Co powinno się wiedzieć o wodorze?

UE i Niemcy postawiły sobie za cel osiągnięcie neutralności klimatycznej odpowiednio do 2050 i 2045 r. Zobowiązanie to zakłada, że zeroemisyjne alternatywy zastąpią wysokoemisyjne procesy i produkty. Jedną z alternatyw w obszarze energetyki jest przyjazny dla klimatu wodór. Pierwiastek ten nie jest jednak panaceum, które rozwiązuje od razu wszystkie problemy, ponieważ jego wytwarzanie jest bardzo drogie i skomplikowane. Najczęściej taniej i rozsądniej jest skorzystać z energii konwencjonalnej.

1. Czym jest wodór?

Wodór jest pierwiastkiem chemicznym dającym szerokie możliwości. Prawie nigdy nie występuje na Ziemi w czystej postaci – trzeba go pozyskiwać ze związków, które tworzy z innymi pierwiastkami, co jest bardzo energochłonne. Następnie można go przetwarzać na dalsze produkty. Są to między innymi oparte na wodorze syntetyczne nośniki energii i tak zwane e-paliwa takie jak metanol, amoniak, syntetyczny metan oraz paliwa syntetyczne.

2. Co wodór ma wspólnego z neutralnością klimatyczną?     

Dzięki wodorowi procesy i produkty energochłonne mogą stać się zero- lub przynajmniej niskoemisyjne. Ponieważ Niemcy mają osiągnąć neutralność pod względem emisji dwutlenku węgla do 2045 r., istnieje obecnie duże zapotrzebowanie na takie rozwiązania. Transformacja w przemyśle będzie trwać latami. To kwestia długookresowych inwestycji, a w niektórych przypadkach przedsiębiorstwa będą musiały wybudować nowe zakłady. Ponadto przedsiębiorcy oczekują od ustawodawcy zapewnienia konstruktywnych warunków prowadzenia działalności. Chcą mieć pewność, że warto inwestować w nowe zakłady i modele biznesowe przyjazne dla klimatu.

Dzięki wodorowi niektóre wysokoemisyjne produkty i procesy, z których nasze współczesne społeczeństwa nie chcą lub nie mogą zrezygnować, mogą stać się przyjazne dla klimatu

Wodór to jedna z technologii, które mają duże znaczenie dla ochrony klimatu. Nie można jednak udawać, że jest to technologia magiczna, która może rozwiązać wszystkie problemy klimatyczne. W wielu obszarach istnieją w końcu tańsze alternatywy pozwalające na zmniejszanie emisji. Ze względów ekonomicznych i technicznych dostępność wodoru będzie ograniczona.

3. Co wodór ma wspólnego z OZE? 

Na to pytanie można udzielić dwojakiej odpowiedzi:

Po pierwsze: Energia odnawialna jest niezbędna dla wytworzenia zielonego wodoru.

Zielony wodór pozyskuje się w procesie elektrolizy, w ramach którego woda (H2O) rozpada się na wodór (H) i tlen (O). Rozkład ten wymaga zużycia zielonej energii. Niektórzy pamiętają to być może z lekcji chemii. Wygląda to mniej więcej tak:

https://thumbs.gfycat.com/CornyEqualGuernseycow-size_restricted.gif

Dla samej elektrolizy nie ma znaczenia, czy energia elektryczna pochodzi z elektrowni węglowej, czy z turbiny wiatrowej. Ma to jednak znaczenie dla ochrony klimatu i naszego przetrwania. Jeśli chcemy je zapewnić, w procesie produkcji musimy co do zasady korzystać wyłącznie z energii odnawialnej, przede wszystkim wiatrowej i słonecznej.

Po drugie: Czystą energię można magazynować w wodorze gazowym, który przetwarza się potem na energię elektryczną.

Wytworzony wodór gazowy pełni funkcję systemu magazynowania energii elektrycznej. Takie systemy są istotne, kiedy udział energii z niestabilnych źródeł odnawialnych w miksie energetycznym jest bardzo wysoki.

W procesach magazynowania i ponownego przetwarzania zawsze traci się mnóstwo energii. Dlatego też bezpośrednie wykorzystanie energii jest bardziej wydajne i zwykle tańsze niż jej magazynowanie.

Poniższa grafika ilustruje bezpośrednie i pośrednie wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych

Źródło: https://bit.ly/3t1ILBL.

Trzy kroki pozwalające wykorzystać wodór jako do magazynowania zielonej energii:

  1. elektroliza przeprowadzana z wykorzystaniem energii wodnej i odnawialnej (Elektrolyse)
  2. magazynowanie wodoru gazowego (Transport und Speicherung)
  3. ponowne przetworzenie wodoru w energię elektryczną (Rückverstromung)

4. Zielony i niebieski – co te kolory oznaczają w przypadku wodoru?

Wodór sam w sobie jest bezbarwny. Powyższe kolory symbolizują procesy i surowce wykorzystane do jego produkcji. Praktycznie zeroemisyjny jest jedynie wodór zielony wytwarzany przy użyciu energii odnawialnej. Oczywiście do emisji może dochodzić podczas budowy zakładów. Takie zużycie energii i emisje są jednak nieodzownym elementem budowy każdego zakładu.

Wodór niebieski – podobnie jak szary – opiera się na gazie ziemnym. Ponieważ podczas produkcji wodoru niebieskiego CO2 nie przedostaje się (od razu) do atmosfery, lecz jest „magazynowany” pod ziemią, uważa się, że proces ten jest neutralny dla klimatu. Taka klasyfikacja wywołuje jednak kontrowersje, ponieważ wykorzystanie gazu ziemnego powoduje dodatkowe emisje. Na razie nie ma jednak zakładów, które byłyby w stanie produkować wodór niebieski na szeroką skalę.

Wodór różowy i żółty – podobnie jak zielony – wytwarza się z kolei w procesie elektrolizy przy zużyciu energii. Różnica wynika ze źródła tej energii. Wodór różowy produkuje się z energii jądrowej, a żółty – z energii pochodzącej z sieci energetycznej, a więc z miksu, na który składają się energia z paliw kopalnych, energia odnawialna i energia jądrowa.

5. Dlaczego wodór niebieski wywołuje kontrowersje? 

Nawet jeśli lwią część CO2 powstającego w procesie produkcji wodoru przechwytywano by i wtłaczano pod ziemię, wciąż występowałyby szkodliwe dla klimatu emisje, które powstają przy wydobyciu i transporcie gazu ziemnego – są to tzw. emisje produkcyjne. Problemem jest metan, który stanowi główny składnik gazu ziemnego. Kiedy metan przedostaje się do atmosfery, na przestrzeni stu lat jest 28-krotnie bardziej szkodliwy dla klimatu niż CO2. W okresie 20 lat jego negatywne skutki są 84-krotnie większe niż negatywne skutki CO2. Z tego względu m.in. wiele organizacji ekologicznych krytycznie odnosi się do tego rodzaju wodoru.

Wielu ekspertów i przedstawicieli przemysłu uważa, że wodór niebieski jest potrzebny jako rozwiązanie przejściowe, wykorzystywane do momentu, kiedy będzie już wystarczająca podaż wodoru zielonego. Argumentują, że kluczowe znaczenie ma budowa instalacji wodorowych już teraz, na przykład w hutnictwie. Podkreślają, że cykle inwestycyjne są długie, a wiele (starych) instalacji (na węgiel kamienny) jest obecnie u progu nowego cyklu inwestycyjnego. W związku z tym to teraz należy inwestować i rozwijać instalacje wodorowe w nowo budowanych zakładach. Kiedy będzie już wystarczająca podaż wodoru zielonego, będzie można zastąpić nim wodór niebieski.

Rząd niemiecki stwierdził w swojej oficjalnej strategii wodorowej, że chce promować przede wszystkim wodór zielony, ale UE nie wyklucza również wodoru niebieskiego.

6. Jaką rolę może odegrać wodór w przemyśle neutralnym dla klimatu?

Wodór jest istotny dla osiągnięcia neutralności klimatycznej niektórych kluczowych procesów przemysłowych do 2045 r. W przemyśle chemicznym wodór zielony można wykorzystać do produkcji zielonego amoniaku. Ten związek chemiczny jest ważnym surowcem w przemyśle chemicznym, a jego synteza to najbardziej emisyjny proces petrochemiczny. Zielony amoniak znacząco zmniejszyłby ślad węglowy przemysłu chemicznego.

Wodór zielony jest także realną alternatywą dla paliw kopalnych w produkcji stali, którą wytwarza się w wielkich piecach lub w zakładach stosujących redukcję bezpośrednią. W wielkim piecu wodór zielony może zastąpić węgiel, zaś w ramach redukcji bezpośredniej wykorzystuje się go zamiast gazu ziemnego.

Ponieważ wodór jest tak drogi i powinien być zarezerwowany dla szczególnych celów, czasami nazywa się go szampanem transformacji energetycznej

7. A co z samochodami z ogniwami paliwowymi?      

Samochody z ogniwami paliwowymi mają napęd wodorowy. Zakłada się, że w perspektywie krótko- i średnioterminowej nie będą one umożliwiać skutecznego ograniczania emisji w transporcie samochodowym. Jeśli auta są w ogóle potrzebne, lepsze będą te z napędem elektrycznym, ponieważ lepiej wypadają w ich przypadku koszty całkowite i wydajność energetyczna. Większość producentów samochodów stawia na napędy elektryczne wyposażone w akumulatory. Na rynku niemal w ogóle nie ma samochodów z ogniwami paliwowymi, nie ma też infrastruktury umożliwiającej tankowanie wodoru. Jej budowa byłaby bardzo kosztowna, co doprowadziłoby ostatecznie do istotnego wzrostu cen uiszczanych przez konsumentów.

Przede wszystkim elektryfikacja!

8. A co z paliwami syntetycznymi?

Aby wyprodukować e-paliwo, najpierw trzeba przeprowadzić elektrolizę – w jej wyniku woda rozpada się na wodór i tlen. Jeśli dodamy CO2, powstanie metan. Następnie wykorzystuje się kolejne procesy chemiczne, aby uzyskać oczekiwane paliwo. Pod względem chemicznym nie różni się ono niczym od zwykłej benzyny, oleju napędowego czy nafty. Dlatego promują je ci, którzy chcą pozostać przy silnikach spalinowych. Jest tylko jeden haczyk – produkowanie zielonych „e-paliw” wymaga dużej ilości zielonej energii elektrycznej. Dużo wydajniej jest wykorzystać tę energię bezpośrednio, na przykład w pojeździe elektrycznym z akumulatorem. Skomplikowany proces produkcyjny i mała dostępność sprawiają, że e-paliwa są bardzo drogie. Obecnie litr e-paliwa kosztuje 4,50 euro!

Gdyby samoloty były zasilane syntetyczną naftą, która powstaje z wodoru, latanie mogłoby stać się trochę przyjaźniejsze dla klimatu. Jednocześnie ważne jest to, aby zachęcać do innych rozwiązań stosowanych w lotnictwie, które są bardziej przyjazne dla klimatu – produkcji lżejszych samolotów, optymalizacji tras itd., a także alternatyw dla transportu lotniczego, np. podróży pociągiem.

 9. Ile wodoru Niemcy będą potrzebować w przyszłości?        

Aktualne ogólnokrajowe zużycie wodoru waha się między 55 a 60 terawatogodzin rocznie. To niemal wyłącznie wodór szary, który jest bardzo szkodliwy dla klimatu. Wspierając przemysł i oferując zachęty ekonomiczne, można starać się pokryć większość zapotrzebowania wodorem przyjaznym dla klimatu. Najlepszą opcją jest wodór zielony produkowany przy wykorzystaniu dodatkowej (wobec już istniejącej) energii odnawialnej lub jej nadwyżki. Od 2030 r. ponad dwie trzecie szacowanego zapotrzebowania na wodór w Niemczech będzie trzeba zaspokajać importem.

10. A co z importem wodoru?

Popyt na wodór zielony będzie przekraczał zdolności produkcyjne samych Niemiec. W innych państwach, które mają dużo ziemi, słońca i wiatru, pod względem geograficznym i fizycznym panują dobre warunki do uzyskiwania tego pierwiastka w ekologiczny sposób.

W regionach eksportujących należy zapobiegać konfliktom i negatywnym skutkom dla ludzi i środowiska poprzez stosowanie wiążących zasad, których przestrzeganie można monitorować.