„Błękitny” wodór dobry dla klimatu? Naukowcy obalają mit

Zgodnie z celami nowej polityki klimatycznej, które obejmują także żeglugę, świat musi obniżyć emisje gazów cieplarnianych. Jednym ze środków na tej drodze jest stopniowe zastępowanie paliw kopalnych. Jednak według najnowszego raportu naukowców z USA, wykorzystanie w tym celu tzw. błękitnego wodoru może pogłębić efekt cieplarniany bardziej, niż… dalsze stosowanie gazu ziemnego, oleju napędowego, a nawet węgla.

Błękitny wodór (blue hydrogen) jest w ostatnich latach mocno lansowany jako niskoemisyjne paliwo do wytwarzania i przechowywania czystej (zielonej) energii elektrycznej, a także zasilania ekologicznych środków transportu i ogrzewania budynków, stanowiąc świetną alternatywę dla paliw kopalnych, w tym gazu ziemnego. Jest wręcz uważany za panaceum na wszystkie bolączki „brudnej”, wysokoemisyjnej gospodarki.

Według Międzynarodowej Agencji Energii, aż 96 proc. wodoru produkowanego na świecie jest wytwarzane przy użyciu paliw kopalnych - węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego - w procesie reformingu. Polega on na połączeniu pod ciśnieniem paliw kopalnych z parą wodną i podgrzaniu ich do temperatury około 800 st. C., w wyniku czego powstaje tzw. gaz syntezowy, złożony z tlenku i dwutlenku węgla oraz wodoru, które następnie są rozdzielane.

Tak pozyskany wodór znajduje wiele zastosowań, od silników, aż po kotły grzewcze, uwalniając jedynie parę wodną, natomiast powstały w czase jego wytwarzania CO2 jest często emitowany do atmosfery, przyczyniając się do globalnego ocieplenia.

Reforming parowy to najpopularniejsza i najtańsza obecnie metoda produkcji wodoru. Jest także najbardziej efektywna - ilość otrzymanego tą metodą wodoru na zużytą jednostkę energii jest największa. W zależności od jej wariantów, ten bezbarwny gaz nabiera różnych „kolorów”.  

"Kolory" wodoru

Najbardziej rozpowszechniony jest tzw. wodór szary, wytwarzany z gazu ziemnego (przez odparowanie jego głównego składnika – metanu), który zasila większość kotłów i pieców gazowych. Z kolei tzw. wodór brunatny powstaje na drodze zgazowania węgla brunatnego lub ropy naftowej. Jest też wodór czarny, produkowany z węgla bitumicznego. Proces pozyskiwania wodoru za pomocą tych metod emituje jednak duże ilości CO2.

Jedynym rozwiązaniem ograniczającym emisje gazów cieplarnianych jest tzw. zielony wodór, produkowany na drodze elektrolizy (rozszczepienia wody na wodór i tlen) przy użyciu energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, wytwarzanej przez turbiny wiatrowe, panele fotowoltaiczne lub elektrownie wodne. Proces ten jest neutralny pod względem emisji CO2, a jednocześnie nieefektywny, w wyniku czego zielony wodór jest produkowany na małą skalę, bardzo drogi i - jak się oczekuje - taki pozostanie przynajmniej do 2030 roku.

W związku z tym ostatnio największe nadzieje wiąże się z wodorem błękitnym. Jest on wytwarzany w tym samym - wyżej opisanym - procesie reformingu, stosowanym do produkcji wodoru szarego, brązowego i czarnego, jednak w odróżnieniu od nich, powstający przy jego produkcji dwutlenek węgla jest wychwytywany i składowany w strukturach geologicznych pod ziemią na lądzie lub pod dnem morza, np. w nieczynnych złożach offshore.

W związku z przewidywanym wzrostem popytu na transport CO2 morzem, na świecie rozwija się projekty koncepcyjne statków do przewozu w postaci skroplonej wychwyconego CO2 do magazynowania (Carbon Caption & Storage - CCS). Nad systemami transportu, obejmującymi zbiorniki ładunkowe takiej jednostki (LCO2 – liquid CO2 carrier) pracuje np. Wärtsilä, która otrzymała dla swojego systemu zatwierdzenie co do zasady (approval in principle – AiP), przyznane przez towarzystwo klasyfikacyjne DNV. Innym przedsięwzięciem tego typu jest inicjatywa dwóch duńskich firm – Ultragas i Evergas.

Urządzenia do sekwestrowania i magazynowania CO2 są drogie, co podnosi cenę tak wytworzonego błękitnego wodoru, ale przynajmniej zapewniają produkcję paliw niskoemisyjnych po niższych kosztach, niż w przypadku wodoru wyprodukowanego z wykorzystaniem OZE. Tak przynajmniej do tej pory sądzono.

Jednak 12 sierpnia br. dwóch amerykańskich naukowców (Robert Howarth i Mark Jacobson z Cornell College i University of Stanford) opublikowało wyniki badań pod wielce wymownym tytułem: Jak zielony jest błękitny wodór? ("How Green is Blue Hydrogen?"), które rzucają na tę kwestię nowe światło.

Jak dowodzą, proces wytwarzania błękitnego wodoru wymaga ogromnej ilości energii, która jest zazwyczaj dostarczana przez spalanie większej ilości gazu ziemnego.

Jednak na każdą jednostkę ciepła, zawartego w gazie ziemnym na początku procesu, tylko 70-75 proc. tego potencjalnego ciepła „pozostaje” w wytworzonym w ten sposób wodorze. Innymi słowy, jeśli wodór ma być wykorzystany np. do ogrzewania budynku, do jego produkcji trzeba zużyć o 25 proc. więcej gazu ziemnego, niż gdyby ten ostatni był wykorzystany bezpośrednio do ogrzewania.

Wysoka cena za "błękit"

Według amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska, metan - podstawowy składnik gazu ziemnego i produkt uboczny jego wykorzystania przy produkcji błękitnego wodoru - jest gazem o znacznie silniejszym wpływie na globalne ocieplenie niż CO2. W perspektywie 100 lat metan ma 28-36 razy większy potencjał powodowania globalnego ocieplenia, niż CO2 (jedna cząsteczka metanu w atmosferze generuje efekt cieplarniany w takim stopniu, jak około 30 cząsteczek CO2).

W pierwszym tego rodzaju badaniu, w którym uwzględniono wpływ błękitnego wodoru na środowisko w całym cyklu życia, amerykańscy naukowcy odkryli, że emisje metanu uwalnianego podczas wydobywania i spalania gazu ziemnego są znacznie… mniejsze niż w przypadku błękitnego wodoru.

Biorąc pod uwagę zarówno nieprzechwycony dwutlenek węgla, jak i duże emisje niespalonego, tzw. ulotnego metanu, nieodłącznie związane z wykorzystaniem gazu ziemnego, ślad węglowy przy produkcji błękitnego wodoru jest o ponad 20 proc. większy, niż przy bezpośrednim spalaniu gazu ziemnego lub węgla na potrzeby ogrzewania oraz o około 60 proc. większy, niż przy spalaniu oleju napędowego użytego wprost do produkcji ciepła. Winę za to ponoszą m.in. duże wycieki metanu z instalacji wydobywczych i produkcyjnych.

Co więcej, mimo wychwytywania CO2, emisje z produkcji błękitnego wodoru są mniejsze zaledwie o 9 – 12 proc. w stosunku do tych, które powstają w przypadku szarego wodoru.

Nauka i polityka

Politycy na świecie zauroczeni „transformacją energetyczną” prą jednak do zmian, wyznaczając nowe, ambitne cele dekarbonizacji gospodarki i transportu.

10 sierpnia br. Senat USA przyjął swoją wersję ustawy "Infrastructure Investment and Jobs Act" (ustawa na rzecz inwestycji infrastrukturalnych i miejsc pracy) o wartości 1 biliona dolarów, w której przewidziano kilka miliardów na subsydiowanie i rozwój przemysłowych technologii wytwarzania wodoru.

Z kolei rząd Wielkiej Brytanii ma opublikować swoją opóźnioną strategię wodorową, która ma określić rolę tego gazu w działaniach na rzecz dekarbonizacji kraju.

Błękitny wodór nie jest tak zielony, jak się dotąd wydawało…

GL