Zielony Wodór jako przyszłość magazynowania energii PV – jak to działa?

Wodór jest powszechnie uważany za nośnik energii przyszłości. Jego szerokie wykorzystanie ma wspierać wysiłki gospodarek na rzecz dekarbonizacji. Szczególną uwagę przyciąga zielony wodór jako medium magazynujące. Jak to dokładnie działa? Kogo może to zainteresować? Jakie są korzyści z zastosowana tej technologii?

Kilka słów o wodorze

Wodór to pierwszy pierwiastek chemiczny z tabeli okresowej. Oznaczono go symbolem H. Jest najlżejszym i najpopularniejszym gazem we wszechświecie. W warunkach standardowych jest bezbarwny, bezwonny i niemetaliczny. Stanowi główny budulec życia na Ziemi. Wskazane właściwości przesądzają o tym, że wodór jest paliwem o największej wartości opałowej oraz cieple spalania w stosunku do swojej masy. Próby jego wykorzystania do celów energetycznych sięgają jeszcze XVIII wieku. Obecnie uznaje się go za nośnik energii przyszłości.

Jakie są rodzaje wodoru?

Jedną z głównych barier związanych z powszechnym i ekologicznym użyciem wodoru do celów energetycznych jest sposób jego produkcji. Obecnie najczęściej uzyskuje się go w procesie reformingu parowego metanu lub gazyfikacji węgla. W obu tych modelach produkcji ubocznym skutkiem jest wysoka emisja dwutlenku węgla. Eksperci szacują, że mowa tu nawet o 19 tonach CO₂ na 1 tonę wodoru w przypadku gazyfikacji i około 9-10 tonach CO₂ na 1 tonę wodoru w reformingu parowym metanu. Oczywistym jest, że tak emisyjne procesy powinny być wygaszane, a nie wspierane przez instytucje międzynarodowe. Wodór uzyskiwany w opisanych technologiach nazywamy szarym. Zgodnie z danymi Instytutu Energetyki – Instytutu Badawczego, aż 96% obecnie wytwarzanego wodoru powstaje właśnie w ten ‘brudny’ sposób. Do innych rodzajów wodoru zaliczamy:

• Niebieski wodór – ten rodzaj pierwiastka uzyskuje się w tym samym procesie, co wodór szary. Różnica polega na zdolności do wychwytywania i składowania produktu ubocznego, czyli dwutlenku węgla. Niestety poprawa emisyjności idzie tu w parze z licznymi wyzwaniami, czyli między innymi wysokimi kosztami, niezbędną przestrzenią oraz czasem składowania.
• Turkusowy wodór – powstaje w procesie pirolizy gazu ziemnego, a jego produktem ubocznym jest czysty węgiel. Może być on później wykorzystywany do produkcji tuszów i tonerów do drukarek, a także smarów, opon i wielu innych. Technologia wytwarzania tego produktu jest na wstępnej fazie rozwoju, dlatego trudno oszacować jej opłacalność ekonomiczną i możliwość szerokiego wykorzystania.
• Zielony wodór – to pojęcie pojawia się najczęściej w kontekście nośnika energii XXI wieku. I nie jest to przypadek. Czysty wodór uzyskuje się w procesie zeroemisyjnym, a więc jest on w pełni neutralny dla środowiska. Jak to się dzieje?

Jak powstaje zielony wodór?

Do produkcji zielonego wodoru wykorzystuje się proces elektrolizy wody. Na czym on polega? Mówiąc w uproszczeniu, wodę poddaje się działaniu prądu. Dzięki temu następuje rozpad na cząsteczki tlenu i wodoru. Jonowy wodór opuszcza układ w postaci obserwowalnych w cieczy pęcherzyków. Można go później zmagazynować i wykorzystać jako źródło energii. Cały proces odbywa się na bazie konkretnej technologii. Najpopularniejszymi rozwiązaniami są:

• Elektroliza z membraną polimerową (PEM).
• Elektroliza z membraną stałotlenkową (SOEC).
• Elektroliza alkaliczna (ALK).

Kluczowe dla środowiska jest tu źródło zasilania procesu. Aby wodór można było nazwać czystym, powinna być to energia elektryczna uzyskiwana w ekologiczny sposób, bez emitowania toksycznych produktów ubocznych. Tu właśnie do gry wchodzą odnawialne źródła energii, w tym przede wszystkim panele fotowoltaiczne.

Magazynowanie energii z fotowoltaiki to nadal duże wyzwanie

Odnawialne źródła energii mają wiele zalet. Są stosunkowo tanie, ekologiczne, samoobsługowe. Niestety mają też jedną dużą wadę – są niestabilne. Panele PV nie działają w nocy, z kolei przy dużym nasłonecznieniu generują nadwyżki. Podobny tryb pracy dotyczy turbin wiatrowych czy elektrowni wodnych. Powstające w ten sposób zachwianie popytem i podażą przekłada się na zbyt wysokie napięcie w sieci i stwarza ryzyko przeciążenia.

Rozwiązaniem tego wyzwania jest magazynowanie energii. Dziś intensywnie rozwija się wykorzystanie indywidualnych magazynów w instalacjach domowych czy firmowych. To świetne rozwiązanie, które nie ma jednak zastosowania w skali krajowej i przechowywaniu sezonowym.

Alternatywą ma być wykorzystywanie nadwyżek energii z instalacji OZE do elektrolizy wody. Powstały tak zielony wodór może być magazynowany w specjalnych zbiornikach lub z wykorzystaniem wodorowych ogniw paliwowych.

Zielony wodór a fotowoltaika – jakie są korzyści z wykorzystania fotowoltaiki do produkcji zielonego wodoru?

Fotowoltaika  w oczywisty sposób wpływa na otrzymanie w efekcie końcowym zielonego wodoru, ponieważ sama energia potrzebna do jego wytworzenia pochodzić będzie z zielonego źródła, a samo zastosowanie zielonego wodoru jako nośnika energii niesie za sobą wiele korzyści. Należą do nich:

• Możliwość magazynowania, dzięki czemu jego zasoby są niezależne od warunków atmosferycznych.
• Możliwość transportowania za pomocą gazociągów lub cystern samochodowych, kolejowych i innych.
• Możliwość wykorzystywania w różnych procesach, np. do zasilenia maszyn, urządzeń, napędzania pojazdów czy dostarczania energii cieplnej.
• Możliwość stosowania w sektorze prywatnym, chemicznym, motoryzacyjnym, hutniczym, energetycznym, rafineryjnym czy gazowym.

Dlaczego zielony wodór nadal jest wykorzystywany w tak małej skali?

Europa ma do 2050 roku osiągnąć neutralność klimatyczną. Pomóc ma w tym szersze wykorzystanie zielonego wodoru. Żeby jednak osiągnąć ten stan, należy zlikwidować bariery rozwoju, takie jak [1]:

• Wysokie koszty produkcji.
• Duże straty energii w łańcuchu.
• Ograniczenia infrastrukturalne.
• Brak regulacji prawnych.

Jak podaje M. Sobolewski, do wyprodukowania 1 kg wodoru potrzeba około 9 litrów wody i około 50 kWh energii elektrycznej[2]. Produkcja pierwiastka jest zatem kosztowna. Próbę szacunków przedstawiono w raporcie „Łańcuch wartości gospodarki wodorowej w Polsce”[3]. Jej wyniki (uwzględniające uwarunkowania polskiej gospodarki) prezentują się następująco:

• Elektroliza zasilana z farm wiatrowych – 4-6 euro za 1 kilogram wodoru.
• Elektroliza zasilana z fotowoltaiki – 5-7 euro za 1 kilogram wodoru.
• Elektroliza zasilana z energii jądrowej – 5-7 euro za 1 kilogram wodoru.
• Gazyfikacja węgla – 3-5 euro za 1 kilogram wodoru.
• Reforming parowy metanu – 2-4 euro za 1 kilogram wodoru.
• Elektroliza zasilana z sieci krajowej – 5-7 euro za 1 kilogram wodoru.
• Przerób odpadów – 7-9 euro za 1 kilogram wodoru.
• Procesy termochemiczne – 3-7 euro za 1 kilogram wodoru[4].
• Piroliza gazu ziemnego – 5-7 euro za 1 kilogram wodoru.

To zdecydowanie za dużo, aby już teraz silnie inwestować w to źródło magazynowania energii.

Rozwój produkcji wodoru jest silnie uzależniony od jasnych i klarownych przepisów prawnych. W tej chwili główne regulacje rynkowe mają charakter aktów ogólnoeuropejskich (EU ETS, RED III, EED, ETD, IEO, FUEL EU). Nie wszystkie z nich zostały przetransponowane do polskiego porządku prawnego, dlatego nadal brakuje wytycznych dla przyłączania instalacji wytwórczych do sieci czy certyfikowania zielonego wodoru. Niepokój wśród potencjalnych inwestorów budzi także sprawność elektrolizerów alkalicznych i PEM (technologia SOEC znajduje się w fazie komercjalizacji). Wynosi ona około 65-82%, zatem straty energii są znaczące. Wreszcie ostatnia kwestia, czyli infrastruktura logistyczna. Wykorzystanie istniejących sieci gazowych i transport wodoru z gazem jest ekonomicznie nieopłacalny (konieczność oczyszczania). Również przesył już przetworzonej energii elektrycznej jest wykluczony. Polskie sieci elektroenergetyczne nie są dostosowane do tego typu operacji. Niezbędne byłoby wybudowanie i utrzymanie nowych sieci lub taboru przewozowego. A to nie wszystko, bo trzeba także postawić odpowiednie elektrownie czy pojemniki do magazynowania. Problem jest zresztą dużo bardziej złożony, a zadowalających rozwiązań póki co brak.

Energia wodoru a magazynowanie energii z PV – czy to się uda?

Warunkiem koniecznym dla zapewnienia bezpieczeństwa elektroenergetycznego w systemach opartych na źródłach odnawialnych jest rozwój systemu magazynowania energii. Elementem niezbędnym wdrożenia tej strategii jest zastosowanie wodoru. Raport „Zielony wodór z OZE w Polsce” potwierdza, że planowane do uruchomienia w kolejnych latach inicjatywy mają wiele korzyści, ale nie są w stanie zapewnić stabilności KSE. Czy rozwój technologiczny pozwoli w przyszłości efektywnie wykorzystywać wodór do magazynowania energii z fotowoltaiki. Wiele wskazuje na to, że tak. Eksperci wierzą, że naukowcy są w stanie pokonać przeszkody. Trudną drogę już teraz przeciera strona niemiecka. Zgodnie z założeniami ”Nationale Wasserstoffstrategie”, do 2030 roku ma powstać w sumie 10 GW mocy OZE, których przeznaczeniem będzie produkcja zielonego wodoru. Już teraz budowane są obiekty, które mogą skutecznie składować zielony wodór. Przykładem może być podziemny magazyn multienergetycznej firmy EWE w Rüdersdorf pod Berlinem, umiejscowiona na głębokości tysiąca metrów.

Warto przyglądać się temu, co robią nasi zachodni sąsiedzi, bo to scenariusz, który za jakiś czas będzie przechodziła także gospodarka polski.

[1] Zielony wodór z OZE w Polsce, PSEW 2021, str. 67.
[2] M. Sobolewski, Gospodarka wodorowa, Infos nr 6(298), s.2.
[3] Łańcuch wartości gospodarki wodorowej w Polsce, Instytut Energetyki-Instytut Badawczy, Warszawa 2023.
[4] Przykładem mogą być technologie cyklu siarkowo-jodowego czy miedziowo-chlorowego.