Czy wodór naprawdę jest paliwem przyszłości i kluczem do światowej transformacji energetycznej? [ANALIZA]

Zdjęcie: Czy wodór naprawdę jest paliwem przyszłości i kluczem do światowej transformacji energetycznej? [ANALIZA]

Od lat mówi się, iż zielony wodór jest jedynym sposobem na ucieczkę od ropy i gazu ziemnego jako głównych źródeł energetycznych. Dziś, kiedy za naszą wschodnią granicą trwa wojna, a ceny paliw kopalnych biją rekordy, wodór szczególnie zyskuje na wartości. Czy naprawdę może stać się paliwem przyszłości i energetycznym „game-changerem”?

Kilka faktów o wodorze

Wodór (H2) jest najczęściej występującym pierwiastkiem chemicznym we Wszechświecie i jednym z najbardziej pospolitych pierwiastków na Ziemi. Szacuje się, iż stanowi około 75% masy całości materii w kosmosie. Można zatem powiedzieć, iż jest paliwem „nieskończonym” i doskonałym, ponieważ jest lekki i wydajny.

Spalanie wodoru nie emituje dwutlenku węgla, więc nie przyczynia się do globalnego ocieplenia. Może być wykorzystywany do wytwarzania energii elektrycznej w systemach ogniw paliwowych lub jako zwykłe paliwo użyteczne w procesach spalania. Jak powstaje?

Produkcja wodoru

Wodór produkowany jest w procesie elektrolizy dzięki elektrolizerom. Potrzebna jest jedynie woda destylowana oraz energia elektryczna. Z wody i prądu produkowany jest wodór i tlen, a w procesie odwrotnym z wodoru i tlenu powstaje prąd i woda.

Z każdych 9 kg wody i energii możemy uzyskać 1 kg wodoru i 8 kg tlenu, bez żadnych produktów ubocznych. Prąd z łatwością można uzyskać z nadwyżek energii wytwarzanej z odnawialnych źródeł energii, co sprawia, iż produkcja może być w 100% ekologiczna.

Sprawność nowych instalacji wodorowych opartych na ogniwach PEM do elektrolizy sięga aktualnie choćby 60%. Oznacza to, iż z 1 kWh energii wykorzystanej do wytworzenia wodoru w procesie odwrotnym uzyskamy 0,6 kWh plus ciepło, które również można wykorzystać.

Niestety, wodór w tej chwili produkowany jest częściej nie z odnawialnych źródeł energii, a z paliw kopalnych. Szukając odpowiedzi na pytanie, czy wodór może stać się paliwem przyszłości, trzeba przede wszystkim upowszechnić sposób jego wytwarzania z OZE.

Wodór, dziś prawie w całości dostarczany z gazu ziemnego i węgla, jest już powszechnie stosowany w niektórych gałęziach przemysłu. Nie wykorzystano jeszcze jego potencjału do wspierania „zielonej” transformacji energetycznej. Konieczne są ambitne, ukierunkowane i krótkoterminowe działania w celu dalszego pokonywania barier i obniżania kosztów. Realizacja tej idei nie jest jednak pozbawiona wyzwań, począwszy od obecnej technologii i kosztów, po infrastrukturę i bezpieczeństwo – komentuje Bartłomiej Kupiec, prawnik, analityk polityki klimatycznej, ekspert Stowarzyszenia z Energią o Prawie (ZEOP).

• Zobacz też: Polska firma wytwarza zielony wodór z biomasy. To “game-changer”

Kluczem do osiągnięcia zielonej gospodarki opartej na wodorze pozostało większe upowszechnienie się odnawialnych źródeł energii. Większa ilość źródeł OZE doprowadzi do jeszcze większego spadku kosztów wytwarzania energii, a co za tym idzie, zwiększenia taniej produkcji wodoru.

Obecnie trudno jest stworzyć „zieloną” gospodarkę wodorową Z ekonomicznego punktu widzenia dużą rolę odgrywają koszty produkcji wodoru odnawialnego, które są ściśle powiązane z ceną energii elektrycznej. W przyszłości jednak, według prognoz Międzynarodowej Agencji Energetycznej (ang. International Energy Agency), koszt produkcji wodoru z odnawialnej energii elektrycznej może spaść o 30% do 2030 roku w wyniku spadku kosztów energii odnawialnej i zwiększenia skali produkcji wodoru – kontynuuje Kupiec.

Jak wyglądają perspektywy rozwoju wodorowej gospodarki w naszym najbliższym sąsiedztwie, czyli w Unii Europejskiej?

Wodór w Unii Europejskiej

Wojna w Ukrainie wzmogła dążenia wspólnoty do osiągnięcia niezależności energetycznej i odcięcia się od rosyjskich paliw kopalnych. W maju Unia ogłosiła długo wyczekiwany plan RePowerEU, która ma być odpowiedzią na inwazję Moskwy na Ukrainie. Wodór stanowi w nim ważną, długoterminową rolę.

Unia Europejska upatruje w wodorze szansy na dekarbonizację przemysłu oraz osiągnięcie celów klimatycznych. W 2022 roku, w obliczu rosyjskiej agresji na Ukrainę oraz zagrożeń związanych z brakiem ciągłości dostaw gazu ziemnego ze Wschodu, Komisja Europejska przedstawiła plan „REPowerEU”.

REPowerEU to unijny plan szybkiego zmniejszenia zależności od rosyjskich paliw kopalnych i przyspieszenia zielonej transformacji. Odnawialny wodór będzie kluczem do zastąpienia paliw kopalnych w sektorach gospodarczych państw UE. W pierwotnym brzmieniu planu ustanowiono między innymi cel osiągnięcia 10 milionów ton produkcji wodoru odnawialnego na terenie UE i 10 milionów ton importu wodoru odnawialnego do 2030 roku – komentuje Kupiec.

Czy Polska ma szansę włączyć się w ten proces? Jak pokazuje badanie przeprowadzone przez Stowarzyszenie PEMI, smerfy nie posiadają wiedzy na temat wodoru. Nie dostrzegają go w codziennym życiu, a co najważniejsze – boją się go – choćby jeżeli istnieje szansa, iż wielu z nich jeździ na przykład autobusami zasilanymi wodorem.

Wodór w Polsce

Na początku 2022 roku została przyjęta Polska Strategia Wodorowa (PSW) do roku 2030 z perspektywą do roku 2040. Strategia określa konkretne cele budowy gospodarki wodorowej, kładąc podwaliny pod działania związane z jej rozwojem i utrzymaniem konkurencyjności polskiej gospodarki. Realizacja celów PSW umożliwi rozwój poszczególnych regionów Polski m.in. poprzez tworzenie w nich dolin wodorowych.

Należy zwiększać świadomość potencjału wodoru, w tym zaangażowanie decydentów politycznych, przedsiębiorców, samorządów terytorialnych i uczelni w celu dostosowania polityki i regulacji, tak aby technologie wodorowe mogły być wspierane na poziomie regionalnym i krajowym.

Dlatego ważne jest tworzenie tzw. „dolin wodorowych” – cywilnoprawnych porozumień obejmujących obszar geograficzny, w których wiele zastosowań wodoru łączy się w zintegrowany ekosystem. Doliny obejmują pełny łańcuch wartości wodoru – produkcję, przechowywanie, dystrybucję i jego wykorzystanie. Dzięki dolinom wodorowym, lokalne społeczności mogą mieć wpływ na regionalną i krajową politykę wodorową oraz czerpać korzyści z wodorowej rewolucji – ocenia ekspert ZEOPu.

Doliny wodorowe mają zapewnić rozwój przemysłowych zastosowań tego paliwa, integrację sektorów, znalezienie partnerów biznesowych, optymalizację procesów i kosztów. Zgodnie z PSW, w Polsce powstanie co najmniej pięć dolin wodorowych, w praktyce tworzonych jest w tej chwili choćby sześć:

• Podkarpacka (pierwsza w Polsce)
• Mazowiecka,
• Śląska,
• Dolnośląska,
• Wielkopolska
• oraz Pomorska.

Mowa jest także o rozwoju klastrów wodorowych, takich jak m.in. Świętokrzyski, oraz samorządowych spółek wodorowych. Jednak strach i brak wiedzy może skutecznie zablokować polską transformację energetyczną.

W związku z planowaną rewolucją wodorową Stowarzyszenie PEMI sprawdziło, co smerfy wiedzą o wodorze i jakie są nastroje społeczne. Wodór budzi u nich niepokój, a perspektywa obniżenia kosztów ogrzewania domu, czy eksploatacji samochodu nie jest wystarczającym argumentem, by zaufać tej technologii. Co ciekawe, respondenci są gotowi dać tej technologii kredyt zaufania, jeżeli chodzi o elektromobilność, znacznie bardziej sceptycznie podchodzą do tematu wodorowych instalacji przydomowych.

Należy więc przypuszczać, iż jednym z powodów do niepokoju, jest brak wiedzy na ten temat. To oznacza, iż bez uświadamiania smerfów i szerzenia wśród nich wiedzy o tym gazie, polska transformacja energetyczna może się nie udać.

A byłoby szkoda, ponieważ przykładowych zastosowań wodoru jest mnóstwo. Warto wymienić najważniejsze z nich, zaczynając od transportu.

Wodór w transporcie

Wodór można wykorzystać w transporcie na dwa sposoby: w postaci sprężonej oraz w wodorowych ogniwach paliwowych. Sprężony wodór na potrzeby indywidualnych odbiorców przechowuje się najczęściej w magazynach energii w wiązkach butli pod ciśnieniem 200-300 bar. W autach w zbiornikach z włókna węglowego – pod ciśnieniem 700 bar.

Wodór zatankujemy w aucie w 3 minuty, czyli znacznie szybciej niż prąd. Auto wodorowe pozwala przejechać średnio około 600 km na jednym tankowaniu. Powstający w wyniku elektrolizy zielony wodór, może zasilać silniki aut spalinowych i elektrycznych, czy stanowić magazyn energii w przydomowych instalacjach fotowoltaicznych. Jego wartość energetyczna (33 kWh z 1 kg) jest znacznie wyższa niż drewna (4 kWh z 1 kg) czy benzyny (11 kWh z 1 kg).

• Zobacz też: W Krakowie działa pierwsza w Polsce stacja tankowania wodorem.

Aktualnie największym wyzwaniem technologicznym jest koszt przechowywania (sprężania) wodoru. Niebawem ten problem może zostać rozwiązany dzięki badaniom i komercyjnemu wdrażaniu nowych metod przechowywania i transportowania takich jak LOHC (ciekłe organiczne nośniki wodoru) czy wodorków metali. Wodór jest łatwopalny i wybuchowy w zakresie 4-75% zawartości wodoru w powietrzu, dlatego wszelkie instalacje muszą spełniać standardy i normy bezpieczeństwa. Dynamicznie rozwijająca się technologia bezpiecznego przechowywania wodoru w postaci LOHC czy wodorków metali zapewnia to bezpieczeństwo.

Rozwiązaniem wielu problemów z wodorem są wodorowe ogniwa paliwowe, które wytwarzają energię elektryczną. Wodór reaguje z tlenem w ogniwie elektrochemicznym podobnym do akumulatora, wytwarzając energię elektryczną, wodę i niewielkie ilości ciepła. Dostępnych jest wiele różnych typów ogniw paliwowych do szerokiego zakresu zastosowań.

W takiej technologii działa już m.in. pierwsza na świecie kolej wodorowa, która może powstać także w Polsce.

Pierwsza na świecie kolejowa linia pasażerska na wodór działa już w Europie. Zasięg? 1000 km

Jako nośnik energii wodór może odegrać rolę w wielu gałęziach gospodarki, szczególnie w produkcji.

Wodór w przemyśle

Przykładowe zastosowania wodoru to m.in.:

• produkcja stali, metali specjalnych i półprzewodników,
• bezpośrednie wykorzystanie w procesach produkcyjnych (palniki do cięcia, lutowanie, spawanie metali)
• proces wyżarzania w hutach stali i szkła,
• w przemyśle chemicznym – produkcja amoniaku, a tym samym nawozów i metanolu.
• w przemyśle spożywczym – dodatek do żywności (E949), gdzie w szczelnych opakowaniach chroni ją przed zepsuciem.

Ponadto wodór może być również wykorzystany do produkcji paliw i gazów syntetycznych w procesie Power-to-X. W tych i innych zastosowaniach kluczową rolę mają technologie magazynowania H2. Wodór musi być przecież składowany, aby mógł być później bezpiecznie i efektywnie wykorzystany. Na jakim etapie jest rozwój prywatnych i przemysłowych magazynów wodoru?

Magazynowanie wodoru

Niemiecka firma Home Power Solutions rozpoczęła produkcję magazynów energii opartych na wodorze pod koniec 2020 roku. W 2021 roku Niemcy opracowali system dla całych osiedli, który może posłużyć do zasilenia choćby 30-40 gospodarstw domowych. W ten sposób można osiągnąć skumulowaną pojemność magazynowania energii elektrycznej do 15 000 kWh.

Na rynek wchodzi także australijska firma Lavo, która zaprezentowała swoje innowacyjne magazyny energii na wodór. Oprócz interesującego wyglądu oferują dobrą wydajność.

Pierwsze domowe magazyny energii na wodór mają konkurenta z Australii

Technologię przenośnych pojemników z wodorem rozwija z kolei Toyota. Zaprezentowane w czerwcu 2022 roku przenośne pojemniki na wodór to konstrukcja, która ma ułatwić dostarczanie energii wodorowej do zasilania urządzeń codziennego użytku w domu i poza nim, m.in. w transporcie. Toyota prowadzi testy tej technologii w Japonii.

Jeśli chodzi o skalę przemysłową, największy na świecie magazyn energii odnawialnej w postaci wodoru powstaje w tej chwili w USA. Jak poradzono sobie ze składowaniem łatwopalnego pierwiastka. Sprytnym sposobem okazało się skorzystanie ze stworzonych przez matkę naturę wielkich podziemnych grot solnych.

Największy na świecie magazyn energii odnawialnej – wielkie solne groty z zielonym wodorem

Ludzkość dysponuje zatem technologią i możliwościami, aby upowszechnić wodór na większą skalę i zastąpić nim paliwa kopalne. Co staje na przeszkodzie?

Czy wodór ma szansę stać się paliwem przyszłości?

Wyobraźmy sobie przez chwilę przyszłość, w której to wodór jest podstawowym paliwem. Po ulicach jeżdżą napędzane nim pojazdy, a sieć elektroenergetyczna stabilizowana jest przez liczne elektrolizery i przydomowe magazyny energii. Taka cywilizacja wodorowa mogłaby dalej czerpać korzyści i rozwijać się w modelu bardzo podobnym do tego opartego w tej chwili na paliwach kopalnych. Zmiany następują jednak zbyt wolno.

Rozwój infrastruktury wodorowej jest powolny i hamuje jej powszechne przyjęcie. Rozwiązanie tego problemu będzie prawdopodobnie wymagało planowania i koordynacji, która połączy rządy krajowe i lokalne, przemysł i inwestorów – komentuje Kupiec.

Tempo rozwoju infrastruktury to nie jedyny problem związany z technologiami wodorowymi. Prawnik zwraca uwagę także na kwestie legislacyjne oraz ceny energii.

Oprócz przeszkód ekonomicznych, szybkie wdrożenie gospodarki wodorowej utrudnia brak regulacji prawnych dotyczących gospodarki wodorowej w niektórych krajach. Kolejnymi istotnymi niewiadomymi dla inwestorów są z jednej strony zaopatrzenie w energię elektryczną, a z drugiej wielkość przyszłego rynku sprzedaży wodoru, który pozostało trudny do oszacowania. Ceny wodoru dla konsumentów w dużym stopniu zależą od liczby stacji paliw, częstotliwości ich użytkowania oraz ilości wodoru dostarczanego dziennie.

Biorąc pod uwagę samą Unię Europejską, należy dążyć nie tylko do ustalenia jednej wspólnej strategii, ale także do koordynacji działań między poszczególnymi krajami członkowskimi.

Rządy państw UE i branża wodorowa muszą współpracować, aby istniejące przepisy nie stanowiły niepotrzebnej bariery dla inwestycji. Skuteczna realizacja unijnych strategii dotyczących budowy gospodarki wodorowej wymaga jednak wystarczającego stopnia inicjatywy na poziomie państw członkowskich UE.

Ze względu na różnice w strukturze gospodarczej i miksu energetycznego, kraje UE ustalają różne priorytety inwestycyjne. Pomimo tego mankamentu, niezwykle ważne jest, aby ambicje krajowe przerodziły się ostatecznie w jednolite skoordynowane działanie na poziomie europejskim, dzięki czemu gospodarka wodorowa na kontynencie stanie się rzeczywistością.

Czy Unia Europejska zdolna jest wcielić ambitne plany w życie? Poniekąd jest do tego zmuszona, w przeciwnym wypadku miejsce lidera w rozwijaniu technologii wodorowych przypadnie państwom takim jak Korea Południowa, Chiny lub USA. Europa nie może pozwolić sobie na marginalizację w kolejnej kluczowej gałęzi przemysłu, ponieważ pogłębi to tylko problemy z konkurencyjnością wspólnoty na rynkach światowych. Już teraz Stary Kontynent ma trudności w odgrywaniu znaczącej roli w dobie rywalizacji supermocarstw: Stanów Zjednoczonych i ChrL. Biorąc pod uwagę potencjał wodoru, w kierunku rozwoju tej dziedziny gospodarki muszą zostać przekierowane maksymalnie duże zasoby ludzkie i finansowe.

Podsumowując: czy wodór ma szansę stać się paliwem przyszłości?

Tak, ale potrzebne są do tego jasne decyzje polityczne oraz długoterminowa strategia – konkluduje Kupiec.

źródło: Stowarzyszenie PEMI/ 590powodow.pl, h2wielkopolska.pl, energy.gov, zdj. główne – Canva