Wodór - przeszłość, teraźniejszość, przyszłość

Wodór i energia mają długą wspólną historię. Pierwsze demonstracje elektrolizy wody i ogniw paliwowych pobudziły wyobraźnię inżynierów w 1800 roku. Wodór wykorzystano do zasilania pierwszych silników spalinowych ponad 200 lat temu. Wodór podnosił balony i sterowce w XVIII i XIX wieku, a w latach 60. napędzał ludzkość na Księżyc.

Globalne zapotrzebowanie na czysty wodór wynosi obecnie ok. 70 mln ton, przy czym "czysty" oznacza, że określone zastosowania wymagają wodoru z tolerowanymi niewielkimi poziomami dodatków lub zanieczyszczeń. W takiej postaci wykorzystywany jest głównie w rafinacji ropy naftowej, przemyśle metalowym, chemicznym (np. produkcja amoniaku), elektronicznym i szklarskim. Dodatkowe 45 mln ton wykorzystywane jest jako część mieszaniny paliwowych gazów syntezowych (np. z CO do wytwarzania ciepła) oraz do produkcji stali i metanolu. Ten ostatni, oprócz czystego wodoru, ale także jako jego źródło, stosowany jest również w produkcji ogniw wodorowych w pojazdach elektrycznych (FCEV - Fuel Cell Electric Vehicle). Obecnie w FCEV wykorzystuje się na świecie mniej niż 10 tys. ton czystego wodoru pochodzącego z gazu ziemnego (poniżej 0,03 Mtoe).

Źródłem produkowanego obecnie wodoru są, w zdecydowanej większości, paliwa kopalne, a dla 60 proc. wszystkich instalacji produkujących go, jest on podstawowym produktem. Tylko niewielka ilość wytwarzanego obecnie wodoru pochodzi z elektrolizy wody. Jedna trzecia globalnych dostaw, to wodór "uboczny", co oznacza, że pochodzi z obiektów i procesów zaprojektowanych do wytwarzania innych produktów. Ten wodór wymaga często odwodnienia lub innego rodzaju oczyszczenia, aby mógł być wykorzystany do różnych procesów. Mniej niż 0,7 proc. obecnej produkcji wodoru pochodzi ze źródeł odnawialnych lub z elektrowni na paliwa kopalne wyposażone w CCUS (Carbon Capture, Utilization, and Storage). Ogółem, produkcja wodoru odpowiada dziś za emisję 830 mln ton CO2 rocznie. Większość wodoru jest obecnie produkowana blisko jego końcowego zużycia.

Wodór jako nośnik energii spełnia podobną rolę do energii elektrycznej.

Zasadnicza różnica między wodorem a elektrycznością polega na tym, że jest on chemicznym nośnikiem energii, złożonym z cząsteczek, a nie tylko z elektronów. To powoduje, że wodór może konkurować z energią elektryczną w niektórych sektorach (i odwrotnie). Energia chemiczna jest atrakcyjna, ponieważ może być przechowywana i transportowana w sposób stabilny, jak ma to miejsce dzisiaj z ropą naftową, węglem, biomasą i gazem ziemnym. Cząsteczki mogą być przechowywane przez długi czas, transportowane przez morze na statkach, spalane w celu uzyskania wysokiej temperatury i stosowane w istniejącej infrastrukturze i modelach biznesowych zaprojektowanych dla paliw kopalnych. Ze względu na swój charakter molekularny wodór można również łączyć z innymi pierwiastkami, takimi jak węgiel i azot, aby tworzyć paliwa wodorowe, które są łatwiejsze w obsłudze i mogą być stosowane jako surowiec w przemyśle, przyczyniając się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych.

Jeśli wodór jest wykorzystywany w ogniwie paliwowym, nie emituje nic oprócz pary wodnej. Ponadto, ogniwo paliwowe w pojeździe ma około 60 proc. wydajności, podczas gdy benzynowy silnik spalinowy ok. 20 proc. Jednak zarówno wodór, jak i elektryczność charakteryzuje wysoka emisja CO2, jeśli są wytwarzane z paliw kopalnych. Tę wadę można pokonać jedynie poprzez wykorzystanie OZE lub energii jądrowej jako początkowego wkładu energii lub wyposażenie elektrowni na paliwa kopalne w CCUS.

Na świecie jest prawie 3 mln km gazociągów przesyłowych gazu ziemnego i prawie 400 mld metrów sześciennych pojemności podziemnej.
Zmieszanie gazu ziemnego z wodorem przyczyniłoby się do zmniejszenia emisji CO2, ale podniosłoby koszty dostarczania medium do odbiorców. W skali globalnej byłoby to uzależnione od pomyślnego połączenia infrastruktury produkcyjnej, przesyłowej, dystrybucyjnej, magazynowej i docelowej. Wymagałoby to skoordynowanych inwestycji ze strony wielu uczestników rynku. Włączenie wodoru do istniejącej infrastruktury gazu ziemnego pozwoliłoby jednak uniknąć znacznych kosztów kapitałowych związanych z opracowaniem nowej infrastruktury przesyłowej i dystrybucyjnej. Na tej drodze stoją jeszcze regulacje prawne poszczególnych państw, a to z kolei wymagałoby harmonizacji ponad granicami.

Systemy energetyczne muszą bilansować popyt i podaż w czasie rzeczywistym, a w przypadku dużych odległości mogą być podatne na zakłócenia w dostawach energii elektrycznej. Energia chemiczna może dodać element zapasów do gospodarki energetycznej, a tym samym znacznie przyczynić się do stabilności systemu energetycznego.

Wszystkie nośniki energii napotykają straty wydajności, gdy są produkowane, przetwarzane lub wykorzystywane. W przypadku wodoru straty te mogą kumulować się na różnych etapach łańcucha wartości. Po przekształceniu elektryczności w wodór, wysyłce i magazynowaniu, a następnie konwersji z powrotem na elektryczność w ogniwie paliwowym, dostarczona energia może wynosić poniżej 30 proc. początkowej energii elektrycznej. To sprawia, że wodór jest "droższy" niż energia elektryczna lub gaz ziemny wykorzystywany do jego produkcji. Stanowi to również argument za minimalizacją liczby konwersji między nośnikami energii.

Koszty wytwarzania wodoru są również determinowane przez opłaty sieciowe, systemy podatkowe państw, dostępność i ceny instalacji CCUS, wskaźniki wykorzystanej mocy przez elektrolizery, sposoby transportu. Ponadto, cena wodoru różni się znacznie w zależności od regionu i zastosowań końcowych, które wymagają różnych objętości, ciśnień i poziomów czystości.

Jako lekki gaz o małych cząsteczkach wodór wymaga specjalnego sprzętu i procedur do jego obsługi. Jest tak mały, że może przenikać do struktury materiałów, w tym niektórych rodzajów rur żelaznych i stalowych, zwiększając przy tym prawdopodobieństwo awarii. "Ucieka" również łatwiej przez uszczelnienia i łączniki niż większe cząsteczki, takie jak gazu ziemnego.

Wodór zawiera więcej energii na jednostkę masy niż gaz ziemny lub benzyna, co czyni go atrakcyjnym jako paliwo transportowe. Jest jednak najlżejszym pierwiastkiem, a zatem ma niską gęstość energii na jednostkę objętości. Oznacza to, że aby spełnić identyczne zapotrzebowanie na energię w porównaniu z innymi paliwami należy użyć jego większych ilości. Można to osiągnąć na przykład poprzez zastosowanie większych lub szybszych rurociągów oraz większych zbiorników magazynowych. Wodór można sprężać, upłynniać lub przekształcać w paliwa wodorowe o wyższej gęstości energii, ale ta (i każda późniejsza konwersja) odbywa się kosztem zużycia energii.

Do długoterminowego magazynowania wodoru na dużą skalę można wykorzystywać kawerny solne, wyczerpane złoża gazu ziemnego lub ropy naftowej oraz warstwy wodonośne. Obecnie te metody magazynowania sprawdzają się dla gazu ziemnego.

Wodór jest gazem nietoksycznym, ale jego duża prędkość płomienia, szeroki zakres zapłonu i niska energia zapłonu sprawiają, że jest wysoce łatwopalny. Jest to częściowo złagodzone przez wysoką wyporność i dyfuzyjność, co powoduje, że szybko się rozprasza. Ma płomień niewidoczny gołym okiem, jest bezbarwny i bezwonny, co utrudnia wykrycie pożarów i wycieków.

Przez dziesięciolecia w przemysłowym wykorzystaniu wodoru wypracowywano reżimy bezpieczeństwa. Jednak obecne wyzwania, w tym obawy społeczne, wymagają nowego podejścia do kwestii globalnej obecności tego pierwiastka w miksie energetycznym.

Opracowano na podstawie raportu MAE "The Future of Hydrogen Seizing today's opportunities"