Zasadę działania ogniw wodorowych odkrył w 1838 roku niemiecko-szwajcarski chemik Christian Friedrich Schönbein. W latach 50. XX wieku naukowcy wyprodukowali pierwsze ogniwa spalające wodór, które znalazły zastosowanie kilka lat później, kiedy Stany Zjednoczone wykorzystały ogniwa paliwowe w programie kosmicznym. Urządzenia były wykorzystywane w programie Gemini i Apollo. Wcześniej plany użycia wodoru miała np. firma Lockheed, która pracowała nad prototypem samolotu zasilanego surowcem.
Wodór stał się bardzo istotny w kontekście osiągania neutralności klimatycznej – Komisja Europejska podkreśla, że wraz z odchodzeniem od paliw kopalnych jego znaczenie wzrośnie, ponieważ może służyć jako nośnik energii, surowiec, ale da się go wykorzystać również do magazynowania energii elektrycznej pozyskiwanej sezonowo ze źródeł odnawialnych. Trzeba jednak zwrócić uwagę na „kolory” wodoru, w których przeważa szary, czyli produkowany poprzez reforming gazu ziemnego – reakcję wykorzystującą metan i parę wodną, której ubocznym produktem jest dwutlenek węgla. Jego udział w produkcji wodoru to aż 96%. Z perspektywy założeń Europejskiego Zielonego Ładu lepszym wyborem jest wodór niebieski, również produkowany z gazu ziemnego, ale powstający CO2 jest wychwytywany i składowany pod ziemią. Z kolei najwłaściwszy jest wodór zielony, powstający dzięki energii ze źródeł odnawialnych. To sprawia, że UE planuje do 2026 roku elektrolizerów o łącznej mocy 6 GW i produkcji miliona ton wodoru pochodzącego z OZE. Do 2030 roku w krajach Wspólnoty wytwarzanie wodorowej energii będą wspomagały elektrolizery o mocy 40 GW.
Zgodnie z przewidywaniami, zielona odmiana potrzebuje około 10 lat prac, żeby zyskać konkurencyjność cenową nad pozostałymi. Tymczasem w Polsce, która jest 3 producentem wodoru na świecie, rocznie powstaje ponad milion ton głównie szarego wodoru używanego w przemyśle chemicznym, rafineryjnym i spożywczym. Lider wytwarzania to Grupa Azoty, kolejne są Koksownie Zdzieszowice i Przyjaźń, PKN Orlen i Grupa Lotos. W związku z danymi, strategia przygotowana przez resort klimatu zakłada zwiększenie udziału wodoru niskoemisyjnego w strukturze rynku surowca w Polsce.
Strategia wodorowa
Sugestie dotyczące państwowego systemu wsparcia aktywności związanych z wodorem, można było zgłaszać do połowy lutego 2021 roku. Niecałe 10 miesięcy później „Polska Strategia Wodorowa do roku 2030 z perspektywą do roku 2040” została opublikowana. Dokument precyzuje powody zainteresowania surowcem – autorzy podkreślają, że wodór, pełniąc rolę magazynu energii, może odegrać istotną rolę w procesie osiągania neutralności klimatycznej. Przyda się szczególnie w sektorach energochłonnych, a dodatkowo w kształtującej się branży zajęcia znajdą osoby pracujące obecnie w przedsiębiorstwach, które w wyniku transformacji energetycznej będą zmniejszały zatrudnienie. Taka motywacja sprawia, że budowa i rozwój technologii wodorowych, wytwarzanie polskich produktów i podnoszenie poziomu kompetencji dotyczących stosowania surowca stają się, według autorów dokumentu, kluczowym wyzwaniem w polityce państwa. Wymagają dodatkowo podejścia opartego na całym łańcuchu wartości.
Gospodarka wodorowa
„Polska strategia…” określa elementy gospodarki wodorowej. Są to: sposoby produkcji, magazynowania i wykorzystania surowca i jego pochodnych. Jej rozwój jest uzależniony od budowy łańcucha wartości obejmującego nowe moce wytwórcze OZE, instalacje do wytwarzania wodoru ze źródeł niskoemisyjnych, a także przygotowanie sieci przesyłowej, infrastruktury tankowania czy też metod produkcji ogniw wykorzystywanych w różnych sektorach, np. ciepłowniczym oraz motoryzacyjnym. Powstanie gospodarki wodorowej jest możliwe, o ile strategie na szczeblu krajowym będą koordynowane we współpracy z samorządami. Dodatkowo potrzeba rozmów z naukowcami, przedsiębiorcami i społecznościami, co ułatwi wypracowanie ram prawnych i politycznych odpowiednich dla potrzeb rynku.
Szczegółowe cele polskiej strategii
Budowa i rozwój gospodarki wodorowej to kluczowe założenie rządowego dokumentu. Realizację wspomagają działania podejmowane w ramach 6 celów szczegółowych.
Pierwszy cel, czyli wdrożenie technologii wodorowych w energetyce i ciepłownictwie zakłada m.in. rozwój magazynów energii opartych o wodór oraz prace badawczo-rozwojowe w zakresie kompaktowych układów P2G i G2P (power-to-gas i gas-to-power) umożliwiających konwersję i magazynowanie energii elektrycznej. W dalszej perspektywie pierwszy cel będzie realizowany również poprzez rozbudowę instalacji fotowoltaicznych o elektrolizery (urządzenia do rozkładu wody na jej podstawowe składniki za pomocą energii elektrycznej).
Wykorzystanie wodoru jako paliwa alternatywnego w transporcie to druga z istotnych dziedzin. Autorzy strategii upatrują w niej szansy zastąpienia paliw kopalnych w transporcie miejskim, drogowym, a także kolejowym tam, gdzie linie nie są zelektryfikowane. W przyszłości z wodoru skorzystają również statki morskie i powietrzne. Do 2025 roku wsparcie uzyskają przedsięwzięcia dotyczące eksploatacji zeroemisyjnych autobusów, budowy sieci tankowania oraz konstruowania pociągów i lokomotyw napędzanych wodorem. Plan na koniec dekady to 800-1000 autobusów w Polsce i stopniowe zastępowanie maszyn w kolejnictwie.
Najtrudniej o neutralność klimatyczną w przemyśle ciężkim – zaznaczają autorzy dokumentu i dodają, że odpowiada on za 22% całkowitych emisji, przy czym największy udział mają: produkcja paliw, minerałów niemetalicznych, środków chemicznych i stali. Z tego powodu trzeci cel to wsparcie dekarbonizacji przemysłu. Zadania wyznaczone do 2025 roku dotyczą pozyskiwania i stosowania niskoemisyjnego wodoru w procesach petrochemicznych, chemicznych oraz nawozowych. Strategia zakłada, że 5 lat później uda się utworzyć co najmniej 5 dolin wodorowych, czyli centrów odpowiedzialnych za kompleksowe wdrażanie gospodarki wodorowej. Zadanie, choć zaplanowane na niecałą dekadę, zostało już w większości wykonane i obecnie mówi się o powstaniu w sumie 8 dolin.
Czwarty cel odnosi się do produkcji surowca w nowych instalacjach, którą ułatwią prace badawczo-rozwojowe dla niskoemisyjnych technologii pozyskiwania wodoru. Strategia przewiduje także uruchomienie instalacji wykorzystujących elektrolizę, zgazowanie, pirolizę oraz reforming parowy, żeby wytwarzać wodór z wody, biomasy, biogazu i biometanu. Moc instalacji pod koniec dekady miałaby wynosić 2 GW.
Przedostatnia grupa wspieranych aktywności dotyczy sprawnego i bezpiecznego przesyłu, dystrybucji i magazynowania wodoru. Przesył i dystrybucję można zrealizować np. z pomocą istniejących sieci gazu ziemnego, jeśli zostaną przystosowane do nowego zadania, jak również cystern i butlowozów. Z kolei do magazynowania można wykorzystać zarówno naziemne, jak i podziemne zbiorniki. Wśród pierwszych można wymienić wyeksploatowane pola naftowe i gazowe, kawerny (puste przestrzenie w skałach), a także opuszczone kopalnie. Włączenie rezerwuarów naziemnych będzie niezbędne przy wielkoskalowym wdrażaniu technologii wodorowych.
Rozwój gospodarki wodorowej jest uzależniony od odpowiednich ram prawnych, dlatego jako szósty cel szczegółowy autorzy strategii przyjęli stworzenie stabilnego otoczenia regulacyjnego. Jednym z działań jest opracowanie pakietu wodorowego – przepisów określających funkcjonowanie rynku, wdrażających przepisy Unii Europejskiej oraz system zachęt do produkcji niskoemisyjnego surowca.
Doliny wodorowe
Jednym z zadań wynikających z dokumentu jest tworzenie regionalnych ekosystemów wodorowych bazujących na lokalnym popycie, transporcie i produkcji wykorzystującej odnawialne źródła energii. Podkarpacka Dolina Wodorowa powołana na Politechnice Rzeszowskiej jest stowarzyszeniem firm, instytucji badawczych i naukowych, które chcą rozwijać metody dystrybucji i wytwarzania wodoru. W działalność organizacji zaangażował się m.in. Autosan, który planuje produkcję autobusów wodorowych. W śląsko-małopolskim stowarzyszeniu nacisk jest kładziony na zielony wodór, a w Dolnośląskiej Dolinie Wodorowej, której liderem jest KGHM, podkreśla się konieczność prowadzenia innowacyjnych przedsięwzięć naukowych, technologicznych, przemysłowych oraz projektów inwestycyjnych. W ramach doliny mazowieckiej, zrzeszającej 37 firm i instytucji, m.in. PKN Orlen, Instytut Ochrony Środowiska – Państwowy Instytut Badawczy, Politechnikę Warszawską, Siemens Energy, Pojazdy Szynowe PESA Bydgoszcz oraz Alstom Konstal, planowane są: produkcja syntetycznych węglowodorów z wykorzystaniem niskoemisyjnego wodoru, utworzenie Akademii Wodoru, opracowanie lokomotywy napędzanej wodorem, uruchomienie stacji tankowania i utworzenie hubów wodorowych w Płocku i Ostrołęce.
Inicjatywy prowadzone w Polsce
Według planów członków Mazowieckiej Doliny Worodowej – Orlenu i Alstomu, do 2024 roku na regionalne trasy kolejowe w Polsce wyjadą pociągi napędzane wodorem. Koncern naftowy zajmie się dystrybucją, magazynowaniem i dostawami paliwa, a Alstom wyprodukuje maszyny. Z kolei badaniem metod przesyłu wodoru zajmie się GAZ-SYSTEM – spółka zarządzająca najważniejszymi gazociągami w kraju. Instalację zasilającą Instytut Naukowo-Badawczy Sebastineum Silesiacum w prąd i ciepło testuje Tauron. Kolejnym przedsięwzięciem jest budowa stacji tankowania w Koninie, gdzie miejski przewoźnik wydzierżawi wodorowy autobus i sprawdzi jego wydajność. Natomiast polski startup Ampere Life pracuje nad wytwarzaniem samochodów wodorowych – zgodnie z zapowiedziami pierwszym może być SUV o zasięgu 800-1000 kilometrów. Działający prototyp powstanie około 2030 roku.