Wodór, uważany za paliwo przyszłości, zyskuje na znaczeniu jako kluczowy element transformacji energetycznej. W sektorze transportu, który jest jednym z największych emitentów gazów cieplarnianych, wodór może odegrać decydującą rolę w redukcji emisji i osiągnięciu neutralności klimatycznej. Jednak pomimo obietnic związanych z jego stosowaniem, jednym z głównych wyzwań pozostaje koszt produkcji, dystrybucji i użytkowania wodoru w transporcie. W artykule omówimy, jakie czynniki wpływają na cenę wodoru oraz jakie perspektywy rozwoju i optymalizacji kosztów mogą zadecydować o przyszłości wodoru w transporcie.
Koszt energii elektrycznej
Generacja wodoru elektrolitycznego wiąże się z wydatkiem energetycznym około 50-60 kWh/kg wodoru. Oznacza to, że każdy MWh energii elektrycznej można wykorzystać do produkcji około 16-20 kg wodoru. W przypadku produkcji zielonego wodoru, warunkiem koniecznym jest wykorzystanie źródeł odnawialnej energii elektrycznej. Cena energii odnawialnej z OZE jest zależna od kosztów uruchomienia i utrzymania mocy zainstalowanej turbin i farm PV, a także od miejsca ich lokalizacji, warunków pogodowych.
Po zestawieniu średnich kosztów uruchomienia i utrzymania elektrowni wiatrowych ze spodziewanym rocznym wykorzystaniem zainstalowanej mocy w państwach UE na poziomie od 16,8% do 33,9%[1] wynika szacunkowy koszt energii z instalacji wiatrowych. Dla turbin zlokalizowanych na lądzie wynosi on od 39,3 USD/MWh do 57,5 USD/MWh[2]. Przekłada się to na koszt energii, przypadający na każdy kg wyprodukowanego wodoru w wysokości od 2,16 do 3,16 USD/kg. Spodziewany spadek nakładów inwestycyjnych i kosztów obsługi oraz utrzymania o 31-32%[3] spowoduje spadek ceny energii do 26,9-39,3 USD/MWh, a tym samym koszt 1,48-2,16 USD/kgH2.
Dla elektrowni wiatrowej, zlokalizowanej na morzu wykorzystanie mocy zainstalowanej, zależnie od lokalizacji, wynosi od 32,8% do 47%. Po uwzględnieniu stosunkowo wysokich nakładów inwestycyjnych oraz kosztów utrzymania, przekłada się to na cenę energii na poziomie od 63,8 USD/MWh do 101,86 USD/MWh. Wobec powyższego, koszt energii przypadający na kg wodoru wynosi od 3,51 do 5,60 USD/kgH2. Na skutek spodziewanej redukcji kosztów inwestycyjnych i obsługi, oczekuje się spadku ceny energii do nawet 38,49 USD/MWh, co przekłada się na 2,12 USD/kgH2.
Wysokość nakładów inwestycyjnych na potrzeby uruchomienia wielkoskalowej farmy PV zlokalizowanej na gruncie, szacuje się na poziomie 750 USD/kWp. Produkcję energii szacuje się na od 930 do 1050 kWh/kWp rocznie dla Europy Środkowej. Na przestrzeni całego kontynentu, wykorzystanie roczne mocy zainstalowanej oscyluje od około 9% dla Skandynawii do ponad 16% na półwyspie Iberyjskim oraz aż 19% rejestrowanych na Cyprze. Oznacza to uzysk od 790 kWh/kW rocznie do 1670 kWh/kWp. Przy 30 letnim okresie amortyzacji nakładów inwestycyjnych oraz kosztów utrzymania, szacuje się koszt MWh na poziomie około 45,75 USD/MWh, 40 USD/MWh oraz zaledwie 25-27 USD/MWh odpowiednio dla Europy Północnej, Środkowej i najkorzystniejszych regionów Europy Południowej. Przekłada się to na koszt energii od 1,37 do 2,47 USD/kgH2.
Koszt amortyzacji generatora wodoru
Szacowany koszt uruchomienia generatora wodoru przyjmuje się na poziomie około 1000 USD/kW dla technologii PEM, przy czym spodziewaną długość życia generatora przyjmuje się na poziomie do 80 tysięcy godzin pracy. Przy rocznym wykorzystywaniu sięgającym 90%, wynosi w przybliżeniu 10 lat. Całkowity koszt inwestycyjny oraz spodziewane koszty obsługi, w zestawieniu z wysokim współczynnikiem wykorzystania mocy zainstalowanej, przekładają się na 2,35 USD/kgH2.
Prognozy dot. rynku elektrolizerów
Prognozy dot. kształtowania się cen elektrolizerów w przyszłości jasno wskazują spodziewany spadek. Producenci elektrolizerów zgodnie wskazują, że dzięki efektowi skali i automatyzacji produkcji, cena kW elektrolizera w technologii PEM i AEM może spaść nawet o ponad 80% do około 600 USD/kW[1] w ciągu nadchodzących lat. Dodatkowo, wzrost sprawności urządzeń spowoduje że spodziewana niższa cena będzie amortyzowana na większym wolumenie wyprodukowanego zielonego surowca. Wysoka automatyzacja produkcji oraz wzrost mocy poszczególnych urządzeń pozwala chińskim producentom osiągnąć cenę około 300 USD/kW[2].
Nie bez znaczenia pozostają kolejne usprawnienia nowych i istniejących technologii. Możliwym staje się osiągnięcie energochłonności na poziomie poniżej 50 kWh/kgH2. Oznacza to redukcję kosztów energii o nawet 20%.
Co należy podkreślić, planowane wykorzystanie źródeł odnawialnej energii zależnych od pogody nie gwarantuje podaży energii elektrycznej na stałym poziomie, a tym samym nie jest w stanie zapewnić pełnego wykorzystania zainstalowanej mocy elektrolizera w zakładanym czasie. Nie jest jasne, jak dynamiczne zmiany mocy chwilowej oraz częściowe wykorzystanie mocy wpłynie na koszty serwisowe i żywotność jednostki. Należy zakładać, że intensywne i częste zmiany obciążenia chwilowego może przyśpieszyć starzenie jednostki, obniżenie jego parametrów. W sytuacji odwrotnej, gdy planowany układ zasilania pozwala na planowane uruchomienie i obciążenie jednostki mocą znamionową powinno odwdzięczyć się długoletnią pracą elektrolizera i jego osprzętu.
Podsumowanie kosztów produkcji elektrolitycznego wodoru
Zestawienie kosztów energii elektrycznej z instalacji PV i kosztów amortyzacji elektrolizera wskazuje na możliwy do osiągnięcia pułap około 4,5 USD/kgH2. W ciągu dekady, koszt generacji energii elektrycznej z elektrowni wiatrowych powinien wynosić poniżej 30 USD/MWh przy korzystnych warunkach wiatrowych, a redukcja kosztu uruchomienia instalacji do produkcji wodoru, umożliwią produkcję wodoru w cenie zbliżonej do 2,5-3,5 USD/kg.
Koszt infrastruktury magazynowania i koszt sprężania
Magazynowanie wodoru niejednokrotnie okazuje się zagadnieniem kosztownym zarówno w sensie wydatku energii, potrzebnego do sprężenia bądź skroplenia wodoru, ale również w sensie nakładów inwestycyjnych, koniecznych do poniesienia w celu uruchomienia instalacji. Zdolność i parametry infrastruktury magazynowania powinna odpowiadać potrzebom, podyktowanym przez docelowe zastosowanie wodoru.
Magazynowanie sprężonego wodoru wymaga dedykowanych zbiorników. Konstrukcja zbiornika musi odpowiadać parametrom magazynowanego gazu. Transport bliski i magazynowanie krótkoterminowe w szerokim spektrum ciśnień można obsłużyć za pomocą zbiorników wykorzystujących elementy kompozytowe, osiągając dzięki temu wysokie ciśnienia robocze i stosunkowo niską masą. Magazynowanie stacjonarne, mogące zajmować więcej przestrzeni niż mobilne zbiorniki, cechują się zazwyczaj niższymi ciśnieniami roboczymi, większą masą, wyższym udziałem stali w budowie zbiornika. Stacje dystrybucji, tankujące wodór wykorzystując różnicę ciśnień między zbiornikiem wysokiego ciśnienia a zbiornikiem tankowanego pojazdu, są projektowane z myślą o pracy na ciśnieniu do 1000 bar. Wydatek energetyczny na sprężanie wodoru jest zależny od przebiegu kompresji i dla sprężania do poziomu 1000 bar może wynosić nawet 9 kWh/kgH2, przy znacznych stratach energii w postaci ciepła. Izotermiczne sprężanie nie powinno wymagać nakładu energii większego niż 3 kWh/kgH2[1], jednak jest odpowiednio trudniejsze do osiągnięcia. Wydatek energii na sprężanie będzie więc, w zależności od poziomu kompresji oraz od sprawności samego procesu, stanowić dodatkowe 5% do 20% energii.
Transport dalekodystansowy, np. morski lub magazynowanie dużych ilości paliwa wodorowego może odbywać się w postaci skroplonej. Wiąże się to z dodatkowym wydatkiem energetycznym na skroplenie, utrzymywanie w niskiej temperaturze przez cały okres magazynowania, a także z nakładami inwestycyjnymi na bardzo wymagające rozwiązania. Skraplanie wodoru jest bardzo energochłonnym procesem, wynoszącym około 13-15 kWh/kgH2[2],co stanowiłoby, oprócz wydatku energii na produkcję wodoru, dodatkowe 20-30% energii zużytej w cyklu życia odnawialnego paliwa.
Magazynowanie wodoru w postaci związków z innymi substancjami, np. jako wodorki metali, określane jest jako niemal bezstratne i stanowi sposób na długoterminowe przechowywanie czystej energii. Wodór przechowywany jest pod stosunkowo niskim ciśnieniem, rozwiązanie chemiczne często nie wymaga infrastruktury sprężania, generującej dodatkowe zanieczyszczenie dźwiękiem, a wodór z wiązań uwalniany jest dzięki poddaniu związku wodoru oddziaływaniu termicznemu. Wydatek energetyczny na adsorpcję i desorpcję wynosi około 5 kWh/kgH2, tj. stanowi dodatkowe 8-10% energii w zestawieniu do energochłonności elektrolizy.
Koszt magazynu wodoru będzie zależny od wyboru finalnej technologii. Infrastruktura magazynowania powinna być poddana optymalizacji na etapie projektowym. Popularyzacja rozwiązań z tego zakresu, powinna docelowo obniżyć koszty uruchomienia i obsługi. Szacowana gęstość sprężonego wodoru wynosi od 13 do nawet 50 kg/m3, a koszt uruchomienia magazynu ciśnieniowego wynosi od 400 USD/kgH2. Koszt magazynu kriogenicznego będzie zależny od zastosowań, np. do transportu morskiego lub stacjonarnego i szacuje się go na od 200-300 USD/kgH2. Koszt magazynu chemicznego zdaje się być najwyższy z wszystkich wymienionych. Jego uruchomienie może oscylować powyżej 1000 USD/kgH2.
Koszt transportu wodoru
Transport drogowy wodoru w postaci sprężonego gazu będzie jednym z kluczowych zagadnień gospodarki wodorowej. Koszt przewozu odnawialnego paliwa z punktu jego dystrybucji do punktu jego ostatecznego przeznaczenia, tj. podmiotów sektora energetycznego, chemicznego, czy też stacji paliw, będzie zależny od wielu czynników, spośród których wyszczególnić można przebytą trasę, optymalizację czasu przejazdu trailerów wodorowych, ciśnienie robocze zbiorników. W zależności od powyższych warunków, przy zakładanych kontraktach długoterminowych na dostawy tego surowca, sam transport stanowi koszt od 1,75 do nawet powyżej 2,5 USD/kg.
Osobną kwestią pozostaje transport wodoru w postaci związków chemicznych. Transport zielonego wodoru z wykorzystaniem amoniaku jako sposobu na jego korzystniejsze przechowywanie może ograniczyć koszt transportu samego wodoru do pułapu poniżej 0,5 USD/kg. W miejscu docelowego wykorzystania, specjalna instalacja odwracająca syntezę amoniaku, pozwoliłaby bez emisyjnie odzyskać cenne paliwo wodorowe z bezpiecznej formy związków chemicznych z azotem.
Koszt stacji dystrybucji
Stacja dystrybucji wodoru stanowi istotny koszt w łańcuchu dostaw czystego paliwa dla transportu. Dokładny koszt jej uruchomienia będzie zależny od bardzo wielu czynników i składowych. Infrastruktura tankowania musi odpowiadać spodziewanym warunkom pracy, np. poziomom ciśnień zbiorników buforowych, dziennej przepustowości i intensywności tankowania w godzinach szczytowego zapotrzebowania. Koszt uruchomienia instalacji do tankowania wodoru wynosi orientacyjnie od 2 do ponad 4 tysięcy USD na każdy kilogram projektowanej dziennej przepustowości wodoru. Dokładny koszt będzie uzależniony od tego, czy stacja dedykowana jest głównie dla dystrybucji paliwa do mobilnych trailerów, obsługi ruchu pojazdów osobowych typu FCEV czy pojazdów korzystających z zbiorników o niższym ciśnieniu 350 bar oraz od maksymalnej godzinowej przepustowości. Amortyzacja kosztów uruchomienia i operacyjnych stacji będzie zależna od popularyzacji transportu wodorowego, przy średnim wykorzystaniu dziennej przepustowości na poziomie 50%, szacuje się na poziomie od 1,22 do 2,25 USD/kg[1].
Podsumowując, wodór ma ogromny potencjał, aby stać się kluczowym elementem zrównoważonego transportu przyszłości. Jego zdolność do znaczącej redukcji emisji gazów cieplarnianych, zwłaszcza w sektorach trudnych do dekarbonizacji, takich jak transport ciężki, lotniczy czy morski, jest nie do przecenienia. Jednak realne wykorzystanie tego potencjału wymaga pokonania istotnych wyzwań związanych z kosztami produkcji, magazynowania i dystrybucji wodoru.
Aby wodór mógł konkurować cenowo z tradycyjnymi paliwami kopalnymi, konieczne są inwestycje w rozwój technologii, zwiększenie skali produkcji oraz stworzenie odpowiedniej infrastruktury. Równie ważne są wspierające regulacje rządowe i inicjatywy, które będą zachęcać do adopcji wodoru w sektorze transportu. Tylko w ten sposób możliwe będzie obniżenie kosztów i upowszechnienie tego paliwa na masową skalę.
Perspektywy rozwoju rynku wodoru są obiecujące, jednak kluczowe będzie tempo, w jakim pokonane zostaną istniejące bariery. W dłuższej perspektywie wodór może odegrać fundamentalną rolę w globalnym dążeniu do neutralności klimatycznej, stając się podstawą nowoczesnej, ekologicznej mobilności. Przyszłość transportu z pewnością będzie zależeć od tego, jak skutecznie i efektywnie uda się wdrożyć wodór jako powszechnie dostępne i ekonomiczne paliwo.
[1] Dane dot. warunków wiatrowych dla przykładowego roku dla wybranych państw UE
[2] LCOE, podana wartość nie uwzględnia kosztów operatora sieci ani podatku
[3] Tyler Stehly, Patrick Duffy, Daniel Mulas Hernando, 2022 Cost of Wind Energy Review
[1] Leigh Collins, lipiec 2022, Enapter eyes 83% cost reduction for its unique AEM hydrogen electrolysers by 2025
[2] Cornelia Lichner, marzec 2024, Electrolyzer prices – what to expect
[1] https://www.awoe.net/Hydrogen-Compression-General.html
[2] Development of large-scale hydrogen liquefaction processes from 1898 to 2009
[1] Uwzględniono wyłącznie amortyzację przybliżonych kosztów operacyjnych i nakładów inwestycyjnych dla zakładanego średniego wykorzystania powstałej infrastruktury;
