Produkcja zrównoważonego zielonego wodoru

Spośród różnych metod wytwarzania wodoru, zielony wodór stanowi standard zrównoważonej produkcji. Powstaje on wyłącznie przy wykorzystaniu energii odnawialnej – takiej jak energia słoneczna, wiatrowa czy wodna – co czyni go paliwem neutralnym pod względem emisji dwutlenku węgla na całej drodze od produkcji do spalania. Odróżnia to go od innych rodzajów wodoru, w tym wodoru szarego, który pochodzi z paliw kopalnych.

Elektroliza stanowi fundament wytwarzania zielonego wodoru. W procesie tym wykorzystuje się energię elektryczną do rozdzielenia cząsteczek wody na ich składowe – wodór i tlen. Jednak ograniczenia związane z wydajnością, kosztami i mocą instalacji utrudniają szybkie zwiększenie skali produkcji.

Elektroliza to proces reakcji elektrochemicznych i transportu jonów zachodzących wewnątrz elektrolizera. Urządzenie to jest wyposażone w dwie elektrody – anodę i katodę – oddzielone elektrolitem. Elektrolit, będący roztworem ciekłym (w elektrolizerach alkalicznych) lub membraną w stanie stałym (w elektrolizerach PEM), umożliwia przepływ jonów, jednocześnie blokując przepływ elektronów. Dobór elektrolitu zależy od takich czynników jak przewodnictwo jonowe, stabilność chemiczna oraz zgodność z materiałami elektrod.

Po przyłożeniu prądu stałego do wody znajdującej się w elektrolizerze wytwarza się różnica potencjałów pomiędzy anodą a katodą. Na anodzie (o dodatnim potencjale) cząsteczki wody (H₂O) ulegają reakcji utleniania, tracąc elektrony. W wyniku tego powstaje tlen (O₂), dodatnio naładowane jony wodorowe (protony, H+) oraz elektrony przekazywane do obwodu zewnętrznego. W elektrolizerach z membraną protono-wymienną (PEM) reakcja ta wygląda następująco:

2 H₂O(l) → O₂(g) + 4 H+(aq) + 4 e−

Protony H+ migrują przez elektrolit w stronę ujemnie naładowanej katody, napędzane różnicą potencjałów. Na katodzie zachodzi reakcja redukcji – protony przyjmują elektrony z obwodu zewnętrznego, neutralizują swój ładunek i tworzą cząsteczkowy wodór (H₂):

2 H+(aq) + 2 e− → H₂(g)

Całkowita reakcja elektrolityczna, będąca sumą utleniania anodowego i redukcji katodowej, przebiega zgodnie z równaniem:

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

Wydajność tego procesu ma kluczowe znaczenie dla opłacalności ekonomicznej produkcji zielonego wodoru. Na efektywność wpływa wiele czynników, m.in.:

• Temperatura pracy, ciśnienie oraz czystość wody w układzie – wszystkie te parametry muszą być precyzyjnie mierzone
• Nadpotencjał wymagany do prowadzenia reakcji z pożądaną szybkością 
• Straty omowe wynikające z oporu transportu jonów w elektrolicie 
• Ograniczenia transportu masy, które determinują dostępność reagentów na powierzchniach elektrod 

Optymalizacja tych zmiennych wymaga starannego doboru materiałów, projektowania struktury elektrod oraz pomiaru i kontroli wszystkich istotnych parametrów. Spośród różnorodnych, obecnie dostępnych technologii elektrolizerów, elektrolizery PEM i alkaliczne są najbardziej dojrzałe technologicznie i najpowszechniej stosowane.

Elektrolizery PEM, w których elektrolitem jest stała membrana polimerowa, oferują szereg zalet w porównaniu z technologiami wykorzystującymi ciekły elektrolit. Należą do nich m.in.: wyższa efektywność energetyczna, szybsza reakcja na wahania mocy wejściowej, kompaktowa konstrukcja.. Cechy te sprawiają, że elektrolizery PEM doskonale nadają się do współpracy z niestabilnymi źródłami energii odnawialnej, takimi jak energia słoneczna i wiatrowa, gdzie moc wyjściowa może się znacznie zmieniać. Często wybierane są także przez laboratoria i inne podmioty, w których kluczowe znaczenie ma wysoka czystość uzyskiwanego wodoru.

Elektrolizery alkaliczne wykorzystujące ciekły elektrolit, są mniej wydajne niż warianty PEM, ale charakteryzują się niższym kosztem zakupu, dłuższą żywotnością eksploatacyjną oraz możliwością pracy przy niższej czystości wody. Czynniki te sprawiają, że są atrakcyjnym rozwiązaniem w dużych instalacjach do produkcji zielonego wodoru, gdzie kluczowe znaczenie mają koszty i skala działania. 

Do pozostałych technologii będących w fazie rozwoju należą elektroliza wysokotemperaturowa (tlenkowo-stała, SOEC) oraz elektroliza z membraną do wymiany anionów (AEM). Każda z nich ma specyficzne zalety i ograniczenia zależne od zastosowania, co wpływa na ich konkurencyjność w wyścigu technologicznym w dziedzinie produkcji wodoru.

Pomimo atrakcyjności zielonego wodoru jako zrównoważonego paliwa w całym łańcuchu wartości, jego produkcja wiąże się z szeregiem wyzwań.

Przede wszystkim wytwarzanie wodoru metodą elektrolizy – szczególnie przy użyciu elektrolizerów PEM – jest droższe niż produkcja wodoru szarego i niebieskiego z wykorzystaniem reformingu parowego metanu (SMR) lub reformingu autotermicznego (ATR). Dodatkowo wodór ma niższą gęstość energii niż gaz ziemny i inne paliwa kopalne, a koszty zasilania procesów wodorem przewyższają koszty procesów opartych na paliwach kopalnych w przeliczeniu na jednostkę energii.

Sprawność elektrolizerów na poziomie stosów jest wysoka – około 70% - a w przypadku nowszych technologii, takich jak tlenkowo-stałe ogniwa elektrolizerowe (SOEC), przewiduje się jeszcze wyższą efektywność. Jednak całkowita sprawność zakładu zależy nie tylko od samej technologii, lecz także od infrastruktury pomocniczej (balance of plant), obejmującej chłodzenie, suszenie, oczyszczanie i sprężanie wodoru. Dodatkowo brakuje odpowiedniej podaży energii odnawialnej, co utrudnia opłacalne skalowanie elektrolizy i wymaga dalszych inwestycji w infrastrukturę.

Transport i magazynowanie wodoru również stanowią istotne wyzwanie logistyczne z powodu konieczności stosowania specjalistycznej infrastruktury – takich jak rurociągi i zbiorniki – zaprojektowanej specjalnie do obsługi tego wysoce łatwopalnego gazu. Obecna infrastruktura jest dostosowana głównie do gazu ziemnego i nie może być bezproblemowo zaadaptowana, ponieważ wodór ma unikalne właściwości. Atomy wodoru są najmniejszymi z wszystkich pierwiastków, a cząsteczkowy wodór wymaga zaawansowanych systemów uszczelniania rurociągów, zaworów i uszczelek, aby zapobiec wyciekom. Co więcej, wodór może powodować kruchość wielu metali – atomy wnikają w strukturę materiału, obniżając jego odporność na naprężenia i przyspieszając pękanie w materiałach gdzie materiał jest nieodpowiedni.

Rozwiązanie tych problemów wymaga strategicznego planowania, wsparcia finansowego zarówno ze strony państw, jak i prywatnych inwestorów, a także stałych innowacji technologicznych. Pomimo trudnych warunków gospodarczych, wdrażanie elektrolizerów zaczyna przyspieszać. Pod koniec 2022 roku globalna moc zainstalowana elektrolizerów do produkcji wodoru osiągnęła niemal 11 GW, a według prognoz Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) do 2030 roku może wzrosnąć do 170–365 GW.

Dodatkowo optymalizacja pracy elektrolizerów ma w kolejnych dekadach obniżać koszty dzięki efektowi skali, zdobywanemu doświadczeniu oraz poprawie wydajności. Obejmuje to zarówno zwiększanie wykorzystania energii z OZE, jak i odzysk części strat energetycznych powstających podczas pracy urządzeń. Technologie pokrewne, takie jak ogniwa paliwowe na wodór – będące w istocie elektrolizerami działającymi w odwrotnym kierunku – będą korzystać z postępu i wiedzy zdobytej w trakcie tej transformacji.

Poza samą produkcją, kluczowe znaczenie ma także rozwój dedykowanej infrastruktury wodorowej. Rosnąca opłacalność wodoru jako alternatywnego źródła energii zależy od rozbudowy systemów dystrybucji oraz konwersji energii wodoru do użytecznych postaci.

Globalny popyt na wodór ma rosnąć w perspektywie najbliższych 20–30 lat, napędzany jego wszechstronnością jako nośnika energii oraz potencjałem do redukcji emisji dwutlenku węgla w sektorach trudnych do dekarbonizacj. Szczególnie branże transportowa i energetyczna są gotowe włączyć zielony wodór do swoich portfeli energetycznych jako czystą alternatywę dla paliw kopalnych.

W transporcie ogniwa paliwowe zasilane zielonym wodorem stanowią obiecujące rozwiązanie dla neutralnego pod względem emisji dwutlenku węgla transportu komercyjnego, m.in. w ciężarówkach, autobusach, a nawet samolotach. Jest to szczególnie istotne w przewozach dalekodystansowych, gdzie pojazdy elektryczne zasilane bateriami napotykają ograniczenia zasięgu, mocy i masy.

W przemyśle wodór może zastąpić paliwa kopalne w energochłonnych procesach, takich jak produkcja stali, cementu czy amoniaku, ograniczając ślad węglowy. Ponadto w sektorze energetycznym zielony wodór będzie coraz częściej wykorzystywany do magazynowania energii pochodzącej z rozbudowującej się infrastruktury odnawialnej, rozwiązując problem niestabilności źródeł takich jak energia słoneczna i wiatrowa – bez ograniczeń gęstości energii i degradacji, jakie występują w przypadku baterii.

Wodór jest nawet wprowadzany do systemów dystrybucji gazu ziemnego w celu ograniczenia emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Kuchenki gazowe, systemy grzewcze, suszarki do ubrań i inne urządzenia mogą spalać mieszankę gazu ziemnego z dodatkiem do 20% wodoru – często ograniczeniem jest tu jedynie specyfika istniejącej infrastruktury gazowej. Nowsze konstrukcje turbin gazowych i silników gazowych umożliwiają już stosowanie mieszaniny zawierającej do 50% wodoru w gazie ziemnym jako paliwie w elektrowniach, a niektóre mniejsze turbiny mogą pracować nawet w 100% na wodorze, bez konieczności domieszki gazu ziemnego.

Z odważnym podejściem hiszpański międzynarodowy koncern energetyczny Iberdrola pokazuje wiarę w gospodarkę wodorową, rozwijając na całym świecie ponad 60 projektów związanych z zielonym wodorem. Projekty te obejmują różne sektory – m.in. produkcję nawozów, syntezę zielonego amoniaku oraz transport ciężki – ukazując wszechstronność zielonego wodoru jako czystego rozwiązania energetycznego.

Warto podkreślić, że Iberdrola buduje największą w Europie instalację zielonego wodoru, która będzie przede wszystkim wytwarzać amoniak do produkcji nawozów, zmniejszając wpływ środowiskowy tej energochłonnej branży. To przełomowe przedsięwzięcie pokazuje potencjał zielonego wodoru w dekarbonizacji nawet najbardziej wymagających sektorów.

Inicjatywy rządowe odgrywają również kluczową rolę w przyspieszaniu wdrażania zielonego wodoru. Inicjatywa HyBlend Departamentu Energii USA wspiera rozwój zielonego wodoru poprzez badania nad bezpiecznym mieszaniem wodoru z gazem ziemnym oraz jego transportem istniejącymi gazociągami. Skupia się na kompatybilności z infrastrukturą rurociągową, bezpieczeństwie materiałowym i redukcji kosztów, co ma uczynić dystrybucję zielonego wodoru bardziej opłacalną i możliwą do skalowania.

Zielony wodór jest filarem rewolucji czystej energii i wraz z rozwojem technologii będzie odgrywał coraz ważniejszą rolę. Aby jednak w pełni wykorzystać jego potencjał, konieczne jest rozwiązanie obecnych wyzwań związanych z produkcją, magazynowaniem, transportem i infrastrukturą. Oznacza to potrzebę dalszych inwestycji w badania i rozwój, strategicznej współpracy podmiotów publicznych i prywatnych oraz wspierającej polityki rządowej.

W miarę rozwoju źródeł energii odnawialnej i infrastruktury wodorowej, wzrostu wydajności elektrolizy oraz zmian w polityce, koszty produkcji zielonego wodoru powinny spadać, eliminując jedną z głównych barier dla jego szerokiego zastosowania. Wymaga to jednak większej liczby przedsiębiorstw patrzących w przyszłość oraz inicjatyw wysokiego szczebla, które będą torować drogę gospodarce wodorowej poprzez ambitne projekty i innowacyjne rozwiązania, redukując globalne emisje dwutlenku węgla dla bardziej zrównoważonej przyszłości.

Spośród różnych metod wytwarzania wodoru, zielony wodór stanowi standard zrównoważonej produkcji. Powstaje on wyłącznie przy wykorzystaniu energii odnawialnej – takiej jak energia słoneczna, wiatrowa czy wodna – co czyni go paliwem neutralnym pod względem emisji dwutlenku węgla na całej drodze od produkcji do spalania. Odróżnia to go od innych rodzajów wodoru, w tym wodoru szarego, który pochodzi z paliw kopalnych.

Elektroliza stanowi fundament wytwarzania zielonego wodoru. W procesie tym wykorzystuje się energię elektryczną do rozdzielenia cząsteczek wody na ich składowe – wodór i tlen. Jednak ograniczenia związane z wydajnością, kosztami i mocą instalacji utrudniają szybkie zwiększenie skali produkcji.