Jakie są metody produkcji wodoru i ich wpływ na dekarbonizację przemysłu?

Wodór, o masie cząsteczkowej 2,016 g/mol, jest pierwszym pierwiastkiem w układzie okresowym, zajmującym około 75% masy wszechświata. Choć rzadko występuje w czystej postaci, jest kluczowym składnikiem wielu związków, w tym wody (H2O) i węglowodorów (CnHm). Wodór może pełnić rolę nośnika energii, alternatywy dla paliw kopalnych, a także stanowić paliwo do spalania wewnętrznego lub w ogniwach paliwowych. Jest również wykorzystywany w procesach przemysłowych, w tym do produkcji amoniaku lub metanu, bez emisji gazów cieplarnianych. Istnieje kilka metod produkcji wodoru, a ich wybór wpływa bezpośrednio na jego wpływ na środowisko i potencjał dekarbonizacji. W szczególności wyróżnia się wodór zielony, pozyskiwany dzięki elektrolizie wody z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii.

Produkcja wodoru wymaga znacznych nakładów energetycznych, ponieważ procesy jego uzyskiwania są endoenergetyczne, czyli wymagają dostarczenia energii do przeprowadzenia reakcji chemicznych. Tradycyjne metody, takie jak reforming parowy metanu (SMR), gazifikacja czy częściowa oksydacja (POX), korzystają z paliw kopalnych. Mimo że są to metody efektywne, ich stosowanie wiąże się z emisją gazów cieplarnianych. Dlatego istnieje pilna potrzeba zastąpienia ich bardziej ekologicznymi alternatywami, takimi jak zielony wodór, pozyskiwany dzięki elektrolizie wody, zasilanej energią odnawialną.

W przeciwieństwie do tradycyjnych metod, wodór zielony, produkowany w procesie elektrolizy, stanowi prawdziwą alternatywę w kontekście dekarbonizacji. Elektroliza wody wykorzystuje energię pochodzącą z odnawialnych źródeł, takich jak wiatr, słońce czy energia wodna, do rozkładu cząsteczek wody na wodór i tlen. Wodór pozyskany w ten sposób jest czysty, ponieważ nie wiąże się z emisją żadnych gazów cieplarnianych, o ile procesy elektrolizy zasilane są w pełni ekologiczną energią. Wodór zielony jest kluczowym elementem w dążeniu do neutralności węglowej, zwłaszcza w przemysłach trudnych do dekarmozacji, takich jak przemysł stalowy, lotniczy czy morski, które tradycyjnie opierają się na paliwach kopalnych.

Produkcja wodoru zielonego nie jest jednak wolna od wyzwań. Jednym z najistotniejszych aspektów pozostaje koszt produkcji, który wciąż jest wyższy niż w przypadku wodoru produkowanego z paliw kopalnych. Ponadto, infrastruktura do produkcji i dystrybucji wodoru zielonego wciąż znajduje się na wczesnym etapie rozwoju. Wymaga to zarówno inwestycji w technologie, jak i wsparcia ze strony polityk państwowych, które muszą stawiać na rozwój energii odnawialnej oraz ułatwienie integracji wodoru w sieci energetyczne i przemysłowe.

W kontekście dekarbonizacji, wodór ma szczególne znaczenie jako nośnik energii w sektorach, które trudno będzie w pełni zelektryfikować, jak transport morski, lotniczy oraz niektóre gałęzie przemysłu. Jego produkcja z odnawialnych źródeł energii stwarza możliwość znacznej redukcji emisji gazów cieplarnianych, w tym w szczególności w sektorach intensywnie korzystających z paliw kopalnych. Warto zauważyć, że wodór nie jest rozwiązaniem uniwersalnym i jego rola w dekarbonizacji będzie musiała być odpowiednio dopasowana do specyficznych potrzeb i wyzwań poszczególnych gałęzi przemysłu.

Oprócz technologii produkcji wodoru, istotnym zagadnieniem staje się także rozwój infrastruktury do jego przechowywania i transportu. Wodór, ze względu na swoje właściwości fizyczne, wymaga specjalistycznych rozwiązań do magazynowania oraz przesyłania, co stanowi kolejny punkt, który wymaga uwagi w kontekście jego szerokiego zastosowania. Z perspektywy politycznej i gospodarczej konieczne jest wspieranie innowacji w tym obszarze, aby wodór mógł stać się realną alternatywą dla paliw kopalnych, zarówno w przemyśle, jak i w transporcie.

Jak określić odpowiednią wielkość systemu turbin wiatrowych do produkcji wodoru?

Wydajność systemu wiatrowego, zaprojektowanego do produkcji wodoru, wymaga uwzględnienia kilku czynników technicznych, w tym pojemności wiatrowej, charakterystyki wiatru oraz sprawności turbin. Kluczowym wskaźnikiem przy projektowaniu takiego systemu jest współczynnik wydajności wiatru, który określa stosunek rzeczywistego wyjścia energii do maksymalnego możliwego wyjścia. Wartość tego współczynnika ma fundamentalne znaczenie, ponieważ w przypadku niskiej wydajności wiatru konieczne staje się zastosowanie większej liczby turbin lub turbin o wyższej mocy, aby zrekompensować okresy mniejszej dostępności wiatru.

Wzór na obliczenie mocy wiatru, czyli tzw. gęstości mocy wiatru, przedstawia się następująco:

gdzie:

• $P$ to moc wiatru,

• $\rho$ to gęstość powietrza (w kg/m³),

• $A$ to powierzchnia śmigła turbiny (w m²),

• $V$ to prędkość wiatru (w m/s).

W praktyce, prędkość wiatru mierzy się na określonej wysokości, zazwyczaj 10 metrów nad ziemią. Aby dostosować wartość prędkości wiatru do wysokości wirnika turbiny, stosuje się wzór uwzględniający wysokość terenu, na którym znajduje się turbina, oraz chropowatość powierzchni terenu (tzw. wysokość szorstkości, $Z_0$).

Również, aby obliczyć rzeczywistą gęstość energii użytecznej, która może być wyprodukowana przez turbinę, należy uwzględnić ilość godzin pracy turbiny w ciągu roku, a także parametry specyficzne dla instalacji wiatrowej. Wzór na gęstość energii jest następujący:

gdzie:

• $ED$ to gęstość energii (w kWh/m²/rok),

• $n$ to liczba godzin pracy turbiny w ciągu roku.

W praktyce, na podstawie gęstości energii, można wyliczyć potrzebną powierzchnię śmigła turbiny, która będzie w stanie wyprodukować określoną ilość energii, biorąc pod uwagę również współczynnik sprawności turbiny (Cp) oraz współczynnik wydajności (CF).

Obliczenia te są niezbędne do określenia odpowiedniej liczby turbin wiatrowych, które będą w stanie zapewnić produkcję określonej ilości wodoru, szczególnie w kontekście projektowania systemu elektrolizerów, który będzie wykorzystywał wygenerowaną energię wiatrową. Na przykład, w przypadku elektrolizerów, ważne jest, aby znać ich sprawność oraz wydajność produkcji wodoru na godzinę, aby odpowiednio dobrać moc turbin wiatrowych, które zapewnią wymagane do produkcji wodoru ilości energii.

Dla uproszczenia, załóżmy, że chcemy uzyskać 100 kg wodoru dziennie. Wówczas obliczenia mogłyby wyglądać następująco: energia potrzebna do produkcji 1 kg wodoru, biorąc pod uwagę sprawność elektrolizera, to 65 kWh/kg. Zatem, do produkcji 100 kg wodoru potrzeba 6500 kWh. Na podstawie danych o gęstości energii z turbiny, obliczamy powierzchnię śmigła turbiny, a także wielkość całego systemu wiatrowego, uwzględniając współczynnik wydajności oraz inne parametry operacyjne.

Dodatkowo, w kontekście projektowania systemu elektrolizerów, należy uwzględnić ich wydajność i parametry, takie jak pojemność produkcji wodoru, technologię zastosowaną w elektrolizerze (np. alkaliczna, PEM, SOEC), oraz gęstość prądu roboczego. Zmienne w odniesieniu do zasobów odnawialnej energii, takich jak wiatr czy energia słoneczna, wprowadzają znaczne niepewności w cyklu pracy elektrolizera, co wymaga starannego uwzględnienia w projektowaniu.

Zatem, aby zapewnić optymalną produkcję wodoru z energii wiatrowej, należy wziąć pod uwagę nie tylko potencjał wiatru, ale również zmienność jego siły w ciągu roku. Wydajność systemu wiatrowego zależy od umiejętności prognozowania i adaptacji do zmieniających się warunków pogodowych. Wartości współczynnika wydajności oraz współczynnika mocy są kluczowe przy planowaniu produkcji, ale równie istotne są odpowiednie wyliczenia energetyczne, które pozwolą na wyznaczenie wymaganego rozmiaru systemu turbin wiatrowych oraz efektywnego doboru elektrolizerów.