Potencjał wodoru jako przyszłej technologii zielonego paliwa dla obecnego przemysłu / Osama Majeed Butt, ORCYDIMuhammad Shakeel Ahmad

1. Wprowadzenie

Wysokie zapotrzebowanie na energię jest w dużej mierze zależne od nieodnawialnych źródeł energii ze względu na ich dojrzałość technologiczną. Istnieje pilna potrzeba znalezienia zarówno zrównoważonych, jak i skalowalnych źródeł energii jako rozwiązania, aby sprostać tym wysokim zapotrzebowaniom [ 1 ]. Nacisk kładziony jest na wykorzystanie alternatywnych źródeł energii w celu zmniejszenia emisji dwutlenku węgla o 40% do 2030 r., z ambicją, aby zmniejszyć je o 70% do 2050 r. w porównaniu z 2008 r. [ 2 ]. Wodór jest postrzegany jako obiecujące paliwo wśród potencjalnych alternatywnych źródeł energii, szczególnie ze względu na jego wpływ na środowisko. Podczas spalania wodór nie emituje dwutlenku węgla. Ponadto dwutlenek węgla uwalniany do środowiska podczas jego produkcji może być kontrolowany w zależności od metody produkcji. Przewidywano, że rynek wodoru wzrośnie z 70 milionów ton w 2019 r. do 120 milionów ton w 2024 r. [ 3 , 4 ]. Wodór jest klasyfikowany jako szary, niebieski lub zielony w zależności od podstawowych składników i metody produkcji. Około połowa wodoru produkowanego na świecie pochodzi z parowego reformingu gazu ziemnego lub łupkowego [ 3 ]. Wodór jest klasyfikowany jako niebieski, gdy emisje dwutlenku węgla są wychwytywane, magazynowane lub wykorzystywane [ 5 ], podczas gdy zielony wodór odnosi się do wykorzystania odnawialnego surowca i odnawialnego źródła energii do konwersji surowców i eksploatacji zakładów przetwórczych. Wpływ na środowisko produkcji szarego i niebieskiego wodoru jest niezwykle poważny. Może to skutkować emisją 830 milionów ton dwutlenku węgla rocznie [ 6 ]. Z drugiej strony, różnorodne odnawialne źródła energii, w tym wiatr, słońce, energia jądrowa, energia wodna, geotermalna i biomasa, mogą być wykorzystywane do wytwarzania zielonego wodoru [ 7 ]. Obecnie energia wiatrowa i słoneczna są najczęściej wykorzystywanymi odnawialnymi źródłami do produkcji wodoru. Większość procesów wytwarzania zielonego wodoru koncentruje się na dehydrogenacji cząsteczek nośników wodoru lub reakcjach rozszczepiania wody (takich jak elektroliza wody, termoliza wody, fotokatalityczny rozszczep wody i termochemiczny rozszczep wody) [ 8 ].

2. Metody syntezy wodoru

Wodór stopniowo wyłania się jako wydajny zamiennik paliw kopalnych jako czyste, zrównoważone nowe źródło energii, pomagając zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych i tempo globalnego ocieplenia. Zrównoważony rozwój wodoru zależy od wyboru odpowiedniej metody jego produkcji (pokazanej na rysunku 1 ). Chociaż badania nad wodorem z bardziej przyjaznych dla środowiska źródeł wzbudziły duże zainteresowanie, paliwa kopalne nadal stanowią większość produkcji wodoru. Ze względu na swoją dojrzałość i dodanie reaktora membranowego, SMR (reforming parowo-metanowy) jest obecnie dominującą technologią w produkcji wodoru. Z drugiej strony, niektóre obszary mogą być bardziej odpowiednie dla CG (gazyfikacji węgla) ze względu na dystrybucję lokalnych zasobów do produkcji wodoru. Wodór wytwarzany z SMR jest klasyfikowany jako szary wodór ze względu na bezpośrednią emisję dwutlenku węgla. Różne sposoby wychwytywania tego dwutlenku węgla przed jego rozproszeniem w środowisku zostały wprowadzone przy użyciu technologii wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS) [ 9 ]. Gdy CCS jest stosowany do produkcji wodoru, powstały produkt jest oznaczany jako niebieski wodór. Chociaż urządzenia CCS zapobiegają emisji dwutlenku węgla do środowiska, generują dodatkowe koszty. Produkcja wodoru oparta na odnawialnych źródłach energii zyskuje na znaczeniu i jest stale udoskonalana technologicznie. Spośród wszystkich metod produkcji zielonego wodoru, elektroliza wody jest najbardziej praktyczną metodą [ 10 ].

Rysunek 1. Technologie produkcji wodoru ze względu na ich charakter i aspekty środowiskowe.

Zielony wodór wytwarzany metodą elektrolizy wody staje się coraz bardziej zalecaną alternatywą dla przyszłej produkcji wodoru. Szybki postęp w technologii elektrolizy pomaga w przejściu od elektrolizerów alkalicznych do elastycznych i wydajnych elektrolizerów membranowych z polimerowym elektrolitem. Inną technologią produkcji wodoru, uważaną za przyjazną dla środowiska, jest termochemiczny rozkład wody pod wpływem słońca, którego produkt jest klasyfikowany jako biały wodór [ 11 ]. Z drugiej strony, wodór akwamarynowy jest wytwarzany poprzez pirolizę metanu, prowadzoną z wykorzystaniem zjawisk termochemicznych pod wpływem słońca [ 12 ]. Proces ten nie wiąże się z bezpośrednią emisją dwutlenku węgla.

Spośród wszystkich metod produkcji zielonego wodoru, zgazowanie biomasy charakteryzuje się obecnie najwyższą sprawnością energetyczną i egzergiczną, wynoszącą odpowiednio 53,6% i 49,8% [ 13 ], znacznie przewyższając elektrolizę opartą na fotowoltaice i geotermii. Jednak obawy dotyczące środowiska i ograniczenia surowcowe mogą ograniczać jej zrównoważony rozwój.

3. Potencjał zielonego wodoru

Przystępna cena wodoru jest kluczowym filarem gospodarki wodorowej niskoemisyjnej. Jednak zielony wodór jest drogi w porównaniu z innymi sposobami produkcji. Ze względu na potrzebę skomplikowanego i drogiego systemu wieloskładnikowego, technologia produkcji zielonego wodoru nie jest obecnie dojrzała pod względem wydajności i kosztów. Koszt zielonego wodoru wytwarzanego z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii może mieścić się w przedziale 2,28–7,43 USD /kg [ 14 ]. Koszt ten jest znacznie wyższy niż w przypadku wodoru szarego lub niebieskiego. Różne metody produkcji wodoru oparte na odnawialnych źródłach energii, w tym fotowoltaika, zgazowanie biomasy i wytwarzanie energii geotermalnej, zostały przeanalizowane pod kątem termodynamiki w oparciu o podejścia energetyczne i egzergetyczne [ 13 ]. Podano (podsumowano w Tabeli 1 ), że system wodorowy oparty na fotowoltaice ma całkowitą wydajność energetyczną i egzergetyczną wynoszącą 16,95% i 17,45%, co jest wartością niższą od wartości zgazowania biomasy, które wynoszą odpowiednio 53,6% i 49,8%. Z drugiej strony, system produkcji wodoru oparty na energii geotermalnej ma najniższą sprawność energetyczną i egzergiczną wynoszącą odpowiednio 10,45% i 10,2%. Stwierdzono, że te trzy systemy produkcji wodoru oparte na energii odnawialnej, bazujące na fotowoltaice, zgazowaniu biomasy i energii geotermalnej, są w stanie wytworzyć odpowiednio 2,26 g/s, 106,9 g/s i 32,02 g/s wodoru. Przeprowadzono ocenę wydajności różnych odnawialnych źródeł energii, w tym energii słonecznej, wiatru i biomasy, w odniesieniu do produkcji wodoru. Wydajność ta została przeanalizowana na rysunku 2 w oparciu o wydajność energetyczną i egzergiczną, koszty, globalne ocieplenie, problem zakwaszenia, a także społeczny koszt węgla [ 15 ]. Chociaż technologia zgazowania biomasy wykazała lepszą sprawność techniczną, systemy elektrolizy słonecznej i wiatrowej wykazały lepsze wyniki pod względem aspektów środowiskowych.

Rysunek 2. Porównanie odnawialnych źródeł energii do produkcji wodoru.

Systemy energetyczne oparte na wodorze oferują wyraźne zalety w porównaniu z konwencjonalnymi źródłami energii odnawialnej, takimi jak energia słoneczna czy wiatrowa, przede wszystkim pod względem magazynowania, transportu i gęstości energii. Wodór może magazynować nadwyżki energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych w postaci chemicznej, umożliwiając dyspozycyjne dostarczanie energii nawet w okresach niskiego poziomu wytwarzania. Dzięki wysokiej wartości opałowej (150 000 kJ/kg) wodór przewyższa tradycyjne paliwa, oferując bardziej kompaktowe magazynowanie energii i ułatwiając jej wykorzystanie w sektorach trudnych do elektryfikacji, takich jak przemysły wysokotemperaturowe, żegluga i lotnictwo.

Potencjalne wykorzystanie wodoru

Różne zielone i odnawialne źródła energii są badane jako alternatywa. Ostatnio naukowcy zainteresowali się wykorzystaniem wodoru jako alternatywnego paliwa do różnych celów. Jest on uważany za odnawialne paliwo syntetyczne. Pod względem emisji dwutlenku węgla i tlenku węgla wodór jest potencjalnym źródłem energii odnawialnej [ 16 ]. Uważa się, że jest korzystny dla środowiska i jest uważany za przyszłe zielone paliwo o zerowej emisji, ponieważ w przeciwieństwie do paliw kopalnych, podczas spalania z tlenem uwalniana jest jedynie para wodna. Wartość kaloryczna wodoru to kolejny aspekt, który daje mu przewagę nad innymi paliwami, jak pokazano w tabeli 2 .

Tabela 2. Wartość opałowa różnych rodzajów paliw.

Sr.	Rodzaj paliwa	Wartość kaloryczna (kJ/kg)
1.	Nafta oczyszczona	43 124
2.	Diesel	42 600
3.	Gaz ziemny	38 000–50 000
4.	Węgiel drzewny	33 000
5.	Wodór	150 000

Prowadzone są również badania nad wykorzystaniem paliwa wodorowego w przemyśle kolejowym. Główną trudnością jest magazynowanie wodoru, aby lokomotywa mogła działać na paliwie wodorowym. Jednak analizy statystyczne sugerują, że może to być praktyczne paliwo alternatywne [ 17 ]. Zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych (GHG) z transportu morskiego staje się wyzwaniem. Najbardziej efektywnym sposobem na zmniejszenie emisji jest stosowanie paliw alternatywnych zamiast paliw konwencjonalnych. Zielony wodór jest obiecującą alternatywą dla przemysłu żeglugowego [ 18 ]. Sieci kolejowe dalekobieżne, które nie mogą sobie pozwolić na dostarczanie dużej ilości energii elektrycznej, mogą wykorzystywać pociągi napędzane wodorem. Ze względu na swoje zalety (i) większej tolerancji na temperaturę i (ii) szybszego tempa ładowania niż w przypadku pojazdów konwencjonalnych, wózki widłowe napędzane wodorem mogą konkurować z pojazdami elektrycznymi zasilanymi bateriami (BEV) w różnych zastosowaniach. Podobnie, sprzęt górniczy o dużej pojemności, ciężarówki i usługi wsparcia lotnisk również mogłyby wykorzystywać wodór.

Analiza techniczno-ekonomiczna pokazuje, że wodór ma ogromny potencjał techniczny w tej branży, ale nadal konieczne są badania mające na celu obniżenie jego kosztów i uczynienie tej alternatywy ekonomicznie opłacalnym rozwiązaniem. Na przykład produkcja cementu wymaga wysokich temperatur, przekraczających 1000°C. Bezpośrednia elektryfikacja tego ciepła może być dobrą alternatywą. Paliwa kopalne są wykorzystywane w połączeniu z elektryfikacją w celu osiągnięcia wysokich temperatur. Mogłoby to spowodować wzrost emisji gazów cieplarnianych. Wodór ma potencjał do osiągania tak wysokich temperatur ze względu na swoją wysoką wartość opałową, a jednocześnie wspomaga proces odwęglania. Współdoprowadzanie wodoru do rafinerii, zakładów amoniaku i wielkich pieców stalowych może znacznie przyspieszyć początkowe fazy komercjalizacji zielonego wodoru. Niskopoziomowe łączenie wodoru w sieci miałoby znaczący wpływ na przemysłowych odbiorców gazu ziemnego (np. sektor petrochemiczny), ponieważ obniżałoby jakość surowca gazowego.

Wszystkie zastosowania kotłów, które przypominają palniki gazu ziemnego, mogą wykorzystywać wodór jako paliwo alternatywne. Dotyczy to pomp ciepła zasilanych gazem, kotłów spalinowych i kotłów katalitycznych. Wdrożenie technologii wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS) lub współczesnych turbin, które mogą wykorzystywać 100% wodoru, będzie konieczne w celu pełnej dekarbonizacji sektora energetycznego. Możliwa jest modyfikacja szerokiej gamy metod ogrzewania miejskiego, tak aby wodór mógł być używany jako paliwo [ 18 ]. Ze względu na wysoką wartość opałową znacznie bardziej wykonalne jest stosowanie wodoru w zastosowaniach cięcia i spawania [ 16 ]. Nie tylko zapobiega on emisji toksycznych gazów, ale także ułatwia przetwarzanie dzięki wysokiej temperaturze i skupionemu płomieniowi.

Zastosowania gazu wodorowego wykraczają poza zastosowania przemysłowe i silniki spalinowe ( Rysunek 3 ). Może on również znaleźć szerokie zastosowanie w ogrzewaniu domów [ 19 ]. Spalanie paliwa wodorowego może być rozwiązaniem dekarbonizacji na obszarach, gdzie bezpośrednia energia elektryczna jest niedostępna, a do ogrzewania zazwyczaj wykorzystuje się gaz ziemny. Wymagałoby to jednak modernizacji lub wymiany obecnych sieci gazu ziemnego i byłoby bardzo kosztowne w przypadku dedykowanego systemu zasilania wodorem. Niedawno wykorzystano nową technologię spalarni, aby sprostać wyzwaniu, jakim jest wykorzystanie wodoru jako paliwa w komunalnych odpadach stałych [ 20 ]. Na podstawie badania [ 14 ], którego wyniki przedstawiono w Tabeli 3 , stwierdzono, że gaz wodorowy ma potencjał, aby stać się najtańszym źródłem wykorzystywanym do celów grzewczych.

Rysunek 3. Potencjalne zastosowanie wodoru w różnych zastosowaniach.

Tabela 3. Wartość ciepła na godzinę przy różnych źródłach energii.

NIE.	Źródła energii	Zapotrzebowanie na energię	Efektywność %	Koszt ogrzewania
1	Gaz wodorowy	1,49 kWh	55	0,16 €/godz.
2	Elektryczność	9,29 kWh	95	1,00 €/godz.
3	Pellet drzewny	1,76 kg	75	0,45 €/godz.
4	Pellety rolnicze	2,79 kg	70	0,36 €/godz.
5	Gaz ziemny (CNG)	0,94 m3	90	0,41 €/godz.
6	LPG	0,67 kg	88	0,73 €/godz.
7	Olej napędowy	0,70 l	85	77 €/godz.

Pomimo znacznego potencjału, wytwarzanie energii w oparciu o wodór napotyka kilka ograniczeń, które muszą zostać rozwiązane, zanim będzie mogło zostać powszechnie przyjęte. Jednym z głównych wyzwań jest magazynowanie wodoru, ponieważ wymaga sprężania pod wysokim ciśnieniem, skraplania w temperaturach kriogenicznych lub złożonych nośników chemicznych — wszystko to znacznie zwiększa koszty i złożoność [ 9 ]. Ponadto wodór ma niską gęstość objętościową energii, co wymaga większych objętości magazynowania w porównaniu z paliwami konwencjonalnymi, co czyni go mniej praktycznym w niektórych zastosowaniach [ 3 ]. Infrastruktura dystrybucji i transportu wodoru jest również słabo rozwinięta, ponieważ istniejące gazociągi ziemne na ogół nie nadają się do tego celu bez modyfikacji ze względu na mały rozmiar cząsteczek wodoru i związane z tym ryzyko kruchości [ 21 ]. Istnieją również obawy dotyczące bezpieczeństwa, ponieważ wodór jest wysoce łatwopalny i podatny na wycieki, co wymaga rygorystycznych protokołów dotyczących jego hermetyzacji i obsługi [ 4 ]. Ponadto początkowe koszty kapitałowe systemów produkcji wodoru, zwłaszcza tych opartych na elektrolizie zasilanej energią odnawialną, pozostają wysokie, a ich ogólna sprawność może być niższa niż w przypadku innych metod bezpośredniej elektryfikacji [ 14 ]. Ograniczenia te podkreślają potrzebę dalszych badań i rozwoju technologicznego, zwłaszcza w zakresie materiałów magazynujących, systemów bezpieczeństwa i skalowalnej infrastruktury, aby wodór stał się naprawdę opłacalnym i konkurencyjnym nośnikiem czystej energii w globalnym procesie przechodzenia na zrównoważone systemy energetyczne.

4. Wnioski i zalecenia

Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na energię, istnieje pilna potrzeba zarówno krótko-, jak i długoterminowych rozwiązań opartych na czystej i zielonej energii, aby podtrzymać życie na Ziemi. Ze względu na łatwość produkcji, niski koszt kapitału i utrzymania oraz przyjazność dla środowiska, wodór może przyczynić się do rozwoju zielonych rozwiązań energetycznych dla różnych zastosowań spalania. Wykorzystanie wodoru jako paliwa alternatywnego w transporcie ma ogromny potencjał. Może to pomóc w redukcji o 30% do 40% całkowitej emisji dwutlenku węgla, za którą odpowiada przemysł motoryzacyjny. Ponadto, wykorzystanie wodoru w przemyśle może pomóc w ochronie środowiska przed emisją gazów cieplarnianych. Wodór i systemy energetyczne oparte na wodorze są ugruntowaną technologią strategiczną, która pozwala osiągnąć cel bezemisyjności. Zgodnie z wynikami tych kompleksowych badań, systemy energetyczne oparte na wodorze mogą przynieść obustronne korzyści zarówno sektorowi publicznemu, jak i prywatnemu. Więcej zielonego wodoru to odpowiedź na zrównoważone i przyjazne dla środowiska systemy. Obejmuje to produkcję wodoru poprzez elektrolizę wody zasilanej odnawialnymi źródłami energii. Istnieją jednak wyzwania związane z transportem, dystrybucją i magazynowaniem wodoru, które utrudniają jego szerokie zastosowanie jako nośnika i przekaźnika energii.