Okoljski vpliv proizvodnje vodika z elektrolizo in različnimi viri električne energije

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Okoljski vpliv proizvodnje vodika z elektrolizo in različnimi viri električne energije

Rok Markovič

Ljubljana, julij 2021

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje

Strojništvo – Razvojno raziskovalni program

(2)

(3)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Okoljski vpliv proizvodnje vodika z elektrolizo in različnimi viri električne energije

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo – Razvojno raziskovalni program

Rok Markovič

Mentor: prof. dr. Mitja Mori, univ. dipl. inž.

Ljubljana, julij 2021

(4)

(5)

v

Zahvala

Zahvalil bi se mentorju doc. dr. Mitji Moriju za vse strokovne nasvete in vodenje pri izdelavi zaključne naloge in družini, ki mi je študij omogočila in me pri njemu podpirala.

(6)

(7)

vii

Izvleček

UDK 621.311:621.357:546.11(043.2) Tek. štev.: UN I/1488

Okoljski vpliv proizvodnje vodika z elektrolizo in različnimi viri električne energije

Rok Markovič

Ključne besede: elektroliza vodik

okoljski vplivi

študije življenjskih ciklov različni tlaki

slovenska energijska mešanica

Ko govorimo o prihodnosti pridobivanja električne energije in o ogljični neodvisnosti, je zelena energija pomembna tema. Vodik velja kot rešitev, težava pa nastane pri proizvodnji vodika s pomočjo obstoječih virov energije. Vplive na okolje zaradi proizvodnje vodika bomo ocenili s pomočjo študije življenjskih ciklov (LCA), pri tem pa bomo upoštevali slovensko mešanico pridobivanja el. energije, samo hidroelektrarne in samo jedrsko elektrarno. Rezultate bomo prikazali za proizvodnjo 1 kg vodika. Programsko orodje, ki ga bomo uporabili za izdelavo modela, je GaBi Thinkstep, ocena za prikaz okoljskih vplivov pa je metoda Environmental Footprint – EF (3.0). Rezultati so pokazali, da ima najnižje vrednosti okoljskih indikatorjev NEK, za tem hidroelektrarna, najslabše pa ima slovenska energijska mešanica, kar je logično, saj je v to vključena tudi uporaba termoelektrarn, ki za gorivo uporabljajo premog. Ugotovili smo, da pridelava vodika s trenutno slovensko mešanico z vidika okoljskih vplivov ni posebno zelena. Večino onesnaževanja povzroča elektroliza. Okoljske kazalce bi močno znižali z izgradnjo drugega bloka jedrske elektrarne.

(8)

Abstract

UDC 621.311:621.357:546.11(043.2) No.: UN I/1488

Environmental impact of hydrogen production through electrolysis and various sources of electricity

Rok Markovič

Key words: Electrolysis hydrogen

environmental impacts life cycle studies different pressures slovenian energy mix

When we talk about the future of electricity generation and carbon independence, green energy is an important topic. Hydrogen is considered a solution, and the problem arises in the production of hydrogen using existing energy sources. Environmental impacts due to hydrogen production will be assessed using a life cycle study (LCA), considering the Slovenian mixture of electricity generation hydropower and nuclear power. The results will be shown fort the production of 1 kg of hydrogen. The software tool we will use to create the model is GaBi Thinkstep, and the assessment to show environmental impacts is the Environmental Footprint – EF (3.0) method. The results showed that the Krško nuclear power plant has the lowest values of environmental indicators, followed by a hydroelectric power plant, and the Slovenian energy mix has the worst, which is logical, since this also includes the use of thermal power plants that use coal as fuel. We found that the production of hydrogen with the current Slovenian mixture is not particularly green in terms of environmental impacts. Most of the pollution is caused by the electrolysis process.

(9)

ix

Kazalo

Kazalo slik ... xi

Kazalo preglednic ... xii

Seznam uporabljenih simbolov ... xiii

Seznam uporabljenih okrajšav ... xiv

1. Uvod ... 1

1.1 Motivacija ... 1

1.2 Cilji ... 2

1.3 Metodologija ... 2

1.4 Omejitve in predpostavke ... 3

1.5 Struktura diplomskega dela ... 3

2. Teoretične osnove in pregled literature ... 5

2.1 Tehnologije pridobivanja vodika ... 5

2.1.1 Elektroliza vode ... 5

2.1.2 Parno reformiranje metana... 7

2.1.3 Delna oksidacija metana in drugih ogljikovodikov ... 7

2.1.4 Vodik kot stranski produkt industrije ali ostanek industrijskega vodika ... 7

2.2 Viri električne energije v Sloveniji ... 8

2.2.1 Termoelektrarne ... 8

2.2.2 Jedrske elektrarne ... 8

2.2.3 Hidroelektrarne ... 9

2.2.4 Fotovoltaika ... 9

2.3 Vodik kot energetski vir ... 10

2.3.1 Vodik kot gorivo z direktno aplikacijo pri avtobusih ... 10

2.3.2 Vodik kot gorivo za aplikacijo pri osebnih vozilih ... 11

3. Analiza življenjskega cikla (LCA) ... 13

3.1 Štirje koraki analize LCA ... 13

3.2 Opredelitev cilja in obsega raziskave ... 14

3.3 Analiza inventarja ... 14

3.4 Ocena okoljskih vplivov ... 15

(10)

3.4.1 Vrednotenje vplivov na okolje z metodo Environmental footprint 3.0 ... 15

3.5 Interpretacija ... 16

3.7 Programsko orodje GaBi Thinkstep ... 16

4. Numerični eksperiment in modeliranje ... 19

4.1 Uporabljeni procesi iz generičnih baz ... 20

4.2 Osnovni model LCA ... 22

4.3 Spreminjanje vira električna energije in tlaka komprimiranja vodika ... 23

4.4 Izkoristek energijskih pretvorb v procesu proizvodnje vodika ... 24

5. Rezultati in analiza ... 25

5.1 Primerjava okoljskih vplivov pri tlaku kompresije 700 barov ter slovenski energijski mešanici ... 25

5.2 Primerjava celotnih okoljskih vplivov pri tlaku 700 barov in različnih virih električne energije ... 26

5.3 Primerjava skupnih vplivov indikatorjev pri različnih tlakih in različnih virih energije ... 28

5.4 Izkoristek energijskih pretvorb v procesu proizvodnje vodika ... 31

6. Zaključki ... 32

Literatura ... 35

(11)

xi

Kazalo slik

Slika 2.1 Delovanje PEM elektrolizerja ... 6

Slika 2.2 Tortni diagram deležev proizvedene električne energije posameznih tehnologij v letu 2018 ... 8

Slika 3.1 Elementi analize LCA, [26] ... 14

Slika 3.2 Prikaz osnovnega numeričnega modela v programskem orodju GaBiNapaka! Zaznamek ni definiran. Slika 4.1: Numerični LCA model v okolju GaBi ... 19

Slika 4.2: Prikaz elektrolize v LCA numeričnem modelu ... 21

Slika 4.3: Prikaz kompresije v LCA numeričnem modelu ... 21

Slika 4.4 : Prikaz distribucije v LCA numeričnem modelu ... 22

Slika 4.5 : Deleži virov električne energije v Slovenski energijski mešanici v LCA modelu slovenske energijske mešanice ... 22

Slika 4.6 : Osnovni model pri končnem tlaku vodika 700bar in upoabi slovenske energijske mešanice ... 23

Slika 4.7 : Model pri tlaku 700 bar in viru energije iz slovenskih hidroelektrarn ... 23

(12)

Kazalo preglednic

Tabela 3.1 Opis uporabljenih okoljskih kazalnikov EF 3.0 ... 16 Tabela 5.1 : Prikaz vrednosti okoljskih vplivov pri tlaku 700bar in Slovenski energijski mešanici 25 Tabela 5.2: Primerjava vrednosti okoljskih kazalcev za tri različne vire energije ... 26 Tabela 5.3: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za tri glavne procese in uporabo slovenske

energijske mešanice ... 26 Tabela 5.4: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Jedrska elektrarna Krško ... 27 Tabela 5.5: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Slovenske hidroelektrarne ... 27 Tabela 5.6: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Slovenske energijske mešanice

700bar ... 28 Tabela 5.7: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Slovenske energijske mešanice

350bar ... 28 Tabela 5.8: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Slovenske energijske mešanice

84bar ... 29 Tabela 5.9: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Jedrska elektrarna Krško 700bar

... 29 Tabela 5.10 : Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Jedrska elektrarna Krško

350bar ... 29 Tabela 5.11: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Jedrska elektrarna Krško 84bar

... 30 Tabela 5.12: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Hidroelektrarna Slovenske

energijske mešanice 700bar ... 30 Tabela 5.13: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Hidroelektrarna Slovenske

energijske mešanice 350bar ... 30 Tabela 5.14: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Hidroelektrarna Slovenske

energijske mešanice 84bar ... 31 Tabela 5.15 Izkoristki energijskih pretvorb v procesu proizvodnje vodika vodika pri različnih tlakih

... 31

(13)

xiii

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

E MJ energija

𝜂 / izkoristek

(14)

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

LCA LCI LCIA

študija življenjskih ciklov (angl. Life Cycle Assessment)

analiza inventarja življenjskega cikla (angl. Life Cycle Assessment) ocena vplivov življenjskega cikla (angl. Life Cycle Impact Analysis) GaBi Programsko orodje za izdelavo LCA analiz

P2X Energija v plin (angl. Power to gas)

EF(3.0) Orodje za analizo okoljskih vplivov (angl. Environmental Footprint 3.0)

H2 Vodik

CO2 Ogljikov dioksid

O2 kisik

H2O voda

PEM Membrana za izmenjavo protonov (angl. Proton exchange membrane)

NOx Dušikovi oksidi

SOx Žveplovi oksidi

(15)

1

1. Uvod

1.1 Motivacija

V zadnjih desetih letih se veliko govori o globalnem segrevanju, onesnaževanju okolja in slabšanju kakovosti okolja, v katerem živimo (kakovost zraka, pitne vode in temperatura ozračja). V veliki večini za te posledice krivimo vozila, opremljena z motorjem z notranjim zgorevanjem, kot protiutež slednjim pa so se začela pojavljati električna vozila. Škode, ki jo povzročajo izpusti motorjev z notranjim zgorevanjem, se zavedamo tudi ljubitelji avtomobilizma, vendar pa poznavanje in razumevanje delovanja alternativnih energijskih virov vzbuja dvom o ogljični neodvisnosti električnih vozil.

Znani proizvajalci vozil so poskusili svet prepričati z vozili, ki imajo namesto motorja, ki uporablja fosilna goriva, elektromotor, namesto rezervoarja za gorivo pa paket baterij.

Polnijo se doma, kot baterije pametnih telefonov ali prenosnih računalnikov. Kasneje so proizvajalci ponudili možnost polnjenja na hitrih polnilnicah. Kot alternativno je japonski avtomobilski proizvajalec Honda predstavil možnost uporabe vodikovih celic, kot marketinško potezo pa trditev, da iz izpuha njihovega avtomobila prihajata le vodik in kisik oziroma voda. To trditev, ki predstavlja zelo obetavno možnost uporabe alternativnega vira energije, smo želeli raziskati. V osnovi v Sloveniji električno energijo proizvajamo s pomočjo treh različnih vrst elektrarn. Po proizvedeni električni energiji se delijo na približno tri enakovredne dele, in sicer na jedrsko elektrarno – pridobivanje električne energije s pomočjo cepitve urana, termoelektrarno – pridobivanje električne energije s pomočjo sežiga premoga in hidroelektrarno – pridobivanje električne energije s pomočjo potencialne energije vode. Od omenjenih le hidroelektrarno štejemo za tisto, ki proizvaja električno energijo iz obnovljivega vira energije. Zato se bomo v diplomskem delu osredotočili predvsem na hidrolizo vode v vodik P2X z energijo, pridobljeno iz hidroelektrarne.

Pri elektrolizi vode bomo obravnavali elektrolizo PEM elektrolizer (angl. Proton exchange Membrane). Pri tem bomo za vir energije uporabili energijo, proizvedeno iz hidroelektrarne, kot porabnike pa bomo obravnavali porabo energije pri kompresiji vodika na tlak za uporabo v avtobusih in avtomobilih ter dovajanje vodika direktno v plinski vod. Pri tem se bomo za analizo okoljskih vplivov proizvodnje vodika ter njegove uporabe v že naštetih panogah zanašali na metodologijo LCA (angl. Life cicle analysis).

(16)

1.2 Cilji

Cilj diplomskega dela je pregled okoljskih vplivov proizvodnje vodika s pomočjo elektrolize vode s PEM elektrolizerjem, pregled možnosti uporabe glavnih energijskih virov v Sloveniji, uporaba obnovljivih virov in analiza LCA pridobivanja vodika, priprave vodika za uporabo v vozilih ter možnost uporabe kot direkten dodatek v plinovod.

Glavni cilji so razčlenjeni na naslednje točke:

• definicija problema ter omejitev na robne pogoje,

• podrobna analiza literature,

• preučitev metodologije LCA,

• spoznavanje s programsko opremo GaBi Thinkstep in metodologijo ReCiPe,

• zastavitev modela LCA v program GaBi Thinkstep,

• primerjava različnih virov energije,

• primerjava različnih aplikacij,

• analiza in vrednotenje rezultatov.

1.3 Metodologija

Zasledovani cilji so:

• preučevanje literature,

• iskanje, zbiranje in analiziranje podatkov iz javnih virov,

• preučevanje življenjskih ciklov po metodologiji LCA,

• metodologija za vrednotenje okoljskih vplivov ReCiPe,

• interpretacija rezultatov.

Za dosego ciljev bomo najprej preučili literaturo o P2X tehnologiji in se predvsem osredotočili na energijo, pridobljeno iz hidroelektrarne. Pregledali bomo vse dostopne podatke o vodiku in o tem, kako je postopek pridobivanja vodika napredoval skozi leta, še posebej z uporabo PEM elektrolize. Na koncu bomo preučili tudi idejo ter postopek uporabe vodika v svetu za različne aplikacije. Za vse našteto bomo pripravili še analizo LCA skozi celoten življenjski cikel in poskušali ovrednotiti, ali je vodik z vidika onesnaževanja okolja labilen nadomestek za fosilna goriva.

(17)

Uvod

3

1.4 Omejitve in predpostavke

V diplomskem delu se bomo, zaradi lažjega dostopa do podatkov ter razumevanja infrastrukture in okoljske politike, pri analizi okoljskih vplivov pridobivanja vodika skozi P2X pretvorbo osredotočili samo na Slovenijo, in sicer na tri glavne vire električne energije v Sloveniji, ki predstavljajo 90 % celotne proizvodnje električne energije. Tudi zaradi raznolikosti naših virov se bomo osredotočili na hidroenergijo, energijo, pridobljeno s kurjenjem premoga, ter jedrsko energijo. Pri tem bomo primerjali hidroenergijo kot edini obnovljivi vir energije z obema ostalima neobnovljivima. Pri omejitvah bomo upoštevali omejitev glede na lokacijo in lego ter področje pridobivanja materiala, ki ga potrebujemo (ali je treba upoštevati transport do lokacije ipd.).

V raziskavi bomo preučevali proizvodnjo vodika 'od zibelke do vrat' in se s tem osredotočili na osnovne materiale, ki so potrebni za elektrolizo vode, na težave transporta vodika na lokacijo uporabe in na spreminjanje stanja vodika do želenih specifikacij, potrebnih za našo aplikacijo. V diplomskem delu se bomo osredotočili samo na vidike okolja, se omejili na metodo študije življenjskih ciklov LCA, ekonomske in politične vidike pa bomo za potrebe našega dela zanemarili.

1.5 Struktura diplomskega dela

V uvodnem poglavju diplomskega dela bomo povzeli ozadje problema, cilje, metodologijo ter omejitve in predpostavke. V poglavju teoretične osnove bomo opisali posamezne tehnologije pridobivanja električne energije v Sloveniji, prav tako pa tudi postopek pridobivanja vodika ter njegovo uporabo v različnih aplikacijah. Opisali bomo tudi analizo LCA. V poglavju metodologija bomo predstavili metodo študije življenjskih ciklov LCA.

Nadaljevali bomo z analizo rezultatov, kjer bomo primerjali različne tehnike pridobivanja električne energije v Sloveniji, opisali primerjavo med obnovljivimi in neobnovljivimi viri električne energije ter različne aplikacije uporabe vodika. Poglavitni del analize bomo namenili odgovoru na vprašanje, ali je vodik lahko s pristopom 'od zibelke do vrat' obnovljiv vir energije. V zadnjem poglavju bomo podali zaključke in ugotovitve, ki smo jih pridobili med raziskav.

(18)

(19)

5

2. Teoretične osnove in pregled literature

Vodik (H2) je najpogostejši element na Zemlji, vendar je vedno vezan še z drugimi elementi, zato ga dobimo s pomočjo ekstrakcije iz njegovih zmesi. Skozi leta se je razvilo več postopkov pridobivanja vodika – nekateri kot stranski produkt ustvarjajo CO2, drugi ne.

Vodik velja za obnovljivi vir energije, če ga pridobivamo s postopki, ki ne proizvajajo CO2. Med vsemi gorivi hkrati predstavlja gorivo z največjo energijsko vsebnostjo glede na težo in se ga lahko uporablja v transportu, ogrevanju in pridelovanju električne energije, [1].

2.1 Tehnologije pridobivanja vodika

2.1.1 Elektroliza vode

Pridobivanje vodika z elektrolizo vode je najobetavnejši proces, v katerem elektroliza z uporabo električne energije razgradi vodo na vodik in kisik. Če je pri tem uporabljena električna energija pridobljena iz obnovljivih virov električne energije in se pridobljeni vodik porabi v gorivni celici, potem ta vodik označimo za zeleni vodik, saj postopek ne ustvarja neto emisij.

Elektrolizer je sestavljen iz dvosmernega toka in dveh elektrod, ki sta prevlečeni s plemenitimi kovinami, med njima pa je elektrolit ali ionski prevodnik, ki je pogosto tekočina. V primeru kavstične raztopine za alkalno elektrolizo katoda v elektrolizatorju izgubi elektrone v vodni raztopini. Voda se razgradi, pri čemer nastanejo vodik in hidroksidni ioni. Nosilci naboja se premikajo proti anodi, kjer elektrone absorbirajo negativni hidroksidni anioni, ki oksidirajo in tvorijo vodo in kisik. Slednji se dvigne ob anodi. Pri elektrolizi uporabimo membrano, ki preprečuje, da bi se nastala plina, vodik [H2] in kisik [O2], mešala, a vseeno prepušča hidroksidne ione. Elektrolizerji so sestavljeni iz posameznih celic in centralnih sistemskih enot. S kombiniranjem elektrolitskih celic in skladov lahko proizvodnjo vodika prilagodimo individualnim potrebam.

Elektrolizerji se razlikujejo glede na temperaturo delovanja in elektrolitske materiale.

Poznamo nizkotemperaturno elektrolizo, pod katero spadajo: alkalni elektrolizator, protonsko izmenjevalni elektrolizator z membrano in anionsko izmenjevalni elektrolizator z

(20)

membrano. Poznamo pa tudi visoko temperaturno elektrolizo, ki temelji na trdi oksidni elektrolizi, vendar je še v stanju razvoja. Gre za proces, pri katerem s pomočjo električne energije oziroma visoke temperature v primeru visokotemperaturne elektrolize vodo [H2O]

razdelimo na vodik [H2]in kisik [O2]. V praksi električni tok razdeli vodo na njene osnovne komponente. Če se za postopek uporabi obnovljivi vir energije, velja ta vodik za zeleni vodik, [2].

PEM elektrolizer

J. H. Russell in njegovi kolegi so ogromen potencial PEM elektrolize za energetsko industrijo prepoznali leta 1973, [3].

Kratica PEM predstavlja PROTON EXCHANGE MEMBRANE, kar pomeni 'membrana protonske izmenjave'. Posebna lastnost PEM-a je, da je prepustna za protone, ne pa tudi za pline, kot sta vodik ali kisik. Posledično membrana v elektrolitskem procesu med drugim prevzame funkcijo ločevalnika, ki preprečuje mešanje plinov produkta.

Na sprednji in zadnji strani membrane so elektrode, ki so povezane s pozitivnim in negativnim polom napetostnega vira. Tu se molekule vode delijo. V nasprotju s tradicionalno alkalno elektrolizo je zelo dinamična tehnologija PEM idealna za pridobivanje nekonstantne energije, proizvedene iz vetrne in sončne energije. Elektroliza PEM ima tudi naslednje značilnosti: visoka učinkovitost pri visoki gostoti moči, visoka kakovost plina izdelka tudi pri delni obremenitvi, manj vzdrževanja in visoka zanesljivost delovanja, brez kemikalij in nečistoč, [1], [4].

(21)

Teoretične osnove in pregled literature

7

2.1.2 Parno reformiranje metana

Trenutno se večina proizvedenega vodika prideluje s pomočjo parnega preoblikovanja zemeljskega plina, vendar ta postopek poleg vodika proizvede tudi veliko CO2.

Pri parnem preoblikovanju zemeljskega plina – večinoma metana – para pri temperaturi med 700 ^°C1000 ^°C reagira z metanom, ki pod pritiskom 3–25 barov ob prisotnosti katalizatorja tvori vodik, ogljikov monoksid in majhno količino ogljikovega dioksida. Problem pa je, da je reformiranje pare endotermni proces, kar pomeni, da je treba v postopek dovajati toploto, da reakcija steče. Prvemu koraku sledita še dva, v katerih poskušamo izvleči še več vodika ter ga očistiti. V drugem, ki se imenuje 'Water-Gas Shift Reaction', reagirata s pomočjo katalizatorja ogljikov monoksid in vodna para, zato da dobimo ogljikov dioksid in še več vodika. V zadnjem, imenovanem tlačno nihajna adsorbcija, pa se ogljikov dioksid in ostale nečistoče odstranijo iz plinskega toka, pri čemer ostane le še čisti vodik. Parno preoblikovanje se lahko uporablja tudi na drugih gorivih, kot so etanol, propan ali celo bencin, [1].

2.1.3 Delna oksidacija metana in drugih ogljikovodikov

Zemeljski plin reagira z omejeno količino kisika (običajno iz zraka), ki ni dovoljšna za popolno oksidacijo ogljikovodikov v ogljikov dioksid in vodo. Z manj kot stehiometrično količino razpoložljivega kisika reakcijski produkti vsebujejo predvsem vodik in ogljikov monoksid, če pa je reakcija izvedena z zrakom namesto s čistim kisikom, dobimo kot produkt še dušik ter majhno količino ogljikovega dioksida. V naslednjem koraku ogljikov monoksid v reakciji premika med vodo in plinom reagira z vodo in tvori ogljikov dioksid ter več vodika. Delna oksidacija je eksotermni proces. Postopek delne oksidacije je običajno veliko hitrejši kot parno preoblikovanje, potrebuje pa manjšo reaktorsko posodo. Kot je razvidno iz kemičnih reakcij delne oksidacije, ta postopek sprva na enoto vhodnega goriva proizvede manj vodika, kot ga dobimo s parnim preoblikovanjem istega goriva, [1].

2.1.4 Vodik kot stranski produkt industrije ali ostanek industrijskega vodika

Vodik nastane z ločevanjem iz njegove spojine. Vodik je lahko primarni cilj postopka ločevanja, lahko pa je postopek ločevanja primarno usmerjen v proizvodnjo neke druge molekule, vodik pa nastane kot stranski produkt, kar je energijsko bolj učinkovito. Tvorba klora in kavstične sodavice temelji na spuščanju električnega toka skozi slanico, ki se disociira in rekombinira z izmenjavo elektronov v plinast klor, raztopljeno kavstično sodo in vodik. Po naravi kemijske reakcije se klor, kavstična soda in vodik proizvajajo v fiksnem razmerju 1,1 tone kavstike in 0,03 tone vodika na tono klora. Vodik kot stranski produkt je zanimiv in poceni vir vodika za sprožitev uporabe le-tega na območju, kjer se proizvaja. Ni presenetljivo, da so regije z velikimi količinami vodika kot stranskega produkta v strategiji njegove uporabe med najnaprednejšimi, [1].

(22)

2.2 Viri električne energije v Sloveniji

V Sloveniji električno energijo primarno pridobivamo iz kombinacije treh glavnih virov električne energije in kombinacije ostalih virov, zastopanih v manjši zasedbi. Za potrebe zaključne naloge bomo za proizvodnjo vodika upoštevali električno energijo, pridobljeno s pomočjo treh glavnih virov, predstavljajo pa jih jedrska elektrarna, termoelektrarna in hidroelektrarna. Poleg te kombinacije pa bomo upoštevali še fotovoltaiko. V naslednjem poglavju bomo opisali te načine pridobivanja električne energije.

Slika 2.2 Tortni diagram deležev proizvedene električne energije posameznih tehnologij v letu 2018

2.2.1 Termoelektrarne

Termoelektrarna kot vir energije uporablja fosilno gorivo za segrevanje vode do njenega vrelišča, ko voda postane para, ta para pa se uporabi za poganjane parne turbine, ki svoje mehansko delo pretvarja v električno energijo. Zaradi uporabe fosilnih goriv

termoelektrarn ne štejemo pod obnovljive vire. Ozračje onesnažujejo s CO2, NOx in SOx

onesnaževalci, poleg onesnaževanja pa termoelektrarne dvigujejo temperaturo vode, ki jo pogosto črpajo iz okoliških vodnih virov in tako vplivajo na ekosistem.

2.2.2 Jedrske elektrarne

(23)

9 ostane radioaktivno tudi po njegovi uporabi, zato problematika glede tega, kako odvreči/skladiščiti to gorivo, da ne bi onesnažilo okolja ter škodovalo ljudem in živalim, ostaja. Zaradi problematike jedrskih odpadkov jedrska elektrarna prav tako ne velja za obnovljiv vir energije.

2.2.3 Hidroelektrarne

V Sloveniji imamo sorazmerno velik delež obnovljive energije, vendar še vedno približno 2/3 električne energije pridobimo s pomočjo neobnovljivih virov energije. Največji potencial za doseganje visokega deleža obnovljivih virov energije ima vodna energija. Hidroelektrarna uporablja potencialno energijo vode, ki jo pridobiva iz okoliške reke ali akumulacijskega jezera. Pri tem vodo spušča po padcu, na dnu katerega je turbina, ki pretvarja potencialno energijo vode v mehansko energijo in nato v električno energijo. Hidroelektrarne veljajo za obnovljiv vir energije, saj ne uporabljajo fosilnih goriv, imajo pa tudi minimalen vpliv na okoliški ekosistem. Slabost hidroelektrarn je, da so odvisne od geografske lege, saj je hidroelektrarno treba postaviti na lokacijo z dobrimi hidrološkimi razmerami.

2.2.4 Fotovoltaika

Fotovoltaika predstavlja 2,51 % pridobljene električne energije v Sloveniji. Sončne celice so narejene iz fotonapetostnih celic (zato se tudi proizvodnja električne energije s sončnimi kolektorji imenuje sončna PV), ki sončno energijo pretvarjajo v električno. Fotovoltaične celice so stisnjene med plasti polprevodniških materialov, kot je silikon. Vsaka plast ima različne elektronske lastnosti, ki ob sončni svetlobi trčijo s fotoni in ustvarjajo električno polje. To je znano kot fotoelektrični učinek – in ta ustvarja tok, potreben za proizvodnjo električne energije. Sončni kolektorji ustvarjajo enosmerni tok električne energije. Ta se nato skozi pretvornik pretvori v izmenični tok, ki ga nato lahko usmerimo v nacionalno omrežje ali uporabimo v domu ali podjetju, na katerega so pritrjeni sončni kolektorji, [5].

(24)

2.3 Vodik kot energetski vir

Danes po uporabi vodika prevladuje industrija, in sicer rafiniranje nafte, proizvodnja amonijaka, proizvodnja metanola in proizvodnja jekla. Skoraj ves vodik se pridobiva s fosilnimi gorivi, zato obstaja velik potencial za zmanjšanje emisij čistega vodika. V prometu je konkurenčnost avtomobilov z vodikovimi gorivnimi celicami odvisna od stroškov gorivnih celic in bencinskih servisov, pri tovornjakih pa je prednostna naloga znižanje dobavljene cene vodika. Ladijski in letalski promet imata na voljo malo možnosti za nizkoogljično gorivo, vodik pa predstavlja priložnost za gorivo z manjšim ali skoraj neobstoječim ogljičnim odtisom. V zgradbah bi lahko vodik mešali v obstoječa omrežja zemeljskega plina, z največjim potencialom v več družinskih in poslovnih zgradbah, zlasti v gostih mestih, dolgoročnejše možnosti pa bi lahko vključevale neposredno uporabo vodika v vodikovih kotlih ali gorivnih celicah. Pri proizvodnji električne energije je vodik ena vodilnih možnosti za shranjevanje obnovljive energije, v plinskih turbinah pa se lahko uporablja za povečanje prožnosti elektroenergetskega sistema. Vodik kot gorivo velja kot dober kandidat za razogljičevanje cestnega prometa, saj lahko velja za obnovljiv vir energije, če se ga prideluje brez uporabe fosilnih goriv. V diplomskem delu se bomo osredotočili na uporabo vodika kot goriva za avtobuse in osebna vozila – avtomobile.

Vodik kot gorivo se lahko uporablja z direktno ali indirektno aplikacijo. Pri direktni aplikaciji vodik uporabljamo kot gorivo v motorjih z notranjim izgorevanjem ali pa kot gorivo za vodikove celice. Pri indirektni aplikaciji pa vodik uporabimo za proizvajanje končnih virov energije ali pa ga z dodatnimi koraki pretvorimo v plinasta ali tekoča goriva.

Takšna goriva, PtG (angl. Power to Gas) in PtL (angl. Power to Liquids), lahko uporabimo v toplotnih strojih. V nekaterih primerih bi bila možna tudi uporaba v gorivnih celicah, vendar to ekonomsko ni izvedljivo.

2.3.1 Vodik kot gorivo z direktno aplikacijo pri avtobusih

Ta tehnologija se razvija že skoraj 30 let, s pričetkom v zgodnjih devetdesetih letih 19.

stoletja. V začetku so vodik uporabljali kar z motorji z notranjim izgorevanjem, kot nadomestek bencina/dizla. Sedaj se razvijajo električni avtobusi z gorivnimi celicami. Z vidika onesnaževanja so avtobusi na vodik izjemno priljubljeni, saj nimajo nobenih škodljivih izpustov, a so zaradi dokaj nove tehnologije in ne-masovne proizvodnje izjemno dragi. Vendar se s povečanjem povpraševanja in dvigom proizvodnje pričakuje, da bodo avtobusom na fosilna goriva cenovno konkurenčni do leta 2030. Sodobni avtobusi na vodik pridobivajo energijo iz dveh gorivnih celic, vsaka proizvaja približno 100 kW, poleg tega imajo še regeneracijo kinetične energije, ki jo pri zaviranju shranjujejo v majhno baterijo. V svojih tankih imajo od 30 do50 kg vodika, ki je pod tlakom 350 bar. S to kombinacijo avtobusi, namenjeni za mestno vožnjo, lahko prevozijo od 300 do 450 km z enim tankom goriva, kar je konkurenčno dizelskim avtobusom, [1].

(25)

11

2.3.2 Vodik kot gorivo za aplikacijo pri osebnih vozilih

Vodik poleg vozil na elektriko predstavlja edino alternativo vozilom z motorji z notranjim izgorevanjem. Prva testiranja vozil z gorivnimi celicami so se kot demonstracijski projekt dogajala že v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. V zadnjih desetletjih pa se je zaradi onesnaževanja okolja in zavedanj, da lahko nafte zmanjka že v naslednjih 40 letih, ponovno pojavila pobuda za razvoj vozila na vodik. V začetku so tako kot pri avtobusih vodik uporabljali kot nadomestek za bencin v motorjih z notranjim izgorevanjem, sedaj pa se je razvoj usmeril v gorivne celice. Skoraj vsa današnja osebna vozila so opremljena s PEM vodikovimi celicami v zaporedni in vzporedni konfiguraciji. Sklop gorivnih celic v najnovejših modelih gorivnih celic ima moč 100kW ali celo več, poleg tega ima v primerjavi z električnimi akumulatorji doseg od 400 do 500 kilometrov z enim tankom. Ker vozila na gorivne celice ne potrebujejo baterij, so tudi znatno lažja, poleg tega pa je, ker se vodik načeloma polni kot vsako tekoče gorivo, tudi čas polnjenja okoli desetino krajši kot čas polnjenja baterij. V običajen avtomobil se v tlačnih posodah pod pritiskom 700bar shrani 4- 7 kilogramov vodika.

(26)

(27)

13

3. Analiza življenjskega cikla (LCA)

Analiza življenjskega cikla (LCA) je dejanska analiza celotnega življenjskega cikla izdelka v smislu trajnosti. Vsak del življenjskega cikla izdelka – pridobivanje materialov iz okolja, proizvodnja izdelka, faza uporabe in to, kar se zgodi z izdelkom po tem, ko se ne uporablja več – lahko v mnogih pogledih vpliva na okolje. Z LCA lahko ocenimo vplive našega izdelka ali storitve na okolje od prvega do zadnjega koraka, od 'zibelke do groba'.

3.1 Štirje koraki analize LCA

Analiza življenjskih ciklov (LCA, ang. Life Cycle Assesment) je metoda za ocenjevanje okoljskih vidikov, povezanih z izdelkom v njegovem življenjskem ciklu.

Najpomembnejši aplikaciji sta:

• analiza prispevka stopenj življenjskega cikla k celotni obremenitvi okolja, običajno z namenom, da se daje prednost izboljšavam izdelkov ali postopkov,

• primerjava med izdelki za interno uporabo.

Študij LCA je sestavljen iz štirih stopenj:

Korak 1: Namen in obseg analize: opredelitev in opis izdelka, postopka ali dejavnosti, ki ga/jo bomo analizirali. Določimo kontekst, v katerem se bo izvedla ocena, in določimo meje ter vplive na okolje, ki jih je treba pregledati za oceno.

Korak 2: Analiza inventarja: Ugotovimo in količinsko opredelimo porabo energije, vode in materialov ter izpustov v okolje (npr. emisije v zrak, odlaganje trdnih odpadkov, odvajanje odpadne vode).

Korak 3: Ocena vplivov: Ocenimo možne učinke porabe energije, vode in materiala na človeka in okolje ter izpuste v okolje, ugotovljene v analizi inventarja.

Korak 4: Interpretacija rezultatov: Ocenimo rezultat analize zalog in učinek, da izberemo želeni izdelek, postopek ali storitev z jasnim razumevanjem negotovosti in predpostavk, uporabljenih za ustvarjanje rezultatov, [6].

(28)

Slika 3.1 Elementi analize LCA, [26]

3.2 Opredelitev cilja in obsega raziskave

V opredelitvi cilja in obsega raziskave določimo cilje študije, funkcionalno enoto, sistemske meje (pri tem se omejimo na študijo 'od zibelke do groba' (od pridobivanja materialov do končne reciklaže), znotraj te študije pa se lahko omejimo na študijo 'od zibelke do vrat' (od pridobivanje materialov do uporabnika), 'zibelke do zibelke' (v primeru, da se izdelek v celoti reciklira) ali 'od vrat do vrat' (študija vmesnega procesa)), potrebne podatke, predpostavke in omejitve, ki jih je treba opredeliti. Funkcionalna enota je zlasti referenčna enota, uporabljena za kalibracijo vseh vhodov in izhodov, ki jih primerjamo med seboj.

V zaključnem delu bomo s pomočjo metodologije LCA določili okoljske vplive pridelave 1 kg vodika, in sicer z metodo od zibelke do vrat, s pomočjo PEM elektrolizerja. Okoljski kazalci bodo tako zajeli tudi lastno rabo postrojev za pridobivanje vodika in izgube v distribucijskem omrežju. Geografsko se bomo omejili na Slovenijo in na tehnologije, ki so trenutno že prisotne.

3.3 Analiza inventarja

Analiza inventarja je faza LCA, kjer zbiramo podatke o fizičnih tokovih, in sicer o vhodih virov, materialov, delnih produktov in o izhodih emisij, odpadkov in uporabnih produktov za produktni sistem. Postopek vodenja LCI je iterativen, ko se podatki zbirajo in se količina informacij o sistemu povečuje, se zahteva o podatkih oziroma omejitvah lahko spremeni,

(29)

Analiza življenjskega cikla (LCA)

15 V naši tabeli LCI se podatki (SI-MIX) slovenske mešanice elektrike zbirajo od dobaviteljev elektrike, splošnih podatkovnih baz in iz javno dostopnih podatkovnih baz ter literature.

3.4 Ocena okoljskih vplivov

Ocena vpliva življenjskega cikla LCIA (Life cycle impact assesement) je metoda za pretvorbo podatkov, ki smo jih pridobili v analizi inventarja v niz možnih vplivov. To izvajalcem in odločevalcem omogoča, da bolje razumejo škodo, ki jo povzroči raba virov in emisije. Zavedanje, da postopek oddaja 10 g emisij ogljikovega dioksida in 1 g metana, pripomore k delnemu razumevanju podnebnih sprememb. Metan se pretvori v ekvivalent CO2 in s tem pripomore k razumevanju. Dober LCA lahko oceni na tisoče virov in emisij, LCIA pa kombinira te emisije glede na učinek ali škodo, da doseže bolj obvladljiv niz vplivov.

3.4.1 Vrednotenje vplivov na okolje z metodo Environmental footprint 3.0

Za oceno rezultatov z ustreznimi izbranimi kategorijami vplivov na okolje smo uporabili metodologijo za oceno učinka na življenjski cikel (LCIA) Enviromental Footprint 3.0 (EF 3.0). EF 3.0 ni najbolj zanesljiv, primanjkuje pa tudi izkušenj z uporabo široko uporabljenih baz podatkov LCI. Evropska komisija pa je predlagala, da se PEF (Product Environmental Footprint) in OEF (Organisation Environmental Footprint) združi v skupno metodo za merjenje okoljske učinkovitosti, z namenom lažje predstave informacij o okoljskih vplivih procesov širši publiki. Krovni namen informacij EF (Environmental Footprint) je omogočiti predstavo vpliva blaga in storitev na okolje ob upoštevanju dejavnosti v dobavni verigi od pridobivanja surovin do proizvodnje in uporabe do končnega odlaganja odpadkov.

Metodologija EF 3.0 vključuje 16 kazalnikov vplivov na okolje, ki bodo zagotovili dober dodaten vpogled v vplive proizvodnih procesov vodika na okolje. Okoljski kazalniki, o katerih bomo podrobneje razpravljali in jih analizirali na podlagi pregledane literature, so:

• podnebne spremembe (GWP),

• zakisljevanje,

• evtrofikacija,

• raba virov, minerali in kovine (AD),

• poraba virov, nosilci energije (PED).

Dodatni opis uporabljenih kazalnikov učinka EF 3.0 je predstavljen v tabeli.

(30)

Tabela 3.1 Opis uporabljenih okoljskih kazalnikov EF 3.0

OKOLJSKI KAZALCI ENOTE PRIPOROČENA OSNOVNA METODOLOGIJA VREDNOTENJA (LCIA)

PODNEBNE SPREMEMBE

kg CO2

eq

Baseline model of 100 years of the IPCC (based on IPCC 2013) ZAKISLJEVANJE Mol H+

eq

Accumulated Exceedance

(Seppälä et al. 2006, Posch et al, 2008) EVTROFIKACIJA,

ZEMLJE mol N eq Accumulated Exceedance

(Seppälä et al. 2006, Posch et al, 2008) EVTROFIKACIJA,

SLADKE VODE kg P eq EUTREND model (Struijs et al, 2009) as implemented in ReCiPe

EVTROFIKACIJA,

MORSKIH VOD kg N eq EUTREND model (Struijs et al, 2009) as implemented in ReCiPe

PORABA VIROV, MINIERALI IN KOVINE

kg Sb eq CML Guinée et al. (2002) and van Oers et al. (2002).

PORABA VIROV,

NOSILCI ENERGIJE MJ CML Guinée et al. (2002) and van Oers et al. (2002)

3.5 Interpretacija

Interpretacija je zadnja faza LCA, kjer so rezultati drugih faz skupaj obravnavani in analizirani glede na točnost uporabljenih podatkov in predpostavk, ki so bili podani in dokumentirani v celotni študiji. Rezultat interpretacije mora biti sklep ali priporočilo, ki upošteva začetni cilj, obseg raziskave, funkcionalne enote in sistemske meje. Predvsem pa mora sklep in priporočilo predstaviti na razumljiv način in s tem pomagati uporabnikom študije oceniti potencialne prednosti/slabosti obravnavanega procesa/produkta. V interpretaciji pa je treba tudi oceniti samo študijo in pri tem pregledati natančnost in doslednost študije, pomembno pa je tudi, da se locira in izpostavi kritične procese, ki povzročajo največ škode, s tem pa se pripomore k lažji zamenjavi oziroma izboljšavi procesa.

3.7 Programsko orodje GaBi Thinkstep

Programska oprema za oceno življenjskega cikla GaBi (LCA) je odlično orodje za modeliranje življenjskih ciklov izdelkov in izračun njihovih vplivov na okolje. Omogoča primerjavo različnih scenarijev oblikovanja izdelkov in pomoč pri odločitvi za najbolj trajnostnega. Omogoča pa tudi ustvarjanje poročila za sporočanje rezultatov.

Jedro programske opreme za ocenjevanje življenjskega cikla GaBi so visokokakovostni podatki LCI. GaBi Professional Database vsebuje približno 4000 procesov, večino od zibelke do vrat, kot tudi parametrirane enotne procese, ki podpirajo naše modeliranje.

(31)

Analiza življenjskega cikla (LCA)

17

• Ekološko oblikovanje: razvoj izdelkov z manjšim okoljskim odtisom, npr. manj emisij toplogrednih plinov, manjša poraba vode in manjša pridelava odpadkov.

• Učinkovite verige vrednosti: povečanje učinkovitosti verig vrednosti, npr. raziskave in razvoj, načrtovanje, proizvodnja, dobavitelji, distribucija.

• Stroški življenjskega cikla: znižanje stroškov – načrtovanje in optimizacija izdelkov in postopkov za zmanjšanje stroškov.

Poročanje o življenjskem ciklu: trajnostno trženje izdelkov – oznake in trditve o trajnosti izdelkov, okoljske izjave o izdelkih (EPD) za več informacij o trajnosti izdelkov, LCA (ocena življenjskega cikla) in LCI (popis življenjskega cikla).

Slika 3.2 Prikaz osnovnega numeričnega modela v programskem orodju GaBi

(32)

(33)

19

4. Numerični eksperiment in modeliranje

Model LCA smo postavili v programskem okolju GaBi Thinkstep, uporabili smo metodologijo LCIA EF 3.0. Model smo zasnovali okoli treh glavnih procesov: elektroliza, kompresija in distribucija, in stranskih procesov: vir električne energije, stisnjen zrak, uporaba olja kot mazivo in odmetavanje uporabljenega olja. Model bo iz vidika vhodnih in izhodnih tokov treh glavnih procesov ostal enak, spreminjali pa se bodo viri električne energije ter parameter tlaka znotraj procesa kompresije.

Slika 4.1: Numerični LCA model v okolju GaBi

(34)

4.1 Uporabljeni procesi iz generičnih baz

V programskem orodju GaBi smo naš numerični model sestavili s pomočjo procesov že pripravljenih v bazi podatkov programa, procesi temeljijo na bazi podatkov pridobljenih iz konkretnih podatkov industrije, strokovne literature in raziskovalnega področja. Tako procesa ne rabimo sestavljati sami ampak nam ga sestavi že program sam, v tak celoten proces so vključeni podatki o porabi energije, materiala in okoljskih vplivov za proizvodnjo nekega toka energije ali materiala. Z združitvijo procesov in tokov pridemo do končnih vrednosti okoljskih vplivov končnega produkta. S tem nam program omogoči lažje modeliranje in večjo fleksibilnost pri modifikaciji modela, saj lahko, vire energijskega ali materialnega toka preprosto zamenjamo ali pa spreminjamo njihove vrednosti in poreklo sorazmerno s tem se nam spreminjajo vrednosti okoljskih vplivov. Tako smo za naš model lahko izbirali vire električne energije bazirane v Sloveniji in nivo tlaka vodika, ki izhaja iz kompresorja. Uporabljeni procesi iz generičnih baz so:

- Slovenska električna energijska mešanica 1kV–60kV (Vir energije predstavlja energijo, ki jo bomo porabili v vseh fazah proizvodnje vodika – od elektrolize, kjer vodik dejansko proizvajamo, do kompresije vodika, kjer ga tlačimo na potreben tlak za nadaljnje aplikacije, pa do točilnega mesta, kjer porabljamo energijo za skladiščenje in točenje vodika. Vir energije smo prikazali ločeno pri vsakem procesu, ki ga potrebuje, saj smo tako lažje pripisali okoljske kazalce vsakemu sestavljenemu procesu posebej.).

- Porabljeno olje: Olje se porablja pri procesih kompresije vodika na želen tlak – to olje se menja na določenih intervalih in se zavrže na primeren način, vendar še vedno vpliva na okolje.

- Stisnjen zrak na 7 bar: Porablja se kot pripomoček za kompresijo vodika na želen tlak, stiskanje zraka na 7 bar povzroči veliko porabo energije in s tem vpliva na okolje.

- Kompresija vodika na želen tlak: Proces predstavlja okoljske kazalce, povezane s kompresijo vodika.

- Elektroliza vode za pridobivanje vodika: Energijsko najbolj zahteven proces, natančneje opisan v 2. poglavju zaključnega dela. Predstavlja okoljske kazalce, povezane s pridelavo vodika. Elektroliza vode je osnovni proces pridobivanja vodika, ki v naravi ne obstaja v samostojnem stanju.

- Točenje vodika: Proces predstavlja okoljske vplive transporta in razpolaganja z vodikom kot s končnim virom energije in tako dostopanjem porabnikov do njega.

- Olje, potrebno za podmazovanje: Proces predstavlja okoljske vplive pridelave olja, potrebnega za podmazovanje, in njegovega transporta.

(35)

Numerični eksperiment in modeliranje

21 Tako razdeljeni procesi so težki za razumevanje, zato smo jih za končno analizo poenostavili v tri glavne dele proizvodnje vodika za uporabo: Elektrolizo, Kompresijo, Razpolaganje z vodikom.

Elektroliza:

Upoštevali smo: GLO: Hydrogen (electrolysis, decentral – for partly aggregation, open input electricity), Sphera in SI: Electricity grid mix 1kV–60kV Sphera (Uporabljen vir energije za Electrolysis), kjer se poraba energije ni spreminjala glede na spremembo vhodnih in izhodnih tokov. Vrednosti okoljskih kazalcev pa se spreminjajo glede na vir električne energije, ki ga uporabimo.

Slika 4.2: Prikaz elektrolize v LCA numeričnem modelu

Kompresija:

Upoštevali smo DE: Used oil Sphera, RER: market for lubricating oil ecoinvent 3.6, SI:

Electricity grid mix 1kV-60kV Sphera, SI: Electricity grid mix 1kV-60kV Sphera:

Upoštevali smo porabo energije, ki je prisotna pri kompresiji zraka in kompresiji vodika kot končnega produkta. Tu se poraba energije spreminja glede na tlak vodika, ki ga želimo dobiti. Okoljski kazalci pa se razlikujejo tako od tlaka izstopnega vodika kot vira energije.

Slika 4.3: Prikaz kompresije v LCA numeričnem modelu Distribucija:

Upoštevali smo SI: Electricity grid mix 1kV–60kV Sphera, GLO: Hydrogen dispensing – for partly aggregation Sphera: Upoštevali smo porabo energije, ki je prisotna pri točenju vodika kot goriva. Tu se vrednosti okoljskih kazalcev spreminjajo s spremembo virov energije. Sprememba nivoja tlaka ne vpliva na vrednosti okoljskih kazalcev.

(36)

Slika 4.4 : Prikaz distribucije v LCA numeričnem modelu

4.2 Osnovni model LCA

V osnovnem scenariju bomo raziskovali vplive posameznih procesov, pri čemer proces upoštevamo kot: proces ki ga obravnavamo, potrebno energijo in pomožni material, ki ju proces potrebuje. Podrobneje proces elektrolize vsebuje vstopni tok električne energije iz vira, elektrolizer pretvori električno energijo v vodik kar je izhodni tok procesa elektrolize.

Proces kompresije vsebuje vhodni tok električne energije iz vira, vhodni tok vodika iz procesa elektrolize, vhodni tok kompresije z elektriko ter vhodni tok lubrikantov za vzdrževanje, izhodna toka pa sta vodik pod tlako in odpadno olje. Proces distribucije ima vhodna tokova električno energijo iz vira ter vodika pod tlakom. Izhodnih tokov v našem modelu nima. V osnovnem modelu smo kot vir energije uporabili slovensko energijsko mešanico, iz podatkovne baze GaBi vodik pa smo komprimirali na tlak 700bar.

Slika 4.5 : Deleži virov električne energije v Slovenski energijski mešanici v LCA modelu slovenske energijske mešanice

Tehnologija / energent Delež

Jedrska 36,54%

Hidroelektrarne 36,51%

Lignit 19,25%

Črni premog 2,31%

Zemeljski plin 2,14%

Fotovoltaika 1,47%

Bioplin 0,76%

Biomasa 0,72%

Težko kurilno olje 0,24%

Odpadki 0,04%

Vetrne elektrarne 0,02%

Sončne elektrarne 0,00%

Šota 0,00%

Geotermalne elektrarne 0,00%

Uplinjen premog 0,00%

Izgube v energetskem omrežju 6,14%

Lastna raba 2,25%

(37)

Numerični eksperiment in modeliranje

23 Slika 4.6 : Osnovni model pri končnem tlaku vodika 700bar in upoabi slovenske energijske

mešanice

4.3 Spreminjanje vira električna energije in tlaka komprimiranja vodika

V drugem scenariju smo v istem modelu spreminjali vir energije iz slovenske energijske mešanice v električno energijo, pridobljeno v hidroelektrarnah Slovenije, ki ga najdemo v GaBi-jevi podatkovni bazi. Pregledali smo sedem kazalcev vplivov za skupek vseh procesov. Rezultate smo obravnavali pri 700, 350 in 84 barih. Nato smo spremenili vir pridobivanja električne energije na Jedrsko elektrarno Krško, pridobljeni podatki so bili iz GaBi podatkovne baze za jedrsko elektrarno v Sloveniji. Rezultate smo pregledovali na tlakih 700, 350, 84 barov. Obravnavali smo sedem kazalcev za vsoto vseh procesov.

Slika 4.7 : Model pri tlaku 700 bar in viru energije iz slovenskih hidroelektrarn

(38)

4.4 Izkoristek energijskih pretvorb v procesu proizvodnje vodika

Energijska vrednost vodika je 141 MJ/kg, kot vemo v naravi vodik ne obstaja samostojno ampak je združen v molekulah, tako moramo vodik vedno proizvajati z različnimi energijsko potratnimi postopki. V našem primeru z elektrolizo vode. Zato je potrebno za vsako tlačno stopnjo posebej, določiti izkoristke energijskih pretvorb v procesu proizvodnje vodika.

Izkoristke bomo računali glede na porabo vhodne energije v proces in izhodnega vodika iz procesa.

Celoten izkoristek proizvodnje vodika bomo izračunali na podlagi celotne vložene električne energije in energijske vrednosti vodika kot produkt našega procesa.

𝜂_𝑐𝑒𝑙 = ^𝐸^{𝑣𝑜𝑑𝑖𝑘}

𝐸𝑒𝑙 𝑐𝑒𝑙 (4.1) Izkoristek elektrolize vodika bomo izračunali na tako da bomo energijsko vrednostjo enega kilograma vodika delili z električno energijo potrebno za elektrolizo.

𝜂𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑙𝑖𝑧𝑒 = ^𝐸^{𝑣𝑜𝑑𝑖𝑘}

𝐸𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑙𝑖𝑧𝑎 (4.2)

Izkoristek kompresije bomo izračunali tako, da bomo energijsko vrednostjo enega kilograma vodika delili z vsoto električne energije potrebne za elektrolizo, električne energije potrebno za kompresijo zraka na 7bar in električno energijo potrebno za komprimiranje vodika na željen tlak.

𝜂_{𝑘𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑗𝑒}= ^𝐸^{𝑣𝑜𝑑𝑖𝑘}

𝐸𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑙𝑖𝑧𝑎+ 𝐸𝑘𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑗𝑎 𝑧𝑟𝑎𝑘+𝐸𝑘𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑗𝑎 𝑣𝑜𝑑𝑖𝑘 (4.3) Izkoristek distribucije bomo izračunali tako, da bomo energijsko vrednost enega kilograma vodika delili z vsoto električne energije potrebne za elektrolizo, električno energijo potrebno za kompresijo zraka na 7 bar, električno energijo potrebno za komprimiranje vodika na željen tlak in električno energijo potrebno za distribucijo vodika.

𝜂𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑐𝑖𝑗𝑒= ^𝐸^{𝑣𝑜𝑑𝑖𝑘}

𝐸𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑙𝑖𝑧𝑎+ 𝐸𝑘𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑗𝑎 𝑧𝑟𝑎𝑘+𝐸𝑘𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑗𝑎 𝑣𝑜𝑑𝑖𝑘+𝐸𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑐𝑖𝑗𝑎 𝑣𝑜𝑑𝑖𝑘𝑎 (4.4)

(39)

25

5. Rezultati in analiza

Rezultati študije LCA bodo s pomočjo metodologije EF 3.0 (Environmental Footprint) predstavljeni na ravni končnih indikatorjev, pri čemer bomo rezultate vseh kazalcev podali v prilogi, medtem ko bomo v tem poglavju predstavili le sedem izbranih kazalcev.

5.1 Primerjava okoljskih vplivov pri tlaku kompresije 700 barov ter slovenski energijski mešanici

V prvem scenariju smo dobili vrednosti za petindvajset okoljskih vplivov, vendar smo se osredotočili le na sedem vplivov. Vsi podatki v spodnji tabeli so prikazani za proizvodnjo 1 kg vodika, za tlak 700 bar. Vrednosti vseh petindvajset okoljskih vplivov so v prilogi A.

Tabela 5.1 : Prikaz vrednosti okoljskih vplivov pri tlaku 700bar in Slovenski energijski mešanici

Okoljski kazalci Elektroliza Kompresija Distribucija

Acidification [Mole of H+ eq.] 92,61 % 7,34 % 0,01 %

Climate Change – total [kg CO2 eq.] 92,47 % 7,48 % 0,01 %

Eutrophication, freshwater [kg P eq.] 91,72 % 8,20 % 0,01 %

Eutrophication, marine [kg N eq.] 92,45 % 7,50 % 0,02 %

Eutrophication, terrestrial [Mole of N eq.] 92,47 % 7,50 % 0,02 %

Resource use, fossils [MJ] 92,48 % 7,51 % 0,01 %

Resource use, mineral and metals [kg Sb eq.] 92,39 % 6,72 % 0,88 %

Vrednosti so prikazane v procentih. Vidimo, da iz vidika vseh okoljskih kazalcev daleč največji vpliv na okolje povzroči elektroliza, ki zahteva tudi največ električne energije, tako da rezultati niso presenetljivi. Tlačenje ima iz vidika okoljskih kazalcev povsod enak delež, le pri evtrofikaciji sladke vode izstopa, kar je posledica uporabe olja za kompresijo vodika.

Distribucija vodika predstavljata zanemarljiv delež iz vidika vse obravnavanih okoljskih kazalcev, zato je treba pod drobnogled vzeti elektrolizo in kompresijo in najti ali boljši način za proizvodnjo vodika in kompresijo vodika ali boljši vir električne energije za proizvodnjo vodika.

(40)

5.2 Primerjava celotnih okoljskih vplivov pri tlaku 700 barov in različnih virih električne energije

V drugem scenariju primerjamo okoljske vplive pri tlaku 700 bar in različnih virih električne energije ter deleže okoljskih vplivov treh glavnih procesov pri različnih virih električne energije.

Tabela 5.2: Primerjava vrednosti okoljskih kazalcev za tri različne vire energije

VIR ENERGIJE SI MEŠANICA SI JEDRSKA SI HIDRO

Acidification [Mole of H+ eq.] 6,43E-02 3,63E-03 2,18E-03

Climate Change – total [kg CO2 eq.] 2,06E+01 3,24E-01 3,69E-01 Eutrophication, freshwater [kg P eq.] 4,65E-05 2,24E-06 6,81E-07

Eutrophication, marine [kg N eq.] 8,09E-03 8,63E-04 2,16E-04

Eutrophication, terrestrial [Mole of N eq.] 8,35E-02 6,24E-03 2,45E-03

Resource use, fossils [MJ] 3,65E+02 5,80E+02 2,33E+00

Resource use, mineral and metals [kg Sb eq.] 5,65E-06 1,67E-06 3,25E-06 Primerjava vseh treh virov energije, glede na vrednosti okoljskih kazalcev nam primerja vsote vseh procesov v en rezultat. Tako lahko tudi primerjamo ne le kater vir energije je najslabši iz vidika vplivov na okolje, ampak tudi kakšne so razlike. Tako vidimo, da za proizvodnjo 1 kg vodika proizvedemo kar 20,6 kilogramov ekvivalenta CO2, jedrska elektrarna le 0,32 kg, CO2 in hidroelektrarna pa, 0,37 kg CO2 za proizvodnjo 1 kg vodika

Tabela 5.3: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za tri glavne procese in uporabo slovenske energijske mešanice

Okoljski kazalci ELEKTROLIZA KOMPRESIJA DISTRIBUCIJA

Climate Change – total [kg CO2 eq.] 92,47 % 7,48 % 0,01 % Eutrophication, freshwater [kg P eq.] 91,72 % 8,20 % 0,01 %

Slovenska Mešanica kot vir električne energije:

Če se osredotočimo na tabeli 5.2 in 5.3, ugotovimo da je najslabša iz vidika okoljskih kazalcev pridelava vodika s pomočjo energije pridobljene iz Slovenske energijske mešanice,

(41)

Rezultati in analiza

27

Tabela 5.4: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Jedrska elektrarna Krško

Resource use, mineral and metals [kg Sb eq.] 92,15 % 4,85 % 2,99 % Jedrska elektrarna kot vir električne energije:

Če se osredotočimo na tabeli 5.2 in 5.4, ugotovimo da, če bi se pri pregledovanju rezultatov osredotočili le na podnebne spremembe, bi bila jedrska elektrarna najbolj čist vir energije, saj je vrednost CO2 ekvivalenta najnižja. Če pogledamo vseh sedem okoljskih kazalcev je jedrska elektrarna v vseh ostalih vrednostih srednje dobra izbira. Velik poudarek je na porabi fosilnih goriv saj jedrska elektrarna porabi okoli 1,65 kratno količino goriva od slovenske energijske mešanice. V primeru porabe mineralov in kovin pa je njena vrednost polovična hidroenergiji in le tretjina slovenski energijski mešanici. Če se osredotočimo le na kazalce jedrske elektrarne vidimo tudi, kako velik vpliv ima kompresija na sladkovodno evtrofikacijo, to je posledica črpanja vode iz reke za delovanje jedrske elektrarne, voda pa se vrača nazaj v reko z višjo temperaturo in s tem pospeši postopek evtrofikacije.

Tabela 5.5: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Slovenske hidroelektrarne

Hidroelektrarna kot vir električne energije:

Če se osredotočimo na tabeli 5.2 in 5.5 ugotovimo, da ima pri petih od sedmih obravnavanih okoljskih kazalcih hidroelektrarna najmanjšo vrednost, proizvede pa več CO2 ekvivalenta kot jedrska elektrarna, in poraba mineralov in kovin je večja saj je porabimo veliko gradbenega materiala za postavitev hidroelektrarne. Ko se osredotočimo le na hidroelektrarno vidimo, da kompresija daje najvišji delež vrednosti okoljskih kazalcev, presenetljiv rezultat je sladkovodna evtrofikacija, kjer največjo vrednost onesnaževanja povzroča kompresija, to pa je posledica tega, da je hidroelektrarna dokaj čist vir električne energije, tako da večji delež evtrofikacije povzroči prav uporaba olja v kompresorju pri kompresiji.

(42)

5.3 Primerjava skupnih vplivov indikatorjev pri različnih tlakih in različnih virih energije

V prejšnjem scenariju smo primerjali okoljske vplive glede na različne vire energije, kjer smo prišli do ugotovitve, da je delež vrednosti okoljskih vplivov največji le z eno izjemo pri elektrolizi, ne glede na uporabo vira energije. Vendar deleži vrednosti okoljskih vplivov pri kompresiji niso zanemarljive. Zato smo želeli raziskati nivoje tlaka vodika za različne končne aplikacije, in primerjati če s tem znižamo deleže vpliva kompresije.

Tabela 5.6: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Slovenske energijske mešanice 700bar

Tabela 5.7: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Slovenske energijske mešanice 350bar

Acidification [Mole of H+ eq.] 96,10% 3,73% 0,22%

Climate Change - total [kg CO2 eq.] 93,44% 5,55% 0,95%

Eutrophication, freshwater [kg P eq.] 79,20% 20,62% 0,26%

Eutrophication, marine [kg N eq.] 93,68% 6,05% 0,21%

Eutrophication, terrestrial [Mole of N eq.] 93,58% 6,01% 0,31%

Resource use, fossils [MJ] 94,02% 5,97% 0,01%

Resource use, mineral and metals [kg Sb eq.] 92,23% 4,77% 3,00%

(43)

Rezultati in analiza

29 Tabela 5.8: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Slovenske energijske mešanice

84bar

Slovenska Mešanica kot vir električne energije:

Če se osredotočimo na tabele 5.6, 5.7, 5.8, ugotovimo, da deleži pri kompresiji padajo glede na višino tlaka vodika, ki jo potrebujemo za končno aplikacijo. Sorazmerno se s tem višajo deleži vrednosti pri elektrolizi in distribuciji. Vendar kot celota smo z nižjim tlakom prišli do nižjih vrednosti okoljskih vplivov.

Tabela 5.9: Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Jedrska elektrarna Krško 700bar

Tabela 5.10 : Primerjava deležev okoljskih kazalcev za vir energije Jedrska elektrarna Krško 350bar