Energetyka wodorowa. Wielka szansa dla Polski, czy ponowne przeżuwanie żaby?

W styczniu Ministerstwo Klimatu i Środowiska przekazało do konsultacji publicznych projekt „Polska Strategia Wodorowa do roku 2030 z perspektywą do 2040 r.” Nad Wisłą eksperci nie kryją ambicji związanych z technologiami wodorowymi. Mają one nie tylko ograniczyć emisję CO_2, ale też przybliżyć Polskę do niezależności energetycznej, jak i przyczynić się do rozwoju przemysłu i transportu oraz do wzrostu konkurencyjności naszej gospodarki.

Inżynierowie i fizycy znają właściwości wodoru od 200 lat. I od tego czasu próbują go w różny sposób wykorzystywać. – Wodór znalazł zastosowanie choćby w przypadku sterowca Hindenburg (największy sterowiec w historii; jego ostatni przelot w maju 1937 z Frankfurtu nad Menem do Lakehurst w USA zakończył się katastrofą, wskutek której zakończono loty pasażerskie sterowców – przyp. red.) – mówi dla Fabryk w Polsce prof. Władysław Mielczarski, elektroenergetyk z Politechniki Łódzkiej. I dodaje, że obecnie wodór z powodzeniem stosowany jest chociażby w elektrowniach („za pomocą wodoru, który jest wtedy płynny i ma temperaturę -180 stopni Celsjusza, chłodzimy stojany generatorów”) czy w hutnictwie w procesach spalania.

Sterowiec Hindenburg fot. Wikipedia

Polska jest jednym z największych producentów tzw. brudnego wodoru w Europie. W debacie publicznej często rozróżnia się trzy typy (kolory) wodoru: szary, niebieski i zielony. – Tzw. szary wodór otrzymywany jest z metanu bez procesu jakiegokolwiek oddzielenia CO₂, który trafia do atmosfery; niebieski – z paliw kopalnych poprzez reforming metanu, zgazowanie węgla (stosują to np. Chiny) z wychwyceniem w tym procesie ditlenku węgla; zielony zaś wiąże się z odnawialnymi źródłami energii (i procesem elektrolizy wody). Ale nie ma sensu kolorować wodoru – wyjaśnia w rozmowie z Fabrykami w Polsce prof. Magdalena Dudek z Wydziału Energetyki i Paliw AGH w Krakowie. Rozwiązania technologiczne bazujące na tzw. klasycznym wodorze – kontynuuje prof. Dudek – mogą być wykorzystywane również w niskoemisyjnych technologiach wodorowych.

Szerokie zastosowanie

Polska ma duże ambicje związane z wykorzystaniem wodoru. Zdaniem Tomasza Sielamowicza, kierownika Wydziału Innowacji w Narodowym Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, wodór jest szansą dla polskiej gospodarki, której wykorzystanie przybliży Polskę do osiągnięcia niezależności energetycznej. Ponadto, rozsądne i strategicznie uzasadnione wdrożenie technologii wodorowych w różnych gałęziach przemysłu, przybliży Polskę do spełnienia zobowiązań podjętych wraz z krajami członkowskimi Unii Europejskiej, dotyczących osiągnięcia neutralności klimatycznej do 2050 roku.

– Korzyścią wdrażania technologii wodorowych w transporcie zarówno lądowym jak i morskim, w magazynowaniu energii, w różnych gałęziach przemysłu i wielu innych sektorach jest ich niska emisyjność, czy nawet bezemisyjność. Działania opisane w Polskiej Strategii Wodorowej mają na celu dążenie do produkcji tzw. wodoru zielonego, czyli z odnawialnych źródeł energii – przekonuje w rozmowie z Fabrykami w Polsce Tomasz Sielamowicz.

Po chwili zaznacza, że obecnie jesteśmy trzecim co do wielkości producentem wodoru w Europie, z tym że „szarego”, czyli powstałego w procesach o wysokiej emisyjności CO₂. Jednak zdaniem Sielamowicza doświadczenie i znajomość technologii wodorowych dają nam solidne podwaliny do wdrażania technologii oczyszczających szary wodór, zdejmując bariery i wchodząc na rynek zarówno jako producent, jak i eksporter czystego wodoru.

wodór atom

Obecnie czysty wodór jest szczególnie cenny z perspektywy przemysłu motoryzacyjnego. Mowa tu o samochodach osobowych, ciężarowych, ale również o transporcie miejskim. Wodór może być wykorzystany w przemyśle stoczniowym (statki napędzane wodorem), czy w kolejnictwie (lokomotywy napędzane wodorem). Zastosowanie zielonego wodoru w przemyśle motoryzacyjnym stałoby się nie tylko szansą na zmniejszenie emisji spalin i ilości zanieczyszczeń, w tym problemu smogu w miastach, ale również rozwiązało problem „zielonego paliwa”, którego nie rozwiązały samochody elektryczne – ładowane często prądem, wytworzonym przez elektrownie węglowe.

Tomasz Sielamowicz dodaje, że w połowie marca, w związku z uruchomieniem naboru do programu „Nowa Energia”, realizowanego przez NFOŚiGW, pojawi się możliwość uzyskania pierwszego w Polsce wsparcia na inwestycje z zakresu wdrażania technologii wodorowych.

– Widzimy, po zapytaniach różnych podmiotów, że zainteresowanie chociażby budową elektrolizerów dla przemysłu motoryzacyjnego, kolejowego czy rzecznego (np. barki rzeczne) jest ogromne, co wskazuje również na intensywny rozwój obszaru technologii wodorowych w ostatnich latach – mówi ekspert.

Minimalizacja kosztów

Prof. Magdalena Dudek zwraca uwagę, że oczywiście można dyskutować nad tym, co będzie lepsze: samochody elektryczne bazujące na klasycznych bateriach, czy na ogniwach paliwowych. Ale dodaje, że wodór będzie miał bardzo duże znaczenie w hybrydowych źródłach energii, czyli bazujących na połączeniu baterii z ogniwami paliwowymi. – A ze względu na dużą gęstość energii, kwalifikuje się do wykorzystania w tzw. ciężkim transporcie („heavy duty transport”); w samochodach ciężarowych, w kolejnictwie, w transporcie morskim, ale też w transporcie wewnętrznym – mówi prof. Dudek.

Z technologiami wodorowymi wiążą się jednak poważne wyzwania. Chociażby te związane z właściwościami wodoru, który jest bardzo lekki i ma dużą zdolność przenikania. Generuje to problemy z magazynowaniem czy transportowaniem wodoru. Brakuje też regulacji prawnych w kwestii użytkowania wodoru – obecnie jednak trwają prace nad nimi, więc wydaje się, że pojawienie się stosownych regulacji jest kwestią czasu.

Natomiast według Tomasza Sielamowicza największym problemem, z którym muszą zmierzyć się kraje wdrażające strategie wodorowe, w tym Polska, jest koszt wytwarzania wodoru. – Obecnie kilogram czystego wodoru kosztuje na rynku ok. 10 euro. Strategie państw rozwiniętych, np. Japonii, zakładają osiągnięcie do 2030 roku kosztu wodoru na poziomie 2-3 dolarów za kilogram paliwa. Minimalizacja kosztu wodoru, zapewnienie ekonomicznej opłacalności technologii wodorowych w szerokim zastosowaniu, stanowi bardzo duże wyzwanie – ocenia ekspert.

Fizyka jest bezwzględna

Prof. Władysław Mielczarski do Polskiej Strategii Wodorowej podchodzi ze sceptycyzmem. Zwraca uwagę na zacofanie technologiczne Polski, ale też m.in. na wspomniany już problem z magazynowaniem i transportem wodoru, który jest cząstką bardzo lekką, nie bez przyczyny czasem nazywaną „złośliwą”, gdyż „ucieka nam niemalże przez wszystko”. – Gdybyśmy do normalnego zbiornika w samochodzie zatankowali wodór, to po dwóch godzinach już by go nie było. W związku z tym potrzebne są zbiorniki kompozytowe, wielowarstwowe, a przy tym bardzo ciężkie i kosztowne – mówi elektroenergetyk.

Toyota Mirai fot. Toyota

Nieliczne koncerny motoryzacyjne produkują samochody w tych technologiach: Toyota (model Mirai – dwie generacje), Hyundai (Nexo) i Honda (FCX Clarity; Clarity FCV). Transport wodoru możliwy jest za sprawą specjalistycznych cystern. Ale w opinii prof. Mielczarskiego „pozwoli to na przesyłanie relatywnie niewielkiej ilości wodoru”, z kolei żeby robić to w sposób bardziej efektywny, należałoby „wtłoczyć wodór do rurociągu, tak jak gaz czy ropę – tyle że wtedy on ucieknie – więc trzeba by zbudować specjalne rurociągi, które są nieprawdopodobnie kosztowne”.

Kolejny problem wiąże się z wykorzystywaniem wodoru w technologii ogniw paliwowych. – Wtłaczamy w ogniwa wodór, dzięki czemu uzyskujemy prąd elektryczny; możemy też odzyskiwać ciepło. Kłopot w tym, że te ogniwa mają relatywnie niewielką moc, do ok. 1000 KM. Samochody osobowe mają mniej więcej po 100-200 KM. Chodzi o to, że nie uzyskamy w ten sposób dużej mocy energetycznej rzędu tysięcy MW jaka potrzebna jest w systemie elektroenergetycznym. Ogniwa paliwowe można stosować w sposób ograniczony – mówi profesor.

Uważa on, że można spróbować spalać wodór w zwykłych silnikach („próbowało to robić BMW, ale wycofano się z tego”) albo w turbinach gazowych. Generalnie jest problem ze spalaniem wodoru, ponieważ „on spala się wybuchowo”. Pojawia się chmura, w której „palący się wodór ucieka do góry, a jednocześnie spala się do tyłu i mamy tzw. flashback”. Obrazując na przykładzie kuchenki gazowej, „gdyby zatłoczyć do niej wodór, a następnie zapalić palnik, to jeden obłok ognia skierowałby się do sufitu, a drugi w tył w przewody zasilające”.

Największy problem, zdaniem Mielczarskiego, tkwi jednak w samej zielonej polityce, jako że odnawialne źródła energii nie dają 100 proc. gwarancji na dyspozycyjność energii dwadzieścia cztery godziny na dobę przez siedem dni w tygodniu („widział pan, co w lutym działo się w Teksasie, gdy zamarzły wiatraki; nagle zabrakło 40 proc. energii…”).

– Oczywiście można tę energię magazynować. Ale biorąc pod uwagę, jakie mamy magazyny, nie uda się w ten sposób zmagazynować energii na skalę przemysłową. Technologie wodorowe to próba ratowania zielonej polityki. Jest to próba zastąpienia hałdy węglowej, która jest najtańszym i efektywnym magazynem, podobnym magazynem jest zbiornik gazu, ale to paliwa kopalne, od których chcemy odejść. Wiemy już, że wiatraki i panele PV nie gwarantują ciągłego zasilania odbiorców w energię elektryczną. Może uda się z paneli PV i wiatraków zaspokoić 40-50 proc. zapotrzebowania na energię, ale na pewno nie 100 proc. Fizyka jest bezwzględna. Można postawić pytanie: „Po co my znów tę wodorową żabę jemy?”, skoro już od 200 lat próbujemy to robić z niewielki skutkiem – komentuje prof. Mielczarski.

Ważny wektor przejściowy

Opinie wśród naukowców i ekspertów w kontekście rozwoju energetyki wodorowej są podzielone. Prof. Magdalena Dudek i Tomasz Sielamowicz – w odróżnieniu od prof. Władysława Mielczarskiego – podchodzą z optymizmem do rozwoju technologii wodorowych. Zaznaczają, że bariery technologiczne, które stanowią wyzwania – na przykład dotyczące magazynowania i transportu wodoru – są do pokonania, i że na świecie skuteczne rozwiązania (w przypadku motoryzacji związane choćby z lekkimi, a jednocześnie bardzo wytrzymałymi zbiornikami na wodór) są już stosowane.

Ale prof. Magdalena Dudek podkreśla, że w Polsce gospodarka wodorowa – mimo dużego potencjału – nie rozwiąże wszystkich problemów sektora energetycznego. Może być za to bardzo dobrym uzupełnieniem dla odnawialnych źródeł energii, biopaliw, jak i innych technologii wytwarzających energię. – Technologie wodorowe będą ważnym wektorem przejściowym między energetyką klasyczną, bazującą na paliwach kopalnych, a nowymi rozwiązaniami technologicznymi. Podstawową zaletą technologii wodorowych jest znikomy wpływ na środowisko i wyższa sprawność konwersji energii. Generatory energii elektrycznej, bazujące na ogniwach paliwowych, są wysoko sprawnymi generatorami konwersji energii chemicznej paliwa na energię elektryczną. Inne zalety to m.in. możliwość wykorzystania ciepła odpadowego, jak i oczywiście ograniczenie emisji CO₂ i innych związków toksycznych – mówi prof. Dudek.

Łukasz Lubański