Niemiecka Strategia Wodorowa

🕔 Artykuł przeczytasz w 10 min.

Wstęp

Nie od dziś wiadomo, że Niemcy chcą zostać liderem na rzecz obniżenia poziomu emisji CO2. Do roku 2030 spadek emisji ma wynieść 55% w stosunku do roku 1990 1. Podobną politykę prowadzą także władze Unii Europejskiej, co bez wątpienia jest w znacznej mierze związane z polityką naszego zachodniego sąsiada².

Plan dekarbonizacji

3 lipca 2020 roku niemiecki parlament przyjął dwie ustawy dotyczące odchodzenia od energetyki opartej na węglu oraz restrukturyzacji regionów węglowych. Ustawa o wyjściu z węgla (niem. Kohleausstiegsgesetz)³ opisuje zasady oraz harmonogram wygaszania elektrowni i elektrociepłowni węglowych. Zgodnie z tą ustawą w roku 2038 zakończone zostanie wykorzystanie węgla do produkcji energii elektrycznej. Natomiast ustawa o wzmocnieniu strukturalnym regionów węglowych (niem. Strukturstärkungsgesetz Kohleregionen4) przewiduje przeznaczenie łącznie 40 mld euro do roku 2038 na restrukturyzację obszarów związanych z wydobyciem i produkcją energii z węgla.⁵

Założenia transformacji energetycznej

Niemcy zamierzają swoją transformację energetyczną oprzeć na Odnawialnych Źródłach Energii (OZE) i technologiach wodorowych. Liczą przy tym na wsparcie w ramach Unii Europejskiej⁶. Należy spodziewać się silnego lobbingu Niemiec na rzecz wsparcia rozwoju gospodarki wodorowej w UE. Nasz zachodni sąsiad chce uczynić problematykę wodorową jednym z priorytetów swojej prezydencji w Radzie UE (przypada ona na drugą połowę 2020 roku)⁷.

Narodowa Strategia Wodorowa

Dnia 10 czerwca 2020 r. rząd federalny przyjął Narodową Strategię Wodorową (Nationale Wasserstoffstrategie, NWS). Dokument ten ma za zadanie przeprowadzenie pomyślnej transformacji sektora energetycznego z uwzględnieniem bezpieczeństwa dostaw, przystępności cenowej i zgodności środowiskowej z innowacyjną i inteligentną ochroną klimatu. NWS ma pozwolić rządowi federalnemu na stworzenie spójnych ram dla przyszłego wytwarzania, transportu, użytkowania i ponownego wykorzystania wodoru.⁸

Europejska Strategia Wodorowa

Komisja Europejska opublikowała 8 lipca 2020 r. komunikat „Strategia w zakresie wodoru na rzecz Europy neutralnej dla klimatu”. Celem podanej strategii jest wspieranie dążenia UE do osiągnięcia gospodarki neutralnej dla klimatu (zgodnie z celem określonym w Europejskim Zielonym Ładzie). KE uważa, że wodór będzie miał istotne znaczenie dla osiągnięcia neutralności klimatycznej do roku 2050 oraz ogólnoświatowych wysiłków mających na celu realizację porozumienia paryskiego. Strategia ma na celu obniżenie emisyjności produkcji wodoru, co ma nastąpić dzięki spadkowi kosztów produkcji energii z OZE, oraz doprowadzenie do zastosowania wodoru w sektorach, w których obecnie są stosowane paliwa kopalne.⁹

Rodzaje wodoru

W związku z metodami pozyskiwania wodoru można wyróżnić kilka jego rodzajów. „Szary” wodór jest wytwarzany za pomocą węglowodorów kopalnych. „Niebieski” wodór powstaje przy połączeniu procesu wychwytywania i składowania CO2. „Zielony” wodór jest wytwarzany w wyniku elektrolizy wody przy wykorzystaniu do tego energii pochodzącej z OZE. „Turkusowy” wodór pochodzi natomiast z termicznego rozkładu metanu (piroliza metanu).

Zielony wodór

Znaczenie „zielonego” wodoru jest na dzień dzisiejszy niewielkie. Wynika to z wysokich kosztów jego wytwarzania. Koszt wytworzenia „szarego” wodoru jest średnio ok. 3 razy niższy i wynosi 1,5 euro/kg. Natomiast koszt wytworzenia „zielonego” wodoru jest zależny od szeregu czynników, m. in. związanych z pozyskiwaniem energii z OZE (nasłonecznienie, wietrzność), kosztu energii elektrycznej, czy wydajności elektrolizerów. Co za tym idzie rozpiętość kosztów produkcji jest bardzo duża i wynosi od 3 euro/kg do 6 euro za kg. Warto jednak w tym miejscu zwrócić uwagę na analizy zgodnie z którymi istnieje wysoki potencjał do zredukowania kosztów. Ponadto koszt produkcji „zielonego” wodoru w przeciągu ostatnich 10 lat spadł już o połowę. Międzynarodowa Agencja Energii Odnawialnej szacuje, że produkcja wodoru z OZE w najlepszych lokalizacjach może stać się opłacalna ekonomicznie już w przeciągu 3-5 lat.¹⁰

Kolejnym problemem przy produkcji wodoru to niska moc elektrolizerów, czyli urządzeń służących do rozkładu wody na wodór i tlen przy pomocy energii elektrycznej. Zwiększenie skali zastosowania tych urządzeń ma w założeniach doprowadzić do ich udoskonalenia (produkowane będą elektrolizery o coraz wyższej mocy i wydajności), a w konsekwencji do obniżenia ceny produkowanego surowca.¹¹

W Niemczech ceny energii elektrycznej należą od lat do najwyższych w Europie, co bez wątpienia stanowi następny problem dla wytwarzania „zielonego” wodoru, zwłaszcza biorąc pod uwagę fakt, iż produkcja „zielonego” wodoru będzie wymagała znaczącego zwiększenia mocy zainstalowanych w OZE. W związku z dekarbonizacją poszczególnych sektorów niemieckiej gospodarki zapotrzebowanie na dodatkową energię ze źródeł odnawialnych będzie ogromne. OZE nie będzie w stanie pokryć całości dodatkowego zapotrzebowania na energię generowanego przez proces produkcji „zielonego” wodoru. Wynika to zarówno z braku wystarczającej przestrzeni o dogodnych warunkach, a także z niskiej akceptacji społecznej dla rozbudowy lądowych farm wiatrowych.¹²

Niebieski wodór

„Niebieski” wodór, to wodór pozyskiwany z gazu ziemnego z wykorzystaniem technologii sekwestracji dwutlenku węgla (CCS, ang. carbon capture and storage)¹³. Technologia ta polega na wychwytywaniu CO2 ze spalin w celu jego składowania. Pozyskiwany w ten sposób wodór jest jednak traktowany w Niemczech jako rozwiązanie tymczasowe, choć pozyskiwanie w ten sposób surowca jest tańsze. Kontrowersje budzi nie tylko brak bezemisyjności (podczas wydobycia i transportu gazu ziemnego do atmosfery dostaje się metan), ale także kwestia podziemnego składowania wychwyconego CO2.¹⁴

Turkusowy wodór

„Turkusowy” wodór jest wodór powstający w wyniku pirolizy metanu¹⁵. Podana technika (CCU, ang. carbon capture and utilisation)¹⁶ jest jednak najsłabiej dopracowanym procesem, który polega na podgrzewaniu gazu ziemnego do wysokich temperatur w celu oddzielenia wodoru od węgla (w ten sposób uzyskany węgiel mógłby być wykorzystywany jako surowiec).¹⁷

Import wodoru

Szacunki rządu niemieckiego wskazują na to, że tylko ok. 1/5 niemieckiego zapotrzebowania na wodór w roku 2030 będzie mogła być pokrywana ze źródeł krajowych. Stawia to Niemcy przed koniecznością poszukiwania źródeł dostaw (popyt na importowany surowiec może wynieść 10 mln ton w roku 2030, a następnie zwiększyć się do 45 mln ton w roku 2050). Niemcy będą chciały importować przede wszystkim zielony wodór z państw Afryki Zachodniej i Północnej (dogodne warunki do budowania wielkoskalowych farm fotowoltaicznych) za pomocą tankowców, a w przyszłości także gazociągami. Niemcy biorą także pod uwagę możliwość importu „niebieskiego” lub „turkusowego” wodoru. W tym przypadku najbardziej prawdopodobna jest współpraca z Norwegią i Rosją (dwa główne państwa, z których obecnie importują gaz ziemny). W przypadku Rosji brana jest pod uwagę także sprowadzanie wodoru gazociągiem Nord Stream, na co warto szczególnie zwrócić uwagę.¹⁸

Zastosowanie technologii wodorowych

Wodorowi przypisuje się nadzwyczajny potencjał i możliwość zastosowania w wielu obszarach. Wodór mógłby zastąpić paliwa kopalne nie tylko w energetyce, ale również w branżach takich, jak przemysł hutniczy czy transport. Przykładowo użycie wodoru zamiast koksu spowodowałoby wyeliminowanie znacznej części z 8% krajowych emisji CO2, za które odpowiada hutnictwo. W przypadku transportu mowa nie tylko o zastosowaniu w samochodach (szczególnie ciężarowych), ale także w pociągach poruszających się po niezeletryfikowanych trasach. Wodorowe ogniwa paliwowe mogłyby znaleźć zastosowanie również w przypadku statków pasażerskich. Istnieje także możliwość produkcji z wodoru bezemisyjnego paliwa syntetycznego (np. kerozyny, która jest wykorzystywana jako paliwo lotnicze). Warto zwrócić także uwagę na przewagę, jaką pojazdy napędzane ogniwami wodorowymi uzyskują w stosunku do tych napędzanych energią elektryczną. Wykorzystanie akumulatorów w przypadku ciężkich środków transportu jest nieopłacalne, z uwagi na to, że wymusza stosowanie odpowiednio większych baterii pokładowych, które wielokrotnie zwiększają nie tylko masę pojazdu, lecz także moc potrzebną do napędzania go. Ogniwa wodorowe nie zwiększają natomiast masy, aczkolwiek dużo miejsca zajmują zbiorniki paliwa.¹⁹

Kolejnym miejscem, gdzie może nastąpić zastosowanie wodoru jest ciepłownictwo oraz kogeneracja, czyli skojarzona produkcja energii elektrycznej i ciepła.²⁰

Wpływ na OZE

Technologie wodorowe potencjalnie stanowią doskonałe uzupełnienie energetyki opartej na OZE. Wodór mógłby posłużyć do magazynowania energii oraz bilansowania systemu energetycznego. Podstawowym problemem związanym z energetyką opartą na OZE jest to, że należą one do kategorii źródeł niestabilnych, zależnych od warunków pogodowych. Ich wykorzystanie na szeroką skalę wiąże się z sytuacjami nadmiaru i niedoboru energii w systemie energetycznym. W sytuacji nadwyżki, wodór służyłby do magazynowania energii, która mogłaby bilansować system w czasie niedoborów OZE (wodór może być ponownie zamieniany na energię elektryczną za pomocą turbin gazowych lub ogniw paliwowych).²¹

Infrastruktura

Rozpowszechnienie technologii wodorowych wymaga znaczących nakładów finansowych. Niezbędna jest rozbudowa infrastruktury transportowo-dystrybucyjnej. Na dzień dzisiejszy nie ma sieci, które mogłyby przesyłać wodór do zakładów produkcyjnych. Ponadto w całych Niemczech jest zaledwie ok. 80 stacji tankowania wodoru. W Niemczech planuje się stworzenie sieci przesyłowych wodoru, która byłaby oparta w zdecydowanej większości na istniejącej sieci gazowej.²²

Gospodarka

Wsparcie technologii wodorowych to obok polityki klimatycznej przede wszystkim element polityki gospodarczej Niemiec. Wiele niemieckich firm od lat pracuje nad technologiami wytwarzania i wykorzystania wodoru w różnych obszarach. Dysponują one doświadczeniem oraz wiedzą na zaawansowanym poziomie. Szczególnie warto zwrócić uwagę na niemieckich producentów z branży motoryzacyjnej, którzy już na początku XXI wieku rozwinęli technologię produkcji ogniw paliwowych (nie została wdrożona z uwagi na brak opłacalności, niemniej obecnie istnieją plany wprowadzania na rynek modeli aut napędzanych wodorem), a także producentów stali, takich jak ThyssenKrupp, czy Salzgitter, którzy ogłosili plany zastępowania paliw kopalnych wodorem. Plany inwestowania w elektrolizery przedstawiły koncerny petrochemiczne działające na terenie Niemiec. W Dolnej Saksonii przeprowadzono udane próby pociągów wodorowych. Pojawiają się także kolejne zapowiedzi projektów budowy wielkoskalowych elektrolizerów o mocy sięgającej 100MW.²³

Inne państwa

Niemcy postrzegają politykę klimatyczną, która wiąże się z dekarbonizacją kolejnych gałęzi gospodarki, jako szanse dla ekspansji rodzimych firm i sprzedaży technologii związanych z wytwarzaniem „zielonego” wodoru. Niemcy chciałby zostać globalnym liderem technologii wodorowych, niemniej nie jest to jedyne państwo, które w rozwoju technologii wodorowych widzi swoją szansę na rozwój. Warto w tym miejscu zwrócić uwagę na Japonię i Koreę Południową, które wprowadziły ambitne programy wsparcia rodzimego przemysłu. Japońska strategia wodorowa została przyjęta już w roku 2017. Koreańczycy podobny dokument przyjęli w roku 2019. Oba z podanych państw mają na dzień dzisiejszy ogromną przewagę konkurencyjną, zwłaszcza na rynku motoryzacyjnym. Warto także zaznaczyć, iż w Europie strategie wodorowe zostały już przyjęte przez takie państwa, jak Austria, czy Holandia.²⁴

Francja również deklaruje chęć uzyskania pozycji lidera w sektorze wodorowym. Podobnie, jak Niemcy optuje za tym, żeby „zielony” wodór uzyskał istotne miejsce w wysiłkach UE zmierzających do ograniczenia emisji dwutlenku węgla. Już w 2018 roku powstał plan na rzecz rozwoju sektora wodoru. Francuzi są zainteresowani wykorzystaniem wodoru przede wszystkim jako: metody magazynowania energii elektrycznej, w transporcie, jako „zielony gaz” (wtłaczany do sieci gazowych i mieszany z metanem) i sposobu wychwytywania CO2 (wodór może łączyć się z dwutlenkiem węgla tworząc syngaz).²⁵

Również w państwach Europy Środkowej poważnie myśli się o wykorzystaniu technologii wodorowych, choć ich doświadczenie w tym zakresie jest zdecydowanie mniejsze w porównaniu do pozostałych państw UE, a szczególnie Niemiec. Wszystkie państwa regionu, z wyłączeniem Słowacji, uczestniczą w zainicjowanej w 2018 roku przez Austrię The Hydrogen Initiative. Jej celem jest zapewnienie rozwoju wodoru w ramach procesu dekarbonizacji energetyki.²⁶

Wśród państw Europy Środkowej największe korzyści z wykorzystaniem wodoru wiązane są z transportem. W Czechach w 2015 r. został przygotowany The National Action Plan for Clean Mobility, w którym zostały określone cele związane z rozwojem czystych technologii oraz ich wykorzystania w transporcie. Na Węgrzech zainteresowana wejściem na rynek wodoru jest Grupa MOL. Z państw Bałtyckich szczególnie warto zwrócić uwagę na Łotwę. W Rydze od kilku lat wykorzystywana jest niewielka liczba trolejbusów i autobusów zasilanych wodorem. Także pozostałe państwa Bałtyckie, jak również Bułgaria i Rumunia podejmują działania na rzecz rozwoju rynku wodorowego.²⁷

W Polsce trwają prace nad strategią wodorową, których efekty będzie można poznać na jesieni 2020 r. W rafinerii Grupy LOTOS S.A. planuje się budowę instalacji oczyszczenia wodoru oraz jego dystrybucji. Działania związane z rozwojem przemysłu wodorowego podejmuje także działająca w Czechach firma Unipetrol, która należy do PKN ORLEN S.A.28 Liczymy również na rozwój sektora wodorowego we współpracy z Japonią.²⁹

Energia atomowa i biogaz

Nawet przy pobieżnej analizie NWS oraz dokumentów KE nie da się nie zauważyć odrzucenia atomu, jako potencjalnego źródła produkcji wodoru. Niewątpliwą zaletą elektrowni jądrowych jest bardzo niski koszt wytwarzania energii elektrycznej oraz proporcjonalnie najmniejsze oddziaływanie na środowisko naturalne, nie tylko w zakresie użytkowania, ale także samej budowy elektrowni.³⁰ Produkcja wodoru w elektrowniach atomowych jest szczególnie uzasadniona w okresie „dolin nocnych” (spadek zapotrzebowania na energię). Taka produkcja odbywałaby się w praktyce bez kosztów, poprzez zagospodarowanie nadwyżki energii (system energetyczny nie może jej przyjąć).

Zarówno w NWS, jak i w dokumencie KE w małym stopniu wspomina się o możliwości produkcji wodoru z biogazu i odpadów. Produkcja wodoru akurat w ten sposób może być niezwykle korzystna dla Polski, z uwagi na rozwinięty sektor rolniczy.

Globalny rynek

Niemcy, w przyjętej strategii wodorowej³¹, zakładają że wodór zostanie paliwem przyszłości, które pozwoli na skuteczną dekarbonizację energochłonnych gałęzi gospodarki. W najbliższych dwóch dekadach władze Niemiec zakładają powstanie globalnego rynku, który ma zostać podzielony głównie między RFN i Chiny. To założenie jest o tyle interesujące, że nie wspomina o USA, które jest światowym liderem w produkcji wodoru z wykorzystaniem energii jądrowej.

Komentarz

Podsumowując NWS warto zwrócić uwagę na elementy, które wydają się być najbardziej kontrowersyjne. Pierwszym z nich jest programowe odrzucenie energii atomowej, jako możliwego sposobu wytwarzania wodoru. Można jedynie przypuszczać, że Niemcy z jakiegoś powodu uznali, iż atom nie jest korzystny dla rozwoju rodzimej gospodarki. Drugą sprawą jest brak informacji o USA, jako jednym z możliwych, głównych graczy na przyszłym, globalnym rynku wodoru. Wynika to prawdopodobnie z pogarszających się w ostatnich latach relacji pomiędzy obydwoma państwami. Trzecią sprawą jest słynny gazociąg Nord Stream II, który w dalszej przyszłości mógłby zostać wykorzystany także do sprowadzania z Rosji wodoru. Za tą tezą przemawia między innymi upór władz niemieckich w sprawie ukończenia tej inwestycji.³²

Artykuł został pierwotnie opublikowany w kwartalniku “Myśl Suwerenna. Przegląd Spraw Publicznych” nr 1(1)/2020.

[Grafika: Hubkolbenmotor mit zwölf Zylindern; Autor: Claus Ableiter]

_______________________________