Wodór jako paliwo przyszłości – potencjał, wyzwania i metody pomiaru jakości

Zapotrzebowanie na energię nieustannie wzrasta na całym świecie, a w przewidywalnej przyszłości ten trend będzie się nasilał. Produkcja energii za pomocą metod konwencjonalnych wiąże się jednak z wysokim poziomem generowanych zanieczyszczeń, niebezpiecznych substancji oraz gazów cieplarnianych. Dlatego prowadzone są ciągłe prace i badania, których celem jest opracowanie metod produkcji energii jak najbardziej przyjaznych dla środowiska naturalnego. Dotyczy to zarówno wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej, jak i produkcji paliw niezbędnych w sektorze transportowym. Spośród dostępnych obecnie alternatyw dla paliw kopalnych największym potencjałem charakteryzuje się wodór.

Wodór jako paliwo

Wodór jest coraz częściej wymieniany jako najlepsza alternatywa dla konwencjonalnych źródeł energii, głównie ze względu na bardzo wysoką wartość opałową wynoszącą 119,93 MJ/kg oraz całkowicie neutralny dla środowiska proces spalania. Dla porównania, gaz ziemny ma wartość opałową wynoszącą 36 MJ/kg, natomiast węgiel kamienny jedynie 25 MJ/kg. Wodór pozostaje w tym zakresie całkowicie bezkonkurencyjny.

Dodatkowym atutem wodoru jako paliwa jest fakt, że można go łatwo transportować, magazynować oraz wszechstronnie wykorzystywać, ponieważ produkcja energii z wodoru jest rozwiązaniem w pełni bezpiecznym dla środowiska naturalnego. Jedynym produktem bezpośredniego spalania wodoru jest para wodna oraz tlenki azotu. Natomiast w przypadku utleniania wodoru w ogniwach paliwowych powstaje wyłącznie para wodna, która jest całkowicie neutralna dla środowiska. W efekcie nie powstają żadne gazy cieplarniane, niebezpieczne odpady ani zanieczyszczenia.

Kolory wodoru

Choć wodór jest gazem bezbarwnym, na świecie powszechnie stosuje się kolory w celu precyzyjnego wskazania metody jego produkcji. Zgodnie z międzynarodowo akceptowaną nomenklaturą wyróżnia się następujące rodzaje wodoru:

• wodór czarny – otrzymywany w procesie gazyfikacji węgla kamiennego;
• wodór brązowy – pozyskiwany w wyniku gazyfikacji węgla brunatnego;
• wodór szary – produkowany przy użyciu reformingu parowego i częściowego utlenienia;
• wodór niebieski – pozyskiwany z paliw kopalnych (często z gazu ziemnego) przy wykorzystaniu technologii CCS (sekwestracji dwutlenku węgla, ang. carbon capture and storage);
• wodór turkusowy – wytwarzany w procesie pirolizy metanu (pochodzącego np. z biomasy z upraw rolniczych, pozostałości z hodowli zwierząt lub organicznych odpadów komunalnych) w atmosferze beztlenowej;
• wodór różowy (określany także jako wodór czerwony, wodór fioletowy lub wodór purpurowy) – produkowany w procesie elektrolizy z wykorzystaniem energii z elektrowni jądrowych;
• wodór żółty – powstaje podczas elektrolizy wody przy użyciu elektrolizera zasilanego elektrycznością mieszanego pochodzenia;
• wodór fioletowy – produkowany w wyniku elektrolizy wody z użyciem nadwyżek energii wytwarzanej w elektrowniach jądrowych;
• wodór biały – pozyskiwany z naturalnych źródeł geologicznych;
• wodór zielony – produkowany w procesie elektrolizy przy wykorzystaniu wyłącznie odnawialnych źródeł energii (najczęściej farmy wiatrowe lub fotowoltaika).

Zalety zastosowania wodoru jako paliwa

Potencjalnych korzyści wykorzystania wodoru w polskiej gospodarce jest wiele, a do najważniejszych należy zaliczyć przede wszystkim:

• możliwość znaczącego ograniczenia poziomu importu paliw kopalnych,
• redukcję emisyjności w szeroko rozumianej gospodarce,
• większą dywersyfikację wykorzystywanych surowców energetycznych,
• realizację założeń UE w zakresie dążenia do gospodarki zeroemisyjnej,
• możliwość skutecznej dekarbonizacji trudnych sektorów gospodarki, takich jak transport, produkcja stali czy produkcja cementu,
• możliwość obniżenia cen energii na rynku krajowym,
• wzrost gospodarczy kraju (nowe miejsca pracy i wzmocnienie rodzimej gospodarki).

Co w tym kontekście bardzo ważne, wdrożenie rozwiązań opartych na wodorze w naszym kraju jest ułatwione, ponieważ Polska jest jednym z największych europejskich i światowych producentów wodoru, choć obecnie jest to głównie wodór szary.

Metody oceny jakości paliwa wodorowego

Zgodnie z obowiązującymi w Polsce od 1 stycznia 2023 r. przepisami (Rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 27 grudnia 2022 r. w sprawie metod badania jakości wodoru przez akredytowane laboratorium), metody badawcze dopuszczone do wykonywania pomiarów jakości paliwa wodorowego są zgodne z międzynarodowymi normami ISO 21087:2019 oraz ISO 14687:2019.

W Załączniku nr 1 do wspomnianego rozporządzenia wyszczególniono kilkanaście metod badania jakości wodoru. Dopuszczono również zastosowanie metod nieznormalizowanych (pozaustawowych), ale wyłącznie w przypadku pełnej zgodności z wymogami wskazanymi w obowiązujących przepisach prawa oraz zgodnie z aktualnym poziomem wiedzy i najlepszymi praktykami dostępnymi w momencie wykonywania pomiaru jakości.

Dostępna w naszej ofercie aparatura analityczna przeznaczona do wykonywania pomiarów zanieczyszczeń wodoru pozwala przeprowadzać precyzyjne pomiary z limitami detekcji na poziomie ppb i jest w pełni zgodna ze wszystkimi obowiązującymi obecnie standardami i normami branżowymi oraz przepisami prawa krajowego i UE.

Wodór jako źródło energii i paliwo – główne wyzwania

Wykorzystanie wodoru na szeroką skalę w przemyśle, produkcji energii i branży transportowej, to nie tylko perspektywa radykalnego zmniejszenia negatywnego wpływu działalności przemysłowej człowieka na środowisko naturalne naszej planety – to również szereg wyzwań. Zasadniczo można je podzielić na dwie główne grupy.

1. Wyzwania natury ekologiczno-środowiskowej:

• zanieczyszczenia i emisja CO2 związane z produkcją wodoru przy użyciu paliw kopalnych (obecnie wciąż większość produkowanego rocznie wodoru w skali globalnej pochodzi z wytwarzania metodami niezeroemisyjnymi – jest to ok. 96%. Jedynie kilka procent to wodór zielony);
• konieczność szybkiego wdrożenia rozwiązań opartych na wodorze ze względu na wyczerpywanie się złóż paliw kopalnych;
• zbyt niska świadomość społeczna na temat zastosowania wodoru jako ekologicznego i bezpiecznego paliwa (może skutkować niechęcią do rozwiązań opartych na wodorze jako paliwie)

2. Wyzwania natury polityczno-ekonomicznej:

• koszty związane z budową infrastruktury niezbędnej do wdrożenia rozwiązań opartych na wodorze na szeroką skalę (obejmujące zarówno produkcję wodoru, jak i infrastrukturę potrzebną do tankowania pojazdów na terenie całego kraju);
• obowiązek wdrożenia dyrektyw UE w zakresie redukcji emisji CO2 oraz konieczność wdrożenia krajowych planów dekarbonizacji (mogą wiązać się z trudnościami związanymi z procesami legislacyjnymi lub pozyskaniem odpowiednich środków na wdrożenie);
• koszty i problemy związane z transportem wytwarzanego wodoru na większe odległości (w wielu przypadkach konieczne jest tworzenie sieci przesyłowej od zera, co generuje dodatkowe koszty);
• dekarbonizacja gospodarki i transportu oraz wynikająca z niej większa samowystarczalność energetyczna Polski może napotykać na trudności związane z redukcją udziału elektrowni i elektrociepłowni opalanych paliwami kopalnymi w krajowym bilansie energetycznym (wygaszanie bloków energetycznych, redukcja zatrudnienia itp.).