 9.4: Število in skupna moč sončnih elektrarn glede na nazivno moč [29] Nazivna moč elektrarne Število Delež Skupna moč (kw) Delež skupne moči do 10 kw 258 8,2 % 1.698,3 0,7 % od 10 do 50 kw ,8 % ,9 33,5 % od 50 do 500 kw ,0 % ,1 34,7 % nad 500 kw 95 3,0 % ,5 31,1 % Skupaj % ,8 100 % Iz zbranih podatkov je razvidno, da elektrarne, katerih nazivna moč je višja od 500 kw in so zato najprimernejše za proizvodnjo vodika z elektrolizo, predstavljajo le 3 % vseh elektrarn, proizvedejo pa skoraj eno tretjino vse električne energije iz sončnih elektrarn. V razredu od 50 do 500 kw je nadaljnjih 14 % elektrarn, delež proizvedene energije znaša dobro tretjino, vendar pa so te elektrarne že toliko manjših moči, da je vprašljiva smiselnost povezave z elektroliznimi postroji. Iz tega lahko zaključimo, da je glede na trenutno stanje v Sloveniji približno eno tretjino proizvedene električne energije v sončnih elektrarnah možno porabiti za proizvodnjo vodika z elektrolizo. Ena tretjina še omogoča proizvodnjo ob povišanih stroških, ena tretjina pa gotovo ne bi omogočala ekonomsko upravičene proizvodnje. 61

75 9.6.2 Količina pridobljenega vodika Iz pridobljenih podatkov lahko ocenimo možnost pridobivanja vodika v primeru, da bi pridobljeno energijo iz sončnih elektrarn sproti porabljali za elektrolizo vode. Kot v predhodnih poglavjih bomo predpostavili izkoristek elektrolize 70 %. Upoštevali bomo tudi dejstvo, da je z vidika nazivne moči elektrarn samo eno tretjino pridobljene energije smiselno porabiti za elektrolizo vode. W H,s ref = W s ref η el f m = 8, J 0,70 0,33 = (9.9) = 1, J m H,s ref = W H,s ref H s,h = = 1, J 141, J kg = 1,4 106 kg (9.10) W H,s int = W s int η el f m = 3, J 0,70 0,33 = (9.11) = 7, J m H,s int = W H,s int H s,h = = 7, J 141, J kg = 5,4 106 kg (9.12) kjer je: WH,s ref energija vodika, pridobljenega s koriščenjem sončne energije po referenčnem scenariju (J); Ws ref energija, pridobljena v sončnih elektrarnah po referenčnem scenariju (J); ηel izkoristek elektrolize; fm faktor, ki opredeljuje delež energije, pridobljen v elektrarnah primernih nazivnih moči za povezavo z elektroliznimi napravami; 62

76 mh,s ref masa vodika, pridobljenega s koriščenjem sončne energije po referenčnem scenariju (kg); WH,s int energija vodika, pridobljenega s koriščenjem sončne energije po intenzivnem scenariju (J); Ws int energija, pridobljena v sončnih elektrarnah po intenzivnem scenariju (J); mh,s int masa vodika, pridobljenega s koriščenjem sončne energije po intenzivnem scenariju (kg) Ovrednotenje pridobivanja vodika s koriščenjem električne energije, pridobljene v sončnih elektrarnah Glede na postavljene kriterije ovrednotimo možnosti za pridobivanje vodika s koriščenjem sončne energije v Sloveniji. 1. Sončna energija, ki se v sončnih elektrarnah pretvarja v električno, spada med obnovljive vire energije. 2. Z ozirom ne prejšnjo točko je proizvodnja že upravičena. Dodatna prednost je v tem, da nenadne spremembe v moči proizvedene električne energije, ki so posledica vremenskih sprememb, ne vplivajo na elektroenergetsko omrežje. 3. Drugi vplivi na okolje so podobni oziroma enaki kot sicer pri sončnih elektrarnah. Vprašljiva je sprejemljivost proizvodnje surovcev sončnih celic, ki se večinoma dogaja v predelih sveta z nizkimi okoljskimi standardi. Kadar so nameščene na objekte, se pojavljajo vprašanja, povezana s požarno varnostjo. Predstavljajo poseg v naravno okolje, če so tako umeščene. V prihodnjih letih se bomo soočili tudi s problemom odlaganja sestavnih delov iztrošenih elektrarn. 4. Količina proizvedenega vodika bi glede na scenarije izkoriščanja sončne energije za proizvodnjo električne energije, opredeljene v Nacionalnem energetskem programu, in ob upoštevanju primerne nazivne moči elektrarn lahko znašala od do ton. To predstavlja od 2,8 % do 10,8 % vrednosti, izračunane v 5. poglavju. Ob predvidenem 63

77 postopnem in počasnem prehodu na vodikove tehnologije v prometu bi torej lahko potrebne količine vodika v začetku zagotavljali s koriščenjem sončne energije. 5. Proizvodna zmogljivost je v zelo veliki meri odvisna od vremena in se lahko sorazmerno hitro spreminja. Pozimi je bistveno nižja kot poleti. Ponoči proizvodnja ni mogoča. Z leti izkoristek sončnih elektrarn upada. 9.7 DRUGI NAČINI KORIŠČENJA SONČNE ENERGIJE ZA PRIDOBIVANJE VODIKA Sončno energijo lahko izkoriščamo na različne načine, tudi ko govorimo o možnostih pridobivanja vodika. Poleg kombinacije sončnih elektrarn in elektrolize moramo omeniti vsaj še termosolarni, fotoelektrokemični in fotobiokemični postopek. Ker so ti postopki bodisi na zgodnejši stopnji razvoja bodisi so iz drugih vidikov manj zanimivi in ne omogočajo zadovoljivo natančnih izračunov, napovedi in vrednotenja po zastavljenih kriterijih, jih obravnavamo skupaj. Termosolarni postopek izkorišča energijo sončnega sevanja za pridobivanje toplote. Izvedbe so lahko različne, v grobem pa jim je skupno to, da sončno sevanje koncentrirajo s pomočjo ogledal in s tem segrevajo vodo ali drugo tekočino. Primer je solarni stolp, v katerem polje ogledal usmerja sevanje na vrh stolpa, kjer se posledično dosežejo zelo visoke temperature. Večinoma se tovrstna polja uporabljajo kot elektrarne, v katerih se vodna para vodi na parne turbine. Možno pa jih je uporabiti tudi za pridobivanje vodika v termokemičnih ciklih, ki so opisani v podpoglavju 9.4, le da za vir toplote koristimo koncentrirano sončno sevanje. Druga možnost je visokotemperaturna elektroliza, kjer del sončne energije porabimo za segrevanje vode, del pa za proizvodnjo elektrike, ki jo porabimo za elektrolizo. V zvezi s tem se razvijajo posebni dielektrični filtri, ki bi ločili infrardeči spekter sevanja (toplota, vendar neuporaben za fotovoltaiko) od vidnega in ultravijoličnega (malo toplote). Tak postopek naj bi omogočal precej visoke izkoristke preko 20 %. Sončne celice namreč same po sebi ne dosegajo tako visokih izkoristkov, elektroliza pa jih zmanjša še za 30 %. Termosolarne elektrarne so po svetu že v uporabi, vendar večinoma na področjih, kjer je sončnega sevanja več in je zanesljivejše 64

78 kot v Sloveniji. Zato tudi uporaba termosolarnih postopkov pridobivanja vodika v Sloveniji ni verjetna. Fotoelektrokemične celice temeljijo na kemijskih reakcijah, ki potekajo na elektrodah, občutljivih na svetlobo. En tip celic ustvarja električno energijo, podobno kot fotonapetostne celice, pri drugem pa osvetljevanje elektrode povzroči fotolizo razcep molekule vode na vodik in kisik. Prvi tip je možno za pridobivanje vodika kombinirati z običajno elektrolizo, zanimivejši pa je drugi, pri katerem sta fotonapetostni sistem in elektrolizer združena v eni napravi. To naj bi privedlo do višjih izkoristkov in relativno nizkih stroškov, odpade tudi potreba po žicah in raznih elektronskih komponentah. Fotoelektrokemična celica je sestavljena iz polprevodnikov (podobno kot fotonapetostna celica), ki so potopljeni v elektrolit (npr. H2SO4). Problem polprevodniških materialov, ki povzročajo cepitev vode, je v tem, da so večinoma občutljivi le na ozek spekter svetlobe. Zaradi tega je glavni izziv fotoelektrokemičnih postopkov iskanje ustreznih materialov oziroma njihovih kombinacij, ki bi izkoriščali širok spekter svetlobe. Ob upoštevanju drugih še nerešenih tehničnih problemov za zdaj ni mogoče napovedati, kdaj bodo ti postopki omogočali komercialno pridobivanje vodika. Fotobiokemično pridobivanje vodika temelji na biokemičnih postopkih, podobnih fotosintezi, ki poteka v rastlinah. Ena od reakcij fotosinteze je razgradnja vode na vodik in kisik. To se zgodi ob prisotnosti klorofila, v katerem se absorbira svetloba, po naslednji kemijski enačbi: 2H 2 O + 2hν 4H + + 4e + O 2 (9.13) V postopku fotosinteze nadalje pride do tvorbe različnih spojin ogljikovih hidratov. Nekatere bakterije, npr. modrozelene cepljivke (cianobakterije), imajo lastnost, da vodik po razgradnji vode ob prisotnosti svetlobe spustijo v ozračje. Ta fotobiokemični postopek se imenuje biofotoliza. Teoretično lahko modrozelene cepljivke 25 % sončnega sevanja pretvorijo v kemično energijo vodika, dejanski izkoristki pa so pogosto nižji od 1 %. Problem je v tem, da prisotnost kisika zavira delovanje encima hidrogenaze, ki je nujen za nastajanje vodika. V rastlinah v naravi vodik nastaja samo ponoči, po več urah teme, ko je kisik, proizveden podnevi s fotosintezo, že porabljen. Biološko gledano tak sistem ne omogoča kontinuirane proizvodnje 65

79 vodika. Postroji za fotobiokemično pridobivanje vodika so zato sestavljeni iz odprte posode za gojenje alg (osvetljena, prisotnost kisika), cisterne, v kateri se ustvari anaerobno okolje (brez kisika) in se aktivira hidrogenaza, fermentacijske cisterne (temno okolje, brez kisika), v kateri nastaja večina vodika, fotobioreaktorja, v katerem se ustvari preostali vodik ob prisotnosti svetlobe, enote za ločitev plinov (ogljikov dioksid in vodik) in podpornih sistemov (skladiščenje ipd.). Tak postroj omogoča kontinuirano proizvodnjo vodika, ki je sicer še vedno pogojena s prisotnostjo sončne svetlobe. Fotobiokemični postopki bi lahko v prihodnosti predstavljali pomemben del proizvodnje vodika, vendar je pred tem treba rešiti številna tehnična vprašanja. Raziskave gredo predvsem v smeri višanja aktivnosti hidrogenaze ali odkrivanja sorodnih encimov, genskega inženiringa bakterij, ki bi porabile manj vodika in ga več spustile v okolico, ter tehnološkega razvoja učinkovitih, enostavnih in poceni fotobiokemičnih postrojev. [8] Ovrednotenje drugih načinov koriščenja sončne energije za pridobivanja vodika Glede na postavljene kriterije ovrednotimo možnosti za pridobivanje vodika s koriščenjem sončne energije v Sloveniji. 1. Vsi našteti načini koriščenja sončne energije spadajo med obnovljive vire. 2. Prednost fotoelektrokemičnih in fotobiokemičnih postopkov je v direktni proizvodnji vodika, ki ne potrebuje elektrolizerja. To je teoretično možno tudi pri termosolarnih postopkih, čeprav je tam bolj smiselna visokotemperaturna elektroliza. V fotobiokemičnih postopkih se lahko uporablja tudi odpadna voda, kar je prednost pred elektroliznimi napravami, kjer so zahteve glede čistosti vode precej visoke. 3. Razen problemov pri umeščanju postrojev ni drugih negativnih vplivov na okolje. 4. Vsi opisani postopki so v razmeroma zgodnji fazi razvoja, zato niso mogoče napovedi in izračuni o količini vodika, ki bi ga lahko pridobili. Termosolarni sistemi so v Sloveniji malo verjetni, ker je zanje potrebno močnejše in zanesljivejše sončno obsevanje. Iz prejšnjega podpoglavja 9.6 je razvidno, kolikšen je potencial sončnega sevanja v Sloveniji in koliko vodika bi lahko na ta način pridobili. Pri tem predpostavljamo, da se bodo ob nadaljnjem tehnološkem razvoju izkoristki fotoelektrokemičnih in 66

80 fotobiokemičnih postopkov približali izkoristkom sistemov s sončnimi celicami in elektroliznimi napravami. 5. Proizvodna zmogljivost je tudi v teh primerih močno odvisna od vremena in se lahko sorazmerno hitro spreminja. Fotobiokemični postopki omogočajo raztegnitev proizvodnje tudi v nočni čas. 9.8 PRIDOBIVANJE VODIKA S KORIŠČENJEM HIDROENERGIJE Tudi ko govorimo o koriščenju hidroenergije za pridobivanje vodika, imamo v mislih zelo podoben sistem kot pri vetrni in sončni energiji. Vodik pridobivamo z elektrolizo, v tem primeru zanjo porabljamo električno energijo iz hidroelektrarn. Le-ta je v primerjavi z vetrno in sončno energijo zelo poceni, zanesljivejša in bolj konstantna, zato je tudi enostavnejša za upravitelja elektroenergetskih omrežij. Hidroenergija je že v tem trenutku eden ključnih energetskih virov v Sloveniji, saj zagotavlja približno tretjino vse proizvedene električne energije v Sloveniji. V letu 2014 so slovenske hidroelektrarne proizvedle GWh, v letu 2015 pa GWh električne energije. [22] Nacionalni energetski program [26] predvideva kar 55% rast proizvodnje v hidroelektrarnah (velikih in malih) v obdobju , kar naj bi dosegli predvsem z gradnjo novih elektrarn na reki Savi in kasneje na drugih vodotokih. V nadaljevanju bomo ocenili, koliko vodika bi lahko pridobili, če bi proizvodnjo električne energije iz hidroelektrarn ohranili na ravni iz leta 2014, dodatne proizvodne zmogljivosti pa porabili za elektrolizo Potencial hidroenergije v Sloveniji Iz zgoraj navedenih podatkov o proizvodnji električne energije v slovenskih hidroelektrarnah v letih 2014 in 2015 je lepo razvidno, da se lahko količina pridobljene energije iz leta v leto precej 67

81 spreminja glede na vremenske razmere. Zato se bomo v nadaljevanju raje oprli na podatke iz Nacionalnega energetskega programa [26], ki v svojih napovedih upošteva preverjene metode napovedovanja proizvodnje, utemeljene na dolgoletnih povprečjih. Tako je bila za leto 2015 napovedana proizvodnja GWh, kar je približno povprečje dejanskih proizvodenj v letih 2014 in Zaradi le malenkostnih odstopanj med posameznimi strategijami v NEP-u bomo v nadaljevanju upoštevali le referenčno strategijo. Ta do leta 2030 predvideva povečanje letne proizvodnje v hidroelektrarnah na GWh. Preprost izračun nam pove, da bi lahko ob ohranjanju trenutne ravni proizvedene električne energije letno za pridobivanje vodika z elektrolizo porabili okrog GWh elektrike Količina pridobljenega vodika Iz pridobljenih podatkov lahko ocenimo količino pridobljenega vodika v primeru, da bi del hidroenergije, ki predstavlja povečanje proizvodnje v obdobju (1.600 GWh), porabili za elektrolizo. Kot v predhodnih poglavjih bomo predpostavili izkoristek elektrolize 70 %. W H,h = W h η el = 5, J 0,70 = 4, J (9.14) m H,h = W H,h H s,h = = 4, J 141, J kg = 28,4 106 kg (9.15) kjer je: WH,h energija vodika, pridobljenega s koriščenjem hidroenergije (J); Wh energija, ki predstavlja predvideno povečanje proizvodnje v hidroelektrarnah v obdobju (J); ηel izkoristek elektrolize; 68

82 mh,h masa vodika, pridobljenega iz predvidenega deleža hidroenergije (kg) Ovrednotenje pridobivanja vodika s koriščenjem hidroenergije Glede na postavljene kriterije ovrednotimo možnosti za pridobivanje vodika s koriščenjem hidroenergije v Sloveniji. 1. Hidroenergija spada med obnovljive vire energije. 2. Z ozirom na prejšnjo točko je proizvodnja že upravičena. Poleg tega omogoča proizvodnja vodika dobro izkoriščanje razpršenih malih hidroelektrarn. 3. Drugi vplivi na okolje so podobni oziroma enaki kot sicer pri hidroelektrarnah. Te predstavljajo predvsem grob poseg v naravno okolje vodotokov. 4. Količina proizvedenega vodika bi glede na scenarije izkoriščanja hidroenergije v Nacionalnem energetskem programu in ob zgornjih predpostavkah znašala okrog ton. To predstavlja 57 % vrednosti, izračunane v 5. poglavju. Vodik, pridobljen s pomočjo koriščenja hidroenergije, bi torej lahko pokrival velik del potreb v prometu. 5. Proizvodna zmogljivost je odvisna od vremena in lahko iz leta v leto niha tudi za več deset odstotkov. Redko pa pride do nenadnih sprememb v trenutni proizvodni moči. 9.9 PRIDOBIVANJE VODIKA IZ BIOMASE Vodik je mogoče pridobivati tudi iz biomase in bioplina. V prvem primeru gre za uplinjanje trdne biomase, pri čemer nastaja mešanica plinov, v kateri je tudi vodik. Bioplin nastaja pri anaerobnem vrenju organskih snovi, tako da v osnovi prav tako izvira iz biomase. Sestavlja ga večinoma metan (CH4). Vodik iz bioplina se pridobiva enako kot iz zemeljskega plina s postopkom SMR. Biomaso prištevamo med obnovljive vire energije, čeprav pri zgorevanju nastaja CO2. Razlog je v tem, da rastline v obdobju svoje rasti zaradi fotosinteze porabljajo CO2, v postopku njihove razgradnje pa bi se v vsakem primeru vrnil v ozračje. Če upoštevamo 69

83 obdelovanje zemlje, proizvodnjo gnojil (kadar gre za biomaso iz kmetijstva) in spravilo biomase, ta vir energije ni povsem CO2-nevtralen, je pa še vedno nizkoogljičen, posebej če je kombiniran s sistemi za zajem CO2. Uplinjanje trdne biomase poteka ob prisotnosti toplote, pare in kisika in jo pretvori v mešanico vodika in drugih plinov brez zgorevanja. Med primerne surovine za uplinjanje štejemo ostanke kmetijske pridelave, les, rastline z visoko energijsko vrednostjo, gojene posebej v ta namen, trdne organske odpadke iz gospodinjstev in živalske odpadke. Za uplinjanje so potrebne temperature nad 700 C in nadzorovane količine kisika in pare. Produkti so ogljikov dioksid, vodik in ogljikov monoksid, ki ga je možno ob nadaljnji reakciji z vodno paro pretvoriti v ogljikov dioksid, pri čemer nastane še nekaj vodika. Tehnološke rešitve, ki se na področju uplinjanja biomase pričakujejo v prihodnje, so razvoj novih membran, ki bodo učinkovito ločevale za proces potreben kisik iz zraka (zdaj potratna kriogenska tehnika) in omogočale ločevanje in čiščenje proizvedenega vodika, ter poenostavljanje procesov Potencial biomase v Sloveniji V Sloveniji imamo velike zaloge lesne biomase, ki so glede na velikost države med največjimi v Evropi in znašajo okoli 2 milijona kubičnih metrov. [30] Vendar pa se v Sloveniji lesna biomasa, ki ni primerna za nadaljnjo obdelavo, v zelo veliki meri uporablja za ogrevanje v sistemih daljinskega ogrevanja in individualnih kuriščih ter za soproizvodnjo električne energije in toplote. Ker je ta trend pričakovati tudi v prihodnosti, to zmanjšuje možnost za pridobivanje vodika iz lesne biomase. Poleg tega tudi Nacionalni energetski program 2010 [26] za obdobje predvideva celo rahel upad energije, proizvedene iz lesne biomase. Kljub temu pa je iz podatkov SURS-a [1] možno ugotoviti, da letni prirast biomase v Sloveniji daleč presega letni posek, kakor prikazujejo naslednje tabele 9.5, 9.6 in

84 Tabela 9.5: Posek lesa v Sloveniji v obdobju v 1000 m 3 [1] Iglavci in listavci skupaj Iglavci Listavci Tabela 9.6: Letni prirastek lesa v Sloveniji v obdobju v 1000 m 3 [1] Iglavci in listavci skupaj Iglavci Listavci Tabela 9.7: Razlika med letnim prirastkom in letnim posekom lesa v Sloveniji v obdobju v 1000 m 3 [1] Iglavci in listavci skupaj Iglavci Listavci V obdobju so izstopajoči podatki za leto 2014, ko lahko neobičajno velik posek pripišemo posledicam žledoloma v začetku februarja. Sicer pa lahko ugotovimo, da je razlika med letnim prirastkom in letnim posekom razmeroma konstantna in znaša okoli m 3 letno, od tega m 3 listavcev in m 3 iglavcev. To količino bi lahko v Sloveniji letno posekali, ne da bi pri tem zmanjševali obstoječe zaloge lesne biomase. Povprečne kurilne vrednosti lesa so zelo težko določljive. Na spletni strani Ministrstva za kmetijstvo, gozdarstvo in prehrano [31] so navedene tipične vrednosti 7,35 GJ/m 3 za iglavce in 10,16 GJ/m 3 za listavce. Energijska vrednost vsega neizkoriščenega letnega prirasta lesne biomase v slovenskih gozdovih torej znaša: W lb = V i H i,i + V l H i,l = = 1, m 3 7, J m 3 + 3,0 106 m 3 10, J m 3 = = 4, J (9.16) kjer je: 71

85 Wlb energijska vrednost neizkoriščenega letnega prirasta lesne biomase v slovenskih gozdovih (J); Vi volumen neizkoriščenega letnega prirasta iglavcev v slovenskih gozdovih (m 3 ); Ηi,i povprečna kurilna vrednost iglavcev (J/m 3 ); Vl volumen neizkoriščenega letnega prirasta listavcev v slovenskih gozdovih (m 3 ); Ηi,l povprečna kurilna vrednost listavcev (J/m 3 ). Ta vrednost je zelo visoka in presega vso proizvedeno energijo v JEK-u. Potencial lesne biomase v Sloveniji je torej zelo velik, treba pa je najti primerne načine izkoriščanja. Razvoj postopkov uplinjanja bi lahko prinesel pomemben napredek na tem področju Količina pridobljenega vodika Potem ko smo določili energijsko vrednost razlike med letnim prirastom in posekom lesa v Sloveniji, lahko določimo količino vodika, ki bi jo bilo teoretično možno pridobiti. Potrebni so še podatki o izkoristku pretvorbe energijske vrednosti lesne biomase v kemično energijo vodika. Thomas [10] navaja izkoristek 49 %, ob upoštevanju kompresije vodika ta pade na 46 %. Rajvanshi [32] navaja izkoristke med 60 in 70 %, pri čemer kot produkte upošteva vodik, ogljikov monoksid, metan, ogljikov dioksid in dušik. Zadnja dva nimata kurilne vrednosti, količine metana so zanemarljive, volumska odstotka vodika in ogljikovega monoksida pa sta približno enaka. Ker je tudi njuna kurilna vrednost na prostorninsko enoto skoraj enaka [7], lahko predpostavimo, da se okoli 30 % energijske vrednosti lesne biomase pretvori v kemijsko energijo vodika. V enačbi bomo predpostavili izkoristek 30 %. W H,lb = W lb η = 4, J 0,3 = 1, J (9.17) m H,lb = W H,lb H s,h = 1, , = 89, kg (9.18) 72

86 kjer je: WH,lb energija vodika, ki bi ga bilo možno pridobiti z uplinjanjem neizkoriščenega letnega prirasta biomase v slovenskih gozdovih (J); η izkoristek pretvorbe energije lesne biomase v kemijsko energijo vodika; mh,lb masa vodika, ki bi ga bilo možno pridobiti z uplinjanjem neizkoriščenega letnega prirasta biomase v slovenskih gozdovih (kg). Ob primerjavi tukaj izračunanih vrednosti s tistimi, ki smo jih določili v 5. Poglavju, vidimo, da bi lahko z energijo vodika, pridobljenega iz neizkoriščenega letnega prirasta biomase, pokrili več kot polovico potreb po pogonskih gorivih za osebni potniški promet v Sloveniji. Zavedati se moramo, da je proizvodnja tako velikih količin vodika iz lesne biomase nerealna, pokaže pa nam, da bi lahko ob nadaljnjem razvoju tehnologij uplinjanja biomase proizvedli dovolj vodika, da bi vsaj v prvi fazi pokrivali potrebe avtomobilov s pogonom na gorivne celice, ne da bi pri tem bistveno posegli v lesno zalogo slovenskih gozdov. Glede na pričakovan počasen in postopen prehod vodikove tehnologije v osebnem prometu je torej lesna biomasa zelo primeren potencialen vir energije. Pri tem predpostavljamo uspešen nadaljnji razvoj postopkov uplinjanja in prehod tehnologije v komercialno uporabo Ovrednotenje pridobivanja vodika iz biomase Glede na postavljene kriterije ovrednotimo možnosti za pridobivanje vodika iz biomase v Sloveniji. 1. Biomasa spada med obnovljive vire energije. 2. Slovenija ima zaradi velikih zalog lesne biomase določeno strateško prednost, saj gre za domač vir energije z velikim energetskim potencialom. Če je postroj za uplinjanje biomase nadgrajen s tehnologijo zajemanja in skladiščenja ogljikovega dioksida, je lahko postopek celo CO2-negativen (ob upoštevanju dejstva, da biomasa pri rasti porablja CO2 iz ozračja). 73

87 3. Sečnja in spravilo lesa iz gozdov v naravnem okolju pušča posledice, ki pa so poznane in obvladljive. Pri namenskem pridobivanju biomase za energetske namene v kmetijstvu je treba upoštevati vplive, kot so uporaba gnojil, škropiv ipd. 4. Podatki in izračuni kažejo, da je potencial lesne biomase v Sloveniji tako velik, da bi lahko iz nje s postopki uplinjanja proizvedli dovolj vodika za pokrivanje potreb osebnega potniškega prometa v Sloveniji v fazi prehoda na vodikove tehnologije. Tudi v primeru, da bi ves potniški promet kot pogonsko gorivo uporabljal vodik, bi lahko več kot polovico teh potreb pokrivali iz lesne biomase, ne da bi pri tem bistveno posegali v skupno zalogo lesne biomase v Sloveniji. Ključen dejavnik je v tem primeru razvoj in strošek postopkov uplinjanja lesne biomase. 5. Proizvodna zmogljivost ni bistveno odvisna od letnega časa in vremena, saj se lahko les dovolj dobro skladišči, da pripravljene zaloge pokrivajo potrebe v času, ko je dotok nove surovine manjši RAZPRŠENA IN CENTRALNA PROIZVODNJA VODIKA Ob pregledu energetskih virov (predvsem OVE), s katerimi bi v Sloveniji lahko zagotavljali proizvodnjo ustreznih količin vodika, je potreben tudi razmislek o razpršeni in centralni proizvodnji vodika. Vsaka ima svoje prednosti in slabosti, ki so predstavljene v nadaljevanju Razpršena proizvodnja Vodik se lahko pridobiva v malih proizvodnih enotah tam, kjer je potreba oziroma kjer je na voljo ustrezen energetski vir. Glavna prednost razpršene proizvodnje je predvsem v tem, da vodik proizvedemo tam, kjer ga potrebujemo, s čimer odpade potreba po transportu, ki je precej zahteven. V Nemčiji ga ponekod že proizvajajo neposredno na bencinski črpalki, kjer je tudi polnilnica vodika. Razpršena proizvodnja zagotavlja tudi lokalno energetsko oskrbo in možnost koriščenja relativno malih energetskih virov. Predvsem v prvi fazi prehoda na vodikove 74

88 tehnologije, ko bo potreba po vodiku majhna, je razpršena proizvodnja verjetno najprimernejša rešitev. Ustrezni načini pridobivanja za razpršeno proizvodnjo so reforming zemeljskega plina ali drugih ogljikovodikov, uplinjanje biomase ter z elektrolizo iz sončne ali vetrno energije. Glavna slabost razpršene proizvodnje je predvsem zelo visoka cena, ki je lahko nekajkrat (2- do 4-krat pri postopkih SMR) višja kot pri centralni proizvodnji. [33] Centralna proizvodnja Centralna proizvodnja poteka v večjih postrojih, kjer je količina proizvedenega vodika 100 in več ton dnevno. [33] Stroški take proizvodnje so bistveno nižji, hkrati pa bomo samo v tako velikih sistemih zagotovili zadostne količine vodika v primeru večjega razmaha vodikovih tehnologij v prometu. V centralni proizvodnji se lahko uporabljajo termokemični postopki pridobivanja vodika, elektroliza s koriščenjem predvsem vetrne energije (večje moči vetrnih polj) ali viškov električne energije iz omrežja, seveda pa tudi s postopki iz fosilnih goriv. Glavna slabost centralne proizvodnje je potreba po transportu vodika, ki zahteva posebne plinovode ali uporabo kriogenske tehnike (zaradi zelo nizke gostote vodika). Tako pri razpršeni kot centralni proizvodnji vodika se postavlja vprašanje povezave z elektroenergetskim omrežjem, predvsem kadar govorimo o elektrolizi, pa tudi sicer, saj je mogoče z viški vodika v stacionarnih gorivnih celicah proizvajati električno energijo in jo oddajati v omrežje. Čeprav povezava na omrežje načeloma ni nujna (razen če govorimo o koriščenju viškov električne energije), je z njo omogočeno zanesljivejše, stabilnejše in enakomernejše delovanje sistema. 75

89 10 ZBRANI REZULTATI IN KOMENTAR V celotni nalogi smo z izračuni in z uporabo različnih virov dobili več rezultatov, ki jih bomo sedaj še enkrat povzeli, smiselno uredili in predstavili. Najpomembneje pa je te rezultate povezati tako, da lahko iz njih dobimo uporabne podatke za načrtovanje oskrbe z vodikom v prihodnosti. Podoben zbir podatkov bo lahko v veliko pomoč ob uvajanju vodikovih tehnologij in izbiri ustreznih energetskih virov za proizvodnjo vodika. V spodnji obširnejši tabeli 10.1 so na enem mestu zbrani rezultati naslednjih izračunov: potrebna količina vodika, ki bi nadomestila trenutno uporabljana pogonska goriva, po petih scenarijih (vsi avtomobili, avtomobili občin, kjer bi bilo smiselno postaviti prve polnilnice vodika, ter aktivni, osnovni in pasivni scenarij uvajanja avtomobilov na vodik do leta 2030); količina vodika, ki bi ga lahko proizvedli iz različnih energetskih virov (viški električne energije na trgu, termokemični postopki, vetrna in sončna energija po referenčnem in intenzivnem scenariju koriščenja iz Nacionalnega energetskega programa, hidroenergija, biomasa); delež potreb, ki jih lahko posamezen energetski vir pokriva po različnih scenarijih. 76

90 Tabela 10.1: Potrebe po vodiku glede na različne scenarije uvajanja vodikovih tehnologij v promet in potencialni energetski viri za proizvodnjo vodika Potrebe po vodiku glede na Vsi avtomobili V izbranih 2030 aktivni 2030 osnovni 2030 pasivni scenarij občinah scenarij scenarij scenarij Energetski vir Proizvodna Potrebna t t t 389 t 15 t zmogljivost količina Viški el. energije t 1,40 4,40 47,59 562, ,55 JEK termokemični t 134,06 422, , , ,65 Veter ref t 4,82 15,18 164, , ,55 Delež potreb Veter int t 8,46 26,67 288, , ,12 (%) Sonce FV ref t 0,88 2,77 29,96 354, ,90 Sonce FV int t 3,43 10,82 116, , ,02 Hidroenergija t 18,15 57,21 618, , ,06 Biomasa t 57,16 180, , , ,71 77

91 Ko govorimo o količini vodika, s katerim bomo nadomestili obstoječe potrebe po pogonskih gorivih, je najprej opazen velik razpon med posameznimi scenariji uvajanja vodikovih tehnologij. Kot je že bilo opisano, so razlike v napovedih velike in še vedno lahko odstopajo za nekaj deset odstotkov v eno ali drugo smer. Tudi v najboljšem primeru pa bodo potrebe po vodiku v prvi fazi tako majhne, da jih ob ustrezni tehnologiji pridobivanja ne bo težko pokriti, ne glede na energetski vir. Če primerjamo potenciale različnih energetskih virov, daleč največjega predstavljajo termokemični postopki pridobivanja vodika, pri čemer je kot vir energije predviden jedrski blok drugačne tehnologije (plinsko hlajen) in podobnih moči, kot trenutno stoji v Krškem (slika 10.1). Ta bi edini lahko samostojno pokril vse potrebe po vodiku. Treba pa se je zavedati, da je v tej nalogi predpostavljeno, da se vsa energija jedrskega bloka lahko porabi za proizvodnjo vodika, kar je seveda povsem nerealno. Po drugi strani pa vidimo, da bi že ob uporabi 10 % proizvedene toplotne moči reaktorja lahko dolgo zanesljivo oskrbovali Slovenijo z vodikom. Možno je tudi pridobivanje vodika z elektrolizo s pomočjo električne energije, proizvedene v običajnem tlačnovodnem jedrskem reaktorju, kjer je največja možna količina proizvedenega vodika glede na izkoristke polovico manjša kot pri termokemičnih postopkih. Realnejši vir večjih količin vodika je biomasa, ki je je v Sloveniji več kot dovolj in je povsod prisotna. Seveda pa ob tem predpostavljamo ustrezen tehnološki razvoj postopkov pridobivanja vodika iz biomase. Od ostalih energetskih virov je glede na potencial zanimiv predvsem veter. 78

92 Slika 10.1: Delež potreb po vodiku za pogon osebnega potniškega prometa v Sloveniji, ki bi ga lahko pokril posamezen energetski vir V spodnjem desnem delu tabele so predstavljeni deleži potreb po vodiku po različnih scenarijih, ki bi jih pokril posamezen vir. Če se bo uresničil pasivni potencial uvajanja vodikovih tehnologij v promet, težav z oskrbo še dolgo ne bo, saj bo kateri koli energetski vir močno presegal povpraševanje po vodiku. Vendar pa po tem scenariju v Sloveniji ni upravičena gradnja ustrezne infrastrukture polnilnic, ki bi sploh omogočila začetek uporabe vodikovih tehnologij v prometu. Tudi po osnovnem scenariju problema z zagotavljanjem vodika do leta 2030 še ne bo, ob morebitnem uresničevanju aktivnega scenarija pa se že pokaže potreba po premišljenem načrtovanju proizvodnje, saj nekateri energetski viri, katerih tehnologija je danes najbolj razvita in najenostavnejša (sončne, vetrne in hidroelektrarne v povezavi z elektrolizo), ne bodo mogli sami pokrivati potreb po vodiku v primeru nedoslednega uresničevanja zastavljenih scenarijev iz Nacionalnega energetskega programa (pri tem upoštevamo, da se bo velik del proizvedene hidroenergije verjetno porabil za pokrivanje potreb elektroenergetskega omrežja). Poleg tega je treba upoštevati, da je potencial sončne in vetrne energije ter malih hidroelektrarn upoštevan za področje vse Slovenije, zbiranje vodika na toliko različnih mestih in transport do polnilnic pa gotovo ni smiseln. Če se bo torej v prihodnosti začel odvijati aktivni scenarij uvajanja vodikovih tehnologij, bo treba vodik zagotavljati vsaj iz enega večjega postroja. V poštev lahko pridejo uplinjanje biomase (ob primerno razviti tehnologiji), večja polja vetrnic, večje hidroelektrarne, termokemični postopki, pri čemer lahko uporabimo tudi kakšen drug primeren vir toplote, in ne nujno jedrskega reaktorja, ter seveda tudi postopki 79

93 pridobivanja vodika iz zemeljskega plina ali drugih fosilnih goriv. Čeprav teh postopkov nismo podrobneje obravnavali, ker ne zmanjšujejo odvisnosti od fosilnih goriv in izpustov CO2, je sploh v fazi uvajanja upravičeno pričakovati, da bodo ključni za pokrivanje potreb po vodiku. Razlog za to je v najnižji proizvodni ceni in tehnološko najbolj dodelanih postopkih. V četrtem stolpcu so podatki o potrebah po vodiku v primeru, da bi ga kot pogonsko gorivo uporabljali vsi avtomobili. Tu je razvidno, kako velik je dejansko problem nadomeščanja fosilnih goriv v prometu. Vsi energetski viri brez jedrske energije ne morejo zagotoviti zadostnih količin vodika (slika 10.2). Slika 10.2: Delež potreb po vodiku za pogon osebnega potniškega prometa v Sloveniji, ki bi ga nadomestili obravnavani energetski viri brez jedrske energije Tu se lahko navežemo na električna vozila, ki so trenutno v veliki prednosti pred vodikovimi. Tudi zanje je treba zagotavljati dovolj električne energije in srečali bi se s podobnim problemom, saj so možnosti koriščenja OVE omejene, trenutno koriščeni viri pa pokrivajo tekoče potrebe po električni energiji. Možnosti zagotavljanja potrebne dodatne električne energije za promet so prikazane na sliki Pri tem so upoštevani rezultati izračunov potrebne električne energije (enačbe 5.11 in 5.12), različen izkoristek termokemičnih postopkov in proizvodnje električne energije v jedrski elektrarni (podpoglavje 9.4.1) ter dejstvo, da v tem primeru ni treba upoštevati izkoristka elektrolize. Ob tem še enkrat poudarimo, da je v pričujoči 80

94 nalogi obravnavan le osebni potniški promet, niso pa zajeti javni cestni, tovorniški, železniški in druge vrste prometa. Edina možnost, ki bi zagotovila dovolj energije za nadomestitev fosilnih goriv v prometu, je torej še en jedrski reaktor podobnih moči, kot je trenutno v JEK-u, ki bi bodisi zagotavljal toploto za termokemične postopke pridobivanja vodika bodisi proizvajal dovolj električne energije za električna vozila. Zavedati se je treba, da je trenutno načrtovani drugi blok JEK-a predviden predvsem kot nadomestitev trenutno obstoječega po koncu življenjske dobe, torej bi za potrebe prometa potrebovali povsem nov projekt. Slika 10.3: Delež potreb po električni energiji za pogon osebnega potniškega prometa v Sloveniji, ki bi ga lahko pokril posamezen energetski vir 81

95 11 SKLEP Na področju uvajanja vodikovih tehnologij v promet se bomo v prihodnje srečali z dvema ključnima problemoma. Prvi je razvoj avtomobilov in drugih vozil z gorivnimi celicami, ki bodo kot vir energije uporabljala vodik. Ta vozila bodo morala biti tehnično izpopolnjena, uporabniku prijazna in cenovno dostopna. Tehnični vidiki so v glavnem že rešeni, kar se kaže tudi v začetku prodaje prvih serijskih avtomobilov z gorivnimi celicami na svetovnih trgih. Drugi, ki je bil podrobneje obravnavan v tej nalogi, pa je povezan z zagotavljanjem zadostnih količin vodika, ki bi lahko nadomestil fosilna goriva kot trenutni ključni vir energije v prometu. Prvi serijski avtomobili na vodik jasno kažejo, da se bodo vodikove tehnologije najprej uveljavile v osebnem potniškem prometu, v katerem se porabi 41 % vse energije v prometu. S teh vidikov se je raziskava tega segmenta pokazala kot najbolj smiselna. Prehod na vodikove tehnologije ni le stvar tehnologije vozil, ampak je tesno povezan z ustrezno infrastrukturo, predvsem z omrežjem polnilnic. Ta mora omogočati tako potovanje na večje razdalje kot vsakodnevno uporabo v domačem okolju. Za izpolnjevanje prvega kriterija bi v Sloveniji potrebovali okrog 8 polnilnic, razporejenih ob avtocestnem križu. To bi bilo glede na velikost države in število prebivalcev primerljivo z nemškim načrtom postavitve novih polnilnic vodika do leta Glede na predvidenih 8 polnilnic bi za izpolnjevanje drugega kriterija (vsakodnevna dostopnost polnilnice vodika) prišla v poštev slaba tretjina vseh osebnih vozil v Sloveniji. Lastniki teh vozil predstavljajo potencialni bazen prvih kupcev in uporabnikov avtomobilov z gorivnimi celicami v Sloveniji. Kljub temu je pričakovati le počasno uvajanje vodikovih vozil v promet, kar jasno kažejo strategije iz Nacionalnega energetskega programa. Po najbolj optimističnih scenarijih bi do leta % osebnih avtomobilov v Sloveniji poganjal vodik. Zagotavljanje zadostnih količin vodika bo v prihodnosti bistvenega pomena, če bo dosežen odločilen preboj in bodo vozila na vodik začela prevzemati znaten delež na trgu. Čeprav je to mogoče pričakovati po letu 2030, je glede na dolgoročnost investicij v energetiki treba že danes 82

96 razmišljati v tej smeri. Tudi če vodikove tehnologije v prometu nikoli ne bodo dosegle večje veljave, je problem zelo podoben pri zagotavljanju zadostnih količin energije za električna vozila, katerih razvoj je trenutno v prednosti v primerjavi z vodikovimi. Naivno je pričakovati, da se bomo vozili z električnimi vozili in prenehali uporabljati fosilna goriva, ne da bi dobro preučili energetske vire, ki so nam na voljo. Zaradi tega je najpomembnejši del te naloge pregled energetskih virov, ki so na voljo za pridobivanje vodika. Poudarek je na obnovljivih virih energije in zmanjševanju izpustov ogljikovega dioksida (iz tega razloga je upoštevana jedrska energija). Obstoječi viri energije niso upoštevani, saj je Slovenija že sedaj neto uvoznica električne energije [22]. Izjema so viški električne energije, ki se prodajo pod tržno ceno, ker je proizvodnja v tistem trenutku višja od potreb. Tako proizvodnja vodika kot večje število električnih avtomobilov bi bila preveliko breme za elektroenergetski sistem v trenutnem stanju. Iz na koncu zbranih rezultatov je ta problematika jasno razvidna. Samo dodaten jedrski blok bi lahko pokril potrebe prometa po energiji, če bi želeli v celoti prenehati z uporabo fosilnih goriv. Vemo pa, da se jedrski energiji pogosto močno nasprotuje iz različnih vzrokov. Poleg tega je morebiten nov jedrski blok v Jedrski elektrarni Krško predviden predvsem kot nadomestitev obstoječega, gradnja še enega pa se zdi povsem neverjetna. Kljub temu bi bilo v fazi priprave projekta JEK 2 smiselno razmišljati o tem, da se klasična jedrska elektrarna kombinira s postroji za pridobivanje vodika po termokemičnih postopkih ali z elektrolizo. Tako bi lahko vsaj del energije jedrskega reaktorja v prihodnje porabili za ta namen. Če bo ta priložnost zamujena že v fazi načrtovanja, se bodo možnosti za uveljavitev termokemičnih postopkov odmaknile za nekaj desetletij. Podobno velja za elektrolizo, čeprav bi bilo tovrsten postroj možno dodati naknadno. Drugi energetski vir s sorazmerno velikim potencialom je lesna biomasa, katere izkoriščanje je v Sloveniji že uveljavljeno in ima veliko možnosti za napredek, poleg pa se zdi zelo sprejemljiva. Problem pa so sorazmerno slabo razvite tehnologije uplinjanja biomase in znane težave z odkupom in nizkimi cenami, zaradi katerih se poseka manj lesa, kot je letni prirast. 83

97 Ostali energetski viri, predvsem sončna, vetrna in hidroenergija, bi lahko ob izpolnjevanju intenzivnih scenarijev NEP-a zagotavljali dovolj vodika v fazi uvajanja vodikovih tehnologij, približno do ene tretjine vseh vozil (podobno velja za električna vozila). Na tem mestu pridemo do ekonomskega vidika področja, ki v nalogi sicer ni obravnavan, je pa bistvenega pomena za prihodnost. Cena vodika je trenutno vsaj v Evropi znatno previsoka. Najcenejši so postopki pridobivanja iz zemeljskega plina, če pa želimo proizvajati vodik na okolju prijazen način, so najprimernejši obnovljivi viri energije v kombinaciji z elektrolizo. Tako cene elektroliznih naprav kot elektrike iz OVE (razen hidroenergije) pa so zelo visoke. Vprašanje je tudi, kolikšno obremenitev bi nadomeščanje fosilnih goriv bodisi z vodikom bodisi z električnimi vozili pomenilo za državne proračune. V Sloveniji zbrane trošarine od energentov in električne energije znašajo okoli milijardo evrov, kar je približno osmina celotnega proračuna Republike Slovenije. Če bo sprejeta politična odločitev, da se želi spodbuditi nakup in uporabo vozil z gorivnimi celicami (ali električnih), bodo za to potrebne posebne spodbude in subvencije, ne pa dodatne davčne obremenitve. Poleg tega trenutna infrastruktura za oskrbo z naftnimi derivati ne predstavlja večjih stroškov za državo, medtem ko bi odpiranje novih proizvodnih možnosti za vodik ali električno energijo zahtevalo zelo velika vlaganja. Zaključimo lahko z ugotovitvijo, da je resnejši vstop vodikovih tehnologij na trg sicer še daleč, vendar pa je zaradi dolgoročnosti nujno treba že danes načrtovati energetsko oskrbo tudi z vidika zmanjševanja deleža naftnih derivatov v prometu. Bistveni problemi niso več tehnične narave, ampak so povezani s pomanjkanjem strategije. Nemogoče je pričakovati, da se bomo vsi vozili na vodik ali elektriko, ne da bi skrbno načrtovali, katere energetske vire bomo za to uporabili. 84

98 VIRI IN LITERATURA [1] Podatkovni portal SI-STAT. Statistični urad Republike Slovenije. Dostopno na: [ ] [2] [ ] [3] Beddoes, C. (ur.). Statistical report. Fuels Europe. Dostopno na: _v25_web.pdf [ ] [4] [ ] [5] Report of the Hydrogen Production Expert Panel to HTAC. United States Department of Energy. Maj Dostopno na: [ ] [6] 3 [ ] [7] Kraut, B. in sodelavci. Krautov strojniški priročnik: 14. slovenska izdaja. Ljubljana: Littera picta, [8] Rand, D.A.J. Dell R.M. Hydrogen energy, RSC Publishing. Cambridge: [9] [ ] [10] Thomas, C.E. Fuel Cell and Battery Electric Vehicles Compared. International Journal of Hydrogen Energy 34 (2009). [11] [ ] [12] [ ] [13] [ ] 85

99 [14] Avsec, J. Hydrogen technologies in connection with nuclear power plant. Journal of energy technology, vol. 3, 2010, p.p [15] [ ] [16] [ ] [17] [ ] [18] [ ] [19] [ ] [20] Dolgoročne energetske bilance Slovenije do leta 2030 in strokovne podlage za določanje nacionalnih energetskih ciljev [za Republika Slovenija, Ministrstvo za gospodarstvo]. Ljubljana: Institut "Jožef Stefan", Center za energetsko učinkovitost (CEU), [21] [ ] [22] Poročilo o stanju na področju energetike v Sloveniji v letu Agencija za energijo. Junij Dostopno na: [ ] [23] [ ] [24] [ ] [25] Mlakar, A. Cigoj, N. Šot Pavlovič, L. Trnovšek, L. Žerdin, M. Celovit pregled potencialno ustreznih območij za izkoriščanje vetrne energije. Strokovna podlaga za Nacionalni energetski program (obdobje ) [za Republika Slovenija, Ministrstvo za gospodarstvo]. Ljubljana: Aquarius, d. o. o., [26] Urbančič, A. Česen, M. Sučić, B. Pušnik, M. Merše, S. Staničić, D. Podgornik, A. Lah, P. Al Mansour, F. Košnjek, Z. Bugeza, M. Jamšek, S. Bučar, A. Lampič, G. Šijanec-Zavrl, M. NEP 2010: Dolgoročne energetske bilance RS za obdobje 2010 do 2030 rezultati [za Republika Slovenija, Ministrstvo za gospodarstvo]. Ljubljana: Institut "Jožef Stefan", Center za energetsko učinkovitost (CEU), [27] [ ] 86

100 [28] Brecl, K. Pregled fotovoltaičnega trga v Sloveniji. Poročilo za leto PVportal. Dostopno na: [ ] [29] [ ] [30] [ ] [31] je/nasveti_za_pripravo_drv/najpomembnejse_merske_enote_za_lesna_goriva/ [ ] [32] Rajvanshi, A. K. Biomass Gasification. V: Yogi Goswami, D. (ur.). Alternative Energy in Agriculture. CRC Press, 1986, vol. 2, str Dostopno na: [ ] [33] [ ] 87

101 PRILOGE PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV 88

102 PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA 89