Właśnie zakończyły się konsultacje Polskiej Strategii Wodorowej. Do 2025 roku mamy wydać 2 mld zł, a do 2030 roku łącznie prawie 17 mld zł. Strategia ma dogodzić wszystkim – od OZE, przez elektrownie jądrowe aż po górników. Sprawdźmy, gdzie jesteśmy na drodze do wodorowego szczęścia.
Wodór można uzyskać z wody i prądu, albo z wykorzystaniem gazu ziemnego. Najlżejszy pierwiastek nie jest źródłem energii. Przenosi ją. Generowany ze światła słonecznego, powiewu wiatru, w godzinach mniejszego zapotrzebowania. Daje się sprężać, gromadzić, przesyłać rurociągami. Napełnia bak samochodu w ciągu minuty. Pozwala przejechać setki kilometrów, choć sam prawie nic nie waży. Po spaleniu zamienia się z powrotem w wodę. Znika bez szkody dla środowiska.
Wodór wielozadaniowy
Unia Europejska wróży wodorowi świetlaną przyszłość. Najlżejszy gaz ma zastąpić ten kopalny. Wodór można spalać w piecach przemysłowych zamiast koksu i gazu ziemnego. Można go produkować z prądu i z powrotem zamieniać na prąd w ogniwach paliwowych. Z wodoru wytwarzane będą paliwa syntetyczne, które zastąpią ropę naftową w najtrudniejszych zastosowaniach. Wszystko tak jak dzisiaj, tylko zasilane zieloną energią z paneli słonecznych i wiatraków. „Zielony” wodór przechwyci nadwyżki prądu z OZE i zdekarbonizuje te branże, których samym prądem zdekarbonizować się nie da.
- Widzimy wiele zastosowań dla zielonego wodoru – mówi Krzysztof Kochanowski, Prezes Zarządu Hydrogen Poland. – Wodór będzie niezastąpiony w przemyśle energochłonnym, a także w niektórych zastosowaniach transportowych. Zdecydowanie należy wspierać technologie wodorowe, choć należy położyć duży nacisk, aby był to wodór bezemisyjny, produkowany z elektrolizy. Tylko taki ma przyszłość wobec celów klimatycznych UE.
Jajko czy kura?
Rynek wodoru praktycznie nie istnieje, a większość technologii jest w powijakach. Wytwarzanie wodoru z wody i prądu wymaga elektrolizerów. Te są drogie. Spośród kilku metod produkcji większość jest wdrożona na małą skalę, a żadna nie osiąga sprawności powyżej 80%. Z drugiej strony większość potencjalnych odbiorców wodoru też nie jest na niego przygotowana. Rewolucja wodorowa wymaga równoczesnego zarówno stworzenia zarówno jajka jak i kury. Żadne nie chce powstać zanim to drugie nie będzie gotowe.
Plany są ambitne. Do 2025 roku ma powstać 6 GW elektrolizerów. Do 2030 roku już 2 GW w Polsce, 40 GW w Unii i kolejne 40 GW tuż za granicami – w Afryce Północnej, w Turcji, na Bałkanach i Ukrainie. Konsumpcja ma nadążać za produkcją. Zielony wodór tankować będą ciężarówki i autobusy. Powstanie wodorowa kolej i statki. Wykorzystają go zakłady azotowe i rafinerie – dziś największy konsument „szarego wodoru”, produkowanego z paliw kopalnych powodując w samej UE emisję 70 mln ton CO2 rocznie.
– Bogata lista planowanych działań i celów ujętych w polskiej strategii wodorowej bynajmniej nie napawa optymizmem, ponieważ wydaje się być w dużym stopniu oparta na myśleniu życzeniowym. Tymczasem korzystniejsze byłoby wybranie kilku priorytetowych obszarów rozwoju technologii wodorowych – uważa Urszula Stefanowicz z Polskiego Klubu Ekologicznego. – Rekomendujemy skoncentrowanie się przede wszystkim na energochłonnych branżach przemysłu, takich jak produkcja stali czy przemysł chemiczny, a także na magazynowaniu energii z OZE - jako jednym z narzędzi, uzupełniającym odpowiednie zarządzanie popytem na energię, inne metody magazynowania itd.
Producenci turbin przygotowują się do spalania wodoru
Komisja Europejska zamierza promować wykorzystanie "odnawialnych i niskoemisyjnych gazów", w szczególności wodoru. Plany polityków zależą teraz od inżynierów, którzy muszą przestawić swoje bardzo drogie urządzenia do spalania zupełnie nowego paliwa.
Od opublikowania w lipcu tego roku unijnej strategii wodorowej staje się jasne, że sektor gazowy będzie musiał zacząć uwzględniać w rozwoju dekarbonizację. Czyste paliwa, jak "zielony" wodór, zrównoważone biopaliwa i biogaz, mają pomóc w dekarbonizacji sektorów, w których wprowadzenie "czystej" elektryfikacji jest trudne.
Wodór może być nośnikiem energii oraz może zapewnić magazynowanie energii z OZE. Potrzebny jest jednak do tego rozwój produkcji czystego wodoru, systemów jego magazynowania i transportu oraz technologii jego zastosowania.
Czy obecne jednostki gazowe będą mogły spalać wodór?
Producenci turbin testują spalanie wodoru w turbinach o mocy od kilku do kilkuset megawatów. W przeciwieństwie do biometanu, który mógłby niemal z marszu zastąpić w infrastrukturze gaz ziemny, zastosowanie wodoru nie jest tak proste. W odniesieniu do masy, gęstość energii w wodorze jest ponad dwa razy większa niż w gazie ziemnym, ale niska jest gęstość energii względem objętości. Wodór pali się bardzo łatwo, niewidocznym czystym płomieniem. Podczas spalania jego płomienie pochłaniają paliwo z prędkością około 300 centymetrów na sekundę, 10 razy szybciej niż płomienie gazu ziemnego. Wyzwań jest jednak więcej – to możliwość produkcji dużej ilości zielonego wodoru, jego magazynowanie czy kwestie związane z zapewnieniem bezpieczeństwa instalacji wodorowej.
Na rynku jest już wiele turbin gazowych, które mogą pracować na mieszance gazu ziemnego i wodoru. Celem jest turbina gazowa spalająca 100 proc. wodoru.
Siemens Energy deklaruje, że wszystkie jego nowo wyprodukowane turbiny gazowe są w stanie spalać mieszankę paliwową o różnej zawartości wodoru.
Mniejsze zawartości wodoru, mowa tu o dodatku rzędu 10-30 proc. objętości, nie wymagają praktycznie modyfikacji w nowych jednostkach, choć ostatecznie zależy to od typu turbiny. Dodatek do 50 proc., a nawet 70 proc. wodoru może oznaczać konieczność modyfikacji palnika oraz systemów sterowania w zakresie kontroli procesów spalania i bezpieczeństwa.
Zawartość wodoru powyżej 70 proc. w spalanym gazie wiąże się już z obowiązkowymi modyfikacjami, by zapewnić bezpieczne, stabilne i spełniające normy emisyjne spalanie.
Mieszanki są gotowe
General Electric podaje, że jego turbiny gazowe klasy F i E oraz Aeroderivative (turbiny gazowe pochodzenia lotniczego) pracowały przeszło 6 mln godzin na paliwach zawierających wodór. W większości był pozyskiwany jako produkt uboczny z zakładów przemysłowych, rafinerii i hut. GE opracował system spalania DLN 2.6e, który może działać na mieszance gazu ziemnego i 50 proc. (objętościowo) wodoru. Można go znaleźć w niektórych zastosowaniach w najnowszych i największych turbinach GE, takich jak HA. Docelowo turbina HA ma mieć możliwość spalania 100 proc. wodoru.
Zakłady, gdzie w turbinach GE spalany jest częściowo wodór, pracują na całym świecie. Przykładem może być południowokoreańska rafineria Daesan, gdzie ponad 20 lat turbina GE 6B pracuje spalając także gaz z domieszką od 70 do nawet 95 proc. wodoru.
Wodorowe imperium
Japoński MHPS (Mitsubish Hitachi Power System) ma największy udział w rynku turbin gazowych. Japończycy z sukcesem przeprowadzili testy pracy turbin przy zawartości wodoru 30 proc. MHPS prowadzi obecnie pilotażowy projekt konwersji jednej z trzech jednostek w zakładzie Magnum w Holandii. Projekt w Groningen, w którym uczestniczą Nuon, Vattenfall, Equinor i Gasunie, obejmuje modyfikację turbiny gazowej M701F o mocy 440 MW.
W 2020 roku firma otrzymała również zamówienie od Intermountain Power Agency w Delta w stanie Utah na dwie turbiny gazowe JAC, które mogą wykorzystywać do 30 proc. paliwa wodorowego. Docelowo turbiny te mają być w stanie wykorzystywać w 100 proc. wodór. MHPS rozwija tam również produkcję i magazynowanie wodoru z OZE w ramach projektu Advanced Clean Energy Storage (ACES).
Paul Browning, dyrektor generalny MHPS Americas stwierdził, że wraz z postępami prac, każda sprzedawana turbina gazowa MHPS zyska pełną możliwość wykorzystania wodoru z OZE. Klienci mogą dziś zakupić elektrownię na gaz ziemny i z czasem przekształcić ją w magazyn energii z OZE.
Włosi także inwestują w wodór
Do grona firm, które chcą znaleźć się w pierwszym szeregu jeśli chodzi o rozwiązania wodorowe, planuje dołączyć Ansaldo Energia. Ten włoski producent turbin podpisał rok temu list intencyjny z norweskim Equinorem. Equinor będzie współfinansować testy turbiny gazowej GT36 H Ansaldo, by sprawdzić czy może ona być zasilana wyłącznie wodorem. Głównymi celami jest obniżenie emisji tlenków azotu, wzmocnienie elastyczności operacyjnej i minimalizacja obniżania wartości znamionowych silnika przy bardzo wysokich zawartościach wodoru - podały firmy.
Do wodorowego wyścigu włączył się włoski operator przesyłu gazu Snam, który szacuje, że 70 proc. jego rur jest w stanie przesyłać wodór. Snam testuje turbinę hybrydową do obsługi mieszanek wodoru do 10 proc. Współpracuje również z innym włoskim przedsiębiorstwem energetycznym - A2A, by zbadać możliwość konwersji jego elektrowni węglowych na spalanie gazu ziemnego, wodoru lub ich mieszanki.
Jeśli wodór to zielony
Wodór ma ogromną zaletę - reagując z tlenem uwalnia energię, a efektem spalania jest wyłącznie woda. Jest więc paliwem w pełni zeroemisyjnym. Ma też jednak swoje słabsze strony. Wiążą się one nie tylko z wyzwaniami technologicznymi, ale też z wysokimi kosztami produkcji i metodami pozyskiwania zielonego wodoru.
Obecnie ponad 90 proc. wodoru jest pozyskiwane z paliw kopalnych, a główną i najtańszą metodą jego produkcji jest reforming parowy. Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej, około 2 proc. światowej produkcji jest wynikiem elektrolizy, a ułamek procenta pochodzi z elektrolizerów zasilanych energią z OZE.
Dostęp do dużych ilości zielonego wodoru to główne wyzwanie, na które wskazuje Jarosław Krotoski z Siemens Energy. Brak jest wielkoskalowych magazynów zielonego wodoru, nie ma też zielonego wodoru w rurociągach przesyłowych gazu. Krotoski jednak uważa, że zielony wodór, jako pozbawiony śladu węglowego nośnik energii, mimo wielu wyzwań jakie stoją przed tą technologią, będzie sukcesywnie zwiększał swój udział nie tylko w energetyce, ale także w innych sektorach gospodarki przyczyniając się do ich stopniowej dekarbonizacji.
Dlatego ważne będzie tworzenie nowych miejsc produkcji wodoru z OZE w elektrolizerach jak również stopniowe zwiększanie jego wykorzystania w wielu sektorach gospodarki. Należy podkreślić, że zarówno wodór jak i biometan będą odgrywały ważną rolę w dążeniu Polski do neutralności klimatycznej - wskazuje Krotoski.
Ale czy to się opłaca?
Jest jeszcze kwestia kosztów. Sama turbina gazowa nie wystarczy do osiągnięcia technologii spalania w 100 proc. opartej na wodorze. Mitsubishi Power ocenia, że turbina gazowa o mocy 500 MW i sprawności 60 proc. zużywałaby 1,4 tony wodoru na godzinę. Dlatego też konieczne jest zapewnienie pewnego źródła wodoru.
Na rynku amerykańskim gaz ziemny kosztuje od 2 do 3 dolarów za milion BTU i około dwa razy więcej w Europie, a wodór może kosztować od 10 do 60 dolarów za milion BTU, w zależności od tego, jak jest wytwarzany - wylicza GE.
Producenci wskazują, że turbina gazowa opalana wodorem prawdopodobnie wymagałaby elektrolizera i magazynowania "zielonego" wodoru na miejscu. To wymaga bardzo niskiego kosztu energii elektrycznej, czyli korzystania z nadwyżek energii z OZE, co nada sens ekonomiczny takim projektom. A ponieważ rozwój OZE postępuje bardzo szybko, to wiele osób z branży oraz organów regulacyjnych jest przekonanych, że wodór stanowi idealną odpowiedź na zagospodarowanie nadwyżek tej energii. Czy tak się stanie i w jakim tempie wodór będzie zastępował gaz ziemny - to okaże się w ciągu najbliższych lat.
