Energetyka wodorowa - czy prąd z wodoru to przyszłość OZE?

Cechy wodoru a jego wykorzystanie w energetyce

Pierwsze wzmianki na temat wykorzystania technologii wodorowych w energetyce, pojawiły się w analizach naukowych 200 lat temu. Oznacza to, że już wtedy zdawano sobie sprawę z potencjału, jaki tkwi w pozyskiwaniu energii z wykorzystaniem wodoru, a także poszukiwano alternatyw dla energetyki tradycyjnej. Oczywiście, badania te miały wówczas bardziej charakter ciekawostki niż realnej potrzeby, jak ma to miejsce obecnie. Warto jednak już na samym początku podkreślić, iż wodór nie stanowi źródła energii, ale może być jej świetnym nośnikiem. Wielu specjalistów uważa, że zastosowanie wodoru we wspieraniu udziału OZE w gospodarce energetycznej nie jest obecnie opcją, ale koniecznością.

Dlaczego jednak to właśnie wodór miałby stać się szansą na bilansowanie niestabilnego systemu energetycznego, jakim nadal pozostają odnawialne źródła energii? Przemawiają za tym cechy charakterystyczne dla tego pierwiastka, którymi są:

Wysoka energetyczność wodoru, który w wyniku reakcji z tlenem uwalnia aż 143,1 MJ/kg. Niezwykle istotny jest fakt, że wskutek tej reakcji do środowiska nie trafiają żadne zanieczyszczenia, a jedynym jej produktem ubocznym jest woda.

Predyspozycje wodoru do przetwarzania energii wytworzonej w wyniku reakcji z tlenem na energię elektryczną w ogniwach paliwowych. Oznacza to tym samym, że możliwości magazynowania wodoru przewyższają te w przypadku prądu elektrycznego.

Potencjał i możliwości do wytwarzania wodoru bez szkody dla środowiska naturalnego, a więc przy użyciu metod niskoemisyjnych lub wręcz bezemisyjnych.

Oczywiście energetyka to nie jedyna dziedzina, w której wodór znajduje zastosowanie. Ogromną nadzieją przemysłu motoryzacyjnego na partycypowanie w zapobieganiu zmianom klimatycznym, są auta napędzane wodorem. Niekwestionowanymi liderami w tym segmencie są USA, Japonia, Niemcy, a także Chiny, które sukcesywnie pracują nad nowymi rozwiązaniami. Dodatkowo, wodór wykorzystywany jest z powodzeniem w hutnictwie (zamiast gazu ziemnego), w przemyśle petrochemicznym czy do produkcji nawozów.
Tym niemniej, znaczenie tego pierwiastka w gospodarce energetycznej wydaje się mieć ogromne znaczenie, dając jednocześnie nadzieję na przyspieszenie uzyskania neutralności klimatycznej w wielu krajach. Przypomnijmy, że Polska ma otrzymać na ten cel aż 8 mld euro od Funduszu Sprawiedliwej Transformacji.

Produkcja, dystrybucja i magazynowanie wodoru

Najważniejszymi aspektami, z którymi warto się zapoznać, aby zrozumieć potencjał wykorzystania wodoru w energetycznej transformacji i dekarbonizacji światowych gospodarek, są z pewnością sposoby jego produkcji, dystrybucji, a także magazynowania. W kontekście wytwarzania wodoru, stosuje się obecnie kilka technik, z których każda ma swoje zalety i ograniczenia. Nadal w fazie testów znajdują się natomiast takie sposoby produkcji wodoru jak pyroliza czy fotokataliza. Ich upowszechnienie zależy od strategii finansowania kolejnych etapów testowania. Do procesów stosowanych obecnie w ramach pozyskiwania wodoru należą:

Częściowe utlenianie

Reforming parowy (Steam Methane Reforming - SMR)

Najpowszechniej stosowana metoda produkcji wodoru (48% całej światowej produkcji) polegająca na przeprowadzeniu w wysokiej temperaturze reakcji pary wodnej z metanem przy wykorzystaniu katalizatora metalicznego. Wynikiem tego procesu jest uzyskanie wodoru, ale także tlenku węgla, co wpływa na wysoką emisyjność gazów cieplarnianych. Celem zredukowania tego negatywnego skutku należy dążyć do upowszechnienia technologii sekwestracji, wykorzystania węgla oraz wykorzystania surowca (biometanu). Technologia ta określana jest angielskojęzycznym skrótem CCUS (Carbon Capture Utilization and Storage).

Elektroliza wody

Elektroliza wody to najbardziej obiecująca, ale niestety najdroższa dostępna obecnie metoda produkowania wodoru. Na czym polega ten proces? Energia elektryczna zamieniana jest w energię chemiczną, w wyniku czego dochodzi do rozpadu cząsteczki wody na wodór i tlen. W wyniku tej reakcji nie wytwarzają się żadne szkodliwe substancje uboczne, a więc można przyjąć, że metoda elektrolizy jest właściwie bezemisyjna. Warunkiem tego stanu rzeczy jest jednak wykorzystanie energii elektrycznej pozyskanej z OZE i właśnie w tym tkwi potencjał wodoru w bilansowaniu nadwyżek energetycznych wyprodukowanych przez odnawialne źródła energii. To też świetne pole dla rozwoju technologii power-to-gas, której znaczenie w programie “Wodór - Czyste Paliwo dla Przyszłości” dostrzegło PGNiG:

Źródło: pgnig.pl

Aspekt dystrybuowania wodoru stanowi jedną z dyskusyjnych kwestii w planach upowszechnienia energetyki wodorowej. Najnowsze ustalenia przekonują jednak, że wodór, podobnie jak gaz ziemny może być przesyłany gazociągami lub transportowany cysternami (pod większym ciśnieniem). Odrębnym aspektem wpływającym na efektywność wykorzystania wodoru w energetyce, jest jego magazynowanie. Obecnie, wykorzystywane są w tym celu przede wszystkim zbiorniki ciśnieniowe i kriogeniczne. Te pierwsze są niestety drogie, natomiast te drugie mniej trwałe.

Technologia wykorzystania wodoru

Jedną ze wspomnianych wcześniej cech wodoru decydujących o potencjale jego wykorzystania w energetyce, jest zdolność do przetwarzania energii wytworzonej w wyniku reakcji z tlenem na energię elektryczną w ogniwach paliwowych. Wykorzystanie właśnie takich ogniw, które przypominają baterie jonowo-litowe, to najbardziej obiecująca technologia wykorzystania wodoru.

Źródło: Raport 300GOSPODARKA "Wodorowa alternatywa"

W ogniwie paliwowym do anody dostarczany jest wodór, natomiast do katody tlen. Przy udziale katalizatora dochodzi do przemieszczania się elektronów i protonów powodujących przepływ prądu elektrycznego i łączenie się z cząsteczkami tlenu. W wyniku tego procesu dochodzi do wytworzenia ciepła oraz produktu ubocznego - wody destylowanej. Oczywiście jest to uproszczony opis zastosowania tej technologii, tym niemniej wyraźnie wskazuje na ogromny potencjał jej wykorzystania w gospodarce energetycznej.

Kolejną metodą przetwarzania wodoru na energię elektryczną lub/i cieplną jest zastosowanie Turbin Gazowego Otwartego Cyklu, które obecnie wykorzystywane są w produkcji energii elektrycznej z gazu ziemnego. Niektóre z tych turbin już teraz pracują przy udziale wodoru. Podjęcie kolejnych działań modyfikujących te instalacje, może przyczynić do wykorzystywania w nich wyłącznie wodoru.

Energetyka wodorowa - dlaczego warto iść w tym kierunku?

Po analizie podstawowych aspektów dotyczących cech, metod produkcji, dystrybucji oraz magazynowania wodoru, a także technologii jego wykorzystania w produkcji energii elektrycznej i cieplnej, warto poznać kilka istotnych powodów, dla których warto rozwijać energetykę wodorową.

Pierwszym czynnikiem, którego znaczenie zostało wspomniane już kilkukrotnie w tym artykule, jest wykorzystanie wodoru jako potencjalnie doskonałego nośnika energii dla niestabilnych źródeł OZE. Zakładając jedyny słuszny kierunek w stronę sukcesywnego zwiększania udziału odnawialnych źródeł w całości wytwarzanej energii na świecie, należy szukać rozwiązań dla bilansowania tych systemów i magazynowania nadwyżek energetycznych. Przy 100% wykorzystaniu OZE (po całkowitej eliminacji paliw kopalnych), aż 25 do 30% wytworzonej energii będzie wymagało zmagazynowania. Wodór wydaje się obecnie najlepszym możliwym wyjściem dla tej sytuacji.

Jednym ze szczególnie ważnych aspektów dotyczących energetyki wodorowej jest bezemisyjność pracy wodorowych ogniw paliwowych, czy też turbin wodorowych. Jedynym produktem ubocznym zachodzących w tych instalacjach reakcji, jest woda destylowana lub para wodna. Są to oczywiście substancje, które w żaden sposób nie zanieczyszczają środowiska naturalnego, a ich nieintencjonalne wytwarzanie w przeciwieństwie do CO2 wspiera starania na drodze do uzyskania neutralności klimatycznej.

Kolejną zaletą wodoru jest jego wszechstronność, a więc możliwość wykorzystania w różnych dziedzinach gospodarki i przemysłu. Motoryzacja, transport, hutnictwo, rolnictwo, przemysł petrochemiczny, przemysł stalowy, to tak naprawdę tylko niektóre obszary, w których energetyka wodorowa może znaleźć zastosowanie. Jeżeli dodać do tego obiecujące perspektywy stopniowego zastępowania instalacji opartych na gazie ziemnym, właśnie wodorem, to uzyskamy zestaw istotnych korzyści płynących z pozyskiwania energii przy udziale wodoru.

Jakie ograniczenia ma energetyka wodorowa?

Celem stworzenia pełnego obrazu charakterystyki wykorzystania energetyki wodorowej w gospodarce, nie można pominąć ograniczeń, a właściwie wątpliwości, jakie ta metoda budzi u niektórych specjalistów. W przypadku każdej innowacji należy być bowiem przewidującym i mieć na uwadze wszelkie możliwe scenariusze, a przynajmniej większość z nich.

Pierwszym ograniczeniem w stosowaniu rozwiązań wodorowych są obecne możliwości w pozyskiwaniu wodoru. Wspominaliśmy, że aż 48% całej światowej produkcji tego pierwiastka pochodzi z reformingu metanu, a więc paliwa kopalnego. Dalsze wytwarzanie w ten sposób wodoru spowoduje znaczne obciążenia środowiska przez wysoką emisję dwutlenku węgla, a co za tym idzie postawi pod znakiem zapytania dobroczynny wpływ energii wodorowej na problemy klimatyczne. Biorąc pod uwagę koszt wykorzystania elektrolizy wody w produkcji wodoru na szeroką skalę, ciężko oczekiwać bezemisyjności w tym procesie w przeciągu najbliższych kilku lat. Szacuje się, że osiągnięcie opłacalności tej metody przypadnie na lata 2030 -2035.

Kolejnym problemem jest efektywne wykorzystanie dostępnych obecnie technologii przetwarzania wodoru na energię elektryczną lub/i cieplną. Ogniwa paliwowe czy turbiny gazowe (wodorowe) są mogą być niezwykle skuteczne, jednak przyjdzie nam jeszcze poczekać zanim będą potrafiły pokryć zapotrzebowanie w produkcji czy przemyśle. Zastąpienie gazu ziemnego wodorem, to również pieśń przyszłości, gdyż biorąc pod uwagę skalę obecnego wykorzystywania gazu w gospodarce, instalacje wodorowe nie są nawet bliskie osiągnięciu takiej wydajności.

Wodór wykazuje cechy odmienne od gazu ziemnego, a więc użytkowanie istniejących instalacji przesyłowych do transportu wodoru może się okazać niewykonalne. Destrukcyjne oddziaływanie tego pierwiastka na materiały budujące zbiorniki, czy przewody przesyłowe, to jeden z problemów wywoływanych przez właściwości wodoru. Dodatkowo wszelkie urządzenia (także te w użytku domowym) wykorzystujące do tej pory gaz ziemny, nie są przystosowane do pracy na bazie wodoru. Transformacja będzie zatem w tym względzie zakrojona na bardzo szeroką skalę.

Liderzy energetyki wodorowej na świecie

Najbardziej rozwinięte w obszarze popularyzacji energetyki wodorowej na świecie są obecnie Stany Zjednoczone, Japonia, Niemcy oraz Australia. Zdecydowanie największy potencjał produkcyjny posiadają jednak Chiny, które są przygotowane na wytworzenie nawet 25 megaton wodoru rocznie. W ujęciu globalnym, szacowana wartość produkcji wodoru w 2017 roku wynosiła 115,25 mld dolarów. Dalszy rozwój i postęp w transformacji gospodarki energetycznej w stronę wodoru leży oczywiście w gestii rządów i podmiotów, które będą skłonne przeznaczać na ten cel konkretne kwoty i podejmować istotne decyzje.

Właśnie taką długoterminową strategię i zestaw założeń celem wspierania rozwoju energetyki wodorowej przygotował rząd Japonii, który w ciągu ostatnich sześciu lat na badania i inwestycje przeznaczył 1,5 mld dolarów. Stany Zjednoczone już teraz produkują ok. 10 megaton wodoru rocznie, a rozwój niezbędnej infrastruktury jest tam właściwie najszybszy. Co ciekawe, w USA już 40% produkowanego wodoru jest przeznaczane na sprzedaż podmiotom trzecim, nie zaś na wyłączny użytek zaangażowanych w jego wytwarzanie spółek.

Niemcy przeznaczyły na energetykę wodorową 7 mld euro

Ostatnie doniesienia prasowe informują, że po wielu latach przygotowań Niemcy zdecydowały się na konkretne określenie znaczenia wodoru w rozwoju swojej gospodarki. Na początku czerwca rząd federalny przeznaczył na rozwój technologii wodorowych 7 mld euro. Polityka ta ma być wspierana także przez poszczególne landy. W Niemczech od lat przeprowadzany jest proces “fuel switch”, mający na celu zastąpienie tradycyjnych elektrowni węglowych, tymi napędzanymi przez gaz ziemny. Jest to jednak rozwiązanie przejściowe, gdyż głównym założeniem Energiewende jest osiągnięcie całkowitej bezemisyjności i wodór ma mieć w tym względzie szczególne znaczenie.

Rząd federalny Niemiec obawia się jednak uzależnienia od dostaw gazu ziemnego z Rosji. Surowiec ten jest bowiem nadal konieczny do przeprowadzania reformingu parowego. Można się spodziewać, że tym większe będą starania niemieckich naukowców o usprawnienie instalacji do elektrolizy wodnej, która pozwala na bezemisyjność produkcji, a także uniezależnienie od dostaw gazu ziemnego.

Polska gospodarka energetyczna wykorzysta potencjał wodoru?

Zapewne wielu z Was to zaskoczy, ale Polska jest obecnie jednym z największych producentów wodoru w Europie, a ilość wytworzonego w naszym kraju pierwiastka pokrywa 14% zapotrzebowania Unii Europejskiej. Jedna megatona to nadal dziesięć razy mniej niż produkcja w Stanach Zjednoczonych, jednak umówmy się, że ciężko porównywać tu skale. Dodatkowo, jeszcze do niedawna nikt nie interesował się w Polsce rozwojem tej technologii. Obecnie, wiele firm z branży energetycznej (i nie tylko) dostrzega potencjał wodoru na różnych płaszczyznach i w różnych dziedzinach gospodarki:

To, czego potrzeba teraz Polsce, aby mogła ona wykorzystać wodór w przyspieszeniu transformacji energetycznej, to odpowiednio opracowana strategia rządowa poprzedzona wnikliwymi analizami. Zaplanowanie działań finansujących rozwój badań i innowacyjnych technologii stanowi obecnie priorytet w tej dziedzinie. Ważna będzie też rola kampanii społecznych, które zbudują pozytywne nastawienie do zmian i zaakcentują szanse, jakie płyną z transformacji energetyki węglowej na wodorową, szczególnie w jej bezemisyjnej postaci.

Czy energetyka wodorowa to rozwiązanie wszystkich problemów OZE?

Energetyka wodorowa posiada ogromny potencjał rozwojowy w wielu dziedzinach gospodarki. Jedną z najważniejszych cech wodoru jest jednak jego zdolność do bilansowania niestabilnych odnawialnych źródeł energii. Współpraca pomiędzy omawianym surowcem, a możliwościami, jakie daje fotowoltaika czy elektrownie wiatrowe, przy odpowiednim dostosowaniu i efektywności może okazać się najlepszym, dostępnym rozwiązaniem wspierającym transformację energetyczną. Wykorzystywanie pozyskanej z OZE energii elektrycznej do przeprowadzania elektrolizy wodnej czy zdolność wodoru do magazynowania nadwyżek prądu wyprodukowanych przez źródła odnawialne, to zapewne tylko niewielki ułamek potencjału energetyki wodorowej.

Na przeszkodzie do maksymalizacji korzyści płynących z wykorzystania wodoru w energetyce stoją niestety ograniczenia wynikające z innowacyjności tej technologii. Dążenie do większej opłacalności i efektywności elektrolizy, jak również rozwijanie alternatywnych, bezemisyjnych metod pozyskiwania wodoru, wydaje się obecnie priorytetem. Kolejnym, a być może równoległym etapem na drodze do popularyzacji energetyki wodorowej będzie zapewne dostosowywanie obecnych instalacji i urządzeń do specyficznych cech i właściwości tego surowca. Abstrahując od wszystkich, pojawiających się obecnie ograniczeń, kierunek wspierający rozwój, badania i innowacje w dziedzinie energetyki wodorowej na drodze do uzyskania neutralności klimatycznej, wydaje się jedynym słusznym.