Rozwój rynku wodoru: pytania i odpowiedzi

• Strona główna
• Artykuły
• Rozwój rynku wodoru: pytania i odpowiedzi

Data publikacji: 2020-10-29 / Autor: Dominik Wójcicki

Zagadnienia związane z wodorem stają się coraz bardziej dyskutowane na poziomie europejskim oraz uważane są za źródło, które może pozwolić gospodarce stać się zeroemisyjną. Rola branży chemicznej w adaptacji rozwiązań opartych na wodorze jest kluczowa.

Dlaczego wodór może być paliwem przyszłości?

Wodór w porównaniu z innymi pierwiastkami posiada wiele niezwykłych cech. Jest najlżejszym i najpowszechniej występującym pierwiastkiem w przyrodzie. W trakcie spalania w tlenie, uwalnia duże ilości energii. Ma wysoką wartość energetyczną w przeliczeniu na jednostkę masy, lecz jego wartość energetyczna, w przeliczeniu na jednostkę objętości, jest niewielka.

Na ziemi wodór nie występuje w wolnej postaci, dlatego otrzymuje się go w procesie elektrolizy, parowego reformingu gazu ziemnego, gazyfikacji węgla oraz reformingu/utlenienia innych węglowodorów lub produktów biomasy. Wodór może być też otrzymywany ze źródeł całkowicie odnawialnych.

Przechowuje się go w postaci ciekłej, gazowej lub stałej, jak również w postaci związanej w takich substancjach, jak metanol, etanol lub wodorki metali. Przede wszystkim jednak da się go przekształcać w energię z dużą wydajnością i może stać się źródłem energii w zastosowaniach przemysłowych, domowych, w transporcie lub systemach przenośnych, zastępując ropę naftową. Z tego względu, iż wodór łatwo się przechowuje, to kreuje on możliwości magazynowania energii elektrycznej pod postacią gazu lub cieczy po jego sprężeniu lub obniżeniu temperatury. Taki wodór można przetworzyć z powrotem na energię elektryczną w dowolny sposób i w dowolnym czasie, napędzając nim turbinę czy ogniwo paliwowe. Koncepcyjna i teoretyczna gotowość przestawienia się z paliw kopalnych na wodór już od dawna istnieje. To, czego potrzeba, to zwiększenie skali zastosowania tych rozwiązań, ich uprzemysłowienie, stworzenie rynków, które wprowadzą do praktyki przemysłowej bazujące na wodorze zasady gospodarki ekologicznej.

W jaki sposób odbywa się produkcja wodoru?

Wodór może być produkowany, bez emitowania dodatkowych zanieczyszczeń do środowiska, przy wykorzystaniu kilku metod. Może powstawać w procesie elektrolizy przy użyciu elektryczności pochodzącej wyłącznie z energii jądrowej oraz z odnawialnych źródeł energii. W tym przypadku wodór powstaje jako produkt uboczny w trakcie elektrolizy solanki podczas produkcji chloru. Na katodzie wydziela się wodór, a na anodzie – chlor. Elektrolizery umożliwiają przedsiębiorstwom energetycznym magazynowanie energii, która w przeciwnym razie zostałaby zmarnowana podczas długich okresów nadpodaży. Podczas szczytowego zapotrzebowania magazynowany wodór może być wykorzystany do wytworzenia wystarczającej ilości energii elektrycznej. W tej chwili w Kanadzie za sprawą Air Liquide powstaje największy na świecie zakład elektrolizy membranowej. Jednostka będzie mieć moc 20 megawatów i będzie produkować wodór bez użycia węgla.

Najbardziej popularną metodą produkcji (48% udziału w rynku) jest jednak parowy reforming paliw kopalnianych, w połączeniu z wykorzystaniem nowych technologii ograniczających emisję dwutlenku węgla. Szybki rozwój wodorowych procesów rafineryjnych, związany ze wzrostem wymagań ekologicznych stawianych produktom naftowym (coraz dokładniejsze hydroodsiarczanie benzyn, olejów napędowych, olejów opałowych) oraz z koniecznością pogłębionego przerobu ropy naftowej (hydrokraking ciężkich frakcji) doprowadził do tego, iż w zakładach przerobu ropy naftowej pojawia się deficyt wodoru, niemożliwy do zaspokojenia przez wodór pozyskiwany dotychczas tylko w procesie katalitycznego reformingu benzyn. Reforming parowy węglowodorów umożliwia zatem wypełnienie tych potrzeb przez produkcję wodoru uzyskanego z gazu syntezowego. Reforming parowy węglowodorów jest obecnie najważniejszym źródłem wodoru.

Ponadto produkcja odbywa się też poprzez termochemiczne lub biologiczne procesy fermentacyjne z wykorzystaniem biomasy.

Jakie miejsce na mapie producentów wodoru zajmuje Polska?

Nasz kraj jest jednym z największych producentów wodoru w Europie – wytwarza się u nas rocznie ok. 1 mln ton produktu. To ilość odpowiadająca 14% zapotrzebowania unijnego. To także 10 razy mniej niż w Stanach Zjednoczonych, lecz nadal bardzo dużo, wziąwszy pod uwagę dotychczasowy brak zainteresowania tym sektorem w Polsce. Aktualnie jednak pilną potrzebą jest zainicjowanie nad Wisłą rozwoju technologii i rynku rozwiązań wodorowych.

Głównym producentem wodoru w Polsce jest przemysł nawozów azotowych. Dzieje się tak, gdyż podstawowym półproduktem w wytwarzaniu nawozów azotowych jest amoniak, który to z kolei wytwarza się w reakcji wodoru z azotem. Taki układ determinuje umieszczenie instalacji produkujących wodór w liniach technologicznych amoniaku. Zdecydowanie największym wytwórcą jest Grupa Azoty Zakłady Azotowe Puławy. Łącznie Grupa Azoty we wszystkich swych lokalizacjach produkuje ok. 500 tys. ton wodoru rocznie i będzie go wytwarzać jeszcze więcej po uruchomieniu w 2022 r. projektu „Polimery Police”. Większość idzie na cele wewnętrzne, choć produkt jest już także eksportowany. Istotne moce wytwórcze (ok. 300-400 tys. ton rocznie) posiada także Grupa Orlen. W tym przypadku zużycie również jest kierowane na potrzeby wewnętrznych procesów produkcyjnych.

Po zakończeniu projektu EFRA o 20% wzrosły możliwości produkcji w gdańskiej rafinerii Grupy Lotos, która wykorzystuje wodór w procesach przerobu ciężkich pozostałości ropy naftowej na wysokomarżowe produkty oraz do odsiarczania paliw.

Ze względu na krajowy potencjał już w 2005 r. powstała Polska Platforma Technologiczna Wodoru i Ogniw Paliwowych, w której skład wchodzą zakłady przemysłowe oraz instytuty naukowe (łącznie 40 podmiotów). Obszarem merytorycznym dla prac tej platformy są technologie wodorowe i ogniwa paliwowe.

W jaki sposób poradzić sobie z problemem magazynowania i transportu wodoru?

Jednym z wyzwań dla rozwoju rynku wodorowego jest kwestia jego magazynowania i transportu. Na krótkich odległościach wodór może być transportowany rurociągiem. W Stanach Zjednoczonych i Europie istnieje kilka systemów rurociągowych wykorzystywanych w tym celu. Łatwiejszym jednak rozwiązaniem, na dłuższych odległościach, jest transport kolejowy lub samochodowy przy pomocy specjalnych pojemników.

Gdy chodzi zaś o magazynowanie, to może być wodór przechowywany pod ziemią w jaskiniach, formacjach wodonośnych i przestrzeniach pozostałych po wydobyciu ropy naftowej i gazu. Systemy podziemnego magazynowania są zbliżone do systemów magazynowania gazu ziemnego, lecz niestety blisko trzykrotnie droższe. Na szczęście jednak takie podziemne systemy składowania przynoszą minimalne problemy techniczne. W większości przypadków wodór magazynuje się jednak w zbiornikach ciśnieniowych.

Aktualnie najlepszym rozwiązaniem są ultralekkie materiały kompozytowe, które wytrzymują ciśnienie powyżej 20 barów. Są one używane w prototypach samochodów i autobusów.

Niektóre zbiorniki wykorzystywane są do długoterminowego przechowywania wodoru, inne przystosowane są do ciągłego napełniania i opróżniania.

Narodowe Centrum Badań i Rozwoju ogłosiło program dotyczący technologii magazynowania wodoru oraz zamówienia prototypu zasobnika wodorowego do zastosowań mobilnych. Efektywny, a jednocześnie tani zasobnik wodoru jest bowiem obecnie identyfikowany jako jeden z kluczowych elementów niezbędnych do upowszechnienia technologii wykorzystania wodoru jako magazynu energii. Taki zmagazynowany wodór może być wykorzystywany do zasilania ogniw paliwowych, wytwarzających prąd elektrycznych w sposób bezpieczny dla środowiska.

Dlaczego ogniwa wodorowe mogą się przyczynić do rewolucji transportowej?

Wykorzystanie wodoru w przemyśle motoryzacyjnym opiera się na technologii ogniw paliwowych. W ogniwach tych, podobnie jak w bateriach litowo-jonowych, dochodzi do konwersji energii chemicznej na energię elektryczną. Baterie litowo-jonowe uważane są dzisiaj za główny czynnik umożliwiający transformację motoryzacji w kierunku elektromobilności. Tymczasem samochody elektryczne mogą być również napędzane przez energię elektryczną generowaną z wodoru przez ogniwa paliwowe.

Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną w reakcji chemicznej w wyniku utleniania stale dostarczanego do niego z zewnątrz paliwa.

Charakteryzują się jednym z najwyższych wskaźników uzysku mocy z jednostkowej objętości paliwa. Wszystko to odbywa się bez emisji toksycznych składników spalin i przy bardzo wysokiej sprawności wykorzystania energii paliwa. Samo w sobie stanowi to już przełom.

Większość ogniw paliwowych do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje wodór na anodzie oraz tlen na katodzie – są to właśnie ogniwa wodorowe. Uważa się, że samochody z napędem wodorowym będą odgrywały coraz większą rolę w przyszłych rozwiązaniach komunikacyjnych. Na rynku obecnych jest sześć modeli samochodów wodorowych: Toyota; Hyundai (dwa modele); Honda; Renault; Mercedes-Benz. Co najmniej trzy nowe modele są w zaawansowanej fazie koncepcyjnej (Audi, Chevrolet, Nissan). Niemniej wciąż cena samochodów wodorowych jest znacznie wyższa niż cena samochodów elektrycznych, co ogranicza szanse wzrostu sprzedaży tych aut.

Szczególnie mocno wodór może być wykorzystany do zasilania autobusów miejskich. Pojazd z napędem wodorowym ma zasięg około 350-450 km i na jednym tankowaniu, trwającym ok. 10 minut, może jeździć cały dzień. W cyklu eksploatacji, szacowanej na 12 lat, zastąpienie jednego autobusu miejskiego z silnikiem diesla na pojazd z napędem wodorowym, może zapobiec emisji 800 ton dwutlenku węgla do atmosfery. Co więcej, silniki autobusów na wodór są około 20% cichsze od tradycyjnych napędów. Testy autobusów miejskich na wodór odbyły się już w kilku polskich miastach.

Dlaczego tak ważne są stacje tankowania wodoru?

Bez rozwoju infrastruktury wodorowej nowa mobilność wodorowa nigdy nie zaistnieje. Dalszy rozwój technologii ogniw paliwowych wykorzystujących wodór do produkcji energii elektrycznej musi być zatem konsekwencją rozwoju odpowiedniego zaplecza. Najwięcej stacji wodorowych działa w tej chwili w Japonii, w Niemczech i USA.

Na początku tego roku powstała w Kalifornii największa stacja tankowania dla autobusów w USA. Do stacji dostarczany jest ciekły wodór, który na miejscu zostaje sprężony do wysokiego ciśnienia za pomocą kriogenicznych sprężarek, a potem jest odparowywany do postaci gazowej. W tej formie wodór jest przesyłany za pośrednictwem specjalnych dystrybutorów do tankowanych pojazdów.

W Polsce od pewnego czasu planowana jest budowa stacji wodorowych dla potrzeb tankowania autobusów miejskiej. Pod koniec sierpnia 2020 r. Toyota Motor Poland oraz PGNiG podpisały umowę, na podstawie której taka pilotażowa stacja tankowania w końcu powstanie.

Jednocześnie w 2021 r. PKN Orlen wybuduje we Włocławku hub wodorowy, który docelowo wytworzy do 600 kg doczyszczonego wodoru na godzinę. W ramach inwestycji powstanie instalacja produkująca wodór w jakości paliwa transportowego, infrastruktura logistyczna i stacje tankowania.

W tym kontekście ważne jest wiedzieć, że wodór można produkować nie tylko w dużych zakładach chemicznych, ale też w sposób rozproszony blisko punktu odbioru. Można produkować wodór na terenie stacji tankowania, stosując technologie reformingu parowego – jeśli obszar jest zgazyfikowany; jak i technologie elektrolizy wody, gdy na danym obszarze da radę wykorzystywać nadmiary energii z OZE. Oczywiście na razie dominuje produkcja w zakładach chemicznych i wymaga ona transportu wodoru do miejsca jego późniejszego tankowania.

CAŁY ARTYKUŁ ZNAJDĄ PAŃSTWO W NR 5/2020 DWUMIESIĘCZNIKA "CHEMIA I BIZNES". ZAPRASZAMY.