O co chodzi z tym wodorem? Krótki przegląd najważniejszych zagadnień

Udostępnij:

Na odbywających się właśnie Targach TRAFO zaprezentowano polską lokomotywę napędzaną wodorem, wyprodukowaną przez PESA. Będzie służyć do manewrów na terenie Orlenu.

Ponieważ sektory produkcji, transportu i usług użyteczności publicznej starają się zmniejszyć emisje dwutlenku węgla, wodór może być najbardziej obiecującym źródłem energii. Jednak, aby jego przyjęcie mogło się upowszechnić, cena wodoru musi znacznie spaść, aby konkurować z paliwami kopalnymi. Zdolności produkcyjne i sieci dystrybucji wodoru również będą musiały zostać zwiększone w celu obsługi większych wolumenów.

Aby sprostać tym wyzwaniom, inwestorzy planują przeznaczyć około 500 miliardów dolarów na projekty wodorowe na całym świecie do 2030 roku. Inicjatywy te mają na celu radykalne obniżenie ceny wodoru – zwłaszcza ekologicznego wodoru.

Wodór jest pierwiastkiem najobficiej występującym na ziemi i od dawna jest wykorzystywany jako energia. W latach pięćdziesiątych NASA wykorzystywała ciekły wodór jako paliwo rakietowe, a dziś gaz przemysłowy jest powszechnie używany w rafinacji ropy naftowej i produkcji nawozów.

Ostatnio zwrócono uwagę na wodór ze względu na jego potencjał w zakresie dekarbonizacji produkcji, transportu i energii. Cząsteczka emituje parę wodną tylko wtedy, gdy jest używana jako paliwo w wodorowych ogniwach paliwowych i nie emituje CO2 podczas spalania.

Istnieją 3 rodzaje wodoru: wodór szary, wodór niebieski i wodór zielony. Proces produkcji i emisje różnią się w zależności od rodzaju.

Większość produkowanego obecnie wodoru jest szara i pochodzi z metanu (SMR), co powoduje emisje CO2.

Ponieważ firmy dążą do osiągnięcia celów neutralności węglowej, dążą do wykorzystania większej ilości niebieskiego i zielonego wodoru. Oznacza to, że więcej wodoru będzie trzeba wyprodukować w wyniku elektrolizy — rozszczepienia wody (H2O) na tlen i wodór.

Elektrolizery — jednostki indukujące elektrolizę — są kluczem do zwiększenia dostaw zielonego wodoru. Większość budowanych zakładów wykorzystuje elektrolizery z membraną do wymiany protonów (PEM), które mogą łatwiej wytwarzać wodór przy przerywanym przepływie energii odnawialnej niż starsze typy elektrolizerów.

 

ŁAŃCUCH WARTOŚCI WODORU

 

Infrastruktura wodorowa jest budowana w trzech głównych segmentach: produkcji, magazynowania i dystrybucji oraz utylizacji. Każda część łańcucha wartości wodoru znajduje się na stosunkowo wczesnym etapie rozwoju.

Utylizacja koncentruje się głównie na pojazdach napędzanych wodorem i produkcji. Pojazdy napędzane wodorem, samoloty i inne środki transportu przyciągnęły uwagę i finansowanie w zeszłym roku. Na przykład Hyzon Motors, producent ciężarówek z ogniwami paliwowymi, wszedł na giełdę za pośrednictwem SPAC w tym roku, pozyskując ponad 600 mln USD wpływów. H2 Green Steel zebrała niedawno mega-rundę z serii A o wartości 105 milionów dolarów na budowę zielonej huty stali, która zastąpi gaz ziemny wodorem w celu dekarbonizacji wysoce zanieczyszczającego procesu produkcji stali.

Dla producentów wodór jest de facto źródłem energii, którego będą używać do dekarbonizacji swojej działalności. Chociaż energia słoneczna i wiatrowa mogą pomóc w dekarbonizacji sieci, obecne metody ich wykorzystania nie są w stanie generować energii w sposób stabilny i wystarczający na potrzeby działalności produkcyjnej. A wodór może napędzać wysokotemperaturowe operacje produkcyjne związane ze stalą, szkłem, chemikaliami i cementem. Modułowe urządzenia do elektrolizy na miejscu są szczególnie atrakcyjne dla zakładów produkcyjnych, ponieważ eliminują wysokie koszty dystrybucji wodoru.

 

Dla firm energetycznych i użyteczności publicznej wodór może być wykorzystywany do magazynowania energii, ponieważ jest to nośnik energii, który może wychwytywać i magazynować energię odnawialną ze słońca, wiatru i innych odnawialnych źródeł energii. Może to pomóc w zasilaniu domów, miast i fabryk nocą, na przykład, gdy słońce nie świeci. Inną korzyścią związaną z wodorem jest to, że może być używany do przechowywania energii przez miesiące, zamiast dni w porównaniu z konwencjonalnym magazynowaniem energii.

 

Pojazdy napędzane wodorem mają pewną przewagę nad pojazdami elektrycznymi. W szczególności pojazdy elektryczne z ogniwami paliwowymi (FCEV), które są zasilane wodorowymi ogniwami paliwowymi, mogą pokonywać większe odległości przy krótszym czasie tankowania. Oznacza to, że wodór jest idealny do pociągów, ciężarówek i innych ciężkich maszyn, które mogą nie mieć czasu lub możliwości częstego ładowania. Może to pomóc we wzmocnieniu operacji w odległych lokalizacjach, takich jak kopalnie, które mogą mieć ograniczony dostęp do stacji ładowania.

 

OBNIŻENIE KOSZTÓW WODORU PRZY JEDNOCZESNYM ZWIĘKSZENIU PODAŻY

Obecnie obniżenie kosztów wodoru i zwiększenie podaży wodoru są głównymi priorytetami w szerszym upowszechnianiu wodoru.

Obecnie koszty wodoru wahają się od 3 do 6 USD za kg i generalnie firmy dążą do osiągnięcia 1-2 USD za kg, aby wodór był bardziej opłacalną opcją w porównaniu z gazem ziemnym.

Aby osiągnąć te niższe koszty, firmy starają się rozwiązać ten problem poprzez:

  1. Budowa większej liczby elektrowni wodorowych w celu zwiększenia dostaw wodoru
  2. Zwiększenie wykorzystania instalacji wodorowych
  3. Zmniejszenie nakładów inwestycyjnych na elektrolizer
  4. Zmniejszenie kosztów energii odnawialnej (słonecznej i wiatrowej)

Na całym świecie firmy już budują zakłady, aby zwiększyć podaż. Według Rady Wodorowej w lipcu 2021 r. trwało 359 projektów wodorowych – w zakresie produkcji, zastosowań przemysłowych, transportu i infrastruktury – co stanowi wzrost o 131 projektów (57%) od lutego.

W miarę uruchamiania elektrowni wodorowych i zwiększania dostaw wodoru właściciele elektrowni będą musieli zwiększyć wykorzystanie elektrowni i zmniejszyć nakłady inwestycyjne, aby zwiększyć ich rentowność.

Aby określić najlepsze praktyki w zakresie napędzania wykorzystania instalacji, naukowcy starają się zidentyfikować optymalne kombinacje czynników zmiennych, w tym współczynnik konwersji elektrolizera, cenę i podaż energii odnawialnej oraz cenę rynkową wodoru. Może to również pomóc w zmniejszeniu nakładów inwestycyjnych. Firmy mogą łatwiej identyfikować i kupować odpowiednie jednostki do elektrolizy, ponieważ ceny elektrolizerów wciąż spadają.

Jeśli chodzi o energię odnawialną, budowa nowych farm słonecznych i wiatrowych jest już tańsza niż budowa elektrowni na paliwa kopalne. Wraz z rosnącymi mocami słonecznymi i wiatrowymi w najszybszym tempie od 20 lat, ceny energii odnawialnej mogą nadal spadać.

Innym nadchodzącym czynnikiem zmniejszania kosztów wodoru jest wyeliminowanie drogich metali szlachetnych z elektrolizerów, zwłaszcza elektrolizerów PEM. Firma Hymeth z siedzibą w Kopenhadze opracowała katalizator ze stopu metali nieszlachetnych wykonany z miedzi, niklu i żelaza, który według firmy działa dobrze w porównaniu ze standardowymi katalizatorami z metali szlachetnych.

 

NOŚNIKI WODORU

 

Biorąc pod uwagę obietnicę wodoru jako zielonego źródła energii, firmy badają nośniki wodoru. Nośniki wodoru magazynują energię gęściej niż czysty wodór, co może ułatwić dostarczanie większych ilości wodoru. Są to np. ciekłe organiczne nośniki wodoru (LOHC) i inne związki zawierające cząsteczki wodoru.  LOHC nadają się do produkcji, transportu i usług użyteczności publicznej, ponieważ wymagają jedynie niewielkich modułów do uwalniania wodoru z nośników chemicznych.

W szczególności amoniak, powszechny nawóz, wzbudził zainteresowanie korporacji takich jak Air Products. Amoniak jest już powszechnie produkowany i – w przeciwieństwie do wodoru – nie trzeba go przechowywać w zbiornikach ciśnieniowych. Aby skorzystać z tej nowej możliwości biznesowej, potentaci nawozowi, tacy jak CF Industries i Yara, już budują ekologiczne instalacje amoniakalne. Ponieważ amoniak jest tak obiecujący, firmy z branży produkcyjnej, transportowej i użyteczności publicznej również pracują nad rozwiązaniami, które pozwolą wykorzystać go jako paliwo.

Jednym z obszarów, w którym firmy widzą duży potencjał dla amoniaku jest żegluga. Ponieważ nie wymaga przechowywania pod ciśnieniem i jest gęsty energetycznie, jest bardziej odpowiedni do transportu długodystansowego niż samodzielny wodór. Na przykład Wärtsilä testuje obecnie silniki napędzane amoniakiem w Finlandii — firma ostatnio używała silników okrętowych na 70% paliwach z domieszką amoniaku. 

 

PRZEJŚCIE przez kolory WODOROWE

Celem jest zielony wodór. Jednak obecnie część zielonego wodoru niekoniecznie mniej zanieczyszcza niż szary wodór, ponieważ firmy wciąż pracują nad zwiększeniem ilości energii odnawialnej w sieciach wykorzystywanych do produkcji. W krajach takich jak Chiny i Indie napędzanie produkcji zielonego wodoru z sieci w rzeczywistości generuje więcej emisji niż produkcja SMR, ponieważ kraje te nadal w dużym stopniu opierają się na paliwach kopalnych.

Monitorowanie rozwoju lokalnych farm słonecznych i wiatrowych może pomóc firmom dowiedzieć się, kiedy produkcja zielonego wodoru będzie rzeczywiście mniej zanieczyszczać niż SMR. Jest to ważny czynnik do rozważenia przez firmy produkcyjne, transportowe i energetyczne, ponieważ większa bliskość i dostępność energii słonecznej i wiatrowej może oznaczać szybsze przejście na ekologiczny wodór.

 

INFRASTRUKTURA DYSTRYBUCJI WODORU

Firmy będą musiały przenosić wodór na skalę znacznie większą niż jest to obecnie wymagane. Korporacje testują różne sposoby bezpiecznego transportu wodoru.

Na przykład National Grid wydaje około 14 milionów dolarów na budowę obiektu do testowania wodoru w Anglii. Gigant energetyczny sprawdzi, czy typowe stalowe rurociągi mogą obsługiwać wodór i mieszanki wodoru z gazem ziemnym, ponieważ wodór może degradować rurociągi. Określi również, czy wodór może wytrzymać typowe ciśnienia przesyłowe, ponieważ może to również osłabić rurociągi.

Opracowywane są również podziemne projekty wodorowe na skalę sieciową. Firma Corre Energy zebrała niedawno około 24 mln USD na rozwój projektów magazynowania wodoru w skali sieci podziemnej w całej UE. Firmy produkcyjne powinny zwracać uwagę na te projekty, ponieważ produkcja wymaga dużych ilości wodoru do zasilania operacji, które mogłyby być składowane pod ziemią.

Po stronie konsumenta firmy rozbudowują stacje paliw wodorowych. Na przykład FirstElement Fuel zbudował i obsługuje największą sieć wodorową w Kalifornii. Równolegle ze wzrostem produkcji wodoru, firmy takie jak Hyzon Motors opracowują pojazdy elektryczne na ogniwa paliwowe (FCEV), szczególnie do zastosowań komercyjnych, takich jak ciężkie ciężarówki.

Prywatne finansowanie w technologii wodorowej osiągnęło już rekordowy poziom w 2021 r., przekraczając poprzedni rekord ustanowiony w 2019 r. Do tej pory w tym roku inwestorzy VC przelali 694 mln USD w ramach 54 transakcji.

Ten wzrost inwestycji sygnalizuje, że inwestorzy widzą ogromną szansę rynkową w technologii wodorowej. Warto zauważyć, że czołowi inwestorzy to VC, które koncentrują się na technologii i energii klimatycznej: Breakthrough Energy Ventures, AP Ventures , Shell Ventures , SOSV i The Engine. Spółki publiczne również inwestują w wodór.

Jeśli chodzi o działalność prywatną, oto kilka największych transakcji prywatnych i znaczących partnerstw w branży:

BayoTech, producent modułowych elektrowni wodorowych, zebrał w tym roku mega-rundę serii C o wartości 187 milionów dolarów. Modułowość przyszłych instalacji wodorowych jest ważnym czynnikiem dla producentów i zakładów użyteczności publicznej, którzy rozważają dodanie na miejscu instalacji wodorowych, ponieważ te modułowe instalacje wodorowe można skalować w górę lub w dół, aby sprostać lokalizacji, zapotrzebowaniu i innym parametrom.

Producent samolotów napędzanych wodorem ZeroAvia zebrał 58,7 mln USD w ramach finansowania serii A i otrzymał 16 mln USD dotacji rządowej w Wielkiej Brytanii w ciągu ostatniego roku. Jego inwestorami są Amazon i British Airways, ponieważ wielkie technologie, linie lotnicze i inne korporacje badają możliwości rynkowe poza samochodami.

W maju 2021 r. Ballard Power Systems nawiązał strategiczny sojusz z Linamar w celu opracowania układu napędowego opartego na ogniwach paliwowych — systemu ruchomych komponentów w samochodzie — w celu komercjalizacji pojazdów FCEV.

W serwisie dyrektorów Business Dialog jest też reportaż z uczestnictwa członka jednego z zespołów eksperckich Business Dialog z jazdy demonstracyjnej pasażerskim zespołem trakcyjnym o napędzie wodorowym iLint Coradia produkcji Alstom na torze Instytutu Kolejnictwa w Żmigrodzie.
Prezentację pojazdu i jego parametrów prowadzili Sławomir Nalewajka i Artur Fryczkowski, czyli szefowie połączonych koncernów Alstom/Bombardier w Polsce.

Pojazd jest jednym z grupy ponad 40 dotychczas wyprodukowanych iLintów, które jeżdżą już na torach Niemiec i Austrii. Producenci spodziewają się lada dzień homologacji w Niderlandach, zaś Włochy złożyły zamówienie również na pojazd wodorowy, ale o dużo większej pojemności. Reportaż znajduje się tutaj https://businessdialog.pl/artykuly/naped-wodorowy

 

Iwona D. Bartczak

Korzystałam z raportu CB Insight https://www.cbinsights.com/research/hydrogen-industrials-decarbonization-clean-energy

Więcej o lokomotywie z PESA https://www.nakolei.pl/hit-targow-trako-pesa-zaprezentowala-wodorowa-lokomotywe-ktora-powstala-na-bazie-sm42-zdjecia/