Zperspektywy energetyki wodór to bardzo obiecująca propozycja na przyszłość. Przede wszystkim może on zastąpić gaz ziemny w zapewnieniu mocy zapasowych odnawialnym źródłom energii, które produkują energię niestale i przez to po prostu muszą pracować w takich dubletach. Wodór ma więc potencjał wsparcia rozwoju technologii takich, jak fotowoltaika (PV) i energetyka wiatrowa, których dostępność nie zawsze jest dobrze dopasowana do popytu.

Wodór, dzięki swojej wysokiej gęstości energetycznej jest także jedną z wiodących opcji magazynowania energii ze źródeł odnawialnych. Choć w obrębie magazynowania możliwości jest wiele, o czym pisaliśmy w poprzednim wydaniu Transformacji 2050, to wielomiesięczne, przechowywanie energii w postaci sprężonego wodoru lub wręcz stałej/płynnej wciąż stanowi atrakcyjny kierunek rozwoju. Wodór i paliwa na bazie wodoru mogą też służyć do przesyłu i dystrybucji energię ze źródeł odnawialnych na duże odległości. Dzięki niemu zielona energia z rejonów świata, które są zasobne w nasłonecznienie i stale wiejące wiatry, takich jak Australia czy Ameryka Łacińska, mogłaby trafiać do mieszkańców miast położonych dużo dalej bez wielkich strat w przesyle i być może bez konieczności wielkich inwestycji infrastrukturalnych.

Możliwe w przyszłości upowszechnienie wodoru nazywa się w dyskursie politycznym i biznesowym gospodarką wodorową. Gospodarka wodorowa opierać ma się na wodorze jako paliwie konkurencyjnym komercyjnie i dostarczającym znaczną część energii w danym kraju. Urzeczywistnienie się tej wizji zależy jednak od spełnienia wielu niepewnych warunków. Niektóre z nich są podlegają już korzystnej ewolucji w ramach prowadzonych badań naukowych i innowacji technicznych. Są jednak również czynniki społeczne, takie jak zaufanie szerokich grup społeczeństwa do techniki wodorowej, a także świadomość racjonalnych przesłanek za wprowadzeniem tych technologii.

Jak podkreśla w wypowiedzi dla portalu Transformacja 2050 Piotr Stankiewicz, prof. UMK i dyrektor Centrum Oceny Technologii Sieci Badawczej Łukasiewicz, gospodarka wodorowa może być zjawiskiem punktowym, nierównomiernie rozprowadzonym geograficznie. W ten sposób nawiązuje do słynnych słów pisarza science-fiction Williama Gibsona, ostrzegającego, że “przyszłość już tu jest, ale nierównomiernie rozdystrybuowana”.

Wojciech Nowak z Veolii Energia Polska zwraca tymczasem uwagę na czynniki ekonomiczne, wywierające presję na branżę energetyczną. Cena uprawnień do emisji CO2 jest jednym z ważnych czynników, które narzucają tempo transformacji energetycznej. Jednak szerokie grupy społeczne nie kierują się w ocenie technologii przesłankami racjonalnych korzyści, a wręcz podważają znaczenie dekarbonizacji dla zapewnienia zrównoważonego rozwoju.

Wodór pozostaje więc w szerokim dyskursie społecznym intensywnie promowanym, ale jednak niszowym paliwem energetycznym. Cieszy się deklarowanym poparciem polityków i entuzjazmem badaczy. Przez brak łatwo dostępnych aplikacji w życiu codziennym stanowi jednak dla przeciętnego użytkownika energii raczej hasło niż realną alternatywę. 

Liczba krajów posiadających politykę bezpośrednio wspierającą inwestycje w technologie wodorowe rośnie, podobnie jak liczba sektorów, których dotyczy ta polityka. Już ponad 60 państw na świecie przedstawiło strategie, programy lub zachęty ekonomiczne, które bezpośrednio wspierają technologie wodorowe. Większość z nich koncentruje się na transporcie.

W ciągu ostatnich kilku lat globalne wydatki rządów krajowych na badania, rozwój i demonstracje w dziedzinie energii wodorowej wzrosły. Polska nie jest wyjątkiem.

Najgłośniejszym projektem związanym z wodorem są trwające prace nad Polską Strategią Wodorową. Na początku marca 2021 r. zakończyły się konsultacje społeczne tego dokumentu. W projekcie wskazano 6 koniecznych do osiągnięcia celów:

• Cel 1 – wdrożenie technologii wodorowych w energetyce;
• Cel 2 – wykorzystanie wodoru jako paliwa alternatywnego w transporcie;
• Cel 3 – wsparcie dekarbonizacji przemysłu;
• Cel 4 – produkcja wodoru w nowych instalacjach;
• Cel 5 – sprawna i bezpieczna dystrybucja wodoru;
• Cel 6 – stworzenie stabilnego otoczenia regulacyjnego.

Strategia w przedstawionej do konsultacji postaci obejmuje łącznie 40 działań na rzecz realizacji wyznaczonych celów, zmierzających do wykorzystania polskiego potencjału technologicznego, naukowego i badawczego w zakresie nowoczesnych technologii wodorowych i powstania polskiej gałęzi gospodarki wodorowej. Projekt określa aktualny stan rynku wodoru, przedstawia podstawowe przeszkody technologiczne i biznesowe oraz wytycza kierunki, w których powinien rozwijać się rynek, aby mógł w kolejnej dekadzie funkcjonować w skali pozwalającej  konkurować z paliwami konwencjonalnymi. Po analizie zgłoszonych w konsultacjach społecznych propozycji, dokument będzie dalej procedowany w Radzie Ministrów.

Prace strategiczne wyprzedzane są niejako przez pierwsze programy dotacyjne, jak np. Program Nowa Energia Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki wodnej.

Jak podaje NFOŚiGW, w pilotażowym naborze wodorowym przewidziano 300 mln zł z pokaźnego budżetu całego wynoszącego 2,5 mld zł. Wspierane mają być przedsięwzięcia rozwojowe w zakresie technologii i produkcji „bezemisyjnego” wodoru oraz przesyłania i wykorzystania wodoru. Planowane są dotacje na technologie dostosowania infrastruktury do transportu wodoru, magazynowania wodoru, wykorzystania wodoru w transporcie drogowym, kolejowym lub wodnym.

Józef Węgrecki z PKN Orlen podkreśla, że również główny krajowy koncern energetyczny wiąże swoją strategię z wdrożeniem technologii wodorowych w transporcie: “Traktujemy proces wodoryzacji kraju jako ogniwo w dążeniu do osiągnięcia neutralności klimatycznej poważnie, stąd program wdrażania alternatywnych w paliw ma w Orlenie status strategicznego. Oczywiście zdajemy sobie sprawę z ogromu pracy jaki przed nami, wszak trzeba zbudować cały system praktycznie od zera, wymaga wielkiej determinacji i wytrwałości. no I oczywiście ogromnych nakładów. Tu liczymy na wsparcie zarówno Państwa, jak i instytucji europejskich, szczególnie na początku drogi realizacyjnej, technologie wodorowe z uwagi na etap rozwoju są wciąż droższe od tradycyjnych jak elektrycznych używających do napędu baterii. Musimy wspólnie podjąć działania, by zachęcić samorządy do inwestowania w technologie wodorowe, w szczególności dla pojazdów użyteczności publicznej oraz pracujących na rzecz aglomeracji miejskich, chociażby śmieciarki”.

Przy świadomości wszystkich tych inicjatyw należy zdawać sobie sprawę, że Polska na tle krajów wysoko rozwiniętych posiada stosunkowo niewielki potencjał technologiczny w obszarze gospodarki wodorowej, co potwierdzają wnioski niedawnego raportu Polskiego Instytutu Ekonomicznego pt. “Gospodarka wodorowa w Polsce”. Niewielka liczba wyspecjalizowanych w technologiach wodorowych firm, jak i dane dotyczące wydatków na badania i rozwój skierowanych dotyczas w tę stronę dowodzą niestety naszego względnego zapóźnienia w tym zakresie.

Zainteresowanie sektora prywatnego inwestycjami wodorowymi jest jednak widoczne, zarówno w inwestycjach, jak i w planach. Dowodzi tego choćby podpisanie przez Veolię Energia Polska o listu intencyjnego o współpracy w zakresie technologii wodorowych z Miastem Pszczyna, Regionalną Izbą Gospodarczą w Katowicach i firmą SBB Energy. Zamierzenia te są zgodne ze strategią grupy w Polsce, która zakłada realizację projektów odchodzenia od węgla na rzecz paliw nisko- i zeroemisyjnych.

Międzynarodowa Agencja Energii (MAE) zidentyfikowała cztery nieodległe szanse na wykorzystanie wodoru, które mogą przyspieszyć akceptowalne środowiskowo, powszechne stosowanie tego paliwa. Co ciekawe, te cztery obszary wchodzą we wzajemne, pozytywne sprzężenia zwrotne.

Pierwszym z nich mogłaby być transformacja głównych portów morskich z rozwiniętą infrastrukturą przemysłową w kierunku wykorzystania czystego wodoru. Obecnie większość produkcji rafineryjnej i chemicznej, w której wykorzystuje się wodór oparty na paliwach kopalnych, jest już skupiona w nadmorskich strefach przemysłowych na całym świecie, takich jak Morze Północne w Europie, wybrzeże Zatoki Perskiej w Ameryce Północnej i południowo-wschodnie Chiny. Zachęty ekonomiczne dla tych zakładów do przestawienia się na czystszą produkcję wodoru obniżyłoby zewnętrzne koszty środowiskowe tych wielce energochłonnych branż przemysłu. Wobec rozwoju zasilania wodorowego w takich hubach, można by wykorzystać nadwyżki do tankowania napędzać statków i ciężarówek obsługujących porty oraz zasilać inne pobliskie obiekty przemysłowe, takie jak huty.

Drugim obszarem szansy jest rozszerzenie zastosowania wodoru w transporcie. Zasilanie samochodów osobowych, ciężarowych i autobusów o dużym przebiegu, które przewożą pasażerów i towary na popularnych trasach, może sprawić, że pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi staną się bardziej konkurencyjne.

Trzecim polem rozwoju ma być, zdaniem MAE, uruchomienie pierwszych międzynarodowych szlaków żeglugowych dla handlu wodorem. W oparciu o wnioski z pomyślnego i dynamicznego rozwoju światowego rynku LNG analitycy agencji prognozują, że taka transformacja mogłaby nastąpić szczególnie szybko i umożliwić międzynarodowy handel wodorem.

Ostatni obszar, na który wskazuje MAE to wykorzystanie istniejącej infrastruktury, takiej jak miliony kilometrów rurociągów gazu ziemnego do wodoryzacji gospodarki i jak już pisaliśmy, wiążą się z nim pewne kontrowersje techniczne.

Jak skomentował dla Transformacji 2050 Józef Węgrecki, członek zarządu PKN Orlen ds. Operacyjnych:

“Według mnie wodór może okazać się czarnym koniem w wyścigu o ograniczenie emisji gazów cieplarnianych i może stać się dominującym paliwem przyszłości. Wodór jako paliwo sprawdza się doskonale. Jego właściwości są dobrze znane, wiadomo, że można z niego uzyskać dużo więcej energii niż z benzyny, a do tego jego spalanie jest neutralne dla środowiska naturalnego. Wodór zaczyna być modny, to pierwiastek o którym mówi się coraz częściej i coraz chętniej. Stał się na tyle ważny. że największe państwa tworzą ambitne programy rozwoju gospodarczego, w których zajmuje on kluczowe miejsce.”

“Nic więc dziwnego, iż Orlen jako wiodąca spółka energetyczna w tej części Europy dostrzega potencjał, jaki tkwi w wodorze i traktuje go bardzo poważnie. Zdajemy sobie sprawę ze słabnącej w przyszłości roli paliw kopalnych na rzecz technologii wykorzystujących OZE, szczególnie zaś jako spółka paliwowa widzimy tu swoją rolę na polskim rynku nie tylko jako lidera w budowie infrastruktury umożliwiającej rozwój transportu w oparciu o paliwo wodorowe, ale jako silnego partnera dla samorządów chcących wdrażać nowoczesne technologie przyjazne środowisku. Partnera dla rządu w kreowaniu polskiego rynku wodorowego czy też partnera we wdrażaniu nowych pojazdów zasilanych wodorem, zarówno kołowych jak i szynowych.”

Wodór może być pozyskiwany z paliw kopalnych, biomasy, i z wody. Obecnie dominującym źródłem produkcji wodoru jest gaz ziemny. Odpowiada on za około trzy czwarte rocznej światowej produkcji wodoru na potrzeby własne, wynoszącej około 70 mln ton. Stanowi to około 6 proc. światowego zużycia gazu ziemnego. Na drugim miejscu plasuje się pozyskiwanie wodoru z węgla kamiennego, technologia, która wiodącą rolę odgrywa w Chinach. Niewielka jak dotąd część wodoru na rynku produkowana jest z wykorzystaniem ropy naftowej i w procesach elektrolizy, których substratem jest czysta woda.

Na koszt produkcji wodoru z gazu ziemnego wpływa szereg czynników technicznych i ekonomicznych, przy czym ceny gazu, nakłady inwestycyjne i dostępność technologii to trzy najważniejsze. Koszty paliwa są największym składnikiem kosztów, stanowiąc od 45% do 75% kosztów produkcji. Niskie ceny gazu na Bliskim Wschodzie, w Rosji i Ameryce Północnej powodują, że koszty produkcji wodoru w tych krajach są jednymi z najniższych. Importerzy gazu, tacy jak Japonia, Korea, Chiny i Indie, muszą zmagać się z wyższymi cenami importu gazu, a to powoduje wyższe koszty produkcji wodoru. Problem ten dotyczy również Polski, a warto dodać, że ten tzw. brązowy wodór nie jest wcale paliwem niskoemisyjnym, ponieważ jego synteza wiąże się z wydobyciem i przetwarzaniem węglowodoru, którym jest gaz ziemny. W konsekwencji do atmosfery emitowany jest gaz cieplarniany – dwutlenek węgla. 

Tzw. zielony wodór to wodór pochodzący z elektrolizy zasilanej energią elektryczną ze źródeł odnawialnych. Pisaliśmy już o tym w przeszłości na portalu Transformacja 2050, analizując możliwe drogi do obniżenia kosztu paliwa wodorowego w dłuższej perspektywie. Zielony wodór jest jedynym akceptowalnym z punktu widzenia dekarbonizacji procesem technologicznym produkcji wodoru. Rozwój tego źródła uzależniony jest od cen energii elektrycznej i doskonalenia elektrolizerów, co podkreśla dr inż. Jarosław Tworóg z Krajowej Izby Gospodarczej Informatyki i Telekomunikacji.

W ramach technologii pozyskiwania wodoru istnieje jednak jeszcze jedno wąskie gardło. Wykorzystanie platyny w obecnie używanych elektrolizerach jest długoterminowo nie do utrzymania, nie tylko ze względu na cenę. Ślad węglowy górnictwa platyny oraz niska dostępność tego metalu sprawiają, że społeczne i środowiskowe konsekwencje jego obfitego stosowania w ogniwach paliwowych budzą krytykę.

Analizowane przez nas wcześniej na portalu Transformacja 2050 zastosowanie wodoru jako magazynu energii w koncepcji P2G (power to gas) nie jest obecnie ani dominującym rynkowo, ani najbardziej popularnym. Spójrzmy na kilka głównych zastosowań wodoru w dzisiejszej ekonomii, aby następnie rozważyć przyszłe technologie.

Warto podkreślić, że obecnie jednym z głównych zastosowań energetycznych wodoru jest paliwo rakietowe. Amerykańska Narodowa Administracja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) zaczęła używać ciekłego wodoru w latach 50. jako paliwa rakietowego. NASA wykorzystywała też jako jedna z pierwszych wodorowe ogniwa paliwowe do zasilania systemów elektrycznych na statkach kosmicznych.

Zastosowania transportowe na lądzie są w porównaniu z kosmonautyką w fazie pilotażu, i niewielu producentów oferuje obecnie seryjne pojazdy wyposażone w ogniwo paliwowe. Ale pierwsze inicjatywy są już przekonujące. Kamieniem milowym w rozwoju technologii ogniw paliwowych w Europie jest rozpoczęcie eksploatacji pierwszego wodorowego samochodu ciężarowego REVIVE w rzeczywistych warunkach odbioru odpadów komunalnych. Ciężarówka, której eksploatacja rozpoczęła się pod koniec 2020 r. jest dowodem znacznego postępu technicznego. Pierwszą wodorową śmieciarkę wyprodukowała dla holenderskiego miasta Breda firma E-Trucks Europe. System ogniw paliwowych dostarczył natomiast wiodący europejski dostawca, firma Proton Motor. Zasadą działania REVIVE jest wykorzystanie ogniwa paliwowego do przedłużenia zasięgu opartego na akumulatorowej technologii elektrycznych układów napędowych firmy E-Trucks Europe, która jest podstawowym napędem tej śmieciarki.

To typowo miejskie rozwiązanie podkreśla niszowy charakter wodoru w transporcie. Podobnie jest na platformach morskich – wodór jest seryjnie wykorzystywany jedynie na okrętach podwodnych, między innymi niemieckich jednostkach klasy 212, gdzie wodorowe ogniwo paliwowe służy za źródło energii elektrycznej do napędzania silników w zanurzeniu.

Ważnym, uznawanym za drugie po transporcie polem zastosowania wodoru jest elektroenergetyka – zasilanie urządzeń bez dostępu do sieci i magazynów energii, również w czasie kiedy wydajność systemów OZE jest niewystarczająca. Dostępnych jest wiele różnych typów ogniw paliwowych o szerokim zakresie zastosowań. Małe ogniwa paliwowe mogą zasilać laptopy, a nawet telefony komórkowe, a także sprawdzać się w zastosowaniach wojskowych. Duże ogniwa paliwowe mogą dostarczać energię elektryczną na potrzeby zasilania awaryjnego w budynkach oraz w odległych od cywilizacji miejscach, które nie są podłączone do sieci elektroenergetycznych.

Gospodarka wodorowa to przedsięwzięcie systemowe i niezależnie od tego, które z opisanych wyżej rozwiązań wejdą do głównego nurtu najprędzej oraz które ze źródeł wodoru będą dominujące w perspektywie najbliższych dekad, jedno jest pewne. Bez infrastruktury przesyłu i dystrybucji wodoru nie możemy liczyć na prędkie upowszechnianie transportowych platform wodorowych. Zaangażowanie w rozwój infrastruktury wodorowej w Polsce deklaruje Józef Węgrecki z PKN Orlen.

Infrastruktura wodorowa to jednak szereg niewiadomych. W jednym w wydań Transformacji 2050 pisaliśmy już, że jeśli chodzi o możliwość wykorzystania infrastruktury przesyłu i dystrybucji gazu ziemnego na potrzeby wodoru, to zdania ekspertów są podzielone.

W cytowanym już raporcie PIE nt. Gospodarki wodorowej w Polsce czytamy, że ¾ ankietowanych ekspertów źle oceniło potencjał infrastruktury, surowców i zasobów do wdrażania gospodarki wodorowej w Polsce. Wobec wolnej dyfuzji innowacji pojazdów elektrycznych w Polsce, w tym sieci ładowarek oraz relatywnej liczby samochodów, rodzi się pytanie czy, i kiedy możemy wobec tego spodziewać się infrastruktury wodorowej, dalece bardziej skomplikowanej, a w wielu przypadkach zupełnie nowej, nie opartej jak infrastruktura EV o istniejącą sieć elektroenergetyczną.

Profesor Piotr Stankiewicz podkreśla, że przeciętny mieszkaniec Polski ma o wodorze nikłą wiedzę i nikłą też świadomość, z czym innowacje te rzeczywiście miałyby się wiązać.

Najświeższa publikacja badaczek z Politechniki Częstochowskiej Manueli Ingaldi oraz Doroty Klimeckiej-Tatar dowodzą, że tak jest w istocie. Wyniki z badania przeprowadzonego na próbie ponad 700 respondentów wskazują, że społeczeństwo nie jest przekonane, czy poziomy bezpieczeństwa dla energii pochodzącej z wodoru są odpowiednie. Można stwierdzić, że wiedza na temat wodoru jako źródła energii oraz bezpieczeństwa produkcji i metod przechowywania wodoru jest bardzo niska.

Gospodarka wodorowa w skali światowej wydaje się dziś bardziej odległa niż uważano w kręgach eksperckich jeszcze na początku XXI w. W świetle przeanalizowanych w poprzednich akapitach czynników rozwoju energetycznych zastosowań wodoru w Polsce, trudno o zdecydowany entuzjazm również na krajowym rynku. 

Z drugiej strony zainteresowanie wodorem rośnie, a inicjatywy podejmowane. Wodór przedostaje się też do świadomości opinii publicznej. Jako potencjalne paliwo strategiczne podlegać może mechanizmom dezinformacji i manipulacji. Wizjom zbyt optymistycznym lub zbyt pesymistycznym mogą ulegać nawet decydenci sektora energetycznego. Mitologizacja zagrożeń związanych z wykorzystaniem bardzo gęstego energetycznie i wysoko wybuchowego wodoru w postaci gazowej może być udziałem również osób myślących racjonalnie, w tym inżynierów. Działania zmierzające do dalszej oceny, analizy wykonalności i wdrażania technologii wodorowych są jednak pożądane. Koniec końców, gospodarka wodorowa to jeden z niewielu rysujących się realnie na horyzoncie celów, które po krytycznej ocenie wydają się naprawdę obiecujące.

Portal internetowy „Transformacja 2050”, który właśnie odwiedzasz, to kontynuacja projektu foresightowego Energia 2050. Pragniemy, aby portal, podobnie jak projekt „Energia 2050”, był źródłem wartościowej, eksperckiej, nietuzinkowej wiedzy na tematy związane z przyszłością rynku energii, transformacją energetyczną i pokrewnymi tematami. „Transformacja 2050” jest otwartą trybuną rozmowy o przyszłości energetyki w polskich miastach, animowanej przez Veolię Energia Polska oraz specjalistów w zakresie foresightu strategicznego z firmy 4CF. Zapraszamy do kontaktu i współtworzenia tego portalu ekspertów i interesariuszy rynku energii.

Jeśli zainteresował Cię powyższy artykuł, to z pewnością chętnie zobaczysz i przeczytasz także: