Powracamy z trzecią już odsłoną “Najczęściej zadawanych pytań o wodór”. W tej serii odpowiadamy na pytania krążące w sieci i coraz częściej pojawiające się w debacie publicznej, po to, by przybliżyć potencjał wodoru jako paliwa i uczynić wiedzę o nim bardziej powszechną.
W dzisiejszej części skupiamy się na temacie produkcji, czyli metodach wytwarzania wodoru oraz na tym, jak aktualnie kształtuje się produkcja wodoru w Europie i na świecie.
6. Jak produkowany jest wodór?
Obecnie o wodorze mówi się wiele w kontekście przyszłych obszarów jego eksploatacji w transporcie czy energetyce. Jednak wodór już dziś jest powszechnie wykorzystywany w wielu sektorach gospodarki, m.in. w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, paliwowym i wytwórczym. W związku z tym, pozyskiwany jest w szeregu procesów, które charakteryzują różne poziomy emisyjności. Przyjrzyjmy się kilku z nich:
Reforming parowy metanu (SMR)
To aktualnie najbardziej rozpowszechniony proces produkcji wodoru oparty na ciągu reakcji przegrzanej pary wodnej z syngazem lub lekkimi węglowodorami, takimi jak metan lub biogazy powstałe w wyniku fermentacji metanowej materii organicznej. Produktami końcowymi poszczególnych etapów, a także całego procesu są tlenki węgla i wodór.
Sprawność procesu wynosi ok. 75-80%, a czystość otrzymanego wodoru może osiągać pułap 95-99,999%. Emisyjność reformingu parowego metanu szacuje się na 9 kg CO2 na każdy kilogram otrzymanego H2. W procesie można wykorzystać technologie wychwytu dwutlenku węgla, które w zależności od rodzaju cechuje różna efektywność. Wówczas mówimy o niebieskim wodorze.
Reforming Autotermiczny (ATR)
Polega na jednoczesnym reformingu metanu i pary oraz utlenianiu tlenku węgla. Zasadniczą różnicą pomiędzy reformingiem autotermicznym (ATR) a parowym (SMR) jest teoretyczna możliwość wychwytu całego wolumenu tlenków węgla w czasie przeprowadzania procesu.
Emisyjność reformingu autotermicznego jest zależna od technologii przygotowania wsadu (tj. metanu i pary wodnej), a także od energochłonności separatora tlenu i późniejszych procesów. Przy zastosowaniu technologii CCS możliwe jest teoretyczne ograniczenie emisji do atmosfery niemal całości CO i CO2 powstałego podczas reformingu metanu. Pozostaje jednak emisja tlenków węgla związana z wytworzeniem temperatury potrzebnej do zainicjowania reformingu.
Zgazowanie węgla
Polega na całkowitym przetworzeniu substratu stałego na postać gazową. Proces może zostać zasilony surowcami o szerokim spektrum parametrów, m.in. węglem, a także śmieciami oraz koncentratami węgla o niskiej wartości kalorycznej. Efektem zgazowania węgla i paliw kopalnych, biopaliw lub odpadów jest gaz syntezowy, złożony z tlenków węgla i wodoru oraz mniejszych ilości wody i metanu.
Zgazowanie węgla z wychwytem CO2 pozwala na otrzymanie wodoru, cechującego się niskim stopniem emisyjności, na poziomie kilku kg CO2 na każdy kilogram wodoru.
Piroliza gazu ziemnego
Jest reakcją endotermiczną, której zainicjowanie wymaga temperatury ok. 1000°C. Tak wysoka temperatura rodzi problemy kwestii materiałowej. Temperaturę reakcji można obniżyć do ok. 800°C dzięki zastosowaniu katalizatorów. Często stosuje się reaktory przepływowe, pozwalające w trakcie trwania reakcji oddzielić produkty uboczne (grafit, azotki węgla) od mieszaniny wodoru i nieprzetworzonego gazu ziemnego. Po wyjściu z reaktora przepływowego, mieszanina zostaje schłodzona do temperatury otoczenia i poddana adsorpcji zmiennociśnieniowej, skąd udaje się odzyskać ok. 90% oddzielonego wodoru o czystości ok. 99,9%. Pozostałość zostaje poddana ponownemu przetworzeniu w reaktorze przepływowym. Ciepło, inicjujące reakcję, zostaje dostarczone przez zewnętrzne źródło, które może stanowić źródło dodatkowych emisji.
Piroliza paliw stałych
W tym węgla kamiennego i biomasy stałej. Prowadzi do powstania pozostałości stałej w postaci smoły, wody rozkładowej oraz gazów. Materiał dostarczony do reakcji zostaje poddany oddziaływaniu wysokiej temperatury, powodując wydzielanie się cząstek o mniejszej masie cząsteczkowej spośród cząstek pierwotnego surowca.
Elektroliza wody
Jest dobrze rozpoznanym procesem pozyskiwania wodoru, a sama technologia jest rozwijana od XVIII wieku. W tej metodzie przepływ prądu elektrycznego pomiędzy elektrodami przez elektrolit powoduje przebieg procesów chemicznych na granicy ośrodków, tj. pomiędzy przewodnikiem stałym (elektrodą) a przewodnikiem ciekłym (roztworem wodnym).
Globalnie elektroliza odpowiada za ok. 2% łącznej produkcji wodoru. Ze względu na znaczną przewagę produkcji z wykorzystaniem energii z sieci trudno jednoznacznie określić, jak duży ślad węglowy może generować (silna zależność od miksu energetycznego poszczególnych krajów).
Dla celów transformacji ważne jest, by docelowo energia elektryczna biorąca udział w procesie pochodziła ze źródeł o niskiej i zerowej emisji (energia jądrowa, OZE). Tylko tak wytwarzany wodór będzie się charakteryzował całkowicie neutralnym wpływem na stan środowiska naturalnego, a jednocześnie jako magazyn umożliwi stabilizację systemu energetycznego opartego na źródłach odnawialnych.
Sprawdź pozostałe artykuły z tej serii:
Najczęściej zadawane pytania o wodór #1
Najczęściej zadawane pytania o wodór #2
7. Gdzie produkuje się najwięcej wodoru?
Obecnie na świecie wytwarza się ponad 120 Mt wodoru, z czego ok. dwie trzecie stanowi wodór produkowany w dedykowanych instalacjach (ok. 74 Mt), a pozostała część to surowiec będący produktem ubocznym procesów technologicznych lub wytwarzany w mieszaninie z innymi gazami.
Wśród największych producentów na świecie wymieniane są Chiny, Stany Zjednoczone oraz Unia Europejska (11,4 Mt rocznie), przy czym ok. 86% wodoru produkowanego w UE pochodzi z dedykowanej produkcji. Według danych, Polska plasuje się w czołówce krajów o najwyższej wydajności produkcyjnej na świecie, wytwarzając średnio ok. 1 Mt surowca rocznie i zajmując tym samym trzecie miejsce wśród wytwórców w Europie. Wyżej plasują się tylko Niemcy (ok. 2 Mt) oraz Królestwo Niderlandów (ok. 1,5 Mt). Należy zaznaczyć, że jest to wodór pochodzący z procesów przemysłowych, którego pozyskanie wiąże się z powstaniem znacznych emisji CO2.
