Wodór może zapewnić nam wszystkim bardziej ekologiczną przyszłość, ale wykorzystanie jego pełnego potencjału wymaga wiedzy technicznej.
Najobficiej występujący pierwiastek we wszechświecie oferuje nam najlepszą jak dotąd szansę na skuteczną walkę z globalnymi zmianami klimatu. Dzieje się tak, ponieważ wodór produkowany przy użyciu odnawialnych źródeł energii, takich jak wiatr czy słońce, nie emituje dwutlenku węgla. Dzięki temu może odegrać główną rolę w nowej generacji sieciach czystej energii. Wykorzystanie jego potencjału staje się coraz ważniejsze. Począwszy od pożarów lasów na zachodzie USA i suszy w Australii, po coraz bardziej niszczycielskie karaibskie huragany i topnienie antarktycznych lodowców, dziesiątki miliardów ton dwutlenku węgla, które rocznie emitujemy na całym świecie, zbierają swoje żniwo. Poparcie społeczne dla ograniczania wpływu zmian klimatycznych nigdy nie było większe, nawet tam, gdzie nie obowiązują przepisy lub nie wprowadzono ograniczeń.
Te nastroje znajdują odzwierciedlenie w coraz bardziej rygorystycznych przepisach, takich jak zobowiązanie Wspólnoty Europejskiej do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla o około 40% w 2030 roku i osiągnięcia neutralności węglowej do 2050 roku. Aby skutecznie osiągnąć te cele, wodór i inne alternatywne źródła energii muszą przejść z fazy prób do zastosowania w praktyce. Środowiska naukowe i gospodarcze są zgodne co do tego, że wodór może zapewnić nam neutralną pod względem emisji dwutlenku węgla przyszłość i nie tracimy przy tym na elastyczności, bezpieczeństwie, wydajności i sprawności, które są wymagane przez odbiorców energii w gospodarstwach domowych i przemyśle.
Wodór a gaz ziemny
Oto kilka podstawowych informacji na temat wodoru, a w szczególności, jak wypada on w porównaniu z gazem ziemnym. W przeliczeniu na objętość, wartość opałowa wodoru stanowi około jedną trzecią wartości opałowej gazu ziemnego, a podczas spalania wytwarza on czystą parę wodną. W przeciwieństwie do ropy naftowej i gazu ziemnego, wodór nie jest paliwem samym w sobie; jest to sposób przechowywania i transportu energii, co jest szczególnie ważne dla energii odnawialnej.
Składający się z jednego protonu i jednego elektronu wodór jest bezbarwny, bezwonny, bez smaku i nietoksyczny. Jest osiem razy lżejszy od gazu ziemnego i spala się osiem razy szybciej, co prowadzi do skrócenia długości płomienia. W przeciwieństwie do gazu ziemnego i wielu innych paliw węglowych, wodór nagrzewa się przy zmniejszaniu ciśnienia. Energia iskry potrzebna do jego zapłonu jest 15 razy mniejsza niż w przypadku gazu ziemnego. Wodór ma szeroki zakres palności w porównaniu z gazem ziemnym. Podczas gdy gaz ziemny jest łatwopalny w zakresie od 4 do 16% objętości gazu w mieszaninie gazu i powietrza, wodór jest łatwopalny w zakresie od 4 do 77% objętości wodoru w mieszaninie. Wodór jest obiecującym źródłem czystej energii, ale ze względu na jego palność należy z nim postępować ostrożnie i przetwarzać inaczej niż pozostałe paliwa.
Walka z emisją w przemyśle
Wodór oferuje największe możliwości transformacji w sektorze przemysłowym, ponieważ około dwie trzecie światowej emisji dwutlenku węgla niezwiązanej z rolnictwem powstaje w wyniku spalania paliw kopalnych w transporcie i elektrowniach. Kolejne 25% jest emitowane przez urządzenia termiczne w różnych zastosowaniach w przemyśle wytwórczym i ogrzewaniu komercyjnym. Większość z tych urządzeń termicznych jest opalana gazem ziemnym (niemal 90%), a tylko niewielka część olejem opałowym. Wykorzystanie wodoru może zmniejszyć lub nawet wyeliminować emisję dwutlenku węgla w tych zastosowaniach. Na przykład w palniku o niskiej wartości opałowej (LHV) o mocy 25 milionów Btu/h (około 7,5 MW), pracującym w procesie ciągłym 24 godziny na dobę, zmieniając paliwo z gazu ziemnego na wodór, można ograniczyć emisję dwutlenku węgla o 33 tony dziennie.
Zmuszane przez ustawodawstwo rządowe i opinię publiczną firmy energetyczne stopniowo rezygnują z elektrowni opalanych paliwami kopalnymi na rzecz odnawialnych form energii, takich jak energia wiatrowa i słoneczna. Nieprzewidywalne zachowania odnawialnych źródeł energii powodują jednak rosnące obawy o to, jak dopasować wytwarzanie energii do zapotrzebowania na nią w dłuższej perspektywie czasu. W tym przypadku wodór ma istotne znaczenie jako bufor lub nośnik energii. Przemysł nie jest jeszcze w stanie przejść bezpośrednio na wodór, dlatego na razie miesza się wodór z gazem ziemnym w podobny sposób, w jaki w niektórych sektorach etanol miesza się z benzyną. W połączeniu te dwa paliwa wytwarzają mniej dwutlenku węgla, przy czym poziom ten zależy od ilości dodanego wodoru. Na przykład, jeśli mieszanka 20% wodoru i 80% gazu ziemnego byłaby spalana w sposób ciągły przy 10 milionach Btu/h LHV (około 3200 kW), nastąpiłoby zmniejszenie emisji dwutlenku węgla o około jedną tonę dziennie, co odpowiadałoby zmniejszeniu emisji dwutlenku węgla o prawie 350 ton rocznie (patrz rys. 1).
Pokonywanie barier utrudniających wykorzystanie wodoru
Do tej pory powszechne zastosowanie wodoru było hamowane przez szereg czynników, w tym brak infrastruktury, ograniczone możliwości produkcyjne, wysokie koszty i wyjątkowe właściwości, które sprawiają, że pierwiastek ten jest trudny w obsłudze. Podstawowym wyzwaniem jest bezpieczny transport i przechowywanie wodoru. W przeszłości odpowiednia infrastruktura była ograniczona, obecnie budowane są nowe sieci przesyłowe i obiekty magazynowe przystosowane do transportu wodoru (patrz rys. 2).
Przedsiębiorstwa energetyczne zdają sobie sprawę, że ich sieci gazu ziemnego mogą być przystosowane do przyjęcia wodoru przy akceptowalnych kosztach. Na przykład Europa posiada rozległą sieć gazową, którą można stosunkowo szybko przekształcić. Wdrażane są też odrębne inicjatywy mające na celu stworzenie sieci energetycznych w 100% zasilanych wodorem. Tymczasem koszt wodoru spada i oczekuje się, że w ciągu następnej dekady będzie nadal spadał. W tym roku Rada ds. Wodoru ogłosiła, że do 2030 r. wodór będzie konkurencyjny w 22 zastosowaniach przemysłowych w stosunku do innych niskoemisyjnych alternatyw, a nawet niektórych konwencjonalnych źródeł energii. Kolejnym wyzwaniem jest brak maszyn i komponentów, dzięki którym można by wykorzystać wodór do produkcji towarów, a konkretnie urządzeń termicznych, w których wytwarzane jest ciepło. Firmy takie jak Honeywell Thermal Solutions szybko jednak rozszerzają swoje portfolio rozwiązań, aby zaoferować palniki wodorowe oraz zawory, sterowniki spalania i inne specjalistyczne urządzenia.
Ostatnim wyzwaniem wartym odnotowania jest fakt, że emisja tlenków azotu (NOX) powstająca podczas spalania wodoru jest większa niż w przypadku gazu ziemnego z powodu szybszych prędkości rozchodzenia się płomienia oraz wyższych temperatur. Zwykle udział tlenków azotu w emisji gazów spalania wzrasta stale wraz ze wzrostem ilości wodoru (do około 60%) w mieszance z gazem ziemnym. W zależności od konstrukcji palnika zawartość tlenków azotu może być bardzo wysoka dla mieszanek z ponad 60-procentową zawartością wodoru. Przepisy dotyczące emisji NOX są coraz bardziej rygorystyczne i powszechne. Zbieżność przepisów dotyczących emisji dwutlenku węgla i emisji NOX będzie prawdopodobnie wymagała opracowania nowych technologii spalania, gdy wyższe stężenia wodoru znajdą szersze zastosowanie.
Polska Strategia Wodorowa na finiszu – szansa na gospodarkę opartą na wodorze?
Ministerstwo Klimatu i Środowiska poinformowało, że prace nad przyjęciem Polskiej Strategii Wodorowej (PSW) dobiegają końca. Najprawdopodobniej zostanie ona przyjęta już we
wrześniu br. – dokument jest gotowy do przedłożenia Komitetowi Stałemu Rady Ministrów. Wśród wielu działań wymienionych w Strategii na szczególną uwagę zasługują doliny wodorowe, mające wspierać proces wdrażania gospodarki opartej na tym pierwiastku w Polsce. Wszystko po to, by wodór stał się jednym z głównych paliw transformacji gospodarczej i w znaczący sposób przyczynił się do osiągnięcia neutralności klimatycznej, nadrzędnego celu Europejskiego Zielonego Ładu.Według zapisów PSW do 2025 roku na technologie wodorowe ma zostać wydane 2 mld zł, zaś do 2030 roku – łącznie blisko 17 mld zł. Jednym z podstawowych założeń dokumentu, który określa ambitne cele w zakresie rozwoju wykorzystania technologii wodorowych w Polsce, jest stworzenie pięciu dolin wodorowych. W założeniu mają być się one swoistymi centrami doskonałości w toku wdrażania gospodarki wodorowej, integracji sektorów, transformacji klimatycznej przemysłu oraz budowie infrastruktury. Cztery takie doliny, w ramach Strategii, zostały już powołane i będą zlokalizowane w województwie podkarpackim, dolnośląskim, śląskim i wielkopolskim.
Naturalnym i oczywistym miejscem dla piątej polskiej doliny wodorowej jest Mazowsze. To centralny ośrodek rozwoju, przemysłu, infrastruktury i miejsce lokalizacji wielu znaczących zakładów produkcyjnych. Mazowsze, jako jedyne polskie województwo, od 2010 r. jest również członkiem Europejskiej Sieci Regionów Chemicznych (ECRN) – uznanego europejskiego interesariusza w branży chemicznej, stowarzyszenia, które ma na celu zwiększenie świadomości władz poziomu regionalnego i osób zaangażowanych w kształtowanie polityki w Europie na temat potrzeb rozwojowych branży chemicznej. Polska Izba Przemysłu Chemicznego (PIPC), jako organizacja zrzeszająca przedstawicieli świata biznesu i nauki, niejednokrotnie angażowała się w realizowane w ramach ECRN projekty. Ich celem było wypracowanie rozwiązań, pozwalających na modernizację sektora chemicznego, tak, aby był bardziej zrównoważony, efektywny i zasobooszczędny, a tym samym bardziej konkurencyjny w skali globalnej. – Pamiętajmy, że to właśnie sektor chemiczny, zarówno w Polsce, jak i na świecie, jest głównym producentem wodoru, a także – jako branża niezwykle innowacyjna, o ogromnym potencjale rozwojowym – realizuje nowe projekty oraz podejmuje inwestycje w rozwój technologii wodorowych, jak również w ich praktyczne zastosowanie w gospodarce. Nie zapominajmy, że wodór to podstawowy pierwiastek chemiczny – zatem to chemia musi odgrywać główną rolę w projektowaniu wszelkich wodorowych rozwiązań. Jeśli poważnie myślimy o gospodarce wodorowej w naszym kraju, to bez udziału Polskiej Chemii jej wdrożenie nie będzie możliwe – wskazuje dr inż. Tomasz Zieliński, Prezes Zarządu Polskiej Izby Przemysłu Chemicznego.
Do rozwoju technologii opartych na wodorze, co ma być możliwe m.in. dzięki powołaniu wspomnianych dolin wodorowych, w tym potencjalnej, piątej doliny wodorowej w województwie mazowieckim, konieczna jest współpraca szeregu interesariuszy. Tylko odpowiednie zaangażowanie
administracji krajowej, samorządu, biznesu, sektora przemysłowego i przedstawicieli świata akademickiego, a przede wszystkim eksperckich organizacji pozwoli stworzyć odpowiednie warunki do tego, by można było poważnie rozmawiać o budowie polskiej gospodarki wodorowej. Przy odpowiednio zaprojektowanej polityce technologicznej zakres współpracy może być naprawdę szeroki.
Propozycje szczegółowych rozwiązań dotyczące systemu wsparcia dla technologii wodorowych są na razie na wysokim poziomie ogólności i wymagają dalszego doprecyzowania. Dla rozwoju gospodarki wodorowej niezbędne są inwestycje i zabezpieczenie odpowiednich środków. Na rzecz zapewnienia finansowania realizacji celów Polskiej Strategii Wodorowej administracja planuje szereg działań, m.in. uruchomienie programów wspierających badania i rozwój w dziedzinie technologii wodorowych. Fundusze na wsparcie innowacyjnych projektów w tym obszarze przeznacza np. Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej – nawet 600 mln zł dla komponentu wodorowego w ramach programu „Nowa energia”, ok. 100 mln zł w ramach programu „Wsparcie infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych i infrastruktury tankowania wodoru”. Opracowywany jest także kolejny program NFOŚiGW – „Wodoryzacja gospodarki”, dalsze zaś środki mają płynąć z Programu Wsparcia Technologii Wodorowych Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.
Rozmaite formy finansowania to czynnik niezbędny przy tego typu przedsięwzięciach. – Trzeba pamiętać, iż poza programami finansowania potrzebne jest także odpowiednie otoczenie regulacyjne oraz spójność w projektowaniu i wdrażaniu wszelkich rozwiązań. Dlatego tak ważne jest wsłuchanie się w głos organizacji, będących z jednej strony interesariuszami procesu, a z drugiej – głosem eksperckim, wyspecjalizowanym w danej tematyce. Kluczowe dla przekucia wizji w konkretne działania jest to, by administracja, zapowiadająca tworzenie jak najlepszych warunków do inwestowania w wodorowe rozwiązania, prowadziła stały dialog ze stroną społeczną, w tym z przemysłem chemicznym i organizacjami go reprezentującymi. Polska Izba Przemysłu Chemicznego od lat bierze aktywny udział w pracach i projektach nad wykorzystywaniem wodoru jako „paliwa przyszłości” i stanowi naturalną platformę wymiany wiedzy, doświadczeń, umożliwiając współpracę członków, działając na rzecz rozwoju polskiej gospodarki i innowacyjności. Dodatkowo, kluczowe znaczenie ma znajomość europejskich rozwiązań, dobrych praktyk stosowanych w innych krajach, które umożliwią analizę i będą stanowić wskazówki w opracowaniu krajowej polityki wodorowej – dodaje dr inż. Tomasz Zieliński, Prezes Zarządu Polskiej Izby Przemysłu Chemicznego.
Od ogłoszenia przez Komisję Europejską strategii wodorowej dla neutralnej klimatycznie Europy minął nieco ponad rok. Stanowi ona jeden z projektów istotnych dla tworzenia unijnej polityki energetycznej, spójnej z założeniami Europejskiego Zielonego Ładu, zawierającego ambitne cele umożliwiające transformację ekologiczną starego kontynentu. Tematyka wodorowa jest bardzo mocno obecna w dyskursie publicznym, stanowi przedmiot licznych eksperckich debat i konferencji.
O rozwoju technologii wodorowych, 27 sierpnia br., podczas IV edycji Forum Wizja Rozwoju w Gdyni, z przedstawicielami sektora biznesu – uczestnikami panelu „Wodór w przemyśle”, będzie rozmawiał dr inż. Tomasz Zieliński, Prezes Zarządu Polskiej Izby Przemysłu Chemicznego.
Powodzenie Polskiej Strategii Wodorowej oraz rozwiązań przez nią proponowanych, w tym krajowych dolin wodorowych, zależy od tego, czy i jak szybko uda się stworzyć w Polsce „branżę” wodorową. Do tego potrzebne będą przyjazne prawo, infrastruktura i współfinansowanie pierwszych projektów, a także współpraca wszystkich zainteresowanych, ze szczególnym uwzględnieniem eksperckich organizacji branżowych.
Artykuł opracowany przez Polską Izbę Przemysłu Chemicznego.
Z wodorem trzeba wyjątkowo ostrożnie
Oprócz barier technicznych i ekonomicznych związanych z produkcją wodoru, jego szczególne właściwości sprawiają, że sposób obchodzenia się z nim i przetwarzania jest inny niż w przypadku pozostałych paliw. Podczas pracy z wodorem należy podjąć wiele środków ostrożności. Ze względu na wysoką palność paliwa systemy spalania wodoru muszą być projektowane inaczej niż ich odpowiedniki na gaz ziemny. Konieczna jest szczegółowa ocena ryzyka zarówno na etapie projektowania, jak i realizacji systemu spalania wodoru. Musi on spełniać wymagania dotyczące bezpieczeństwa zastosowań wodoru i być zgodny z lokalnymi przepisami i normami bezpieczeństwa. Szeroki zakres palności wodoru, wysoka prędkość płomienia i niska temperatura zapłonu wymagają przestrzegania zasad prawidłowego projektowania elektrycznego i okablowania, ze szczególnym uwzględnieniem funkcji przedmuchiwania, kontroli proporcji, ochrony temperatury i zarządzania palnikiem.
Wiedza o tym, że palnik może bezpiecznie i niezawodnie pracować z wodorem to jedno, a wiedza o jego wpływie na aplikację to drugie. Gdy palnik jest zasilany wodorem, charakterystyka spalania jest inna niż w przypadku takiego samego palnika zasilanego gazem ziemnym. Różnice w palności, szybkości reakcji spalania, jasności płomienia, długości płomienia i zmiany składu spalin wpływają na sposób ogrzewania produktów i konstrukcję komór spalania lub pieców, które powinny być przystosowane do ich obsługi. Ważne jest, aby przetestować palniki na wodór i upewnić się, czy części krytyczne, takie jak płyty mieszające lub stożki mieszające, oraz materiał i porty dysz gazowych zapewniają stabilne i bezpieczne spalanie wodoru, bez przegrzania lub nawet zniszczenia części urządzenia.
Todd Ellerton jest dyrektorem ds. zarządzania ofertą w Honeywell Thermal Solutions.
