Projekt okładki i stron tytułowych Przemysław Spiechowski

Ilustracja na okładce Grispb/Adobe Stock, Scharfsinn86, Audioundwerbung, Shawn Hempel/Dreamstime

Wydawca Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji Adam Kowalski

Redaktor Joanna Forysiak

Produkcja Mariola Grzywacka

Dział reklamy Magdalena Bystrzycka (magdalena.lewocka@pwn.pl) Urszula Obrycka (urszula.obrycka@pwn.pl)

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

Recenzent 1. wydania prof. dr hab. inż. Wojciech Nowak
Dyrektor Centrum Energetyki AGH w Krakowie

Recenzja obecnego wydania prof. dr hab. inż. Jakub Kupecki
Dyrektor Centrum Technologii Wodorowych (CTH2), Instytut Energetyki – PIB

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty. Szanujmy cudzą własność i prawo.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

ISBN: 978-83-01-24390-6

DOI https://doi.org/10.53271/2025.031

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2025 r. (Wydanie II [rozszerzone, zaktualizowane])

Warszawa 2025

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288; 

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

Przedmowa

Cały system energetyczny doznaje obecnie istotnych zmian technologicznych. Dotyczy to wszystkich jego podstawowych modułów (podsystemów). Od struktury wykorzystywanej energii pierwotnej poprzez technologie jej konwersji do końcowych użytkowych postaci energii (elektryczności, ciepła, nowych paliw, chłodu, energii mechanicznej), technologii jej przesyłu, rozdziału i użytkowania u odbiorców końcowych. Kryteria optymalizacyjne procesu transformacji obok podstawowych techniczno-ekonomicznych (sprawności, kosztów wytwarzania) powinny ujmować funkcje celu i ograniczenia wynikające z wyzwań ekologicznych (ochronę klimatu, zmniejszenie zanieczyszczeń atmosfery, ochronę zasobów paliwowych i innych).

W poszukiwaniach racjonalnych rozwiązań intensywnie wskazuje się na rolę wodoru jako ważnego nośnika energii w wspomagającego proces dekarbonizacji gospodarki i transportu. Temu zagadnieniu poświęca się wiele studiów i opracowań scenariuszowych przygotowywanych przez międzynarodowe i krajowe agencje oraz instytucje zajmujące się przyszłością energetyczną. Można także zauważyć dużą dynamikę wzrostu liczby opracowań naukowych i publikacji z tej tematyki, dotyczących zarówno rozwoju technologicznego, jak i doskonalenia metod analizy i syntezy wszystkich modułów gospodarki wodorowej. Uruchamiane są nowe instalacje demonstracyjne i wdrożeniowe.

Przekazywana w ręce Czytelnika książka zawiera wykład obejmujący główne technologie wytwarzania wodoru, jego transportu i składowania oraz energetycznego wykorzystania. W wyborze tematyki kierowano się stanem zaawansowania rozwoju poszczególnych technologii, gwarantującym praktyczne zastosowanie danych rozwiązań. Starano się także wskazać na możliwe kierunki rozwoju w 20–30-letniej perspektywie. W niniejszym wydaniu uaktualniono i poprawiono tekst niemal wszystkich rozdziałów. Większe zmiany wprowadzono do rozdziałów 5 i 7.

W rozdziałach zawierających omówienie poszczególnych technologii wiele zagadnień szczegółowych ilustrowano przykładami obliczeniowymi, co powinno ułatwić zrozumienie istoty danego zagadnienia oraz być źródłem wiedzy praktycznej.

Książka może być pomocna pracownikom nauki pracującym w dyscyplinie inżynieria środowiska, górnictwo i energetyka oraz w innych dyscyplinach naukowych (np. automatyka, elektronika i elektrotechnika, inżynieria chemiczna, inżynieria mechaniczna, transport), studentom wszystkich kierunków związanych z energetyką i transportem. Może być także interesująca dla studentów studiów podyplomowych oraz pracowników instytucji przemysłowych i projektowych.

Podziękowania

Przy opracowaniu książki autorzy korzystali z pomocy wielu współpracowników z Katedry Maszyn i Urządzeń Energetycznych oraz Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla. Pragniemy podziękować współautorom opracowań (artykułów naukowych, referatów konferencyjnych, raportów z realizacji projektów badawczych), których wyniki wykorzystano w trakcie opracowania tego tomu oraz którzy pomogli nam przygotować przykłady obliczeniowe i rysunki. Przede wszystkim dziękujemy inż. Grażynie Roskosz oraz prof. dr. hab. inż. Andrzejowi Rusinowi, prof. dr. hab. inż. Januszowi Kotowiczowi, dr. hab. Leszkowi Remiorzowi, prof. PŚ, dr. hab. inż. Łukaszowi Barteli, prof. PŚ, dr inż. Katarzynie Stoleckiej, dr. inż. Sebastianowi Lepszemu, dr. inż. Danielowi Węclowi.

Gorące podziękowanie pragniemy przekazać redaktorowi Adamowi Filutowskiemu oraz innym osobom zaangażowanym w wydanie tej książki.

Jesteśmy wdzięczni recenzentowi prof. dr. hab. inż. Wojciechowi Nowakowi za cenne uwagi, które pomogły nam w pracy nad książką.

Autorzy

Wykaz używanych skrótów

ATR

– reforming autotermiczny (ang. autothermal reforming)

BFB

– reaktory ze złożem pęcherzykowym (ang. bubbling fluidized bed)

CAPEX

– nakłady inwestycyjne (ang. capital expenditures)

CCS

– wychwyt i składowanie ditlenku wegla (ang. carbon capture and storage)

CCU

– wychwyt i wykorzystanie ditlenku wegla (ang. carbon capture and utilization)

CFB

– reaktory z cyrkulującym złożem fluidalnym (ang. circulating fluidized bed)

CIS

– selenek miedziowo-indowy (ang. copper indium selenide)

DGM

– modelu gęstego gazu (ang. dusty-gas model)

DRI

– bezpośrednia redukcja rudy żelaza (ang. direct reduced iron)

HTU

– hydrotermiczna waloryzacja biomasy (ang. hydrothermal upgrading)

IEA

– Międzynarodowa Agencja Energetyczna (ang. International Energy Agency)

KRA

– katalityczny rozkład amoniaku

LPG

– gaz skroplony (ang. liquid petroleum gas)

OPEX

– koszty operacyjne (ang. operating expenditures)

PEM(E)

– elektrolizer membranowy (ang. proton exchange membrane electrolyzer)

PEM(FC)

– ogniwo paliwowe z protonowymienną membraną (ang. proton exchange membrane fuel cell)

POX

– częściowe utlenianie (ang. partial oxidation)

PSA

– adsorpcja zmienno-ciśnieniowa (ang. pressure swing adsorption)

SMR

– reforming parowy (ang. steam methane reforming)

SNG

– syntetyczny gaz naturalny (ang. synthetic natural gas)

SOEC

– elektrolizery tlenkowo-ceramiczne (ang. solid oxide electrolysis cell)

SOFC

– tlenkowo-ceramiczne ogniwa paliwowe (ang. solid oxide fuel cell)

SR

– reforming parowy (ang. steam reformer)

WGS

– proces konwersji CO–hydroliza tlenku węgla (ang. water gas shift reaction)

WTA

– fluidalna technologia suszenia paliwa (niem. Wirbelschicht-Trocknung mit interner Abwärmenutzung, ang. fluidized-bed drying with internal waste heat utilization)

Rozdział 1
Wprowadzenie

1.1. Ogólna charakterystyka scenariuszy zwiększenia roli wodoru w gospodarce

Rosnące potrzeby energetyczne świata, degradacja środowiska naturalnego oraz wzrost zagrożenia bezpieczeństwa energetycznego wskazują na konieczność poszukiwania nowych, bezpiecznych, wysokosprawnych i przyjaznych dla środowiska technologii energetycznych. Wydaje się, że obiecującym kierunkiem, mogącym znaleźć szerokie zastosowanie w przewidywalnej perspektywie czasowej, jest wykorzystanie wodoru jako paliwa przyszłości. Zastąpienie paliw kopalnych wodorem pozwala na praktycznie całkowite wyeliminowanie emisji substancji szkodliwych do atmosfery, w tym wpływających na zmiany klimatyczne gazów cieplarnianych.

Rozwój technologii wodorowych oraz globalnego zrównoważonego systemu energetycznego wykorzystującego wodór – tzw. gospodarki (energetyki) wodorowej – daje realną możliwość rozwiązania trzech głównych wyzwań stojących przed energetyką światową. Należą do nich: konieczność zaspokojenia rosnącego zapotrzebowania na czyste paliwa gazowe, ciekłe oraz energię elektryczną, konieczność wzrostu efektywności produkcji paliw i energii oraz minimalizacja emisji szkodliwych substancji do atmosfery, w tym emisji gazów cieplarnianych, na końcowym etapie wykorzystania energii.

Przez pojęcie energetyka wodorowa rozumiemy zespół procesów i modułów technologicznych obejmujących etap wytwarzania wodoru (wodór nie jest paliwem czerpalnym wprost z zasobów przyrody), jego magazynowania, transportu i konwersji do pożądanych postaci energii (głównie elektryczności i energii mechanicznej oraz nowych paliw). Wszystkie z nich są istotne dla końcowej efektywności techniczno-ekonomicznej i ekologicznej. Szczegółowiej rzecz biorąc, z energetyką (gospodarką) wodorową identyfikuje się następujące obszary, w których konieczne jest poszukiwanie rozwiązań techniczno-ekonomicznych, ekologicznych i społeczno-organizacyjnych [1.1–1.8]:

•  wytwarzanie wodoru z różnych nośników energii, w tym z węgla i innych paliw węglowodorowych oraz energii jądrowej,

•  nowe technologie wytwarzania wodoru z odnawialną energią napędową: elektrolityczne, termicznego rozkładu wody (termoliza, cykliczne procesy termochemiczne, hybrydowe termochemiczne procesy rozkładu), fotokatalityczne,

•  wodór jako paliwo napędowe środków transportu,

•  wysokosprawne ogniwa paliwowe,

•  systemowy wpływ wodoru na strukturę technologiczną i sposób zarządzania energetyką oraz na zmianę infrastruktury przemysłowej, integracja energetycznych technologii wodorowych z energetyką wielkoskalową paliw węglowodorowych,

•  społeczno-polityczne warunki bezpieczeństwa inwestycyjnego w zakresie gospodarki wodorowej.

Na podstawie wymienionych obszarów poszukiwania rozwiązań widać, że myślenie o gospodarce wodorowej nie może się ograniczyć jedynie do pozyskania nowego nośnika energii, musi obejmować jego rolę w rozwiązaniu problemów dekarbonizacji gospodarki i transportu, w decentralizacji wysokosprawnego wytwarzania i zasilania w finalne postacie energii, a także dostrzegać konieczność zmian infrastruktury przemysłu. W tym sposobie podejścia systemowego wymagane jest sformułowanie wielu programów badawczych i przemysłowych, których rozwiązań nie można oczekiwać natychmiast. Czas transformacji może obejmować całe dekady.

Dostępnych jest wiele opracowań wskazujących na możliwe scenariusze rozwoju technologii wodorowych w różnych obszarach aktywności przemysłowej i transportu, np. [1.1–1.8].

W opracowaniach [1.2, 1.7] wyraża się opinię, że wodór może odegrać podstawową rolę w procesie transformacji energetycznej wymaganej do ograniczenia wzrostu temperatury globu do dwóch stopni Celsjusza (two-degree scenario). Głównym celem ekologicznym transformacji jest ograniczenie emisji ditlenku węgla w procesach energetycznych do 2050 r. o 60%. W tym procesie wodór może spełniać wiele funkcji, w tym przez:

•  wzrost upowszechnienia źródeł odnawialnych i ich optymalnej integracji w procesach wytwarzania elektryczności i paliw,

•  dystrybucję energii odnawialnej w różnych sektorach i regionach,

•  działanie jako bufor i rezerwa strategiczna mocy, zwiększając odporność systemu energetycznego,

•  dekarbonizację transportu,

•  dekarbonizację technologii przemysłowych,

•  obniżenie emisyjności procesów wytwarzania ciepła i elektryczności w gospodarce komunalnej i mieszkalnictwie,

•  zapewnienie czystego surowca dla przemysłu.

Scenariusz przedstawiony w [1.2] zakłada 18-procentowy udział wodoru w końcowym zapotrzebowaniu na energię w 2050 r., eliminację emisji 6 Gt ditlenku węgla przez zastosowanie technologii wodorowych, wartość sprzedaży wodoru i wyposażenia instalacji wodorowych na poziomie 2,5 biliona dolarów oraz powstanie 30 mln nowych miejsc pracy. Dynamika upowszechnienia technologii wodorowych według rozpatrywanego scenariusza jest największa w dekadzie 2040–2050. Między rokiem 2015 a 2050 roczne zapotrzebowanie na energię wodoru powinno wzrosnąć ok. 10-krotnie – z 8 EJ do 78 EJ, a między rokiem 2040 a 2050 przewidziano wzrost z 28 EJ do 78 EJ (1 eksadżul ≅ 277,8 TWh). Struktura technologiczna wykorzystania wodoru w 2050 r. obejmuje zużycie 10 EJ w obszarach gospodarki, w których jest wykorzystywany obecnie, 9 EJ w nowych procesach przemysłowych (CCU, bezpośrednia redukcja rudy żelaza – DRI), 11 EJ w gospodarce komunalnej i mieszkalnictwie, 16 EJ w przemysłowej gospodarce energetycznej, 22 EJ w transporcie i 9 EJ w procesach wytwarzania elektryczności (buforowanie, rezerwa strategiczna, magazynowanie). Wskazuje to na duży potencjał technologii wodorowych w dekarbonizacji transportu i doskonaleniu procesów przemysłowych. W najbardziej optymistycznym scenariuszu sformułowanym dla UE udział wodoru w 2050 r. w końcowym zużyciu energii wynosi 24% (2251 TWh) [1.3]. Przewidywana struktura jego zużycia to: 112 TWh (ok. 5%) – wytwarzanie elektryczności, bilansowanie systemu (sektor 1); 675 TWh (30%) – transport (sektor 2); 579 TWh (25,7%) – ogrzewanie i energia dla mieszkalnictwa (sektor 3); 237 TWh (10,5%) – energia dla procesów przemysłowych (sektor 4); 257 TWh (11,4%) – nowe zastosowania przemysłowe (sektor 5); 391 TWh (17,4%, sektor 6) – istniejące obszary zastosowań przemysłowych. Wszystkie scenariusze są optymistyczne, należy je traktować jako określenie możliwego potencjału. Ich realizacja wymaga spełnienia wielu warunków techniczno-ekonomicznych i politycznych [1.1]. Ważne są cena unikniętej emisji ditlenku węgla oraz technologiczne opanowanie magazynowania energii.

W opracowaniu Międzynarodowej Agencji Energetycznej (International Energy Agency, IEA) dla szczytu G20 w Japonii [1.1] przedstawiono aktualny stan w zakresie technologii i ekonomii produkcji wodoru oraz nakreślono scenariusze jego potencjalnych zastosowań, głównie w perspektywie do 2030 r. Wskazano na współcześnie identyfikowane wyzwania dla upowszechnienia technologii wodorowych. Ogólnie są one następujące:

•  produkcja wodoru z wykorzystaniem niskoemisyjnej energii napędowej jest obecnie kosztowna (według analizy IEA koszt produkcji wodoru z wykorzystaniem elektryczności ze źródeł odnawialnych może się zmniejszyć o 30% w 2030 r. w wyniku spadku kosztów energii odnawialnej i zwiększenia skali w produkcji wodoru; sprzyjać to będzie doskonaleniu technologii elektrolizerów, rozwojowi i upowszechnieniu ogniw paliwowych oraz sprzętu do tankowania);

•  rozwój infrastruktury wodorowej jest powolny, co nie sprzyja upowszechnieniu wodoru (ma to wpływ na ceny wodoru dla konsumentów, które w dużym stopniu zależą od liczby stacji tankowania i niezawodności dostaw; rozwiązanie tego problemu może wymagać planowania i koordynacji na szczeblu międzynarodowym i poszczególnych krajów, a także zaangażowania samorządów i władz lokalnych oraz instytucji przemysłowych i inwestorów prywatnych);

•  wodór jest obecnie prawie w całości wytwarzany z gazu ziemnego i węgla, przy czym mimo zaawansowania technologicznego ta generacja jest odpowiedzialna za duże ilości emisji ditlenku węgla (roczna emisja CO₂ równa emisji Indonezji i Wielkiej Brytanii łącznie); konieczna jest zatem intensyfikacja generacji wodoru z wykorzystaniem energii źródeł odnawialnych, a także wychwyt ditlenku węgla w procesach wykorzystania paliw kopalnych i jego zastosowanie w technologiach przemysłowych;

•  obecne przepisy ograniczają rozwój przemysłu czystego wodoru; konieczne jest m.in. opracowanie wspólnej międzynarodowej normy bezpieczeństwa transportu i przechowywania dużych ilości wodoru oraz śledzenie wpływu różnych technologii dostaw wodoru na środowisko.

Do walki z tymi wyzwaniami przedstawia się zalecenia dotyczące zwiększenia skali wykorzystania wodoru.

1. Należy określić rolę wodoru w długoterminowych strategiach energetycznych. Dotyczy to polityki na szczeblu zarówno krajowym, jak i regionalnym. Firmy powinny mieć wyraźnie określone cele długoterminowe (kluczowe sektory to: chemia – rafinacja, chemikalia; metalurgia – żelazo i stal; transport towarowy i dalekobieżny; budynki oraz wytwarzanie i magazynowanie energii).

2. Konieczne jest stymulowanie komercyjnego zapotrzebowania na czysty wodór. Technologie wykorzystania czystego wodoru są dostępne, aczkolwiek ich koszty są wysokie. Dążenie do tworzenia zrównoważonych rynków dla czystego wodoru powinno być wzmacniane programowo i inwestycyjnie. Celem powinno być także wspieranie technologii zmniejszania emisji CO₂ w procesach wytwarzania wodoru z paliw kopalnych. Należy popierać inwestycje dostawców, dystrybutorów i użytkowników. Mogą się one przyczynić do redukcji kosztów czy to technologii, dla których energię napędową stanowi niskoemisyjna energia elektryczna, czy technologii wytwarzania wodoru z paliw kopalnych z wychwytywaniem i wykorzystaniem ditlenku węgla w innych procesach.

3. Wskazane jest łagodzenie ryzyka finansowego pierwszych podejmujących inwestycje. Aktualny stan rozwoju technologii wodorowych powoduje, że jesteśmy w ważnym i jednocześnie obarczonym dużym ryzykiem momencie ich wdrażania. Ukierunkowane i ograniczone w czasie pożyczki, gwarancje i inne mechanizmy wspomagania mogą pomóc prywatnemu sektorowi podjąć odpowiednie inwestycje, wspomagać proces uczenia przy racjonalnym podziale ryzyka i korzyści.

4. Konieczne jest wspieranie badań i prac badawczo-rozwojowych dotyczących doskonalenia technologii i obniżenia kosztów. Mają one kluczowe znaczenie dla obniżenia kosztów i poprawy efektywności wszystkich modułów technologicznych gospodarki wodorowej (m.in. ogniw paliwowych, generacji nowych paliw opartych na wodorze, elektrolitycznego wytwarzania wodoru, opanowania nowych technologii wytwarzania wodoru, jego transportu i magazynowania). Działania rządu, w tym wykorzystanie środków publicznych, mają podstawowe znaczenie w procesie formułowania programów badawczo-rozwojowych, wdrożeniu wyników badań, podejmowaniu ryzyka badawczego i zachęcaniu prywatnego kapitału do podejmowania działań innowacyjnych.

1.2. Produkcja i wykorzystanie wodoru. Główne zadania i możliwości rozwoju

Mimo że wodór to najpowszechniej występujący pierwiastek chemiczny we Wszechświecie, jednak w stanie wolnym w środowisku ziemskim jest rzadkością (w powietrzu atmosferycznym suchym jego stężenie wynosi 0,5 ppm). Z tego powodu wykorzystanie do celów energetycznych wymaga zastosowania różnych procesów technologicznych do jego pozyskiwania. Może on być produkowany z wielu zawierających wodór substancji, w tym paliw kopalnych (węgiel, ropa, gaz ziemny), odnawialnych źródeł energii i wody.

Na skalę przemysłową produkowany jest on głównie z gazu ziemnego przy wykorzystaniu procesu parowego reformingu metanu (ang. steam methan reforming, SMR), obecnie najtańszej opcji produkcji wodoru [1.9–1.14]. Ponadto do komercyjnie dostępnych technologii produkcji wodoru z gazu ziemnego należą [1.9]: proces częściowego utleniania (ang. partial oxidation, POX; catalitical partial oxidation, CPOX), łączący oba wymienione reforming autotermiczny (ang. autothermal reforming, ATR), katalityczna dehydrogenacja, piroliza, elektroliza. W różnym stadium rozwoju są: procesy fotokatalityczne, reforming plazmowy, reaktory membranowe, procesy biologiczne.

Ogólną charakterystykę technologii wytwarzania wodoru z paliw kopalnych i biomasy zawarto w tab. 1.1 (szczegółowiej jest to opisane w rozdz. 4). Dane tam zawarte potwierdzają fakt największej efektywności termodynamicznej i ekonomicznej technologii reformingu parowego w tej grupie paliw. Doskonalenie tej klasy metod wytwarzania wodoru obok zwiększenia efektywności ekonomicznej powinno obejmować redukcję emisji ditlenku węgla z procesów wytwarzania. Publikowane oceny wskazują na istotne zróżnicowanie kosztów wytwarzania wodoru w zależności od regionów geograficznych i krajów oraz zastosowania lub niezastosowania w procesach wytwarzania CCUS (ang. carbon cupture utilisation and storage). Zróżnicowanie geograficzne wynika z faktu, że głównym składnikiem kosztu jest cena dostępnego paliwa – substratu. Koszty inwestycyjne mieszczą się w granicach 500–900 USD/kWH2 dla układów bez CCUS i 900–1600 USD/kWH2 dla CCUS [1.1, 1.8].

Tabela 1.1. Charakterystyka technologii wytwarzania wodoru

Proces

Paliwo

Sprawność całkowita, %

Koszt H₂ USD/GJ

Koszty inwestycyjne USD/GJ H₂

Uwagi

Reforming parowy

• gaz ziemny

• ropa naftowa

65–75¹⁾

5–8

9–15

• dobrze poznany

• rozbudowana infrastruktura

Częściowe utlenienie

• gaz ziemny

• ropa naftowa

50¹⁾

7–10

9–22

• dobrze poznany

• brak infrastruktury

Zgazowanie

• węgiel

• biomasa 

42,5–46,5²⁾

10–12

9–13

33–34

20–42

• tanie paliwa

• słaba infrastruktura

• jednoczesna separacja CO₂

• skoncentrowany strumień CO₂ idealny dla procesu sekwestracji

Piroliza

• węgiel

• biomasa 

47,9²⁾

9–13

15–19

• tanie paliwa

• brak infrastruktury

• jednoczesna separacja CO₂

• skoncentrowany strumień CO₂ idealny dla procesu sekwestracji

¹⁾ wartość opałowa, ²⁾ ciepło spalania

Dalszy rozwój energetyki wodorowej jest ściśle związany z wykorzystaniem do produkcji wodoru energii źródeł odnawialnych. Obecnie dominującą technologią jest elektroliza wody. W tab. 1.2 przedstawiono charakterystykę trzech rodzajów elektrolizerów: alkalicznych, PEM, ceramicznych (SOEC) [1.1, 1.15]. Dwa pierwsze są komercyjnie dostępne i konkurują na rynku. Trzeci jest w stadium komercjalizacji. W eksploatacji są obecnie mniej więcej równie upowszechnione elektrolizery alkaliczne i typu PEM. Prowadzone są liczne studia możliwości budowy instalacji o mocach 5 i 100 MW wykorzystujących stosy elektrolizerów alkalicznych i PEM, np. [1.15, 1.18].

Tabela 1.2. Stan rozwoju elektrolizerów i oczekiwane ich charakterystyki w późniejszych latach

Stan rozwoju

Parametr

Elektrolizery alkaliczne

Elektrolizery polimerowe (PEM)

Elektrolizery tlenkowe (SOEC)

2018

2030

> 2030

2018

2030

> 2030

2018

2030

> 2030

Sprawność elektryczna [%, Wd]

63–70

65–71

70–80

56–60

63–68

67–74

74–81

77–84

77–90

CAPEX

[USD/kWel]

500–1400

400–

–850

200–

–700

1100–

–1800

650–

–1500

200–

–900

2800–

–5600

800–

–2800

500–

–1000

Ciśnienie pracy [bar]

1–30

30–80

1

Temperatura pracy [°C]

60–80

50–80

650–1000

Czas pracy [h]

60 000–

–90 000

90 000–

–100 000

100 000–

–150 000

30 000–

–90 000

60 000–

–90 000

100 000–

–150 000

10 000–

–30 000

40 000–

–60 000

75 000–

–100 000

Zakres obciążenia (% w stosunku do nominalnego)

10–110

0–160

20–100

Wskaźnik powierzchniowy [m²/kWel]

0,095

0,048

brak danych

Konkurencyjność generacji wodoru z odnawialnej energii napędowej w porównaniu z reformingiem parowym gazu ziemnego zależy od ceny elektryczności, gazu i uprawnień do emisji ditlenku węgla. Obecnie koszt produkcji jest wysoki, co wymaga wysiłków w doskonaleniu wszystkich modułów jego wytwarzania i konsekwencji w polityce klimatycznej. Według analiz zawartych w [1.1] konkurencyjność mogłaby obecnie zostać osiągnięta przy cenie elektryczności mniejszej niż 40 USD/kWhel i przy cenie uprawnień do emisji ok. 50 USD za tonę CO₂.

Wodór ma potencjał do zastosowań w średnio- i długoterminowej perspektywie w energetyce i wielu gałęziach przemysłu. Poniżej zwracamy uwagę na możliwości upowszechnienia wodoru w transporcie, ogrzewnictwie i energetyce. Transport, energetyka, gospodarka komunalna mają potencjał wykorzystania wodoru, jeżeli jego koszty produkcji i utylizacji będą mniejsze niż innych opcji. Skomplikowana materia rozwoju i rozpowszechnienia technologii wodoru sprawia, że dobrze rozumiana polityka wsparcia może mieć podstawowe znaczenie.

Dla upowszechnienia technologii energetycznego wykorzystania wodoru duże znaczenie ma rozwój ogniw paliwowych. Wszystkie prognozy wskazują, że główny rozwój nastąpi w obszarze ogniw polimerowych dla transportu i energetyki oraz ogniw tlenkowych dla energetyki. Rozwój tych technologii jest ściśle uwarunkowany w postępie technologicznym w procesach wytwarzania wodoru, szczególnie zaś z wykorzystaniem OZE. Konkurencyjność ogniw paliwowych w transporcie zależy od kosztów ogniw oraz od budowy i eksploatacji stacji ładowania wodoru. Dla samochodów podstawowe znaczenie ma obniżenie kosztów ogniw i zbiornika wodoru w samochodzie. To powinno uczynić je konkurencyjnymi w stosunku do baterii i zapewnić zasięg 400–500 (1000) km. Dla ciężarówek kluczowe jest obniżenie ceny dostarczania wodoru. W tab. 1.3 przedstawiono dane dotyczące stanu rozwoju technologii paliwowych ogniw polimerowych i dodatkowej infrastruktury w zastosowaniach transportowych [1.16, 1.17]. Potencjał wodorowy dla wszystkich rodzajów transportu jest opisany w tab. 1.4 [1.1, 1.2].

Największe możliwości w krótkiej i średniej perspektywie czasowej zwiększenia zużycia wodoru w ciepłownictwie daje domieszanie wodoru do istniejącej infrastruktury gazowej. W 2030 r. przewiduje się zużycie 4 mln ton wodoru domieszkowego. Potencjał jest szczególne istotny dla budynków wielorodzinnych i gmachów publicznych. W dłuższej perspektywie w ciepłownictwie należy oczekiwać zastosowania ogniw paliwowych i kotłów wodorowych (tab. 1.5) [1.1].

W energetyce istnieje wiele możliwości wykorzystania wodoru i paliw generowanych z wodoru. W najbliższej przyszłości możliwe jest współspalanie amoniaku w blokach węglowych. Wodór i amoniak mogą być elastyczną opcją paliwową dla ogniw paliwowych i turbin gazowych. Dla małych obciążeń koszt wodoru ok. 2,5 USD/kg ma duży potencjał konkurencyjny. Główne opcje konkurencyjne to gaz ziemny z CCUS i biogaz. W dłuższej perspektywie wodór może odgrywać dużą rolę w energetyce wielkoskalowej i jako nośnik energii w układach magazynowania energii (tab. 1.6) [1.1].

Tabela 1.3. Stan rozwoju technologii ogniw polimerowych i dodatkowej infrastruktury do zastosowań w transporcie [1.16, 1.17]

Technologia

Moc lub wydajność

Sprawność

Początkowe nakłady inwestycyjne

Żywotność (trwałość)

Stan rozwoju technologii

Polimerowe ogniwa transportowe

80–100 kW

do 60% (HHV)

ok. 500 USD/kW

do 5000 h

wstępne stadium rynkowe

Sprężarki 18 MPa

–

88–95%

70 USD/kWH₂

20 lat

dojrzały do wdrożenia

Sprężarki 70 MPa

–

80–91%

200–400 USD/kWH₂

20 lat

wstępne stadium rynkowe

Instalacje skraplania

15–80 MW

ok. 70%

800–2000 USD/kW

30 lat

dojrzały do wdrożenia

Zbiorniki wodoru w samochodzie, 70 MPa

5–6 kg H₂

ok. 100% (bez uwzględnienia sprężenia)

17–33 USD/kWh

(dla 10–500 000 produkowanych instalacji w ciągu roku)

15 lat

wstępne stadium rynkowe

Zbiorniki ciśnieniowe

0,1–10 MWh

ok. 100% (bez uwzględnienia sprężenia)

6000–10 000 USD/MWh

20 lat

dojrzały do wdrożenia

Składowanie w stanie ciekłym

0,1–100 GWh

straty odparowania 0,3% na dobę

800–10 000

USD/MWh

20 lat

dojrzały do wdrożenia

Rurociągi

–

95% (łącznie ze sprężaniem)

obszary wiejskie: 300 000–1,2 mln USD/km;

obszary miejskie: 700 000–1,5 mln USD/km (w zależności od średnicy)

40 lat

dojrzały do wdrożenia

Tabela 1.4. Potencjał transportowy [1.1, 1.2]

Stan obecny

Przewidywane zapotrzebowanie

Przyszłościowe rozpowszechnienie

Uwagi

Pojazdy lekkie

ok. 12 000 samochodów w eksploatacji (głównie w USA, Japonii i Europie)

flota samochodowa będzie wzrastać, część tego wzrostu będzie dotyczyć napędu wodorowego

potencjał

wyzwania

Transport morski

pewna liczba instalacji demonstracyjnych dla małych jednostek

przewidywany wzrost transportu morskiego o 45% w 2030 r. oraz cele klimatyczne powinny sprzyjać zastosowaniu paliw na bazie wodoru

wodór i amoniak są paliwami, które mogą warunkować dekarbonizację transportu morskiego, przynajmniej ograniczyć użycie paliw klasycznych

wodór: koszt magazynowania wodoru jest większy niż klasycznych paliw płynnych,

wodór/amoniak: strata ładunku podczas magazynowania jest większa niż dla paliw ciekłych

Transport kolejowy

kilka demonstracyjnych pociągów wodorowych (np. w Niemczech)

kolej to filar infrastruktury transportu osobowego i towarowego

pociągi wodorowe mogą być istotnie konkurencyjne na liniach lokalnych oraz w transporcie międzynarodowym

kolej jest w dużej mierze zelektryfikowana, pociągi wodorowe i na baterie są opcjonalnym rozwiązaniem dla obszarów z częściową elektryfikacją sieci kolejowych i dla braku elektryfikacji

Lotnictwo

ograniczona liczba instalacji demonstracyjnych, prace studialne

dynamiczny wzrost lotniczego transportu osób i towarów

power to liquid: ograniczone zmiany w infrastrukturze dystrybucji i urządzeniach, maksymalizacja wykorzystania biomasy, wodór łącznie z bateriami – energetyczne zasilanie na pokładzie, w czasie kołowania i w portach lotniczych

power to liquid: 4–6 razy większe koszty wytwarzania paliwa w porównaniu do benzyn lotniczych

Tabela 1.5. Wodór w ogrzewaniu budynków [1.1]

Strategia

Zalety

Warunki

Przykłady

Mieszanie paliw (domieszka wodoru)

niskonakładowe rozwiązanie komplementarne z istniejącą infrastrukturą gazową i urządzeniami

5–20% domieszki

projekt GRHYD (Francja 2017),

projekt HyDeploy (Wielka Brytania 2019)

Produkcja metanu z czystego wodoru

pełna dekarbonizacja procesu wytwarzania przy odnawialnych źródłach napędowych w produkcji wodoru i separacji ditlenku węgla z procesów konwersji biomasy lub z separacji z otoczenia,

bezproblemowe wykorzystanie sieci gazowych

inwestycje w instalacje produkcji metanu, prace badawczo-rozwojowe dla zwiększenia efektywności metanizacji,

źródło pierwiastka węgla takie jak ditlenek węgla

europejski projekt STORE&GO (2016) katalitycznej i biologicznej metanizacji (instalacje demonstracyjne: 250 kW i 1 MW)

100-procentowy wodór

pełna dekarbonizacja przy odnawialnych źródłach napędowych w produkcji wodoru,

mniejsze straty niż w procesie wytwarzania syntetycznego metanu

inwestycje w modernizację sieci i dodatkową infrastrukturę

H21 Leeds City Gate (Wielka Brytania, po 2025)

H21 Network Innovation Competition (NIC) (Wielka Brytania 2018)

Ogniwa paliwowe i kogeneracja

wzrost elastyczności rozproszonych poligeneracyjnych systemów energetycznych,

potencjał w zakresie zarządzania popytem

inwestycje w układ kogeneracyjny z ogniwami paliwowymi,

prace badawczo-rozwojowe na rzecz zwiększenia efektywności

ENE – FARM (Japonia od 2009, gaz ziemny), Energy Efficiency Incentive Programme (Niemcy 2016, ogniwa paliwowe w mieszkalnictwie)

Tabela 1.6. Wodór w energetyce

Rola wodoru w energetyce

Stan obecny

Perspektywa wzrostu zapotrzebowania

Przyszłe upowszechnienie

Uwagi

Współspalanie amoniaku w elektrowniach węglowych

brak wdrożeń, ogólna demonstracja w jednej z elektrowni w Japonii

20% udziału we współspalaniu w globalnej flocie elektrowni węglowych mogłoby być do osiągnięcia w 2030–2040 r.; doprowadziłoby to do zapotrzebowania na amoniak do 670 Mt lub odpowiadającego mu zapotrzebowania na wodór wynoszącego 120 MtH₂

szanse na zmniejszenie zużycia węgla w istniejących elektrowniach węglowych w najbliższym czasie

problem ograniczenia kosztów emisji CO₂: mogą być one niskie, ale wymaga to dostawy taniego amoniaku; należy zwrócić także uwagę na emisje NOx; konieczne może być dalsze ograniczenie emisji NOx, ale jest to tylko zabieg przejściowy – nadal bowiem jest znaczna pozostała emisja CO₂

Elastyczne wytwarzanie energii

niewiele jest komercyjnych turbin gazowych wykorzystujących gazy bogate w wodór, zainstalowano ok. 380 000 jednostek ogniw paliwowych (ponad 1600 MW)

przy założeniu, że 1% światowej mocy wytwarzanej z gazu (25 GW) będzie zastąpione wodorem do 2030 r., do wytworzenia 90 TWh energii elektrycznej odpowiadającej tej mocy zużyje się 4,5 MtH₂

wspieranie integracji OZE z systemem elektroenergetycznym, niektóre instalacje turbin gazowych mogą już pracować na gazie o dużym udziale wodoru

dostępność taniego i niskoemisyjnego wodoru i amoniaku, konkurencja z innymi elastycznymi opcjami generacji, a także innymi opcjami elastyczności (np. odpowiedź na żądanie, szybkie zmiany obciążenia)

Zasilanie rezerwowe i sieciowe

projekty demonstracyjne w zakresie elektryfikacji obszarów wiejskich, ogniwo paliwowe w połączeniu z magazynowaniem

wraz z rosnącym rozwojem telekomunikacji rośnie również zapotrzebowanie na niezawodny zasilacz

systemy ogniw paliwowych w połączeniu z magazynowaniem jako opłacalna i mniej zanieczyszczająca alternatywa dla generatorów diesla, bardziej wytrzymałe niż systemy akumulatorowe

często wyższe potrzeby w zakresie inwestycji początkowych w porównaniu z generatorami silnikowymi

Długoterminowe magazyny energii w dużej skali

kilka miejsc do przechowywania wodoru w kawernach solnych w Stanach Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii

w perspektywie długoterminowej, przy bardzo wysokich udziałach OZE, zapotrzebowanie na wielkoskalowe magazynowanie będzie wzrastać; w połączeniu z handlem na duże odległości można skorzystać z sezonowych różnic w globalnej podaży OZE

ze względu na wysoką wartość energetyczną wodoru stosunkowo niskie koszty CAPEX za samo magazynowanie niewiele alternatywnych technologii przechowywania długoterminowego i na dużą skalę, straty konwersji można zmniejszyć, jeżeli zmagazynowany wodór lub amoniak można bezpośrednio wykorzystać w zastosowaniach końcowych

wysokie straty konwersji, dostępność geologiczna kawern solnych przechowywania wodoru, niewielkie doświadczenie z wyczerpanymi złożami ropy i gazu lub i warstwami wodonośnymi do magazynowania wodoru (np. problemy z zanieczyszczeniami środowiska)

1.3. Zakres opracowania

Na rys. 1.1 zilustrowano podstawowe ścieżki technologiczne konwersji energii różnych pierwotnych źródeł energii w elektryczność i ciepło. Ten stan rzeczy jest charakterystyczny dla systemów energetycznych różnych krajów, aczkolwiek wykorzystanie wyodrębnionych technologii w poszczególnych systemach może się istotnie różnić. W niektórych krajach dominować będzie energetyka jądrowa (np. Francja), w innych technologie węglowe (np. Polska), a jeszcze w innych systemach istotny udział w produkcji elektryczności będzie miała konwersja energii źródeł odnawialnych. Najdłuższy ciąg technologiczny jest charakterystyczny dla paliw kopalnych i energetyki jądrowej, najkrótszy dla wody, Słońca i wiatru. Im większa liczba szeregowo połączonych modułów konwersji, tym większe straty i tym samym mniejsza sprawność i większe obciążenie środowiska. Na rys. 1.1 pokazano w sposób schematyczny przepływ substancji szkodliwych do środowiska.

Rys. 1.1. Technologie konwersji energii paliw w elektryczność i ciepło: EM – energia mechaniczna, EL – elektryczność, OP – ogniwo paliwowe, PH₂ – produkcja wodoru, PV – ogniwa fotowoltaiczne, KS – kolektory słoneczne

Wprowadzenie do systemu energetycznego wodoru może być zrealizowane według schematu pokazanego na rys. 1.2. Może on być podstawą do znalezienia optymalnej ścieżki rozwoju technologii wodorowych (z uwzględnieniem zasobów naturalnych i odnawialnych) i ich wykorzystania w całej gospodarce oraz energetyce dla przyjętych kryteriów ekonomicznych i ograniczeń ekologicznych. Obejmuje procesy wytwarzania wodoru z wykorzystaniem różnych energii napędowych (pominięto ciepło z wysokotemperaturowych reaktorów jądrowych; procesy termolizy są w początkowym stadium rozwoju). Omówiono je w rozdz. 4 i 5. Na rys. 1.2 wyodrębniono trzy podstawowe sieci (elektryczną, gazową i wodorową). Można założyć, że w przyszłościowych systemach energetycznych obok funkcji autonomicznych tych sieci nastąpi pewna integracja sieci gazowej i wodorowej. Wybrane zagadnienia transportu i magazynowania wodoru przedstawiono w rozdz. 6. Technologie energetycznego wykorzystania wodoru (WISTE) to bardzo zróżnicowany obszar tematyczny (zob. tab. 1.5 i 1.6). Obejmuje on teorię i praktykę eksploatacyjną układów energetycznych ogniw paliwowych, wodorowych turbin gazowych, innych silników (Stirlinga, spalinowych), co przedstawiono w rozdz. 7. Należy wyraźnie podkreślić, że często nie można rozdzielić układu wytwarzania wodoru z jego energetyczną aplikacją.

Rys. 1.2. Ogólna struktura energetyki wodorowej: Z – zasobnik wodoru, WISTE – wodorowe instalacje energetyczne, – strumień ciepła użytecznego, Nu – moc elektryczna użyteczna

Odnawialne źródła napędowe o probabilistycznym charakterze wymagają specjalnego podejścia do doboru poszczególnych modułów instalacji generacji wodoru i jego wykorzystania. Integracja poszczególnych modułów wymaga przyjęcia odpowiedniej strategii eksploatacyjnej maksymalizującej efektywność całej instalacji. Wybrane zagadnienia z tego zakresu zostały zawarte w rozdz. 7. W rozdz. 8 wskazano na zastosowanie wodoru w transporcie. Opracowanie uzupełniają trzy pierwsze rozdziały obejmujące wprowadzenie w tematykę, podstawy termodynamiczne, podstawowe właściwości wodoru.

Bibliografia do rozdziału pierwszego

1.1. The Future of Hydrogen, IEA, czerwiec 2019.

1.2. Hydrogen scaling up. A sustainable pathway for the global energy transition, Hydrogen Council, listopad 2017. 

1.3. Hydrogen Roadmap Europe, Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking, styczeń 2019.

1.4. Ad van Wijk, Jorgo Chatzimarkakis, Green Hydrogen for a European Green Deal A 2 x 40 GW Initiative, Hydrogen Europe 2020.

1.5. Communication from the Commission to the European Parliament, the Council, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions, A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe. Brussels, 8.7.2020 COM(2020) 301 final.

1.6. Mijndert van der Spek et al., Perspective on the hydrogen economy as a pathway to reach net-zero CO2 emissions in Europe, Energy Environ. Sci., 2022, 15, 1034–1077.

1.7. Net Zero Roadmap A Global Pathway to Keep the 1.5°C Goal in Reach, I EA 2023 update.

1.8. Global Hydrogen Review, IEA 2024.

1.9. Chmielniak T.M., Badania symulacyjne technologii wytwarzania wodoru w aspekcie emisji CO₂ w cyklu – wydobycie, transport i przetwórstwo węgla, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2014, ISBN 978-83-7880-143-6.

1.10. Hydrogen and Syngas Production and Purification Technologies, red. Ke Liu, Chunshan Song, Velu Subramani, John Wiley & Sons, New York 2010.

1.11. Hydrogen production and storage, R&D Priorities and Gaps; International Energy Agency, IEA Hydrogen Implementing Agreement 2006.

1.12. McHugh K., Hydrogen Production Methods, MPR Associates 2005.

1.13. Holladay J.D., Hu J., King D.L., Wang Y., An overview of hydrogen production technologies, Catalysis Today 2009, 139, s. 244–260.

1.14. Acar C., Dincer I., Comparative assessment of hydrogen production methods from renewable and non-renewable sources, International Journal of Hydrogen Energy 2014, 39, s. 1–12.

1.15. Flexible combined production of power, heat and transport fuels from renewable energy sources, VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, H2020-LCE-2017-RES-RIA, 2018/08/31.

1.16. Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells, IEA 2015.

1.17. DOE Hydrogen and Fuel Cell Technologies Program Record 2015, 2016.

1.18. Studie über die Planung einer Demonstrationsanlage zur Wasserstoff–Kraftstoffgewinnung durch Elektrolyse mit Zwischenspeicherung in Salzkavernenunter Druck, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, Stuttgart 2015.