Analiza kosztów produkcji wodoru: różnice między źródłami zielonymi i szarymi

Zdjęcie autora: Nova Energia

Nova Energia

Koło Naukowe działające na AGH w Krakowie

Podstawowym celem na drodze do wykorzystania wodoru jako paliwa jest zapewnienie jego łatwej, efektywnej i ekonomicznej produkcji. Proces wytwarzania wodoru wiąże się jednak z różnorodnymi kosztami, które zależą od wybranego źródła i technologii. Różne metody produkcji mają wpływ nie tylko na koszty, ale także na czas potrzebny do uzyskania tego surowca. Która metoda produkcji wodoru jest najbardziej opłacalna, uwzględniając koszty produkcji, wydajność procesów, zużycie energii oraz wpływ na środowisko?

Dlaczego akurat wodór?

Wartość energetyczna wodoru (33 kWh/kg) sprawia, że jest on wysokoenergetycznym nośnikiem energii. Wodór jest uważany za jedno z najczystszych źródeł energii, ponieważ jego wykorzystanie w procesach spalania czy elektrolizy nie wiąże się aż tak z emisją szkodliwych gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla. Dzięki temu wodór może odegrać kluczową rolę w dekarbonizacji różnych sektorów, w tym transportu czy przemysłu. Ponadto produkcja wodoru z odnawialnych źródeł energii, takich jak wiatr, słońce czy woda, sprawia, że jest to proces niewyczerpalny i ekologiczny. Tak jak energia z OZE, wodór ma potencjał, aby stać się fundamentem przyszłościowej, zrównoważonej gospodarki energetycznej, przyczyniając się do zmniejszenia uzależnienia od paliw kopalnych i walki ze zmianami klimatycznymi.

Wodór szary czy zielony: który wybór jest lepszy?

Wodór znajduje wykorzystanie w wielu sektorach gospodarki. Stosowany jest m.in. w przemyśle chemicznym do produkcji amoniaku czy metanolu. W sektorze petrochemicznym (procesy hydrorafinacji, reformingu i hydrokrakingu), spożywczym, a także znajduje zastosowanie w metalurgii, przemyśle jubilerskim i szklarskim. W ostatnich latach dostrzega się także nowe możliwości wykorzystania wodoru, w szczególności odmiany zielonego wodoru. Niezależnie od tego, w jakim sektorze gospodarki operujemy, czy jest to transport, energetyka, czy też przemysł, potrzebujemy do tego zrównoważonych źródeł energii. Wodór, uważany za nośnik energii przyszłości, może wspierać proces dekarbonizacji. W szczególności ważną rolę odgrywa produkcja zielonego wodoru. Określany także jako wodór odnawialny lub czysty produkowany jest w procesie elektrolizy wody. Proces elektrolizy polega na rozdziale, pod wpływem napięcia elektrycznego, cząsteczki wody na jej składowe – wodór i tlen. Wymogiem jest, by energia wykorzystana w procesie była w 100% odnawialna. Tylko wówczas możemy mówić o zeroemisyjnym charakterze tego nośnika energii.

Proces elektrolizy przebiega następująco:

W elektrolizerze alkalicznym na anodzie zachodzi reakcja (1), natomiast na katodzie reakcja (2):

  1. 4OH- → H2O + O2 + 4e-
  2. 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-

Poza zieloną, a zarazem będącą najczystszą odmianą wodoru, wyróżniamy także inne takie jaki szary bądź niebieski. Produkcja szarego wodoru wiąże się z tak zwanym reformingiem parowym metanu (SMR). Jest to proces, który wykorzystuje metan (gaz ziemny) i parę wodną w temperaturze 700-1100°C. Reforming parowy to jeden z najważniejszych procesów technologicznych. Podczas tego procesu powstaje tzw. gaz syntezowy, który zawiera wodór, tlenek węgla oraz azot. Jest to najtańsza metoda produkcji wodoru, jednak charakteryzuje się wysoką emisją CO2, szacowaną na 9-12 kg CO2 na każdy kilogram wyprodukowanego wodoru​. Szary wodór jest powszechnie stosowany ze względu na koszty produkcji, jednak rosnąca presja na redukcję emisji CO2 skłania przemysł do poszukiwania bardziej ekologicznych alternatyw związanych z produkcją wodoru.

Jakie czynniki wpływają na koszty produkcji wodoru?

Zeroemisyjny charakter wyprodukowanego wodoru sprawia, że jest on najbardziej pożądaną formą otrzymywania tego nośnika energii z uwagi na brak negatywnego wpływu na środowisko. Jednak koszty produkcji tej odmiany są obecnie znacznie wyższe niż produkcji szarego wodoru otrzymywanego dzięki zastosowaniu reformingu parowego. Przykładowo, w jednym z badanych przypadków koszty produkcji zielonego wodoru osiągały poziom około 25-30 USD za kilogram​ otrzymanego surowca. Produkcja tradycyjnego wodór, uzyskiwanego z gazu ziemnego, kosztuje znacznie mniej, co stanowi poważną barierę dla wdrożenia na szeroką skalę technologii zielonego wodoru w różnych sektorach gospodarki. Koszty te mogą jednak zmniejszyć się wraz z rozwojem technologii oraz zwiększeniem skali produkcji​. 

Produkcja zielonego wodoru – od czego zależą koszty?

Zielony wodór może znaleźć także zastosowanie jako magazyn energii. Przede wszystkim może on być wykorzystywany do przechowywania nadwyżek energii wyprodukowanej z OZE, co przyczyniłoby się do lepszego zarządzania dostawami energii. Jednakże najważniejszym wyzwaniem w tym kierunku pozostaje rozwój odpowiedniej infrastruktury magazynowania i transportu tego surowca.

Na koszty produkcji zielonego wodoru wpływa kilka kluczowych czynników takich jak: 

  • Koszt związane z produkcją energii odnawialnej: 

Aby zapewnić produkcję czystego, zeroemisyjnego wodoru energia, jaka będzie wykorzystywana do elektrolizy, musi pochodzić z odnawialnych źródeł. Ceny energii pochodzącej z OZE mogą wahać się w zależności od lokalizacji, wykorzystanej technologii, a także wielkości instalacji. 

  • Koszt elektrolizerów: 

Elektrolizery odgrywają kluczową rolę w produkcji wodoru, jednak ich koszt początkowy jest znaczący. Zależnie od technologii (np. elektrolizery alkaliczne, PEM, czy SOEC), koszty te mogą się różnić. Elektrolizery PEM, chociaż są one bardzo wydajne, posiadają szeroki zakres regulacji, a także posiadają dużą elastyczność pracy, wymagają one użycia drogich metali szlachetnych takich jak platyna czy iryd, co zwiększa ich cenę. Z kolei elektrolizery alkaliczne, choć są one tańsze, mają mniejszą efektywność, zwłaszcza w zmiennych warunkach pracy​. Szacuje się, że koszty elektrolizerów mogą stanowić 30-40% całkowitego kosztu produkcji zielonego wodoru​.

  • Koszt infrastruktury: 

W składowe kosztów związanych z produkcją zielonego wodoru wchodzą również wydatki przeznaczone na budowę odpowiedniej infrastruktury, w tym miejsc przeznaczonych na magazynowanie wodoru oraz jego transportu. Ze względu na słabo rozwinięte zaplecze w tym sektorze budowa infrastruktury i możliwości dostosowania jej do odpowiednich warunków wymaga dodatkowych kosztów. Koszty te mogą sięgać od kilku do kilkunastu procent całkowitego kosztu produkcji, zależnie od warunków i wielkości inwestycji​.

Koszty produkcji szarego wodoru

Koszty produkcji szarego wodoru są głównie uzależnione od cen gazu ziemnego, który stanowi podstawowy surowiec w procesie reformingu parowego metanu (SMR). Produkcja szarego wodoru szacuje się od 1 do 3 USD za kilogram, w zależności od lokalnych cen gazu ziemnego. W regionach z niskimi cenami gazu, takimi jak Bliski Wschód czy USA, koszty mogą być bliższe, natomiast w Europie, gdzie gaz ziemny jest droższy, mogą być wyższe​.

Czynniki wpływające na koszty produkcji szarego wodoru:

  • Gaz ziemny: 

Stanowi około 60–70% całkowitych kosztów produkcji. Wpływ na to mają zmienności w cenach surowca.

  • Energia i proces technologiczny:

 Proces SMR wymaga dużych ilości energii cieplnej, co stanowi kolejny znaczący element kosztów.

  • Infrastruktura: 

Koszty związane z instalacją zakładów produkcyjnych oraz ich utrzymaniem również wpływają na ogólną cenę produkcji wodoru.

  • Koszty związane z emisją: 

Każda tona wyprodukowanego szarego wodoru generuje około 10 ton CO₂. W krajach z wprowadzonymi systemami handlu emisjami, takimi jak Unia Europejska, opłaty za emisje mogą dodatkowo zwiększać koszty produkcji​.

Podsumowanie

Szary wodór pozostaje najtańszą formą produkcji wodoru, co czyni go bardziej pożądanym ze względu na niższe koszty produkcji pomimo jego negatywnego wpływu na środowisko. W miarę wprowadzania polityki dekarbonizacji wzrasta jednak presja przejścia na bardziej ekologiczne technologie, takie jak produkcja zielonego wodoru. Produkcja ta jest obecnie droższa od tradycyjnej produkcji (szary wodór), a całkowity koszt produkcji wodoru z elektrolizy wody może wynosić od 5 do 10 USD, co jest znacznie wyższe niż cena wodoru produkowanego z gazu ziemnego​. Jednak wraz z rozwojem technologii i zwiększeniem skali produkcji, te koszty mają tendencję spadkową, a zielony wodór może stać się coraz bardziej konkurencyjny.

Źródła: ien.com.pl, transformacja2050.pl, seshydrogen.com, powermeetings.eu, dbenergy.pl, spglobal.com, dnarynkow.pl

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Tomasz Maciejowski