Opublikowany w połowie sierpnia w Energy Science & Engineering raport „How green is blue hydrogen”, będący wynikiem badań naukowców z Uniwersytetów Stanford i Cornell, wywołał niemałe kontrowersje i odbił się szerokim echem nie tylko w branży, ale i daleko poza nią. Wyniki, które otrzymali Robert Howarth i Mark Jacobson sugerują, że wodorowi niebieskiemu, wskazywanemu dotychczas za środowiskowo i ekonomicznie korzystną alternatywę dla wodoru szarego, w rzeczywistości daleko jest do niskoemisyjności.
W ciągu minionych dwóch tygodni wiele pytań narosło wokół wodoru, który nie bez powodu, jest od dłuższego czasu wskazywany przez specjalistów jako remedium na zanieczyszczenia generowane w wyniku spalania paliw kopalnych. Metody jego produkcji i możliwości zastosowania w przemyśle, energetyce i transporcie są znane i w różnym stopniu wdrażane od lat. Jednak szczególną wagę przyjmują obecnie, gdy narastające skutki zmian klimatu coraz silniej oddziałują na nasze codzienne życie i zagrażają przyszłości planety. Wzmożona mobilizacja przedstawicieli państw na świecie, organizacji międzynarodowych oraz przedsiębiorstw w obszarze produkcji i eksploatacji wodoru w gospodarce nie jest przypadkowa. Ma on odgrywać istotną rolę w procesie dekarbonizacji, zwłaszcza tych sektorów, których elektryfikacja jest trudna, droga lub zwyczajnie niemożliwa, m.in. towarowego transportu długodystansowego oraz transportu powietrznego.
Wodór niebieski
Większość obecnie produkowanego na świecie wodoru jest eksploatowana w przemyśle rafineryjnym i spożywczym. Niestety, nadal w ok. 95% jest to wodór szary, pochodzący z przetwarzania paliw kopalnych. To niezwykle emisyjny proces, który generuje ponad 800 mln ton rocznej emisji dwutlenku węgla do atmosfery i odpowiada za 6% łącznej globalnej konsumpcji gazu ziemnego. W bezpośredniej opozycji do niego stawiany jest wodór zielony, który jako jedyny cechuje się całkowitą zeroemisyjnością, osiąganą dzięki wykorzystaniu w procesie produkcji energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych.Główny bohater badania Howartha i Jacobsona – wodór niebieski, był dotychczas określany przez strategie wodorowe niektórych państw na świecie, w tym także Polski, jako stadium przejściowe pomiędzy wodorem pozyskiwanym z paliw kopalnych a wodorem odnawialnym. Ze względu na nadal jeszcze wysokie koszty produkcji wodoru z OZE, miał gwarantować stopniową i kosztowo przystępną transformację, która w ostateczności skierować się miała ku całkowitej zeroemisyjności rozwiązań.Niebieski wodór jest określeniem stosunkowo nowym i odnosi się do wodoru, który podobnie jak wodór szary wytwarzany jest poprzez reforming parowy gazu ziemnego, jednak dzięki zastosowaniu w procesie metod przechwytu i składowania dwutlenku węgla (CCS) umożliwia redukcję emisji – wg założeń nawet o 50-90%[1]. Trudno się dziwić, że giganci branży gazowniczej od dawna podkreślają jego potencjał i wskazują, że jest najlepszą i na chwilę obecną najbardziej korzystną alternatywą dla paliw w energetyce i transporcie.
„How green is blue hydrogen?”
Badanie Roberta Howartha i Marka Jacobsona zdecydowanie zmieniło sposób myślenia o niebieskim wodorze i poddało w wątpliwość środowiskowe korzyści, a co za tym idzie zasadność jego zastosowania w gospodarce. Analizy przeprowadzone przez badaczy sugerują, że opisywany jako paliwo o zerowej lub niskiej emisji gazów cieplarnianych wodór niebieski w rzeczywistości może generować znacznie wyższy jej poziom niż tradycyjne paliwa kopalne. Dlaczego otrzymane wyniki przeczą powszechnie znanym założeniom odnośnie tej metody produkcji wodoru?Odpowiedź jest prosta. Większość dotychczas prowadzonych badań skupiało się przede wszystkim na samym procesie produkcji oraz mierzeniu możliwości wychwytywania dwutlenku węgla. Howarth i Jacobson poszli o krok dalej i w swojej analizie wzięli pod uwagę pełen cykl życia niebieskiego wodoru wytwarzanego z gazu ziemnego – od wydobycia gazu, poprzez proces produkcji i metody wychwytywania CO₂.Według nich, całkowita emisja dwutlenku węgla dla produkcji niebieskiego wodoru musi być więc rozpatrywana jako suma emisji z procesu reformingu parowego, emisji z energii zużytej na ciepło i ciśnienie służące do napędzania procesu, emisji z energii wykorzystanej do napędzania urządzeń do wychwytywania dwutlenku węgla oraz pośrednich emisji związanych z produkcją i transportem gazu ziemnego.W oparciu o liczne badania Howarth i Jacobson przyjęli, że już w trakcie wydobycia ok. 3,5% gazu ziemnego przedostaje się do atmosfery. Pod uwagę wzięli także emisje wytwarzane w trakcie produkcji energii elektrycznej. Wyniki są jednoznaczne. Łączny ślad gazów cieplarnianych niebieskiego wodoru jest o ponad 20% wyższy niż spalanie paliw konwencjonalnych. Nawet po przyjęciu bardziej optymistycznego scenariusza, w przypadku którego wskaźnik wycieku gazu był ponad dwukrotnie niższy (na poziomie ok. 1,54%) tylko nieznacznie zmniejszył się poziom emisji i wciąż jeszcze pozostawał wysoki w stosunku do spalania samego gazu ziemnego.
Jaki jest rzeczywisty poziom emisji niebieskiego wodoru?
Określenie możliwości wychwytu dwutlenku węgla jest wyjątkowo trudne. Jak podają badacze, obecnie na świecie funkcjonują zaledwie dwa zakłady produkcji wodoru na skalę komercyjną – należące do Shell przedsiębiorstwo na terenie Kanady oraz zakład prowadzony przez Air Products w stanie Teksas. Stąd trudno jest pozyskać dane umożliwiające oszacowanie rzeczywistych parametrów procesu.W przypadku dwutlenku węgla generowanego w procesie reformingu, zgłoszona wydajność wychwytywania waha się od 53 do 90%. Dane udostępnione przez Shell wskazują na średnią wydajność na poziomie 78,8%, przy czym dzienne statystyki mogą się wahać i osiągać poziom zaledwie 15%.W analizie bazowej Howarth i Jacobson proponują wskaźnik przechwytywania CO₂ na poziomie 85% – w połowie pomiędzy średnią wskazywaną przez Shell, a ogólnie przyjętym najlepszym przypadkiem 90%. Daje to wynik w postaci 5,8 g CO₂ na MJ emitowanego z procesu reformingu przy wykorzystaniu metod przechwytu. Co istotne, wychwytywanie związków węgla koncentruje się wyłącznie na samym procesie. Oznacza to, że dwutlenek węgla powstały przy spalaniu gazu ziemnego (zapewniającego ciepło i ciśnienie niezbędne do jego przeprowadzenia) może się ulatniać zwiększając emisję i obniżając ostateczny średni wskaźnik wydajności wychwytywania.Warto zaznaczyć, że badanie nie uwzględniało emisji pozostałych gazów cieplarnianych (np. podtlenku azotu) i poza dwutlenkiem węgla skupiło się wyłącznie na emisji metanu, który jest wyjątkowo silnym gazem cieplarnianym. Jak podają naukowcy, jego wpływ na ocieplenie klimatu może być nawet 100 razy większy niż w przypadku CO₂ – nawet 25% globalnego ocieplenia netto, które miało miejsce w ostatnich dziesięcioleciach może być powodowane przez metan.Wyniki badania pokazują, że poziom emisji gazów cieplarnianych będących skutkiem produkcji niebieskiego wodoru jest wysoki, właśnie ze względu na uwalnianie dwutlenku węgla i metanu w pełnym cyklu życia wodoru. Całkowita emisja ekwiwalentu dwutlenku węgla dla niebieskiego wodoru jest zaledwie 9-12% niższa niż dla wodoru szarego, a emisje metanu znacznie wyższe ze względu na zwiększone wykorzystanie gazu ziemnego w procesie wychwytywania CO₂. Skutkuje to powstawaniem śladu cieplarnianego, który jest 20% wyższy niż w przypadku spalania gazu ziemnego i węgla oraz nawet 60% większy niż spalanie oleju napędowego w celach związanych z ogrzewaniem.
Co z tym niebieskim wodorem?
Niebieski wodór miał stanowić najbliższą przyszłość Polski i wielu innych krajów, nadal jeszcze silnie uzależnionych od eksploatowania paliw kopalnych i być gwarancją stopniowego budowania w nich gospodarki niskoemisyjnej. W świetle nowych badań, a co ważniejsze zaostrzonych regulacji dotyczących emisji trudno mówić, że stanowi on jeszcze jakąkolwiek alternatywę dla paliw kopalnych. Tym silniej uwypukla się dziś potencjał wodoru zielonego jako jedynej gwarancji dla osiągnięcia celów zerowej emisji do 2050 r.
[1] https://fsr.eui.eu/between-green-and-blue-a-debate-on-turquoise-hydrogen/
