Wykorzystanie wodoru a energetyka

W obszarze energetyki wodór to bardzo dobra propozycja na przyszłość. Może zastąpić gaz ziemny w zapewnieniu mocy zapasowych odnawialnym źródłom energii i wesprzeć rozwój fotowoltaiki i energetyki wiatrowej. Jest także jedną z wiodących opcji magazynowania energii ze źródeł odnawialnych. Wodór i paliwa na bazie wodoru mogą też służyć do przesyłu i dystrybucji energii ze źródeł odnawialnych na duże odległości.

Światowa produkcja wodoru wynosi dziś na świecie około 115 mln ton, z czego wodór wytworzony w oparciu o niskoemisyjne źródła energii – czyli tzw. niebieski czy zielony wodór, stanowi mniej niż 1 proc. Jego produkcja może wzrosnąć do 300 mln ton w 2050 roku, przy czym większość stanowić będzie korzystny dla środowiska wodór niskoemisyjny.

Urzeczywistnienie się tej wizji zależy jednak od postępu badań naukowych i innowacji technicznych, które pozwolą na obniżenie kosztu jego produkcji, oraz od uwarunkowań geograficznych, w tym stopnia nasłonecznienia i ilości wiatru w danym regionie. Kluczowe będą także rządowe mechanizmy wsparcia dla rozwoju technologii wodorowych.

W ciągu ostatnich kilku lat globalne wydatki rządów krajowych na badania, rozwój i demonstracje w dziedzinie energii wodorowej wzrosły. Polska nie jest wyjątkiem. Badacze koncentrują się na możliwości wykorzystania tego paliwa w transporcie, hutnictwie stali czy produkcji nawozów i metanolu.

Prognozy rozwoju rynku wodoru

Rynek wodoru może wzrosnąć niemal trzykrotnie do 2050 r. dzięki spadającym kosztom produkcji, rosnącym cenom uprawnień do emisji CO2 oraz dotacjom rządowym na wdrażanie rozwiązań wodorowych.

Cena niebieskiego i zielonego wodoru może spadać, by w perspektywie 30-letniej osiągnąć poziom nawet 1 USD za tonę. Jednakże  masowa podaż wodoru produkowanego w Federacji Rosyjskiej w oparciu o istniejące tam złoża gazu ziemnego może zahamować rozwój zielonych innowacji w produkcji tego paliwa na kontynencie europejskim.

Kierunki gospodarki wodorowej

Liczba krajów posiadających politykę bezpośrednio wspierającą inwestycje w technologie wodorowe rośnie, podobnie jak liczba sektorów, których dotyczy ta polityka. Już ponad 60 państw na świecie przedstawiło strategie, programy lub zachęty ekonomiczne, które bezpośrednio wspierają technologie wodorowe. Większość z nich koncentruje się na transporcie.

W lipcu 2020 roku Komisja Europejska opublikowała „Strategię wodorową dla neutralnej klimatycznie Europy”. Zielony wodór wymieniany jest jako jeden z kluczowych nośników energii, który może przyczynić się do realizacji założeń Europejskiego Zielonego Ładu. Do 2050 roku wodór ma być w pełni zeroemisyjnym, ogólnodostępnym źródłem energii w UE.

Wsparcie rozwoju technologii wodorowych w Europie oferuje już nie tylko Unia Europejska, ale też niektóre kraje europejskie: Wielka Brytania, Holandia, Dania, Niemcy czy Polska.

Niemcy zamierzają postawić 5 GW w elektrolizerach już do 2030 roku z perspektywą podwojenia mocy produkcji wodoru w ciągu następnej dekady. Holenderski rząd planuje zbudować park elektrolizerów o mocy ok. 500 MW w 2025 roku, a do roku 2030 rozszerzyć moc zainstalowaną do 4 GW. Z kolei Francja zobowiązuje się do postawienia 6,5 GW elektrolizerów do 2030 roku przy zarezerwowaniu 7 mld euro budżetu na ten cel. W Hiszpanii powstanie 4 GW w elektrolizerach do 2030 roku z ideą rozwoju transportu wodorowego. Portugalia zaś ma wybudować do 2030 roku 2 GW w elektrolizerach, przeznaczając 3 mld euro na rozwój energetyki słonecznej skojarzonej z wytwarzaniem wodoru.

Niemal codziennie ogłaszane są na świecie nowe projekty. Obecnie uaktualniona lista uruchamianych mocy obejmuje około 260 GW w ramach 26 projektów na świecie. W Europie są to między innymi:

• HyDeal Ambition w różnych lokalizacjach europejskich, z pierwszym projektem w Hiszpanii. To projekt konsorcjum 30 firm, 
• Nienazwany jeszcze projekt w Kazachstanie niemieckiego dewelopera i kazachskiej agencji promocji inwestycji, 
• NortH2 w Holandii – projekt konsorcjum kilku firm europejskich, 
• AquaVentus w Niemczech – konsorcjum 47 firm, instytucji badawczych i organizacji, w tym RWE, Vattenfall, Shell, E.ON, Siemens Energy, Siemens Gamesa, Vestas, Northland Power, Gasunie i Parkwind. 

Ponadto światowy gigant ArcelorMittal ogłosił plany modernizacji dwóch niemieckich hut, by rozpocząć bezemisyjną produkcję stali. W Szwecji, koncern H2 Green Steel planuje rozpocząć produkcję stali z wykorzystaniem paliwa wodorowego. W Belgii zielony wodór będzie wykorzystywany do produkcji metanolu w ramach projektu North-C-Methanol.

Ciekawy wydaje się także projekt rządu Arabii Saudyjskiej, który współpracuje z kilkoma koncernami w celu zbudowania zakładu produkującego ekologiczny wodór. To część projektu Neom – eksperymentalnego miasta przyszłości w Arabii Saudyjskiej.

Regiony z nadwyżką energii odnawialnej mają największe szanse na pełne wykorzystanie i zbliżenie kosztów produkcji wodoru zielonego do obecnie wykorzystywanego szarego wodoru. Australia, Holandia i Belgia – to kraje z największym potencjałem produkcji zielonego wodoru.

Produkcja paliwa wodorowego, a w szczególności zielonego wodoru ma być szansą dla wielu średniej wielkości państw, ale bardzo możliwe, że największe korzyści przypadną istniejącym potęgom gospodarki naftowej, takim jak kraje arabskie, USA czy Rosja, ponieważ mają one już znaczne przewagi jeśli chodzi o technologie przesyłu, magazynowania, dystrybucji i rozwoju technologii paliw ciekłych i gazowych.

Potencjał wodorowy Polski

Polska na tle krajów wysoko rozwiniętych posiada stosunkowo niewielki potencjał technologiczny w obszarze gospodarki wodorowej. Mała liczba przedsiębiorstw wyspecjalizowanych w technologiach wodorowych, jak i dane dotyczące wydatków na badania i rozwój skierowanych w tę stronę potwierdzają nasze względne zapóźnienie w tym zakresie.

Ponadto potencjał polskiej infrastruktury, surowców i zasobów do wdrażania gospodarki wodorowej w Polsce jest negatywnie oceniany przez specjalistów. Wobec wolnej dyfuzji innowacji pojazdów elektrycznych w Polsce, w tym sieci ładowarek oraz relatywnej liczby samochodów, rodzi się pytanie czy, i kiedy możemy wobec tego spodziewać się infrastruktury wodorowej, dalece bardziej skomplikowanej, a w wielu przypadkach zupełnie nowej, nie opartej jak infrastruktura EV o istniejącą sieć elektroenergetyczną.

W Polsce, wobec zakończenia prac nad budową i rozpoczęciem wdrażania strategii wodorowej do roku 2030 z perspektywą do 2040 roku” zostaje nadany impet technologii wodorowej i wykorzystaniu wodoru dla obniżenia energochłonności. Polska jest piątym światowym producentem wodoru szarego czy “brudnego”. Przed naszym krajem zatem przejście na wodór zielony.

Polskie programy zastosowania i wytwarzania wodoru

Polska Strategia Wodorowa wskazuje 6 koniecznych do osiągnięcia celów: wdrożenie technologii wodorowych w energetyce; wykorzystanie wodoru jako paliwa alternatywnego w transporcie; wsparcie dekarbonizacji przemysłu; produkcja wodoru w nowych instalacjach; sprawna i bezpieczna dystrybucja wodoru; stworzenie stabilnego otoczenia regulacyjnego.

Prace podejmowane w ramach strategii wyprzedzane są już przez pierwsze programy dotacyjne, jak np. Program Nowa Energia Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej.

W programie tym, w pilotażowym naborze wodorowym przewidziano 300 mln zł z łącznego budżetu wynoszącego 2,5 mld zł. Wspierane mają być przedsięwzięcia rozwojowe w zakresie technologii i produkcji „bezemisyjnego” wodoru oraz przesyłania i wykorzystania wodoru. Planowane są dotacje na technologie dostosowania infrastruktury do transportu wodoru, magazynowania wodoru, wykorzystania wodoru w transporcie drogowym, kolejowym i wodnym.

Nowa wytwórnia wodoru planowana jest przez Zespół Elektrowni Pątnów-Adamów-Konin. Przedsiębiorstwo to otrzymało niedawno decyzję o środowiskowych uwarunkowaniach dla budowy wytwórni i zamówiło pierwszy elektrolizer z dostawą na początku 2022 roku. Energia elektryczna wykorzystywana do eksploatacji elektrolizera będzie pochodziła w 100% z odnawialnego źródła energii. Produkowany przez elektrolizery wodór będzie sprężany przez układ sprężarek i na bieżąco pompowany do pojazdów transportujących wodór. Specjalnie dobrane sprężarki będą mogły bezpośrednio zasilać stanowiska tankowania wodoru.

Zainteresowanie wdrożeniem technologii wodorowych w transporcie wykazuje trakże PKN Orlen, Veolia Energia Polska, Toyota, SBB Energy i kilka innych firm prywatnych.

Gdzie najszybciej można wykorzystać wodór ?

Międzynarodowa Agencja Energii przedstawia cztery bliskie kierunki, w których wykorzystując wodór można przyspieszyć powszechne stosowanie tego paliwa.

Są to:

• profilowanie głównych portów morskich z rozwiniętą infrastrukturą przemysłową w kierunku wykorzystania czystego wodoru. Obecnie większość produkcji rafineryjnej i chemicznej, w której wykorzystuje się wodór szary, jest już skupiona w nadmorskich strefach przemysłowych na całym świecie, takich jak Morze Północne w Europie, wybrzeże Zatoki Perskiej w Ameryce Północnej i południowo-wschodnie Chiny. Wobec rozwoju zasilania wodorowego w takich hubach, można by wykorzystać nadwyżki do tankowania napędów statków i ciężarówek obsługujących porty oraz zasilać inne pobliskie obiekty przemysłowe, takie jak huty. 
• rozszerzenie zastosowania wodoru w transporcie. Zasilanie samochodów osobowych, ciężarowych i autobusów o dużym przebiegu, które przewożą pasażerów i towary na popularnych trasach, może sprawić, że pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi staną się bardziej konkurencyjne. 
• uruchomienie pierwszych międzynarodowych szlaków żeglugowych dla handlu wodorem. W oparciu o wnioski z pomyślnego i dynamicznego rozwoju światowego rynku LNG analitycy agencji prognozują, że taka transformacja mogłaby nastąpić szczególnie szybko i umożliwić międzynarodowy handel wodorem. 
• wykorzystanie wielokilometrowych sieci rurociągów gazu ziemnego można wykorzystać do wodoryzacji gospodarki, choć wiążą się z tym pewne kontrowersje techniczne. 

Kluczowe zastosowania wodoru

Paliwo rakietowe

Amerykańska Narodowa Administracja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) zaczęła używać ciekłego wodoru już w latach 50. jako paliwa rakietowego. NASA wykorzystywała też jako jedna z pierwszych wodorowe ogniwa paliwowe do zasilania systemów elektrycznych na statkach kosmicznych.

Transport lądowy

Niewielu producentów oferuje aktualnie seryjne pojazdy wyposażone w ogniwo paliwowe. Kamieniem milowym w rozwoju technologii ogniw paliwowych w Europie jest rozpoczęcie eksploatacji pierwszego wodorowego samochodu ciężarowego w rzeczywistych warunkach odbioru odpadów komunalnych. Ciężarówka, której eksploatacja rozpoczęła się pod koniec 2020 r. jest dowodem znacznego postępu technicznego. Zasadą działania śmieciarki jest wykorzystanie ogniwa paliwowego do przedłużenia zasięgu opartego na akumulatorowej technologii elektrycznych układów napędowych, która jest podstawowym napędem tego samochodu.

Póki co to typowo miejskie rozwiązanie podkreśla niszowy dziś charakter wodoru w transporcie. Podobnie jest na platformach morskich – wodór jest seryjnie wykorzystywany jedynie na okrętach podwodnych, między innymi niemieckich jednostkach klasy 212, gdzie wodorowe ogniwo paliwowe służy za źródło energii elektrycznej do napędzania silników w zanurzeniu.

Elektroenergetyka

Zasilanie urządzeń bez dostępu do sieci i magazynów energii, również w czasie kiedy wydajność systemów OZE jest niewystarczająca. Dostępnych jest wiele różnych typów ogniw paliwowych o szerokim zakresie zastosowań. Małe ogniwa paliwowe mogą zasilać laptopy, a nawet telefony komórkowe, a także sprawdzać się w zastosowaniach wojskowych. Duże ogniwa paliwowe mogą dostarczać energię elektryczną na potrzeby zasilania awaryjnego w budynkach oraz w odległych od cywilizacji miejscach, które nie są podłączone do sieci elektroenergetycznych.

Podstawy technologii wodorowych

Wodór może być pozyskiwany z paliw kopalnych, biomasy i wody. Obecnie dominującym źródłem produkcji wodoru jest gaz ziemny. Odpowiada on za około trzy czwarte rocznej światowej produkcji wodoru na potrzeby własne, wynoszącej około 70 mln ton. Stanowi to około 6 proc. światowego zużycia gazu ziemnego. 

Na drugim miejscu jest pozyskiwanie wodoru z węgla kamiennego. Niewielka – jak dotąd – część wodoru na rynku produkowana jest z wykorzystaniem ropy naftowej i w procesach elektrolizy, których substratem jest czysta woda.

W ramach technologii pozyskiwania wodoru istnieje jedno znaczące wąskie gardło. Wykorzystanie platyny w obecnie używanych elektrolizerach jest długoterminowo nie do utrzymania, nie tylko ze względu na cenę. Niska dostępność tego metalu sprawia, że społeczne i środowiskowe konsekwencje obfitego stosowania wodoru w ogniwach paliwowych budzą krytykę.

Przyszłość wodoru w Polsce

To, które z poniższych rozwiązań technicznych – a ściślej, jaki miks tych rozwiązań – upowszechni się w Polsce, nie jest jeszcze przesądzone. 

• ogniwa paliwowe w transporcie ciężkim, 
• wodór jako magazyn energii,
• zastosowania w przemyśle chemicznym, 
• produkcja metanolu i węglowodorów, wytwarzanie amoniaku, 
• wodór jako paliwo lotnicze, 
• małe generatory wodorowe, 
• narzędzia poprawiające osiągi i zwiększające niezależność stacjonarnych ogniw paliwowych, 
• elektrolizery wysokotemperaturowe o wysokiej mocy na potrzeby przemysłu. 

Gospodarka wodorowa to przedsięwzięcie systemowe i niezależnie od tego, które rozwiązania wejdą do głównego nurtu najprędzej oraz które ze źródeł wodoru będą dominujące w perspektywie najbliższych dekad, należy pamiętać o bardzo ważnej sprawie – bez infrastruktury przesyłu i dystrybucji wodoru nie możemy liczyć na prędkie upowszechnianie transportowych platform wodorowych. 

Więcej na ten temat, a zwłaszcza nakreślenie kierunków polskiej drogi do wodoru można znaleźć w „Polskiej strategii wodorowej do roku 2030 z perspektywą do 2040 r.”, przyjętej niedawno przez Radę Ministrów, a o której więcej niebawem Państwu napiszę.