China construieşte cea mai mare fabrică din lume de hidrogen, din care produce apoi amoniac verde şi metanol, consumând electricitate cât două ţări mici

Despre hidrogen ca formă alternativă de energie regenerabilă se vorbeşte adeseori şi, în ciuda ineficienţelor mare încă existente în procesul lui, există aplicaţii unde acesta ar putea avea o utilitate excelentă. Problema e că în lume încă se produce foarte puţin hidrogen din energie regenerabilă, iar noile fabrici anunţate sunt încă relativ mici, precum cea din România, de 55 MW. Ca să producă o adevărată schimbare, însă, hidrogenul ar trebui fabricat în cantităţi de mii de ori mai mari decât cele din prezent. Iar între timp, în lume ia amploare amoniacul verde drept combustibil alternativ pentru nave, alături de metanol, care nu e potrivit doar pentru nave, ci şi pentru maşini cu motoare cu ardere internă. China vrea să ţintească trei produse deodată, însă, şi anunţă construcţia celei mai mare fabrici din lume pentru producţia hidrogenului, amoniacului şi metanolului în acelaşi loc, toate din energie regenerabilă.

Foto: Proiectul noii fabrici din China

E vorba de proiectul Songyuan din regiunea Jilin din China, iar proiectul a fost anunţat că demarează încă anul trecut, în a doua jumătate a lui 2023. Însă atunci erau trasate doar nişte ţinte teoretice, în timp ce acum deja a fost contractată şi compania Sungrow Hydrogen pentru a livra toate instalaţiile de electroliză necesare, iar odată cu asta au devenit cunoscuţi mult mai mulţi parametri exacţi de putere şi producţie estimată, pe care baza cărora noi am putut face calcule şi mai curioase.

În primul rând, vorbim de o mega fabrică ce va avea integrate pe acelaşi teritoriu instalaţie de producţie a hidrogenului, amoniacului şi metanolului, toate procesele industriale fiind alimentate de un parc eolian şi unul fotovoltaic, amplasate alături. Parcul eolian are o putere de 750 MW, iar cel fotovoltaic — de 50 MW, cumulând împreună 800 MW, o putere aproximativ egală cu puterea necesară întreg sistemului electric al Moldovei la orele de zi.

Anul trecut se estima că fabrica va produce doar 45.000 tone de hidrogen anual, iar toată acea cantitatea trebuia să fie utilizată apoi pentru a produce 200.000 tone de amoniac verde şi 20.000 tone de metanol verde, unde calificativul de verde semnifică sursa sa de energie regenerabilă.

Acum, însă, cei de la Sungrow Hydrogen, care au fost contractaţi să producă şi livreze utilajele lor, anunţă că parametrii fabricii au fost crescuţi până la 110.000 tone de hidrogen anual, 600.000 tone de amoniac verde şi 60.000 tone de metanol. Deci de aproape 3 ori mai mult pe fiecare capitol, cu ceva mai puţin hidrogen.

Iar dacă ne întrebăm cum sunt produse hidrogenul, amoniacul verde şi metanolul din electricitate din surse regenerabilă, e suficient să ne amintim de formulele lor chimice şi câteva principii de bază din chimie. Hidrogenul e produs prin electroliza apei, în care electricitatea introdusă în apă separă atomii de hidrogen şi oxigen. Astfel, la finalul acestui proces, care are nevoie de energie, se obţine hidrogen, doar că e nevoie de destul de multă energie pentru a obţine un kilogram de hidrogen — între 47 şi 62 kWh de electricitate per kilogram, în funcţie de eficienţa instalaţiilor de electroliză actuale.

Foto: Instalaţie de producţie a hidrogeului, montată de Toyota la fabrica Denso

Amoniacul are formula de NH3, iar producţia lui are nevoie de hidrogen ca materie primă. Pentru a se putea spune că amoniacul e verde, e nevoie ca acel hidrogen folosit în producţie să fie produs prin energie regenerabilă. Având hidrogenul produs, amoniacul e produs apoi printr-un proces industrial relativ simplu, numit Haber-Bosch, care face ca azotul din atmosferă, prezent din abundenţă în aerul din jurul nostru, să interacţioneze cu hidrogenul curat, în prezenţa unui catalizator, şi să formeze legăturile NH3. E nevoie şi aici de energie şi temperaturi înalte, însă datorită maselor molare diferite, producţia unui kilogram de amoniac necesită mult mai puţină energie. De fapt, mai corect ar fi spus că un kilogram de hidrogen iniţial se distribuie în mai multe kilograme de amoniac verde, iar astfel energia consumată la producţia hidrogenului se distribuie în mai multe kilograme de amoniac, ceea ce rezultă într-o cantitate mai mică de energie per kilogram.

Foto: Schema producţiei amoniacului verde din hidrogen verde

Iar amoniacul verde e acum perceput drept combustibil al viitorului pentru nave, care la combustie nu elimină CO2, ci vapori de apă şi azot, care e conţinut oricum în atmosferă şi care e, de fapt, acelaşi azot preluat iniţial în procesul de producţie a amoniacului. Dacă toate navele ar trece la amoniac verde în loc de combustibilul marin actual sau chiar în loc de gaz, s-ar exclude total emisiile CO2 uriaşe ale acestora, dar şi noxele şi suflurile din emisiile lor. Însă şi combustia amoniacului trebuie făcută cu mare precizie, la exact 630 grade, Celsius, pentru a evita formarea noxelor din azotul amoniacului şi oxigenul din aer.

În fine, metanolul cu formula CH3OH, e un combustibil ce înlocuieşte perfect benzina sau gazul natural în combustie, atât la maşini, cât şi la nave. Acesta e produs din nou din hidrogen verde, fabricat şi el prin metoda descrisă mai sus din energie regenerabilă, care intră în reacţie cu CO2, deci dioxid de carbon, care e captat din atmosferă. La ardere se generează emisii CO2, însă CO2-ul eliminat e acelaşi CO2 captat anterior din atmosferă, deci la final se iese cu zero. Metanolul este, practic, acelaşi combustibil sintetic pe care-l produce Porsche şi-l foloseşte acum în cursele de motorsport pentru maşinile sale şi vrea să ajungă să producă mult mai mult la nivel mondial, pentru a înlocui benzina. Şi cantitatea de energie necesară, când e distribuită per kilogram de metanol, e similară cu cea de la amoniac.

Şi iată că fabrica din China va face toate aceste procese sub un singur acoperiş. Va folosi instalaţii de electroliză uriaşe, de 4,79 MW fiecare, care pot produce câte 89,88 kg de hidrogen pe oră. Deci, la putere maximă, din 4.790 kWh de electricitate, instalaţiile din China vor produce 89,88 kg, ceea ce înseamnă un randament de 53,3 kWh/kg, o cifră excelentă la o asemenea scară industrială, similară cu instalaţiile mult mici de la Toyota.

Foto: Instalaţiile de electroliză pentru producţia de hidrogen de la noua fabrică din China

Întrucât chinezii anunţă că vor produce 110.000 tone de hidrogen anual, asta înseamnă că ei vor folosi 5.863 GWh de electricitate anual, sau 5,863 TWh, pentru asta.

Din cele 110.000 tone de hidrogen, ei vor produce 600.000 tone de amoniac şi 60.000 tone de metanol anual. Masa molară a hidrogenului e 2,01568 g/mol, iar cea a amoniacului de 17,031 g/mol, iar pentru a produce 600.000 tone de amoniac e nevoie de circa 105.900 tone de hidrogen, plus electricitate, în cantitate ce poate ajunge de la 2,55 până la 5,9 kWh per kilogram în cazul în care procesul Haber-Bosch e complet electrificat cu energie verde, cu o medie mai realistă de 5,65 kWh, ceea ce ar însemna 3,39 TWh de electricitate necesară pe lângă cea consumată la producţia de hidrogen. Dacă e să deducem electricitatea consumată per kilogram final de amoniac în acest caz, avem 1 kg de hidrogen distribuit în 5,66 kg de amoniac, deci 53,3 kWh/5,66 = 9,42 kWh, la care adăugăm 5,65 kWh de electricitate pentru procesul Haber-Bosch şi obţinem la final 15 kWh de electricitate per kilogram. Teoretic, dacă instalaţia de electroliză ar fi mai eficientă şi procesul Haber-Bosch ar recupera din căldura emanată, acest consum de energie ar putea fi adus la circa 11,5 kWh/kg de amoniac.

Iar pentru a produce încă 60.000 tone de metanol, ar trebui să mai existe 11.257 tone de hidrogen disponibil, însă din cele 110.000 tone de hidrogen anunţat drept producţie anuală mai rămân doar 4.100 tone disponibili după producţia de amoniac. Dintr-un kilogram de hidrogen se pot produce 5,33 kg de metanol deci cei 53,3 kWh se distribuie în 10 kWh de electricitate per kilogram, la care se mai adaugă 1-1,5 kWh de energie necesară combinării, dintre care o parte consumată de compresoare pentru captarea de CO2 din atmosferă. La 60.000 tone, 90 GWh de electricitate sunt necesari anual.

Astfel, întreaga fabrică ar avea nevoie de 5.863 GWh pentru producţia de hidrogen, apoi încă 3.390 GWh pentru producţia de amoniac şi încă 90 GWh pentru cea de metanol, însumând o cantitate de 9.343 GWh de electricitate necesară producţiei, de două ori decât electricitatea necesară întregii Republici Moldova anual! Deci o singură fabrică va consuma de două ori mai mult decât toată Moldova!

La 800 MW putere instalată prin parcuri eoliene şi solare, chiar şi la o putere maximă teoretică, am avea o producţie anuală de 7.000 GWh de electricitate, producţie care e oricum imposibilă din cauza factorului de capacitate mult mai mic al energiei solar şi eoliene. O cifră mai realistă ar fi ca parcurile eolian şi solar de lângă fabrică să livreze anual maxim 3.000 GWh de electricitate, iar restul e cât se poate de clar că va trebuie asigurat din alte surse de energie regenerabilă.

Iar secretul acestei deficienţe de producţie este în faptul că toţi parametrii anunţaţi acum pentru noua fabrică au fost înmulţiţi cu 3 faţă de cifrele anunţate anul trecut, de asta avem o producţie de 3.000 GWh de electricitate, la un necesar de 9.000-9300 GWh, în timp ce parametrii parcurilor eolian şi solar încă nu au fost ajustaţi conform noii scalări. Deci, cu siguranţă în curând va urma o recalibrare şi a surselor aferente de energie regenerabilă, astfel încât această nouă fabrică, cea mai mare din lume de hidrogen, amoniac şi metanol, să aibă asigurată complet energia necesară pentru ea. Iar cantităţile produse în final sunt cu adevărat impunătoare, cât să facă o diferenţă în industrii precum cea navală, eliminând la final volum uriaşe de CO2 din ecuaţie.