Produkcja wodoru z fotowoltaiki - jakie są perspektywy?

Wodór z fotowoltaiki - czyli jaki?

Wodór to najczęściej występujący pierwiastek chemiczny na Ziemi. Jest wykorzystywany w różnych sektorach gospodarki. W energetyce służy jako nośnik energii, w motoryzacji może zaś stanowić paliwo. Jest potrzebny w sektorze spożywczym m.in. do utwardzania tłuszczów, w sektorze chemicznym do produkcji nawozów (m.in. azotowych), a oprócz tego, znajduje zastosowanie w rafineriach czy sektorze metalurgicznym. Od lat mówi się, że ma szansę stać się paliwem przyszłości, jednak nadal nie wykorzystuje się w pełni jego potencjału. Dlaczego?

Jednym z głównych problemów związanych z obecnie wykorzystywanym wodorem jest fakt, że produkuje się go w mało ekologiczny sposób - np. w procesie reformingu parowego metanu lub gazyfikacji węgla. W obu przypadkach skutkiem ubocznym jest wysoka emisja dwutlenku węgla (ok. 19 ton CO2 na 1 tonę wodoru w przypadku gazyfikacji i ok. 9-10 ton CO2 na 1 tonę wodoru w reformingu parowym metanu). A to oznacza, że na dłuższą metę na te procesy nie ma miejsca we współczesnych gospodarkach dążących do dekarbonizacji.

Źródło: Raport "Zielony wodór z OZE w Polsce" PSEW

Niestety, jak wynika z danych Instytutu Energetyki - Instytutu Badawczego, w taki “brudny” sposób powstaje aż 96% wytwarzanego obecnie wodoru. Dobra wiadomość jest taka, że są inne możliwości jego produkcji.

Zwykle wyróżnia się bowiem trzy typy wodoru (przy czym podział ten nie wynika z właściwości samego gazu, ale metod jego pozyskania):

• wodór szary - powstaje właśnie we wspomnianych wyżej procesach, wykorzystujących paliwa kopalne i wiąże się z wysoką emisją CO2;
• wodór niebieski - powstaje w tych samych procesach reformingu i gazyfikacji, jednak przy jego produkcji wykorzystuje się systemy wyłapujące CO2, co pozwala na obniżenie jego emisji;
• wodór zielony - powstaje przy użyciu energii odnawialnej, a jego produkcja nie wiąże się z bezpośrednią emisją CO2.

Wodór można zatem produkować w ekologiczny sposób, z wykorzystaniem nadwyżek energii elektrycznej z OZE. Dzięki temu można wyeliminować bezpośrednią emisję dwutlenku węgla (pośrednia niestety, może nadal występować szczególnie w przypadku instalacji OZE podpiętych do sieci, wykorzystujących elektrownie węglowe lub gazowe).

Co ciekawe, produkcja wodoru z fotowoltaiki lub innych odnawialnych źródeł energii to szansa nie tylko na upowszechnienie się wodoru, ale również na dalszy, stabilny rozwój energetyki odnawialnej. Innymi słowy - wodór potrzebuje OZE, ale i OZE potrzebuje wodoru. Dlaczego?

Fotowoltaika i wodór - dlaczego to dobry pomysł?

Odnawialne Źródła Energii (szczególnie takie jak energia słońca czy wiatru), choć mają mnóstwo zalet, mają też jedną dość istotną wadę - są niestabilne. Nie jesteśmy w stanie w większym stopniu zarządzać produkcją z OZE, co dla małoelastycznych systemów energetycznych opartych na węglu, stanowi nie lada wyzwanie. Energetyczne bloki węglowe charakteryzują się dość dużą bezwładnością - ich rozruch trwa długo, podobnie jak wygaszanie. To sprawia, że okresach wzmożonej aktywności fotowoltaiki i elektrowni wiatrowych, produkowana przez nie energia staje się problematyczna. Nadwyżki energii z fotowoltaiki, na które brakuje popytu, wpływają m.in. na zbyt wysokie napięcie w sieci i stwarzają ryzyko przeciążenia.

Rozwiązaniem tych bolączek są różnego rodzaju magazyny energii. Niestety, spora część z nich (m.in. elektrochemiczne akumulatory czy termiczne magazyny ciepła) nadaje się jedynie do krótkoterminowego przechowywania prądu. Inaczej ma być w przypadku wodoru, który może być przechowywany sezonowo.

Jak pozyskuje się wodór z wykorzystaniem OZE?

Metody produkcji wodoru z fotowoltaiki i nie tylko

Wodór z fotowoltaiki lub z innych instalacji OZE powstaje dzięki elektrolizie wody. Do przeprowadzenia reakcji wykorzystuje się urządzenie nazwane elektrolizerem. Na czym polega ten proces? W dużym uproszczeniu, pod wpływem napięcia, dochodzi do rozkładu wody na wodór oraz tlen. W szczegółach przemiana może się jednak różnić, w zależności od wybranej metody elektrolizy.

Elektroliza alkaliczna i elektroliza PEM

W procesie elektrolizy alkalicznej elektrolizer wyposażony jest w dwie elektrody - katodę i anodę, które są zanurzone w wodzie. Do procesu przemiany, potrzebna jest czysta (zdemineralizowana) woda. Nie jest ona jednak dobrym przewodnikiem energii elektrycznej, dlatego dodaje się do niej określone substancje chemiczne (zasady lub kwasy). By uniknąć ponownego łączenia się cząstek wodoru i tlenu, pomiędzy elektrodami umieszcza się oddzielacz nasycony elektrolitem, który ma przewodzić jony.

Choć energię z OZE można wykorzystać już w procesie elektrolizy alkalicznej, elastyczność tego konkretnego procesu mogłaby być większa - do zwiększenia produkcji potrzeba ok. 1 minuty. Do niestabilnych, odnawialnych źródeł energii nawet lepiej nadaje się więc elektroliza wykorzystująca polimerowe membrany wymiany protonów (PEM). Od opisanej powyżej elektrolizy alkalicznej różni się głównie typem elektrolitu oraz szybkością reakcji na źródło energii (ok. 2 sekund). Opcja ta jest jednak na tyle droga, że przegrywa z technologią alkaliczną (problemem są kosztowne komponenty, skomplikowana budowa i szybkie zużycie elementów elektrolizera).

Produkcja wodoru z fotowoltaiki - opłacalność, koszty energetyczne

Skoro o kosztach mowa, przejdźmy teraz do kwestii wydatków energetycznych i opłacalności produkcji wodoru z fotowoltaiki lub innych urządzeń OZE. Ile energii i wody potrzeba do wyprodukowania 1 kg wodoru z OZE?

Jak podaje dokument “Polska strategia wodorowa do roku 2030”, do wytworzenia 1 kg wodoru trzeba zużyć 9 litrów wody oraz około 50 kWh energii elektrycznej (przy czym ilość ta może się zmienić przy zastosowaniu bardziej efektywnego procesu).

Jest to zatem proces kosztowny, szczególnie pod kątem energetycznym. Jak wygląda to pod kątem ekonomicznym? Jak wynika z danych wspominanego już Instytutu Energetyki - Instytutu Badawczego, ujednolicony koszt wytworzenia wodoru za pomocą elektrolizerów alkalicznych i fotowoltaiki on-grid wynosi obecnie około 3-7,5 dol./kg. W przeliczeniu daje to ok. 13-32 zł/kg wodoru i około 0,39-0,97 zł/kWh (wartość energetyczna wodoru to około 33 kWh/kg).

Dla porównania aktualny koszt wytworzenia wodoru z gazu ziemnego w procesie reformingu to wydatek około 1-3,5 dol./kg. Przy zgazowywaniu węgla stawka wynosi ok. 1,2-2,2 dol./kg. Górne wartości kosztowe dotyczą tych procesów, które wykorzystują technologię wyłapywania i przechowywania dwutlenku węgla w celu ograniczenia jego emisji.

Co ciekawe, sytuacja ta może się już niebawem odwrócić. Koszty emisji CO2 systematycznie i gwałtownie rosną, co będzie przekładać się na opłacalność produkcji wodoru w “brudny” sposób. Jednocześnie eksperci są zdania, że należy się spodziewać spadków kosztów produkcji zielonego wodoru. Przykładowo, w ciągu ostatnich 10 lat koszt elektrolizerów zmniejszył się o ok. 60%, podobnie ceny fotowoltaiki spadły o ok. 80% od 2010 roku.

Stąd też szacunki ekspertów wskazują, że m.in. niższe koszty technologii, systematyczna poprawa efektywności elektrolizerów oraz efekt skali do 2030 roku przełożą się na spadek kosztu produkcji wodoru z fotowoltaiki o ponad połowę, do ok. 2,2 dol/kg. Jednocześnie, opłaty emisyjne podbiją koszty wytwarzania szarego wodoru do nawet ok. 5 dol./kg.

Do upowszechnienia się wodoru jako “paliwa przyszłości” droga jest jeszcze niestety daleka. Przed technologią stoi jeszcze szereg wyzwań.

Wodór z fotowoltaiki - wyzwania dla sektora

Według raportu Polskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej “Zielony wodór z OZE w Polsce” koszty wytwarzania wodoru z OZE to nie jedyny problem wodoru z fotowoltaiki, który należy rozwiązać, by można było szerzej wykorzystywać ten gaz. Gospodarka oparta na wodorze to bowiem system połączonych, wzajemnie wpływających na siebie elementów.

Osiągnięcie taniej produkcji wodoru, w rozsądnym horyzoncie czasowym nie będzie możliwe bez konkurencji na rynku i zaangażowania prywatnych inwestorów oraz firm. A na to, nie ma co liczyć, dopóki nie pojawi się stałe zapotrzebowanie na wodór. Z kolei do tego, są potrzebne zmiany infrastrukturalne i prawne.

Szersze zastosowanie wodoru z fotowoltaiki i nie tylko wymaga zatem działań na płaszczyźnie:

• produkcji,
• transportu i magazynowania,
• obszarów zastosowania.

Źródło: Raport "Zielony wodór z OZE w Polsce" PSEW 2021

Bariery dla wodoru z fotowoltaiki w obszarze: produkcja i regulacje

W temacie produkcji, barierę, oprócz omawianych już kosztów stanowi też brak podstaw prawnych dotyczących m.in. przyłączania instalacji wytwórczych do sieci, ale także certyfikowania zielonego wodoru. Regulacji brakuje też w kontekście procedur wytwórczych. Sporo wątpliwości budzi też bilans energetyczny produkcji wodoru - obecna sprawność elektrolizerów alkalicznych i PEM to ok. 65-82%. Konieczne jest zatem wypracowanie bardziej efektywnych technologii wytwarzania wodoru, które ograniczą straty energii.

Ukształtowanie się prawa wodorowego i rozwój technologii nie będzie jednak możliwe tak długo, jak nie zostanie opracowany długofalowy, szerszy scenariusz zastosowania wodoru w gospodarce. Innymi słowy, bez świadomości czy znajdzie się i jakie będzie miejsce wodoru w gospodarkach, nie ma szans na pojawienie się opłacalnych modeli biznesowych i rozwinięcie się rynku zbytu.

Wodór z fotowoltaiki - bariery w obszarze: transport i magazynowanie

Kolejna kwestia, która wymaga podjęcia działań to wyzwania logistyczno-magazynowe związane z wodorem. Temat ten jest często wskazywany, jako najistotniejszy problem w upowszechnieniu się wodoru.

Brakuje bowiem ekonomicznych rozwiązań pozwalających na przesył i dystrybucję wodoru - np. sieci. Ich budowa i utrzymywanie będzie wiązało się z wysokimi kosztami, podobnie jak wykorzystywanie już istniejących sieci gazowych. Jak podkreślał Dyrektor Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla, Aleksander Sobolewski

Mieszanie bardzo czystego wodoru z gazem, by przesłać go rurociągami, a potem oczyścić, to również ekonomiczny koszmar.

Szansą może być produkcja lokalna, magazynowanie i przetwarzanie na energię elektryczną, którą można byłoby przesyłać zamiast samego gazu. Tu jednak na przeszkodzie na razie stoją niedostosowane do takich operacji sieci energetyczne. Zresztą samo magazynowanie wodoru również nie jest proste - cząsteczki tego gazu są bardzo małe, przez co są podatne na ulatnianie się. Istnieją już co prawda pojemniki o dużej szczelności, przeznaczone do sprężania tego gazu. Proces ten jest jednak energochłonny (do sprężenia do ok. 350 barów potrzeba ok. 15-20% energii samego paliwa). Jeszcze gorzej pod tym względem wypada skraplanie, które nie dość, że wymaga specyficznych warunków (-253 °C i kriogenicznych zbiorników), to jeszcze pochłania do 30-40% wartości energetycznej paliwa. Pojawiają się również pomysły przechowywania tego gazu w wyeksploatowanych polach naftowych, gazowych, kopalniach czy naturalnych zbiornikach geologicznych, jednak jak na razie to tylko pomysły,

Produkcja wodoru z fotowoltaiki a bariery zastosowania

Choć na wodór spogląda się jak na paliwo przyszłości, w praktyce nie jesteśmy jeszcze przygotowani na jego rzeczywiste wykorzystanie. W ciepłownictwie brakuje technologii i urządzeń, które mogłyby działać na czystym wodorze (np. kotłów). Dostosowanie tych istniejących byłoby kosztowne i wymagałoby wsparcia rządowego - przynajmniej na wstępnym etapie wdrożeń. W przypadku motoryzacji, w Polsce kuleje rozwój wodorowej infrastruktury ładowania pojazdów. Również koszty zakupu aut wodorowych stanowią istotną barierę. Wodorowy Hyundai Nexo to koszt ok. 70 tys. euro, czyli ok. 300 tysięcy złotych. W podobnej cenie można kupić Toyotę Mirai (i tylko ona była dostępna do zakupu w Polsce w 2022 roku).

W przejściu na gospodarkę wodorową przeszkadza również (znów) brak regulacji prawnych, jak i brak szeroko pojętych kompetencji oraz wiedzy. Wodór, szczególnie w Polsce, jest nowinką, nad którą pracują jedynie nieliczni.

Fotowoltaika i generator wodoru do ogrzewania domu - to na razie pieśń przyszłości

Analizując sytuację wodoru z fotowoltaiki, łatwo można dojść do wniosku, że do jego zastosowania w prywatnych instalacjach jeszcze bardzo daleka droga. Zatem na generator wodoru do ogrzewania domu, zasilany energią słoneczną trzeba będzie poczekać.

Jak na razie, najbliżej koncepcji przydomowych elektrolizerów wodoru wykorzystywanych do ogrzewania jest projekt wodorowego osiedla, które ma zostać zlokalizowane w Środzie Śląskiej. Dzięki współpracy spółek: Polskie Domy Drewniane oraz SES Hydrogen 1,8 tysiąca mieszkań ma być zasilanych w ciepło za pomocą skomplikowanego systemu grzewczego, składającego się z pomp ciepła i kotłów elektrycznych. Urządzenia mają być zasilane energią z wodoru. Firma SES Hydrogen dostarczy w tym celu elektrolizer, produkujący H2 z energii odnawialnej. Całość będzie wspierana inteligentnymi systemami zarządzającymi.

Na obecnym etapie, całkowita niezależność gospodarstw domowych opierająca się na wodorze i fotowoltaice nie jest zatem możliwa. Dobra wiadomość jest jednak taka, że stosunkowo szybko może się to zmienić. Niezależne firmy stale pracują nad rozwiązaniami, które systematycznie zwiększają udział wodoru m.in. w ogrzewnictwie. Pojawiają się m.in. kotły na gaz oznaczone jako “H2Ready” i mogące korzystać z domieszki 20% H2. To jednak tylko niewielki kroczek w stronę tak wyczekiwanej rewolucji.