Wodór w ciepłownictwie

Zgodnie z „Raportem o ciepłownictwie” z 2020 roku tylko 20% ciepła w Polsce pochodzi ze źródeł odnawialnych. Polska planowała zmniejszyć poziom emisji CO2 do 2030 roku o 30%, jednak przyspieszenie unijnej polityki klimatycznej (zmniejszenie emisji o 40% do 2030) oznacza konieczność jeszcze szybszej transformacji branży, która w ogromnej mierze opiera się na węglu.

Modernizacja ciepłownictwa w Polsce oznacza znaczące nakłady finansowe, wśród których należy uwzględnić budowę nowych źródeł kogeneracyjnych w małych i średnich systemach ciepłowniczych (wydatek rzędu 6-15 mld zł), modernizację istniejących źródeł kogeneracyjnych (ok. 14 mld zł) oraz inwestycje w takie technologie jak odzysk ciepła, magazyny ciepła i zagospodarowanie odpadów (7-12 mld zł). Łącznie daje to 42 do 71 mld zł koniecznych inwestycji, czyli prawie 5 do 8 mld zł rocznie, aby wypełnić polskie zobowiązania. Jedną z dostępnych nośników energii jest również wodór.

Obecnie wydajność procesu elektrolizy, w której wytwarzany jest wodór wynosi 60-70% czyli ok. jednej trzeciej energii zostaje uwolniona jako ciepło. Przy ponownym użyciu wodoru, tym razem do procesu produkcji energii elektrycznej za pomocą turbin gazowych lub ogniwa paliwowego, wydajność wynosi 40 do 55%. Łącznie daje to sprawność całego procesu na poziomie 24-38%. Odzyskując tzw. ciepło odpadowe powstałe w procesie elektrolizy do ogrzewania budynków można jednak zwiększyć wydajność tego procesu aż do 60-80%.

W Koninie (ZEPAK) działa blok energetyczny na biomasę, który już dziś zaopatruje miasto w energię cieplną. Już wkrótce energia ze spalania biomasy ma być wykorzystywana również do produkcji wodoru w procesie elektrolizy. Umowa z dostawcą instalacji Hydrogenics Europe zakłada początkowo budowę instalacji o mocy 2,5 MW, a następnie jej rozbudowę do 5 MW. ZEPAK planuje dalsze inwestycje w zieloną energię – w ciągu kilku lat w Koninie ma stanąć 10 elektrolizerów, każdy o mocy 5 MW.

Wodorowe turbiny

Wykorzystanie wodoru w sektorze energetycznym polega dzisiaj głównie na jego spalaniu w kotłach lub jednostkach kogeneracyjnych. Dotyczy to zwłaszcza zakładów, w których wodór powstaje jako produkt uboczny z procesów przemysłowych (np. przy produkcji chloru).

Barierą wstępną we wdrożeniu nisko- i zeroemisyjnych rozwiązań wodorowych w ciepłownictwie jest jednak wysoki koszt inwestycji w porównaniu do tradycyjnych technologii. Według Hydrogen Council zmieni się to w perspektywie 2030 roku, kiedy turbiny wodorowe będą mogły konkurować pod względem kosztów inwestycyjnych z turbinami gazowymi.

Na rynku istnieją już turbiny gazowe pracujące z domieszką nawet 90% wodoru. Wśród producentów dostarczających tego typu technologie znajdują się GE, Ansaldo i Siemens. Turbiny Aeroderative produkcji GE, z pojedynczym palnikiem pierścieniowym, mogą spalać gaz z zawartością wodoru na poziomie od 30 do 80%, a Heavy Duty nawet do 90%. Ansaldo produkuje turbinę gazową klasy H, która może pracować z zawartością wodoru do 50%, jednak tę wartość można zwiększyć do 70%, a firma pracuje nad instalacją wyłącznie na wodór. Siemens zobowiązał się do stopniowego zwiększania wydajności wodorowej swoich turbin gazowych do co najmniej 20% do 2020 roku i 100 proc. do 2030 roku. Dwie turbiny SGT-600 w Braskem w Brazylii będą pracowały z dodatkiem 60% wodoru.

Na etapie demonstracyjnym jest instalacja Kawasaki działająca wyłącznie w oparciu o paliwo wodorowe – w Kobe w Japonii. W Holandii do 2023 roku Mitsubishi dostosuje do zasilania w 100% wodorem blok CCGT o mocy 440 MW.

A może polska technologia?

W ramach rządowego programu rozwoju polskiego ciepłownictwa do pierwszej fazy projektu „Elektrociepłownia w lokalnym systemie energetycznym” zakwalifikowało się 10 podmiotów i konsorcjów. Celem przedsięwzięcia jest opracowanie innowacyjnej technologii uniwersalnego systemu wytwarzania i magazynowania energii do celów grzewczych w połączeniu z kogeneracją opartą o odnawialne źródła energii takie jak zielony wodór, energia słoneczna, energii wiatrowa czy biogaz. Po zakończeniu I etapu projektowania koncepcji Narodowe Centrum Badań i Rozwoju wybierze najlepsze rozwiązanie i przekaże zwycięzcy 36 mln zł brutto na jego realizację.

Wśród oferentów znalazło się konsorcjum spółki z Grupy Enea z Zakładami Energopomiar z Gliwic, które ma stworzyć koncepcję zasilania silnika gazowego zielonym wodorem wyprodukowanym w elektrolizerze dzięki energii elektrycznej pochodzącej w 100% z OZE. Całkowita planowana zainstalowana moc cieplna to 1,1 MW, natomiast elektryczna to 0,45 MW.

Blisko 1 mln zł z innego programu NCBiR - „Inteligentny Rozwój” otrzyma również spółka AP-GAZ na „Opracowanie technologii niskoemisyjnego spalania paliw wodorowych pochodzących z łańcucha technologii Power to X do zastosowania w przemysłowych palnikach gazowych oraz w energetycznych systemach spalania”.

Tempo przemian w polskim ciepłownictwie w dużej mierze zależy od gotowości władz do uruchamiania kolejnych form dofinansowania, dostępności grantów międzynarodowych, a także preferencyjnych rozwiązań dla inwestorów prywatnych. Jedno jest pewne – systemowa zmiana jest konieczna, a wraz ze spadkiem cen wodoru i rozwojem nowoczesnych technologii paliwo to coraz będzie nam towarzyszyć.

Elektroliza

Wodorowe turbiny

A może polska technologia?