Wodór – paliwo przyszłości

 

Wraz z rozwojem przemysłu, transportu i energetyki, emisje dwutlenku węgla stale rosną, co sprawia, że wraz z pozostałymi gazami cieplarnianymi, CO2, przyczynia się negatywnie do zmiany klimatu. Na obecnym etapie rozwoju ludzkości, zaprzestanie inwestycji w gospodarkę w celu zminimalizowania emisji jest niemożliwe, dlatego należy szukać innych rozwiązań. 28 listopada 2018 roku Europejski Komitet Ekonomiczno-Społeczny opublikował Komunikat Komisji do Parlamentu Europejskiego, Rady Europejskiej, Rady Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego, Komitetu Regionów i Europejskiego Banku Inwestycyjnego „Czysta planeta dla wszystkich. Europejska długoterminowa wizja strategiczna dobrze prosperującej, nowoczesnej, konkurencyjnej i neutralnej dla klimatu gospodarki”[1]. Spełnienie długoterminowej, strategicznej wizji zawartej w tym dokumencie miałoby sprawić, że Unia Europejska osiągnęłaby neutralność klimatyczną do 2050 roku. Minimalizacja emisji gazów cieplarnianych jest możliwa na przykład poprzez budowę infrastruktury opartej na gospodarce wodorowej, której rozwój będziemy obserwować w najbliższych dekadach.

Rodzaje wodoru

Wodór powstały zaraz po wielkim wybuchu, jest on jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków we wszechświecie. Jako źródło energii po raz pierwszy został zastosowany w 1813 roku do budowy pojazdu napędzanego silnikiem wodorowym. Od tamtej pory wodór wykorzystywany jest także w przemyśle: do produkcji tali, amoniaku, metanolu i ciepła. Jest także alternatywą dla samochodów elektrycznych.

Wykorzystywanie wodoru jednak nie zawsze jest neutralne dla środowiska. Istnieją cztery rodzaje wodoru, które różnią się między sobą sposobem produkcji:

  • szary wodór – powstaje w trakcie procesu reformingu parowego, podczas którego łączone ze sobą metan i para wodna wchodzą w reakcję z katalizatorem niklowym, wynikiem czego jest gaz syntezowy, który składa się z tlenku węgla i wodoru. Drugą metodą otrzymania szarego wodoru jest zgazowywanie węgla – w wyniku reakcji węgla z parą wodną powstaje wodór i tlenek węgla. Podczas tego typu procesów używane są paliwa kopalne, przez co do środowiska uwalniane są gazy cieplarniane;
  • niebieski wodór – podobnie jak szary wodór, powstaje w procesach, w których używane są paliwa kopalne, które uwalniają do środowiska gazy cieplarniane. W przeciwieństwie do szarego wodoru, CO2 nie jest wypuszczane do środowiska, ale jest wychwytywane w procesie sekwestracji dwutlenku węgla, a następnie może być zdeponowane, składowane lub ponownie wykorzystane;
  • fioletowy wodór – powstaje z wykorzystaniem wysokich temperatur reaktorów jądrowych, które następnie służą w procesie pirolizy metanu. Skutkiem procesu jest węgiel w postaci stałej oraz wodór, jego produkcja jest bezemisyjna;
  • zielony wodór – jest produkowany w procesie elektrolizy. Elektroliza polega na przepuszczaniu przez wodę prądu o dużym napięciu, czego efektem jest rozpad wody na wodór i ten. Warunkiem, by otrzymany wodór został uznany za zielony jest posiadanie zielonego certyfikatu[2] przez podmiot produkujący prąd wykorzystany do procesu elektrolizy. Musi on pochodzić z odnawialnych źródeł energii tzn. energii wiatru lub paneli fotowoltaicznych. Wykorzystanie prądu z zielonym certyfikatem do procesu produkcji, jest gwarantem braku emisji szkodliwych gazów. Otrzymany w ten sposób wodór jest jednym z głównych elementów pozwalających na uzyskanie neutralności klimatycznej. Z miejsc, w których odbywa się elektroliza, wodór transportowany jest rurociągami lub cysternami do przedsiębiorstw przemysłowych, stacji tankowania lub do magazynów wodoru, gdzie jest magazynowany do czasu jego wykorzystania jako paliwo, tj. do czasu, kiedy ze względu na warunki atmosferyczne, farmy wiatrowe i panele słoneczne nie będą produkować wystarczającej ilości energii. Zielony wodór ma zastosowanie w ciepłownictwie, ponieważ ciepło odpadowe powstałe w trakcie elektrolizy może zostać wykorzystane jako źródło Aspektem negatywnym w jego szerszym wykorzystaniu jest koszt jego produkcji na bazie prądu posiadającego zielone certyfikaty. Zielony wodór jest obecnie trzy razy droższy od wodoru szarego. Dlatego, by osiągnąć zamierzony przez Unię Europejską cel, ceny prądu posiadającego zielony certyfikat muszą stać się konkurencyjne w stosunku do cen prądu wytwarzanego z kopalin: węgla kamiennego i brunatnego, czyli dotychczasowych źródeł energii.

Więcej na temat pozytywnych aspektów posiadania certyfikatów, można przeczytać w artykule Certyfikuj się! Zdobywaj nowe rynki.

Niestety obecnie, aż 95% otrzymywanego aktualnie wodoru na świecie jest oznaczone kolorem szarym lub niebieskim, ze znaczącą przewagą szarego.

Światowe zużycie i inwestycje w wodór

Zużycie wodoru od 1975 roku wzrosło czterokrotnie, z 18,2 megaton do 73,9 megaton. Wiele krajów inwestuje w badania dotyczące wodoru. Od 2002 roku łączna suma wydana przez wszystkie państwa to przeszło 37 mld zł. Czołowe kraje, które są w ten rozwój zaangażowane to Stany Zjednoczone Ameryki, które przez 18 lat wydały na inwestycje związane z produkcją wodoru 13,5 mld zł i Japonia z wydanymi ponad 8,3 mld zł oraz kolejno Francja, Korea, Kanada i Niemcy. Według prognoz, wartość światowego rynku wodorowego osiągnie w 2022 roku poziom 600 mld zł, co oznaczałoby 35% wzrostu w stosunku do 2015 roku.

Azja stawia na samochody wodorowe

W dalszym rozwoju badań i infrastruktury opartej na wodorze kluczową rolę odgrywać będą kraje azjatyckie takie jak Chiny, Singapur, Korea Południowa oraz przodująca już Japonia. Szacuje się, że do 2050 roku ich łączne zapotrzebowanie na wodór ma wynosić nawet 75% światowego zużycia wodoru. Te azjatyckie kraje już przodują na wodorowym rynku motoryzacyjnym a ich pozycja przez lata na pewno będzie się umacniać. To właśnie takie firmy jak Toyota, Hyundai i Honda, czyli spółki znajdujące się w Azji są najbardziej zaangażowane w produkcję samochodów „wodorowych”. Największym odbiorcą, aut napędzanych wodorem są obecnie Stany Zjednoczone Ameryki, a w szczególności stan alifornia, w którym w 2018 roku znajdowało się aż 50% globalnie wyprodukowanych samochodów „wodorowych”. Na kolejnych miejscach znajdowała się Japonia i Korea. By zachęcać ludzi do kupowania samochodów „wodorowych” konieczne jest powstanie całej sieci infrastruktury do tankowania wodoru. Na początku 2020 r., na całym świecie było dostępnych w sumie 432 dystrybutorów do tankowania wodoru, z czego 178 znajdowało się w Azji, 177 w Europie, a w Ameryce Północnej (głównie Kalifornia) 74. Wiele wskazuje jednak na to, że wodorowa infrastruktura będzie się rozwijać w przyszłości.

Europejska Strategia Wodorowa oraz projekt EGHAC

Oprócz motoryzacji, państwa na świecie szukają innych sposobów na dalsze wykorzystywanie wodoru w różnych gałęziach gospodarki. W Europie aktualnie tylko 4% produkowanego wodoru jest wodorem zielonym, jednak dzięki Unijnej Strategii Wodorowej ma to ulec zmianie. 8 lipca 2020 roku Dyrekcja Generalna ds. Energii opublikowała Komunikat Komisji do Parlamentu Europejskiego, Rady Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego i Komitetu Regionów „Strategia w zakresie wodoru na rzecz Europy neutralnej dla klimatu”[3]. Zapowiada ona serię zmian systemu energetycznego, który odpowiada za 75% emisji gazów cieplarnianych w Unii Europejskiej. Strategia określa sposoby wykorzystania wodoru dzięki inwestycjom, regulacjom, stworzeniu rynku, badaniom i innowacji. Unia Europejska chce stopniowo zwiększać produkcję wodoru i wdrażać go między innymi w przemyśle stalowym, chemicznym, transportowym, a także w produkcji i magazynowaniu energii. Celem jest by do 2030 roku ceny zielonego wodoru zrównały się z kosztami produkcji szarego. By to osiągnąć konieczne jest tworzenie elektrolizerów oraz rozbudowa infrastruktury generującej energię wiatrową i słoneczną. W efekcie do 2050 roku łączna kwota wydana przez UE na rozwój infrastruktury wodorowej może wynieść od 180 do 470 mld euro. Oprócz tego wdrażany jest European Green Hydrogen Acceleration Center (EGHAC)[4], czyli europejski program rozwoju wodoru. Jest to inicjatywa EIT InnoEnergy, która pozwoli na przyśpieszenie produkcji zielonego wodoru i pomoże niwelować różnice cenowe między szarym i zielonym wodorem. Oprócz pomocy w dążeniu do europejskiej neutralności emisyjnej, EGHAC stworzy nawet 500 000 nowych miejsc pracy związanych z infrastrukturą wodorową.

Potencjał krajów Afryki i Bliskiego Wschodu

Podobne działania podejmowane są przez państwa afrykańskie na przykład Maroko, które posiada duży potencjał pozyskania energii fotowoltaicznej, jako źródła energii do produkcji zielonego wodoru. Aktualnie na terenie tego kraju funkcjonuje największa na świecie elektrownia termo-solarna. W rozwój źródeł energii odnawialnej na terenie Afryki, angażują się także kraje Unii Europejskiej m.in. Niemcy, które planują importować zielony wodór z wspomnianego Maroka czy Konga. Duże zainteresowanie wykorzystaniem wodoru obserwuje się także w Arabii Saudyjskiej, gdzie w pobliżu granicy z Egiptem i Jordanią do 2025 roku planuje się wybudowanie największej fabryki zielonego wodoru. Łącząc energię elektryczną ze źródeł fotowoltaicznych i wiatrowych, fabryka miałaby produkować dziennie 650 ton zielonego wodoru, który byłby transportowany w postaci amoniaku statkami do jego odbiorców.

Polska Strategia Wodorowa

Ministerstwo Klimatu i Środowiska do końca 2020 roku powinno ogłosić Polską Strategię Wodorową do 2030 r. Wiosną 2021 roku projekt powinien zostać przyjęty przez Radę Ministrów. Strategia ta ma nadać kierunek rozwoju gospodarki wodorowej w Polsce i umożliwić rozwój tej dziedziny. Obecnie Polska produkuje rocznie 1 mln ton wodoru, czyli aż jedną dziesiąta produkcji całej Unii Europejskiej, jednak uzyskiwany w naszym kraju wodór jest głównie szary. Niektóre z dużych Polskich zakładów przemysłowych, jak PGNiG, LOTOS czy Jastrzębska Spółka Węglowa, już teraz inwestują w zielony wodór.

Porozumienie wodorowe

W lipcu 2020 roku w Ministerstwie Klimatu, podpisano list intencyjny[5] o ustanowieniu partnerstwa na rzecz budowy gospodarki wodorowej i zawarcia sektorowego porozumienia wodorowego. Z treści listu można wyczytać, że takie porozumienie miałoby działać na rzecz:

  1. budowy łańcucha wartości dla niskoemisyjnych technologii wodorowych; 
  2. rozwoju silnych krajowych i lokalnych kompetencji w zakresie wytwarzania kluczowych komponentów z łańcucha wartości technologii wodorowych; 
  3. rozwoju czystego transportu opartego o wodór; 
  4. rozwoju wodoru w sektorach gospodarki, w których trudno jest osiągnąć neutralność klimatyczną

i miałoby to doprowadzić do rozwoju:

  1. instalacji do produkcji wodoru ze źródeł odnawialnych;
  2. sieci dystrybucji wodoru, w tym wybudowanie rurociągu dystrybucyjnego wodorowego;
  3. magazynów wodoru;
  4. infrastruktury tankowania wodoru do celów transportowych;
  5. produkcji ogniw paliwowych wykorzystywanych w energetyce, ciepłownictwie; transporcie i innych sektorach gospodarki.

Rozwój gospodarki wodorowej w Polsce jest konieczny, by móc prowadzić partnerską współpracę z innymi krajami z Unii Europejskiej. Realizacja powyższych celów umożliwi Polsce ograniczenie importu zielonego wodoru z innych krajów, co oznaczałoby większe zyski, większą niezależność i bezpieczeństwo energetyczne.

Wyzwania w rozwoju gospodarki wodorowej

Jednym z najistotniejszych problemów ograniczających szybki rozwój gospodarki wodorowej są koszty jakie musi włożyć każde z Państw w jej rozwój. Jednym z istotnych elementów niezbędnych przy planowaniu działań jest modernizacja istniejącej infrastruktury gazowej, gdyż po wytworzeniu wodoru trzeba go przetransportować do miejsca docelowego. Na świecie znajduje się zaledwie 4,5 tys. km sieci przesyłowych przeznaczonych tylko dla wodoru, ponieważ tańszym rozwiązaniem dla transportu wodoru jest przesłanie go istniejącą już infrastrukturą gazową wraz z gazem. Mimo że Polska posiada rozbudowaną sieć gazociągów, większość znajdujących się na terenie kraju rurociągów jest starych i niezdolnych do przesyłania wodoru. Konieczne jest również tworzenie farm wiatrowych offshore, które poprzez wytwarzanie energii posiadającej zielone certyfikaty będą brały udział w tworzeniu zielonego wodoru. Ze względu na swoją łatwopalność i wybuchowość wodór jest także trudny do przechowywania. Najlepszą metodą jego przechowywania jest jego wtłaczanie w podziemne kawerny solne. Są to komory, które przez lepkość i sprężystość soli, charakteryzują się dużą szczelnością i wykorzystywane są do składowania gazu, ropy i paliw. Pod względem objętości gazu operacyjnego, który może być w nich magazynowany, Polska jest na czwartym miejscu w Europie, co jest niewątpliwie atutem. Konieczne jest również tworzenie sieci stacji tankowania na terenie kraju. W 2021 roku mają powstać dwie pierwsze stacje, pierwsza w Warszawie, a druga Gdańsku.

Podsumowanie

Wiele wskazuje na to, że wodór, w szczególności zielony będzie paliwem przyszłości. Warto również zwrócić uwagę na potencjał drzemiący w wodorze fioletowym nad pozyskaniem, którego pracują naukowcy z USA. Można przypuszczać, że do roku 2050 będziemy wykorzystywać go w wielu aspektach naszej codzienności, co w sposób widoczny przyczyni się do poprawy kondycji środowiska i osiągnięcia neutralności klimatycznej.


[1] Komunikat Komisji do Parlamentu Europejskiego, Rady Europejskiej, Rady, Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego, Komitetu Regionów i Europejskiego Banku Inwestycyjnego „Czysta planeta dla wszystkich. Europejska długoterminowa wizja strategiczna dobrze prosperującej, nowoczesnej, konkurencyjnej i neutralnej dla klimatu gospodarki” COM/2018/773 final
https://eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/TXT/PDF/?uri=CELEX:52018DC0773&from=EN [dostęp: 2020-12-17]

[2] Art. 9e. ustawy z dnia 4 marca 2005 r. o zmianie ustawy – Prawo energetyczne oraz ustawy –  Prawo ochrony środowiska (Dz.U. 2005 nr 62 poz. 552) brzmi:

  1. Potwierdzeniem wytworzenia energii elektrycznej w odnawialnym źródle energii jest świadectwo pochodzenia tej energii, zwane dalej „świadectwem pochodzenia”.
  2. Świadectwo pochodzenia zawiera w szczególności:

      1) nazwę i adres przedsiębiorstwa energetycznego zajmującego się wytwarzaniem energii elektrycznej w odnawialnym źródle energii;

      2) określenie lokalizacji, rodzaju i mocy odnawialnego źródła energii, w którym energia elektryczna została wytworzona;

      3) dane dotyczące ilości energii elektrycznej objętej świadectwem pochodzenia i wytworzonej w określonym odnawialnym źródle energii;

      4) określenie okresu, w którym energia elektryczna została wytworzona, z uwzględnieniem podziału na kwartały kalendarzowe.
http://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/download.xsp/WDU20050620552/T/D20050552L.pdf  [dostęp: 2020-12-17]

[3] Komunikat Komisji do Parlamentu Europejskiego, Rady Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego i Komitetu Regionów „Strategia w zakresie wodoru na rzecz Europy neutralnej dla klimatu” COM/2020/301 final
https://eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/TXT/PDF/?uri=CELEX:52020DC0301&qid=1606389529159&from=EN [dostęp: 2020-12-17]

[4] Program European Green Hydrogen Acceleration Center (EGHAC)
https://bc.innoenergy.com/eghac/ [dostęp: 2020-12-17]

[5] List intencyjny o ustanowieniu partnerstwa na rzecz budowy gospodarki wodorowej i zawarcia sektorowego porozumienia wodorowego
https://www.gov.pl/attachment/ebf105f5-babb-4ae9-9251-47fe7186e73f [dostęp: 2020-12-17]

 

Podziel się:

Napisz komentarz

Your email address will not be published. Required fields are marked *