Blog
Fot. Pixabay
Sektor energetyczny musi stawiać na źródła energii, które nie generują dalszego ocieplania się atmosfery, ale również takie, które będą stabilne. W zależności od metody produkcji, wodór może być źródłem energii wysoko lub zeroemisyjnym. Czy ma szansę stać się paliwem przyszłości? Naszym zdaniem zdecydowanie tak. W poniższym artykule postaramy się Państwu przybliżyć podstawowe informacje o wodorze. O jego kolorach oraz który kolor, tak naprawdę, to nasza przyszłość w walce o niskoemisyjną gospodarkę.
WODÓR W LICZBACH
Według danych Międzynarodowej Agencji Energetycznej (International Energy Agency) konsumpcja wodoru rośnie nieprzerwanie od 1975 roku. Na razie jego produkcja niemal całkowicie pochodzi z paliw kopalnych. Podstawowym źródłem energii, na bazie którego wytwarza się wodór, jest gaz ziemny. Około ¾ całej globalnej produkcji wodoru generowane jest właśnie z niego (70 milionów ton rocznie). Wytwarzanie wodoru pochłania około 6% całkowitego, globalnego zużycia gazu ziemnego. W przypadku produkcji węgla – jest to 2%. Z kolei zaledwie 0,1% wodoru rocznie jest wytwarzane z zeroemisyjnej elektrolizy wody, (więcej informacji na ten temat znajdą Państwo w dalszej części tekstu).
Do połowy 2021 roku globalna moc zainstalowana elektrolizerów potrzebnych do produkcji wodoru osiągnęła ponad 0,3 GW. Jednak IAE przewiduje, że do 2026 może ona osiągnąć nawet 17 GW. Przy obecnym poziomie produkcji wodór odpowiada za emisję 830 milionów ton dwutlenku węgla rocznie, czyli tyle samo co łączna ilość emitowana przez Wielką Brytanię i Indonezję. Z drugiej strony wodór pozwoli nam uniknąć aż do 60 giga ton CO2 między 2021-2050, co przekłada się na całkowitą redukcję 6% gazów cieplarnianych globalnie. Wodór jest również paliwem bardzo wysokoenergetycznym (33 kWh/kg), a więc w procesie spalania w tlenie, uwalnia ogromne ilości energii. Jednak chociaż ma wysoką wartość energetyczną w przeliczeniu na jednostkę masy, jego wartość energetyczna, w przeliczeniu na jednostkę objętości jest niewielka. Efektywność energetyczna wodoru oraz emisyjność będzie zależeć od sposobu wytwarzania paliwa.
WSZYSTKIE KOLORY WODORU
Ze względu na sposób produkcji wodór możemy podzielić na kategorie i kolory. Wodór konwencjonalny jest wytwarzany z paliw kopalnych, z kolei niskoemisyjny pozyskuje się ze źródeł nieodnawialnych lub odnawialnych z niskim śladem węglowym (na przykład z technikami wytwarzania połączonymi z sekwestracją dwutlenku węgla, CCS), jego emisyjność wynosi poniżej 5,8 kg CO2 na 1 kg wodoru. Wodór odpadowy powstaje jako produkt uboczny procesów chemicznych, kwalifikowany jest jako niskoemisyjny, ponieważ emisja jest wynikiem innych procesów niż produkcja paliwa i jest nieunikniona. Wodór odnawialny generowany jest dzięki procesowi elektrolizy wody za pomocą energii z OZE i jego emisja wynosi poniżej 1 kg CO2 na 1g wodoru.
SZARY
Bardziej dokładny podział paliwa to klasyfikacja według kolorów, chociaż oczywiście jest ona symboliczna, ponieważ wodór jest gazem bezbarwnym. Do produkcji wodoru szarego wykorzystuje się paliwa kopalne, w związku z czym jego emisyjność jest bardzo wysoka. Paliwo otrzymuje się w procesie reformingu parowego metanu lub zgazowania węgla.
NIEBIESKI
Do produkcji wodoru niebieskiego wykorzystuje się nieodnawialne źródła energii. W większości jest to gaz ziemny. Zmniejszenie emisyjności procesów osiąga się dzięki zastosowaniu metod wychwytu CO2, który się składuje, albo wykorzystuje ponownie. Jest to obecnie dominująca metoda pozyskiwania wodoru, ze względu na najniższy koszt. Niestety według najnowszych badań opublikowanych w amerykańskim czasopiśmie naukowym Energy Science and Engineering przez naukowców z Uniwersytetów Stanforda i Cornell, produkcja niebieskiego wodoru jest bardziej emisyjna niż wcześniej myślano, ponieważ samo wydobycie i obróbka gazu ziemnego, z którego powstaje, pochłania dużo energii. Dodatkowo uwalnia metan, który jest gazem 25 razy silniejszym niż dwutlenek węgla, jeśli chodzi o potencjał zatrzymywania ciepła w atmosferze. Obecnie metan odpowiada za 20% globalnych emisji gazów cieplarnianych. Zgodnie z międzynarodowym planem, który amerykański prezydent Joe Biden przedstawił podczas ostatniego szczytu klimatycznego COP26 w Glasgow, globalne emisje metanu mają spaść o 30% do końca tej dekady, co z pewnością będzie musiało mieć wpływ na rynek gazu ziemnego. Badanie opublikowane w Energy Science and Engineering pokazuje, że proces produkcji wodoru z gazu ziemnego, jest bardziej emisyjny niż samo spalanie gazu, który jest do jego produkcji wykorzystywany.
ZIELONY
Duże nadzieje wiązane są z zielonym wodorem, który pozyskuje się w procesie elektrolizy wody z OZE, co powoduje, że jego produkcja nie generuje emisji CO2. Międzynarodowa Agencja Energetyczna przewiduje, że wkrótce należy spodziewać się boomu właśnie na to paliwo. Na razie liderem w wytwarzaniu zielnego wodoru jest Unia Europejska. Produkcja wodoru z OZE jest niestety na razie droga i wymagająca technologicznie, co hamuje jego rozwój. Wytwarza się go głównie z energii pochodzącej z paneli fotowoltaicznych, ale możliwe jest również generowanie go dzięki energii wiatrowej.
Duże firmy energetyczne ogłosiły ambitne plany na rozwój zielonego wodoru na następne dwie dekady. W ramach działań wspierających zielony wodór, rządy zapowiedziały subsydia rzędu 30 miliardów dolarów w skali globalnej. Liczba rządów, które zamierzają wspierać paliwo pozyskiwane z OZE stale rośnie, mimo wciąż wysokich i wyższych kosztów pozyskiwania go w sposób zero-emisyjny, niż z paliw kopalnych. Obecnie istnieje około 50 celów i inicjatyw politycznych mających wspierać rozwój zielonego wodoru globalnie. Należy również wziąć pod uwagę, że sukcesywnie spada cena produkcji energii ze źródeł odnawialnych, co niewątpliwie będzie też obniżać cenę zielonego wodoru.
Po Unii Europejskiej największy potencjał w kwestii produkcji zielonego wodoru ma Australia, która ochoczo inwestuje w tę technologie, jako że jest krajem pozostającym w czołówce państw emitujących najwięcej gazów cieplarnianych w skali światowej. Kraj zamieszkały przez zaledwie 0,33 proc. światowej populacji, jest odpowiedzialny za aż 1,07 proc. globalnych emisji.
Australijscy naukowcy z Uniwersytetu w Newcastle opracowali nowatorską, zero-emisyjną metodę produkcji wodoru z wody przy użyciu OZE. Postanowili w tym celu pozyskać wodę z powietrza. Nie trzeba więc wykorzystywać wody pitnej, która dla Australijczyków jest niezwykle cenna. Australia notuje bowiem najniższy poziom opadów na świecie zaraz po Antarktydzie, a susze są tu codziennością. Woda pozyskiwana jest dzięki urządzeniu (Hydro Harvester) wynalezionemu przez naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT). Wychwytuje ono wodę z powietrza o niskiej zawartości wilgotności (na przykład na pustyni), dzięki wykorzystaniu różnicy temperatur we wnętrzu aparatury. System zasilają panele fotowoltaiczne, a więc zewnętrzne zasilanie jest tu zbędne. Mechanizm działa nawet przy 20 procentowej wilgotności powietrza. Powstała woda jest następnie przekształcana w wodór w procesie elektrolizy. Na początku grudnia 2021 duży projekt opierający się na tej technologii pozyskał budżetowanie rzędu 10,75 miliardów dolarów od australijskich władz lokalnych. Produkcja wodoru w ramach projektu nazwanego the Desert Bloom ma ruszyć już w 2023 roku.
RÓŻOWY
Jest on pozyskiwany z wykorzystaniem energetyki jądrowej, dzięki czemu został sklasyfikowany jako niskoemisyjny. Energia jądrowa może być tu źródłem ciepła i energii elektrycznej. Produkcja wodoru w oparciu o atom jest nie tylko niskoemisyjna, ale również tania, dlatego tam, gdzie energetyka jądrowa jest dobrze rozwinięta jak w Stanach Zjednoczonych, Chinach, Japonii we Francji czy w Kanadzie, wodór można pozyskiwać z użyciem tej technologii. Energia atomowa jest jednak dość kontrowersyjna i niektóre kraje, jak Niemcy czy Stany Zjednoczone, powoli się z niej wycofują, zamykając elektrownie. Powodem są przesłanki dotyczące ochrony środowiska, ponieważ elektrownie jądrowe potrzebują ogromnych ilości wody do chłodzenia reaktorów, a zmiany klimatyczne przynoszą susze. Problemem jest również składowanie wyeksploatowanych materiałów radioaktywnych. Ponadto budowa i konserwacja elektrowni atomowych jest droga i wytwarzana w nich energia w związku z tym generuje większe koszty, niż w przypadku pozyskiwania jej z innych. Pociąga także za sobą emisję, według IPCC około od 3,7 do 110 gramów CO2 na 1KWh. Warto jednak pamiętać, że żadne źródło energii, włączając w to OZE, nie jest całkowicie zero-emisyjne, właśnie ze względu na takie kwestie jak produkcja i utrzymanie infrastruktury.
TURKUSOWY
Tu wodór jest otrzymywany w procesie pirolizy metanu lub odpadowych tworzyw sztucznych. Piroliza odbywa się w atmosferze beztlenowej, a więc przy bardzo niskiej emisji dwutlenku węgla, stąd wodór turkusowy klasyfikuje się jako niskoemisyjny.
DLACZEGO TRANSFORMACJA ENERGETYCZNA POTRZEBUJE WODORU?
Chociaż produkcja wodoru w sposób zero-emisyjny jest jeszcze rozwijana, istnieje wiele korzyści płynących z udziału tego paliwa w transformacji energetycznej, a w niektórych przypadkach może ono wręcz okazać się niezbędne, by świat mógł stać się neutralny klimatycznie.
Wodór może być nie tylko paliwem, ale magazynem energii. Można go łatwo magazynować w dużych pojemnościach, a potem przekształcić w energię elektryczną łącząc z tlenem, używając ogniw paliwowych. To dobre rozwiązanie, jeśli chodzi o pokrywanie długoterminowych niedoborów energii elektrycznej w systemie przesyłowym, zwłaszcza tam, gdzie inne technologie (jak baterie litowo-jonowe), zawodzą. Jednym z największych wyzwań w transformacji energetycznej jest przechowywanie energii odnawialnej bez jej wytracania. Najbardziej rozpowszechnione obecnie baterie litowo-jonowe, które służą jako magazyny energii, z czasem tracą swoją wydajność, a baterie magnezowo-jonowe, które mają być dla nich alternatywą, nie weszły na razie do powszechnego użytku. Wodór z powodzeniem może więc przechowywać energię wygenerowaną przez OZE.
Właśnie ze względu na swoje właściwości magazynowania energii wodór może stać się kluczowy w osiągnięciu neutralności klimatycznej w branży transportowej. Lotnictwo jest obecnie odpowiedzialne za około 3,5% globalnych emisji, jednak zastąpienie tradycyjnych baterii litowo-jonowych może być wyzwaniem, zwłaszcza w przypadku lotów długodystansowych, gdzie nie ma możliwości ładowania. Tu rozwiązaniem mogą być ogniwa wodorowe, podobnie jak w przypadku transportu kołowego dalekiego zasięgu (ciężarówki, tiry).
Ogniwa wodorowe mają też przewagę, jeśli chodzi o transport samochodowy czy publiczny. Akumulatory litowo-jonowe Tesli, które są najwydajniejsze na rynku, osiągają gęstość energii 250 - 260 Wh/kg, a wodór ma prawie 126 razy większą gęstość energetyczną na 1 kg. Problemem jest tutaj kwestia objętości, ponieważ zbiornik mogący pomieścić np. 6,3 kg wodoru ma łączną pojemność 156 litrów jak w Hyundaiu Nexo. Jednak pojazdy napędzane wodorem są znacznie lżejsze niż te posiadające baterie litowo-jonowe, a poza tym mają lepsze zasięgi i krótszy czas ładowania. Niestety na drogach są nadal rzadkością. Znacznie popularniejsze od nich są na razie klasyczne elektryki.
W końcu wodór ma również zastosowanie w przemyśle chemicznym. Ponad połowa produkowanego na świecie wodoru jest przekształcana w amoniak, na potrzeby przemysłu nawozowego. Paliwo to ma także szansę wesprzeć budownictwo, gdzie można go wykorzystywać do produkcji energii i ciepła, szczególnie w dużych budynkach użyteczności publicznej, w gęsto zaludnionych aglomeracjach miejskich.
Jak widać, potencjał energetyczny wodoru i jego rola w transformacji energetycznej, jest z pewnością znacząca. Prognozy Międzynarodowej Agencji Energetycznej również powinny napawać branżę optymizmem, przewidywania mówią bowiem, że koszty produkcji wodoru z OZE mogą spaść do 2030 nawet o 30%, co będzie stanowić znaczny impuls do rozwoju paliwa.