Gospodarka oparta na wodorze: już dziś trwają prace nad rozwojem paliwa przyszłości 

W miarę nasilania się konsekwencji globalnych zmian klimatycznych, istnieje konieczność zwiększenia udziału czystych, zrównoważonych źródeł energii. Wodór jako źródło energii w miksie energetycznym ma wiele zalet, które mogą zrewolucjonizować naszą energetykę dzięki rozwojowi gospodarki opartej na wodorze.

Wodór to pierwiastek układu okresowego występujący w największych ilościach, choć nie jest on łatwo dostępny, a jego produkcja wymaga szeregu procesów chemicznych. Wysoka zawartość energii i zerowa emisja dwutlenku węgla sprawiają, że jest to zrównoważona i atrakcyjna alternatywa dla konwencjonalnych paliw kopalnych, umożliwiająca magazynowanie i wytwarzanie energii.

W wyniku spalania wodoru powstaje jedynie para wodna, a do jego produkcji można wykorzystać różne metody, a dzięki różnym metodom produkcji można go wytwarzać, przechowywać i zużywać w razie potrzeby. Wodór można także transportować, chociaż wiąże się to z poważnymi wyzwaniami, co zwiększa jego elastyczność i niezawodność jako stabilnego źródła energii.

Jednak, podobnie jak w przypadku większości przedsięwzięć przemysłowych, rozwój gospodarki opartej na wodorze i wdrożenie procesów wykorzystujących wodór wiążą się z pewnymi wyzwaniami, zwłaszcza brakiem infrastruktury i regulacji prawnych.

Jednym z pierwszych kroków w zrozumieniu aktualnego stanu gospodarki opartej na wodorze jest poznanie różnych metod pozyskiwania lub produkcji wodoru, z których każda różni się pod względem finansowym, prawnym i implikacji dla zrównoważonego rozwoju.

Wodór, podobnie jak każdy materiał eksploatacyjny, w zależności od metody jego produkcji, może być czysty i przyjazny dla środowiska lub nie. Do rozróżnienia wodoru z punktu widzenia jego nieszkodliwości dla środowiska przyjęto oznaczanie metod produkcji różnymi kolorami. Mimo że dostępny asortyment zawiera więcej rodzajów, poniżej wymieniono jedynie główne alternatywy, przy czym metan jest głównym składnikiem gazu ziemnego.

• Wodór szary: Obecnie najczęściej stosowaną sposobem produkcji jest pozyskiwanie wodoru szarego z gazu ziemnego metodą reformingu parowego metanu (SMR) i reformingu autotermicznego (ATR). Mimo, że metody te są opłacalne ekonomicznie, obie powodują uwalnianie znacznych ilości dwutlenku węgla do atmosfery, a więc przeczy korzyściom płynącym z wykorzystywania wodoru szarego jako paliwa.
• Wodór niebieski: Podobnie jak wodór szary, wodór niebieski wytwarzany jest z gazu ziemnego metodami SMR i ATR, ale uzupełnionymi o technologie wychwytywania i składowania (CCS) polegające na wychwytywaniu i sekwestracji dwutlenku węgla wytwarzanego podczas jego produkcji. Metoda ta jest uważana za bardziej zrównoważoną dzięki technologii CCS, ale jest on też droższy. Do produkcji wodoru niebieskiego lepiej nadaje się metoda ATR, ponieważ wytwarzany strumień dwutlenku węgla jest czystszy niż wytwarzany metodą SMR.
• Wodór zielony: Wodór zielony jest wytwarzany metodą elektrolizy, w której do rozkładu cząsteczek wody na wodór i tlen wykorzystuje się odnawialną energię elektryczną otrzymywaną z czystych źródeł takich, jak wiatr, słońce, czy woda. Metoda ta nie powoduje emisji dwutlenku węgla, jest więc najbardziej ekologiczna. Problemem są jednak koszty i dostępność energii odnawialnej.
• Wodór turkusowy: Nowa technologia produkcji wodoru turkusowego wykorzystująca pirolizę metanu, która polega na rozkładzie metanu, głównego składnika gazu ziemnego, na wodór i węgiel w postaci stałej. Chociaż metoda ta jest wciąż w fazie rozwoju, stanowi ona niskoemisyjną alternatywę dla wodoru szarego, jeśli produkt uboczny, czyli węgiel w postaci stałej jest wykorzystywany lub skutecznie wychwytywany.

Chociaż gospodarka oparta na wodorze jest wciąż w powijakach, stopniowo nabiera kształtu i charakteryzuje się uniwersalnością oraz możliwością szerokiego zastosowania na całym świecie. Wodór jest niezbędnym składnikiem wielu procesów przemysłowych, od produkcji amoniaku do nawozów po procesy rafinacji produktów naftowych.

W branży transportowej pojazdy napędzane wodorowymi ogniwami paliwowymi zyskują na znaczeniu - są zeroemisyjną alternatywą, charakteryzującą się znacznie krótszymi czasami ładowania, rzędu kilku minut, w porównaniu z pojazdami zasilanymi z akumulatorów. Wodór może być również wykorzystywany w stacjonarnych ogniwach paliwowych do wytwarzania energii elektrycznej, zapewniając niezawodne dostawy energii elektrycznej do domów i przedsiębiorstw, zwłaszcza w odległych obszarach i regionach o ograniczonym dostępie do sieci.

Ponadto wodór jest efektywnym nośnikiem energii, który nadaje się szczególnie do przechowywania nadwyżek energii odnawialnej wytwarzanej w godzinach szczytu, celem późniejszego wykorzystania. W przeciwieństwie do akumulatorów, które lepiej nadają się do krótkotrwałego magazynowania energii, możliwość magazynowania dużych ilości energii przez dłuższy okres czasu powoduje, że nadaje się on do sezonowego magazynowania, co pomaga w rozwiązaniu problemu wynikającego z niestabilności produkcji energii odnawialnej. W porównaniu z magazynowaniem w akumulatorach, systemy magazynowania wodoru wymagają znacznie mniej miejsca i są lżejsze, przy praktycznie braku strat energii w miarę upływu czasu.

Wytwarzanie energii z wodoru jako uzupełnienie energii wytwarzanej z paliw kopalnych pomoże rozwiązać wiele palących kwestii klimatycznych, przed którymi stoi dziś ludzkość i nasza planeta, szczególnie jeśli chodzi o emisję gazów cieplarnianych. Wraz z dalszym rozwojem gospodarki opartej na wodorze, przedsiębiorstwa mają możliwość łagodzenia zmian klimatycznych i osiągania swych celów zrównoważonego rozwoju.

Ponadto wodór zwiększa bezpieczeństwo energetyczne poprzez dywersyfikację dostaw energii i zmniejsza zależność od konwencjonalnych źródeł energii, na które coraz większy wpływ ma dynamika geopolityczna. Gospodarka oparta na wodorze sprzyja promowaniu innowacji, tworzeniu nowych gałęzi przemysłu i miejsc pracy oraz pobudzaniu wzrostu gospodarczego w całym łańcuchu wartości. Technologie oparte na energii wodorowej powodują również zmniejszenie ilości zanieczyszczeń powietrza, co poprawia jakość powietrza, zwłaszcza w obszarach gęsto zaludnionych i korzystnie wpływa na zdrowie publiczne. 

Pomimo pozytywnych stron, istnieje szereg przeszkód na drodze do powszechnego stosowania wodoru. 

Po pierwsze: chociaż zielony wodór to bezemisyjna opcja zasilania infrastruktury, koszty jego wykorzystania do wytwarzania energii są nadal znacznie wyższe niż w przypadku konwencjonalnych paliw kopalnych. Jednym z najważniejszych warunków rozwoju gospodarki opartej na wodorze jest obniżenie kosztów produkcji zielonego wodoru. 

Produkcja niebieskiego wodoru także wiąże się ze znacznie wyższymi kosztami niż produkcja wodoru szarego, więc zwiększenie jego wykorzystania będzie wymagało zachęt. 

Poza tym, brakuje solidnej i rozwiniętej infrastruktury do produkcji, magazynowania, transportu i dystrybucji wodoru. Z przytoczonych argumentów wypływa wniosek, że dla bezpiecznego i efektywnego wykorzystania wodoru konieczne są znaczne nakłady inwestycyjne na budowę nowej i dostosowanie istniejącej infrastruktury. Niezbędne jest również zaufanie społeczne i zastosowanie technologii wodorowych w przemyśle i w zastosowaniach konsumenckich, co wymaga prowadzenia kampanii informujących o zaletach wodoru, rozwiania obaw o bezpieczeństwo i obalenia mitów.

Wreszcie, procedury i przepisy bezpieczeństwa muszą być powszechnie znane i rozumiane w całym łańcuchu wartości, począwszy od procesów produkcji i magazynowania po transport i końcowe wykorzystanie. Organy regulacyjne mają do odegrania ważną rolę, zarówno w edukowaniu obecnych i potencjalnych użytkowników wodoru, jak i w zachęcaniu do jego stosowania. 

Rządy i organy regulacyjne odgrywają kluczową rolę we wspieraniu rozwoju prężnie rozwijającej się gospodarki opartej na wodorze poprzez ukierunkowaną politykę i zachęty. Często przybiera to formę podatków od emisji dwutlenku węgla, ulg za korzystanie z odnawialnych źródeł energii czy systemów handlu emisjami zanieczyszczeń co powoduje, że zielona energia staje się bardziej atrakcyjna z ekonomicznego punktu widzenia. Na przykład w USA ustawa o redukcji inflacji z 2022 r. przewiduje ulgi podatkowe na korzystanie z czystej energii i inne przepisy mające na celu zwiększenie produkcji energii ze źródeł odnawialnych w kraju. Tymczasem Japonia i Korea Południowa zobowiązały się do osiągnięcia neutralności węglowej do 2050 r., a cała Unia Europejska podąża za ich przykładem.

Oprócz ustalenia strategii, rządy finansują również projekty badawczo-rozwojowe, które mają kluczowe znaczenie dla obniżenia kosztów produkcji zielonego i niebieskiego wodoru, poprawy efektywności technologii wodorowych i badania nowych zastosowań dla tego wszechstronnego nośnika energii. Finansowanie ze środków publicznych i zachęty mogą przyspieszyć rozbudowę sieci stacji tankowania wodoru, rurociągów i obiektów magazynowych, poprzez tworzenie solidnej infrastruktury wspierającej szersze jego stosowanie.

Organy publiczne odgrywają również ważną rolę w ustanawianiu klarownych procedur bezpieczeństwa i uregulowań dla łańcucha wartości wodoru. Intensyfikacja tych działań jest niezwykle istotna dla zapewnienia bezpieczeństwa publicznego i budowania zaufania do technologii wodorowych.

Zważywszy na fakt, że gospodarka oparta na wodorze jest na wczesnym etapie rozwoju, jego potencjalne zastosowania to nie tylko te, obecnie znane. Przykładowo, sektory takie jak przemysł stalowy i cementowy, znane z dużego śladu węglowego ze względu na energochłonne procesy produkcyjne, aby zmniejszyć swój wpływ na środowisko, aktywnie poszukują sposobów wykorzystania wodoru do zastąpienia energii z paliw kopalnych.

Wyzwaniem jest również zmniejszenie emisji dwutlenku węgla przez sektor morski i lotniczy, który w dużym stopniu opiera się na paliwach kopalnych. Potencjalnym rozwiązaniem mogłyby jednak być silniki spalinowe zasilane z ogniw wodorowych.

Aby zmniejszyć emisję dwutlenku węgla do atmosfery, w konwencjonalnych elektrowniach do gazu ziemnego dodawany jest również wodór. Turbiny gazowe nowej generacji mogą być obecnie zasilane wodorem jako jedynym źródłem paliwa, bez konieczności mieszania go z gazem ziemnym.  

Innym sposobem redukcji emisji dwutlenku węgla i tworzenia czystszego środowiska do życia jest wykorzystanie mieszaniny gazu ziemnego z wodorem w ilości do 20% i wykorzystanie jej w urządzeniach takich, jak systemy grzewcze w budynkach mieszkalnych i komercyjnych, podgrzewacze wody i suszarki do odzieży, bez konieczności ich modyfikacji. 

Solidnej gospodarki opartej na wodorze nie da się zbudować w pojedynkę. Konieczna jest współpraca wszystkich zainteresowanych stron, w tym producentów, dostawców, publicznych i prywatnych instytucji badawczych, organów administracji państwowej i społeczeństwa. Innowacyjność, zmniejszanie barier kosztowych, pokonywanie wyzwań technicznych i zapewnienie bezpieczeństwa wymaga dalszych prac badawczo-rozwojowych, oraz realizacji projektów pilotażowych. 

Mimo, że wyzwania pozostają, to wykorzystanie wodoru zapewnia liczne korzyści, gdyż w całym świecie poszukuje się sposobów ograniczenia emisji dwutlenku węgla i uzupełnienia obecnych źródeł energii o zrównoważoną, zieloną energię. Pokonywanie wyzwań związanych z szerszym wykorzystaniem wymaga ciągłych badań, edukacji, innowacji technologicznych i jedności w kształtowaniu strategii, ale skala wykorzystania wodoru i jego potencjał stale rośnie, co stanowi kluczową szansę na zapewnienie czystszej przyszłości nie tylko samego przemysłu.