Ekologizacja krajowego systemu energetycznego za pomocą paneli słonecznych i turbin wiatrowych może być stosunkowo łatwa. Przekształcenie naszych systemów grzewczych nieco trudniejsze. Wodór może dostarczać energię elektryczną i ciepło i to właśnie sprawia, że jest to obecnie gorący temat. W tym artykule omawiamy różne rodzaje wodoru i perspektywy rozwoju każdego z nich.
Zapotrzebowanie: obiecująca alternatywa dla paliw kopalnych we wszystkich aspektach wykorzystania energii
Wykorzystywanie paliw kopalnych jest główną przyczyną globalnej emisji gazów cieplarnianych. Musimy to drastycznie ograniczyć, jeśli mamy osiągnąć cele klimatyczne Porozumienia Paryskiego. Czyli jeśli chcemy utrzymać globalne ocieplenie na poziomie znacznie poniżej 2°C oraz dążyć do ograniczenia wzrostu temperatury do 1,5°C.
Rozwiązania oparte na wodorze mają ogromny potencjał. Mogą pomóc w zmniejszeniu zapotrzebowania na paliwa kopalne we wszystkich głównych obszarach wykorzystania energii: ogrzewanie, transport, energia elektryczna i surowce. Wodór może być na przykład spalany w celu wytworzenia ciepła niezbędnego do produkcji cementu i stali lub do ogrzewania budynków. W transporcie, ciężarówki, samoloty i statki mogłyby być napędzane silnikami napędzanymi wodorem. Elektrownie mogą być zaprojektowane tak, aby zasilane były wodorem zamiast gazem. Wodór może być również wykorzystywany jako surowiec do produkcji, na przykład, nawozów.
Zarówno rządy, jak i przedsiębiorstwa wyznaczyły ambitne cele redukcji emisji dwutlenku węgla. Sprawiło to, że wodór i jego korzyści dla środowiska stały się bardzo gorącym tematem.
Wodór może wstrząsnąć łańcuchem energetycznym na wiele sposobów
źródło: ING Research
Wodór może zaspokoić zapotrzebowanie na niskoemisyjną energię elektryczną…
19% światowego zapotrzebowania na energię jest związane z wykorzystaniem energii elektrycznej – wynika z najnowszego raportu World Energy Outlook przygotowanego przez Międzynarodową Agencję Energii (IEA). Większość tej energii jest wykorzystywana w budynkach i fabrykach. W mniejszym stopniu w transporcie.
Do wytwarzania ekologicznej energii elektrycznej dostępne są już sprawdzone, dojrzałe i tanie technologie, takie jak turbiny wiatrowe i panele słoneczne. Dlatego stosunkowo łatwo jest zwiększyć udział odnawialnej energii elektrycznej w sektorze energetycznym. Zarówno pod względem technicznym, jak i ekonomicznym. Na przykład Komisja Europejska w swojej strategii Fit for 55 zwiększyła ostatnio swój cel w zakresie energii odnawialnej dla sektora energetycznego do 65% do roku 2030. Poprzedni cel wynosił 55%. Co więcej, elektrownie mogą być budowane tak, aby były zasilane wodorem zamiast gazem. Dzięki temu produkowałyby energię elektryczną przy niemal zerowej emisji dwutlenku węgla.
…i “przechowywać” moc do późniejszego wykorzystania
Problem z energią elektryczną polega na tym, że nie jest ona łatwa do przechowywania. Na przykład akumulatory mogą przechowywać stosunkowo niewielkie ilości energii elektrycznej przez krótki okres czasu. Z ekonomicznego punktu widzenia przechowywanie energii elektrycznej w akumulatorach jest opłacalne tylko przez kilka dni.
Wodór mógłby pomóc w przezwyciężeniu tego problemu. Wykorzystanie wodoru jako magazynu energii polegałoby na wytwarzaniu go w czasie, gdy występuje nadwyżka ekologicznej energii elektrycznej pochodzącej z turbin wiatrowych i paneli słonecznych. Na późniejszym etapie wodór mógłby zostać wykorzystany do ponownego wytworzenia energii elektrycznej, na przykład w elektrowni wodorowej.
Obecnie takie procesy nie są finansowo konkurencyjne w porównaniu z tradycyjnym wytwarzaniem energii z paliw kopalnych. Jednak z technicznego punktu widzenia wodór ma potencjał, aby pełnić funkcję rezerwową w przyszłych systemach energetycznych. Zwłaszcza w długich okresach, kiedy nie wieje wiatr i nie świeci słońce.
Wodór może również zaspokoić zapotrzebowanie na niskoemisyjne ciepło
Zapotrzebowanie na energię elektryczną jest stosunkowo łatwe przy obniżaniu emisyjności. Natomiast stanowi jedynie około jednej piątej całkowitego zapotrzebowania na energię. Prawdziwym wyzwaniem jest obniżenie emisyjności pozostałych 81% światowego zapotrzebowania na energię związanego z ogrzewaniem, transportem i surowcami. Procesy te wymagają molekuł, a nie elektronów. Wodór jest jedną z najbardziej obiecujących technologii, które są w stanie zapewnić te “zielone molekuły”.
Na przykład, nawozy (NH3) mogą być wytwarzane z cząsteczek wodoru (H2) i azotu (N2). Cząsteczki wodoru mogą być również spalane w piecach w celu uzyskania ciepła o wysokiej temperaturze w przemyśle stalowym, cementowym i szklarskim. Może on również dostarczać niskoemisyjne ciepło w budynkach. Wodór może być również wykorzystywany do napędzania ciężarówek, samolotów i statków.
Zasilanie: pięć odcieni wodoru
Podsumowując, przyszłe zapotrzebowanie na wodór może pochodzić z wielu różnych sektorów i być wykorzystywane do wielu różnych celów. Ale oczywiście wodór trzeba najpierw wyprodukować, ponieważ nie występuje on naturalnie w czystej postaci.
Pomimo tego, że wodór jest gazem bezbarwnym, obecnie używa się wielu kolorów, aby odróżnić różne sposoby produkcji wodoru. Od szarego i niebieskiego wodoru, który jest produkowany przy użyciu paliw kopalnych. Do zielonego, pomarańczowego i fioletowego wodoru, który jest produkowany w procesie elektrolizy.
Kolorowy bukiet technik produkcji wodoru
Techniki produkcji wodoru
źródło: ING Research
Teoretycznie wodór może być również wytwarzany z biogazu zamiast z gazu ziemnego. Jeśli powstające przy tym emisje dwutlenku węgla zostaną wychwycone i zmagazynowane, technika ta przyniosłaby emisje ujemne. Oznacza to, że emisje dwutlenku węgla są pobierane z powietrza przez rośliny i magazynowane w ziemi podczas produkcji wodoru. Technika ta nie jest jednak jeszcze stosowana w praktyce.
Biorąc pod uwagę znaczenie ujemnych emisji w tworzeniu ścieżek transformacji energetycznej niezbędnych do osiągnięcia celów klimatycznych Porozumienia Paryskiego, godne uwagi jest to, że tej opcji nie przypisano jeszcze koloru. Sugerujemy, aby nazwać ją ciemnozieloną, wskazując na znaczny potencjał technologii w zakresie redukcji emisji.
Fakty dotyczące bieżącej produkcji wodoru
- Obecna produkcja światowa: około 120 MMT, co powoduje roczną emisję 830 milionów ton CO2 (2,2% światowej emisji związanej z energią).
- Ponad 95% wodoru jest wytwarzane z gazu ziemnego bez wychwytywania i magazynowania emisji dwutlenku węgla (szary wodór).
- Wodór jest wykorzystywany głównie ze względu na swoje właściwości chemiczne, a nie do celów energetycznych. Około 70% produkcji wodoru jest związane z rafinacją ropy naftowej lub produkcją amoniaku i metanolu. Rafinerie ropy naftowej używają wodoru do usuwania siarki. Amoniak (NH3) i metanol (CH3OH) nie mogą być wyprodukowane bez wodoru (H2).
- 50% wodoru produkuje się celowo w specjalnie do tego celu zbudowanych zakładach, 40% pochodzi jako produkt uboczny z procesów produkcyjnych.
- Dominuje produkcja na miejscu i wykorzystanie wodoru w dużych zakładach przemysłowych. Tylko 8% światowej produkcji jest sprzedawane na zasadach komercyjnych bezpośrednio pomiędzy producentami i konsumentami.
- Handel pośredni prawie nie istnieje i dlatego nie istnieją żadne indeksy rynkowe ani punkty odniesienia. Ceny wodoru w obrocie handlowym wahają się od 3 do 12 EUR za kilogram wodoru.
- Wielkość rynku wodoru szacuje się na około 110 mld EUR w skali globalnej, w oparciu o produkcję i zużycie na miejscu oraz handel wodorem.
- Chociaż są to duże liczby, wielkość rynku wodoru jest nadal niewielka w stosunku do całego rynku energetycznego. Na przykład w Europie, zużycie wodoru wynosi około 1% całkowitego zużycia energii.
źródło: BNEF, CEER, DNV-GL, IEA
Scenariusze dotyczące wodoru wskazują na 2% do 8% roczny wzrost do 2050 r.
Globalne emisje dwutlenku węgla muszą osiągnąć “zero netto” do 2050 r., aby utrzymać globalne ocieplenie w dolnym zakresie celów paryskiego porozumienia klimatycznego (blisko 1,5°C ocieplenia). Zero netto odnosi się do sytuacji, w której roczne globalne emisje są równe naturalnemu pochłanianiu dwutlenku węgla przez klimat, na przykład przez oceany i lasy.
Istnieje wiele różnych scenariuszy, które pozwoliłyby stworzyć gospodarkę o zerowym bilansie netto do 2050 roku. W tym rozdziale omawiamy kilka scenariuszy wzorcowych dla różnych systemów energetycznych, które składają się na gospodarkę o zerowym bilansie netto.
Scenariusze dotyczące wodoru wskazują na 2% do 8% roczny wzrost do 2050 r.
Dotychczasowa i przyszła globalna produkcja wodoru w milionach ton metrycznych (MMT)
źródło: Badania ING na podstawie BNEF
- Od 1975 roku produkcja wodoru wzrasta o 3% rok do roku i obecnie wynosi około 120 milionów ton (MMT) na całym świecie. Przyszły wzrost będzie zależał od systemów energetycznych wykorzystywanych w tworzeniu gospodarki zerowej netto. Wodór z pewnością ma do odegrania dużą rolę w systemie energetycznym opartym głównie na źródłach odnawialnych. Dostarcza czystej energii w czasach, gdy podaż źródeł odnawialnych jest niska. W takim świecie produkcja wodoru może osiągnąć około 1300 MMT do 2050 r., co oznacza 8% wzrost rok do roku, według Bloomberg New Energy Finance, a większość tego wodoru będzie wodorem ekologicznym.
- Wodór ma również dużą rolę do odegrania w systemie energetycznym, który w znacznym stopniu opiera się na odnawialnych źródłach energii i energii jądrowej. Produkcja wodoru mogłaby osiągnąć około 750 MMT do 2050 roku w systemie energetycznym, w którym małe modułowe elektrownie jądrowe uzupełniają energię wiatrową, słoneczną i bateryjną w sektorze energetycznym. W tym scenariuszu energia elektryczna napędzająca elektrolizery wodoru pochodzi z wyspecjalizowanych elektrowni jądrowych. W takim świecie produkcja wodoru mogłaby osiągnąć około 750 MMT do 2050 r., co oznacza 6% wzrost rok do roku.
- Produkcja wodoru mogłaby osiągnąć około 195 MMT w świecie, w którym paliwa kopalne nadal odgrywają ważną rolę w systemie energetycznym. Wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla (CCS) jest ważną technologią, która może być stosowana do łagodzenia emisji dwutlenku węgla z paliw kopalnych. W takim świecie większość produkcji wodoru będzie odbywać się z wykorzystaniem niebieskiego wodoru. Mimo że produkcja wodoru wzrośnie prawie dwukrotnie w stosunku do obecnego poziomu, tempo wzrostu spadnie z 3 % do 2 % rocznie w scenariuszu opartym na paliwach kopalnych.
- Scenariusz IEA Net Zero przyjmuje bardziej holistyczne podejście i pozwala na współistnienie obok siebie różnych technologii energetycznych. Zgodnie z tym scenariuszem, zarówno źródła odnawialne, CCS, jak i energia jądrowa mają do odegrania rolę w gospodarce o zerowym bilansie netto. Podczas gdy poszczególne kraje mogą skupić się na jednej konkretnej technologii, na poziomie globalnym wszystko to składa się na bardziej zróżnicowany obraz. W takim świecie jest miejsce dla wszystkich różnych odcieni wodoru i produkcji wodoru, która może wzrosnąć do około 525 MMT do 2050 r., co oznacza przyszłą stopę wzrostu na poziomie 5 %.
Przyszły wzrost zależy od wsparcia politycznego, preferencji społecznych i postępu technologicznego
Te scenariusze dotyczące wodoru wskazują na szeroki zakres możliwych wyników produkcji wodoru w przyszłości. Na obecnym etapie przechodzenia na wodór niemożliwe jest dokładne przewidzenie przyszłego charakteru i poziomu produkcji wodoru. Po prostu nie jest jeszcze jasne, w jaki sposób wodór zmieni wykorzystanie energii w produkcji, lotnictwie, żegludze, transporcie ciężarowym i systemach energetycznych na całym świecie. W związku z tym wszystkie ścieżki należy traktować jako możliwe scenariusze, w tym dobrze znany scenariusz zerowy netto opracowany przez IEA.
Kluczowe, ale wysoce niepewne czynniki, które będą determinować przyszły wzrost w sektorze wodoru to:
- Polityka rządów i poparcie społeczne dla energii jądrowej oraz wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (wodór fioletowy i niebieski).
- Tempo postępu technologicznego, w jakim producenci mogą obniżyć koszty elektrolizerów (wodór zielony) i CCS (wodór niebieski).
- Ramy regulacyjne i wsparcie polityczne, które dają inwestorom pewność finansowania przemian wodorowych w kluczowych sektorach.
- Inwestycje w łańcuch wartości wodoru, w szczególności ze strony głównych koncernów naftowych i gazowych, przedsiębiorstw użyteczności publicznej i operatorów sieci.
- Warunki rynkowe na rynkach towarowych i energetycznych, w szczególności rozwój cen gazu, energii i emisji dwutlenku węgla. Na przykład niedawny wzrost cen energii podwoił koszty produkcji wodoru.
Materiał źródłowy: Hydrogen: Fuelling the future | Article | ING Think
Co powinieneś wiedzieć?