Czy energia jądrowa może pomóc w produkcji wodoru?

Tylko w 2024 r. ogólnoświatowe zapotrzebowanie na wodór wynosiło aż 100 mln ton. Wodór produkowany jest głównie poprzez reforming parowy metanu (SMR) i zgazowanie węgla. Niemniej jednak, są to metody wysokoemisyjne, a obecnie świat dąży do zmniejszenia emisji CO₂. Jednakże możliwa jest produkcja wodoru przez energię jądrową, która charakteryzuje się brakiem emisji CO₂ do otoczenia. Metoda ta umożliwia obniżenie kosztów, jakie kraje muszą płacić za emisję CO₂ w obecnie stosowanych metodach konwencjonalnych pozyskiwania wodoru, oraz równocześnie pomaga w zwiększeniu zasobów pożądanego wodoru.

Produkcja wodoru z energii jądrowej

Produkcja wodoru z energii jądrowej możliwa jest m.in. poprzez termochemiczny rozkład wody, wysokotemperaturową elektrolizę parową (HTSE), elektrolizę niskotemperaturową i proces hybrydowy łączący reakcje termochemiczne i elektrolizę.

Hybrydowy termochemiczny rozkład wody i wysokotemperaturowa elektroliza parowa wykorzystują energię elektryczną oraz ciepło dostarczane przez reaktor jądrowy w celu rozdzielenia wody na wodór. Klasyczna niskotemperaturowa elektroliza wody wykorzystuje natomiast wyłącznie energię elektryczną. Istnieje jeszcze alternatywny proces, wykorzystujący silne źródło promieniowania jonizującego do rozkładu wody – radioliza. Stanowi jednak metodę alternatywną o charakterze koncepcyjnym, która cechuje się niską wydajność w porównaniu z pozostałymi technologiami. Na schemacie poniżej przedstawiono metody produkcji wodoru z energii jądrowej na podstawie zużytej energii cieplnej i elektrycznej.

Niskotemperaturowa elektroliza wody nie posiada specjalnych wymagań. Wymaga jedynie zasilania energią elektryczną, która może być pozyskiwana z elektrowni jądrowej i może być integrowana ze wszystkimi działającymi obecnie reaktorami, lecz charakteryzuje się ograniczoną efektywnością ekonomiczną. Znacznie lepsze rezultaty daje wysokotemperaturowa elektroliza parowa (HTSE), działająca w zakresie temperatur 800-1000^oC, w której część energii elektrycznej jest zastępowana tańszą energią cieplną. W wyniku czego zapotrzebowanie na prąd spada o ok. 35% (względem konwencjonalnej elektrolizy), a sprawność konwersji energii elektrycznej do wodoru może osiągnąć ok. 90%. Głównym wyzwaniem technologicznym HTSE pozostaje długoterminowa trwałość i stabilność materiałowa elektrod, w szczególności elektrody wodorowej. Jednocześnie HTSE umożliwia pracę przy dużych gęstościach prądu, z wysoką wydajnością produkcji wodoru, a to wszystko w stosunkowo małej objętości instalacji. 

Amerykańska elektrownia produkuje wodór

Niemniej jednak, elektrownia jądrowa Nine Mile Point w Nowym Jorku uruchomiła w 2023 r. zakład produkcji wodoru wykorzystujący elektrolizę niskotemperaturową. Na zdjęciu poniżej przedstawiono elektrownie jądrową Nine Mile Point.

Wodór wytwarzany jest za pomocą energii elektrycznej z dwóch reaktorów BWR (moc 620 MWe i 1287 MWe). Jest to pierwszy obiekt jądrowy w USA, który wytwarza czysty wodór z energii jądrowej.

Pomimo uruchomienia instalacji niskotemperaturowej elektrolizy w elektrowni Nine Mile Point, technologia ta wykorzystuje wyłącznie energię elektryczną, pomijając potencjał wysokotemperaturowego ciepła reaktora. Ograniczenie to stanowi główną motywację do rozwoju procesów termochemicznych oraz hybrydowych, które umożliwiają bardziej efektywną konwersję energii jądrowej w wodór. W tym kontekście szczególne znaczenie zyskują procesy termochemiczne oraz hybrydowe rozkładu wody.

Proces technologiczny

Termochemiczne rozszczepienie wody polega na serii reakcji chemicznych pod wpływem wysokiej temperatury, w wyniku których produktami końcowymi są wodór i tlen. W cyklach tych stosuje się związki pośrednie regenerowane w obiegu zamkniętym, a jedynymi zewnętrznymi wejściami procesu są woda oraz źródło wysokotemperaturowego ciepła. Do najbardziej obiecujących należą cykle siarkowe – w szczególności cykl siarkowo-jodowy (S-I), składający się z trzech reakcji, a jego teoretyczna sprawność wynosi ok. 51%. Obecnie żaden cykl termochemiczny nie został wdrożony komercyjnie. Główne wyzwania dotyczą maksymalizacji zysków oraz minimalizacji nadmiaru reagentów poprzez optymalizację przepływu ciepła.

Tymczasem hybrydowe cykle produkcji wodoru stanowią połączenie reakcji termochemicznych z elektrolitycznymi. Wyróżnia się kilka procesów hybrydowych, m.in. HyS (Hybrid Sulphur) rozwijany przez firmę Westinghouse. W tym procesie zapotrzebowanie na energię elektryczną stanowi ok. 25% w stosunku do klasycznej elektrolizy, a potencjalna sprawność szacowana jest na ok. 40%. Kolejnym przykładem procesu hybrydowego jest S-Br (siarko-bromowy), wykorzystujący brom jako czynnik pośredni i obejmujący etap elektrolizy o napięciu około 0,8 V, przy sprawności rzędu 37%. Inną metodą hybrydową jest cykl Cu-Cl (miedź-chlor), który składa się z kilku reakcji termochemicznych i jednego etapu elektrochemicznego. Potencjalna sprawność metody wynosi ok. 41%. Badania nad tą metodą prowadzone są w Argonne National Laboratory.

Zalety produkcji wodoru z energii jądrowej

Szacuje się, że pojedynczy reaktor jądrowy o mocy 1000 MW może potencjalnie wytwarzać ponad 200 000 ton wodoru rocznie, w zależności od zastosowanej technologii produkcji. Dla porównania planowana globalna produkcja niskoemisyjnego wodoru z odnawialnych źródeł energii w 2025 roku szacowana jest na około 1 Mt. Istotną przewagą energetyki jądrowej jest wysoki współczynnik wykorzystania mocy, sięgający nawet 90%. Podczas gdy dla źródeł odnawialnych wynosi zazwyczaj 20-40%. Przekłada się to na obniżenie kosztów produkcji wodoru oraz możliwości jego ciągłej produkcji dla przemysłu. 

Kolejną zaletą jest bardzo niski ślad węglowy wodoru produkowanego z energii jądrowej. W analizach emisja CO₂ dla metody HTSE wynosi 0,43 kg CO₂ /kg H₂, co jest wartością znacznie niższą niż w przypadku konwencjonalnego reformingu parowego (10,6 kg CO₂ /kg H₂) oraz procesów termochemicznych zasilanych energią słoneczną (4,3-4,5 CO₂ /kg H₂).

Dodatkowo, reaktory wysokotemperaturowe charakteryzujące się temperaturami wylotowymi 500^oC-1000^oC, mogą dostarczać ciepło bezpośrednio do produkcji wodoru, minimalizując straty energii związane z konwersją ciepła na energię elektryczną.

Jakie są zmagania produkcji wodoru z energii jądrowej?

Produkcja wodoru z energii jądrowej zapowiada się obiecująco, jednak wiąże się z szeregiem wyzwań, które państwa planujące wykorzystanie tej metody muszą uwzględnić. Do kluczowych zagadnień należą kwestie optymalizacji oraz problemy techniczne, takie jak lokalizacja elektrowni (czy produkcja wodoru powinna być w tym samym miejscu co generacja energii elektrycznej, czy w oddzielnym obiekcie), długi czas planowania i realizacji inwestycji, a także uwzględnienie zarządzania sytuacjami awaryjnymi – w przypadku konieczności czasowego wyłączenia reaktora istotne jest zapewnienie alternatywnego źródła dla odbiorców. 

Dodatkowym wyzwaniem dla produkcji wodoru z energii jądrowej są aspekty związane z bezpieczeństwem i ochroną infrastruktury. Obiekty jądrowe muszą spełniać znacznie bardziej rygorystyczne wymagania bezpieczeństwa niż instalacje wodorowe. Komplikuje to integrację obiektów infrastruktury jądrowej i wodorowej.

Istotną wadą produkcji wodoru z energii jądrowej jest zależność kosztów produkcji od poziomu zaawansowania technologii produkcyjnej czy ceny surowca. Dodatkowo niezbędne jest przeprowadzenie analiz bezpieczeństwa uwzględniających jednoczesny wpływ potencjalnych zagrożeń dla elektrowni oraz współpracującej z nią instalacji wodorowej.

Również kluczowa jest rola polityki danego państwa względem wsparcia metody produkcji wodoru z energii jądrowej. Ostatecznie najważniejszym aspektem determinującym opłacalność inwestycji jest zapotrzebowanie na wodór, którego wzrost lub spadek będzie decydował o zasadności dalszego rozwoju tego kierunku.

Światowe plany wytwarzania wodoru z energii jądrowej

Jak informuje IAEA, ponad 60 państw opracowało kompleksowe strategie wodorowe odpowiadające ich zapotrzebowaniu na ten surowiec. Na mapie poniżej przedstawione zostały państwa z kompleksowymi strategiami wodorowymi. 

Na podstawie danych IAEA krajowe strategie wodorowe można podzielić na te, które uwzględniają energię jądrową do produkcji wodoru (np. Czechy), oraz strategie skupiające się głównie na produkcji ze źródeł odnawialnych (np. Chiny).

Pomimo iż nie wszystkie kraje UE popierają rozwój energetyki jądrowej, włączenie do regulacji unijnych klauzuli dotyczącej wodoru niskoemisyjnego sprawia, że produkcja wodoru z energii jądrowej jest oficjalnie uznawana przez UE za technologię przyczyniającą się do dostaw czystego wodoru. Idealnym przykładem takiego podejścia jest Słowacja, która rozważa produkcję wodoru z wykorzystaniem nadwyżek energii elektrycznej z elektrowni jądrowej. Również Czechy ze względu na niekorzystne warunki klimatyczne ograniczające potencjał OZE, analizują taką możliwość, poprzez wyposażenie już istniejących elektrowni jądrowych w duże elektrolizery i magazyny wodoru na miejscu. 

Jak to wygląda poza Europą?

Tymczasem, w USA jedną z kluczowych strategii wodorowych jest koncentracja na regionalnych węzłach czystego wodoru, których celem jest dostarczenie wodoru na dużą skalę do pobliskich użytkowników końcowych i zapewnienie korzyści ekonomicznych lokalnym społecznościom. Spośród siedmiu wybranych węzłów wodorowych w całym kraju, trzy obejmują produkcję czystego wodoru z wykorzystaniem elektrowni jądrowych. 

Z kolei Kanada postrzega produkcję wodoru z energii jądrowej jako niskoemisyjny proces. Kanadyjska strategia opiera się na elektrolizie z wykorzystaniem energii elektrycznej poza godzinami szczytu. W tym celu analizowano opłacalność produkcji wodoru w elektrowni Bruce w Ontario. Natomiast w Toronto prowadzone jest studium budowy centrum wodorowego. Niemniej jednak, Kanada wskazuje na wyzwania związane z magazynowaniem dużych ilości wodoru przy obiektach jądrowych.

Z drugiej strony, Chiny największym globalnym producentem wodoru. Niestety mimo dodania do sieci w ciągu 10 lat ponad 34 GW mocy jądrowej to krajowa strategia wodorowa skupia się na zwiększeniu produkcji wodoru głównie z odnawialnych źródeł energii. Również Indie, pomimo dysponowania ponad 8 GW energii jądrowej i 7 budowanymi reaktorami, nie uwzględniają produkcji wodoru z energii jądrowej w krajowej strategii wodorowej.

Jak wygląda sytuacja wodoru w Polsce?

Polska jest trzecim największym producentem wodoru w UE, wytwarzając 1,3 mln ton wodoru rocznie. Według danych Europejskiego Obserwatora Wodorowego Polska zużywała do 2024 r. ponad 784 tysięcy ton rocznie. Na wykresie poniżej przedstawiono popyt wodoru w Polsce w 2022 r.

Niestety, w Polsce wytwarzany jest głównie wodór ,,szary” pochodzący z reformingu parowego, co wiąże się ze znacznymi emisjami CO₂. Istotnym faktem jest również to, że w 2022 r. niecałe 3.1 % publicznych wydatków na badania i rozwój w sektorze energetycznym w Polsce przeznaczono na technologie wodorowe oraz ogniw paliwowe. 

Polska a produkcja wodoru z energii jądrowej

Obecnie w Polsce nie produkuje się wodoru z energii jądrowej, ponieważ jedyny działający reaktor jądrowy Maria jest reaktorem badawczym wykorzystywanym do celów naukowych i przemysłowych (m.in. w medycynie). Warto zwrócić uwagę, iż Polska od 2007 r. należy do organizacji IFNEC, która porusza temat produkcji wodoru z energii jądrowej. Dodatkowo 24 września 2019 r. w siedzibie Ministerstwa Energii na konferencji „Nuclear Energy Beyond Electricity” poruszono sprawę możliwości wytworzenia wodoru z energii jądrowej. 

Jak informują IAEA i Ministerstwo Klimatu i Środowiska po uruchomieniu pierwszej planowanej elektrowni jądrowej, elektroliza z wykorzystaniem energii elektrycznej z elektrowni jądrowych będzie jedną z technologii do produkcji wodoru niskoemisyjnego. W tym celu rozważana jest budowa instalacji do produkcji wodoru jeszcze przed oddaniem do eksploatacji docelowej elektrowni jądrowej, tak aby umożliwić wcześniejsze wdrożenie technologii elektrolizy oraz przygotowanie infrastruktury. Zakłada się, że produkcja wodoru na dużą skalę z wykorzystaniem nadwyżek energii elektrycznej wytwarzanej w godzinach nocnych może przyczynić się do obniżenia kosztów jego wytwarzania oraz zwiększenia elastyczności pracy systemu elektroenergetycznego.

Równolegle, w perspektywie długoterminowej, rozważana jest możliwość produkcji wodoru z bezpośrednim wykorzystaniem ciepła pochodzącego z wysokotemperaturowych reaktorów chłodzonych gazem (HTGR). Należy jednak podkreślić, że reaktory HTGR stanowią zaawansowaną technologicznie klasę reaktorów jądrowych, która obecnie pozostaje na etapie koncepcyjnym w Polsce. Ewentualne zastosowanie HTGR w krajowym systemie energetycznym ma charakter dalekosiężny i zależny od decyzji strategicznych na poziomie państwowym.

Podsumowanie

Sektor energetyki wodorowej, jak i jądrowej ciągle rozwija się, a wraz z globalnym postępem technologii w przemyśle (np. produkcja samochodów na wodór) popyt na wodór rośnie. Możliwe jest wykorzystanie energii jądrowej do produkcji wodoru, które przyczynia się do zmniejszenia kosztownej emisji CO₂. Co więcej, daje to możliwość wytworzenia ponad 200 000 ton wodoru rocznie z jednego reaktora, a przy użyciu większej ilości reaktorów mogłoby pokryć znaczną część zapotrzebowania. Część państw, w tym Polska, w swoim strategiach wodorowych obejmuje wykorzystanie w przyszłości energii jądrowej do produkcji wodoru. Natomiast niektóre kraje pomimo posiadania energii jądrowej, która mogłaby posłużyć do produkcji wodoru, skupia się na wytworzeniu wodoru głównie ze źródeł odnawialnych. Należy jednak pamiętać, iż jak każda inna technologia, produkcja wodoru z energii jądrowej ma do pokonania zmagania (m.in. aspekty bezpieczeństwa). Pomimo tego produkcja wodoru z energii jądrowej zapowiada obiecującą przyszłość.

Naukowy komentarz

“Dziś widać wyraźny i stały wzrost zainteresowania wykorzystaniem energii elektrycznej do produkcji wodoru, także w kontekście energetyki jądrowej. Elektroliza coraz częściej postrzegana jest nie tylko jako sposób wytwarzania wodoru, ale również jako narzędzie zwiększające elastyczność systemu elektroenergetycznego i pomagające w jego bilansowaniu. W tym sensie wodór zaczyna pełnić rolę formy magazynowania energii, szczególnie w okresach nadwyżek produkcji energii elektrycznej.

To jednak tylko jedna z możliwych ścieżek rozwoju. Drugim, odrębnym kierunkiem są metody wysokotemperaturowe, które mogłyby w pełniejszy sposób wykorzystać potencjał energetyki jądrowej, oferując wyższą sprawność i inne możliwości integracji procesowej. W praktyce ich rozwój jest dziś znacznie bardziej ograniczony, ponieważ wymaga zastosowania zaawansowanych technologicznie reaktorów zdolnych do dostarczania ciepła o bardzo wysokiej temperaturze. Reaktory tego typu pozostają w większości na etapie projektów koncepcyjnych, demonstratorów lub wczesnych programów badawczo-rozwojowych, a tempo ich wdrażania jest wolniejsze, niż często sugeruje to publiczna narracja. W efekcie, choć potencjał wysokotemperaturowych metod produkcji wodoru jest szeroko podkreślany, ich realne zastosowanie przemysłowe należy rozpatrywać w perspektywie długoterminowej” – dr inż. Filip Jędrzejek, Katedra Energetyki Jądrowej i Radiochemii na Wydziale Energetyki i Paliw AGH.

Bibliografia

Źródła: IAEA, gov.pl, U.S. DOE, NuclearNewswire, Instytut Ekonomiczny
- Constantin A., Nuclear hydrogen projects to support clean energy transition: Updates on international initiatives and IAEA activities, International Journal of Hydrogen Energy, ELSEVIER, Volume 54, 7 February 2024, Pages 768-779.
- Ephraim Bonah Agyekum, Evaluating the linkages between hydrogen production and nuclear power plants – A systematic review of two decades of research, International Journal of Hydrogen Energy, ELSEVIER, Volume 65, 2 May 2024, Pages 606-625.
- Araújo K., Potter E., Kouts A.,, Newman O., Milarvie M., Carcas F., Koerner C., Placido J., An International Review of Hydrogen Technology and Policy Developments, with a Focus on Wind- and Nuclear Power-Produced Hydrogen and Natural Hydrogen, Energies 2025, 18(17), 4619.
- Lee J., Kim J., Balancing hydrogen and nuclear: How nuclear expansion reshapes power-to-gas and hydrogen storage in a carbon neutral energy system, Energy, ELSEVIER, Volume 336, 1 November 2025, 138437.

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Energetyków Jądrowych URANIUM, AGH.
Wioletta Kasprzak