Niektórzy wyobrażają sobie przyszłość energetyczną całkowicie opartą na wodorze, z całkowitą redystrybucją energii – dosłownie, ponieważ każdy byłby w stanie produkować własny wodór. Inni widzą możliwości wykorzystania wodoru na niszowych rynkach, takich jak niezawodne wytwarzanie energii elektrycznej, lub na małą skalę w sektorze transportu, na przykład w autobusach. Jeszcze inni są bardziej sceptyczni i mówią, że wodór na zawsze pozostanie obietnicą.

Co to jest wodór?

Wodór jest najprostszym, a także najbardziej obfitym, pierwiastkiem we wszechświecie. Stanowi około 75% całej jego masy. To pierwszy pierwiastek w układzie okresowym i składa się tylko z jednego protonu i jednego elektronu. W swoim normalnym stanie gazowym jest bezbarwny, bezwonny i bez smaku. Ważną zaletą w zakresie zrównoważonego rozwoju jest to, że wodór spala się w bardzo czysty sposób.

W przypadku spalania z czystym tlenem (2H2 + O2 = 2H2O) emitowana jest tylko woda, a płomień jest prawie niewidoczny. Podczas spalania wodoru z powietrzem wydziela się woda oraz wszystkie inne gazy, które są składowymi powietrza (głównie azot). Płomień jest w tym przypadku wyraźnie widoczny. Wodór jest prawie idealnym paliwem pod względem redukcji smogu podczas spalania, ponieważ nie zawiera węgla ani siarki, a podczas spalania nie są wytwarzane CO, CO2, SOx lub sadza oraz inne cząstki stałe. Pozwala to na bardziej optymalne spalanie (tj. wyższe wskaźniki powietrze-paliwo). Skutkuje to niższą temperaturą spalania, a co za tym idzie, również niższym poziomem emisji NOx.

Zamiast spalania wodoru można go również wykorzystać elektrochemicznie w ogniwie paliwowym, gdzie energia z reakcji chemicznej jest zamieniana na energię elektryczną i ciepło. Ze względu na tę zmianę w kierunku zrównoważonego rozwoju i świadomości ekologicznej, wodór powrócił do łask i spotkał się z ponownym zainteresowaniem. Zwolennicy wodoru i gospodarki wodorowej powołują się na trend „dekarbonizacji”. Nieco podobną tendencją jest przejście od stałych źródeł energii, poprzez ciecze, do gazowych źródeł energii. Mimo że wodór jest dostępny w dużych ilościach, prawie nie istnieje w czystej postaci. Wiąże się na przykład z wodą i paliwami kopalnymi. Innymi słowy, żeby wykorzystać wodór jako paliwo, konieczna jest jego produkcja w czystej formie.

Każdego roku produkuje się około 70 Mt wodoru, z czego prawie całość jest produkowana z paliw kopalnych, zwłaszcza gazu ziemnego (76%) i węgla (23%) (EIA, 2019). Nie jest to zrównoważona forma produkcji wodoru („szary wodór”), ale jak dotąd najbardziej opłacalna. W większości przypadków produkowany wodór jest wykorzystywany bezpośrednio na miejscu, jako surowiec do rafinacji ropy naftowej oraz do produkcji m.in. nawozów amoniakalnych.

Sposoby produkcji wodoru

Obecnie najbardziej powszechnym i najtańszym sposobem produkcji wodoru jest reforming parowy (SMR). W wielostopniowym procesie gaz ziemny reaguje z parą wodną i katalizatorem, tworząc wodór, którego głównym produktem ubocznym jest dwutlenek węgla, czyli CO2. Efektywność energetyczna SMR wynosi około 70%. Jaka jest wartość dodana wodoru w stosunku do gazu ziemnego?

Dla większości praktycznych zastosowań gaz ziemny może robić to, co robi wodór, a przejście z gazu ziemnego na wodór oznacza utratę wydajności systemu. Drugim co do wielkości paliwem kopalnym wykorzystywanym do produkcji wodoru jest węgiel.

W wyniku gazyfikacji węgla produkowany jest wodór, a także emitowane są ogromne ilości
CO2. Trzecim paliwem kopalnym jest ropa naftowa. Wodór może być produkowany np. z benzyny poprzez częściowe utlenianie. Jest to proces stosowany komercyjnie, ale emituje więcej CO2 niż produkcja w ramach SMR. Wyżej wymienione procesy produkcyjne z wykorzystaniem paliw kopalnych emitują ogromne ilości CO2. To oznacza, że jeśli procesy mają być zrównoważone, CO2 musi być sekwestrowany poprzez wychwytywanie i składowanie (CCS) lub wychwytywanie i wykorzystanie (CCU). Wodór produkowany z paliw kopalnych, przy wychwytywanym CO2 przed albo po spaleniu, który następnie jest sekwestrowany, nazywany jest „niebieskim wodorem”.

Inną formą produkcji niebieskiego wodoru z paliw kopalnych jest piroliza metanowa, obiecująca technologię CCU, w której metan (tj. gaz ziemny) jest silnie rozbijany w dużych temperaturach do wodoru gazowego i węgla stałego. Stały węgiel może być składowany lub używany jako produkt na przykład w innej reakcji chemicznej. Ostatnią możliwością produkcyjną, która nie stanowi bezpośredniej konkurencji dla systemu energetycznego opartego na paliwach kopalnych, jest elektroliza. W procesie elektrolizy woda jest rozkładana na wodór i tlen za pomocą energii elektrycznej. Wodór generowany przez odnawialne źródła energii jest neutralny pod względem emisji CO2 („zielony wodór”).

Minusem tego procesu jest jego energochłonność. Komercyjne urządzenia używane obecnie do elektrolizy mają sprawność energetyczną na poziomie około 70%. Energia elektryczna wykorzystywana w tym procesie również musi zostać wyprodukowana, a to skutkuje wyraźnie zmniejszoną ogólną sprawnością całego systemu.

Z drugiej strony, wodór wytwarzany w procesie elektrolizy jest niezwykle czysty, co jest warunkiem wstępnym np. dla ogniw paliwowych PEM. Niemniej jednak, taka technologia wytwarzania wodoru może być doskonałym sposobem zagospodarowania nadmiaru wytworzonej energii elektrycznej z farm wiatrowych przy dużej wietrzności lub z PV przy długotrwałym nasłonecznieniu, kiedy jej ilość jest zbyt duża do aktualnego zapotrzebowania.

Wyprodukowany wodór musi być rozprowadzony do użytkownika lub wykorzystany na
miejscu, w przypadku lokalnej produkcji. Właśnie dlatego, to jak będzie wyglądać infrastruktura wodorowa, zależy w dużej mierze od sposobu jego produkcji i wykorzystania. Duże, scentralizowane zakłady produkcyjne mogą być najbardziej wydajne, jednak generować straty w dystrybucji. W każdym przypadku wodór musi być przechowywany w jakiejś formie, czy to przed transportem, w trakcie, czy też po nim.

Dystrybucja sprężonego wodoru może odbywać się zarówno drogą lądową, jak i rurociągami. W przypadku transportu drogowego, miałoby to zastosowanie praktyczne tylko na stosunkowo niewielkich odległościach. W przypadku większych odległości transport rurociągami jest bardziej realną opcją. Obecnie w Europie znajduje się kilkaset kilometrów rurociągu wodorowego – zazwyczaj z i do dużych obszarów przemysłowych, gdzie wodór jest produkowany i zużywany.

Rozbudowa istniejącej sieci wymagałaby dużych inwestycji kapitałowych i wiązałaby się z wysokim ryzykiem ze względu na nierozpoznane przyszłe zapotrzebowanie.

Alternatywne rozwiązanie

Alternatywnym rozwiązaniem dla tworzenia nowej sieci dystrybucji wodoru jest wykorzystanie istniejącej sieci gazu ziemnego. Pozwoliłoby to na uniknięcie znacznych inwestycji kapitałowych. Jak wspomniano powyżej, magazynowanie wodoru stanowi obecnie wyzwanie. W związku z tym najłatwiejszym rozwiązaniem dla zastosowań stacjonarnych wydaje się nie magazynowanie, lecz dystrybucja w sieci gazu ziemnego.

Obecna europejska sieć gazowa ma około 260 000 km w postaci gazociągów wysokociśnieniowych, obsługiwanych głównie przez operatorów systemów przesyłowych, oraz 1,4 mln km gazociągów średnio- i niskociśnieniowych, obsługiwanych przez operatorów systemów dystrybucyjnych. Wodór ma jednak swoje cechy charakterystyczne. Jest najlżejszym i bardzo lotnym gazem, a ponadto jest bardzo reaktywny. Wymienione cechy sprawiają, że w kontakcie z wodorem stal staje się krucha.

Wykorzystanie obecnych gazociągów do transportu wodoru zależy zatem od wielu czynników, w tym od materiału, ciśnienia roboczego, wieku i ogólnego stanu rurociągów.

Ponadto, wodór ma niższą gęstość energetyczną niż gaz ziemny, więc jego mieszanka zmniejszyłaby zawartość energii w dostarczanym gazie. Wydaje się, że mieszanka zawierająca do 30% wodoru nie będzie stanowić problemu dla urządzeń gospodarstwa domowego, takich jak kotły. Istnieje kilka badań, w których stwierdza się możliwość wykorzystania sieci gazu ziemnego w celu bezpiecznej dystrybucji wodoru do użytkowników końcowych, przy stosunkowo niewielkich dostosowaniach.

Dowiedz się więcej!

  • W jaki sposób wykorzystać wodór w połączeniu z ogniwami paliwowymi?
  • Jak przygotować kocioł do pracy z wodorem?

Cały artykuł przeczytasz TUTAJ!

 

SPiUG

Stowarzyszenie Producentów i Importerów Urządzeń Grzewczych