Czy wodór uratuje świat przed klimatyczną zagładą?

Wszystko wskazuje na to, że czeka nas wielka wodorowa ofensywa w całej Europie. 8 lipca Komisja Europejska opublikowała strategię wodorową, zgodnie z którą do 2050 r. na produkcję wodoru w UE ma być przeznaczonych od 180 do 470 mld euro. Wodór ma pomóc w uzyskaniu neutralnej klimatycznej europejskiej gospodarki do 2050 r. UE widzi szczególną rolę tej technologii w sektorach, gdzie elektryfikacja jest trudna do osiągnięcia lub tam, gdzie dotychczas konieczne było użycie paliw kopalnych.

Wodór wodorowi nierówny

Słuchając licznych wypowiedzi wiceprzewodniczącego KE, Fransa Timmermannsa, odpowiedzialnego za Europejski Zielony Ład, mogłoby się wydawać, że wodór to novum na energetycznej mapie Europy. Tymczasem podobnie jak w przypadku aut elektrycznych, ta technologia jest z nami od dawna. Wodór jest wykorzystywany jako źródło energii od przeszło 200 lat. Wynosił balony na nieboskłon i zaniósł człowieka na Księżyc, a od połowy XX w. jest wszechobecny w przemyśle rafineryjnym.

Wodór pobudza wyobraźnię głównie dzięki temu, że jest najpowszechniejszym pierwiastkiem na Ziemi i można pozyskać zmagazynowaną w nim energię bez wyzwalania szkodliwych gazów cieplarnianych.

Warto jednak pamiętać, że proces jego wyekstrahowania może przebiegać na kilka sposobów. W energetycznej publicystyce, w zależności od wykorzystanego procesu jego produkcji, przypisuje się mu kolor.

Obecnie najpopularniejszy jest wodór szary, który pozyskuje się przy wykorzystaniu węgla lub gazu ziemnego. Według IEA 6% światowego gazu i 2% globalnego węgla są wykorzystywane do produkcji wodoru, co sprawia, że roczna ilość dwutlenku węgla uwolniona do produkcji wodoru w przybliżeniu jest równa łącznej emisji Wielkiej Brytanii i Indonezji (ok. 830 mln ton). Ten proces nie ma więc nic wspólnego z czystym pozyskiwaniem energii.

Istnieją jednak inne metody pozyskiwania wodoru, np. niebieskiego. Chociaż w procesie jego produkcji wykorzystuje się gaz ziemny, to równocześnie używa się technologię wychwytywania i składowania dwutlenku węgla, CCS (Carbon Capture & Storage). Kolorem turkusowym określa się wodór uzyskany za pomocą pirolizy metanu.

Prawdziwym Świętym Graalem wszystkich najnowszych strategii wodorowych jest całkowicie wolny od emisji gazów cieplarnianych zielony wodór. Wytwarza się go z wykorzystaniem tzw. elektrolizerów, które poprzez użycie energii elektrycznej prowadzą do rozbicia wody w wodór i tlen (proces ten jest nazywany elektrolizą).

Potrzebny prąd jest pozyskiwany ze źródeł odnawialnych, takich jak farmy wiatrowe i fotowoltaika. Problem polega na tym, że obecnie tylko ok. 1% procent produkowanego na świecie wodoru można przypisać kolor zielony. Raport Polskiego Instytutu Ekonomicznego z końca czerwca br. Podkreśla, że prawie cała produkcja wodoru opiera się na paliwach kopalnych – 76% z gazu ziemnego i 23% z węgla.

Zielone będzie kosztowało coraz mniej

Dlaczego nie wykorzystuje się tego najbardziej ekologicznego modelu wytwarzania? Bo jest dużo droższy. Szacunki IEA za 2018 r. wskazują, że wodór z OZE ma zdecydowanie najwyższe koszty produkcji.

To nie oznacza jednak, że obecne wysokie koszty przekreślają możliwy końcowy sukces tej technologii. Chociaż na koniec zeszłego roku globalna moc produkcyjna elektrolizerów na całym świecie wyniosła jedyne 25 MW, to już w marcu otwarto w Japonii zakład produkcyjny o mocy 10 MW. To technologia niszowa, ale postęp jest wyraźny. Wszystko wskazuje na to, że jeszcze bardziej przyspieszy.

Według ekspertów doradzającym brytyjskiemu rządowi, Committeee on Climate Change (CCC), koszt produkcji zielonego wodoru w procesie elektrolizy w ponad 80% wynika z kosztów wytworzenia i dostarczenia energii ze źródeł odnawialnych, a z nie kosztów kapitałowych czy operacyjnych. Innymi słowy, nieustannie zmniejszające się koszty OZE wpłyną na podobnie duży spadek ceny wytwarzania zielonego wodoru. Nawet pomimo perturbacji związanych z koronawirusem w pierwszej połowie 2020 r. światowe inwestycje na morskie farmy wiatrowe (off-shore) były czterokrotnie wyższe niż rok temu. Ich łączna wartość wyniosła 35 mld dolarów. Co ważne, to właśnie off-shore jest najczęściej wymieniany w kontekście produkcji wodoru na kontynencie europejskim.

Raport Międzynarodowej Agencji Energii (IEA) z zeszłego roku, The Future of Hydrogen, potwierdza korelację. Według ekspertów IEA koszt produkcji wodoru z OZE może spaść aż o 30% do końca obecnej dekady. Będzie to jednak spowodowane nie tylko obniżką ceny energii ze źródeł odnawialnych, ale także efektem skali, który zmniejszy koszty dzięki większej popularności tej technologii w naszej rzeczywistości.

To dopiero początek wodorowej ścieżki

Jednym z głównych problemów wodoru, stojącym na przeszkodzie jego dotychczasowemu rozwojowi, jest jego niższa gęstość energii w stosunku do tradycyjnych paliw kopalnych. Innymi słowy, mniej energii można uzyskać z tej samej jednostki objętości. Co więcej, wodór przeważnie nie występuje w stanie wolnym i do wykorzystania go w celach energetycznych konieczne jest jego wcześniejsze wydzielenie. Do tego potrzebna jest duża ilość energii. Wodoru nie wystarczy jedynie fizycznie wydobyć spod ziemi, jak ropę lub gaz.

Kolejnym wyzwaniem jest magazynowanie i transport już otrzymanego nośnika energii. Ze względu na wysoką dyfuzyjność wodoru, wspomnianą niską gęstość energii, wyższy od gazu współczynnik przenikalności, stosunkowo wysoką wybuchowość i palność koszty magazynowania i transportu są nadal wysokie.

Wodór magazynuje się głównie w dwóch stanach – gazowym i ciekłym. Ten skompresowany można przechowywać w dawnych złożach ropy lub gazu, w wyjątkowo szczelnych kawernach solnych lub w podziemnych zbiornikach metalowych, które obecnie służą do magazynowania gazu ziemnego. Trzeba jednak pamiętać, że o ile do składowania wodoru można często wykorzystać zbiorniki gazowe, to już samo jego sprzężenie jest kosztowne ze względu na konieczność wyższego ciśnienia niż przy kompresji gazu ziemnego. Natomiast upłynnienie wodoru (pozwalające na zwiększenie gęstość energii) ze względu na elektrochłonność i konieczność użycia specjalnej izolacji wiąże się z jeszcze większymi kosztami.

Chociaż ambitne narodowe cele dotyczące wodoru, które postulują m.in. Niemcy, Holandia i Austria, są efektowne, to jest to w pewnym sensie zaczynanie od końca. W pierwszej kolejności konieczne jest stworzenie odpowiedniej infrastruktury transportowo-magazynowej.

W maju francuski operator dystrybucji gazu, GRTgaz, podpisał porozumienie z niemieckim odpowiednikiem, Creos Deutschland, dotyczące inwestycji w przekształcenie obecnej infrastruktury gazowej do przesyłu czystego wodoru. W ramach projektu MosaHYc (Mosel Saar HYdrogen Conversion) 70 km przekształconych rurociągów będzie łączyć region Saary w Niemczech z francuskim Lorraine i Luksemburgiem. Projekt jest pionierski ze względu na to, że dotychczas w celu przesyłu wodoru rurociągami jedynie domieszkowano go do gazu ziemnego do poziomu maksymalnie ok. 20%, dzięki czemu można było bez dużych inwestycji transportować wodór.

Energetyczny most łączący kontynenty

Transport i magazynowanie wodoru to nie tylko zagrożenie, ale i szansa. Wielu pokłada nadzieję w tym procesie i widzi w nim odpowiedź na odwieczny problem magazynowania energii elektrycznej. Wykorzystanie nadwyżek z OZE do produkcji wodoru może pomóc w zbilansowaniu systemu elektroenergetycznego i być rozwiązaniem eliminującym największą słabość źródeł odnawialnych – brak stabilności wytwarzania. Wodór można przesłać w postaci gazowej lub ciekłej, np. z Afryki Północnej, gdzie może być produkowany na farmach fotowoltaicznych. Dla solarów są tam dużo lepsze warunki niż w Europie. Przesył na ogromne odległości poprzez rurociągi czy statki byłby w tym wypadku tańszy i mniej stratny niż poprzez tradycyjne sieci elektroenergetyczne.

Nowa unijna strategia może dodatkowo dać szansę rozwoju międzynarodowym wodorowym połączeniom. Stymulacja popytu w celu spopularyzowania technologii przy mało realnym zapewnieniu odpowiedniej podaży z europejskich źródeł najprawdopodobniej będzie wymagała importu wodoru z zewnątrz. Niemcy już teraz starają się zbudować międzykontynentalne relacje energetyczne. Berlin w czerwcu podpisał umowę z rządem Maroka na budowę 100 MW elektrowni ze źródeł odnawialnych, dedykowaną do produkcji zielonego wodoru. Maroko może być modelowym przykładem pozyskiwania energii odnawialnej ze względu na szczególnie atrakcyjne położenie – duże nasłonecznienie i silne, stabilne podmuchy wiatru, dzięki którym kilka tamtejszych farm lądowych wykazuje efektywność na poziomie morskich turbin wiatrowych.

Panaceum na wysokoemisyjny transport?

Nie tylko energetyka może zyskać na rozwoju wodoru. Największa przyszłość dla jego zielonej odmiany jawi się w przemyśle, w szczególności w wysokoemisyjnych sektorach chemicznym, rafineryjnym i produkcji stali. Wodór może zastąpić diesel w generatorach (m.in. w zasilaniu awaryjnym) i transporcie ciężkim, czyli, ogólnie rzecz biorąc, w tych gałęziach, które są trudne do elektryfikacji.

Ørsted i Lotnisko w Kopenhadze dołączyły do konsorcjum, do którego należ gigant transportu morskiego – Maersk – i firma lotnicza SAS. Projekt ma na celu zrobienie z Kopenhagi centrum rozwoju wodoru jako paliwa dla transportu. Zakłada on trzy fazy rozbudowy. Do 2023 r. ma powstać elektrolizer o mocy 10 MW, produkujący wodór dla autobusów i ciężarówek. 4 lata później moc zostanie zwiększona aż do 250 MW, a potrzebna energia ma płynąć z morskiej farmy wiatrowej niedaleko Bornholmu. Równolegle rozwój technologii CCS ma pomóc w produkcji metanolu do paliwa lotniczego.

W 2030 r. po zakończeniu projektu wydolność infrastruktury powinna wynieść 1.3 GW, co pozwoli na produkcję 250 tys. ton paliwa dla różnych form transportu w mieście. Twórcy projektu liczą, że lotnisko w Kopenhadze w 2030 r. będzie wykorzystywać 30% czystego paliwa.

Kolejnym postulowanym wykorzystaniem wodoru jest zasilanie samochodów, o którym mówi wydany już dwa lata temu raport Centrum Analiz Klubu Jagiellońskiego, Z prądem czy pod prąd? Perspektywy rozwoju elektromobilności w Polsce. Jednak mimo podwojenia się sprzedaży aut wodorowych w ciągu ostatniego roku i prowadzonych prowodorowych kampanii koncernów samochodowych optymizm w tej branży jest mniejszy. Jedynie 0,5% sprzedawanych aut o małym śladzie węglowym jest zasilanych wodorem. Samochody mogą tankować tylko na 470 dedykowanych dla nich stacjach na całym świecie. Brak stacji ładowania wodoru, a to się najprawdopodobniej nie zmieni, dopóki samych pojazdów jest niewiele, jest szczególnie uciążliwy, gdyż w przeciwieństwie do aut elektrycznych nie można doładować takich samochodów na przydomowym podwórku.

Jednak ten argument traci na znaczeniu, jeśli weźmiemy pod uwagę dalekodystansowe auta ciężarowe. Tutaj przyszłość jawi się w jaśniejszych barwach. Wodór ma większą gęstość energii od tradycyjnych samochodowych baterii, co oznacza, że zbiorniki wodorowe o tej samej objętości co bateryjne odpowiedniki pozwalają na dużo większy zasięg. Wodór skompresowany do 700 atm posiada od 2 do 5 razy więcej energii niż bateria litowo-jonowa na każdy litr. W kwietniu Daimler i Volvo zainwestowały 1,2 mld euro we wspólny projekt ogniw paliwowych dla ciężarówek.

Kolejnym możliwym zastosowaniem jest transport kolejowy. W 2018 r. francuski gigant – Alstom – przeprowadził z sukcesem premierowe użytkownie dwóch wodorowych pociągów. Za wyznacznik sporego potencjału wodoru na kolei mogą posłużyć trudności w elektryfikacji odludnych terenów. W 2018 r. tylko 40% sieci kolejowej w Wielkiej Brytanii było zelektryfikowanych. Europejska średnia wynosi jedynie 54%.

Strategia dla neutralnej klimatycznie Europy

Jak na powyższe szanse i zagrożenia zapatruje się Unia Europejska? 22 maja europejscy giganci energetyczni – m.in. Enel, Iberdola, Orsted, EDP i Vestas – wystosowali do Komisji Europejskiej apel, aby za priorytet w postpandemicznej odbudowie gospodarki uznać inwestycje w technologie zielonego wodoru. KE odpowiedziała na niego pozytywnie w swojej Strategii wodorowej dla klimatycznie neutralnej Europy.

UE za priorytet i dalekosiężny cel uznaje wodór wytwarzany ze źródeł odnawialnych. W dokumencie potwierdzono zapisany w Nowej Strategii Przemysłowej dla Europy plan budowy 6 GW elektrolizerów do 2024 r. i co najmniej 40 GW mocy do 2030 r. z wielkich, zielonych fabryk dedykowanych temu nośnikowi energii.

Wodór ma pomóc w uzyskaniu neutralnej klimatycznej europejskiej gospodarki do 2050 r. UE widzi szczególną rolę tej technologii w sektorach, gdzie elektryfikacja jest trudna do osiągnięcia lub tam, gdzie dotychczas konieczne było użycie paliw kopalnych.

Przewidywane w strategii wydatki mogą spowodować zawrót głowy. Od 24 do 42 mld euro na elektrolizery, 220-340 mld euro na farmy wiatrowe i fotowoltaikę (dedykowane do produkcji wodoru) i 65 mld euro od 2030 r. na inwestycje w transport i magazynowanie wodoru.

KE nie zamyka się na produkcję wodoru z gazu w okresie przejściowym, ale przy założeniu, że będzie wykorzystywana technologia przechwytywania dwutlenku węgla. Właśnie w te innowacyjne rozwiązania planowane są inwestycję na kwotę 11 mld euro. Jest to odpowiedź na głos wyrażony m.in. przez Międzynarodowe Stowarzyszenie Producentów Gazu i Ropy (IOGP), których eksperci przestrzegali przed inwestycją tylko w zielony wodór, który na ten moment jest bardzo małą częścią rynku. Podkreślali potrzebę zbudowania fundamentów pod transformację poprzez wykorzystanie w okresie przejściowym energii jądrowej, energetyki wodnej czy też gazu.

KE, aby zachęcić do inwestycji w nisko-węglowy wodór, zastanawia się nad zmniejszeniem wyłączenia produkcji szarego wodoru z systemu ETS (Emissions Trading System). Problem polega na tym, że stworzenie nieproporcjonalnie dużego popytu bez zagwarantowania odpowiedniej podaży neutralnego klimatycznie wodoru może spowodować nieumyślną promocję mniej przyjaznego środowisku, tańszego szarego wodoru, który nie zbliża Europy do ekologicznych rozwiązań.

Strategie na poziomie narodowym

Komisja Europejska nie jest bynajmniej pionierem w legislacji związanej z bardziej ekologicznym wodorem. Przykładowo Francja już postawiła sobie za cel 10% zielonego wodoru w przemyśle do 2023 r. i 20-40% do 2028 r. Kwestia wodoru wybrzmiała także w parlamencie niderlandzkim 30 marca br., gdy została przedstawiona rządowa strategia wodorowa.

Holendrzy widzą w wodorze szansę dla rozwoju gospodarczego poprzez rozbudowę portu w Rotterdamie, który miał się stać strategicznym hubem dla transportu tego surowca drogą morską. Wodór miałby przypływać do największego portu Europy i być eksportowany przez specjalnie przygotowane do tego rurociągi w głąb Europy (taki sposób określono w dokumencie jako najtańszy).

Niderlandzka koncepcja dla Rotterdamu idzie w ślady rekomendacji raportu IEA, który został przygotowany na zeszłoroczny szczyt G20 w Osace. Dokument określał jako jedne z pożądanych do rozwoju branży inwestycji przekształcenie już istniejących nadbrzeżnych klastrów przemysłowych w hub tańszego i niskowęglowego wodoru. Według analityków Międzynarodowej Agencji Energii już na samym początku obniży to koszty inwestycji w infrastrukturę transportową. Wyprodukowany wodór jest wówczas zużywany na miejscu lub w niedalekim sąsiedztwie, na początku m.in w przemyśle rafineryjnym i produkcji stali. Nadbrzeżna lokalizacja umożliwi dostęp do morskich farm wiatrowych i przyszłego handlu morskiego wodorem, m.in. na Daleki Wschód, gdzie Japonia, Korea i Chiny są światowymi liderami w rozwoju technologii wodorowej i wyznaczają sobie ambitne cele do osiągnięcia do 2030 r.

10 czerwca br. Niemcy ogłosiły swoją narodową strategię wodorową, w ramach której do 2030 r. produkcja ma wynosić do 5 GW, a 10 lat później do 10 GW. 7 mld euro wpompowane w rozwój niemieckich firm i ich badania mają spowodować zwiększenie popytu na ten surowiec i poprzez dynamiczny rozwój sektora ciągle zmniejszać jego koszty. Kolejne 2 mld euro mają zostać przeznaczone na utworzenie globalnego rynku zielonego wodoru, w którym to Berlin chce zająć pole position. Strategia promuje zielony wodór, ale tak samo jak unijny odpowiednik dopuszcza niebieski i turkusowy wodór w okresie przejściowym. Zbieżność dokumentów na linii Berlin-Bruksela prawdopodobnie nie jest przypadkowa ze względu na rozpoczętą 1 lipca niemiecką prezydencję w Radzie Unii Europejskiej.

Czy Polska zarobi na wodorze?

Polska jest jednym z europejskich liderów produkcji wodoru. Nad Wisłą wytwarza się aż 14% zapotrzebowania UE na ten pierwiastek. Jednak jest to prawie w całości szary odpowiednik. 7 lipca pod listem intencyjnym w sprawie budowy polskiej gospodarki wodorowej podpisali się przedstawiciele Ministerstwa Klimatu i 17 polskich podmiotów, m.in. Gaz-System, PGNiG, Grupa Azoty, PKN Orlen i Grupa LOTOS. Sygnatariusze deklarują wspólny wysiłek w podjęcie badań i rozwoju związanych z gospodarką wodorową w naszym kraju. Komentując to wydarzenie, minister Michał Kurtyka zapowiedział, że jesienią do konsultacji trafi rządowa Strategia wodorowa do roku 2030, w której prawdopodobnie będzie zapisany m.in. cel wybudowania wodorowych instalacji o mocy produkcyjnej 2-4 GW.

Nie są to jedynie nic nieznaczące zapowiedzi. Już w maju swój program wodorowy ogłosiło PGNiG. Jednym z jego najciekawszych punktów jest wybudowanie zamkniętej wodorowej sieci w Odolanowie do 2022 r. i elektrowni fotowoltaicznej na potrzeby produkcji wodoru. Grupa Lotos (w ramach projektu HESTOR) już trzy lata temu prowadziła projekt magazynowania wodoru w kawernach solnych.

Problemem, który może spowolnić rozwój technologii wodorowych w Polsce, pozostaje kwestia jego transportu. Nasza sieć gazociągów jest przestarzała – ok. 50% ma 36 lat, a poniżej 5 lat tylko 10%, co bynajmniej nie napawa optymizmem co do ich szczelności, tak kluczowej w kontekście wodoru.

***

Wszystko wskazuje na to, że czeka nas wielka wodorowa ofensywa w całej Europie. Szczególnie duże nadzieje są pokładane w możliwości magazynowania energii wyprodukowanej z niestabilnych, ale jakże popularnych źródeł odnawialnych. Także w przemyśle wodór może stanowić alternatywę dla paliw kopalnych. Tam, gdzie elektryfikacja jest trudna do przeprowadzenia, tam ma on największą przyszłość – w produkcji stali, sektorze rafineryjnym czy transporcie ciężkim. Jednak trzeba pamiętać, że dopiero zaczynamy tę podróż. Ambitne cele, głośne deklaracje i oszałamiające kwoty nie powinny przysłaniać nam szarej rzeczywistości, w której udział zielonego wodoru nie przekracza paru procent rynku. Polska powinna dać się ponieść nurtowi europejskiej, wodorowej ekscytacji, ponieważ planowane inwestycje są zbyt duże, aby do nich nie dołączyć. Inaczej ponownie będziemy skazani na doganianie Europy Zachodniej, nawet gdy na starcie nie stoimy na przegranej pozycji. Tym razem nie będziemy mogli obwinić spadku komunistycznej przeszłości za nasze zapóźnienie. Tylko my, nikt inny, będziemy temu winni.

Anglojęzyczna wersja materiału do przeczytania tutaj. Wejdź, przeczytaj i wyślij swoim znajomym z innych krajów!