Zrozumieć „kolory” wodoru poza zielonym

Wodór, mający potencjał zrewolucjonizowania branż takich jak transport i produkcja energii, to rozwijające się, w dużej mierze jeszcze niewykorzystane źródło energii. Choć jego spalanie nie powoduje emisji gazów cieplarnianych (GHG), całkowity ślad środowiskowy wynika z procesów towarzyszących jego wytwarzaniu i zużyciu – a te mogą się znacząco różnić w zależności od użytych źródeł energii.

Te różnice doprowadziły do wprowadzenia wodoru, który umożliwia rozróżnianie jego „odcieni” systemu kolorystycznej klasyfikacji wodoru, który umożliwia rozróżnianie jego „odcieni” oraz ocenę ich wpływu na ogólny bilans zrównoważonego rozwoju. Zielony wodór jest uznawany za globalny standard w dążeniu do zerowej emisji netto, jednak jego skalowanie napotyka istotne wyzwania związane z infrastrukturą i efektywnością. Elektroliza wody zasilana energią jądrową pozwala wytwarzać różowy wodór i utrzymuje neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla cykl życia, lecz uzależnienie od energii jądrowej budzi inne obawy. Metody produkcji niebieskiego i turkusowego wodoru balansują na granicy opłacalności ekonomicznej i zrównoważonego rozwoju. Natomiast czarny, brązowy i szary wodór przechylają szalę w stronę przystępności cenowej, oferując tańszą alternatywę dla bardziej ekologicznych rozwiązań.

Czarny i brązowy wodór pochodzą głównie z węgla i oba są wytwarzane w procesie jego gazyfikacji – wieloetapowej reakcji węgla z tlenem i parą wodną w wysokiej temperaturze, prowadzącej do powstania gazu syntezowego. Jest to mieszanina gazów, z których jednym jest wodór. 

Czarny wodór powstaje w wyniku spalania węgla bitumicznego, który jest gęsty i uważany za wysokogatunkowy. Brązowy wodór natomiast produkuje się z węgla brunatnego, młodszego i mniej zwięzłego, o wyższej zawartości wilgoci i niższej gęstości energetycznej. 

Pod względem wpływu na środowisko, produkcja czarnego i brązowego wodoru jest dość podobna, a obie metody są stosunkowo wydajne. Jednak ich oparcie na paliwach kopalnych bez wychwytywania dwutlenku węgla może niwelować część korzyści dla środowiska, jakie daje energia wodorowa.

Proces gazyfikacji węgla rozpoczyna się od rozdrobnienia i uzdatnieniu węgla w celu usunięcia zanieczyszczeń, a następnie obejmuje kolejne etapy.

1. Suszenie i piroliza (odgazowanie)

Na tym etapie węgiel jest podgrzewany w celu usunięcia wilgoci oraz lotnych składników, a także rozdzielenia go na inne elementy i materiały. Suszenie odbywa się w temperaturze około 200 °C (392 °F), po czym następuje piroliza w zakresie od 300 °C (572 °F) do 700 °C (1,292 °F). Podczas pirolizy większe cząsteczki węgla rozkładają się na mniejsze produkty gazowe – głównie metan (CH₄), wodór (H₂), tlenek węgla (CO), dwutlenek węgla (CO₂) - oraz smołę.

2. Spalanie

Część węgla w postaci koksiku (stały pozostały po pirolizie) reaguje z gazami lotnymi i tlenem (O₂) w kontrolowanej reakcji spalania. Ta egzotermiczna reakcja dostarcza ciepła potrzebnego do kolejnych reakcji gazyfikacyjnych. Zachodzi zarówno spalanie całkowite, jak i częściowe, w wyniku których powstają gazy: dwutlenek węgla i tlenek węgla.

C + O₂ → CO₂ (spalanie całkowite)
2C + O₂ → CO (spalanie częściowe)

3. Reakcje gazyfikacji

Podczas gazyfikacji pozostały koksik reaguje z parą wodną (H₂O) i tlenem w wysokich temperaturach 1200-1500 °C (2192-2732 °F) w środowisku redukującym, wytwarzając wodór i inne gazy. Główne reakcje gazyfikacji to: 

Reakcja woda–gaz: C + H₂O ⇌ CO + H₂ (reakcja endotermiczna)
Reakcja Boudouarda: C + CO₂ ⇌ 2CO (reakcja endotermiczna)   

W wyniku tych procesów powstaje gaz syntezowy – mieszanina składająca się głównie z tlenku węgla i wodoru, a także z dwutlenku węgla i śladowych ilości innych gazów.

4. Metanizacja

W niektórych przypadkach stosuje się dodatkowy etap zwany metanizacją, którego celem jest zwiększenie zawartości metanu w gazie syntezowym. Jeśli w procesie wykorzystuje się zielony wodór oraz odzyskany CO₂ lub CO₂ pochodzący z bezpośredniego wychwytu z powietrza (DAC), mówi się czasem o e-metanie.:

CO + 3H₂ ⇌ CH₄ + H₂O (reakcja egzotermiczna)

5. Oczyszczanie i uzdatnianie syngazu

Surowy syngaz zawiera zanieczyszczenia, które należy usunąć przed jego dalszym wykorzystaniem. Proces oczyszczania zazwyczaj obejmuje:

• Usuwanie pyłu – zastosowanie metod separacji mechanicznej w celu eliminacji cząstek stałych. 
• Usuwanie siarki – usuwanie związków siarki, takich jak siarkowodór (H₂S), m.in. poprzez płukanie aminami lub podobne procesy. 
• Usuwanie dwutlenku węgla – wychwyt CO₂ w celu jego składowania lub wykorzystania w innych procesach przemysłowych.

6. Oddzielanie i obróbka wodoru

Ostatnim etapem jest wydzielenie wodoru z oczyszczonej mieszaniny syngazu. Można to przeprowadzić różnymi metodami, z których najczęściej stosowane to:

• Adsorpcja zmiennociśnieniowa, która wykorzystuje materiały adsorpcyjne do selektywnego wychwytywania tlenku węgla, pozostawiając oczyszczony wodór. 
• Separacja membranowa, która wykorzystuje specjalne membrany przepuszczające wodór, a zatrzymujące pozostałe gazy.

Szary wodór jest obecnie najczęściej spotykanym w przemyśle typem wodoru, wytwarzanym w procesie reformingu parowego metanu (SMR) lub reformingu autotermicznego (ATR). Obie metody wymagają surowca węglowodorowego, składającego się głównie z metanu, przy czym najczęściej stosowanym źródłem jest gaz ziemny.

Pozyskiwanie gazu ziemnego i produkcja wodoru

Gaz ziemny to bezwonny i bezbarwny gaz, występujący głównie pod powierzchnią ziemi w pobliżu złóż ropy naftowej. Powstał on w wyniku rozkładu materii organicznej przez miliony lat pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia, Jest wszechstronnym źródłem energii, stanowiącym fundament współczesnej gospodarki – służy do ogrzewania domów, zasilania przemysłu, wytwarzania energii elektrycznej. Dodatkowo, gaz ziemny jest wykorzystywany, jako surowiec w produkcji wielu związków chemicznych, z których powstają m.in. tkaniny syntetyczne, płyny niezamarzające, farby, materiały opakowaniowe, szampony, balsamy czy nawozy.

Gaz ziemny występuje w porowatych i przepuszczalnych skałach zwanych złożami, często uwięziony pod warstwami skał nieprzepuszczalnych, które uniemożliwiają jego ucieczkę. Złoża mogą znajdować się zarówno na lądzie, jak i pod dnem morskim. Ich poszukiwanie wymaga zaawansowanych badań geologicznych, sejsmicznego obrazowania oraz odwiertów poszukiwawczych w celu precyzyjnego zlokalizowania rezerw. Po zidentyfikowaniu potencjalnego złoża rozpoczyna się proces wydobycia, często z zastosowaniem kombinacji technologii dostosowanych do warunków geologicznych.

Najczęściej stosowaną metodą jest wiercenie otworu w złożu, tworzące kanał przepływu uwięzionego gazu na powierzchnię. Przepływ ten jest często napędzany naturalnym ciśnieniem złoża. W miarę wydobycia ciśnienie zwykle spada, co wymaga zastosowania technik sztucznego podnoszenia wydajności, takich jak pompy lub sprężarki.

Po wydobyciu gaz ziemny - często zawierający zanieczyszczenia, takie jak para wodna, piasek czy inne gazy - przechodzi przez szereg procesów oczyszczania. Etapy te mają na celu usunięcie zanieczyszczeń, oddzielenie wartościowych składników i przygotowanie samego gazu do użycia. Oczyszczony gaz ziemny transportowany jest następnie rurociągami lub w postaci sprężonej (CNG) bądź skroplonej (LNG) specjalistycznymi zbiornikowcami do odbiorców na całym świecie. 

Powszechność szarego wodoru wynika przede wszystkim z globalnej dostępności gazu ziemnego. Dodatkowo, metody SMR i ATR są mniej emisyjne niż gazyfikacja węgla, co sprawia, że są one preferowane w porównaniu z produkcją czarnego i brązowego wodoru. Niebieski wodór powstaje w procesach SMR i ATR, wzbogaconych o etapy wychwytu, transportu i składowania dwutlenku węgla (CCS). Rozwiązanie to jednak wiąże się ze znacznymi kosztami operacyjnymi. 

Choć ostatecznym celem łańcucha wartości wodoru jest pełne przejście na odnawialne źródła energii, mieszanie wodoru z gazem ziemnym w istniejących elektrowniach stanowi rozwiązanie przejściowe. Sukces takiego podejścia wymaga precyzyjnego pomiaru przepływu oraz ciągłej analizy składu gazu w czasie rzeczywistym, aby zapewnić stabilną mieszankę. W niektórych krajach wodór można dodawać do sieci gazu ziemnego dla odbiorców indywidualnych i komercyjnych w stężeniu do 20%, zgodnie z obowiązującymi regulacjami.

Dzięki temu emisje ulegają zmniejszeniu, ponieważ wodór spala się czyściej niż gaz ziemny. Podczas gdy urządzenia domowe mogą wykorzystywać mieszankę zawierającą maksymalnie 20% wodoru, turbiny gazowe stosowane w elektrowniach są w stanie spalać znacznie większy udział, nawet do 100% wodoru – szczególnie nowsze modele.

Takie podejście umożliwia stopniowe przejście na czystsze źródła energii bez konieczności natychmiastowej, całkowitej wymiany istniejącej infrastruktury, ograniczając potrzebę ponoszenia dużych nakładów inwestycyjnych na budowę nowych elektrowni i gazociągów.

Skuteczność tej strategii w dużej mierze zależy od źródła wodoru. Mieszanie szarego, brązowego czy czarnego wodoru ma ograniczony wpływ na środowisko ze względu na emisje związane z jego produkcją, natomiast wykorzystanie zielonego wodoru wytwarzanego z odnawialnych źródeł energii znacząco redukuje całkowitą emisję gazów cieplarnianych, wspierając dążenie do neutralności klimatycznej.

W miarę rozwoju rewolucji wodorowej zrozumienie różnych rodzajów wodoru - w tym metod produkcji i ich wpływu na środowisko - staje się bardzo ważne. Choć zielony wodór pozostaje celem w kontekście zerowej emisji netto, to wodór niskoemisyjny, a także czarny, brązowy i szary, odgrywają istotną rolę w rozwoju infrastruktury, badań oraz dywersyfikacji źródeł energii.

W obliczu zmian klimatycznych, jakie czekają ludzkość w nadchodzących dekadach, zapewnienie ciągłości dostaw energii i jej zrównoważonego charakteru będzie wymagało korzystania z różnorodnych źródeł. Pomimo tego, że wciąż istnieje wiele barier do pokonania, wodór jawi się jako obiecujący, czysty, wszechstronny i zrównoważony nośnik energii.