Wodór to paliwo przyszłości? Wreszcie pojedziemy samochodem tanio? Polska jest jednym z europejskich liderów w rozwoju obiecującej technologii

W Europie trwa wyścig o uniezależnienie się od paliw kopalnych, zwłaszcza tych rosyjskich. Równolegle z realizowaniem polityki dywersyfikacji źródeł dostaw paliw kopalnych Zachód inwestuje również w nowe źródła energii, w tym wodór. Czego potrzeba, by Polska mogła używać wodoru na skalę przemysłową, np. do napędzania samochodów i maszyn w fabrykach?

Wodór jest rozpatrywany jako paliwo przyszłości. I są już kraje, które inwestują w ten rodzaj paliwa ogromne pieniądze. Pod koniec kwietnia w Stanach Zjednoczonych zapowiedziano budowę infrastruktury, która będzie wytwarzała wodór z energii odnawialnej, magazynowała go i wykorzystywała do produkcji energii elektrycznej dla Utah i Los Angeles.

Ciekawe? Po przeczytaniu wróć tutaj, kliknij i odkryj sprawdzone patenty Samcika na ochronę przed inflacją

Inwestycja otrzymała wsparcie w wysokości 504 mln dolarów i zakłada budowę instalacji wytwórczych o mocy 220 MW oraz przygotowanie magazynów w kawernach solnych, które będą mogły pomieścić wodór, który – według tamtejszych ekspertów – wystarczy do wytworzenia 300 GWh energii elektrycznej (to taka porcja energii, która w Polsce wystarczyłaby na rok dla ok. 150 000 miejskich gospodarstw domowych).

Kilka miesięcy wcześniej amerykańska firma Monolith otrzymała od Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych pożyczkę w wysokości ponad 1 mld dolarów na wsparcie produkcji wodoru i amoniaku ze źródeł odnawialnych poprzez rozbudowę zakładów w Hallam w stanie Nebraska.

Projekty te są składową szerokich planów USA mających na celu wytwarzanie czystego wodoru i realizację strategii „111”, dzięki której Amerykanie chcą zrealizować ambitny cel w postaci osiągnięcia ceny 1 dolara za 1 kg czystego wodoru w ciągu dekady. Pod koniec 2021 r. zapowiedziano, że tamtejsze inwestycje w wodór sięgną ok. 9,5 mld dolarów.

Świat inwestuje w wodór. A jednym z liderów są Niemcy

Nie da się ukryć, że jesteśmy dopiero na początku drogi. Łączna światowa moc zainstalowana w elektrolizerach (urządzeniach do produkcji tzw. zielonego wodoru) wynosi obecnie trochę ponad 0,3 GW. Międzynarodowa Agencja Energii przewiduje, że świat – aby utrzymać się na ambitnej drodze do zerowej emisji dwutlenku węgla netto w 2050 r. – będzie potrzebował ok. 850 GW mocy do 2030 r.

Pod koniec zeszłego roku Komisja Europejska założyła, że w latach 2025-2030 uruchomi na terenie Unii Europejskiej elektrolizery o mocy 40 GW. Inwestycje na ten cel do 2030 r. szacuje się w przedziale między 24 mld euro a 42 mld euro. Do tego potrzebne są jeszcze nowe moce OZE, a to już wymaga środków na poziomie kilkuset miliardów euro.

Jednym z liderów inwestujących w rozbudowę infrastruktury wodorowej w UE są Niemcy. Przed wojną zakładano, że tamtejsze nakłady na rozwój tego sektora mogą sięgnąć nawet ponad 20 mld euro. Teraz być może będą nawet wyższe, biorąc pod uwagę, że w Berlinie planuje się inwestycje 200 mld euro na projekty związane z ochroną klimatu i poprawą bezpieczeństwa energetycznego.

W Polsce także sporo mówi się o budowie infrastruktury wodorowej. Strategia opublikowana w zeszłym roku zakłada budowę instalacji do produkcji niskoemisyjnego wodoru o mocy 50 MW do 2025 r. i 2 GW do 2030 r. W zapowiedziach aktualizacji założeń PEP40 wspomina się również o inwestycji w tzw. gazy zdekarbonizowane – wodór będzie miał stanowić odnawialną alternatywę dla gazu ziemnego. Szacowane koszty inwestycji na rzecz realizacji założeń polskiej strategii wodorowej mają wynieść ok. 11 mld zł.

W wodór inwestuje się również w wielu innych regionach świata. Ciekawy scenariusz na rozszerzenie wykorzystywania tego rodzaju paliwa konsekwentnie realizowany jest w Japonii. Do 2025 r. tamtejsza flota pojazdów napędzanych wodorem ma sięgnąć 200 000, a już pięć lat później wzrosnąć do 800 000.

Na Bliskim Wschodzie, który do tej pory słynął głównie z eksportu ogromnych ilości paliw kopalnych, a posiada świetne warunki do budowy infrastruktury wodorowej, też sporo się dzieje. Arabia Saudyjska chce zostać najbardziej konkurencyjnym producentem wodoru i – podobnie jak w przypadku ropy – również chce go sprzedawać na całym świecie. Podobne plany mają też m.in. Zjednoczone Emiraty Arabskie.

Źródło: CIRE.pl

Podsumowując, łączne zapowiedzi światowych kosztów inwestycji wodorowych do 2030 r. mogą sięgnąć ok. 160 mld dolarów, przy czym połowa z nich przeznaczona zostanie na produkcję zielonego wodoru z wykorzystaniem OZE i elektrolizy.

A Polska wcale nie jest tutaj kopciuszkiem. Liderem wodorowym są Chiny, największy konsument i producent wodoru na świecie. Polska, co ciekawe, pod względem produkcji jest trzecia w Europie i piąta na świecie. Niestety, w przypadku obu państw jest to konwencjonalny szary wodór wytwarzany z paliw kopalnych i wykorzystywany niemal wyłącznie w przemyśle.

Dlaczego warto inwestować w wodór? 

Wodór to pierwiastek powszechnie występujący w całym wszechświecie, budulec wody oraz węglowodorów, który charakteryzuje się stosunkowo wysoką wartością opałową (wodór – 120 MJ/kg; benzyna – 47 MJ/kg, węgiel kamienny – 25 MJ/kg) oraz – co szczególnie ważne w procesie zrównoważonej transformacji energetycznej – w wybranych przypadkach również bezemisyjnością jego produkcji i eksploatacji.

Wyróżnia się co najmniej kilkanaście metod wytwarzania wodoru. Najczęściej symbolizowane są one kolorami. Wodór czarny, brązowy, szary, niebieski, turkusowy, fioletowy, różowy, purpurowy, czerwony, zielony. Kolejno jest to paliwo produkowane z użyciem węgla kamiennego, węgla brunatnego, gazu ziemnego, paliw kopalnych i technologii wychwytywania CO₂, pirolizy metanu, energii jądrowej oraz źródeł odnawialnych.

Źródło: Polska Strategia Wodorowa do roku 2030 z perspektywą do 2040 r.

Metody produkcji wodoru określa się również pod względem śladu węglowego powstającego w trakcie jego wytwarzania. Mamy więc wodór konwencjonalny – wytwarzany przy użyciu paliw kopalnych (emisyjność produkcji na poziomie powyżej 5,8 kg CO₂ na każdy kilogram wodoru z gazu ziemnego i powyżej 10 kg CO₂ na kilogram wodoru uzyskiwanego z węgla) – oraz wodór niskoemisyjny.

Ten ostatni wytwarzany jest z odnawialnych i nieodnawialnych źródeł energii. W przypadku źródeł nieodnawialnych z udziałem technologii wychwytywania szkodliwych gazów cieplarnianych (emisyjność produkcji na poziomie poniżej 5,8 kg CO₂ na kilogram wodoru) oraz wodór odnawialny – powstający na bazie technologii nisko- i bezemisyjnych (emisyjność produkcji na poziomie poniżej 1 kg CO₂ na kilogram wodoru).

Niestety dotychczas spadek emisyjności wytwarzania surowca nie do końca szedł w parze z kosztami jego produkcji, przez co w 2019 r. ponad 99% całego produkowanego wodoru pochodziło z paliw kopalnych – głównie gazu ziemnego (76%) i węgla (23%), a tylko 0,1% stanowiła produkcja zielonego wodoru odnawialnego. Wytwarzanie paliwa pochłonęło około 6% światowej konsumpcji gazu ziemnego i około 2% konsumpcji węgla.

Taka struktura wynika z dostępności technologii i kosztów produkcji, które bez opłat za emisję dwutlenku węgla w 2019 r. wynosiły dla wodoru konwencjonalnego około 1–2 euro na kilogram, a w przypadku wykorzystywania potencjału energii ze źródeł odnawialnych – jest to 3-10 euro na kilogram.

Czytaj też: Rząd szykuje specjalne dotacje do pomp ciepła. To będzie rewolucja czy finansowa pułapka?

Przyszłość należy do odnawialnego wodoru!

Obecnie wodór nie jest jeszcze popularnie stosowanym nośnikiem energii, a popyt na niego odnotowywany jest głównie w przemyśle chemicznym. W przyszłości jednak sytuacja ta może się odmienić. Międzynarodowa Agencja Energii Odnawialnej wskazuje, że wodór jest alternatywą dla paliw kopalnych i prawdopodobnie w perspektywie 2050 r. pokryje 12% ogólnoświatowego zapotrzebowania na energię.

Unia Europejska, a w tym i Polska, dążyć będzie do dekarbonizacji produkcji wodoru, która z roku na rok będzie stawała się coraz to bardziej konkurencyjna. Głównie ze względu na ceny paliw kopalnych i wysokość opłat za uprawnienia do emisji. Do tego dochodzi jeszcze potrzeba zapewnienia sobie suwerenności energetycznej – wodór można wytwarzać w regionach ubogich w gazociągi, ropociągi czy surowce energetyczne.

W procesie elektrolizy do produkcji 1 kg wodoru potrzebne jest 9 litrów wody i około 50 kWh energii elektrycznej (ilość energii szacuje się na podstawie sprawności instalacji, 1 kg wodoru to około 33 kWh). Prócz wodoru w procesie elektrolizy uzyskuje się również tlen, który zwykle trafia bezpośrednio do atmosfery.

Elektroliza wody to metoda stosunkowo energochłonna. Aby była konkurencyjna cenowo, wymaga sporego wolumenu taniej i czystej energii. Pozyskiwany w ten sposób wodór cechuje się bardzo wysoką „czystością” (przekraczającą 99,999%) i może być wykorzystywany nie tylko w przemyśle, ale również w ogniwach paliwowych, które mają wyższe wymagania jakościowe. Znacznie trudniejsze i droższe jest wtłoczenie do ogniw paliwowych wodoru uzyskiwanego z paliw kopalnych, którego „czystość” wynosi zwykle 95-99% i wymaga uszlachetnienia.

Oprócz przemysłu stosowanie wodoru przewidywane jest na szeroką skalę również w sektorze transportu. W pierwszej kolejności zielony wodór ma być wykorzystywany głównie w transporcie na długich dystansach, czyli w transporcie powietrznym, morskim czy szynowym. Następnie jednak technologia ta może wejść także do użytku przez odbiorców indywidualnych.

Czytaj też: W Polsce rodzi się rynek wtórny aut elektrycznych. Czy opłaca się kupić używanego „elektryka” od Niemca?

Samochody na wodór przyszłością motoryzacji? Pojedziemy tanio?

Pojazdy wodorowe działają na podobnej zasadzie jak te elektryczne, z tym że układ napędowy wyposażony jest nie tylko w silnik elektryczny, ale również w zbiornik wodoru i w ogniwo będące miejscem wytwarzania elektroenergii. Poprzez proces odwróconej elektrolizy wodór reaguje z tlenem, produkując energię elektryczną, ciepło i parę wodną.

Średnią sprawność takich ogniw szacuje się na około 50-60%. Zatem z 1 kg wodoru (33 kWh) można wytworzyć około 19 kWh energii, która umożliwia pokonanie odcinka o długości 100 km. Co, uśredniając, stanowi równowartość około 50 zł i już dziś pozwala konkurować z kosztami ponoszonymi przez pojazdy napędzane paliwami kopalnymi.

To nie wszystko. Mobilność wodorowa wyróżnia się również czasem tankowania, który nie różni się od czasu tankownia pojazdów konwencjonalnych. Jak również zasięgiem – pojazdy osobowe napędzane wodorem dysponują zbiornikami o pojemności 6-7 kg, co przy spokojniej jeździe pozwala na pokonanie 700 km.

Wodór, ze względu na swoje właściwości, może odegrać również priorytetową rolę w stabilizacji funkcjonowania gospodarki opartej o rozproszone źródła energii – stanowiąc magazyn zasilany z nadwyżek produkcyjnych. W szczytach produkcji, kiedy podaż przewyższa popyt, nadmierną ilość energii można przetworzyć w wodór i magazynować ją aż do czasu, kiedy na rynku występował będzie deficyt.

Oczywiście na każdym etapie tego procesu trzeba się liczyć ze stratami. I tak: chcąc wytworzyć wodór przy zastosowaniu energii elektrycznej (P2G – Power-To-Gas), należy liczyć się ze stratami sięgającymi około 30%. Natomiast przy ponownej transformacji wodoru na energię elektryczną (P2G2P – Power-To-Gas-To-Power) straty mogą sięgać nawet ponad 70% – co na chwilę obecną czyni cały proces mało opłacalnym.

Źródło: DISE ENERGY, PSEW, Zielony wodór z OZE w Polsce

Wojna na Ukrainie wpłynie na przyszłość wodoru w Europie?

Wywieranie wpływu na Europę poprzez wykorzystywanie przewag paliwowych to narzędzie, z którego rosyjska polityka korzysta od lat. Zgodnie ze strategią REPowerEU do 2030 roku dostawy z Rosji mają zostać całkowicie przerwane.

Gaz jeszcze przed wojną określany był mianem paliwa przejściowego. Ze względu na zmianę struktury jego dostawców (z Rosji Unia Europejska importowała średnio 150 mld m³ surowca rocznie, a chce od tego całkiem odejść) straci na konkurencyjności cenowej (o dostawy z kierunków alternatywnych będzie rywalizować wielu uczestników rynku, pobudzając popyt w warunkach ograniczonej podaży i potencjalnie zwiększając ceny) – co sprawi, że okres jego przejściowej eksploatacji okaże się być może znacznie krótszy, niż zakładano przed 24 lutego.

W odpowiedzi na ten problem Komisja Europejska planuje przyspieszenie produkcji wodoru, co w perspektywie 2030 r. wpłynąć ma na zastąpienie obecnego wolumenu gazu ziemnego importowanego z Rosji w skali od 25 do 50 mld m³.

Czy infrastruktura gazowa za jakiś czas stanie się bezużyteczna? Nie do końca. Wielu ekspertów wskazuje na to, że wodór z sukcesem można magazynować – podobnie jak gaz ziemny – w kawernach solnych, a w odpowiednich warunkach nawet w wyeksploatowanych złożach paliw kopalnych.

Według analiz Polskiego Instytut Ekonomicznego dostosowanie Gazociągu Jamalskiego (oczywiście z wyłączeniem dostaw ze Wschodu) i Gazociągu GIPL (Polska – Litwa) do przesyłu wodoru mogłoby pozwolić Polsce zaoszczędzić na budowie przesyłowej infrastruktury wodorowej (European Hydrogen Backbone) minimum 1,6 mld euro.

W Unii Europejskiej wodór ma odpowiadać na 24% zapotrzebowania na energię w 2050 r. Za 30 lat koszyk gazowy prawdopodobnie będzie zawierał: 20% gazu ziemnego i 80% gazów zdekarbonizowanych – w tym przede wszystkim wodór odnawialny. 

Czytaj też: Wodór to paliwo przyszłości. Największe potęgi gospodarcze inwestują w nie miliardy euro i dolarów

Nie tak kolorowo, ale przyszłościowo!

Wodór zatem nie przez przypadek określany jest mianem paliwa przyszłości. Mnogość metod jego produkcji w połączeniu z szeroką gamą możliwych wariantów wykorzystywania jego zapasów i jednoczesną zdolnością akumulacji oraz bezemisyjnością eksploatacji, sprawiają, że wpisuje się on niemal perfekcyjnie w wymagania stawiane przed sektorem energetycznym przyszłości, w którym potencjalnie H₂ odegra rolę wspierającą dla zakrojonej na szeroką skalę, wszechobecnej elektryfikacji.

Aby tak rzeczywiście się stało, należy zneutralizować jeszcze wiele barier technologicznych, ekonomicznych i społecznych. Przede wszystkim chodzi tu o koszty inwestycji i efektywność jego produkcji, ciągle niedostosowaną legislację, niedobory czystej energii z OZE oraz ograniczoną strukturę popytu wynikającą z początkowej fazy implementacji technologii wodorowych.

Obecne głębokie przemiany w branży energetycznej, w połączeniu z założeniami strategii klimatyczno-energetycznych i ogromną ilością środków przekazywanych na rzecz działalności badawczo-rozwojowej, dają jednak nadzieję na szybki rozkwit technologii wodorowych.

Źródło: DISE ENERGY, PSEW, Zielony wodór z OZE w Polsce

Z punktu widzenia polityki klimatycznej przyszłość należy do czystego wodoru odnawialnego, który zresztą staje się też coraz to bardziej konkurencyjny cenowo i wraz ze spadającymi kosztami technologii i rozszerzającym się udziałem sektora OZE będzie konsekwentnie zmniejszał dystans cenowy dzielący go obecnie od popularniejszego wodoru konwencjonalnego. Według Hydrogen Council w ciągu ostatniej dekady koszty procesu elektrolizy systematycznie malały i od 2010 r. do 2020 r. spadły o ponad 60%.

W okresie od marca 2021 r. do marca 2022 r. ceny gazu zimnego wzrosły sześciokrotnie, silnie uderzając w europejską gospodarkę. W raporcie “Action plan for implementing REPowerEU”, Gas for Climate wskazuje, że wahania na rynku już dziś pokazują, jak konkurencyjny może być zielony wodór.

Przy cenie gazu ziemnego wynoszącej 100 euro/MWh, koszty produkcji szarego wodoru wynoszą około 6 euro/kg, natomiast koszty produkcji wodoru zielonego wynoszą od 4 euro/kg do 7 euro/kg w zależności od pochodzenia energii i skali instalacji.

Źródło: Gas for Climate – A path to 2050

Porównując zatem obecną cenę gazu (nie doliczając do tego jeszcze opłat za emisję) ok. 100 euro/MWh z cenami gazów zdekarbonizowanych (biometan 50-90 euro/MWh, odnawialny wodór 130-230 euro/MWh), możemy dojść do wniosku, że inwestycja w wodór już dziś zaczyna mieć sens ekonomiczny.

zdjęcie tytułowe: Geralt/Pixabay