„Zielony wodór” ... w inżynierskich rękach


12-02-2021 15:32:43

Nie zawsze uświadamiamy sobie na co dzień, jak wiele ambitnych planów polityków, działaczy gospodarczych czy aktywistów ekologicznych zależy od rezultatu pracy inżynierów. Tymczasem powodzenie unijnego programu pod hasłem „Zielony Ład” jest właśnie bardzo mocno zdeterminowane koniecznością wdrożenia nowych technologii w dziedzinie energetyki wodorowej.

Wśród paliw nowej generacji mających wyznaczać kierunek rozwoju czołowych gospodarek świata poczesne miejsce ma zająć wodór, określany już powszechnie mianem paliwa przyszłości. (Czas na nobilitację wodoru? PT/ 12-13/2020).

Problem polega jednak na tym, aby wodór stał się tym paliwem, nie w odległej przyszłości, ale w perspektywie najbliższego dziesięciolecia. Obecnie ponad 90% wodoru w świecie jest pozyskiwane z paliw kopalnych (gaz ziemny, węgiel koksujący). I jest to tzw. brudny wodór pozyskany w procesach reformingu parowego gazu ziemnego lub regazyfikacji węgla. Wykorzystuje się go przede wszystkim w rafinacji ropy naftowej, w przemyśle chemicznym (np. produkcja amoniaku), przemysłach metalowym, elektronicznym czy szklarskim. Aktualnie - według szacunków Międzynarodowej Agencji Energetycznej - tylko 2% światowej produkcji wodoru jest efektem procesu elektrolizy, a zaledwie niewielki z tego ułamek procenta pochodzi z elektrolizerów zasilanych energią z OZE.

Czas to zmienić

Rozwój nowoczesnej technologii wodorowej wymaga badań obejmujących różne obszary technologiczne, w tym dotyczące wytwarzania, transportu, magazynowania, a następnie zastosowania wodoru w energetyce stacjonarnej oraz energetyce mobilnej (tj. do napędu środków transportu). Dlatego wybór odpowiedniej strategii rozwoju technologii wodorowych jest kluczowy i dla gospodarki, i ochrony środowiska naturalnego.

Prof. dr hab. inż. Chmielniak z Politechniki Śląskiej zwraca uwagę, że chociaż nie wszystkie opinie dotyczące potencjału techniczno-ekonomicznego energetyki wodorowej są pozytywne, jednak gros przygotowanych prognoz i analiz scenariuszowych pokazuje jej perspektywiczne duże znaczenie w wielu obszarach gospodarki.

Liczne ośrodki naukowe w świecie, włącznie z sektorem badawczym dużych koncernów, koncentrują się obecnie na zagadnieniach energetyki wodorowej. Zadania badawcze z zakresu gospodarki wodorowej w UE realizowane były w ramach Szóstego Programu Ramowego Badań i Rozwoju Technicznego oraz Europejskiej Platformy Wodoru i Ogniw Paliwowych (HFP). W Polsce pewną aktywność w obszarze zagadnień gospodarki wodorowej wykazały polskie instytuty badawcze i uczelnie w ramach programu NCBiR oraz firmy: Lotos, Azoty, Energa, PGNiG, JSW.

Pod ministerialnym protektoratem

Ministerstwo Klimatu rozpoczęło prace nad strategią wodorową Polski do 2030 r. Siedem miesięcy minęło już od podpisania listu intencyjnego o ustanowieniu partnerstwa na rzecz budowy gospodarki wodorowej z najważniejszymi spółkami sektora energetycznego i transportowego. Zdaniem Michała Kurtyki, ministra klimatu: Budowanie gospodarki wodorowej stanowi wielkie wyzwanie dla naszych przedsiębiorstw i instytucji naukowych. Firmy, które podpisały wspólnie z Ministrem Klimatu list intencyjny ws. budowy gospodarki wodorowej, mają szansę stać się liderami tego rynku zarówno w Polsce, jak i w Unii Europejskiej.

Sygnatariuszem tego porozumienia jest również Grupa Lotos i to właśnie ona ma ambicje stania się nie tylko polskim, ale i europejskim liderem w wytwarzaniu czystego wodoru. Podstawą takiej opinii jest fakt, że nasza krajowa produkcja wodoru stanowi obecnie ok.14% łącznego zapotrzebowania krajów unijnych na wodór. Polska jest trzecim (po Niemczech i Holandii) producentem wodoru w Unii Europejskiej. W 2018 r. zdolności wytwórcze wynosiły w naszym kraju 1,3 mln t. Jak zwykle jednak diabeł tkwi w szczegółach. Na dotychczasowe potrzeby przemysłu wystarczał tzw. brudny wodór, a tylko „wodór czysty” może liczyć na unijne wsparcie przy realizacji nowego „Zielonego Ładu”. Obecnie w świecie ponad 90% wodoru pozyskuje się z paliw kopalnych, głównie metodą reformingu parowego. A tylko ok. 2% światowej produkcji – wg Międzynarodowej Agencji Energetycznej - jest wynikiem elektrolizy, a zaledwie ułamek z tychże 2% pochodzi z elektrolizerów zasilanych energią z OZE.

Wodorowa jaskółka

W grudniu 2020 r. Lotos S.A. uruchomił nową instalację do wytwarzania wodoru. Obecnie poddawana jest testom eksploatacyjnym. W rafineryjnej sieci gazu opałowego, należącej do Grupy Lotos, płynie paliwo będące mieszanką gazu ziemnego z sieci zewnętrznej (ok. 50%) oraz gazów powstających w procesach rafineryjnych. Węzeł Odzysku Wodoru (WOW) ma za zadanie wyizolowanie z tej mieszaniny: LPG, benzyny lekkiej i surowej oraz wodoru. Dodatkowy wodór zostaje skierowany do procesów rafineryjnych (co finalnie przekłada się na obniżenie jego kosztu produkcji), a LPG i benzyna na rynek. Najważniejszym urządzeniem instalacji WOW jest kompresor wsadowy zasilany przez największy silnik w rafinerii – o mocy ponad 4 MW. Kompresor sprężający 24,7 tys. m3 gazu wsadowego: z 4,5 do 64 atmosfer.

Polski green H2

Według najnowszego raportu Hydrogen Europe nasz kraj jest na tle innych państw szczególnym "wyjątkiem". Mimo wysokiej pozycji Polski jako producenta i konsumenta wodoru nie mamy praktycznie obrotu handlowego (sic!) tym towarem. Dotychczas potentaci wodorowi w Polsce produkują wodór... na potrzeby własne. Istnieje zatem gospodarcza i ekologiczna przesłanka zainicjowania dynamicznego rozwoju nie tylko technologii, ale zorganizowania rynku handlowego doczyszczonego wodoru.

W Polsce trudności z wdrożeniem produkcji czystego wodoru na skalę przemysłową są duże. Nota bene podobnie jest i w innych krajach. Upowszechnienie innych – niż dotychczasowe - technologii pozyskiwania wodoru będzie długim i na pewno kosztownym procesem. Koszty związane z wytworzeniem zeroemisyjnego wodoru szacowane są w miliardach złotych. Szczególnie w początkowej fazie inwestycji będą wymagać dużych nakładów finansowych. W Niemczech wielu producentów energii z OZE rozważa inwestycje w hydrolizery, jako instalacje zwiększające elastyczność OZE. Wielu ekspertów twierdzi, iż technologia produkcji czystego wodoru z elektrolizerów alkalicznych wydaje się najbardziej obiecującą, ona też najbardziej się rozwija. Podnoszona jest też możliwość wytwarzania zeroemisyjnego wodoru z wykorzystaniem elektrowni jądrowych.

Grupa LOTOS uruchomiła program inwestycyjny, w ramach którego planuje zbudować wielkoskalową instalację do produkcji zielonego wodoru. Green H2 to pomysł koncernu na to, jak odnaleźć się na rynku za kilkanaście lat, gdy paliwa węglowodorowe będą mniej popularne. Jesienią 2020 r. wybrano już firmy doradcze i złożono wniosek o dofinansowanie. Decyzje co do dalszych szczegółów realizacji tego nowatorskiego programu powinny zapaść w drugiej połowie 2021 r. Zapowiedziano, że w 2021 r. w biorafinerii w Trzebini uruchomiona zostanie instalacja doczyszczania wodoru, która pozwoli na wprowadzenie czystego wodoru na rynek.

Także PKN Orlen poinformował o budowie we Włocławku hubu wodorowego. Ma on powstać do końca 2021 r. Dzięki temu spółka będzie mogła wytwarzać doczyszczony wodór do stopnia jakości wymaganego dla paliw transportowych. Wraz z samym hubem ma powstać cała infrastruktura logistyczna oraz stacje tankowania tego paliwa. W pierwszym etapie produkowany surowiec ma zostać wykorzystany do transportu publicznego i towarowego. Koncern podpisał już kilka porozumień z samorządami, będącymi potencjalnymi odbiorcami wodoru.

Anna Bielska, Marek Bielski

Pojęcie „energetyka wodorowa” obejmuje zespół procesów i modułów technologicznych począwszy od etapu wytwarzania wodoru, poprzez jego magazynowanie i transport, do konwersji w postaci mogącej znaleźć określone zastosowanie. (Chmielniak, Lepszy, Mońka 2017).

Na skalę przemysłową wodór wytwarzany jest głównie z gazu ziemnego. Metoda polega na wykorzystaniu procesu parowego reformingu metanu (SMR – Steam Methan Reforming), będącego obecnie najtańszą opcją produkcji wodoru (Chmielniak 2014; Ke Liu i in. red. 2010; Hydrogen production and storage 2005; McHugh 2005; Holladay i in. 2019; Acar i Dincer 2014). Ponadto do komercyjnie dostępnych technologii produkcji wodoru z gazu ziemnego należą: (Chmielniak 2014) proces częściowego utleniania (POX – Partial Oxidation lub CPOX – Catalitical Partial Oxidation), łączący oba powyższe; reforming autotermiczny (ATR – Autothermal Reforming); katalityczna dehydrogenacja; piroliza, elektroliza. W różnym stadium rozwoju technologicznego są: procesy fotokatalityczne, reforming plazmowy, reaktory membranowe, procesy biologiczne.

***

- Węzeł Odzysku Wodoru pracuje w technologii kriogenicznej. Jest to tzw. coldbox, w którym mieszanina gazów resztkowych przy parametrach –180°C i ciśnieniu 45 barów rozdziela się na ciekłe węglowodory i gazowy wodór. Przy takich warunkach uzyskujemy wodór o czystości 98,6% – informuje Tomasz Bodnar, kierownik Zakładu Produkcji Wodoru i Siarki Grupy LOTOS. Z punktu widzenia unijnego projektu pn. „Zielony Ład” najważniejsza wydaje się informacja Tomasza Bodnara, że gdy temperatura obniży się jeszcze do 187°C, wtedy osiągniemy 99,5% czystości wodoru.

Instalacja pracuje z obciążeniem 50% i jest przygotowywana do jego zwiększenia tak, abyśmy mogli przeprowadzić ruch testowy – mówił w momencie uruchomienia instalacji Paweł Brzozowiec, szef Biura Realizacji Projektów Grupy LOTOS. Na początku w WOW produkowano 5 t LPG na godzinę. Według projektu docelowo będzie to blisko 8 t gazu. Do tego prawie 4,5 t benzyny lekkiej dla instalacji izomeryzacji, 5 t benzyny surowej dla instalacji hydroodsiarczania benzyn, 5 t gazu opałowego oraz 1 t wodoru. Nowo uruchomiona instalacja WOW dostarczy rocznie 70 tys. t LPG oraz 43 tys. t benzyny surowej, 39 tys. t benzyny lekkiej i prawie 9 tys. t wodoru. Dodatkowym efektem pracy instalacji jest zmniejszenie emisji CO2 do atmosfery.

***

Wodór konsultowany
Ministerstwo Klimatu i Środowiska 14.01.2021 r. przekazało do konsultacji publicznych projekt „Polskiej Strategii Wodorowej do 2030 r. z perspektywą do 2040 r.” (PSW). Dokument określa cele i zadania dotyczące rozwoju wykorzystania technologii wodorowych w Polsce.

Wizją i nadrzędnym celem PSW jest stworzenie polskiej gałęzi gospodarki wodorowej. Przewiduje się zachęcanie m.in. do patentowania rodzimych technologii wodorowych oraz ich wykorzystywania w celu osiągnięcia neutralności klimatycznej i utrzymania konkurencyjności polskiej gospodarki.

W projekcie PSW określono cele: wdrożenie technologii wodorowych w energetyce, wykorzystanie wodoru jako paliwa alternatywnego w transporcie, wsparcie dekarbonizacji przemysłu, produkcję wodoru w nowych instalacjach, organizację sprawnej i bezpiecznej dystrybucji wodoru, stworzenie stabilnego otoczenia regulacyjnego. Strategia przewiduje łącznie 40 działań na rzecz realizacji wyznaczonych celów. Projekt określa aktualny stan rynku wodoru, przedstawia podstawowe przeszkody technologiczne i biznesowe. Wytyczone są kierunki, w których powinien rozwijać się rynek, aby mógł w kolejnej dekadzie konkurować z paliwami konwencjonalnymi.

Informując o rozpoczęciu konsultacji publicznych, minister klimatu i środowiska Michał Kurtyka powiedział: Ambicją Rządu RP jest rozwój silnych krajowych i lokalnych kompetencji w zakresie wytwarzania kluczowych komponentów z łańcucha wartości gospodarki wodorowej oraz ich wykorzystanie na rzecz utrzymania konkurencyjności polskiej gospodarki przy równoczesnym poszanowaniu środowiska i klimatu. Realizacja strategii wesprze sprawiedliwą transformację energetyczną i doprowadzi do awansu znaczenia polskich technologii w Europie i na świecie. Projekt określa cele i działania dotyczące rozwoju krajowych kompetencji i technologii na rzecz budowy niskoemisyjnej gospodarki wodorowej. Odnoszą się one do trzech sektorów wykorzystania wodoru – energetyki, transportu i przemysłu, a także do jego produkcji, dystrybucji oraz koniecznych zmian prawnych i finansowania.

Znajdujemy się w historycznym momencie tworzenia nowej gałęzi gospodarki. Liczymy na aktywny udział społeczeństwa w tym procesie. W szczególności zachęcamy do udziału w konsultacjach publicznych przedstawicieli świata nauki i biznesu. Stanowisko branży pozwoli udoskonalić dokument i będzie miało istotne znaczenie dla ostatecznego kształtu strategii.

Pełnomocnik rządu ds. gospodarki wodorowej, sekretarz stanu w Kancelarii Prezesa Rady Ministrów Krzysztof Kubów zaznaczył, iż przygotowywana przez Rząd strategia wodorowa jest odpowiedzią na zmiany zachodzące w europejskim i globalnym krajobrazie energetycznym, w którym obserwuje się wyścig technologiczny w zakresie innowacyjnych metod produkcji, transportu i wykorzystania wodoru. Udział Polski w tym wyścigu ma strategiczne znaczenie dla przyszłości krajowego przemysłu,  energetyki i transportu, które zostały wskazane w projekcie jako priorytetowe obszary wykorzystania wodoru.

Uwagi i opinie do projektu można zgłaszać do Ministerstwa Klimatu i Środowiska na adres mailowy: wodor@klimat.gov.pl

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl