Wodór może być pozyskiwany nie tylko z paliw kopalnych, lecz także z biomasy oraz wody. Jednak obecnie dominującym źródłem produkcji wodoru jest gaz ziemny. Zgodnie z informacjami opublikowanymi przez Polskie Towarzystwo Studiów Nad Przyszłością, odpowiada on za blisko trzy czwarte rocznej światowej produkcji wodoru na potrzeby własne, wynoszącej ponad 70 mln t. Stanowi to już ok. 6 proc. światowego zużycia gazu ziemnego. Ze względu na kryzys energetyczny spotęgowany przez działania wojenne w Ukrainie i rosnące ceny gazu to paliwo kopalne staje się coraz mniej opłacalnym surowcem, zresztą nie tylko przy produkcji „brudnego” wodoru. 

Wodór zastąpi gaz ziemny i wesprze rozwój fotowoltaiki?

Jak podkreślają eksperci ILF Consulting Engineers Polska, odnawialne źródła energii pozyskiwane dzięki fotowoltaice czy turbinom wiatrowym mają coraz większy udział w transformacji energetycznej Polski. Jak szacują, w końcowym zużyciu energii brutto, już w 2030 r., ich wkład ma wynieść nie mniej niż 32 proc. w elektroenergetyce zgodnie z danymi zawartymi w Polityce Energetycznej Polski do 2040 r.

Zielony wodór może okazać się niezbędny do prawidłowego i stabilnego funkcjonowania sieci energetycznych, kiedy gospodarka będzie produkowała coraz więcej energii elektrycznej z OZE, której nie będzie w stanie magazynować. Wodór będzie wtedy pełnił funkcję magazynu energii, która wraca do systemu np. jako paliwo w transporcie. Wykorzystanie zielonego wodoru pozwoli skorygować wady OZE takich systemów jak fotowoltaika czy turbiny wiatrowe.

– Mankamentem, który obniża możliwości szybszego wprowadzenia do miksu energetycznego państw odnawialnych źródeł energii, jest m.in. ich niestabilność. To od warunków atmosferycznych panujących w danym dniu zależy, ile energii wytworzą wiatraki czy panele fotowoltaiczne. Niestety, wciąż nie mamy technologii, która potrafi efektywnie magazynować wyprodukowane nadwyżki – mówi Beata Nepelska-Kula, dyrektor działu Projekty, ILF Consulting Engineers Polska. – Jednym z rozwiązań jest „zamiana” wyprodukowanej w danej chwili nadwyżki z OZE w zmagazynowaną energię w postaci wodoru. Przy realizacji takiego przedsięwzięcia pracował już ILF Polska, a dokładnie przygotował techniczne studium wykonalności dla instalacji elektrolizy – dodaje. 

Rola elektrolizy w produkcji wodoru

Jak podaje ekspertka ILF Polska, proces elektrolizy, przeprowadzony przy wykorzystaniu energii ze źródeł odnawialnych, sprawi, że produkcja wodoru będzie bezemisyjna i neutralna dla klimatu. Z tego powodu takie inwestycje są realizowane także w rafineriach, co dzięki wykorzystaniu zielonego wodoru do procesów rafineryjnych powoduje, że tradycyjne paliwa wytwarzane z ropy naftowej stają się bardziej ekologiczne. 

ILF Polska świadczy usługi przy inwestycji, której celem jest uruchomienie produkcji zielonego wodoru. Wytwarzany wodór zostanie wykorzystany przede wszystkim w procesie rafinacji i zastąpi obecnie wykorzystywany wodór produkowany w procesie reformingu parowego, co znacznie ograniczy emisję CO2, a w niedalekiej przyszłości stanie się paliwem zeroemisyjnym.

Jak widać, technologie pozwalające wytwarzać wodór z OZE nadal się rozwijają. Kolejnym przykładem jest pozyskiwanie zielonego wodoru z biomasy. Co ciekawe, można te technologie wykorzystać także w sektorze rolnym.

Ile wyprodukujesz niskoemisyjnego wodoru z biomasy?

Firma Global Hydrogen opracowała innowacyjny proces przekształcania gazu ziemnego/metanu w ekologiczny wodór bez wytwarzania CO2. Opatentowany proces wymaga znacznie mniej energii (<33 kWh/kg H2) niż elektroliza wody i inne technologie rozkładu metanu oparte na wysokotemperaturowej plazmie. Dodatkowym produktem powstającym w czasie tego procesu jest wysokiej jakości, wartościowy nanowęglowodór o jakości grafenu.

– Reaktor mPowerH2-300 będzie potrzebował ok. 5 t biomasy dziennie do wyprodukowania wystarczającej ilości czystego, zielonego gazu syntezowego potrzebnego do odseparowania ok. 300 kg zielonego wodoru dziennie. Dokładna ilość biomasy zależeć będzie od wartości kalorycznej biomasy. Punktem odniesienia jest tu wartość energetyczna typowych zrębków drzewnych – podkreśla dr Janusz Przeorek, ekspert firmy Global Hydrogen.

Ponieważ model reaktora wymagany w tym procesie ma niewielkie wymiary, produkcja wodoru może odbywać się w 20- lub 40-stopowych kontenerach na miejscu, obok np. rurociągów gazu ziemnego. Jest to ogromna zaleta, eliminująca inwestycje w kosztowną infrastrukturę do przesyłu wodoru. Przyspiesza to też dostawy rozproszonego wodoru na rynek.

Wodór mPower GT jest „ekologiczny”, ponieważ w procesie tym nie jest wytwarzany dwutlenek węgla, a cały węgiel zawarty początkowo w cząsteczce metanu (CH4) jest skutecznie sekwestrowany w postaci czystego nanowęglowodoru o wysokiej jakości grafenu. Jednak czy będzie go można zaimplementować w polskich warunkach?

Czy można tę technologię zastosować w rolnictwie?

Jak podkreśla dr Janusz Przeorek, każda biomasa jest potencjalnym paliwem do procesu wytwarzania niskoemisyjnego wodoru – od biomasy dostępnej komercyjnie do biomasy odpadowej. Warunkiem jest właściwe przygotowanie biomasy (rozdrobnienie, prasowanie, stabilizacja spoiwem itp.), żeby możliwe było wprowadzanie jej do podajnika instalacji, czyli liczą się tu odpowiednie właściwości fizyczne, takie jak rozmiar czy wilgotność maksymalna surowca.

Jeżeli gospodarstwo rolne generuje stałe źródło biomasy, może ona być przeznaczona do procesu generowania gazu syntezowego, czyli H2/CO. Gaz palny, CO, może służyć w razie potrzeby do dodatkowego dosuszania biomasy, a wyekstrahowany wodór do napędzania cięższego sprzętu, np. wózków widłowych, lub zostać przeznaczony na sprzedaż do przemysłu w miarę rozwoju gospodarki wodorowej – zauważa ekspert firmy Global Hydrogen.

Jak przetworzyć biomasę na zielony wodór?

Jeżeli właściciele dużych gospodarstw zdecydują się w przyszłości zainwestować w takie reaktory do produkcji wodoru, muszą zastanowić się nad efektywnością jego produkcji.

– Jeżeli mówimy o „mocy”, czyli produkcji energii w kogeneracji, musielibyśmy porównać to do wartości energetycznej takiego mobilnego reaktora. Taka sama ilość zielonego gazu syntezowego skierowanego na generator do tzw. wysokosprawnej kogeneracji produkowałaby ok. 200 kWh energii elektrycznej i 400-500 kWh ciepła – podkreśla dr Janusz Przeorek. – Ponieważ proces gazyfikacji jest procesem autonomicznym, czyli niewymagającym dostarczenia dodatkowej energii (oprócz samego „paliwa biomasowego”), a dodatkowo gazyfikacja jako taka jest najbardziej wydajnym procesem konwersji paliwa w energię, wydajność reaktora będzie bardzo wysoka i konkurencyjna do procesu uzyskiwania zielonego wodoru z elektrolizy wody, która wymaga odnawialnych źródeł energii z farm wiatrowych i fotowoltaicznych – zauważa ekspert Global Hydrogen.

Jak dodaje, wydajność procesu będzie zapewniona dodatkowo przez autonomiczny proces oczyszczania zielonego gazu syntezowego w unikalnym katalityczno-plazmowym reaktorze SynGen. 

– Ma on kompaktowy rozmiar i eliminuje tradycyjny ciąg oczyszczania gazu ze smół i wszelkich zanieczyszczeń organicznych. Przełomowość reaktora polega na tym, że zamiast „oczyszczania” gazów procesowych przekształca on wszelkie smoły i zanieczyszczenia organiczne w czysty, zielony gaz syntezowy H2/CO, co zapewnia wyjątkową stabilność procesu. Cena kompletnej instalacji mPowerH2-300 planowana jest na poziomie poniżej 9 mln zł – podsumowuje ekspert.

Czy opłaca się produkować niskoemisyjny wodór?

Na razie opłacalność niskoemisyjnego wodoru z biomasy stoi pod dużym znakiem zapytania. Jak podaje Instytut Energetyki Odnawialnej, sama produkcja biomasy jest mniej opłacalna niż w przypadku inwestycji w fotowoltaikę czy turbiny wiatrowe w Polsce. Przy cenie nośnika energii wynoszącej 25 zł/GJ, z 1 ha możemy osiągnąć roczny przychód w wysokości 4750 zł, przyjmując ceny biomasy energetycznej za I kwartał 2022 r. Nie są to więc oszałamiające kwoty, zważywszy że od przychodu musimy odliczyć jeszcze wszystkie dodatkowe koszty.

W przypadku produkcji wodoru z 1 reaktora jesteśmy w stanie wyprodukować dziennie ok. 300 kg zielonego wodoru z biomasy. W ciągu miesiąca więc wychodzi nam ok. 8400 kg, czyli 8,4 t wodoru z jednego reaktora. Koszt zakupu reaktora wynosi ok. 9 mln zł, więc jak wiadomo – opłacalność inwestycji w wytwarzanie zielonego wodoru będzie zależała od kosztów produkcji, a ta jest na razie 2-3 razy większa w przypadku produkowania wodoru z paliw kopalnych. Dodatkowo trzeba mieć ogromne ilości biomasy, bo aż ponad 140 t, aby w ciągu miesiąca wyprodukować 8,4 t czystego wodoru. A pozostaje jeszcze problem zbytu takiego zielonego wodoru po opłacalnych stawkach. Jednak jest to technologia przyszłości, która jest już w zasięgu większych gospodarstw, będących w stanie zmagazynować tak duże ilości biomasy. Kwestią czasu jest, kiedy zwiększy się zapotrzebowanie na bezemisyjny wodór wymuszony dekarbonizacją polskiego przemysłu i gospodarki. A gdy będzie większy popyt na czysty wodór, tym większy będzie sens inwestowania tak potężnych kwot w jego produkcję, także w gospodarstwach rolnych.