Zwiększenie udziału OZE w koszykach energetycznych państw to jeden z podstawowych celów transformacji energetycznej gospodarek krajowych. Przeszkodą jest jednak ich niestabilność, która generuje konieczność poszukiwania narzędzi skutecznego magazynowania energii, także w perspektywie długoterminowej. Tu znaczącą rolę ma wodór jako magazyn energii.
Dekarbonizacja poszczególnych sektorów gospodarki oraz wzrost udziału odnawialnych źródeł energii w koszyku energetycznym stają się najważniejszymi punktami strategii klimatycznych oraz map drogowych większości państw świata. Jednak założenia, choćby te najbardziej ambitne zderzają się z rzeczywistością, jaką jest niestabilność OZE. Ta, biorąc pod uwagę plany odejścia od eksploatacji paliw konwencjonalnych w najbliższych latach, niesie ze sobą ryzyko destabilizacji systemów energetycznych i przerw w stałych dostawach energii.
Bez dwóch zdań, OZE mają kluczowe znaczenie dla transformacji globalnego systemu energetycznego, który odpowiada za ponad 73% łącznych emisji dwutlenku węgla. Jednak, aby myśleć o transformacji przy jednoczesnym zapewnieniu pełnego bezpieczeństwa energetycznego niezbędne są narzędzia redukujące możliwe zagrożenia. W tym wodór umożliwiający długotrwałe magazynowanie energii, który będzie wspierany przez niskoemisyjne biomasę oraz atom.
Wodór jako magazyn energii elektrycznej
To dzięki swoim właściwościom wodór może być wykorzystywany jako nośnik oraz magazyn energii, który posłuży do bilansowania krajowych systemów energetycznych. Wodór wykazuje wysoką efektywność m.in. dzięki temu, że charakteryzuje się najwyższym współczynnikiem przewodzenia ciepła spośród wszystkich gazów. Przy jego spalaniu otrzymuje się także średnio trzy razy więcej energii niż w przypadku innych paliw – benzyny, propanu czy metanu. Jednak dotychczas odgrywał niewielką rolę w sektorze elektroenergetycznym Europy. Jeszcze w 2019 r. odpowiadał za mniej niż 2% łącznej produkcji energii. Wykorzystywany był głównie w zakładach rafineryjnych, petrochemicznych oraz w hutnictwie. Jednak, jak ambitnie pokazują plany Unii Europejskiej w 2050 r. może stanowić już ponad 25%.
Wraz z dynamicznym wzrostem zapotrzebowania na energię odnawialną, rośnie także zapotrzebowanie na jej przechowywanie, a przez to znaczenie samego wodoru jako magazynu. Ten, od dłuższego czasu jest rozpatrywany jako jedna z najbardziej obiecujących substancji magazynowania energii chemicznej, którą można przekształcać ponownie w energię cieplną oraz elektryczną. I to nie tylko na potrzeby wielkoskalowych instalacji przemysłowych czy energetycznych, ale także dla użytkownika końcowego.
Tym więcej mówimy o wodorze, im bardziej dostrzegamy jego przewagi nad pozostałymi alternatywami. Nie można nie wspomnieć, iż obecnie funkcjonuje cały szereg technologii magazynowania energii, które różnią się od siebie przede wszystkim parametrami pojemności, czasem przechowywania energii, czasem ładowania i rozładowywania oraz oczywiście cenami instalacji. Wśród nich dominują systemy bateryjne. Poza nimi wykorzystywane są także energia kinetyczna i cieplna, sprężone powietrze czy elektrownie szczytowo-pompowe. Średni czas przechowywania w nich energii pozostaje jednak stosunkowo krótki. Podobnie jak stosunkowo niewielkie pozostają pojemności jej magazynowania. W przypadku baterii, energię przechowuje się średnio od kilku minut do kilku dni i przeważnie w granicach 10 MW. Energia kinetyczna zapewnia średnie magazynowanie do 100 MW w czasie od kilku do kilkunastu minut. Energia cieplna umożliwia średnie przechowywanie ponad 100 MW w czasie od kilku do kilkunastu dni. Elektrownie szczytowo-pompowe z kolei nawet ponad 1000 MW w czasie do kilku dni. Na ich tle wyraźnie odróżnia się wodór oraz paliwa wodorowe, jak choćby amoniak. Umożliwiają one średnie magazynowanie energii do 1000 MW w okresie od kilku tygodni do kilku miesięcy. Jak dowodzą niektóre analizy, przy ponoszeniu niewielkich strat umożliwiają one magazynowanie energii nawet w okresie pełnego roku. Staje się to jedną z najważniejszych przewag wodoru w odniesieniu do zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego.
Tym bardziej, że na zdominowanym przez systemy bateryjne rynku może w końcu zabraknąć litu do produkcji baterii m.in. w technologiach LFP (litowo-żelazowo-fosforanowe), NMC (litowo-niklowo-manganowo-kobaltowo-tlenowe), LCO (litowo-kobaltowo-tlenowe) czy LMO (litowo-manganowo- tlenowe). Zapotrzebowanie na ten surowiec stale wzrasta, m.in. ze względu na rozwój elektromobilności. Jak podkreślają eksperci przy rosnącej produkcji akumulatorów wynikającej z obecnego popytu (96 mln sztuk pojazdów w 2018 r.) zasoby surowca szacowane na 40 mln ton mogą wyczerpać się w ciągu najbliższych 300 lat. A to scenariusz optymistyczny. Przy szacowanych zasobach na poziomie 11 mln ton, czas wyczerpania złóż to perspektywa najbliższych 100 lat[1].
Jak magazynować wodór?
Do produkcji wodoru z OZE wykorzystuje się metodę elektrolizy. Polega ona na rozdzieleniu wody pod wpływem prądu elektrycznego na wodór oraz tlen. W ten sposób pozyskujemy zeroemisyjny zielony wodór, który możemy wykorzystać bezpośrednio lub magazynować na potrzeby późniejszego wykorzystania lub przetworzenia z powrotem w energię elektryczną.
Obecnie dostępnych jest kilka technologii magazynowania wodoru, które stale są udoskonalane tak, by zapewniały jak najwyższą skuteczność przechowywania wodoru przy jego określonych właściwościach fizykochemicznych, a dzięki temu bezpieczeństwo użytkowania. Wodór można magazynować m.in. w specjalnie przystosowanych zbiornikach ciśnieniowych (sprężony i skroplony), pokopalnianych kawernach solnych (sprężony i magazynowany na skalę przemysłową), bogatych w wodór związkach chemicznych, w postaci wodorków metali, a także substancjach porowatych.
Ponowne przetworzenie wodoru w energię jest możliwe dzięki ogniwom paliwowym. To dużo bardziej efektywna metoda przetwarzania wodoru niż np. jego bezpośrednie spalanie. Jej sprawność obecnie plasuje się na poziomie ok. 60% (prąd elektryczny), a pozostałe 40% to ciepło.
Magazynowanie wodoru – hub wodorowy
Wodór jako magazyn energii to nie pieśń przyszłości, ale coraz bardziej realna rzeczywistość. I choć technologia nie jest jeszcze silnie spopularyzowana, to wkrótce będzie stanowić podstawę transformacji energetycznej. Umożliwia bowiem wzrost eksploatacji OZE, do których dostęp mają wszystkie kraje przy jednoczesnym zachowaniu bezpieczeństwa dostaw.
W rozwijającej się gospodarce opartej o wodór ogromną rolę odegrają huby wodorowe –zdecentralizowana koncepcja łącząca w sobie wszystkie elementy łańcucha dostaw wodoru w odniesieniu lokalnym. Hub wodorowy obejmuje produkcję, magazynowanie oraz dystrybucję wodoru i energii odnawialnej na potrzeby miast, lokalnych przedsiębiorstw, zakładów energetycznych i produkcyjnych, redukując przy tym konieczność dostaw wodoru z scentralizowanych jednostek wytwórczych.
Dlatego nasza koncepcja hubu wodorowego zakłada zarówno produkcję wodoru za pomocą autorskiego elektrolizera z wielkoskalowych instalacji OZE, jego dystrybucję i magazynowanie oraz uwzględnia wykorzystanie ogniw paliwowych dla ponownego przetworzenia wodoru w energię, realizując potrzeby miast, przedsiębiortw i odbiorców końcowych.
[1] R. Burzyński „Magazynowanie energii – czy ostatecznie wygra wodór?”, 2020 r.
