wodor_2005.pdf

NOWE TECHNOLOGIE

Przyszłość wodoru

w polskiej energetyce

zawodowej

MAŁGORZATA SOBIEŚCIAK-JECZEŃ

OLGIERD SKONIECZNY

PSE SA

seminarium poświęcone przyszłości wodoru

w polskiej energetyce zawodowej. Było pierwszym

z planowanego cyklu spotkaniem poświęconym za-

gadnieniom wytwarzania, przesyłania i wykorzysta-

nia jednego z najbardziej obiecujących paliw przy-

szłości.

Seminarium zostało zorganizowane pod pa-

tronatem i przewodnictwem prezesa Zarządu

PSE SA Stanisława Dobrzańskiego. Wśród uczestni-

ków obecni byli prezes Urzędu Regulacji Energetyki

Leszek Juchniewicz, prezes Fundacji EkoFundusz

Maciej Nowicki, przedstawiciele Ministerstwa Go-

spodarki i Pracy, wyższych uczelni, instytutów na-

ukowo-badawczych i elektrowni.

nej zaspokoją co najwyżej 22 proc. potrzeb energe-

tycznych kontynentu. Zasoby gazu ziemnego w Nor-

wegii i Wielkiej Brytanii szacowane są na 25 lat,

natomiast w Rosji na 40 – 60 lat. Z paliw pierwot-

nych, występujących w Europie, do obfitych zaso-

Dlaczego wodór

Obecnie na świecie nie występuje problem

braku źródeł energii. Kończą się jednak źródła

energii taniej. Europejskie zasoby energii odnawial-

Prezes Stanisław Dobrzański otwiera seminarium. Obok:

Hanna Trojanowska, dyrektor Departamentu Współpracy

Międzynarodowej

BIULETYN MIESIĘCZNY – KWIECIEŃ 2005

3 marca 2005 r. w siedzibie PSE SA odbyło się

NOWE TECHNOLOGIE

PRZYSZŁOŚĆ WODORU W POLSKIEJ ENERGETYCE ZAWODOWEJ

bów zalicza się jeszcze jedynie złoża węgla kamien-

nego, zalegające przede wszystkim na terenie Pol-

ski i Czech, oraz złoża węgla brunatnego w Polsce

i Niemczech. Szacuje się, że mogą one wystarczyć

na 300 – 400 lat (zasoby bilansowe) [1].

Można przewidywać, że dynamicznie rozwija-

jące się państwa Dalekiego Wschodu, a zwłaszcza

Chiny i Indie, sięgną po gaz z Rosji. Dywersyfikacja

kierunków dystrybucji i zwiększenie popytu na ro-

syjski gaz spowodują drastyczną podwyżkę jego ce-

ny. Wykorzystanie paliw płynnych do ogrzewania

i produkcji energii elektrycznej już w nieodległej

przyszłości będzie więc postrzegane jako rozrzut-

ność. Kurczące się zasoby węglowodorów kopal-

nych powinny być pozostawione przede wszystkim

na potrzeby przemysłu chemicznego, jako substrat

licznych procesów przetwórczych. Wykorzystanie

węglowodorów jako paliw będzie z czasem ograni-

czane, głównie do napędu środków transportu.

A więc przyszłość energetyki konwencjonalnej nale-

ży budować na innym surowcu – jedynym dostęp-

nym obecnie w wielkiej skali – węglu. Jednak i wę-

giel nie będzie w przyszłości tanim paliwem. Coraz

trudniejsze warunki eksploatacji kopalń będą wpły-

wały na wzrost jego ceny [1].

Jednym ze sposobów czystego wykorzystania

węgla będzie produkcja wodoru. W sytuacji, gdy

cena gazu gwałtownie wzrośnie po 2030 r.,

a względy ochrony środowiska nadal będą zmusza-

ły do redukcji emisji dwutlenku węgla, energetyka

wodorowa będzie ekonomicznie uzasadnioną

i przyjazną środowisku metodą wykorzystania wę-

gla. Wdrożenie metod pozyskania wodoru i jego

wykorzystania w energetyce wymagać będzie jesz-

cze wielu wysiłków, ale też czynnik stymulujący

rozwój tych technologii będzie bardzo silny. Moto-

rem rozwoju technologii wodorowych stanie się

bezpieczeństwo energetyczne [1].

Wodór – nie od dziś

Produkcja i wykorzystanie wodoru ma swoich

prekursorów. Powszechnie niegdyś stosowany gaz

miejski (świetlny) składał się w przeważającej części

z wodoru. W jego skład wchodziły też metan, tle-

nek węgla i inne związki. Gaz miejski – otrzymywa-

ny w procesie odgazowania węgla lub zgazowania

koksu – stosowany był do celów komunalnych

i przemysłowych. W Warszawie pierwsza gazownia

uruchomiona została 26 grudnia 1856 r. przez Nie-

mieckie Kontynentalne Towarzystwo z Dessau.

Wówczas po raz pierwszy zapalono 96 latarń gazo-

wych na trasie ulic Ludna – Nowy Świat – Krakow-

skie Przedmieście – Plac Zamkowy. Do dziś podob-

ne latarnie palą się przy ul. Ludnej przed wejściem

do Mazowieckiego Okręgowego Zakładu Gazow-

nictwa, czy wzdłuż ul. Jodłowej na Sadybie.

W 1938 roku produkcja gazu miejskiego w War-

szawie wynosiła 62 mln m 3 , a długość sieci miej-

skiej liczyła 670 km. W 1965 roku produkcja gazu

była trzykrotnie większa.

Wodór wykorzystywany był w transporcie do

wypełniania balonów. Pożar sterowca Hindenburg

w 1937 roku zamknął jednak definitywnie epokę

zdobywania przestrzeni przy wykorzystaniu gazo-

wej postaci wodoru.

Obecnie wodór ma zastosowanie jako surowiec

głównie w przemyśle naftowym (około 50 proc.), do

produkcji metanolu (około 25 proc.) i amoniaku (kil-

ka procent). Jako paliwo praktycznie nie jest wyko-

rzystywany, z wyjątkiem napędu rakietowego. Mimo

to w energetyce jest niezastąpiony, znajdując za-

stosowanie do chłodzenia generatorów. W 85 proc.

wodór produkowany jest z gazu ziemnego [2].

Wodór – wielkie oczekiwania

Rozwój technologii wodorowej stwarza rozle-

głe perspektywy rozwiązań glloballnych, a także

BIULETYN MIESIĘCZNY – KWIECIEŃ 2005

NOWE TECHNOLOGIE

PRZYSZŁOŚĆ WODORU W POLSKIEJ ENERGETYCE ZAWODOWEJ

możliwości optymalliizacjjii i konsolliidacjjii pracy luźno

dziś powiązanych ze sobą obszarów aktywności

energetycznej [1].

Glloballny wymiar gospodarki wodorowej bę-

dzie wiązał się z wykorzystaniem, jak można przy-

puszczać, istniejącej sieci gazociągów gazu ziem-

nego do przesyłu wodoru na duże odległości, bu-

dowy wydzielonych sieci wodorowych, a także

transportowania wodoru zmagazynowanego przy

wykorzystaniu nowoczesnych technologii, np. na-

nostruktur kompozytowych. W ten sposób, wodór

będzie można użytkować nie tylko lokalnie, w rejo-

nie jego produkcji, jak to miało miejsce na przykład

w przypadku gazu miejskiego, ale również w odle-

głych od źródła rejonach.

Konsolliidacyjjna rola wodoru w zastosowa-

niach energetycznych opiera się na przekonaniu, że

wodór można będzie efektywnie wytwarzać z ener-

gii wiatru, słońca, węgla, biopaliw, gazu ziemnego,

rozszczepienia jądra atomowego i innych. Poprzez

wykorzystanie elektrolizy, zgazowania, fotowolta-

iki, termodysocjacji itd., wodór mógłby być integra-

torem podsystemów energetycznych. Dotyczyć to

powinno zwłaszcza integracji energetycznego wy-

korzystania węgla i odnawialnych źródeł energii.

Wykorzystanie wodoru stwarza również moż-

liwość szeroko pojętej – w rozumieniu terytorial-

nym – optymalliizacjjii kierunków rozwoju energetyki.

Optymalizacja ta byłaby możliwa dzięki współdzia-

łaniu systemów transportu wodoru ze źródłami

wodoru opartymi na lokalnych zasobach paliw

i energii. I tak stałaby się możliwa współpraca pół-

nocnej części Europy obfitej w biomasę i energię

wiatru, z centralną częścią naszego kontynentu za-

sobną w węgiel kamienny i brunatny, a także z re-

gionem Morza Śródziemnego (włączając Afrykę

Północną), gdzie bogactwo słońca i gazu ziemne-

go stanowią największy potencjał energetyczny.

Wykorzystanie wodoru stwarza więc ogromne

możliwości dla wyzwolenia synergii poprzez sprzę-

gnięcie pracy różnych podsystemów energetycz-

nych, a także ich odpowiedniego rozwoju w róż-

nych regionach Europy i świata [1].

Technologie wodorowe są atrakcyjne ze

względu na możliwość osiągania wysokich spraw-

ności. Uzyskiwanie w hybrydowych instalacjach

przemysłowych, złożonych z ogniw paliwowych

i turbiny gazowej, sprawności do 80 proc. wydaje

się w pełni realistyczne [3]. Technologie wodorowe

oznaczają także szanse na rozwój produkcji energii

elektrycznej w układach rozproszonych, efektywne,

rezerwowe zasilanie ważnych obiektów, zasilanie

wspomagające obiektów w okresie szczytowego za-

potrzebowania na energię elektryczną oraz odciąże-

nie bądź całkowite uniezależnienie obiektów od

pracy sieci elektroenergetycznej. Wśród walorów

związanych z użytkowaniem wodoru należy wymie-

nić jeszcze ten, że wszystkie wyżej wymienione efek-

ty są przyjazne dla środowiska naturalnego [3].

Co słychać za granicą

Rozwój technologii pozyskania i wykorzysta-

nia wodoru najszybciej odbywa się w USA. Siłą na-

pędową jest troska o bezpieczeństwo energetyczne

w przyszłości. USA dysponują obfitymi zasobami

węgla, stąd założono, że wiodącą technologią po-

zyskiwania wodoru będzie technologia oparta na

węglu. Trwające od lat 70. prace zmierzające do

syntezy paliw ciekłych na bazie węgla ustępują pra-

com na rzecz pozyskania wodoru z węgla. Decydu-

ją o tym czynniki ekonomiczne. Pierwszy z wymie-

nionych procesów wykorzystania węgla jest co naj-

mniej dwukrotnie droższy od drugiego [1].

Mimo postępów prac, produkcja wodoru

z węgla jest wciąż droga. Koszty wytworzenia wo-

doru w instalacji o wydajności 50 ton H 2 /h wynosi

BIULETYN MIESIĘCZNY – KWIECIEŃ 2005

NOWE TECHNOLOGIE

PRZYSZŁOŚĆ WODORU W POLSKIEJ ENERGETYCE ZAWODOWEJ

obecnie około 1 USD/kg H 2 , zarówno przy wykorzy-

staniu węgla jako surowca wsadowego, jak i przy

wykorzystaniu gazu ziemnego. Przy tym udział

kosztu surowca w produkcji wodoru wynosi około

20 proc. w przypadku węgla oraz około 75 proc.

w przypadku gazu ziemnego [2].

Wyrażając koszty produkcji wodoru w jed-

nostkach cieplnych można stwierdzić, że wytwo-

rzenie 1 kg wodoru kosztuje mniej więcej tyle co

1 galona (3,79 litra) benzyny. W przyszłości koszt

ten będzie niższy. Przewiduje się, że w perspekty-

wie do 2015 roku, na skutek rozwoju technologii,

koszty produkcji wodoru z węgla mogą zmniejszyć

się do połowy [2].

Dzięki technologiom produkcji wodoru, moż-

na będzie uzyskać jednoczesne efekty sekwestracji

dwutlenku węgla po stosunkowo niskich kosztach.

Koszt wodoru produkowanego z węgla przy

90 proc. sekwestracji CO 2 może być tylko nieznacz-

nie, bo jedynie o 5 proc. droższy od wodoru pro-

dukowanego bez sekwestracji [2].

Dostrzegając konieczność prowadzenia ba-

dań nad rozwojem technologii wodorowych, Ko-

misja Europejska przeznacza istotne środki na ich

finansowanie. Programy, których realizacje już roz-

poczęto, przewidują zainwestowanie 2,8 mld euro

do 2015 roku w rozwój projektów HYCOM oraz

HYPOGEN [1].

Projekt HYCOM związany jest ze stworzeniem

prototypowej społeczności wodorowej. Jego zada-

nie polegać będzie na testowaniu infrastruktury

i rozwiązań ekonomii wodorowej na poziomie spo-

łeczności lokalnej (energia elektryczna, ciepło,

transport). Polska propozycja w tym zakresie odno-

si się do wybranej społeczności o charakterze trans-

granicznym na obszarze wokół Cieszyna, a zatem

leżącym na terenie trzech państw: Polski, Czech

i Słowacji.

Projekt HYPOGEN koncentruje się na budowie

europejskiej instalacji pilotażowej do produkcji wo-

doru na wielką skalę, tak aby następnie wykorzy-

stać uzyskany wodór do zasilania wysokotempera-

turowych turbin gazowych lub do zasilania wyso-

kotemperaturowych ogniw paliwowych.

Interesującym przykładem badań są zakłady

chemiczne Maghera koło Wenecji, gdzie w koope-

racji z firmą elektroenergetyczną Enel realizowany

jest projekt demonstracyjny instalacji zgazowania

węgla z pełną sekwestracją CO 2 , produkcją wodo-

ru, ciepła i energii elektrycznej. Wydajność instala-

cji produkcji wodoru wynosi 8000 ton na dobę.

Emitowany dwutlenek węgla w całości zużywany

jest do syntezy polietylenu. Oprócz podniesienia

ekonomicznych walorów produkcji wodoru osiąga-

ny jest efekt wytwarzania kilku produktów przy ze-

rowej emisji zanieczyszczeń [5].

Polskie działania na rzecz ener-

getyki wodorowej

Rozwój technologii wodorowej w energetyce

jest tematem, który prawdopodobnie znajdzie swe

urzeczywistnienie dopiero w odległej perspektywie.

Przybliżeniu tego celu ma służyć Polska Platforma

Technologiczna Wodoru i Ogniw Paliwowych

(PPTWiOP). Porozumienie w sprawie utworzenia

PPTWiOP zostało podpisane 23 stycznia 2005 r.

przez 35 sygnatariuszy [6].

Celem PPTWiOP będzie między innymi wypra-

cowanie wizji sektora paliwowo-energetycznego

w zakresie produkcji, transportu i wykorzystania

wodoru, a także budowanie strategii rozwoju no-

woczesnych technologii wodorowych dla podno-

szenia konkurencyjności polskiej gospodarki. Zada-

nia realizowane przez PPTWiOP będą polegały na

budowaniu pomostu między przemysłem i świa-

tem nauki, uczestniczeniu w europejskich inicjaty-

BIULETYN MIESIĘCZNY – KWIECIEŃ 2005

NOWE TECHNOLOGIE

PRZYSZŁOŚĆ WODORU W POLSKIEJ ENERGETYCE ZAWODOWEJ

wach na rzecz rozwoju gospodarki wodorowej, ini-

cjowaniu wspólnych, międzynarodowych projek-

tów badawczo-wdrożeniowych, przy jednocze-

snym najlepszym wykorzystaniu funduszy pomoco-

wych i środków prywatnych. [6]

Jednym z sygnatariuszy PPTWiOP jest Główny

Instytut Górnictwa (GIG) w Katowicach, który po-

cząwszy od połowy lat 60. prowadzi badania w za-

kresie przetwórstwa węgla. Obecnie GIG uczestniczy

w dwóch projektach europejskich związanych z roz-

wojem nowoczesnej energetyki węglowej. Jeden

z nich dotyczy sekwestracji dwutlenku węgla w głę-

bokich pokładach węglowych, drugi zaś opracowa-

nia podstaw wspomaganej adsorpcją beztlenowej

technologii zgazowania węgla do wodoru w reakcji

z parą wodną. Przedmiotem zainteresowania GIG są

również metody rozdziału i czyszczenia mieszanin

gazowych zawierających wodór, a także zagadnie-

nia produkcji tlenu z powietrza, wysokotemperatu-

rowe procesy membranowe do bezpośredniego do-

starczania tlenu do procesów zgazowania węgla

oraz procesy utleniania paliw kopalnych z wykorzy-

staniem odwracalnych nośników tlenu [1].

Instytut Energetyki (IEn), który również bierze

udział w pracach Platformy, koncentruje wysiłek

badawczy na pilotażowych instalacjach zgazowa-

nia węgla. Docelowo zakres prac ma być rozsze-

rzony o instalacje oczyszczania pozyskanego w ten

sposób gazu. Trwają prace nad ogniwami paliwo-

wymi. Dąży się do uzyskania ogniwa o temperatu-

rze pracy 600 o C. IEn współpracuje w ramach zin-

tegrowanych programów badań z Akademią Gór-

niczo-Hutniczą i Instytutem Technologii i Eksplo-

atacji [2].

Z kolei prace badawcze Wojskowej Akademii

Technicznej (WAT) w ostatnich 10 latach koncentro-

wały się na technologii wytwarzania energii elek-

trycznej z gazu ziemnego przy zastosowaniu ogniw

paliwowych oraz na sposobach magazynowania

wodoru przy użyciu nanomateriałów. Badania będą

kontynuowane w zakresie nowych materiałów i sys-

temów magazynowania wodoru (na przykład z wy-

korzystaniem stopów nanostrukturalnych i nano-

struktur warstwowych), dalszych zastosowaniach

ogniw paliwowych zasilanych wodorem (w tym jako

źródeł energii elektrycznej do napędu pojazdów me-

chanicznych), wykorzystania wodoru do zasilania

wysokotemperaturowych ogniw paliwowych typu

MCFC i SOFC o mocy od 250 kW do 5 MW, a także

w zakresie bezpieczeństwa posługiwania się wodo-

rem, systemów dystrybucji wodoru, elektrolizy wody

z użyciem innowacyjnych materiałów do konstrukcji

elektrod oraz metod pozyskiwania wodoru opartych

na katalizowanych reakcjach elektrolizy i fotolizy [4].

Badania nad technologią wodorową są też

rozwijane w Południowym Koncernie Energetycz-

nym SA (PKE). W pracach skoncentrowano się na

możliwościach wykorzystania biomasy w elektrow-

ni. Wybierając biomasę jako źródło energii, kiero-

wano się wysoką sprawnością procesu przetwór-

czego, dużymi zasobami paliwa, dostępnym syste-

mem transportu oraz doświadczeniami z zakresu

utylizacji paliw alternatywnych. Celem, do którego

dąży PKE, jest adaptacja technologii do polskich re-

aliów, prostota procesu, ochrona środowiska oraz

minimalizacja kosztów procesu. Badania prowa-

dzone obecnie przez PKE koncentrują się wokół

produkcji biokarbonu poprzez termochemiczną

konwersję biomasy. Jest to pierwszy krok na drodze

produkcji wodoru. W ramach drugiego kroku opra-

cowano już koncepcję zgazowania biokarbonu

przegrzaną parą wodną z absorpcją dwutlenku wę-

gla. Proces będzie umożliwiał otrzymywanie wodo-

ru przy znacznie niższym ciśnieniu (0,6 MPa) niż

w przypadku zastosowania innych paliw (węgiel:

12 MPa, olej ciężki: 4,2 MPa) [3].

BIULETYN MIESIĘCZNY – KWIECIEŃ 2005

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: