Autorzy: Paweł Banach, Michał Siedlecki, Piotr Dul
Inicjatywa zielonej transformacji rynku jest podejmowana zarówno przez społeczeństwo, przemysł jak i międzynarodowe rządy globalnie, co oznacza osiągnięcie pewnego rodzaju konsensusu rynkowego co do kierunków zmian, przy czym dużo uwagi poświęcane jest zmianom klimatycznym i przyczynom ich powstawania.
Zgodnie z bieżącą wiedzą, jednym z kluczowych czynników wpływających na klimat, jest oddziaływanie gazów cieplarnianych emitowanych przez człowieka1.
Kluczową właściwością wodoru jest bezemisyjność tego paliwa (z punktu widzenia paliwa, nie jego wytwarzania), w procesie spalania powstaje woda2 (odstępstwem mogą być silniki tłokowe w których istnieje możliwość powstawania nieznacznej ilości tlenków azotu3; z kolei wykorzystanie ogniw paliwowych jest bezemisyjne). W związku z tym, gospodarka wodorowa ma duży potencjał rozwoju oraz jest jednym z kluczowych działań pozwalających osiągnąć cele Zielonego Ładu i misji dekarbonizacji na skalę nie tylko krajową, ale również globalną.
Energetyka
Magazynowanie energii jest jednym z głównych kierunków, w którym upatruje się szerokiego wykorzystania wodoru4. Koncepcja polega na wykorzystaniu nadwyżek energii elektrycznej do produkcji wodoru lub innego nośnika energetycznego z jego wykorzystaniem np. amoniaku czy paliw syntetycznych.
Energia zmagazynowana w nośniku może zostać zatrzymana i później wykorzystana w użyteczny sposób lokalnie lub w innym miejscu popytu, po jej przetransportowaniu. Może się to odbywać w okresach zwiększonego zapotrzebowania na energię lub w czasie zmniejszonych możliwości generacji energii z innego źródła. Wytworzony i zmagazynowany wcześniej wodór byłby wykorzystany w turbinach gazowych lub w ogniwach paliwowych do wytworzenia energii elektrycznej oraz/lub cieplnej5. Pozwoliłoby to na stabilizację pracy sieci elektroenergetycznej z dużą liczbą źródeł OZE. Aktualnie, takie usługi na potrzeby polskiego systemu elektroenergetycznego, prowadzą bloki energetyczne zasilane paliwem emisyjnym – węglem i gazem ziemnym.
Wykorzystanie wodoru jako źródła energii prezentuje się atrakcyjnie także ze względu na możliwość jego użycia w istniejącej infrastrukturze, obecnie zasilanej gazem ziemnym. Część urządzeń aktualnie eksploatowanych w przemyśle energetycznym i przesyłowym jest gotowa do współpracy z takim nośnikiem energii.
Przesył wodoru w szczegółach różni się od przesyłu gazu ziemnego (dla przesyłu czystego wodoru konieczne są inne rurociągi ze względu na odmienną charakterystykę wodoru6), natomiast są to czynności dość zbliżone i technicznie wykonalne. Ponadto, możliwe jest mieszanie i transport w różnych proporcjach, gazu ziemnego z wodorem i późniejsze wykorzystywanie mieszaniny tych gazów. Jest to szczególnie atrakcyjne w okresie przejściowym w dążeniu do pełnej dekarbonizacji rynku UE.
Ciepłownictwo
Dużym atutem wykorzystania wodoru jako źródła energii jest możliwość efektywnego wytworzenia energii cieplnej. Jak wspomniano, duża część urządzeń związanych z wytwarzaniem energii cieplnej i elektrycznej z wykorzystaniem jako źródła energii gazu ziemnego, mogłaby być dostosowana bezpośrednio do wykorzystania jako paliwa wodoru. Konieczne są modernizacje jednostek obecnie zasilanych gazem ziemnym, jednak technologia na rynku już jest gotowa do użycia, wielu producentów turbin i generatorów już teraz deklaruje możliwość spalania gazu ziemnego ze znaczną domieszką wodoru lub wręcz czystego wodoru jako paliwa.
W tym sektorze technologia ogniw paliwowych jest również możliwa do wykorzystania – podczas pracy ogniwa generowana jest zarówno energia elektryczna jak i cieplna.
Transport
Możliwość zastosowania wodoru jako substytutu paliwa konwencjonalnego, pozwala na rozpatrywanie perspektyw wykorzystania w transporcie. Aktualnie są już dostępne na rynku pojazdy zasilane wodorem takie jak samochody osobowe, autobusy i lokomotywy, natomiast w fazie demonstracyjnej pojawiają się także statki. Alternatywą do zasilania wodorowego są pojazdy bateryjne (BEV – battery electric vehicle) lub biopaliwa (paliwa 2, 3 i 4 generacji).
Rozwiązanie bateryjne wiąże się z ograniczeniami jak ciężar baterii, ich ograniczona pojemność i czas ładowania. Z drugiej strony, biopaliwa, mimo że są neutralne pod względem bilansu emisji, to nie wpłyną one na poprawę jakości powietrza w miastach (spalanie biopaliw nadal powoduje emisję gazów i pyłów, jedynie nie zwiększa ich ilości w bilansie globu).
Przewiduje się, że środki transportu wykorzystujące wodór najszybciej mogą być szeroko wykorzystywane w komunikacji miejskiej, transporcie kolejowym bez sieci trakcyjnej i ciężkim transporcie drogowym7.
Przemysł
Perspektywy wykorzystania wodoru w przemyśle są związane przede wszystkim ze zmianą pochodzenia źródła powstania wodoru. Aktualnie wodór wykorzystywany w przemyśle jest wytwarzany głównie w procesie reformingu parowego – reakcji metanu i pary wodnej w wysokiej temperaturze z użyciem katalizatora. Ze względu na wykorzystanie metanu produkcja wodoru tym sposobem obciążona jest emisją CO2 szacowaną na poziomie około 6-10 kg dwutlenku węgla na 1kg powstałego wodoru.
Możliwość wykorzystania wodoru pozyskanego w sposób bez emisyjny pozwoliłoby na powolne zmniejszanie wpływu na klimat najtrudniejszego do dekarbonizacji sektora.
Największe zapotrzebowanie do wykorzystania wodoru w procesach przemysłowych występuje w przemyśle chemicznym. Szczególnie duże wykorzystanie tego pierwiastka występuje przy produkcji nawozów sztucznych, który to głównie opiera się na syntezie amoniaku z wodoru i azotu. Również sektor rafineryjny i petrochemiczny konsumuje znaczne ilości wodoru w procesach związanych z przygotowaniem paliw. Szacuje się, że jest możliwe wykorzystanie wodoru jako częściowego substytutu węgla i koksu przy produkcji stali i żelaza.
Sektory o najwyższym potencjalne
Najwyższy potencjał możliwy do zrealizowania w zakresie wykorzystania wodoru na dużą skalę jest sektor transportowy. W ofertach producentów autobusów od dłuższego czasu znajdują się już pojazdy zasilane tym paliwem. Również od wielu lat niektóre koncerny samochodowe mają w swojej ofercie pojedyncze modele takich aut. W roku 2022 w Niemczech oddano do użytku pierwszy pociąg pasażerski zasilany wodorem, zastąpił on jednostkę napędzaną olejem napędowym. Powyższe przykłady pokazują, że rozwiązania związane z tym sektorem są w większości gotowe do wprowadzenia na szeroką skalę. Problemem ograniczającym rozwój może być niedostateczna ilość stacji na których jest możliwość zatankowania takich pojazdów. O ile dla pociągów i autobusów przewidziane są takie miejsca o tyle dostępność dla samochodów osobowych jest niska. Prowadzi to do spowolnienia rozwoju tego sektora, jednakże odbywa się to analogicznie jak dla elektromobilności bateryjnej, gdzie rozwój infrastruktury trwa od dekady.
Duże możliwości na szybkie wprowadzenie wodoru celem ograniczenia emisji mają sektory przemysłowe, w których aktualnie wykorzystywany jest ten pierwiastek tj. przemysł chemiczny, petrochemiczny, metalurgiczny. Przewaga opanowania pracy z wodorem i technologii związanych z jego wykorzystaniem pozwala na szybkie zastąpienie wodoru obciążonego śladem węglowym na wodór zielony lub przejściowo niebieski. Niestety także tutaj jest duże ograniczenie związane z procesem wytwórczym. Aktualnie największym problemem jest brak dużych instalacji wykorzystujących energię do produkcji zielonego wodoru, które byłyby w stanie zapewnić wystarczającą ilość wodoru w procesach przemysłowych. Dobrą wiadomością jest podejmowanie prób projektowania i tworzenia takich instalacji w skali przemysłowej. W tym roku zapowiedziano budowę w Holandii baterii 10 elektrolizerów o łącznej mocy zainstalowanej 200MW do produkcji zielonego wodoru z energii pochodzącej z morskich farm wiatrowych8.
Ten artykuł został opublikowany w Raporcie Prawo wodorowe UN Global Compact
Przeczytaj również
- https://www.epa.gov/climate-indicators/greenhouse-gases
- https://climate.mit.edu/explainers/hydrogen
- https://www.cire.pl/artykuly/materialy-problemowe/137326-ochrona-powietrza
- https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen
- https://www.iea.org/reports/hydrogen
- https://www.greentechmedia.com/articles/read/green-hydrogen-in-natural-gas-pipelines-decarbonization-solution-or-pipe-dream
- „Transport kluczem do rozwoju technologii wodorowych w Polsce” Zespół Doradców Gospodarczych TOR, 2021
- https://zielonagospodarka.pl/zielona-elektrownia-wodorowa-w-port-rotterdam-shell-podpisal-kontrakt-4677