Dekarbonizacja gospodarki. Zielony wodór – co to jest i jaką rolę odgrywa w dekarbonizacji?

Dekarbonizacja – co to jest?

Dekarbonizacja to proces, którego celem jest maksymalne ograniczanie emisji dwutlenku węgla (CO2) do atmosfery. Docelowym założeniem jest całkowita redukcja tej emisyjności.  

Z tego względu dekarbonizacja gospodarki pozostaje w ostatnich latach w centrum debaty o polityce klimatycznej w zdecydowanej większości państw. O skali zaangażowania w redukcję emisji gazów cieplarnianych świadczy zawarte w 2016 r. Porozumienie Paryskie, w ramach którego aż 195 krajów zobowiązało się do ograniczenia wzrostu średniej temperatury na Ziemi poniżej 1,5°C w porównaniu z epoką przedprzemysłową.

Dekarbonizacja gospodarki w UE

Dotychczasowe wysiłki UE i krajów członkowskich koncentrowały się przede wszystkim na dekarbonizacji miksu elektroenergetycznego. W wielu państwach prąd produkowany z węgla i częściowo gazu ziemnego jest sukcesywnie zastępowany odnawialnymi źródłami energii.

Pełna redukcja emisji to wyzwanie dużo szersze niż tylko zmiana struktury wytwarzania energii elektrycznej. W lipcu 2020 r. Komisja Europejska przedstawiła w ramach tzw. Europejskiego Zielonego Ładu, czyli zbioru inicjatyw politycznych, które wyznaczają kierunek transformacji energetycznej dla wszystkich krajów członkowskich UE, swoje ambicje zdecydowanego poszerzenia dotychczasowych działań. Celem Europejskiego Zielonego Ładu jest obniżenie emisji gazów cieplarnianych o nie mniej niż 55% do 2030 r. (w porównaniu do 1990 r.) oraz osiągnięcie neutralności klimatycznej (czyli zredukowanie emisji do zera netto) w UE do 2050 r.

Dekarbonizacja gospodarki a Europejski Zielony Ład

Założenia Europejskiego Zielonego Ładu będą możliwe do zrealizowania jedynie w przypadku równoczesnej dekarbonizacji wszystkich sektorów europejskiej gospodarki, zwłaszcza odpowiedzialnych za największe emisje: transportu, przemysłu, energetyki, budownictwa i rolnictwa. Osiągnięcie neutralności klimatycznej będzie wymagało radykalnej zmiany sposobu produkowania, przesyłania, przechowywania i zużywania energii.

Kluczowym trendem po stronie podaży będzie maksymalna elektryfikacja, tzn. zastępowanie paliw kopalnych energią elektryczną wszędzie tam, gdzie jest to technicznie możliwe i nie generuje nieracjonalnych kosztów. Ta energia elektryczna będzie coraz mniej emisyjna, a w perspektywie 2050 r. zeroemisyjna, wytwarzana w OZE i elektrowniach jądrowych. Po stronie popytu podstawowym celem stanie się efektywność energetyczna, m.in. powszechna termomodernizacja budynków, energetyka prosumencka czy wyższe wymogi dotyczące sprawności maszyn i urządzeń. Te wszystkie działania pozwolą zredukować zużycie energii elektrycznej.

O ile elektryfikacja i efektywność energetyczna bez wątpienia staną się kołem zamachowym dalszej dekarbonizacji, o tyle ich potencjał nie wystarczy do osiągnięcia neutralności klimatycznej do 2050 r. Istnieją sektory, w których wykorzystanie energii elektrycznej jest technologicznie lub ekonomicznie nieuzasadnione i nie ma perspektyw na szybką zmianę tej sytuacji. To właśnie w tych obszarach kluczową rolę może odegrać zielony wodór jako:

• czynnik dekarbonizacji w sektorach opierających się elektryfikacji, m.in. ciężki przemysł, transport długodystansowy i towarowy, zarówno lądowy, morski (amoniak, metanol), jak i lotniczy (SAF);
• element wspierający dalszą zmianę paradygmatu europejskiej energetyki w kierunku modelu bazującego na OZE (umożliwiając magazynowanie energii oraz jej późniejszy transfer między sektorami a lokalizacjami, z pominięciem sieci przesyłowej).
   

Co to jest zielony wodór? Technologia produkcji zielonego wodoru

Zielony wodór wytwarzany jest w czasie elektrolizy wody przy wykorzystaniu energii odnawialnej. Z tego względu często określany jest jako wodór odnawialny. Proces wytwarzania zielonego wodoru może zachodzić również podczas biochemicznego przekształcenia biomasy (reforming biogazu).

Atrakcyjność zielonego wodoru wynika przede wszystkim z potencjału jego zastosowania w tych obszarach życia, w których dekarbonizacja stanowi największe wyzwanie i nie może zostać przeprowadzona wyłącznie na podstawie energii elektrycznej z OZE, która ze swojej natury cechuje się brakiem sterowalności.

Zielony wodór – zastosowanie w różnych sektorach gospodarki

Zielony wodór znajduje zastosowanie w branżach wykorzystujących wysokotemperaturowe procesy produkcyjne (m.in. szklarskiej, ceramicznej, cementowej czy przetwórstwa spożywczego). Zielony wodór na najszerszą skalę może być jednak zastosowany w sektorach: rafineryjnym, chemicznym i stalowym.

Sektor rafineryjny wykorzystuje wodór w procesach produkcji paliw (hydrorafinacja i hydrokraking). Sektor chemiczny wykorzystuje wodór w procesie produkcji nawozów sztucznych (przede wszystkim amoniaku), a w dalszej kolejności również metanolu, kaprolaktamu (produkcja tworzyw sztucznych) czy alkoholi oxo (produkcja plastyfikatorów i farb).

W przypadku branży rafineryjnej oraz chemicznej zastąpienie szarego wodoru zielonym nie powinno powodować istotnych zmian technologicznych. Tempo i skala tego zastąpienia będzie więc w dużej mierze zależna od rozwiązań regulacyjnych oraz konkurencyjności kosztowej zielonego wodoru.

W sektorze stalowym produkcja stali opiera się na technologiach, które emitują duże ilości CO2 i wykorzystują śladowe ilości wodoru. Możliwości dekarbonizacji upatruje się jednak we wdrożeniu nowych rozwiązań technologicznych, przede wszystkim technologii DRI (ang. Direct Reduced Iron), bazującej na niskoemisyjnych paliwach gazowych (wodór i biometan).

W branży stalowej dekarbonizacja oparta na zielonym wodorze wymaga udoskonalenia i upowszechnienia technologii, która obecnie nie jest komercyjnie stosowana na dużą skalę.

Zielony wodór i dekarbonizacja w transporcie

W ostatnich latach dekarbonizacja transportu przyspieszyła dzięki szerszej komercjalizacji pojazdów elektrycznych. Akumulatory bateryjne są jednak duże i ciężkie, a proces ich ładowania czasochłonny. W konsekwencji znajdują ograniczone zastosowanie w środkach transportu, których ekonomika podróży jest uzależniona od zasięgu, ładowności oraz czasu ładowania pojazdu.

Rozwiązaniem tego problemu może stać się zielony wodór, który jest już z powodzeniem stosowany jako nośnik energii w ogniwach paliwowych w ciężkim transporcie kołowym (ciężarówki, autobusy) oraz kolejowym, co jest szczególnie istotne w przypadku trudnych do zelektryfikowania odcinków systemu kolejowego. O ile skala tych zastosowań wciąż pozostaje niewielka, to komercyjne wdrożenia obserwowane w ostatnich dwóch–trzech latach, zwłaszcza na rynku niemieckim i szwajcarskim, wskazują na potencjał wzrostowy.

Dodatkowo zielony wodór może być wykorzystany do produkcji paliw syntetycznych oraz e-metanolu i e-amoniaku, które znajdują zastosowanie w transporcie morskim. Potencjał ten wydaje się szczególnie duży w przypadku żeglugi morskiej. Amoniak jest tam wskazywany jako najefektywniejsza droga do dekarbonizacji.

Zielony wodór i dekarbonizacja energetyki

Dekarbonizacja w energetyce, a więc transformacja modelu energetycznego zmierzająca do przejęcia przez OZE dominującej pozycji w wytwarzaniu energii elektrycznej, rodzi wyzwania związane z brakiem ciągłości i sterowalności ich produkcji. Idą za tym ograniczona stabilność i kwestie bezpieczeństwa systemu elektroenergetycznego. Konieczne jest zastosowanie technologii magazynowania, które pozwolą na gromadzenie nadwyżek produkcyjnych. O ile rozwiązania bateryjne dobrze sprawdzają się na poziomie pojedynczych instalacji oraz w trybie godzinowym, o tyle z uwagi na wysokie koszty oraz krótki cykl życia ich użyteczność na poziomie całego systemu pozostaje niewielka.

Perspektywicznym rozwiązaniem w obszarze magazynowania jest zielony wodór, rozumiany w tym przypadku jako nośnik energii w modelu P2G2P (ang. power-to-gas-to-power). Może być magazynowany w instalacjach wielkoskalowych (kawerny solne, wyczerpane złoża gazowe czy nawet sieć gazowa), działających w trybie sezonowym, pełniąc w systemie rolę porównywalną do elektrowni szczytowo-pompowych.

Wyzwaniem pozostaje efektywność energetyczna procesu P2G2P, wynosząca poniżej 40%. Z tego powodu funkcja magazynowa wodoru ma uzasadnienie przede wszystkim w państwach o dużym udziale OZE w miksie energetycznym, w których w okresach największej produkcji generacja energii musi być administracyjnie ograniczana, a ceny energii w poszczególnych godzinach są bardzo niskie bądź nawet ujemne. Dekarbonizacja energetyki wiąże się więc z wieloma korzyściami.

Zielony wodór i dekarbonizacja ciepłownictwa

W ciepłownictwie wiodącym trendem dekarbonizacyjnym pozostanie prawdopodobnie elektryfikacja. Dokumenty strategiczne Komisji Europejskiej wskazują na potencjał pomp ciepła, które już w perspektywie 2030 r. miałyby zostać zainstalowane w ok. 40% budynków mieszkalnych i 65% budynków komercyjnych na terenie Wspólnoty. Jednocześnie proces ten będzie zachodził stopniowo, a wyzwania związane z masową instalacją pomp ciepła sprawiają, że zielony wodór może również odegrać istotną rolę w dekarbonizacji ciepłownictwa, stopniowo zastępując gaz ziemny i węgiel.

W krótkim i średnim terminie możliwe jest mieszanie wodoru z gazem ziemnym (ang. blending) i przesyłanie go istniejącą infrastrukturą do odbiorców końcowych. Rozwiązanie to ma jednak ograniczenia techniczne. Analizy wskazują, że w sieciach przesyłowych większości państw UE wodór może stanowić zaledwie kilka procent transportowanej mieszaniny. W długim terminie teoretycznie możliwe są dostosowanie sieci do przesyłu 100% wodoru lub budowa odpowiedniego systemu wodorociągów, ale będzie to zadanie kosztowne i czasochłonne.

Zielony wodór może też znaleźć zastosowanie jako element dekarbonizacji ciepłownictwa w skali lokalnej – jako produkowane z lokalnego OZE paliwo, spalane w:

• ciepłowniach obsługujących odbiorców przyłączonych do sieci miejskiej lub
• małych kotłach wodorowych / mikroinstalacjach CHP, zasilających pojedyncze budynki mieszkalne czy komercyjne.
   

Zielony wodór i jego rola według UE

Unia Europejska wskazuje priorytetową rolę, jaką pełni zielony wodór w polityce klimatyczno-energetycznej. W ciągu ostatnich dwóch lat Komisja i Parlament Europejski (PE) podjęły szereg inicjatyw mających na celu umocnienie Europy na pozycji lidera wodorowej rewolucji. W 2020 r. Komisja Europejska opublikowała Strategię Wodorową Unii Europejskiej, wskazując preferowane scenariusze rozwoju rynku na poziomie całej Wspólnoty, identyfikując działania priorytetowe, ale przede wszystkim określając ambitne cele rozwojowe w średnim i długim okresie:

• mniej niż 6 GW zainstalowanych mocy elektrolizerów oraz wolumen produkcyjny na poziomie 1 mln t zielonego wodoru rocznie (cel do realizacji do 2025 r.);
• 40 GW zainstalowanych mocy elektrolizerów oraz wolumen produkcyjny na poziomie 10 mln t zielonego wodoru rocznie (cel do realizacji do 2030 r.);
• wsparcie masowego zastosowania wodoru w trudnych do zdekarbonizowania sektorach (cel do realizacji po 2030 r.).

W przeciwieństwie do niektórych elementów polityki klimatyczno-energetycznej dotychczasowe działania KE w zakresie gospodarki wodorowej mają pełne poparcie wszystkich kluczowych krajów Wspólnoty. Także Wielka Brytania, choć nie jest już członkiem Unii Europejskiej, realizuje politykę zbieżną z działaniami podejmowanymi przez Wspólnotę. Aż 20 państw UE opracowało albo finalizuje prace nad odpowiednimi strategiami rozwojowymi na poziomie krajowym, wskazując docelowe poziomy mocy zainstalowanej i wolumenów produkcyjnych, a także rozwiązania prawne oraz mechanizmy finansowania do wdrożenia w najbliższych latach.

Zielony wodór a bezpieczeństwo energetyczne

W reakcji na inwazję zbrojną Rosji na Ukrainę i jej konsekwencje dla bezpieczeństwa energetycznego całej Wspólnoty w maju 2022 r. powstał plan REPowerEU, który zakłada podwojenie zużycia wodoru w perspektywie 2030 r. w porównaniu z zapisami Strategii: 10–20 mln t. Dodatkowy wolumen (10 Mt) ma pochodzić z importu z państw trzecich, co wymusza poważne działania w zakresie budowy infrastruktury przesyłowej i magazynowej.

Jednocześnie w ramach REPowerEU zaproponowano podniesienie celu dla mocy zainstalowanej OZE do 45% w 2030 r., co będzie mieć niebagatelny wpływ zarówno w kwestii zasilenia elektrolizerów energią odnawialną, jak i konieczności bilansowania inercji systemu energetycznego z tak dużym udziałem źródeł odnawialnych.

Cele wskazane w ramach Strategii Wodorowej i planu REPowerEU stanowią wyraz ambicji Unii Europejskiej, ale nie mają charakteru wiążących regulacji.

Podsumowanie

Wdrożenie zintegrowanego podejścia do kwestii klimatycznych – obejmującego działania dekarbonizacyjne i strategiczne zarządzanie ryzykiem klimatycznym – będzie kluczowe dla budowy nowych lub utrzymania obecnych przewag konkurencyjnych, niezależnie od sektora działalności.

Wszyscy stoimy przed największą dla naszego pokolenia transformacją. Od dzisiejszych decyzji zależy przyszłość naszej planety i organizacji którymi zarządzamy.

Niniejszy raport zawiera omówienie wyników naszego badania, a także pełen zakres wskazówek i inspiracji związanych z wdrożeniem Rekomendacji TCFD oraz zarządzania klimatycznego w działalność przedsiębiorstw.