GLOBALNY HUB WODOROWY MOŻE POWSTAĆ W POLSCE
Dyskusja na temat wodoru jako paliwa przyszłości nabrała nowego znaczenia w kontekście rosnących cen paliw kopalnych i prób odejścia od rosyjskich surowców energetycznych. Czy jednak faktycznie ma on szansę zastąpić tradycyjne źródła energii? Zanim upowszechni się w transporcie jako paliwo przyszłości, musimy jeszcze pokonać szereg problemów związanych z jego właściwościami fizycznymi czy kosztami wytworzenia i przechowywania. W zasięgu ręki mamy jednak wykorzystanie wodoru jako znakomitej alternatywy dla gazu ziemnego, używanego w produkcji nawozów azotowych.
Wykorzystanie wodoru – z czym się mierzymy?
Wodór ma specyficzne właściwości
Pomimo powszechnego występowania we wszechświecie na Ziemi wodór występuje wyłącznie w związkach. Znajdziemy go przede wszystkim w wodzie, ropie naftowej czy gazie ziemnym. Charakteryzuje się też bardzo małą gęstością – zarówno jako gaz, jak i w postaci skroplonej. Jeden metr sześcienny wodoru waży zaledwie 84 g – 12 razy mniej niż powietrze. W postaci skroplonej pojemnik o pojemności jednego litra zmieści z kolei zaledwie 71 g wodoru. Ponadto skrapla się on dopiero w temperaturze -255°C, a bardzo niska gęstość pierwiastka sprawia, że jego transport rurociągami jest mniej efektywny, a przez to znacząco droższy.
Trudno go magazynować i przewozić
Bardzo mała cząsteczka wodoru nie tylko umyka ziemskiej grawitacji, ale też jest w stanie swobodnie przeniknąć przez praktycznie każdy materiał. Gumowe uszczelki czy rury z tworzywa sztucznego nie stanowią tu skutecznej bariery. Szacuje się, że w ciągu doby z każdego zbiornika ubędzie nawet 1–3% objętości zmagazynowanego wodoru.
Ponadto, ze względu na małą gęstość, przewożenie go cysternami samochodowymi jest mało ekologiczne i mało ekonomiczne. Standardowa naczepa samochodu ciężarowego przewiezie dziewięć dużych pojemników ciśnieniowych o całkowitej zawartości 4000 Nm3 wodoru pod ciśnieniem 200 bar. Oznacza to, że pojazd o ładowności 40 ton przewozi zaledwie 335 kg surowca.
Jest bardzo łatwopalny
W odróżnieniu od innych łatwopalnych gazów wodór zapala się w bardzo szerokim zakresie stężenia w powietrzu. Niebezpieczna jest każda jego zawartość w przedziale od 4 do 75%. Dodatkowo do wybuchu wystarczy bardzo mała energia (rzędu 0,02 mJ).
W praktyce do eksplozji wystarczy więc sam wypływ z nieszczelnego zbiornika. Energia ładunku elektrostatycznego na ciele człowieka może być nawet tysiąckrotnie większa od energii zapłonu, co stwarza ogromne zagrożenie przy obsłudze infrastruktury wodorowej.
Co więcej, wodór jest bezwonny i pali się niewidocznym płomieniem. Próby gaszenia płonącego gazu mogą spowodować jeszcze bardziej niebezpieczną eksplozję wtórną. Można jedynie odciąć jego dopływ i czekać, aż się wypali. Wybuch jednego metra sześciennego wodoru ma moc porównywalną z 2 kg dynamitu.
Jest wtórnym źródłem energii
Istnieją różne metody produkcji wodoru. Wszystkie jednak stają przed tym samym problemem. Aby pozyskać z niego energię, trzeba najpierw zużyć ją na pozyskanie samego wodoru. Obecnie jednak wytworzenie wodoru wymaga więcej energii, niż można z niego pozyskać. Nawet zakładając, że do produkcji można by wykorzystać teoretycznie darmową energię ze źródeł odnawialnych, wciąż bardziej ekonomicznie uzasadnione wydaje się wykorzystanie jej do innych zastosowań (np. ładowania samochodów elektrycznych).
Nie ma z czego go produkować
Na Ziemi wodór znajdziemy w związkach – w wodzie, gazie ziemnym czy ropie naftowej. W wielu obszarach kraju już dziś mamy do czynienia z okresowymi niedoborami wody. Gdyby dodatkowo wykorzystać ją na masową skalę do produkcji wodoru w procesie elektrolizy, nie pozostałoby to bez znaczenia dla gospodarki wodno-ściekowej.
Tańszą techniką jest produkcja wodoru w procesie reformingu metanu. Ten jest jednak głównym składnikiem gazu ziemnego, którego ceny już dzisiaj są trudne do zaakceptowania, i który również wykorzystuje się do produkcji nawozów, a te do produkcji żywności.
Trudno zastąpić nim tradycyjne kopaliny
Jeśli chcielibyśmy w całości zastąpić paliwa kopalne wodorem produkowanym z metanu w procesie reformingu parowego, Polska musiałaby zwiększyć zużycie gazu ziemnego dziewięciokrotnie. Samo zasilanie samochodów osobowych wymagałoby zwiększenia krajowego zużycia gazu ziemnego o 51%.
Dodatkowo proces ten powoduje znaczące emisje CO2, zatem aby pozostał neutralny, musielibyśmy co roku zatłoczyć pod ziemię 300 mln ton dwutlenku węgla. Odpowiada to zawróceniu pod ziemię 80 mln ton węgla, czyli znacznie więcej niż całe krajowe wydobycie. Nie mówiąc o tym, że samo zatłaczanie również wymaga energii, a jego koszt dla tony CO2 szacuje się na ok. 65 USD.
Wodór może zastąpić gaz ziemny w produkcji nawozów
Polska jest szóstym w Europie producentem żywności1, a nasze rolnictwo zużywa co roku ok. 8,5 mln ton nawozów mineralnych, w tym amonowych. Do ich produkcji każdego roku zużywa się ok. 2 mld m3 gazu ziemnego, który przekształcany jest w amoniak, będący podstawowym surowcem dla wszystkich nawozów azotowych. Okazuje się, że Polska byłaby w stanie zastąpić gaz ziemny w technologii produkcji nawozów dzięki wykorzystaniu wodoru.
Produkcja amoniaku opiera się na prostej reakcji azotu z wodorem. Azot można kupić na rynku lub stosunkowo łatwo wytworzyć przy użyciu powszechnie dostępnych urządzeń. Wyzwanie stanowi pozyskanie wodoru z pominięciem gazu ziemnego. Pozostaje nam szeroko dostępne źródło, jakim jest woda. Proces jej elektrolizy wymaga jednak sporych nakładów energii. Aby tą metodą otrzymać 1 kg wodoru, musimy zużyć 50 kWh energii.
Amoniak jest produktem handlowym, notowanym na światowych giełdach towarowych. Jego cena, nawet po ostatnich znaczących spadkach, wciąż przekracza 1200 USD za tonę. Może się więc okazać, że produkcja wodoru, zwłaszcza produkowanego przy wykorzystaniu energii z OZE, będzie zdecydowanie atrakcyjna ekonomicznie.
Globalny hub amoniakowy w Polsce
Produkcja amoniaku w Polsce w 2021 r. wyniosła 2,6 mln ton i wymagała zużycia 2,7 mld m3 gazu ziemnego. Aby zastąpić taką ilość błękitnego paliwa, potrzeba ok. 480 tys. ton wodoru, do którego produkcji niezbędne będą 24 TWh energii elektrycznej (około 80 proc. aktualnej rocznej produkcji OZE w Polsce).
Przy obecnym limicie cenowym dla energii elektrycznej z wiatraków na poziomie 350 zł/MWh sprzedaż energii z farm wiatrowych dochodzi do granicy opłacalności. Gdyby jednak wytworzoną energię zamienić na wodór, a następnie na amoniak, zyskowność całego przedsięwzięcia byłaby znacząco wyższa.
Szczególnie korzystnie dla tego typu inwestycji usytuowane są zakłady w Policach z niemal nieograniczonym dostępem do wody i niezamieszkałymi obszarami dla postawienia farmy wiatrowej.
W Policach zużywa się co roku ok. 450 mln m3 gazu ziemnego, który można by zastąpić 80 tys. ton wodoru, do którego wytworzenia potrzeba 4 TWh energii elektrycznej. W polskich warunkach odpowiada to farmie wiatrowej złożonej z 800 wiatraków po 2 MW mocy. Z uwzględnieniem urządzeń do elektrolizy wody cała inwestycja sięgnęłaby 20 mld zł, pozwalając na produkcję amoniaku w cenie nieco ponad 550 USD za tonę. Przy tych kosztach byłby to surowiec niezwykle cenny zarówno w produkcji nawozów azotowych, jak i w charakterze paliwa energetycznego. Co więcej, można go magazynować i transportować o wiele taniej od wodoru.
Co dalej z wykorzystaniem wodoru?
Już w ciągu 10 najbliższych lat Unia Europejska będzie musiała zdecydować, czym zastąpić gaz ziemny przy braku własnych źródeł. Wielu z nadzieją patrzy w kierunku wodoru, jednak aby myśleć o nim jako o paliwie przyszłości, musielibyśmy najpierw uporać się z ograniczeniami, jakie wiążą się z jego produkcją, magazynowaniem i wykorzystaniem na skalę przemysłową. Te zaś wydają się na obecną chwilę wykluczać wodór jako powszechnie używane paliwo. W przypadku energii elektrycznej czy ciepła gaz ziemny ma alternatywy, jak choćby OZE, atom czy nawet węgiel. Brak jednak prostych alternatyw dla produkcji nawozów sztucznych, których stosowanie jest obecnie niezbędne w produkcji rolnej.
Jak pokazują wyliczenia, produkcja amoniaku w oparciu o wodór pozyskiwany z elektrolizy wody otwiera szerokie możliwości produkcyjne i handlowe dla Polski. Police mogłyby stać się producentem nawozów azotowych, niezależnym od wahań cen gazu ziemnego. Dodatkowo olbrzymia farma wiatrowa to inwestycja zapewniająca nawet 15 tys. miejsc pracy, która w przypadku braku popytu na nawozy mogłaby dostarczać energię do sieci.
