Zrozumieć transformację energetyczną

Jaką rolę w transformacji energetycznej Polski ma do odegrania wodór?

Zrozumieć transformację energetyczną: wodór

Zrozumieć transformację energetyczną: wodór

Jakie kolory wodoru wyróżniamy i jaką rolę może on odegrać w transformacji energetycznej Polski?

Możliwe, że obiły ci się o uszy informacje o pojazdach na wodór, napędzanych ogniwami paliwowymi. Najprościej można powiedzieć, że ogniwo paliwowe działa na zasadzie odwrotnej elektrolizy. Elektroliza polega na włożeniu do wody (H2O) elektrod i puszczeniu prądu, w rezultacie czego na elektrodach wydzielają się wodór i tlen. W ogniwie paliwowym wodór i tlen łączą się, produkując prąd i wodę. W odróżnieniu od pojazdów elektrycznych, wymagających czasu do naładowania akumulatorów, auta na wodór są po prostu tankowane i mogą od razu jechać dalej. A ponieważ jednostka masy wodoru zawiera znacznie więcej energii niż bateria elektryczna (a nawet benzyna), zasięg samochodów na wodór może być znacznie większy niż samochodów elektrycznych. 

Wodór to najpowszechniej występujący pierwiastek we Wszechświecie. Na Ziemi jednak jest znacznie mniej powszechny, a do tego nie występuje w formie „złóż wodoru”, lecz wchodzi w skład różnych związków chemicznych. Jeśli chcemy mieć wodór, musimy go z nich wyciągnąć. W zależności od tego, jak to robimy, mówimy o różnych kolorach wodoru (nie ma to oczywiście nic wspólnego z faktycznym kolorem, gaz ten jest bezbarwny): 

szary i czarny: wytwarzany z gazu ziemnego (to wodór tzw. szary) i węgla (wodór czarny) w procesach tzw. reformingu parowego; 

niebieski: to wodór szary, ale z dodatkowym wychwytem CO2. Niestety, jak pokazują badania uwzględniające pełen cykl życia niebieskiego wodoru, jego produkcji też towarzyszą spore emisje gazów cieplarnianych; 

zielony: to wodór pozyskiwany z wody (H2O) za pomocą elektrolizy zasilanej prądem ze źródeł odnawialnych. Aby wyprodukować 1 mln ton wodoru, przy typowej sprawności elektrolizera 76%, potrzebujemy 44 TWh prądu. Na zaspokojenie obecnego polskiego zapotrzebowania na wodór (wynoszącego obecnie 1,3 mln ton) przy tym sposobie produkcji potrzeba byłoby 58 TWh prądu; 

purpurowy (ew. fioletowy, różowy lub czerwony): jak zielony, ale przy elektrolizie zasilanej prądem z elektrowni jądrowych. 

… (są też inne kolory, nawiązujące do pochodzenia wodoru i metod jego produkcji, ale te cztery są najistotniejsze).

Wodorowi szaremu i niebieskiemu już dziękujemy, a w przypadku zielonego i purpurowego mamy podobną sytuację – produkujemy go z użyciem bezemisyjnego prądu. Wyprodukowanie wodoru to oczywiście tylko pierwszy krok w zasilaniu pojazdu: gaz trzeba sprężyć, zmagazynować, przetransportować i ponownie zmienić na prąd w ogniwie paliwowym. Łączna sprawność tego procesu, od kilowatogodziny prądu „na wejściu” do energii „na kołach” to obecnie ok. 33% (z perspektywami poprawy do 42% w 2050 r.). Dla porównania, sprawność cyklu elektrycznego wynosi 77% – ponad 2,3 razy więcej. Inaczej mówiąc, tam, gdzie w przypadku elektryfikacji do zasilania floty samochodów elektrycznych wystarczyłby jeden wiatrak, w przypadku podobnej floty aut na wodór potrzeba byłoby 2,3 wiatraka.  

Ilustracja 1. Efektywność różnych cykli paliwowych w samochodach osobowych. Zaczynamy od jednostki bezemisyjnego prądu, analizując straty na kolejnych etapach. W samochodach z napędem elektrycznym sprawność wynosi 77%, w autach na wodór (z ogniwami paliwowymi) 33%, a w przypadku produkcji e-paliw (syntetycznych paliw płynnych produkowanych na bazie energii elektrycznej, z elektrolizą do wodoru i z wykorzystaniem do syntezy CO2 z powietrza) zaledwie 16-20%. 

Ilustracja 1. Efektywność różnych cykli paliwowych w samochodach osobowych. Zaczynamy od jednostki bezemisyjnego prądu, analizując straty na kolejnych etapach. W samochodach z napędem elektrycznym sprawność wynosi 77%, w autach na wodór (z ogniwami paliwowymi) 33%, a w przypadku produkcji e-paliw (syntetycznych paliw płynnych produkowanych na bazie energii elektrycznej, z elektrolizą do wodoru i z wykorzystaniem do syntezy CO2 z powietrza) zaledwie 16-20%.

Gdybyśmy mieli energii w bród, nie byłoby to specjalnym problemem, ale widzieliśmy w naszym ostatnim scenariuszu, jak monstrualne moce okazały się potrzebne do zasilania naszej gospodarki. Dodajmy do tego problemy z transportem wodoru, który łatwo się ulatnia, kwestie bezpieczeństwa, wysoką cenę i relatywnie krótki czas życia ogniw paliwowych, problem jajka i kury (nie ma chętnych na auta na wodór, jeśli nie ma ich gdzie zatankować; nie ma też chętnych na budowę stacji tankowania wodoru, skoro na ulicach nie ma aut na wodór ani nawet standardów tankowania) oraz parę innych problemów technicznych i ekonomicznych, a stwierdzimy, że obecnie auta na wodór są o kilka długości za samochodami elektrycznymi. Może ulegnie to kiedyś zmianie, ale na razie wodór wyraźnie przegrywa w tym wyścigu.  

Czy to znaczy, że wodór w ogóle nie ma perspektyw? Bynajmniej. Są sektory, których bezpośrednia elektryfikacja nie będzie możliwa i tam może być miejsce dla wodoru i jego pochodnych. Tym niemniej wodór, podobnie jak np. biomasa, jeszcze przez długi czas będzie na tyle cennym dobrem, że powinien być wykorzystywany tam, gdzie naprawdę jest potrzebny. W transporcie wodór może grać rolę tam, gdzie ilość potrzebnych baterii byłaby tak duża, że stałyby się one zbyt ciężkie. Bateria pozwalająca tirowi na przejechanie typowego obecnie dystansu 1000 km ważyłaby 5 ton. Byłoby to zarówno bardzo zasobochłonne, jak i wyraźnie ograniczało masę przewożonego towaru. W sumie w przypadku tirów można jakoś z tym żyć, ale samolot dalekodystansowy z ciężką baterią w ogóle nie byłby w stanie wzbić się w powietrze – nawet bez żadnego ładunku. Oprócz lotnictwa i ciężarówek długodystansowych oraz specjalistycznych maszyn budowlanych wodór może być potrzebny w żegludze dalekomorskiej, a oprócz transportu w różnych procesach przemysłowych, przy stabilizacji sieci oraz w innych pomniejszych zastosowaniach.

Ilustracja 2. Orientacyjne priorytety i sensowność różnych pomysłów wykorzystania wodoru. Od góry do dołu od najwyższego priorytetu do najniższego. Kategoria A i B połączone jako „w zasadzie konieczne wykorzystanie wodoru z powodu braku dobrych alternatyw”. 

Ilustracja 2. Orientacyjne priorytety i sensowność różnych pomysłów wykorzystania wodoru. Od góry do dołu od najwyższego priorytetu do najniższego. Kategoria A i B połączone jako „w zasadzie konieczne wykorzystanie wodoru z powodu braku dobrych alternatyw”.

A e-paliwa, czyli węglowodory odpowiadające obecnym paliwom ciekłym produkowanym z ropy? Mogłyby być one produkowane w procesie elektrolizy wodoru, a następnie połączenia go z dwutlenkiem węgla (wychwyconym z powietrza lub produktów spalania), ewentualnie z węglem z biomasy. Ich zaletami jest to, że byłyby one bezemisyjne (netto, bo przy ich spalania byłby wyzwalany CO2, ale tylko w ilości odpowiadającej usuniętej wcześniej z obiegu), a także można by do nich wykorzystać zwykłe silniki spalinowe i baki paliwa (przy takiej jak obecna gęstości energetycznej paliwa), bez konieczności produkowania baterii czy ogniw paliwowych. Problem w tym, że jest to ścieżka bardzo nieefektywna energetycznie – jedynie ok. 20% dostępnej początkowo energii elektrycznej byłoby efektywnie wykorzystywane do napędu pojazdów. Można by się w to bawić, gdybyśmy mieli w bród energii – ale nie mamy. Przypomnę, że nawet scenariusz pełnej elektryfikacji transportu (4-krotnie efektywniejszy energetycznie od pomysłu z e-paliwami) wygenerował (wraz z innymi sektorami) tak gigantyczne zapotrzebowanie na prąd, że z ledwością udało się je zaspokoić dopiero po nadzwyczaj agresywnej rozbudowie źródeł energii. Tak więc e-paliwa mogą być stosowane tam, gdzie już nie da się inaczej, na przykład jako paliwo dla czołgów i innego ciężkiego sprzętu wojskowego. 

To, co obecnie mamy, wymagałoby dostarczenia ok. 5 mln ton wodoru (część można oczywiście obsłużyć biometanem, szczególnie te sektory przemysłu, gdzie jest on obecnie stosowany, jak zakłady azotowe, rafinerie czy cementownie). W tym celu byłoby potrzeba ok. 214 TWh prądu dla elektrolizerów. 

Zastosowanie.  [TWh]  [mln ton H2] 
Zakłady azotowe, rafinerie itp.  57  1,3 
Żegluga morska  50  1,1 
Lotnictwo  30  0,7 
Hutnictwo i produkcja stali  30  0,7 
Magazyn energii dla sieci elektrycznej  20  0,5 
Paliwo dla Wojska Polskiego  5  0,1 
Cement  12  0,2 
Inne pomniejsze  10  0,2 
Sumarycznie  214  4,9 

To oczywiście oszacowania wykonane w duchu biznes-jak-zwykle. Na ile da się te liczby zmniejszyć? Nie wnikając w szczegóły, do stukilkudziesięciu TWh, przy ambitnym programie efektywności energetycznej i surowcowej oraz gospodarki cyrkularnej, powiedzmy do 120 TWh.


Więcej materiałów na podstawie książki „Zrozumieć transformację energetyczną” wraz z symulatorem systemu energetycznego znajdziesz w tym miejscu.

Podobne wpisy