Wykorzystanie fotowoltaiki do produkcji wodoru staje się coraz częściej branym pod uwagę rozwiązaniem dla wielu współczesnych wyzwań. Wykorzystuje się go między innymi w ogrzewaniu, transporcie czy zarządzaniu nadwyżkami energii odnawialnej. Czy produkcja wodoru z fotowoltaiki ma sens? Czy warto inwestować w takie rozwiązania?
Przeczytaj także:
- Taryfa G12 – taryfa nocna dwustrefowa dla gospodarstw domowych
- Rozliczenie energii wprowadzonej do sieci z fotowoltaiki
- Nowa taryfa G14 – najważniejsze informacje
Czy opłaca się produkować wodór z fotowoltaiki?
Wodór jest najpowszechniejszym pierwiastkiem na Ziemi i znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. W energetyce pełni rolę nośnika energii, w transporcie może być wykorzystywany jako paliwo, a w sektorze chemicznym bierze udział w produkcji nawozów oraz procesach rafineryjnych. W przemyśle spożywczym stosowany jest m.in. do utwardzania tłuszczów, a w metalurgii wspomaga procesy technologiczne.
Poszukiwanie alternatyw dla paliw kopalnych sprawia, że coraz większą uwagę zwraca się na wodór jako potencjalne rozwiązanie problemów związanych z emisją CO₂. Jednym z pomysłów jest jego produkcja przy użyciu energii odnawialnej, na przykład z instalacji fotowoltaicznych.
Technologicznie jest to możliwe, jednak nadal wiąże się z wysokimi kosztami i wieloma wyzwaniami. Wykorzystanie wodoru pochodzącego z odnawialnych źródeł energii na szeroką skalę w sektorze grzewczym czy transporcie pozostaje na etapie testów i pilotażowych wdrożeń, a jego opłacalność wymaga dalszych usprawnień technologicznych.
Zielony wodór z fotowoltaiki
Wodór wytwarzany przy użyciu energii słonecznej jest określany jako zielony wodór. Jego produkcja odbywa się poprzez wykorzystanie nadwyżek energii elektrycznej z odnawialnych źródeł. Pozwala to ograniczyć emisję dwutlenku węgla. Proces ten eliminuje bezpośrednie emisje, jednak w przypadku instalacji podłączonych do sieci, gdzie w miksie energetycznym znajdują się elektrownie węglowe lub gazowe, nadal może występować pośredni ślad węglowy.
Jak powstaje wodór z instalacji fotowoltaicznej?
Wodór produkowany przy użyciu fotowoltaiki lub innych źródeł odnawialnych powstaje w procesie elektrolizy wody, który zachodzi w specjalnym urządzeniu zwanym elektrolizerem. Pod wpływem napięcia elektrycznego cząsteczki wody ulegają rozkładowi, w wyniku czego powstaje wodór oraz tlen. W zależności od zastosowanej technologii elektrolizy, przebieg tego procesu może się różnić, jednak jego zasada działania pozostaje niezmienna – wykorzystuje on energię elektryczną do oddzielenia pierwiastków, tworząc paliwo mogące znaleźć zastosowanie w różnych sektorach gospodarki.
W elektrolizie alkalicznej proces zachodzi w elektrolizerze wyposażonym w dwie elektrody – katodę i anodę – zanurzone w wodzie. Do prawidłowego przebiegu reakcji konieczna jest czysta, zdemineralizowana woda, która sama w sobie nie przewodzi prądu wystarczająco dobrze. Aby poprawić jej przewodnictwo, dodaje się substancje chemiczne, takie jak zasady lub kwasy. W celu zapobiegania ponownemu połączeniu wodoru i tlenu pomiędzy elektrodami umieszcza się oddzielacz nasycony elektrolitem, który umożliwia przewodzenie jonów.
Chociaż energia odnawialna może zasilać ten proces, to jednak jego reaktywność jest ograniczona – zwiększenie produkcji wymaga około minuty. W przypadku źródeł o zmiennej charakterystyce, takich jak fotowoltaika czy wiatraki, bardziej efektywnym rozwiązaniem jest elektroliza z wykorzystaniem polimerowych membran wymiany protonów (PEM). Wyróżnia się ona krótszym czasem reakcji, wynoszącym około dwóch sekund oraz innym typem elektrolitu. Pomimo tych zalet, jej zastosowanie jest ograniczone przez wysokie koszty komponentów, skomplikowaną budowę i szybsze zużycie elementów elektrolizera, co sprawia, że nadal ustępuje pod względem opłacalności technologii alkalicznej.
Wodór z fotowoltaiki – koszty wytworzenia wodoru z PV i opłacalność procesu
Koszt energetyczny i ekonomiczny produkcji wodoru przy użyciu fotowoltaiki lub innych odnawialnych źródeł energii stanowi istotne wyzwanie. Do wytworzenia 1 kg wodoru potrzeba około 9 litrów wody i 50 kWh energii elektrycznej. Obecnie koszty wytworzenia wodoru metodą elektrolizy alkalicznej zasilanej energią z fotowoltaiki on-grid wynoszą od 3 do 7,5 dolarów za kilogram, co w przeliczeniu daje około 13–32 zł/kg. Przy uwzględnieniu wartości energetycznej wodoru (około 33 kWh/kg), koszt ten przekłada się na około 0,39–0,97 zł/kWh.
Dla porównania, wodór wytwarzany z gazu ziemnego w procesie reformingu kosztuje obecnie 1–3,5 dolara za kilogram, a w przypadku zgazowywania węgla wartość ta wynosi 1,2–2,2 dolara za kilogram. Wyższe koszty dotyczą procesów, które uwzględniają wychwytywanie i przechowywanie dwutlenku węgla w celu redukcji jego emisji.
Dynamiczne zmiany na rynku energetycznym mogą jednak wpłynąć na opłacalność poszczególnych metod produkcji wodoru. Koszty emisji CO₂ rosną, co może zwiększyć wydatki związane z konwencjonalnymi sposobami wytwarzania tego paliwa. Jednocześnie technologie związane z odnawialnymi źródłami energii i elektrolizą stają się coraz bardziej efektywne i tańsze.
W ciągu ostatniej dekady koszt elektrolizerów spadł o 60%, a ceny paneli fotowoltaicznych zmniejszyły się o około 80% w porównaniu z 2010 rokiem. Prognozy wskazują, że do 2030 roku koszt produkcji wodoru z odnawialnych źródeł może spaść o połowę i osiągnąć poziom około 2,2 dolara za kilogram. W tym samym czasie przewidywane podwyżki opłat za emisję CO₂ mogą sprawić, że produkcja wodoru z paliw kopalnych stanie się mniej opłacalna i będzie kosztować nawet 5 dolarów za kilogram.
Produkcja, magazynowanie i zastosowanie wodoru z fotowoltaiki
Raport Polskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej „Zielony wodór z OZE w Polsce” wskazuje, że koszty produkcji to tylko jeden z wielu aspektów, które trzeba rozwiązać, aby wodór wytwarzany z odnawialnych źródeł energii mógł być szerzej wykorzystywany. Wodorowa transformacja energetyczna to złożony proces, który wymaga skoordynowanych działań na wielu poziomach.
Obniżenie kosztów wytwarzania wodoru nie wystarczy, jeśli nie zostanie zapewnione stabilne zapotrzebowanie na ten surowiec. Stworzenie popytu na wodór zależy od rozwoju odpowiedniej infrastruktury oraz ram prawnych, które zachęcą inwestorów do wdrażania technologii opartych na tym paliwie.
Aby umożliwić szersze wykorzystanie wodoru wytwarzanego z fotowoltaiki i innych odnawialnych źródeł energii, konieczne jest rozwijanie trzech kluczowych obszarów:
- produkcji, czyli budowy efektywnych instalacji do elektrolizy oraz integracji ich z systemami energetycznymi,
- transportu i magazynowania, które wymagają technologii pozwalających na bezpieczne przechowywanie i przesył wodoru,
- zastosowania w różnych sektorach gospodarki, od przemysłu, przez transport, po energetykę i ciepłownictwo.
Dopóki te elementy nie zostaną rozwinięte, wodór z odnawialnych źródeł energii pozostanie technologią o ograniczonym zasięgu, a jego wykorzystanie na szeroką skalę będzie utrudnione.
Jakie przeszkody stoją na drodze do produkcji wodoru z fotowoltaiki w kontekście samej produkcji i regulacji prawnych?
Oprócz kosztów produkcji, istotnym wyzwaniem jest brak odpowiednich regulacji prawnych dotyczących m.in. przyłączania instalacji wytwórczych do sieci oraz systemu certyfikowania wodoru pochodzącego z odnawialnych źródeł energii. Nieuregulowane pozostają również procedury związane z jego wytwarzaniem, co utrudnia rozwój tego sektora.
Istnieją także wątpliwości dotyczące efektywności energetycznej procesu produkcji wodoru. Obecna sprawność elektrolizerów alkalicznych i PEM wynosi około 65-82%, co oznacza, że znaczna część energii zużywanej na elektrolizę nie jest efektywnie wykorzystywana. Niezbędne jest opracowanie bardziej wydajnych technologii, które zminimalizują straty energii i zwiększą opłacalność całego procesu.
Uregulowanie kwestii prawnych i rozwój technologii nie nastąpi jednak bez długofalowej strategii wodorowej. Aby rynek mógł się rozwinąć, konieczne jest określenie, jakie miejsce wodór zajmie w gospodarce i w jakich sektorach znajdzie zastosowanie. Dopóki nie zostanie wypracowana spójna wizja wykorzystania tego paliwa, trudno będzie stworzyć stabilne modele biznesowe i zapewnić popyt, który zachęci inwestorów do angażowania się w ten sektor.
Wodór z fotowoltaiki – ograniczenia związane z magazynowaniem i transportem
Istotnym wyzwaniem związanym z wykorzystaniem wodoru pozostają kwestie jego transportu i magazynowania. Brak wydajnych i opłacalnych metod jego przesyłu oraz dystrybucji stanowi jedną z głównych barier rozwoju technologii wodorowych. Budowa dedykowanej infrastruktury wiązałaby się z ogromnymi kosztami, a wykorzystanie istniejących sieci gazowych wymagałoby kosztownej modernizacji.
Jednym z proponowanych rozwiązań jest produkcja wodoru na miejscu, jego magazynowanie i konwersja na energię elektryczną, która mogłaby być łatwiej przesyłana. Jednak w obecnym stanie sieci elektroenergetyczne nie są przystosowane do takiego rozwiązania.
Samo przechowywanie wodoru stanowi duże wyzwanie. Ze względu na bardzo małe cząsteczki, gaz ten łatwo przenika przez wiele materiałów, co zwiększa ryzyko jego ulatniania się. Istnieją już specjalne pojemniki do jego sprężania, jednak proces ten pochłania znaczną ilość energii – nawet 15-20% wartości energetycznej samego paliwa. Jeszcze większe straty generuje skraplanie, które wymaga temperatury -253°C i zastosowania kriogenicznych zbiorników, co może prowadzić do utraty nawet 30-40% energii.
Alternatywne koncepcje, takie jak przechowywanie wodoru w wyeksploatowanych złożach ropy i gazu, dawnych kopalniach lub naturalnych formacjach geologicznych, są dopiero na etapie badań i analiz, przez co ich praktyczna realizacja pozostaje kwestią przyszłości.
Czy wodór z fotowoltaiki ma ograniczone zastosowanie w systemie energetycznym?
Choć wodór często postrzegany jest jako paliwo przyszłości, jego powszechne zastosowanie wciąż napotyka liczne bariery. W sektorze ciepłowniczym nie istnieją jeszcze technologie i urządzenia przystosowane do pracy na czystym wodorze, a dostosowanie obecnych systemów wiązałoby się z wysokimi kosztami. Wymagałoby to także wsparcia na poziomie rządowym, szczególnie w początkowej fazie wdrażania.
Motoryzacja również nie jest gotowa na szerokie wykorzystanie wodoru. W Polsce brakuje rozwiniętej sieci stacji tankowania, a ceny pojazdów napędzanych tym paliwem sprawiają, że pozostają one poza zasięgiem większości konsumentów. Ograniczona infrastruktura i wysokie koszty zakupu powodują, że rynek aut wodorowych rozwija się powoli.
Dodatkową przeszkodą w popularyzacji tego rozwiązania jest brak odpowiednich regulacji prawnych oraz niedobór specjalistów w tej dziedzinie. W Polsce technologia wodorowa pozostaje w fazie eksperymentalnej, a jej rozwój wymaga zarówno działań legislacyjnych, jak i inwestycji w edukację i badania.
Paliwo wodorowe z fotowoltaiki – czy można wykorzystać generator wodorowy do ogrzewania domu?
Obecnie wykorzystanie wodoru z fotowoltaiki w prywatnych instalacjach pozostaje w fazie teoretycznych rozważań, a droga do jego praktycznego zastosowania w domowych systemach grzewczych jest jeszcze długa. Generatory wodoru, które mogłyby być zasilane energią słoneczną i wykorzystywane do ogrzewania budynków, nie są jeszcze dostępne na szeroką skalę.
Na tym etapie całkowita samowystarczalność energetyczna gospodarstw domowych, oparta na fotowoltaice i wodorze, pozostaje poza zasięgiem. Istnieją jednak przesłanki, że sytuacja ta może w niedalekiej przyszłości ulec zmianie. Firmy badawcze i technologiczne nieustannie pracują nad rozwiązaniami umożliwiającymi większe wykorzystanie wodoru w różnych sektorach, w tym w ogrzewnictwie.
Na rynku zaczynają pojawiać się urządzenia oznaczone jako „H2Ready”, czyli kotły gazowe, które mogą działać z dodatkiem 20% wodoru. Jest to jednak dopiero wstępny etap transformacji, który wymaga dalszych innowacji i rozwoju infrastruktury, zanim wodór stanie się realnym rozwiązaniem dla gospodarstw domowych.
