Prirodni plin je bio ključan za dekarbonizaciju energetskog miksa. Mogućnost brzog pokretanja i prirodna fleksibilnost termoelektrana na plin u kombiniranom ciklusu dugo su služili za potporu sve većem unosu energije iz obnovljivih izvora s intermitirajućom proizvodnjom u elektroenergetsku mrežu. Zahvaljujući prebacivanju goriva s ugljena na plin emisije ugljičnog dioksida od 2010. godine smanjene su za oko 500 milijuna t. Međutim, na putu do budućnosti s neto nultim emisijama te brojke nisu dovoljne.

Da bi se ispunili međunarodni ciljevi dekarbonizacije, sva fosilna goriva treba ukloniti iz globalnog energetskog miksa. Tako Međunarodna agencija za energiju (IEA) očekuje da će do sada nezaustavljiv prirodni plin svoj vrhunac dosegnuti 2030., dok će do 2040. doživjeti veliki pad, za 90%.


Povećanje potencijala

Predviđa se da će svjetska potražnja za energijom rasti za gotovo 50% u narednih 30 godina, zbog čega jednostavna zamjena plina obnovljivim izvorima nije praktična. Uz kratkotrajnu pohranu energije kao što je u crpnim (reverzibilnim) hidroelektranama ili u baterijama, za osiguravanje opskrbe u duljem razdoblju smanjene dostupnosti obnovljivih izvora i za sezonsku pohranu energije bit će potrebna čista goriva.

Čista goriva, proizvedena pomoću obnovljivih izvora, omogućavaju i 100%-tno smanjenje emisije CO2 u usporedbi s prirodnim plinom. Uz to, mogu se koristiti i u postojećoj infrastrukturi. Dolaze u različitim oblicima: kao vodik i derivati ​​vodika kao što su e-etanol, e-etan i e-amonijak i kao biogoriva kao što su bioetanol, bioplin i biodizel. Uobičajeno se proizvode iz vode i obnovljivih izvora, prirodnog plina, uz zahvaćanje i pohranu ugljika (CCS) ili iz organske tvari kao što su biljke, drvo, poljoprivredni i prehrambeni otpad. Njihova primjena započela je danas, no ovisno o dostupnosti sirovine, infrastrukture i ulaganja, postoji stvaran potencijal za njezino povećanje.

O seriji 'Future Energy Perspectives'

Svijet se kreće prema gospodarstvu s nultim neto emisijama - i treba. Međutim, dok se poduzimaju važni koraci kao što je postupno smanjivanje primjene ugljena ili ubrzavanje primjene obnovljivih izvora, nitko ne zna točno kako će izgledati budući energetski krajolik. Zato su časopis 'Power Energy International' i stručnjaci Siemens Energyja udružili na pripremanju serije članaka od devet dijelova koji će pružiti jasan uvid u bitne putove do dekarboniziranog svijeta. Time će se moći duboko uroniti u osnovne građevne elemente novog energetskog sustava kao što su pohrana energije i čista goriva, ispitati nove modele stvaranja prihoda i istaknuta mjesta u kojima će se klimatski neutralna energija koristiti u drugim područjima gospodarstva, ali i mnogo više. Pridružite nam se kako bi otkrili oblik onoga što dolazi.

Buduće energetske perspektive - Oblikovanje naše energetske budućnosti.


Göteborg postaje zelen

Prebacivanje na čista goriva omogućit će mnogim termoelektranama na plin nastaviti s osiguravanjem bazne ili vršne energije uz mali ili nulti ugljični otisak, što će biti ključno za osiguravanje uloženoga i isplativosti u vrijeme kada se taksonomija i svijest ulagača mijenjaju. 

Jedan je projekt već pokazao da je takav pomak moguć. U kogeneracijskom postrojenju Rya u Göteborgu, drugom po veličini gradu u Švedskoj, tvrtka Göteborg Energi potvrdila je prikladnost primjene biljnog ulja obrađenog vodikom (HVO) u plinskim turbinama srednje veličine i plamenicima sa suhim malim emisijama (DLE). U studenom 2021. godine postrojenje je dva dana koristilo HVO kao gorivo i pokazano je kako su mogući i pokretanje i trajan pogon. Göteborg Energi sada planira prebacivanje na zelenu pričuvnu energiju u svojim plinskim turbinama kako bi do 2025. godine u cijelosti osiguravao toplinu za toplinarski sustav iz obnovljivih ili oporabljenih izvora.

Sada vrijedi razmotriti ključne kandidate iz carstva čistih goriva.


Vodik

Zeleni vodik se može proizvesti elektrolizom pomoću obnovljivih izvora i vode. Potencijal za povećanje primjene vodika je najveći, dijelom zato što je voda najzastupljeniji element, a dijelom i zbog velikog potencijala za snižavanje troškova pa je vjerojatno kako će vodik ubuduće biti glavno gorivo za plinske turbine.

Iza toga sve više staju i vlade. Tako je do danas 17 članica Europske unije objavilo strategije za povećanje kapaciteta elektrolize, a sve više zemalja sudjeluje u globalnoj CEM - inicijativi za vodik.

Suvremene plinske turbine mogu raditi sa smjesom vodika i prirodnog plina u rasponu 5 - 100%. Ove će godine u Saillat-sur-Vienneu u Francuskoj s radom započeti demonstracijsko kogeneracijsko postrojenje na vodik Hyflexpower, dok će se sljedeće godine ispitivati rad sa 100% vodika. Očekuje se i da će novo postrojenje TE-TO Leipzig Süd na plin u Njemačkoj raditi s 30 - 50% zelenog vodika za već nekoliko godina. S komercijalnim pogonom započelo je ove godine, dok je cilj koristiti 100% vodika do 2030.

Svakako, korištenje vodika u plinskim turbinama termoelektrana zahtijevat će određene prilagodbe i turbina i elektrana. Nova infrastruktura, poput mreže vodikovoda i podzemnih struktura za pohranu vodika, također će biti imperativ. No, jednom kada se takvi ključni elementi ostvare i započne njihov rad, očekuje se da će daljni razvoj biti brz. U svakom slučaju, napredak u ovom desetljeću bit će presudan za kasniji uspjeh niskougljičnog vodika i goriva na vodikovoj osnovi.


E-amonijak

E-amonijak je derivat vodika koji ima stvarne potencijale za primjenu u pohrani energije, prometu i proizvodnji. To je tvar koja nema emisija CO2 pri izgaranju i izravno se može koristiti kao gorivo u plinskim turbinama. Neki proizvođači originalne opreme (OEM) već provode istraživanja izgaranja amonijaka, no trebat će riješiti nekoliko problema. Jedan od njih je novo ložište i obrada ispušnih plinova kako bi se riješile značajne razine emisija dušičnih oksida. Drugi je pitanje toksičnosti goriva, što zahtijeva strog nazdor nad bilo kakvim neizgorjelim emisijama amonijaka.

Ako se procjenjuje cjelokupan ciklus 'power-to-X-to-power', e-amonijak se smatra manje učinkovitim od vodika. Međutim, može se lako transportirati, što znači da ima velik potencijal za primjenu kao prijenosnik vodika u interkontinentalnoj trgovini energijom i do udaljenih područja bez cjevovodne infrastrukture. Nakon što se isporuči, može se razgraditi kako bi se proizveo vodik koji onda izgara u plinskoj turbini, čime se izravno uklanjaju problemi s izgaranjem amonijaka.

Siemens Energy razvija rješenja temeljena na amonijaku kao što je demonstracijsko postrojenje za pohranu energije s e-amonijakom u Velikoj Britaniji. Za proizvodnju te tvari iz vodika iz vode i dušika iz zraka koristi se energija iz obnovljivih izvora. Primjenom takvog rješenja emisije CO2 bi se mogle smanjiti za milijune t godišnje.

No, unatoč velikom potencijalu, i vodik i e-amonijak i dalje zahtijevaju snažne lance opskrbe i infrastrukturu prije nego što bi se elektrane pouzdano mogle prebaciti na njihovu primjenu kao goriva. Štoviše, oba rješenja i dalje su razmjerno skupa u usporedbi s prirodnim plinom i današnjom generacijom biogoriva, koji zahtijevaju značajno manje nove infrastrukture.


E-etanol

Od svih derivata vodika, e-etanol je osobito lako sintetizirati, koristeći održivi oblik CO2. Predviđa se da će on biti jedan od najboljih ugljikovodika u kaskadi sinteze e-goriva i da će ga se moći proizvoditi u velikim količinama pa će u budućnosti postati široko dostupan. Uz to, jednostavan je za prijevoz i pohranu u spremnicima. Iako je danas još skupo gorivo, e-etanol jednostavno može izgarati u plinskim turbinama, pri čemu nisu potrebni dodatna oprema i prilagodbe postrojenja.


Biogoriva

Iako se vodik nesumnjivo ističe kao dominantno gorivo budućnosti, u srednjem do kratkom roku biogoriva mogu premostiti jaz do njegove široke primjene, a u dugom roku ga dopunjavati. Kako se biogoriva mogu proizvoditi u kružnom procesu ugljika u zatvorenoj petlji, smatraju se obnovljivim izvorima i mogu smanjiti emisije stakleničkih plinova do 86% u usporedbi s benzinom. Tako IEA procjenjuje da će do 2026. godine potražnja za biogorivima rasti za 28%.

Kako se pojavljuju nova rješenja, takva se goriva mogu koristiti u postojećim plinskim turbinama i infrastrukturi, uz razumne troškove pregradnje. Primjerice, ovisno o tome kako se proizvodi, bioplin po svojem sastavu može biti vrlo blizak prirodnom plinu.
To se može vidjeti u Finspångu u Švedskoj, gdje Siemens Energy primješava bioplin u svojem ispitnom postrojenju s plinskom turbinom. Očekuje se kako će se time kupci potaknuti na primjenu goriva s malim udjelom ugljika.  To se već događa. Nova postrojenja koje je planirala tvrtka Stockholm Exergi prva će koristiti bioplin ili tekuća biogoriva u plinskoj turbini u kombiniranom ciklusu.

Sada ta biogoriva valja pobliže promotriti.


Biljno ulje obrađeno vodikom

Mogućnost primjene HVO-a u postojećim plinskim turbinama već je dokazana u ranije spomenutom postrojenju Rya. Budući da se proizvodi hidrokrekiranjem ili hidrogeniranjem biljnog ulja, njegove se količine mogu povećati iskorištavanjem otpada, ostataka i poljoprivrednih proizvoda koje se ne koriste za hranu, što ga čini održivim jer nije konkurencija proizvodnji hrane. Omogućava smanjivanje emisije stakleničkih plinova za 77 - 83%, osobito ako se koriste otpadna ulja, čime se dostiže prag od 80% koji se smatra održivim u taksonomiji EU-a.

Trenutačna proizvodnja u Sjedinjenim Američkim Državama i EU-u je oko 7,8 Mt, a očekuje se da će se njegova dostupnost povećavati. Danas stoji 48 - 104 EUR/(MW h), a kako se očekuje snižavanje troškova, procjenjuje se kako će cijena u narednim godinama iznositi 29 - 79 EUR/(MW h).


Metilni ester masnih kiselina

Metilni ester masnih kiselina (FAME) je generički kemijski naziv za biodizel dobiven iz obnovljivih izvora poput biljnih ulja i životinjskih masti, koji se uglavnom se proizvodi u EU-u, SAD-u, Indoneziji, Brazilu i Argentini. Današnje količine FAME-a na globalnoj razini iznose oko 38 Mt, što je četiri puta više od HVO-a. Međutim, probleme pri dodatnom povećanju proizvodnje mogu predstavljati nečistoće ili loša kvaliteta sirovina kao što je otpad i ostaci koji se ne mogu koristiti za proizvodnju.

Dizel na benzinskim postajama već sada može sadržavati i do 7% FAME-a. Međutim, za njegovu primjenu u elektranama i dalje su potrebna dodatna istraživanja, koja se upravo provode. Kako je hidrofilan, FAME nema tako dobra svojstva pri skladištenju kao HVO jer postoji rizik od dugoročne degradacije goriva.


Etanol i dimetilni eter

Etanol se proizvodi fermentiranjem šećera u alkohol uz primjenu konvencionalnih energetskih usjeva ili otpada iz prehrambene proizvodnje, ostataka ili poljoprivrednih proizvoda koji se ne koriste za hranu i danas je biogorivo koje se najčešće proizvodi, pri čemu su količine od 86 Mt uglavnom dostupne iz SAD-a. Iako i dalje treba biti potvrđen za primjenu u elektranama, ima vrlo velik potencijal jer se može lako proizvoditi iz otpada i ostataka i ima dobra svojstva pri skladištenju.

Konačno, napredni gorivi dimetilni eter (DME), proizveden uplinjavanjem biomase, omogućava smanjenje emisije stakleničkih plinova za 86 - 89% i ima potencijal za primjenu u plinskim turbinama. Iako sada još nema velike proizvodnje, to bi se moglo promijeniti s povećanjem broja komercijalnih postrojenja na biomasu.


Faktor lokacije

Za primjenu čistih goriva za zamjenu plina vrlo je važna lokacija. Osobito su bitni parametri kao što su regionalna opskrba, postojeća infrastruktura i zemljište, vremenski uvjeti i čimbenici konkurencije na tržištu. Tržišta na kojima postoje veliki resursi za primjenu obnovljivih izvora kao što je švedsko dobro su mjesto za povećanje proizvodnje zelenog vodika. Kao što pokazuje spomenuto postrojenje Rya, područja s velikom šumskom površinom po stanovniku mogu biti predvodnici u prihvaćanju čistih goriva. Ostala tržišta s pristupom postojećoj infrastrukturi kao što su vodikovodi u Europi, Velikoj Britaniji ili SAD-u lakše će usvojiti vodik kao čisto gorivo. Za usporedbu, tekuća obnovljiva goriva bi bila najprikladnija za otočne mreže i za decentralizirane primjene gdje nedostaje infrastruktura.


Tržišni mehanizmi

Kao i kod bilo koje zelene energije danas, do kraja desetljeća se vjerojatno neće povećati primjena čistih goriva ako ne bude tržišnih mehanizama koji ih podržavaju kao što su granične vrijednosti emisija CO2 iz proizvodnje energije. Također bi mehanizam za prilagodbu graničnih vrijednosti ugljika za proizvode koji se uvoze, koji se uvodi u EU-u, mogao imati utjecaj na dekarbonizaciju energetskih objekata u trgovinskim partnerima EU-a.

Nema sumnje, put do neto nultih emisija ispunjen je velikim očekivanjima, ali i nesigurnostima. No, je li to uopće moguće u prihvatljivom vremenskom okviru? To nitko ne zna. Kretanje po tim nepoznatim područjima velik je izazov, osobito za elektrane na plin. Čista goriva tu pružaju priliku kako da se takva postrojenja pripreme za budućnost.

Očekuje se da će čista goriva kao što je zeleni vodik dugoročno postati ekonomski pristupačnija od sivih goriva na fosilnoj osnovi koja se danas najviše koriste. Stoga će u energetskoj tranziciji čista goriva, uz obnovljive izvore, imati važnu sporednu ulogu. 


Erik Zindel Autor članka, Erik Zindel, potpredsjednik je u odjelu Generation Sales - Hydrogen u tvrtki Siemens Energy i trenutačno vodi inicijativu za izgaranje vodika u plinskim turbinama. Također je uključen u sve ostale elemente tvrtktine vodikove strategije, a posljednjih 27 godina radio je za tvrtku na raznim mjestima širom svijeta.