Zielony wodór ma być game changerem w strategiach transformacji energetycznej Europy, USA, Chin, Japonii i Australii, jak również wielu innych państw. Jeszcze kilka lat temu niewiele mówiło się o tym paliwie. Dlaczego więc dziś nazywany jest kluczowym narzędziem dekarbonizacji i stawiany w centrum dyskusji o przyszłości energetyki na świecie? Co to jest zielony wodór? Jak się go wytwarza i jakie ma zastosowania? Na wszystkie te pytania odpowiadamy w dzisiejszym artykule.
W 2015 r. w ramach Porozumienia Paryskiego 197 państw zobowiązało się do kontynuacji wysiłków w celu zatrzymania wzrostu średniej temperatury na Ziemi poniżej 2°C w porównaniu z epoką przedprzemysłową. Starania te koncentrują się na tym, aby nie było to więcej niż 1,5°C. Porozumienie stało się impulsem do wyznaczenia ambitnych celów klimatycznych w wielu krajach, jak również długoterminowej strategii Unii Europejskiej na rzecz osiągnięcia jako pierwszy na świecie kontynent neutralności pod względem emisji CO2 do 2050 r. Oznacza to, że europejska gospodarka ma przejawiać taki sam poziom redukcji emisji, jaki zostanie uwolniony do atmosfery (net-zero).
Zielony wodór w Unii Europejskiej
Jednym z elementów strategii jest ogłoszony w 2021 r. pakiet propozycji zmian legislacyjnych Fit for 55, którego głównym celem jest redukcja emisji o 55% do 2030 r. oraz osiągnięcie neutralności do roku 2050. Ważnym krokiem była także publikacja w 2020 r. Strategii Wodorowej Unii Europejskiej. Wśród jej kluczowych założeń znalazły się:
- osiągnięcie w UE mocy zainstalowanej elektrolizerów zasilanych energią odnawialną na poziomie 6 GW do 2024 r., które mogłyby wytwarzać ok. 1 mln ton wodoru rocznie;
- osiągnięcie w UE mocy zainstalowanej elektrolizerów zasilanych energią odnawialną na poziomie 40 GW do 2030 r., które mogłyby wytwarzać 10 mln ton wodoru rocznie. Ten miał zaspokajać prognozowane zapotrzebowanie na wodór w poszczególnych sektorach europejskiej gospodarki.
Sytuacja geopolityczna szybko zrewidowała pierwotne plany Komisji Europejskiej. W 2022 r., w odpowiedzi na agresję Rosji na Ukrainę i potrzebę odcięcia się Europy od importu surowców energetycznych z Rosji, KE opublikowała plan REPowerEU, w ramach którego podniosła cel związany z zapotrzebowaniem na wodór w europejskiej gospodarce do 20 mln ton do 2030 r., z czego połowa ma być zaspokajana przez import.
Wyniknęło to z konieczności dywersyfikacji źródeł energii, a co za tym idzie również zwiększenia udziału OZE w koszyku energetycznym UE. Poza oczywistą przewagą wodoru jako źródła pozbawionego emisji, istotny jest również fakt bezpieczeństwa energetycznego, który realizuje poprzez stabilizację i zwiększanie efektywności źródeł odnawialnych.
Zielony wodór – co to jest?
Nie bez powodu w pierwszej kolejności zwróciliśmy uwagę na cele unijne, które jasno stawiają w centrum wytwarzanie wodoru z energii odnawialnej. To właśnie jest zielony wodór, naprzemiennie określany także jako wodór odnawialny lub czysty.
Produkowany jest w procesie elektrolizy wody, która polega na rozdziale, pod wpływem napięcia elektrycznego, cząsteczki wody na jej składowe – wodór i tlen. Wymogiem jest, by energia wykorzystana w procesie była odnawialna. Tylko wówczas możemy mówić o zeroemisyjnym charakterze paliwa.
Aktualnie wodór stanowi ok. 2% unijnego koszyka energetycznego UE. Jednak ok. 95-96% pochodzi z paliw kopalnych. Przez to każdego roku do atmosfery uwalniane jest 70-100 mln ton CO2. Wodór elektrolityczny jeszcze w 2022 r. stanowił ok. 2% udziału w łącznej produkcji wodoru w Europie. Przy czym należy zaznaczyć, że za zaledwie ułamek z tego odpowiadała elektroliza, do której zasilenia służyło OZE. Energia na cel elektrolizy pochodziła głównie z sieci, stąd trudno o określenie śladu węglowego jaki mogła generować (silne uzależnienie od miksu energetycznego poszczególnych krajów). Przed państwami członkowskimi stoi więc ogromne zadanie na najbliższe lata, aby osiągnąć cele zakładane przez UE.
Elektroliza – produkcja zielonego wodoru
Elektroliza 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).
W elektrolizerze alkalicznym na anodzie zachodzi reakcja (1), natomiast na katodzie reakcja (2):
1. 4OH- –> H₂O + O₂ + 4e-
2. 2H₂O + 2e- → H₂ + 2OH-
W przypadku elektrolizera wykonanego w technologii PEM reakcje na anodzie (3) i katodzie (4) wyglądają następująco
3. 2H₂O → 4H+ + 4e- +O₂
4. 4H+ + 4e- → 2H₂
Przy zastosowaniu elektrolizera opartego na technologii AEM spodziewaną reakcję dla anody (5) i katody (6) opisują wzory:
5. 4OH → 2H₂O + O₂ + 4e-
6. 4H₂O + 4e- → 2H₂ + 4OH-
Energochłonność procesu elektrolizy jest zależna od zastosowanej technologii elektrolizera, oscylując w granicach 45-70 kWh/kg H₂. Tym samym sprawność procesu wynosi średnio 45%-70%.
Obszary zastosowania zielonego wodoru
Wodór od lat jest wykorzystywany w wielu sektorach gospodarki. Przy czym mowa tu o wodorze z paliw konwencjonalnych, który stosowany jest m.in. w przemyśle chemicznym (produkcja amoniaku, metanolu, alkoholi oxo), petrochemicznym (procesy hydrorafinacji, reformingu i hydrokrakingu), spożywczym (umieszczony na liście substancji dopuszczonych do stosowania w produkcji i przetwarzaniu żywności), jak również metalurgii, przemyśle jubilerskim i szklarskim. Ich dekarbonizacja jest możliwa poprzez docelowe zastąpienie emisyjnego wodoru, tym wytwarzanym z OZE.
W ostatnich latach dostrzega się także nowe, szczególnie obiecujące obszary eksploatacji zielonego wodoru – transport, energetykę, ciepłownictwo oraz przemysł ciężki.
Wodór w transporcie – niezależność produkcji paliwa
Powszechnie uważa się, że to transport będzie pierwszym obszarem, który przejdzie transformację w kierunku wzmożonego wykorzystania zielonego wodoru. Szczególny potencjał nowego paliwa dostrzegalny jest zwłaszcza w tych środkach transportu, których elektryfikacja jest utrudniona, nieopłacalna lub technicznie niemożliwa – ciężarówkach i transporcie długodystansowym, na niezelektryfikowanych trasach kolejowych, transporcie morskim, a nawet coraz częściej mówi się o lotnictwie.
Przewagami wodoru jako paliwa w transporcie są wysoka wydajność i osiąganie dużych zasięgów, krótki czas tankowania oraz w pełni ekologiczny charakter. Pojazdy wodorowe nie wymagają także użytkowania dużych akumulatorów bateryjnych, które w przypadku transportu długodystansowego i towarowego pogarszają ergonomię pojazdu i wymagają dłuższego ładowania, pogarszając ekonomię transportu. Zielony wodór może także służyć do produkcji RFNBO (paliw odnawialnych pochodzenia niebiologicznego), w tym amoniaku, który coraz częściej wymieniany jest jako paliwo dla statków, e-metanolu a nawet e-kerozyny jako paliwa lotniczego.
Elektrolizery umożliwiają także, by produkcja odbywała się bezpośrednio lub w pobliżu zajezdni, portów lotniczych i morskich czy stacji tankowania, tworząc dedykowany hub wodorowy na cele transportowe. Ogranicza to konieczność transportu paliwa, zwiększając niezależność użytkowników.
Zielony wodór w energetyce – zwiększenie efektywności OZE
Transformacja energetyki ma polegać przede wszystkim na zwiększeniu dotychczasowego udziału OZE w miksie energetycznym. W październiku, w ramach dyrektywy RED III podtrzymano cel, by udział ten wyniósł co najmniej 42,5% do 2030 r., przy czym państwa członkowskie zostały zobowiązane by starać się osiągnąć 45%. To wiąże się z wyzwaniem, jakim jest niestabilność i zmienność wytwarzania energii, charakterystyczna zwłaszcza dla źródeł słonecznych, które cechuje zmienność nie tylko na poziomie sezonowym, ale i dziennym.
Kluczowa dla instalacji Power-to-Gas jest produkcja gazu (wodoru) o znaczącym potencjale energetycznym. Wykorzystanie niestabilnych źródeł OZE do wytwarzania czystego wodoru w okresie nadpodaży energii elektrycznej zwiększy ich efektywność, poprzez produkcję paliwa czy substratu przeznaczonego na cele transportowe, przemysłowe czy inne cele energetyczne, np. wytwarzanie energii cieplnej. W przeciwieństwie do baterii, technologia umożliwia także długoterminowe magazynowanie energii pod postacią wodoru i jego późniejsze użytkowanie w okresach niższej podaży i wysokiego zapotrzebowania lub ponowne przekształcenie w energię z wykorzystaniem ogniw paliwowych (przy obecnym stanie technologii proces ten wiąże się jednak z określonymi stratami energii).
Ciepłownictwo – zielony wodór do ogrzewania budynków
Wodór ma szansę zdekarbonizować sektor ciepłowniczy i grzewczy oraz uzupełniać zapotrzebowanie na czyste ciepło obok innych alternatywnych technologii, np. pomp ciepła. Na świecie prowadzone są już projekty związane z domieszkowaniem wodoru do budynków mieszkalnych w celach grzewczych i użytkowych. Przy czym mowa tu o technologii kotłów H2 Ready, które operują na mieszaninie wodoru z gazem ziemnym, co przekłada się na występowanie określonych emisji.
SES Hydrogen Energy rozwija kocioł wodorowy, który umożliwi eliminację emisji CO2, jak również NOx, SOx oraz pyłów. Jak to możliwe? Urządzenie w procesie spalania wykorzystuje wyłącznie wodór i czysty tlen, nie mieszaninę czy powietrze atmosferyczne. W wyniku czego, jedynymi produktami spalania są energia i para wodna. Kocioł wodorowy SES Hydrogen Energy to rozwiązanie kierowane do zastosowań średniej i dużej skali – w energetyce systemowej, przemyśle i lokalnych węzłach grzewczych dla budynków komercyjnych, mieszkalnych i osiedli mieszkaniowych.
Pełna kotłownia wodorowa obejmuje źródła OZE oraz moduły produkcji i magazynowania wodoru, stanowiąc lokalny hub grzewczy małej lub średniej skali. Produkcja wodoru on-site na potrzeby ogrzewania gwarantuje stworzenie lokalnego ekosystemu, uniezależniając odbiorców ciepła od tego co dzieje się na rynku energii i paliw, a przez to ciepło w stabilnej cenie w perspektywie długoterminowej.
Wodór w przemyśle – możliwości zastosowania
Obok transportu, energetyki i ogrzewnictwa rola wodoru jako narzędzia dekarbonizacji upatrywana jest w przemyśle. To sektor szczególnie wymagający ze względu na wysoką energochłonność, która charakteryzuje zwłaszcza przemysł ciężki i metalurgię.
Jeszcze w 2020 r. globalne zapotrzebowanie na wodór w sektorze przemysłu wynosiło 94 Mt, co odpowiadało ok. 2,5% światowego zapotrzebowania na energię, przy czym na ten moment nie jest on wykorzystywany jako surowiec energetyczny, ale przede wszystkim substrat i półprodukt w procesach wytwarzania produktów docelowych.
W przemyśle rozpatrywane jest zastosowanie wodoru nie tylko jako paliwa i surowca, ale także nośnika energii. Zielony wodór już dziś jest wykorzystywany m.in. w przemyśle stalowym jako alternatywa dla paliw kopalnych w procesach innych niż bezpośrednie spalanie. Takim procesem jest np. produkcja wysokiej jakości stali z wykorzystaniem metody DRI (redukcja bezpośrednia), gdzie paliwa konwencjonalne – węgiel czy koks, zostają zastąpione wodorem.
Analizując potencjał wykorzystania wodoru jako paliwa i magazynu energii we wskazanych sektorach gospodarki, w tym najbardziej wymagających energetyce oraz przemyśle, nietrudno zrozumieć dlaczego to właśnie zielony wodór ma być narzędziem dekarbonizacji gospodarek światowych w kolejnych dekadach.
Chcesz dowiedzieć się więcej o obszarach zastosowania zielonego wodoru? Sięgnij po nasze Vademecum Wodorowe
