Wodór

Świat stoi przed głównym wyzwaniem związanym ze zmianą klimatu. Coraz więcej krajów deklaruje osiągnięcie zerowej emisji dwutlenku węgla (CO²) netto w celu ograniczenia wzrostu temperatury. Drastyczne redukcje emisji są zarówno wykonalne technologicznie, jak i ekonomicznie przystępne.

W przeszłości było kilka fal zainteresowania wodorem. Były one spowodowane głównie szokami cen ropy, obawami o szczytowe zapotrzebowanie na ropę lub zanieczyszczeniem powietrza oraz badaniami nad paliwami alternatywnymi. Wodór może przyczynić się do bezpieczeństwa energetycznego poprzez dostarczanie innego nośnika energii z różnymi łańcuchami dostaw, producentami i rynkami; może to zróżnicować koszyk energetyczny i poprawić odporność systemu. Wodór może również zmniejszyć zanieczyszczenie powietrza, gdy jest stosowany w ogniwach paliwowych, bez emisji innych niż woda. Może promować wzrost gospodarczy i tworzenie miejsc pracy, biorąc pod uwagę duże inwestycje potrzebne do rozwoju go jako nośnika energii z surowca przemysłowego.

Transformacja energetyczna wymaga znacznego przejścia z wytwarzania energii elektrycznej z paliw kopalnych na źródła odnawialne, takie jak energia słoneczna i wiatrowa, większej efektywności energetycznej i powszechnej elektryfikacji zastosowań energii z samochodów na ogrzewanie i chłodzenie w budynkach.

Zielony wodór zapewnia powiązanie między rosnącym i zrównoważonym wytwarzaniem energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych a sektorami trudnymi do zelektryfikowania. Ogólnie rzecz biorąc, wodór jest odpowiednim nośnikiem energii do zastosowań oddalonych od sieci elektrycznych lub wymagających dużej gęstości energii i może służyć jako surowiec do reakcji chemicznych w celu wytworzenia szeregu paliw syntetycznych i surowców.

Dodatkowe korzyści płynące z zielonego wodoru obejmują: potencjał dodatkowej elastyczności systemu i magazynowania, które wspierają dalsze wdrażanie zmiennej energii odnawialnej (VRE); wkład w bezpieczeństwo energetyczne; zmniejszone zanieczyszczenie powietrza; oraz inne korzyści społeczno-gospodarcze, takie jak wzrost gospodarczy i tworzenie miejsc pracy oraz konkurencyjność przemysłu.

Zielony wodór jest nośnikiem energii, który może być wykorzystywany w wielu różnych zastosowaniach (rysunek 1). Jednak jego faktyczne zastosowanie jest nadal bardzo ograniczone. Każdego roku na świecie produkuje się około 120 milionów ton wodoru, z czego dwie trzecie to czysty wodór, a jedna trzecia to mieszanka z innymi gazami. Wydobyty wodór jest wykorzystywany głównie do rafinacji ropy naftowej oraz do syntezy amoniaku i metanolu, które łącznie stanowią prawie 75% łącznego zapotrzebowania na czysty i mieszany wodór.

Dzisiejsza produkcja wodoru opiera się głównie na gazie ziemnym i węglu, które razem stanowią 95% produkcji. Elektroliza wytwarza około 5% światowego wodoru, jako produkt uboczny produkcji chloru.

Rysunek 1, Produkcja ekologicznego wodoru, konwersja i zastosowania końcowe w całym systemie energetycznym

Wodór można wytwarzać za pomocą wielu procesów i źródeł energii; w celu ułatwienia dyskusji powszechnie stosuje się nomenklaturę kodów kolorów (ryc. 2).

Rysunek 2 Wybrane odcienie wodoru

Spośród różnych odcieni wodoru, ZIELONY WODÓR – oznacza wodór wytwarzany z energii odnawialnej – jest najbardziej odpowiedni dla w pełni zrównoważonej transformacji energetycznej. Najbardziej ugruntowaną opcją technologiczną wytwarzania zielonego wodoru jest elektroliza wody zasilana energią elektryczną ze źródeł odnawialnych. Istnieją inne rozwiązania oparte na odnawialnych źródłach energii służące do produkcji wodoru. Jednak poza SMR z biogazami nie są to jeszcze technologie dojrzałe na skalę komercyjną. Produkcja zielonego wodoru poprzez elektrolizę jest zgodna z drogą zerową netto, pozwala na wykorzystanie synergii ze sprzężenia sektorów, zmniejszając tym samym koszty technologii i zapewniając elastyczność systemu elektroenergetycznego. Niskie koszty VRE i udoskonalenia technologiczne obniżają koszty produkcji zielonego wodoru. Z tych powodów zielony wodór z elektrolizy wody zyskuje coraz większe zainteresowanie.

Zielony wodór konkuruje zarówno z paliwami kopalnymi, jak iz innymi odcieniami wodoru. Dlatego ważne jest, aby zrozumieć czynniki, które determinują koszt zielonego wodoru.

Koszt produkcji zielonego wodoru zależy od kosztu inwestycyjnego elektrolizerów, ich współczynnika wydajności, który jest miarą rzeczywistego zużycia elektrolizera, oraz kosztu energii elektrycznej wytwarzanej z energii odnawialnej.

Do 2020 roku koszt inwestycji elektrolizera alkalicznego wyniesie około 750-800 USD za kilowat (kW). Jeśli współczynnik wydajności zielonego zakładu wodorowego jest niski, np. poniżej 10% (mniej niż 876 godzin pełnego obciążenia rocznie), te koszty inwestycyjne rozkładają się na kilka jednostek wodoru, co przekłada się na koszty wodoru na poziomie 5 USD/kg lub wyższy, nawet gdy elektrolizer działa z energią elektryczną o zerowej cenie. Dla porównania, koszt szarego wodoru wynosi około 1-2 USD/kg wodoru (biorąc pod uwagę przedział cenowy gazu ziemnego wynoszący około 1,9–5,5 USD za gigadżul [GJ]). Jeśli jednak współczynniki obciążenia są wyższe, koszty inwestycji w mniejszym stopniu wpływają na koszt kilograma zielonego wodoru. Dlatego też wraz ze wzrostem współczynnika obciążenia obiektu udział kosztów inwestycji w elektrolizer w ostateczny koszt produkcji wodoru na kg spada, a cena energii elektrycznej staje się bardziej istotnym składnikiem kosztów.

 

Przy danej cenie energii elektrycznej udział energii elektrycznej w końcowym koszcie wodoru zależy od wydajności procesu. Na przykład przy wydajności elektrolizera wynoszącej 0,65 i cenie energii elektrycznej wynoszącej 20 USD za megawatogodzinę (MWh), składnik energii elektrycznej w całkowitym koszcie wzrósłby do 30 USD/MWh wodoru, co odpowiada 1 USD/kg.

Biorąc pod uwagę dzisiejsze stosunkowo wysokie koszty elektrolizera, potrzebna jest tania energia elektryczna (rzędu 20 USD/MWh), aby wyprodukować zielony wodór po cenach porównywalnych z szarym wodorem. Celem producentów zielonego wodoru jest teraz obniżenie tych kosztów przy użyciu różnych strategii (IRENA, w przygotowaniu). Gdy koszty elektrolizerów spadną, możliwe będzie wykorzystanie droższej odnawialnej energii elektrycznej do produkcji konkurencyjnego cenowo ekologicznego wodoru.

Transport wodoru generuje dodatkowe koszty. Koszty transportu są funkcją transportowanej objętości, odległości i nośnika energii. Przy niewielkich ilościach koszt transportu sprężonego wodoru 1000 km ciężarówką wynosi około 3,5 USD/kg. W przypadku dużych ilości wysyłka zielonego amoniaku jest najtańszą opcją i dodaje zaledwie 0,15 USD/kg wodoru (bez uwzględnienia kosztów konwersji, tj. krakingu). Podobnie niskie koszty można osiągnąć stosując duże rurociągi (około 2000 ton dziennie) na krótkich dystansach. Transport wodoru rurociągiem może stanowić jedną dziesiątą kosztów transportu tej samej energii co elektryczność.

Dzisiejsze koszty i wydajność nie są takie same dla wszystkich technologii elektrolizerów (patrz Tabela 1). Elektrolizery alkaliczne i PEM są najbardziej zaawansowane i już komercyjne, a każda technologia ma swoją przewagę konkurencyjną. Elektrolizery alkaliczne mają najniższy koszt instalacji, podczas gdy elektrolizery PEM zajmują znacznie mniej miejsca w połączeniu z wyższą gęstością prądu i ciśnieniem wyjściowym. Tymczasem stały tlenek ma najwyższą wydajność elektryczną. Ponieważ stos ogniw stanowi tylko część śladu zakładu elektrolizera, zmniejszony ślad stosu o około 60% dla PEM w porównaniu z alkalicznymi przekłada się na 20-24% zmniejszenie śladu zakładu, przy szacowanym śladzie wynoszącym 8 hektarów (ha) -13 ha dla obiektu o mocy 1 GW przy zastosowaniu PEM, w porównaniu do 10 ha-17 ha przy zastosowaniu zasadowym. Oczekuje się, że różnice w kosztach i wydajności z czasem się zmniejszą, ponieważ innowacje i masowe wdrażanie różnych technologii elektrolizy prowadzi do konwergencji w kierunku podobnych kosztów.

Tabela 1, Kluczowe wskaźniki wydajności dla czterech technologii elektrolizerów obecnie i w 2050 roku.

Rysunek 3, Podstawowe elementy elektrolizerów wody na różnych poziomach

TECHNOLOGIE ELEKTROLIZERA

Zasada elektrolizy wody jest prosta, ale pozwala na budowę różnych odmian technologicznych opartych na różnych aspektach fizykochemicznych i elektrochemicznych. Elektrolizery są zazwyczaj podzielone na cztery główne technologie. Są one rozróżniane na podstawie elektrolitu i temperatury pracy, co z kolei pokieruje doborem różnych materiałów i komponentów.

Zasady działania wszystkich dostępnych na rynku typów ogniw elektrolitycznych przedstawiono na rysunku 6. Istnieje wiele odmian w ramach każdej technologii, przy czym najbardziej radykalne różnice dotyczą konstrukcji ogniwa, zmienności elementów i stopnia dojrzałości technologii.

 Stałe membrany tlenkowe i anionowymienne (AEM) mają duży potencjał, ale są to znacznie mniej dojrzałe technologie, a tylko kilka firm i producentów oryginalnego sprzętu (OEM) jest zaangażowanych w ich produkcję i komercjalizację. Są one w większości z siedzibą w Europie.

Istnieją cztery rodzaje elektrolizerów: alkaliczna i polimerowa membrana elektrolityczna (PEM) są już dostępne na rynku, podczas gdy membrana anionowymienna (AEM) i stały tlenek, teraz w skali laboratoryjnej, obiecują duży krok naprzód

Rysunek 4, Różne rodzaje dostępnych na rynku technologii elektrolizy.

Stąd podstawowa zasada działania ogniwa do elektrolizy wody składa się z dwóch elektrod oddzielonych elektrolitem. Elektrolit jest nośnikiem odpowiedzialnym za transport generowanych ładunków chemicznych (aniony (-) lub kationy (+)) z jednej elektrody na drugą. W typie alkalicznym elektrolitem odpowiedzialnym za transport anionów OH jest zazwyczaj wysoce stężony roztwór wodorotlenku potasu. Elektrody i wytwarzane gazy są fizycznie oddzielone porowatą nieorganiczną membraną (zwaną również separatorem), która przepuszcza roztwór KOH. W elektrolizerach PEM, AEM i tlenków stałych elektrody są oddzielone elektroizolującym elektrolitem stałym, który odpowiada za transport jonów z jednej elektrody na drugą i jednocześnie fizyczne oddzielanie powstających gazów. W tym celu nie ma potrzeby dodawania ciekłego roztworu elektrolitu, a transport jonów odbywa się w składniku PEM, AEM lub stałym tlenku.

Tabela 2 podsumowuje warunki pracy i najważniejsze elementy dla czterech typów elektrolizerów. Kolorowe komórki reprezentują warunki lub komponenty o znacznej zmienności od różnych producentów lub instytucji badawczo-rozwojowych. Pod tym względem daje to również poczucie mniej dojrzałych technologii, co jest jasne w przypadku typów AEM i stałych tlenków.

Zużycie wody do ekologicznej produkcji wodoru

Produkcja ekologicznego wodoru wykorzystuje wodę jako kluczowy surowiec, a odnawialną energię elektryczną jako źródło energii do oddzielania wodoru i tlenu od wody w elektrolizerze.

Woda, tak czysta, jak to tylko możliwe, jest zatem kluczowym elementem. Chociaż wymagany poziom czystości różni się w zależności od technologii, koszt oczyszczania wody jest marginalny, począwszy od odsolonej wody morskiej (znacznie poniżej 1 USD/metr sześcienny (m3) wody). Zanieczyszczenia w wodzie będą jednak miały duży wpływ na żywotność stosu elektrolizera, co z kolei może wpłynąć na koszt wodoru, zwiększając rentowność elektrolizera w stosunku do kosztów wodoru. Oprócz kosztów odsalania, konieczność uzdatniania wody w stosie elektrolizera wiąże się z dodatkowymi kosztami (np. dejonizator). Mogą one potencjalnie stać się znaczące, w zależności od wymaganego poziomu czystości, ale nadal mają niewielki wpływ na całkowity koszt wodoru, ponieważ ogólnie pozostają około 1 USD/m3 lub mniej niż 0,01 USD/kg H2.

Zużycie wody nie stanowi bariery dla wzrostu elektrolizy. Nawet w miejscach, w których występuje niedobór wody, odsalanie wody morskiej może być stosowane z ograniczonymi karami w zakresie kosztów lub wydajności

Z czystej, stechiometrycznej perspektywy, 1 kg wodoru wymaga 9 kg wody jako wkładu. Jednak ze względu na pewne nieefektywności procesu, biorąc pod uwagę proces demineralizacji wody, przy typowym zużyciu wody, stosunek ten może wynosić od 18 kg do 24 kg wody na kilogram wodoru. Największe zużycie wody występuje w rzeczywistości przed i jest największe, gdy elektrolizer jest połączony z PV. Zużycie wody na zielony wodór z PV może wahać się od 22 do 126 kg wody na kg wodoru w zależności od promieniowania słonecznego, żywotności i zawartości krzemu. Niedobór wody jest bardzo specyficzny dla regionu, ponieważ porównuje zużycie wody z uzupełnianiem wody na tym obszarze, dlatego w przypadku produkcji wodoru w regionach ubogich w wodę potrzebne są lokalne oceny oddziaływania. Jedną z metod oceny wpływu zużycia wody na poziomie środkowym jest metoda Available WAter REmaining (AWARE) opracowana przez grupę roboczą UNEP-SETAC Life Cycle Initiative.

Jeśli chodzi o wpływ produkcji wodoru na dostępność wody, nie stanowi to wyraźnie problemu, o ile zakłada się, że wykorzystywana jest odsolona woda morska. Jeśli preferowanym źródłem wody jest woda słodka, można dokonać porównania z obecnym zużyciem wody słodkiej w elektrowniach cieplnych. Biorąc pod uwagę bardzo duży elektrolizer o mocy 1 GW, pracujący z wydajnością 75% przez 8000 godzin rocznie, roczna produkcja wodoru wyniosłaby 0,15 miliona ton wodoru i 3 miliony ton wody (przy założeniu zużycia 20 kg wody na kilogram wodoru). . Odpowiada to zużyciu wody w małym mieście (około 70 000 mieszkańców) przy zużyciu 45 m³ na mieszkańca. Akceptowalność tego będzie zależeć od dostępności wody w lokalizacji elektrowni, przy czym odsalanie pozostanie kluczową opcją, która będzie częścią projektu elektrowni, zwłaszcza w regionach ubogich w wodę. Źródło wody do produkcji wodoru na dużą skalę powinno być wyraźnie uwzględnione w strategiach wodorowych, ponieważ objętości mogą być znaczące w regionach ubogich w wodę. Odsalanie można jednak stosować wspólnie do produkcji wodoru, a także do innych zastosowań (np. do spożycia przez ludzi i rolnictwa), przy czym produkcja wodoru pomaga zwiększyć dostawy wody poprzez stymulowanie rozmieszczania wielofunkcyjnych instalacji odsalania w regionach ubogich w wodę.

Dla oczekiwanych 19 eksadżuli (EJ) zielonego wodoru (około 160 megaton [Mt]) w scenariuszu Transforming Energy scenariusza IRENA Global Renewables Outlook, potrzebowalibyśmy około 3 miliardów m3 wody rocznie w 2050 roku. aktualne światowe zużycie wody słodkiej. Ponieważ woda słodka jest wykorzystywana do wielu zastosowań nieenergetycznych (np. rolnictwo), lepszym porównaniem jest znacznie wyższe zużycie bieżące elektrowni termoelektrycznych: na przykład szacunkowe zużycie wody przez elektrownie cieplne w Stanach Zjednoczonych w przypadek referencyjny 2030 r. wyniósł 5,8 mld m3. Nawet w przypadku bardziej ambitnych scenariuszy, w których dekarbonizacja przebiega szybciej, a wodór odgrywa większą rolę, ogólne zapotrzebowanie na wodę byłoby stosunkowo niewielkie w porównaniu z globalnym zużyciem wody. Ponadto każdy wytworzony ekologiczny wodór, który jest wykorzystywany w ogniwach paliwowych do celów transportowych lub ostatecznie do ponownej elektryfikacji, wytworzy ultraczystą wodę, którą można odzyskać tam, gdzie jest to ekonomicznie wykonalne, w szczególności w zastosowaniach stacjonarnych.