Polska skazana na wodór?

Wodór może stać się fundamentem światowej gospodarki w perspektywie kilku dekad. Szczególnie duże nadzieje są pokładane w możliwości magazynowania energii wyprodukowanej ze źródeł odnawialnych. Także w przemyśle wodór może stanowić alternatywę dla paliw kopalnych. Czas pokaże, w jakim stopniu będziemy w stanie go użyć w gospodarce, ale warto próbować wykorzystać obecne nastroje do budowy neutralności i innowacyjności polskiej gospodarki, która może w ten sposób się rozwinąć niezależnie od końcowego sukcesu (lub jego braku) technologii wodorowych.

[POBIERZ PUBLIKACJĘ CENTRUM ANALIZ KLUBU JAGIELLOŃSKIEGO „ZIELONY KONSERWATYZM. WYZWANIA I REKOMENDACJE W 10 KLUCZOWYCH OBSZARACH”]

Gospodarka wodorowa stała się jednym z najmodniejszych zagadnień w debatach o neutralności klimatycznej. Nie po raz pierwszy. Pomysł zastąpienia wodorem paliw kopalnych zyskał popularność już w latach 70. XX w. po kryzysie naftowym, gdy uzależnienie od ropy (i jej ceny) mocno odbiło się na kondycji zachodnich gospodarek. Kolejną wyraźną falę zainteresowania można było obserwować 20 lat temu, kiedy rodził się zinstytucjonalizowany międzynarodowy ruch walki ze zmianami klimatycznymi.

Obecnie wodór nie ma jednak nic wspólnego z walką z globalnym ociepleniem. Według Międzynarodowej Agencji Energii (IEA) produkcja wodoru odpowiada za wydzielanie do atmosfery 830 mln ton dwutlenku węgla rocznie – co jest porównywalne do łącznych emisji Wielkiej Brytanii i Indonezji.

Dlaczego więc jest to tak popularny temat w klimatycznych dyskusjach? Wodór to najpowszechniejszy pierwiastek na Ziemi, odznaczający się wysoką gęstością energii w każdej jednostce masy. Zmagazynowaną w nim energię można pozyskać (np. w procesie spalania) bez wyzwalania dwutlenku węgla do atmosfery. Można go wyprodukować z wielu źródeł, a jako nośnik energii ma szereg potencjalnych zastosowań w całej gospodarce – od magazynowania energii elektrycznej po produkcję stali. To głównie z tego powodu wodór jest przymierzany do zastąpienia paliw kopalnych. Liczne strategie wodorowe przyjmowane na poziomie krajowym, a także ta przygotowana przez Komisję Europejską na szczeblu paneuropejskim, sprawiają, że tym razem wodór może rzeczywiście stać się fundamentem światowej gospodarki w perspektywie kilku dekad.

Skąd się bierze wodór?

Wciąż niewielka popularność wodoru wynika w głównej mierze z wyjątkowej energochłonnością jego produkcji, kosztownego magazynowania, trudności w zapewnieniu bezpieczeństwa i braku woli politycznej do drastycznej dekarbonizacji gospodarki. Wodór praktycznie nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym – konieczna więc jest jego ekstrakcja ze związków chemicznych (m.in. z wody, metanu, amoniaku). Finalna emisyjność tego nośnika energii zależy od stopnia wyzwalania gazów cieplarnianych w trakcie produkcji, a ta obecnie opiera się w 99% na paliwach kopalnych i wykorzystuje się do niej 6% światowego wydobycia gazu ziemnego i 2% węgla.

Wodór może zostać wyprodukowany m.in. w procesie reformingu parowego węglowodorów, zgazowania węgla lub biomasy oraz w wyniku elektrolizy. Powstaje również jako produkt uboczny w procesach rafineryjnych. Analizy poświęcone gospodarce wodorowej często do uwidocznienia metody produkcji i jej emisyjności przypisują wodorowi kolor. Choć prawdopodobnie lepszym podejściem byłoby używanie liczbowych poziomów emisji, to do plastycznego opisu możliwości produkcji terminologia ta jest pożyteczna.

Najpopularniejszą metodą produkcji jest wykorzystanie paliw kopalnych – gazu ziemnego i węgla. Wówczas wodór jest określany publicystycznie barwą szarą. Kolorem niebieskim opisywany jest wodór uzyskany z wykorzystaniem gazu ziemnego i technologii sekwestracji CO₂ (wychwytywania i składowania dwutlenku węgla, CCS). Wodór, do którego produkcji wykorzystano energię elektryczną z elektrowni jądrowych, zazwyczaj kojarzony jest fioletem. Kolorem turkusowym określa się wodór uzyskany za pomocą pirolizy metanu z technologią wychwytywania i utylizacji dwutlenku węgla (CCU).

Docelowym rozwiązaniem w neutralnej klimatycznie gospodarce ma być wykorzystywanie wyłącznie tzw. zielonego wodoru, który jest wolny od emisji dwutlenku węgla w trakcie produkcji. Zeroemisyjność zapewnia wykorzystanie energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych do zasilenia elektrolizerów, które w procesie elektrolizy rozbijają cząsteczki wodoru od tlenu.

Na razie jest to jednak technologia niszowa, której zastosowanie według Wood Mackenzie nie przekracza 1% z całego wyprodukowanego na świecie wodoru.

W pogoni za efektem skali

Dlaczego „zielony” wodór jest tak rzadki? Winne są wysokie koszty. Rozbicie mocnych wiązań H-O wody w procesie elektrolizy wymaga dużego nakładu energii elektrycznej, która musi pochodzić ze źródeł odnawialnych. Według szacunków Międzynarodowej Agencji Energii produkcja wodoru przy wykorzystaniu energii z OZE jest nawet 3 razy droższa od produkcji wykorzystującej paliwa kopalne.

Tabela 1. Ceny produkcji wodoru z wykorzystaniem różnych technologii

Źródło: IEA, The Future of Hydrogen, czerwiec 2019 (https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen)

Obecne wysokie ceny pozyskiwania zielonego wodoru wcale nie oznaczają, że będzie tak zawsze. Koszt produkcji zależy w głównej mierze od cen prądu z OZE oraz elektrolizerów; można oczekiwać, że wraz z zapowiedzianą popularyzacją technologii bezemisyjnych ten koszt będzie spadać.

Jak podaje Paweł Musiałek w rozdziale poświęconym energetyce, koszt wytworzenia energii elektrycznej LCOE (Levelized Cost of Energy) fotowoltaiki spadł w latach 2010-2019 o 82%, a wiatrowego odpowiednika na lądzie o 39%. Nawet pandemia koronawirusa i ogólna gospodarcza niepewność nie zatrzymała rozwoju OZE. Według autorów raportu IEA Renewables 2020. Analysis and forecast to 2025 między styczniem a październikiem 2020 r. padł nowy rekord wielkości mocy światowych aukcji OZE, która była o 15% większa względem poprzedzającego roku. Ponadto w pierwszej połowie 2020 r. (względem I poł. 2019 r.) czterokrotnie wzrosły inwestycje w morskie farmy wiatrowe (offshore) i wyniosły 35 mld dolarów. To szczególnie ważne, ponieważ bardzo często to offshore jest wymieniany w kontekście budowy instalacji produkujących bezemisyjny wodór w Europie.

Według Wood Mackenzie tylko między sierpniem 2019 a wrześniem 2020 ogłoszono projekty związane z zielonym wodorem na łączną moc 11,5 GW. Według wyliczeń ekspertów BNEF w 2050 r. prognozowany jest spadek ceny zielonego wodoru globalnie nawet poniżej 1.6 USD/kg – czyli poniżej kosztu niebieskiego odpowiednika (z gazu ziemnego przy wykorzystaniu technologii CCS).

Jeszcze niższe ceny mogą obowiązywać w Unii Europejskiej już w 2030 r., jeżeli uda się zrealizować cele Strategii wodorowej dla klimatycznie neutralnej Europy. W takim scenariuszu BNEF przewiduje spadek ceny zielonego wodoru do 2030 r. aż o 60%, do poziomu 1,5 USD/kg. Warto jednak podkreślić, że ten unijny cel jest niezwykle wymagający – największy elektrolizer obecnie w budowie w UE ma moc jedynie 10 MW. Dodatkowym czynnikiem zwiększającym konkurencyjność tej technologii jest jednak przewidywany wzrost cen produkcji z wykorzystaniem paliw kopalnych.

Tegoroczny raport Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej (IRENA) World Energy Transitions Outlook. 1.5°C Pathway, przy założeniu transformacji energetycznej osiągającej cel maksimum porozumienia paryskiego – zatrzymania średniego wzrostu temperatury na świecie do końca obecnego wieku do 1,5°C względem poziomów przedindustrialnych – przyjmuje, że do 2050 r. wodór i jego pochodne będą zapewniać aż 12% całkowitego zużycia energii na świecie. Ten ambitny cel będzie wymagał ogromnego skoku mocy elektrolizerów z poziomu zainstalowanych obecnie na świecie 0,3 GW do 5 000 GW za 30 lat.

Taki scenariusz implikuje ogromne zapotrzebowanie na energię elektryczną ze źródeł odnawialnych do zasilenia elektrolizerów, gdy ta technologia zostanie już wyskalowana i w pełni rozwinięta. Wiele państw w perspektywie do 2050 r. będzie miało problemy z zainstalowaniem wystarczających mocy OZE, aby pokryć nawet obecne potrzeby energetyczne. Popularyzacja zielonego wodoru znacząco tę poprzeczkę dodatkowo podniesie. Odpowiedzią w przyszłości może się stać wykorzystanie elektrowni jądrowych do jego produkcji.

Warto też podkreślić problem dużych zasobów wodnych koniecznych do produkcji wodoru w procesie elektrolizy – w Polsce może być to wyzwaniem ze względu na coraz dłuższe okresy suszy.

Magazynowanie i przesył wodoru

Po wyprodukowaniu wodoru kolejnym wyzwaniem jest jego magazynowanie i przesył. Będąc gazem, ten nośnik energii jest problematyczny ze względu na niską wolumetryczną gęstość energii w porównaniu do paliw kopalnych – mniej energii znajduje się w tej samej jednostce objętości. Sprzężenie wodoru jest kosztowne i wymaga dużych nakładów energii ze względu na konieczność wyższego ciśnienia niż przy kompresji gazu ziemnego. Co więcej, małe rozmiary cząsteczki mogą wykorzystać wszelkie nieszczelności i są potencjalnym zagrożeniem dla bezpieczeństwa ze względu na stosunkowo wysoką wybuchowość i palność wodoru.

Według danych BNEF najbardziej opłacalnym kosztowo sposobem przechowywania wodoru w stanie gazowym przy dużych objętościach, w cyklach tygodniowo-miesięcznych, jest wykorzystanie kawern solnych (0,23 USD/kg), ale ich wadą jest geograficzne uwarunkowanie. Innymi potencjalnie opłacalnymi (choć na razie droższymi) magazynami wodoru są wyczerpane złoża gazu i ropy.

Alternatywą dla powyższych rozwiązań nie jest na razie skroplenie wodoru, które, choć zapewnia znacząco większą gęstość, wymaga obniżenia temperatury poniżej -240°C, co pochłania ok. 36% zmagazynowanej w nim energii i wymusza przechowywanie w bardzo niskiej temperaturze.

Kolejnym problemem jest dostarczenie wodoru do odbiorcy – kłopotliwe i generujące straty. Dlatego najlepszym rozwiązaniem jest zużycie wodoru na miejscu lub w najbliższym sąsiedztwie jego produkcji.

Wodór można w pewnych ilościach (do 20%) domieszkować do gazu ziemnego (retrofitting) albo, wykorzystując dwutlenek węgla, przekształcić wodór w metan i dystrybuować odpowiednio przygotowanymi gazociągami. W kwietniu br. 23 operatorów sieci gazowej z 21 państw (w tym polski Gaz-System) wraz z firmą Guidehouse przedstawiło możliwości inicjatywy European hydrogen backbone. Projekt zakłada budowę nowych połączeń gazowych lub dostosowanie obecnych rurociągów (repurposing) do przesyłu czystego wodoru. Do 2040 r. aż 40 tys. kilometrów rurociągów w Europie ma być przystosowane do tego celu. W raporcie wyróżniono m.in. Baltic Pipe (budowany obecnie gazociąg z Norwegii do Polski) jako jeden z potencjalnych odcinków, na którym mógłby popłynąć czysty wodór.

Ciekawą koncepcją zawartą w raporcie Esperis, którą warto rozważyć w przyszłości, jest postawienie na priorytetową rozbudowę i przebudowę gazociągów na potrzeby przesyłu wodoru z Ukrainy do Niemiec. Nasz wschodni sąsiad widzi duże szanse w produkcji bezemisyjnego wodoru z OZE i niskoemisyjnego z elektrowni jądrowej, który miałby być eksportowany na Zachód. Kijów do 2030 r. planuje budowę elektrolizerów o mocy 10 GW (co stanowi aż ¼ mocy planowanej w całej UE) ze względu na potencjał rozwoju OZE, własne zasoby gazu i infrastrukturę gazową umożliwiającą przesył na Zachód.

Rozwój tej gałęzi gospodarki na Ukrainie może stanowić szansę także dla Polski, z kolei ewentualne zaniedbania w odpowiednich połączeniach gazowych na naszym terytorium mogą wykorzystać Czechy i Słowacja, stając się wodorowym szlakiem z Ukrainy do Niemiec.

Transport drogą morską zbiorników ze skroplonym wodorem jest na najbardziej wstępnym etapie rozwoju. W niemieckich planach na poziomie koncepcyjnym pojawia się idea transportu zielonego wodoru z zamorskich państw o dobrych warunkach pogodowych dla OZE (jak np. Maroko i Australia). Realizacja takich koncepcji będzie jednak najprawdopodobniej przez najbliższe dekady wyjątkowo droga i wiążąca się z wieloma wyzwaniami. Sam pomysł warto jednak brać pod uwagę przy budowie dolin wodorowych w Polsce, aby chociaż jedna z nich (np. w Gdańsku) mogła wziąć udział w morskim handlu, jeżeli transport wodoru i jego pochodnych tą drogą rozwinie się w przyszłości.

Do czego przyda nam się wodór?

Energetyka

Głównym czynnikiem, któremu wodór zawdzięcza dzisiejszą popularność, jest rozwój odnawialnych źródeł energii. OZE ze względu na swoją specyfikę są niestabilnym źródłem energii elektrycznej i potrzebują rezerwy w źródłach konwencjonalnych. Rozwiązaniem dla tego problemu może być magazynowanie energii elektrycznej, np. za pomocą elektrowni szczytowo-pompowych (PHS), dużych akumulatorów litowo-jonowych i właśnie wodoru.

Wykorzystanie nadwyżek wytwarzania energii z OZE do produkcji zielonego wodoru i jego magazynowanie (zwłaszcza w dłuższych okresach, jako że w cyklach dobowych to akumulatory litowo-jonowe mogą być bardziej efektywnym energetycznie rozwiązaniem) może w przyszłości umożliwić zbilansowanie systemu elektroenergetycznego i zlikwidować konieczność dużych rezerw w elektrowniach bazujących na paliwach kopalnych.

Ta metoda również wiąże się ze stratami. Według eksperta Massachusetts Institute of Technology Energy Initiative, Dharika Mallapragada, pełny cykl od wykorzystania energii elektrycznej do produkcji wodoru po jego przekształcenie z powrotem do sieci wiąże się z 60-procentową stratą energii. Równocześnie podkreśla, że przy możliwych stratach nadwyżki prądu z OZE na poziomie 100%, wynik 40% zmagazynowanej energii, zwłaszcza na dłuższy okres, wcale nie jest zły i nie musi oznaczać nieopłacalności.

Z ekonomicznego punktu widzenia najbardziej efektywne są elektrolizery zasilane ze specjalnych instalacji OZE. Przy wdrażaniu gospodarki wodorowej na szeroką skalę urządzenia te będą musiały działać nie tylko wtedy, gdy wystąpią nadwyżki np. w morskich farmach wiatrowych, dlatego będą musiały mieć zarezerwowane tylko dla siebie moce OZE, co wiąże się z jeszcze większym obciążeniem systemu elektroenergetycznego.

Przemysł

Bezemisyjnemu wodorowi największą przyszłość wróży się w gałęziach przemysłu, których nie można zelektryfikować. Jego szara odmiana jest już wykorzystywana w przemyśle na szeroką skalę. Dekarbonizacja choćby produkcji stali pozwoliłaby ograniczyć globalne emisje nawet o 9%.

Założone w 2016 r. joint venture HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology), w którym biorą udział SSAB, LKAB i Vattenfall, planuje w tym roku rozpocząć w północnej Szwecji testy wykorzystywania zielonego wodoru do bezemisyjnej produkcji stali. Elektrolizery mają zostać zasilone z elektrowni wodnej. Sukces testów będzie oznaczał budowę pionierskiego zakładu, umożliwiającego bezemisyjną produkcję stali już w 2026 r. Inicjatywa HYBRIT ma na celu wprowadzenie procesu pełnoskalowej produkcji stali w Szwecji i Finlandii bez wykorzystania paliw kopalnych do 2035 r.

Jednak także w tym sektorze stoją przed innowatorami wyzwania. Według wyliczeń firmy SSAB nowa technologia będzie oznaczała koszty wyższe nawet o 30%. Jeszcze bardziej pesymistyczny w szacunkach jest Aditya Mittal, przedstawiciel największego producenta stali w Europie, ArcelorMittal, podkreślając w rozmowie z Financial Times, że jego firma posiada know-how konieczny do produkcji stali w sposób neutralny klimatycznie do 2050 r. – tańszą metodę z wykorzystaniem biomasy i CCS oraz droższą wykorzystującą zielony wodór w procesie DRI – ale będę one oznaczały zwiększenie kosztów produkcji o 30 do 80% i potrzebę inwestycji na poziomie 40 mld USD do 2050 r.

Transport

Spore oczekiwania wiążą się z wykorzystaniem wodoru do dekarbonizacji transportu. Firma Ørsted, port lotniczy w Kopenhadze, gigant transportu morskiego Maersk i linia lotnicza SAS utworzyły w zeszłym roku konsorcjum, które ma na celu transformację Kopenhagi w centrum rozwoju wodoru jako paliwa dla autobusów i ciężarówek. Równolegle rozwój technologii CCS ma pomóc w produkcji metanolu do paliwa lotniczego. W 2030 r. po zakończeniu projektu wydolność infrastruktury ma wynieść 1,3 GW, a udział zrównoważonego paliwa na lotnisku w Kopenhadze 30%.

1. Drogowy

Szansę na szeroką komercjalizację na drogach mają dalekodystansowe pojazdy ciężarowe. Wodór ma większą gęstość energii od tradycyjnych samochodowych baterii. Zbiorniki wodorowe o tej samej objętości co bateryjne odpowiedniki pozwalają na większy zasięg. Na stałych trasach z punktu A do punktu B (np. w przypadku autobusów), które omijałyby problem słabo rozpowszechnionej sieci stacji ładowania, upowszechnienie pojazdów napędzanych wodorem wydaje się realne.

Jednak i w tym zastosowaniu wodór ma znaczące wady. Choć Bloomberg NEF przewiduje, że do 2031 r. wodorowe ciężarówki mogą być tańsze w eksploatacji od dieslowych pojazdów, to równocześnie podkreśla, że będzie to zastosowanie wyjątkowo trudne do wyskalowania i konieczne do tego będzie 105 mld USD w formie subsydiów dla sektora.

Należy także pamiętać o zapewnieniu odpowiedniego bezpieczeństwa w technologii, która dotychczas była mocno scentralizowana, a w rozważanym scenariuszu miałaby trafić do pojedynczych, nieprzeszkolonych odbiorców, co dodatkowo podwyższa koszty. Rozwiązania bateryjne w opinii ekspertów BNEF, m.in. w transporcie szynowym, najprawdopodobniej będą finalnie tańsze i skomercjalizowane na szerszą skalę.

Stanowczym przeciwnikiem pojazdów wodorowych jest m.in. prezes Volkswagena, który wskazuje na duże straty energii w skraplaniu wodoru, a także w samych ogniwach paliwowych, których efektywność określa na 70%. Z drugiej strony Daimler i Volvo sfinalizowały transakcję tworzącą wspólne joint venture, na które przeznaczą łącznie 1,2 mld euro – celem jest rozwój ogniw paliwowych, m.in. w pojazdach ciężarowych zasilanych wodorem.

Zastosowanie wodoru w pojazdach ciężarowych i dalekodystansowych wciąż jest możliwe, choć w tej branży coraz bardziej prawdopodobne jawi się postawienie na niezwykle dynamicznie rozwijające się rozwiązania bateryjne. W tym duchu była niedawna wypowiedź prezesa grupy Stellantis (powstałej po fuzji PSA z Fiat Chrysler) Carlosa Tavaresa dla Financial Times, w której to określił zwolenników wodorowych pojazdów osobami niebędącymi na czasie z postępem w rozwoju akumulatorowo zasilanych napędów.

Warto wreszcie wspomnieć, że ewentualny światowy kryzys dostaw metali rzadkich, koniecznych w produkcji akumulatorów litowo-jonowych, może stworzyć warunki dla renesansu pojazdów FCEV.

2. Szynowy

Wodór może być panaceum dla problemu elektryfikacji kolei. Europejska średnia zelektryfikowania sieci kolejowej wynosi jedynie 54% – dla Niemiec wskaźnik ten wynosi 60%, dla Wielkiej Brytanii 40%, natomiast dla Polski 61%. Jak pisze Bartosz Jakubowski w części raportu poświęconej transportowi, wysokie koszty utrzymania trakcji spalinowej w Polsce sprawiły, że w 2018 r. 82% przewozów kolejowych (towarowych i pasażerskich łącznie) zostało wykonanych na odcinkach zelektryfikowanych.

Trudności z elektryfikacją mogą rozwiązać pociągi zasilane wodorem. Już w 2018 r. francuski Alstom przeprowadził udane testy dwóch wodorowych pociągów w Niemczech. W grudniu zeszłego roku francuski gigant zakończył z sukcesem trzy miesięczne testy swojego pociągu wykorzystującego wodorowe ogniwa paliwowe (Coradia iLint). Niemiecki konkurent, Siemens, w listopadzie ogłosił partnerstwo z niemieckim przewoźnikiem kolejowym, Deutsche Bahn, w projekcie zakładającym rozwój regionalnej sieci pociągów zasilanych wodorem wraz ich stacjami ładowania. Prototyp Siemensa ma również posiadać baterie, aby móc być zasilany na części odcinków energią elektryczną z sieci trakcyjnej. Projekt ma przejść testy w 2024 r. i potencjalnie zastąpić wszystkie dieslowskie jednostki do 2050 r.

3. Powietrzny

Lotnictwo odpowiada za 2,4% światowych emisji dwutlenku węgla, co w perspektywie neutralnie klimatycznej Europy oznacza potrzebę dekarbonizacji także tego sektora. Jednak jak na razie wodór w tym obszarze pozostaje hipotetycznym eksperymentem – więcej przed nim wyzwań niż szans. Duże jednostki będą wymagały całkowitego przeprojektowania, a i tak pomimo wysiłków finalnie wykorzystanie wodoru może ograniczyć się jedynie do najkrótszych przelotów. Grazia Vittdini z Airbusa w rozmowie z Financial Times wyklucza na ten moment nawet bezemisyjne rozwiązania w długodystansowym segmencie lotnictwa.

Wodór europejskim priorytetem

W 2020 r. strategie rozwijające gospodarkę wodorową na dobre zagościły w gabinetach europejskich przywódców. Komisja Europejska opublikowała Strategię wodorową dla klimatycznie neutralnej Europy, za priorytet uznając wodór wytwarzany ze źródeł odnawialnych.

Wodór ma pomóc w osiągnięciu neutralnej klimatycznie europejskiej gospodarki do 2050 r., a UE widzi szczególną rolę tej technologii w sektorach, w których trudna do osiągnięcia jest elektryfikacja.

Potwierdzono również cele Nowej strategii przemysłowej dla Europy: plan budowy 6 GW elektrolizerów do 2024 r. i uzyskania co najmniej 40 GW mocy OZE przeznaczonych do zasilania elektrolizerów do 2030 r. Przewidywane w strategii wydatki obejmują: 24-42 mld euro na elektrolizery, 220-340 mld euro na farmy wiatrowe i fotowoltaikę (przeznaczone do produkcji wodoru) i 65 mld euro do 2030 r. na inwestycje w transport i magazynowanie wodoru. W okresie przejściowym KE nie zamyka się na produkcję wodoru w sposób niskoemisyjny (m.in. niebieskiego wodoru).

Bruksela nie była pierwsza. Również europejskie kraje w swoich strategiach rozwojowych wskazują wodór jako paliwo przyszłości. Francja już postawiła sobie za cel 10% zielonego wodoru w przemyśle do 2023 r. i 20-40% do 2028 r. Holendrzy widzą w wodorze szansę dla rozwoju gospodarczego poprzez rozbudowę portu w Rotterdamie, który ma być strategicznym hubem dla transportu tego surowca drogą morską. Niemcy ogłosiły swoją narodową strategię wodorową, w ramach której do 2040 r. produkcja ma wynosić do 10 GW. 7 mld euro ma zostać zainwestowane w rozwój niemieckich firm i ich badania.

Czy Polska ma pomysł na wodór?

Polska jest piątym pod względem wielkości producentem wodoru na świecie, wytwarzając około 1 mln ton rocznie. Wodór jest produkowany na potrzeby przemysłu – niestety, w całości z paliw kopalnych i przy wysokiej emisyjności.

Przegląd najważniejszych polskich dokumentów pokazuje, że rządzący chcą wykorzystać wodorową falę optymizmu i mocno zainwestować w ten segment, a równocześnie starają się odzwierciedlić polską (tj. węglowo-gazową) specyfikę.

Najbardziej uderza jednak brak spójnej strategii i wskazania gałęzi w ramach bezemisyjnej gospodarki wodorowej, w których Polska miałaby się specjalizować. Oczywiście, ten zarzut należy traktować ulgowo – poważna dyskusja o wykorzystaniu wodoru w zielonej transformacji Europy trwa dopiero od niedawna.

W obowiązującym Krajowym planie na rzecz energii i klimatu na lata 2021-2030 podkreślono, że wodór ma potencjał wykorzystania w e-mobilności, transporcie drogowym, kolejowym, lotniczym i morskim. W dokumencie widać postawienie na technologie wodorowe związane z węglem, który dzięki rozwojowi gospodarki wodorowej ma zyskać drugie życie. Wszystkie zapisy odnoszące się do wodoru dotyczą ogólnej diagnozy możliwości, a nie konkretnych rekomendacji.

Na podobne bolączki cierpi Polityka energetyczna Polski do 2040 r. (PEP2040). W sekcji diagnostycznej dostrzeżono wzrost znaczenia paliw alternatywnych. Dokument podkreśla sprzyjające unijne otoczenie inwestycyjne dla technologii wodorowych. W PEP2040 szczególnie podkreśla się rolę wodoru w magazynowaniu energii, także tej pochodzącej z nadwyżek OZE.

Dokument wielokrotnie odnosi się do czystych technologii węglowych, wykorzystującej m.in. wychwyt i magazynowanie CO₂ (CCS) do produkcji wodoru. Równocześnie docelowy scenariusz rządzących, choć bez dokładnych dat i wskaźników, jest zbieżny z unijnym kierunkiem – produkcja wodoru ma odbywać się w sposób bezemisyjny z nadwyżek energii OZE. W okresie przejściowym wspierany będzie także wodór niskoemisyjny, z biometanu, gazów odpadowych, energii jądrowej lub gazu ziemnego (przy wykorzystaniu technologii pirolizy metanu i CCS/CCU).

Co ważne, w PEP2040 można znaleźć konkretne wskaźniki związane z gospodarką wodorową. Do 2030 r. sieć gazowa ma osiągnąć zdolność transportu gazu ziemnego z domieszką ok. 10% gazów zdekarbonizowanych (biometanu i wodoru). Od 2025 r. 100% nowych pojazdów kupowanych na potrzeby komunikacji miejskiej dla miast o ludności powyżej 100 tys. mieszkańców ma być bezemisyjna (bateryjna lub wodorowa), a już w 5 lat poźniej bezemisyjna ma być cała flota komunikacji miejskiej w tych miastach.

Choć wskaźniki związane z wykorzystaniem technologii wodorowych mogą je spopularyzować w transporcie, to wydaje się, że w tym segmencie jakość funkcjonowania komunikacji miejskiej jest dużo bardziej palącym problemem niż jej emisyjność. Ponadto bardzo prawdopodobnym scenariuszem jest zwycięstwo na rynku technologii bateryjnych w transporcie drogowym, a przez to wspomniane zapisy nie będą mieć przełożenia na zwiększenie skali wykorzystania wodoru.

Braki omówionych wyżej dokumentów w pewnej mierze (choć niewystarczającej) stara się uzupełnić kluczowy dokument związany z gospodarką wodorową: projekt Polskiej strategii wodorowej (PSW) do roku 2030 z perspektywą do 2040 r., który obecnie jest doprecyzowywany po zakończonych w lutym br. konsultacjach społecznych. Co istotne, podkreśla on potrzebę rozpatrywania wodoru pod kątem nie publicystycznej kolorystyki, która może hamować rozwój niskoemisyjnych technologii, a dokładnej emisyjności każdej z technologii produkcji. Nadrzędnym celem PSW ma być stworzenie polskiej gospodarki wodorowej opartej na rodzimych technologiach.

PSW zakłada 6 głównych celów: wdrożenie technologii wodorowych w energetyce (m.in. magazynów energii), wykorzystanie wodoru w transporcie publicznym, ciężkim i długodystansowym (m.in. wyprodukowanie w Polsce 2 tysięcy autobusów wodorowych do 2030 r.), dekarbonizacja przemysłu (m.in. do 2030 r. co najmniej 5 dolin wodorowych), produkcja wodoru w nowych instalacjach (m.in. elektrolizerów o mocy 2 GW do 2030 r.), sprawny i bezpieczny przesył wodoru, stworzenie stabilnego otoczenia regulacyjnego (m.in. opracowanie legislacyjnego pakietu wodorowego).

Podsumowanie koniecznych nakładów na technologie wodorowe do 2030 r. wskazuje, że na elektrolizery zostanie wydane ok. 9 mld zł, na wodorowy tabor autobusowy 4,4 mld zł, a na stacje tankowania 1,2 mld zł. Źródła tych funduszy nie są wystarczająco dookreślone, choć wskazano potencjalne programy, które mogą do tego służyć.

Jednym z pewnych źródeł finansowania PSW będzie Krajowy Plan Odbudowy i Zwiększania Odporności, który wykorzystuje unijny instrument #NextGeneration. W projekcie tego dokumentu technologie wodorowe są jednym z istotnych sektorów rozwoju, na które zostanie przeznaczone aż 797 mln euro do III kw. 2026 r. Wiele z celów w tym dokumencie pokrywa się z PSW – mowa m.in. o utworzeniu Centrum Technologii Wodorowych; powielona jest ogólna diagnoza potencjału wodoru, bez wskazania konkretnych specjalizacji dla Polski.

Cieszy nadanie wysokiej rangi tak innowacyjnemu sektorowi gospodarki, jakim są technologie wodorowe, ale niepokoi bardzo szerokie podejście do tematu gospodarki wodorowej, które stara się odnieść do szeregu różnych jej aspektów równocześnie.

W Polskiej strategii wodorowej ponownie dużo wspomniano o autobusach, a bardziej obiecującym sektorom wykorzystania wodoru – m.in. przemysłu i magazynowania energii – brakuje mapy drogowej, określenia systemu państwowego wsparcia i wskaźników na odpowiednim poziomie szczegółowości.

Cele często wydają się nieprawdopodobne do spełnienia (np. 5 dolin wodorowych do 2030 r.) i brakuje analizy ich realności. Zastanawia również, w jaki sposób przy obecnym miksie energetycznym Polski opartym na węglu i dość niskim udziale OZE zostaną zasilone elektrolizery do produkcji bezemisyjnego wodoru. Niepokoi także brak silnego sygnału o stopniowym odchodzeniu od technologii niskoemisyjnych do wodoru produkowanego bez emisji CO₂ oraz wyjaśnienia, jak te dwa podejścia mogą się uzupełniać w okresie przejściowym.

Także „oparcie się na polskich technologiach” w tak krótkim okresie wydaje się mało prawdopodobne ze względu na dopiero raczkujące w Polsce technologie bezemisyjne oparte na wodorze.

Raport Polskiego Instytutu Ekonomicznego Gospodarka wodorowa w Polsce jasno stwierdza, że Polska w porównaniu do krajów wysokorozwiniętych posiada niewielki potencjał technologiczny w tym obszarze gospodarczym, co widać m.in. po małej liczbie wyspecjalizowanych firm i małych środkach przeznaczanych na wodorowe B+R.

Inny raport PIE, Gospodarka wodorowa w Polsce. Obserwacje na podstawie ram badawczych Technologicznego Systemu Innowacji, wskazuje, że ¾ ankietowanych ekspertów z obszaru gospodarki wodorowej jako zły ocenia stan infrastruktury, surowców i zasobów do jej wdrażania. W tej sytuacji konieczne jest na wstępnym etapie rozwoju tej gałęzi nawiązanie współpracy międzynarodowej, aby zbudować odpowiedni know-how nad Wisłą. Zdecydowanie brakuje w dokumentach działań, które miałyby ułatwić tworzenie efektywnych projektów z zagranicznymi podmiotami. Brakuje również (przynajmniej jak na razie – prace nad porozumieniem wodorowym trwają) podkreślenia wagi i zaproponowania rozwiązań, które stworzyłyby efektywną współpracę na linii biznes-naukowcy i państwo-prywatny sektor.

Rekomendacja: postawienie na OZE

Należy zacząć od podstaw. Dla Polski drastyczne zwiększenie mocy zainstalowanej w OZE będzie ogromnym wyzwaniem, na które niewystarczająco odpowiada zarówno PEP2040, jak i Krajowy plan na rzecz energii i klimatu, zwłaszcza jeżeli część mocy OZE ma być przeznaczona do produkcji wodoru.

Rekomendacja: zapewnienie przyjaznego otoczenia legislacyjnego

Aby zachęcić do inwestycji w bezemisyjną produkcję i masowe wykorzystanie wodoru, należy przygotować przyjazne otoczenie dla tej technologii. Ogłoszenie konkretnego celu neutralności klimatycznej Polski, szybkie przyjęcie Polskiej strategii wodorowej oraz porozumienia wodorowego zmniejszą niepewność inwestycyjną. Potrzebne jest opracowanie odpowiednich polskich regulacji, które umożliwiłyby mieszanie znacznych ilości wodoru z gazem ziemnym i ich przesył rurociągami.

Przychylność Brukseli wobec tej technologii i postawienie konkretnych celów to również szansa na dodatkowe środki dla Polski. Także popularyzacja gospodarki wodorowej w Europie sprawia, że można oczekiwać spadku kosztów infrastruktury i pojawienia się możliwości włączenia się w międzynarodowe projekty wodorowe.

Rekomendacja: stworzenie infrastruktury do magazynowania i przesyłu

Polska jest uprzywilejowana pod względem występowania kawern solnych; magazynowanie w nich wodoru jest najbardziej opłacalnym sposobem. Powinniśmy mocno zainwestować w badania i rozwój magazynowania wodoru, ponieważ mamy w tych technologiach doświadczenie, warunki geograficzne i odpowiedni know-how.

Przygotowanie infrastruktury gazowej przystosowanej do przesyłu wodoru (zarówno przez blending z gazem ziemnym, jak i, w dłuższej perspektywie, przesył czystego wodoru) powinno być dla decydentów jednym z priorytetów. Budowa połączeń z naszymi sąsiadami i włączenie się w międzynarodowy handel wodorem poprzez rurociągi to osiągalny cel, który może upowszechnić technologię.

Jest to o tyle ważne, że nasi sąsiedzi (m.in. Niemcy) zaczynają mocno stawiać na technologie wodorowe, na czym możemy skorzystać. Cieszy włączenie się Gaz-Systemu w inicjatywę European hydrogen backbone, która w przyszłości może okazać się kluczowa dla europejskiej gospodarki wodorowej. Polskie firmy mogą aktywnie uczestniczyć w budowie odpowiedniej infrastruktury hydrogen-ready także za granicą. Należy też pochylić się nad obecnym stanem sieci gazowej w Polsce i zainwestować w jej znaczącą modernizację.

Rekomendacja: zastosowanie wodoru w przemyśle i „na miejscu”

Dostarczenie wodoru do odbiorcy jest kłopotliwe i generuje straty, dlatego najlepszym rozwiązaniem jest zużycie wodoru „na miejscu” lub w najbliższym sąsiedztwie jego produkcji. Przekształcenie już istniejących klastrów przemysłowych w hub niskoemisyjnego wodoru obniżyłoby koszty inwestycji w infrastrukturę transportową, a wyprodukowany wodór byłby wykorzystywany na miejscu lub w niedalekim sąsiedztwie, m.in w przemyśle rafineryjnym i produkcji stali. Warto rozważyć lokalizację, która umożliwi dostęp do morskich farm wiatrowych (na które stawia również polski rząd) i przyszłego potencjalnego handlu morskiego wodorem.

Przyspieszenie osiągnięcia konkurencyjności przez zielony wodór w produkcji stali w UE będzie wymagało wprowadzenia rządowych subsydiów dla tej technologii, stopniowego zmniejszania liczby darmowych zezwoleń na emisję CO₂ w ramach systemu ETS dla przemysłu, a także ustanowienia na poziomie unijnym węglowego podatku granicznego (CBA, Carbon Border Adjustment) dla stali importowanej spoza UE. W kontekście obrony polskiego przemysłu (m.in. przed zwiększeniem kosztów związanych z ETS) należy zacząć opracowywać regulacje związane z wdrożeniem kontraktów różnicowych (na co wskazuje Tomasz Adamczewski w swojej ocenie Polskiej strategii wodorowej), które pozwoliłyby w sposób dopuszczalny z perspektywy regulacji unijnej bronić polski przemysł przed zbyt radykalnymi wzrostami obciążeń związanymi z uprawnieniami do emisji CO₂.

Rekomendacja: niezamykanie się na technologie inne niż elektroliza

Produkcja bezemisyjnego wodoru dopiero zaczyna się rozwijać i stoi przed nią jeszcze wiele wyzwań. Aby zbudować efekt skali (i tym samym obniżyć koszty) dla technologii wodorowych w gospodarce, należy w okresie przejściowym umożliwić także rozwój innych niskoemisyjnych technologii produkcji wodoru (np. gaz ziemny z CCS). Polska powinna na forum unijnym walczyć o akceptację dla różnych projektów B+R związanych z wodorem i jego pochodnymi, a nie tylko dla bezemisyjnej elektrolizy, która ma swoje poważne wady, zwłaszcza w kontekście Polski, która nie ma takiego potencjału OZE jak np. Portugalia.

Rekomendacja: wstrzymanie się z „uwodorowieniem” transportu

Szerokie wykorzystanie zielonego wodoru w transporcie drogowym w perspektywie najbliższych 9 lat jest mało prawdopodobne. Przy stałym, dynamicznym wzroście popularności samochodów bateryjnych wydaje się, że wodór najprawdopodobniej nie znajdzie zastosowania w indywidualnym transporcie w perspektywie najbliższych dekad.

Zgodnie z rekomendacjami Bartosza Jakubowskiego, aby obniżyć emisyjność transportu, należy skupić na promocji i rozszerzaniu oferty komunikacji publicznej. Zastosowanie wodoru w pojazdach ciężarowych i dalekodystansowych wciąż jest rozważane, choć w tej branży z miesiąca na miesiąc wydaje się coraz bardziej prawdopodobne postawienie na niezwykle dynamicznie rozwijające się rozwiązania bateryjne.

Dopóki nie zostanie zapewniona niskoemisyjność produkcji wodoru, choćby przy wykorzystaniu gazu ziemnego i technologii CCS, osiągnięcie ambitnych wskaźników powinno zostać odłożone w czasie. Na tym wstępnym etapie rozwoju technologii główny nacisk powinien zostać położony na badania i rozwój, i konkretne wskaźniki związane z nisko- i bezemisyjną produkcją wodoru, a także magazynowaniem i przesyłem. Wykorzystanie wodoru powinno najpierw zaistnieć w sektorach, dla których rozwiązania bateryjne nie są wystarczające – m.in. w przemyśle i sezonowym magazynowaniu energii elektrycznej.

***

Choć koncepcja gospodarki wodorowej nie jest nowa, to najprawdopodobniej tym razem na stałe zagości w naszej rzeczywistości. Szczególnie duże nadzieje są pokładane w możliwości magazynowania energii wyprodukowanej z niestabilnych źródeł odnawialnych. Także w przemyśle wodór może stanowić alternatywę dla paliw kopalnych. Tam, gdzie elektryfikacja jest trudna do przeprowadzenia, ma on największą przyszłość – w produkcji stali, sektorze rafineryjnym czy na kolei.

Równocześnie ambitne cele i zapowiadane ogromne inwestycje nie powinny przysłaniać nam szarej rzeczywistości, w której udział zielonego wodoru jest znikomy. Rządzący wydają się świadomi szans rozwojowych, które niesie ten sektor, co pokazuje m.in. Polska strategia wodorowa i projekt Krajowego Planu Odbudowy, w którym na wodór przeznaczono aż 797 mln euro. Czas i rozwój technologiczny pokażą, w jakim stopniu rzeczywiście będziemy w stanie używać tego pierwiastka w gospodarce. Na razie warto próbować wykorzystać obecne nastroje do budowy neutralności i innowacyjności polskiej gospodarki, która może w ten sposób rozwinąć się niezależnie od końcowego sukcesu (lub jego braku) technologii wodorowych.