Rozbudowa infrastruktury w celu wdrożenia zielonego wodoru 

Globalne dążenie do redukcji emisji gazów cieplarnianych spowodowało, że wodór – zwłaszcza tzw. zielony wodór wytwarzany ze źródeł odnawialnych – znalazł się w centrum uwagi. Choć gospodarka wodorowa znajduje się jeszcze w fazie początkowej, stwarza ona szansę na bardziej zrównoważony transport, procesy przemysłowe oraz produkcję energii. Aby jednak w pełni wykorzystać te możliwości, konieczne jest pokonanie szeregu wyzwań infrastrukturalnych związanych z dystrybucją i użytkowaniem wodoru na dalszych etapach.

Powszechne wdrożenie zielonego wodoru wymaga dalszych inwestycji w prace badawczo-rozwojowe, współpracy między różnymi sektorami w zakresie wytwarzania i konsumpcji, a także solidnych ram polityczno-regulacyjnych.

Po pierwsze, istniejąca infrastruktura gazu ziemnego – obejmująca gazociągi, magazyny i sieci przesyłowe – musi zostać przebudowana lub zastąpiona, aby bezpiecznie i efektywnie obsługiwać wodór, biorąc pod uwagę jego unikalne właściwości chemiczne. Cząsteczki wodoru są najmniejsze spośród wszystkich gazów, co sprzyja ryzyku wycieków. Konieczne jest zatem stosowanie specjalistycznych materiałów i technik uszczelniania w celu zapewnienia bezpieczeństwa i efektywności przesyłu oraz magazynowania. Dodatkowo, wodór może prowadzić do kruchości materiałów niekompatybilnych z jego oddziaływaniem, a niemal niewidoczny płomień podczas spalania utrudnia zauważenie wycieku w świetle dziennym, co rodzi dalsze zagrożenia.

Magazynowanie i transport to kolejne złożone zagadnienia logistyczne. Z uwagi na niską gęstość energetyczną wodoru w przeliczeniu na jednostkę objętości – w porównaniu z gazem ziemnym czy paliwami kopalnymi w stanie ciekłym – konieczne są skrajne warunki przechowywania, szczególnie tam, gdzie powierzchnia magazynowa lub przestrzeń ładunkowa jest ograniczona). Oznacza to kompresję wodoru do ciśnienia sięgającego nawet 700 bar (10 500 psi) lub skroplenie w temperaturze rzędu -253°C (-423,4°F). Utrzymanie wodoru w takiej formie wymaga znacznych nakładów energetycznych, co pociąga za sobą dodatkowe koszty w zakresie sprzętu, energii oraz logistyki długoterminowego składowania i transportu.

Aby sprostać wyzwaniom związanym z rurociągami, konieczne jest zainwestowanie w specjalistyczne materiały odporne na kruchość wodorową, natomiast w kontekście magazynowania i transportu należy uwzględnić złożone wyliczenia dotyczące efektywności energetycznej i dokonywać wyboru rozwiązań w oparciu o liczne zmienne.

Obecnie większość wytwarzanego wodoru pozyskuje się z paliw kopalnych, na przykład w procesie reformingu parowego metanu (SMR) lub reformingu autotermicznego (ATR). . W najprostszych postaciach te procesy wytwarzają tzw. szary wodór, który wiąże się z emisją dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych, co podważa ekologiczne korzyści wynikające z użycia wodoru. Możliwe jest jednak wychwytywanie tych emisji, co pozwala uzyskać tzw. niebieski wodór - ale wymaga to jednak dodatkowych nakładów finansowych na infrastrukturę służącą do wychwytu, transportu i składowania dwutlenku węgla..

Wytwarzanie zielonego wodoru eliminuje wspomniane problemy, lecz wymaga znacznych inwestycji w elektrolizery (najczęściej typu membranowego PEM lub zasadowego), rozbudowę infrastruktury sieciowej oraz szereg innych inwestycji w obszarach okołoprocesowych. Elektroliza polega na rozszczepianiu cząsteczek wody na wodór i tlen za pomocą energii elektrycznej, przy czym sam wodór jest pozyskiwany, a nieszkodliwy tlen uwalniany do atmosfery lub wykorzystywany przemysłowo. Jeśli proces ten zasilany jest energią ze źródeł odnawialnych – takich jak energia wiatrowa, słoneczna czy wodna – uzyskany wodór jest zielony i zrównoważony środowiskowo.

Wykorzystanie zielonego wodoru jako źródła energii dla sieci elektroenergetycznej niesie ze sobą szereg wyzwań, ponieważ wymaga stworzenia nowej infrastruktury oraz płynnej integracji z istniejącymi systemami zasilania. Integracja ta staje się jednak coraz bardziej konieczna. Społeczeństwa na całym świecie sięgają po inteligentne sieci (smart grids), zaawansowane systemy magazynowania energii oraz rozbudowane narzędzia do zarządzania jej przepływem, aby zrównoważyć rosnące zapotrzebowanie na odnawialne źródła energii wobec wahań podaży wynikających z niestabilnego charakteru tych źródeł..

Choć koszt pozyskiwania energii z wodoru jest obecnie wyższy niż w przypadku paliw kopalnych w przeliczeniu na jednostkę energii, przewiduje się, że w nadchodzących dekadach cena wodoru będzie sukcesywnie spadać. Przyczyny tego trendu to postęp technologiczny w obszarze produkcji i wykorzystania wodoru, realizacja inwestycji w infrastrukturę (zarówno publiczną, jak i prywatną) oraz standaryzacja praktyk bezpieczeństwa na szeroką skalę.

Pomimo wskazanych trudności gospodarka wodorowa oparta na zielonym wodorze jest niezwykle atrakcyjna ze względu na swój potencjał neutralności klimatycznej. Przy zachowaniu czystych praktyk produkcyjnych para wodna może być jedynym efektem ubocznym eksploatacji odnawialnego wodoru, co czyni go kluczowym składnikiem strategii redukcji emisji gazów cieplarnianych oraz działań na rzecz łagodzenia skutków zmian klimatu.

Co więcej, wodór można magazynować w różnych formach przez dłuższe okresy, nie ponosząc strat energii typowych dla baterii (choć w krótkiej perspektywie skutkuje to niższą sprawnością przekształcania zmagazynowanej energii w elektryczność). Taki sposób przechowywania pozwala rozwiązać problem niestabilności źródeł odnawialnych, takich jak słońce czy wiatr, które są dostępne tylko w określonych porach. Zgromadzony wodór może być następnie wykorzystany do wytwarzania energii elektrycznej w okresach szczytowego zapotrzebowania, zwiększając stabilność i niezawodność sieci elektroenergetycznej, lub do zasilania pojazdów czy procesów przemysłowych. Elastyczność w magazynowaniu i dystrybucji energii odnawialnej stanowi zatem klucz do efektywnego funkcjonowania systemów opartych na OZE.

Oprócz wytwarzania energii elektrycznej, wodór znajduje wiele innych zastosowań: może zasilać pojazdy ciężarowe i przemysłowe, a także służyć do ogrzewania budynków mieszkalnych czy użyteczności publicznej. W sektorze transportu pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi (FCEV) stanowią bezemisyjną alternatywę dla samochodów ciężarowych i autobusów z silnikiem Diesla, oferując większy zasięg i krótszy czas tankowania w porównaniu z pojazdami elektrycznymi zasilanymi akumulatorami. Jest to szczególnie istotne w przewozach dalekobieżnych, gdzie masa baterii i długi czas ładowania stanowią poważne ograniczenia logistyczne i ekonomiczne.

W przemyśle wodór może być wykorzystywany jako czysty surowiec do produkcji amoniaku i innych chemikaliów, zmniejszając zależność od procesów opartych na paliwach kopalnych w sektorach takich jak produkcja stali, cementu i nawozów.

Rządy na całym świecie dostrzegają transformacyjny potencjał wodoru i w związku z tym wdrażają rozwiązania polityczne oraz zachęty finansowe, aby przyspieszyć jego upowszechnienie. Przykłady obejmują bezpośrednie dofinansowanie prac badawczo-rozwojowych, ulgi podatkowe na produkcję i wykorzystanie wodoru, a także wprowadzanie wymogów dotyczących dodawania wodoru do istniejących sieci gazu ziemnego tam, gdzie jest to technicznie wykonalne, jako środek przejściowy.

Na przykład European Unia Europejska ogłosiła Strategię Wodorową , która zakłada budowę kompleksowego łańcucha wartości oraz plan zainstalowania 40 GW mocy elektrolizerów do 2030 roku. Z kolei, Japonia i Korea Południowa sformułowały ambitne strategie mające na celu przekształcenie się w społeczeństwa zasilane wodorowo . Powstają także międzynarodowe koalicje mające na celu ujednolicenie norm i regulacji, co ułatwia transgraniczny handel wodorem.

Choć konkretne ramy czasowe potrzebne do pełnego urzeczywistnienia gospodarki wodorowej nadal są niepewne, większość ekspertów przewiduje dynamiczny wzrost w kolejnych dziesięcioleciach. Hydrogen Council, globalna inicjatywa zarządzana przez dyrektorów generalnych wiodących firm, prognozuje, że do 2050 roku wodór może pokryć nawet 24% światowego zapotrzebowania na energię , a wartość rynku może sięgnąć 2,5 biliona dolarów rocznie. Postęp ten będzie efektem wielu nakładających się czynników, w tym rozwoju technologicznego w obszarze wytwarzania i magazynowania wodoru, spadku kosztów energii odnawialnej oraz zaostrzających się regulacji klimatycznych.

Sukces gospodarki opartej na zielonym wodorze zależy również od dostępności odnawialnych źródeł energii oraz rozwoju wydajnej infrastruktury. Mimo że obecnie produkcja zielonego wodoru opiera się w dużej mierze na wsparciu rządowym, koszty mają się stopniowo obniżać w wyniku doskonalenia technologii, osiągania efektu skali oraz wzrostu popytu na wodór na rynkach światowych. Przykładowo, administracja Stanów Zjednoczonych zakłada, że koszty produkcji wodoru uda się obniżyć do 2 USD/kg do 2026 roku i do 1 USD/kg do 2031 roku .

Tak jak baterie i panele fotowoltaiczne przeszły gwałtowny rozwój w ciągu ostatnich dwóch dekad, tak technologie związane z energetyką wodorową otwierają pole do wciąż niewykorzystanych możliwości w zakresie wydajności i potencjału wzrostu w krótszej perspektywie czasowej. W miarę spadku kosztów i rozbudowy infrastruktury wodór będzie stopniowo wchodził w kolejne sektory gospodarki, przyczyniając się do ograniczenia emisyjności całego systemu energetycznego.

Sukces na polu upowszechnienia energii wodorowej zależy przede wszystkim od współpracy środowisk naukowych, rządów oraz kluczowych graczy w przemyśle. Jasne i stabilne ramy polityczne, zapewniające długoterminową pewność inwestycyjną, są niezbędne do przyciągnięcia kapitału i stymulowania innowacji niskoemisyjnych. Z kolei współpraca międzynarodowa odgrywa kluczową rolę w ustalaniu globalnych standardów i przepisów, sprzyjając handlowi wodorem ponad granicami.

Poza ciągłym wsparciem prac badawczo-rozwojowych, konieczne będzie pokonanie barier technicznych – takich jak poprawa wydajności i obniżenie kosztów produkcji elektrolizerów, opracowanie bardziej energooszczędnych technologii kompresji i skraplania wodoru oraz rozbudowa sieci przesyłowych – aby wodór mógł powszechnie współistnieć z paliwami kopalnymi na rynku energetycznym.

Ostatecznie, standaryzacja, regulacje prawne i edukacja dotyczące bezpiecznej produkcji, magazynowania i użytkowania wodoru pomogą zyskać zaufanie społeczne i wypracować pozytywny wizerunek tej czystej formy energii. Choć przed wodorem stoi jeszcze wiele wyzwań, perspektywy rozwoju gospodarki wodorowej wyglądają obiecująco. Dzięki skutecznemu usuwaniu ograniczeń infrastrukturalnych, stymulowaniu rozwoju technologicznego i tworzeniu sprzyjających ram politycznych, zielony wodór może w nadchodzących dekadach odegrać kluczową rolę w ograniczaniu emisji dwutlenku węgla.