Jeżeli nie idziesz do przodu – cofasz się. Wypada przypomnieć to banalne stwierdzenie w obecnym czasie dynamicznych zmian w przemyśle związanych z transformacją energetyczną: odejściem od paliw kopalnych i obniżeniem emisji CO2. Agendę tych zmian potwierdziła ostatnio konferencja COP26, w której uczestniczyli światowi przywódcy, w tym z USA i Unii Europejskiej. Zmiana jest więc dla polskiego przemysłu czymś nieuchronnym.

Od czego zacząć? Każdą ważną decyzję musi poprzedzać racjonalny namysł. Projektowym wyrazem tego namysłu jest studium wykonalności. To w nim dokonuje się oceny i analizy potencjału projektu, określa jego mocne i słabe strony, możliwości i zagrożenia, zasoby, jakie będą niezbędne do realizacji projektu, oraz ocenę szans jego powodzenia.

Celem studium wykonalności jest wykazanie możliwości realizacyjnych i projektowych na potrzeby przygotowywanej koncepcji przestrzennej ukazującej charakterystyczne elementy planowanej inwestycji, jej przewidywaną formę, funkcję, wyposażenie w instalacje oraz dostosowanie do standardów inwestora i otaczającego krajobrazu. 

Wielobranżowe studium wykonalności dla projektów etapowych, takich jak instalacja do produkcji, sprężania, magazynowania i dystrybucji wodoru to pod wieloma względami duże wyzwanie. Niniejszy artykuł jest przeznaczony dla inwestorów, menedżerów firm prywatnych, państwowych i komunalnych przygotowujących się do projektów wodorowych.

​Instalacje wodorowe

Wydane przez Komisję UE dokumenty, dotyczące unijnego Zielonego Ładu i programu odbudowy po Covid-19, przypisują wodorowi fundamentalną rolę w dążeniu do neutralnej dla klimatu i pozbawionej zanieczyszczeń gospodarki w 2050 roku. 

Potencjał energii słonecznej i wiatrowej

W ciągu jednej godziny Ziemia otrzymuje od Słońca więcej energii niż wynosi całkowite światowe zapotrzebowanie na energię1. Postawmy pytanie: czy całe światowe zużycie energii z paliw kopalnych może zostać zastąpione przez energię odnawialną? Ze wszystkich zasobów odnawialnych energia słoneczna i wiatrowa mają zdecydowanie największy potencjał, dlatego można by zapytać inaczej: czy możliwe jest wygenerowanie całej zużywanej energii przez systemy solarne i turbiny wiatrowe? Odpowiedź wydaje się prosta: przecież to nie problem. Potencjał energii słonecznej i wiatrowej jest bardzo duży.  

Jeśli światowe zapotrzebowanie na energię (155 000 TWh) miałoby być wytworzone wyłącznie za pomocą systemów fotowoltaicznych, wymagałoby to na przykład wykorzystania około 10% powierzchni Australii lub 8% powierzchni Sahary (zważywszy, że pustynia ta zajmuje około 9,2 mln km2, a więc obejmuje ona obszar ponad dwa razy większy niż powierzchnia całej Unii Europejskiej). 

Podobnie ma się rzecz, jeśli chodzi o globalny potencjał energii wiatrowej. Jest on również bardzo wysoki. Gdyby turbiny wiatrowe miały pokrywać całe światowe zapotrzebowanie na energię, trzeba by wykorzystać powierzchnię stanowiącą zaledwie 1,5% Oceanu Spokojnego. Należy przy tym zauważyć, że powierzchnia jest wykorzystywana w ograniczonym zakresie: jedna duża pływająca turbina wiatrowa co kilometr. Widzimy zatem, że dysponujemy więcej niż wystarczająco dużymi zasobami miejsc, aby wyprodukować niezbędną energię dla całego świata, pozyskując ją z energii słonecznej i wiatrowej. I byłoby to możliwe zarówno w warunkach rosnącej liczby ludności świata, jak i wzrastającego poziomu dobrobytu.

​Wodór jako optymalny nośnik energii

Wodór znajduje szerokie zastosowanie, m.in. w produkcji amoniaku, metanolu, rafinacji ropy naftowej i w energetyce. To idealne medium do magazynowania energii. W procesie elektrolizy można łatwo przekształcić wodę na wodór i tlen, a następnie za pomocą ogniwa paliwowego z powrotem otrzymać energię elektryczną. Przekształcanie na paliwo gazowe, takie jak wodór, umożliwia wprowadzenie go do sieci dystrybucji metanu. Stosując magazynowanie podziemne, wodór można przechowywać w kawernach, kopułach solnych oraz wyeksploatowanych polach naftowych i gazowych.

Dlaczego wodór odgrywa taką istotną rolę jako nośnik energii? Z punktu widzenia chemika sprawa jest jasna. Można jednoznacznie stwierdzić: pozwala on osiągnąć najlepszy stosunek energii wiązań chemicznych do masy. Diwodór oferuje najwyższą wartość zmagazynowanej energii na masę: jego ciepło spalania (niższa wartość opałowa) wynosi 120 MJ/kg i wzrasta do 142 MJ/kg przy kondensacji wytworzonej wody (wyższa wartość opałowa). Tej wartości nie można porównać z żadną inną substancją chemiczną. Wodór ma sporo zalet widocznych już w możliwościach jego produkcji (wiele sposobów), jest również cenny ze względu na swoją użyteczność (zapotrzebowanie na wodór do różnorodnych zastosowań). Za pomocą czystych i wydajnych metod może być przekształcany w inne formy energii. 

Oczywiście trzeba też odnotować wady: w przypadku wodoru, jako gazu lekkiego, energia na objętość jest – w porównaniu z metanem (36 MJ/m3) – niska (11 MJ/m3). Aby było możliwe magazynowanie energii, wodór musi być sprężony lub skroplony. 

Zakłada się, że przyszłe systemy wodorowe mogą przypominać współcześnie eksploatowane systemy gazu ziemnego. Infrastruktura wodorowa będzie mogła wykorzystać infrastrukturę gazową, rurociągi oraz kawerny solne. W okresie przejściowym wodór byłby produkowany z paliw kopalnych w miejscach występowania zasobów – przy założeniu zastosowania technologii wychwytywania i składowania dwutlenku węgla. Takie podejście może pozwolić na względnie szybkie, tanie i niezawodne przejście do zrównoważonego systemu energetycznego, w którym wodór w pełni zastąpi gaz ziemny, węgiel i ropę naftową. 

Stosowana obecnie technologia konwersji oparta jest na technologiach spalania: kotłach, piecach i silnikach. Takie technologie mogą być łatwo i szybko przystosowane do spalania wodoru. Przyszłość pokaże, czy technologie spalania nie zostaną zastąpione przez elektrochemiczne technologie konwersji, w tym technologie pomp ciepła. Są to obiecujące rozwiązania – zapewniają mniejsze koszty, większą wydajność, bez szkodliwych emisji do powietrza, gleby i wody. Inteligentna symbioza pomiędzy energią elektryczną i wodorem jako zeroemisyjnymi nośnikami energii z technologiami elektrochemicznymi i pompami ciepła ma tworzyć czystą, opłacalną i niezawodną  energię obiegu zamkniętego.

Pamiętajmy, że wodór jest potrzebny do transportu na duże odległości i magazynowania na ogromną skalę energii odnawialnej oraz do dekarbonizacji trudnych do wyeliminowania sektorów przemysłu. W przypadku wykorzystywania energii słonecznej i wiatrowej niskie koszty produkcji energii elektrycznej będą w większości związane z określoną lokalizacją źródeł jej pozyskiwania, a więc daleko od miejsca zapotrzebowania na energię, czy to na obszarach pustynnych, czy w odległych miejscach wietrznych lub na morzu. A zatem dostarczenie taniej energii słonecznej i wiatrowej we właściwym czasie i do właściwego miejsca okaże się prawdziwym wyzwaniem. Przekształcanie odnawialnej energii elektrycznej w wodór byłoby możliwe dzięki wprowadzeniu transportu wodoru na duże odległości rurociągami lub statkami oraz zapewnieniu magazynowania wodoru na dużą skalę pod ziemią w kawernach solnych i (być może) w niektórych pustych polach gazowych. Trzeba mieć na uwadze i to, że transport oraz magazynowanie wodoru jest znacznie tańsze niż transport i magazynowanie energii elektrycznej. Można wymieniać inne obszary zastosowań.
Wodór da się wykorzystywać do dekarbonizacji sektorów, w których emisja jest trudna do wyeliminowania , jako odnawialny surowiec, w sektorze chemicznym, przy produkcji paliw syntetycznych i stali. Łatwiej niż energia elektryczna może on zastąpić ropę naftową lub węgiel również w przypadku ogrzewania. Dodatkowo, po dokonaniu pewnych adaptacji, świetnie zastąpiłby gaz ziemny w kotłach, piecach, silnikach i turbinach gazowych. W istniejących silnikach spalinowych wodór i/lub amoniak mogłyby nawet w stu procentach stać się zamiennikami benzyny i oleju napędowego. Jednakże wiele wskazuje, że spalinowe układy napędowe zostaną w przyszłości zastąpione elektrycznymi układami napędowymi z ogniwami paliwowymi – jest to przewidywalne zwłaszcza w transporcie ciężkim (ciężarówki, autobusy, statki, samoloty, a nawet drony). 

Transport wodoru rurociągiem na odległość powyżej kilku tysięcy kilometrów jest opłacalnym sposobem transportu energii. W porównaniu z transportem energii elektrycznej na dużych odległościach transport wodoru jest dziesięciokrotnie tańszy. Również straty energii w transporcie są znaczne ze względu na rezystancję kabla. W przypadku transportu gazu nie ma takiej straty, jedynie ze względu na spadek ciśnienia potrzebna jest dodatkowa kompresja. Koszt transportu wodoru można dodatkowo obniżyć, zwiększając prędkość przepływu w rurociągu. Jest to możliwe, ponieważ wodór jest lżejszy od gazu naturalnego, a zatem efekty turbulencji wystąpią przy wyższych prędkościach przepływu. 

Tabela 1. Transport wodoru rurociągiem na odległość powyżej kilku tysięcy km jest  opłacalnym sposobem transportu energii. Źródło: James B., DeSantis D., Huya-Kouadio J., Houchins C., Saur G, „Analysis of Advanced H2production & delivery Pathways”, June 2018, [online] https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review18/pd102_james_2018_p.pdf, [dostęp: 12 stycznia 2022].

Magazynowanie wodoru w kawernach solnych ma duży potencjał i jest tańsze niż magazynowanie energii. Takie naturalne przestrzenie mogą być używane do przechowywania wodoru w podobny sposób, w jaki przechowuje się gaz ziemny. Zarówno w Wielkiej Brytanii, jak i w Stanach Zjednoczonych kawerny solne służą do przechowywania wodoru od wielu lat. W typowej kawernie solnej wodór można przechowywać pod ciśnieniem do 200 barów. Pojemność magazynowa kawerny solnej wynosi do 6000 ton wodoru (około 240 GWh HHV). Z pewnością ważnym zagadnieniem jest analiza istotnych uwarunkowań rynkowych dla instalacji potrzebnych do produkcji i dystrybucji wodoru, uwzględniająca instytucje czy przedsiębiorstwa zainteresowane zakupem wodoru. Choć sytuacja rynkowa podlega dynamicznym zmianom, aktualnie w Polsce handel wodorem ogranicza się do wodoru technicznego wykorzystywanego w procesach chemicznych, takich jak redukcja wodorem. Pozostała produkcja jest przeznaczona na własny użytek firm reprezentujących branżę rafineryjną oraz chemiczną (produkcja amoniaku).

Dokument „Polska Strategia Wodorowa do roku 2030 z perspektywą do 2040 roku” wskazuje 6 koniecznych do osiągnięcia celów: 

    a) wdrożenie technologii wodorowych w energetyce,

    b) wykorzystanie wodoru jako paliwa alternatywnego w transporcie, 

    c) wsparcie dekarbonizacji przemysłu,

    d) produkcja wodoru w nowych instalacjach,

    e) sprawna i bezpieczna dystrybucja wodoru,

    f) stworzenie stabilnego otoczenia regulacyjnego.

Z punktu widzenia generowania popytu na zakup wodoru należy określić znaczenie powyższych punktów. 

Na świecie wykorzystanie wodoru do produkcji amoniaku, metanolu i w przemyśle rafineryjnym stanowi 91% całkowitego aktualnego popytu na ten pierwiastek, przy czym w sektorach tych wykorzystuje się tzw. szary wodór (uzyskiwany z paliw kopalnych). W Polsce wodór wykorzystuje się przede wszystkim jako surowiec w przemyśle chemicznym, petrochemicznym i rafineryjnym. Głównym krajowym wytwórcą wodoru jest przemysł nawozów azotowych. Tu podstawowym półproduktem jest amoniak, wytwarzany w ilości przekraczającej 2 mln ton rocznie. Na drugim miejscu pod względem wolumenu produkcji wodoru plasuje się przemysł rafineryjny i petrochemiczny. W tym ostatnim sektorze wodór jest wykorzystywany do produkcji paliw ciekłych i surowców rafineryjnych. 

Wykorzystanie wodoru planowane jest również w sektorze stalowym, który odpowiada za 22% emisji CO2. Tu z kolei możliwe jest zastosowanie wodoru w procesie bezpośredniej redukcji rudy żelaza w wielkich piecach i piecach łukowych z wykorzystaniem technologii DRI (Direct Reduced Iron). Zastosowanie wodoru jako paliwa i reduktora w procesach wyrobu stali ma umożliwić odejście od węgla i koksu, których spalanie przyczynia się do znaczącej emisji CO2. Jednak zgodnie z deklaracjami producentów stali zastosowanie wodoru w hutnictwie będzie miało w ciągu najbliższych lat charakter pilotażowy. 

Wdrożenie technologii wodorowych w energetyce może generować popyt na wodór, ale raczej w dłuższej perspektywie (po 2030 roku). W dokumencie „Polska Strategia Wodorowa do roku 2030 z perspektywą do 2040 roku” przewiduje się bowiem wykorzystanie niskoemisyjnego wodoru w sektorze budownictwa na potrzeby ogrzewania budynków oraz wody. W ramach działań wspieranych do 2030 roku przewidziano m.in.: 

• uruchomienie instalacji ko- i poligeneracyjnych, np. elektrociepłowni o mocy do 50 MWt, gdzie głównym paliwem będzie wodór,

• instalację układów ko- i poligeneracyjnych dla bloków mieszkalnych, biurowców, małych osiedli oraz obiektów użyteczności publicznej od 10 kW do 250 kW z wykorzystaniem ogniw paliwowych.

Zgodnie z deklaracjami producentów (Siemens Energy, General Electric) już teraz dostępne są instalacje umożliwiające współspalanie wodoru z gazem ziemnym. Mniejsze zawartości wodoru (10%–30%) nie wymagają praktycznie modyfikacji w nowych jednostkach, choć ostatecznie zależy to od typu turbiny. Dodatek do 50%, a nawet 70% wodoru może oznaczać konieczność modyfikacji palnika oraz systemów sterowania w zakresie kontroli procesów spalania i bezpieczeństwa.

​Wytwarzanie „zielonego” wodoru  – elektrolizery

Elektroliza wody jest jednym ze sposobów produkcji wodoru, który obecnie należy do najbardziej dynamicznych pod względem rozwoju. Proces elektrolizy ma szereg zalet. Jest to m.in. otrzymywanie wodoru najwyższej czystości czy łatwość obsługi aparatury. Sam proces polega na rozpadzie cząsteczki wody i rozdzieleniu produktów tego rozkładu – wodoru i tlenu. Elektroliza to skutek działania napięcia elektrycznego. 

Obecnie stosuje się dwa typy elektrolizerów: alkaliczne oraz membranowe PEM (Proton Exchange Membrane) i AEM (Anion Exchange Membrane). 

W elektrolizerach alkalicznych elektrolitem jest wodny roztwór wodorotlenku (potasu KOH lub sodu NaOH). To powszechnie wykorzystywany typ elektrolizera, który ma jednak pewne wady, jak choćby brak poprawy wydajności ze względu na rozwiniętą technologię czy degradacja elektrolitu podczas pracy przy parametrach nominalnych. 

Elektrolizery membranowe wyposażone są w polimerową membranę selektywnie przewodzącą jony – protony w przypadku elektrolizerów PEM lub aniony w przypadku AEM. Jest to nowsza, jednakże sprawdzona technologia o prostej i kompaktowej budowie. W porównaniu do elektrolizerów alkalicznych elektrolizery PEM charakteryzują się lepszą wydajnością – mniejszym zużyciem jednostkowym energii oraz lepszą charakterystyką procedury start/stop. Elektrolizery typu AEM pozwalają na wytworzenie wodoru przy zagwarantowaniu niższych kosztów aparatury niż w przypadku elektrolizerów PEM. Główną wadą elektrolizerów AEM jest ich niska żywotność. 

Najnowszą technologię (niestety, najmniej rozwiniętą, będącą bowiem w fazie laboratoryjnej i testowej) stanowią elektrolizery stałotlenkowe SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell). Elektrolizery tego typu nie posiadają ciekłego elektrolitu i nie wykorzystują metali szlachetnych jako katalizatorów. SOEC posiadają w swojej budowie ceramiczną membranę, która jest dobrym przewodnikiem jonów tlenu. Przewiduje się, że elektrolizery stałotlenkowe będą miały najniższe zapotrzebowanie na energię w procesie produkcji wodoru. Istotną wadą technologii SOEC jest jednak, jak do tej pory, niski poziom gotowości technologicznej i ograniczona żywotność.