Co to jest zielony wodór i dlaczego go potrzebujemy

Nadszedł właściwy czas, aby wykorzystać potencjał wodoru do odgrywania kluczowej roli w rozwiązywaniu krytycznych wyzwań energetycznych. Ostatnie sukcesy technologii energii odnawialnej i pojazdów elektrycznych pokazały, że innowacje polityczne i technologiczne mają moc budowania globalnego przemysłu czystej energii.

Wodór staje się jedną z wiodących opcji magazynowania energii ze źródeł odnawialnych za pomocą paliw na bazie wodoru, które potencjalnie mogą transportować energię ze źródeł odnawialnych na duże odległości – z regionów o obfitych zasobach energetycznych do obszarów energochłonnych oddalonych o tysiące kilometrów.

Zielony wodór znalazł się w wielu zobowiązaniach do redukcji emisji na Konferencji Klimatycznej ONZ, COP26, jako sposób na dekarbonizację przemysłu ciężkiego, transportu długodystansowego, żeglugi i lotnictwa. Zarówno rządy, jak i przemysł uznały wodór za ważny filar gospodarki zerowej netto.

Green Hydrogen Catapult, inicjatywa ONZ mająca na celu obniżenie kosztów ekologicznego wodoru, ogłosiła, że ​​prawie podwaja swój cel dla zielonych elektrolizerów z 25 gigawatów ustalonych w zeszłym roku do 45 gigawatów do 2027 r. Komisja Europejska przyjęła zestaw przepisów propozycje dekarbonizacji rynku gazu UE poprzez ułatwienie wykorzystania odnawialnych i niskoemisyjnych gazów, w tym wodoru, oraz zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego wszystkim obywatelom w Europie. Zjednoczone Emiraty Arabskie również zwiększają swoje ambicje, wraz z nową strategią wodorową kraju, której celem jest utrzymanie do 2030 r. jednej czwartej światowego rynku niskoemisyjnego wodoru, a Japonia ogłosiła niedawno, że zainwestuje 3,4 miliarda dolarów ze swojego funduszu zielonych innowacji w celu przyspieszenia badań i rozwoju oraz promocja wykorzystania wodoru w ciągu najbliższych 10 lat.

Przy opisywaniu technologii wodorowych można spotkać określenia „szary”, „niebieski”, „zielony”. Wszystko sprowadza się do sposobu, w jaki jest produkowany. Podczas spalania wodór emituje tylko wodę, ale jego tworzenie może powodować duże ilości węgla. W zależności od metody produkcji wodór może być szary, niebieski lub zielony – a czasem nawet różowy, żółty lub turkusowy. Jednak zielony wodór jest jedynym rodzajem wytwarzanym w sposób neutralny dla klimatu, co sprawia, że ​​osiągnięcie zera netto do 2050 r. ma kluczowe znaczenie.

Poprosiliśmy dr Emanuele Taibi, szefa Strategii Transformacji Sektora Energetycznego w Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej (IRENA) o wyjaśnienie, czym jest zielony wodór i jak może utorować drogę do zerowej emisji netto. Obecnie pracuje w Centrum Innowacji i Technologii IRENA w Bonn w Niemczech, gdzie odpowiada za pomoc krajom członkowskim w opracowywaniu strategii transformacji sektora energetycznego, a obecnie kieruje pracami nad elastycznością systemu elektroenergetycznego, wodorem i magazynowaniem jako kluczowymi czynniki umożliwiające transformację energetyczną. Dr Taibi jest również współkuratorem platformy Strategic Intelligence Światowego Forum Ekonomicznego, gdzie jego zespół opracował mapę transformacji na wodorze.

Zielone technologie wodorowe

Co skłoniło Cię do rozwijania swojej wiedzy w zakresie technologii energetycznych i jak przyczynia się do tego Twoja praca w IRENA?

To było podczas mojej pracy magisterskiej. Odbyłam staż we włoskiej Narodowej Agencji Energii i Środowiska (ENEA), gdzie dowiedziałam się o zrównoważonym rozwoju i energii oraz o związku między nimi. Napisałem na ten temat swoją pracę magisterską z inżynierii zarządzania i zdecydowałem, że jest to obszar, na którym chcę skoncentrować swoje życie zawodowe. Szybko do przodu prawie 20 lat doświadczenia w energetyce i współpracy międzynarodowej, doktorat z technologii energetycznej i czas spędzony w sektorze prywatnym, badaniach i agencjach międzyrządowych, obecnie kieruję zespołem transformacji sektora energetycznego w IRENA od 2017 roku.

Moja praca w IRENA polega na przyczynianiu się, wraz z moim zespołem i ścisłą współpracą z kolegami z całej agencji i partnerami zewnętrznymi, takimi jak Światowe Forum Ekonomiczne, we wspieranie naszych 166 krajów członkowskich w transformacji energetycznej, z naciskiem na dostawy energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych i jej wykorzystać do dekarbonizacji sektora energetycznego za pomocą zielonych elektronów, a także zielonych cząsteczek, takich jak wodór i jego pochodne.

Czym jest zielony wodór? Czym różni się od tradycyjnego „szarego” wodoru o dużej emisji i niebieskiego wodoru?

Najprostszym i najmniejszym pierwiastkiem w układzie okresowym jest wodór. Bez względu na to, jak jest produkowany, kończy się na tej samej cząsteczce wolnej od węgla. Jednak ścieżki jego produkcji są bardzo zróżnicowane, podobnie jak emisje gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla (CO2) i metan (CH4).

Zielony wodór definiuje się jako wodór wytwarzany przez rozbicie wody na wodór i tlen przy użyciu odnawialnej energii elektrycznej. Jest to zupełnie inna ścieżka w porównaniu do szarej i niebieskiej.

Szary wodór jest tradycyjnie wytwarzany z metanu (CH4), rozbijanego za pomocą pary na CO2 – główny sprawca zmian klimatycznych – i H2, wodór. Szary wodór jest coraz częściej produkowany również z węgla, przy znacznie wyższych emisjach CO2 na jednostkę wyprodukowanego wodoru, tak często, że jest to często nazywane brązowym lub czarnym wodorem zamiast szarego. Obecnie jest produkowany na skalę przemysłową, a związane z nim emisje są porównywalne z łącznymi emisjami Wielkiej Brytanii i Indonezji. Nie ma wartości przejścia energii, wręcz przeciwnie.

Niebieski wodór podlega tym samym procesom co szary, z dodatkowymi technologiami niezbędnymi do wychwytywania CO2 wytwarzanego podczas oddzielania wodoru od metanu (lub z węgla) i przechowywania go przez długi czas. Nie jest to jeden kolor, ale bardzo szeroka gradacja, ponieważ nie można wyłapać 100 procent wytworzonego CO2 i nie wszystkie sposoby jego przechowywania są równie skuteczne w dłuższej perspektywie. Najważniejsze jest to, że wychwytując dużą część CO2, można znacznie zmniejszyć wpływ produkcji wodoru na klimat.

Istnieją technologie (np. piroliza metanu), które dają nadzieję na wysokie wskaźniki wychwytywania (90-95 procent) i efektywne długoterminowe przechowywanie CO2 w postaci stałej, potencjalnie o wiele lepszej niż niebieski, że zasługują na swój własny kolor w „ taksonomia wodoru tęcza”, wodór turkusowy. Piroliza metanu jest jednak wciąż na etapie pilotażowym, podczas gdy zielony wodór szybko się rozwija w oparciu o dwie kluczowe technologie – energię odnawialną (w szczególności z fotowoltaiki słonecznej i wiatru, ale nie tylko) oraz elektrolizę.

W przeciwieństwie do energii odnawialnej, która jest obecnie najtańszym źródłem energii elektrycznej w większości krajów i regionów, elektroliza do produkcji ekologicznego wodoru musi znacznie zwiększyć skalę i obniżyć koszty co najmniej trzykrotnie w ciągu następnej dekady lub dwóch. Jednak w przeciwieństwie do CCS i pirolizy metanowej, elektroliza jest obecnie dostępna na rynku i można ją nabyć od:wielu międzynarodowych dostawców już teraz.

Rozwiązania w zakresie zielonej energii wodorowej

Jakie są zalety rozwiązań transformacji energetycznej w kierunku „zielonej” gospodarki wodorowej? Jak możemy przejść na zieloną gospodarkę wodorową z miejsca, w którym obecnie jesteśmy z szarym wodorem?

Zielony wodór jest ważnym elementem transformacji energetycznej. Nie jest to kolejny natychmiastowy krok, ponieważ najpierw musimy dalej przyspieszyć wdrażanie odnawialnej energii elektrycznej w celu dekarbonizacji istniejących systemów energetycznych, przyspieszyć elektryfikację sektora energetycznego w celu wykorzystania taniej odnawialnej energii elektrycznej, zanim ostatecznie zdekarbonizujemy sektory, które są trudne do elektryfikacji – jak przemysł ciężki, żegluga i lotnictwo – poprzez zielony wodór.

Należy zauważyć, że dzisiaj produkujemy znaczne ilości szarego wodoru, z wysoką emisją CO2 (i metanu): priorytetem byłoby rozpoczęcie dekarbonizacji istniejącego zapotrzebowania na wodór, na przykład poprzez zastąpienie amoniaku z gazu ziemnego amoniakiem zielonym.

Ostatnie badania wywołały debatę na temat koncepcji niebieskiego wodoru jako paliwa przejściowego do czasu, gdy zielony wodór stanie się konkurencyjny cenowo. W jaki sposób zielony wodór stałby się konkurencyjny kosztowo w stosunku do niebieskiego wodoru? Jakie inwestycje strategiczne muszą wystąpić w procesie rozwoju technologii?

Pierwszym krokiem jest wysłanie sygnału, aby niebieski wodór zastąpił szary, ponieważ bez ceny za emisję CO2 firmy nie mają uzasadnienia biznesowego, aby inwestować w złożony i kosztowny system wychwytywania dwutlenku węgla (CCS) oraz geologiczne składowanie CO2. Kiedy ramy są takie, że niskoemisyjny wodór (niebieski, zielony, turkusowy) jest konkurencyjny w stosunku do szarego wodoru, pojawia się pytanie: czy powinniśmy inwestować w CCS, jeśli istnieje ryzyko posiadania aktywów osieroconych i jak szybko zieleń stanie się tańsza niż niebieski.

Odpowiedź będzie oczywiście różna w zależności od regionu. W świecie zerowym netto, do którego dąży coraz więcej krajów, pozostałe emisje z błękitnego wodoru musiałyby zostać zrekompensowane ujemnymi emisjami. Będzie to miało swoją cenę. Jednocześnie ceny gazu były ostatnio bardzo niestabilne, przez co cena niebieskiego wodoru była silnie skorelowana z ceną gazu i narażona nie tylko na niepewność cen CO2, ale także na zmienność cen gazu ziemnego.

Jednak w przypadku zielonego wodoru możemy być świadkami podobnej historii jak w przypadku fotowoltaiki słonecznej. Jest to kapitałochłonne, dlatego musimy obniżyć koszty inwestycji, a także koszty inwestycji, poprzez zwiększenie produkcji technologii odnawialnych i elektrolizerów, przy jednoczesnym stworzeniu niskiego ryzyka, aby obniżyć koszt kapitału na inwestycje w ekologiczny wodór. Doprowadzi to do stabilnego, malejącego kosztu zielonego wodoru, w przeciwieństwie do lotnego i potencjalnie rosnącego kosztu niebieskiego wodoru.

Technologie energii odnawialnej już dziś osiągnęły poziom dojrzałości, który umożliwia konkurencyjne wytwarzanie energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych na całym świecie, co jest warunkiem wstępnym konkurencyjnej ekologicznej produkcji wodoru. Elektrolizery są jednak nadal wdrażane na bardzo małą skalę, wymagając zwiększenia skali o trzy rzędy wielkości w ciągu najbliższych trzech dekad, aby trzykrotnie obniżyć koszty.

Obecnie rurociąg dla projektów dotyczących zielonego wodoru jest na dobrej drodze do zmniejszenia o połowę kosztów elektrolizera przed 2030 r. To, w połączeniu z dużymi projektami zlokalizowanymi tam, gdzie znajdują się najlepsze zasoby odnawialne, może doprowadzić do tego, że konkurencyjny ekologiczny wodór będzie dostępny na dużą skalę w następnym {{1 }} lat. Nie pozostawia to wiele czasu, aby błękitny wodór – nadal na etapie pilotażowym – mógł przeskalować się ze skali pilotażowej do komercyjnej, wdrożyć złożone projekty (np. długoterminowe geologiczne składowanie CO2) na skalę komercyjną i po konkurencyjnych kosztach oraz odzyskać inwestycje poczynione w następne 10-15 lata.

Kilka rządów włączyło obecnie technologie paliw wodorowych do swoich strategii krajowych. Biorąc pod uwagę rosnące zapotrzebowanie na przejście na dekarbonizację gospodarki i technologie wspomagające o wyższym współczynniku wychwytywania dwutlenku węgla, co poradziłbyś decydentom i decydentom, którzy oceniają zalety i wady ekologicznego wodoru?

Będziemy potrzebować zielonego wodoru, aby osiągnąć zerową emisję netto, w szczególności w przemyśle, żegludze i lotnictwie. Jednak najpilniej potrzebujemy:

1) efektywność energetyczna;

2) elektryfikacja;

3) przyspieszony rozwój energetyki odnawialnej.

Po osiągnięciu tego pozostaje nam ok. 40 proc. popytu na dekarbonizację i właśnie tam potrzebujemy zielonego wodoru, nowoczesnej bioenergii i bezpośredniego wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Po dalszym zwiększaniu skali energii odnawialnej w celu dekarbonizacji energii elektrycznej będziemy w stanie dalej rozwijać moce odnawialne w celu produkcji konkurencyjnego ekologicznego wodoru i dekarbonizacji trudnych do ograniczenia sektorów przy minimalnych dodatkowych kosztach.

Gdzie widzi Pan technologie energetyczne związane z rozwojem wodoru do 2030 roku? Czy możemy przewidzieć pojazdy użytkowe napędzane wodorem?

Widzimy możliwość szybkiego wykorzystania ekologicznego wodoru w następnej dekadzie, gdzie zapotrzebowanie na wodór już istnieje: dekarbonizacja amoniaku, żelaza i innych istniejących towarów. Wiele procesów przemysłowych wykorzystujących wodór może zastąpić szary kolor zielonym lub niebieskim, pod warunkiem, że CO2 jest odpowiednio wyceniony lub wdrożone zostaną inne mechanizmy dekarbonizacji tych sektorów.

W przypadku żeglugi i lotnictwa sytuacja jest nieco inna. Paliwa typu drop-in, oparte na ekologicznym wodorze, ale zasadniczo identyczne z paliwem do silników odrzutowych i metanolem wytwarzanym z ropy, mogą być stosowane w istniejących samolotach i statkach, przy minimalnych lub zerowych korektach. Paliwa te zawierają jednak CO2, który musi być skądś wychwytywany i dodawany do wodoru, aby został ponownie uwolniony podczas spalania: zmniejsza to, ale nie rozwiązuje problemu emisji CO2. Paliwa syntetyczne można wdrożyć przed 2030 r., jeśli wdrożone zostaną odpowiednie zachęty uzasadniające dodatkowy koszt zredukowanych (nie wyeliminowanych) emisji.

W najbliższych latach statki mogą przestawić się na zielony amoniak, paliwo produkowane z zielonego wodoru i azotu z powietrza, które nie zawiera CO2, ale potrzebne będą inwestycje w wymianę silników i zbiorników, a zielony amoniak jest obecnie znacznie droższy niż olej opałowy.

Samoloty napędzane wodorem (lub amoniakiem) są dalej i będą to zasadniczo nowe samoloty, które trzeba będzie zaprojektować, zbudować i sprzedać liniom lotniczym, aby zastąpić istniejące samoloty napędzane paliwem odrzutowym – oczywiście niewykonalne do 2030 r.: w tym sensie zielony odrzutowiec paliwo – wyprodukowane z połączenia zielonego wodoru i zrównoważonej bioenergii – to rozwiązanie, które można wdrożyć w najbliższej przyszłości.

Podsumowując, główne działania mające na celu przyspieszenie dekarbonizacji do 2030 r. to 1) efektywność energetyczna 2) elektryfikacja z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii 3) szybkie przyspieszenie wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych (co jeszcze bardziej obniży i tak już niski koszt energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych) 4) zwiększenie zrównoważonego rozwoju , nowoczesna bioenergia, potrzebna m.in. do produkcji ekologicznych paliw wymagających CO2 5) dekarbonizacji szarego wodoru zielonym wodorem, co przyniosłoby skalę i obniżyłoby koszty elektrolizy, czyniąc zielony wodór konkurencyjnym i gotowym na dalsze w latach 30. XX wieku w celu osiągnięcia zerowej emisji netto do 2050 r.

Światowe Forum Ekonomiczne od 2017 roku od dawna wspiera agendę czystego wodoru, pomagając m.in. Energy Transitions Commission, platformy Mission Possible, która ma pomóc w przejściu trudnych do ograniczenia sektorów na zerowe emisje netto do 2050 r. Więcej informacji na temat inicjatywy Acceleration Clean Hydrogen Initiative można znaleźć tutaj.