Wodór – energetyczny deus-ex-machina

Z perspektywy energetyki wodór to bardzo obiecująca propozycja na przyszłość. Może zastąpić gaz ziemny w zapewnieniu mocy zapasowych odnawialnym źródłom energii i wesprzeć rozwój fotowoltaiki (PV) 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. 

Produkcja wodoru może wzrosnąć do 300 mln ton w 2050 roku, przy czym większość stanowić będzie przyjazny środowisku wodór niskoemisyjny. Obecnie światowa produkcja wynosi 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. – szacują eksperci Bain & Company.

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 również chęci i możliwości ograniczania emisji gazów cieplarnianych oraz 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. 

Nic dziwnego więc, że niskoemisyjny, tzw. niebieski i zielony wodór (ang. Low-Carbon Hydrogen, green or blue hydrogen) jest intensywnie promowany. Pozostaje jednak wciąż niszowym paliwem energetycznym. 

Zdjęcie Bill Jelen z Unsplash

Jak wskazują eksperci z firmy 4CF w analizie opublikowanej na portalu Transformacja 2050, cena niebieskiego i zielonego wodoru może spadać, by w perspektywie 30-letniej osiągnąć nawet 1 USD za tonę. Jednak z drugiej strony, 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.

Strategie 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. 

Wytwarzanie i zastosowanie wodoru

Niemcy chcą postawić 5 GW w elektrolizerach już do 2030 roku, a następnie podwoić moc produkcji wodoru w ciągu następnej dekady. Holenderski rząd zamierza zbudować park elektrolizerów o mocy ok. 500 MW w 2025 roku i do 4 GW w roku 2030. Swoje plany wodorowe przedstawiła również Francja. Ma to być 6,5 GW elektrolizerów do 2030 roku i 7 mld euro budżetu na ten cel. W Hiszpanii powstanie 4 GW w elektrolizie do 2030 roku oraz będzie rozwijany transport wodorowy. Portugalia ma wybudować 2 GW w elektrolizerach do 2030 roku i przeznaczy prawie 3 mld euro na rozwój energetyki słonecznej skojarzonej z wytwarzaniem wodoru.

Niemal codziennie ogłaszane są nowe projekty. Obecnie lista publikowana przez Recharge News w skali gigawatów 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, m.in. Snam, Enagás, OGE, McPhy, Vinci Construction; Falck Renewables i Qair,
• Nienazwany jeszcze projekt w Kazachstanie niemieckiego dewelopera Svevind Energy i kazachskiej agencji promocji inwestycji,
• NortH2 w Holandii – projekt konsorcjum Shell, Equinor, RWE, Gasunie, Groningen Seaports,
• 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, choć wciąż nie wiadomo czy z szansą na realizację wydaje się projekt rządu Arabii Saudyjskiej, który współpracuje z Acwa Power oraz Air Products and Chemicals Inc, 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. Bain & Company wymienia Australię, Holandię, i Belgię jako kraje z największym potencjałem produkcji zielonego wodoru. 

Jak prognozuje Norbert Kołos, partner zarządzający w firmie foresightowej 4CF, “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, a do pewnego stopnia Niderlandy, 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, co potwierdzają wnioski niedawnego raportu Polskiego Instytutu Ekonomicznego pt. “Gospodarka wodorowa w Polsce”. Niewielka liczba wyspecjalizowanych w technologiach wodorowych firm, jak i dane dotyczące wydatków na badania i rozwój skierowanych dotyczas w tę stronę dowodzą niestety naszego względnego zapóźnienia w tym zakresie.

Ponadto w raporcie czytamy, że ¾ ankietowanych ekspertów źle oceniło potencjał infrastruktury, surowców i zasobów do wdrażania gospodarki wodorowej w Polsce. 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, zakończyły się obecnie konsultacje społeczne dotyczące rządowego projektu „Polskiej Strategii Wodorowej do roku 2030 z perspektywą do 2040 roku”. Zgodnie z wypowiedzią wiceministra Robert Tomanka Polska Strategia Wodorowa, która powstaje w rządzie, ma nadać 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.

Zdjęcie sol z Unsplash

Prace strategiczne wyprzedzane są niejako przez pierwsze programy dotacyjne, jak np. Program Nowa Energia Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej.

Jak podaje NFOŚiGW, w pilotażowym naborze wodorowym przewidziano 300 mln zł z pokaźnego budżetu całego 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 lub wodnym.

Coraz bliżej jest wytwórnia wodoru planowana przez Zespół Elektrowni Pątnów-Adamów-Konin (ZE PAK). Firma otrzymała  niedawno decyzję o środowiskowych uwarunkowaniach dla budowy wytwórni i zamówiła pierwszy elektrolizer, a jego dostawa przewidywana jest na przełomie roku 2021/2022. Energia elektryczna wykorzystywana do celu eksploatacji elektrolizera będzie pochodziła w 100% z odnawialnego źródła energii. Produkowany przez elektrolizery wodór będzie sprężany przez układ sprężarek do ciśnienia 300 – 450 bar i na bieżąco pompowany do pojazdów transportujących wodór. Specjalnie dobrane sprężarki będą mogły bezpośrednio zasilać stanowiska tankowania wodoru.

PKN Orlen wiąże swoją strategię z wdrożeniem technologii wodorowych w transporcie. Sławomir Halbryt, prezes zarządu spółki Sescom, członka Klastra Technologii Wodorowych twierdzi, że istnieje realna szansa, że do 2030 roku 60 proc. taboru autobusowego w Polsce to będą pojazdy wodorowe.

Widoczne jest też zainteresowanie sektora prywatnego inwestycjami wodorowymi. W tym obszarze działają m.in. Veolia Energia Polska, Toyota, SBB Energy.

Gdzie najszybciej można wykorzystywać wodór

Międzynarodowa Agencja Energii (MAE) wymienia cztery nieodległe szanse na wykorzystanie wodoru, które mogą przyspieszyć powszechne stosowanie tego paliwa. 

Zdjęcie Darren Halstead z Unsplash

• Transformacja 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 napędzać 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.
• Miliony kilometrów rurociągów gazu ziemnego można wykorzystać do wodoryzacji gospodarki, choć wiążą się z tym pewne kontrowersje techniczne.

Zdjęcie Mirkone – Own work, CC BY-SA 3.0

Transport lądowy

Niewielu producentów oferuje obecnie seryjne pojazdy wyposażone w ogniwo paliwowe, ale na ulicach polskich miast można już upolować Toyotę na wodór – Mirai. Kamieniem milowym w rozwoju technologii ogniw paliwowych w Europie jest rozpoczęcie eksploatacji pierwszego wodorowego samochodu ciężarowego REVIVE w rzeczywistych warunkach odbioru odpadów komunalnych. Ciężarówka, której eksploatacja rozpoczęła się pod koniec 2020 r. jest dowodem znacznego postępu technicznego. Pierwszą wodorową śmieciarkę wyprodukowała dla holenderskiego miasta Breda firma E-Trucks Europe. System ogniw paliwowych dostarczył natomiast wiodący europejski dostawca, firma Proton Motor. Zasadą działania REVIVE jest wykorzystanie ogniwa paliwowego do przedłużenia zasięgu opartego na akumulatorowej technologii elektrycznych układów napędowych firmy E-Trucks Europe, która jest podstawowym napędem tej śmieciarki.

To typowo miejskie rozwiązanie podkreśla niszowy 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 plasuje się pozyskiwanie wodoru z węgla kamiennego, technologia, która wiodącą rolę odgrywa w Chinach. 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. Ślad węglowy górnictwa platyny oraz niska dostępność tego metalu sprawiają, że społeczne i środowiskowe konsekwencje jego obfitego stosowania 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.

• 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, jedno jest pewne. Bez infrastruktury przesyłu i dystrybucji wodoru nie możemy liczyć na prędkie upowszechnianie transportowych platform wodorowych. Zaangażowanie w rozwój infrastruktury wodorowej w Polsce deklaruje Józef Węgrecki, członek zarządu i dyrektor ds. technicznych PKN Orlen.