Wodór i gospodarka wodorowa a klimat 

Wodór jest obecnie uważany za niezbędny element starań o obniżenie emisji dwutlenku węgla. Uważa się go za dobrą alternatywę dla paliw kopalnych, zwłaszcza w transporcie (utleniając wodór w ogniwach paliwowych, nie emitujemy CO₂). Wytwarzanie wodoru to także jeden ze sposobów na magazynowanie energii elektrycznej, pochodzącej ze źródeł odnawialnych (MAE, Global Hydrogen Review, 2022). Dziesiątki krajów opublikowały plany zwiększenia produkcji i zużycia wodoru, a przewiduje się, że do 2030 r. na całym świecie na rozwój technologii wodorowych zostanie przeznaczonych około 300 miliardów dolarów (HC: Hydrogen Insights Report, 2021). W analizach jednak często pomija się ważny aspekt wodoru – jego potencjał cieplarniany. Postanowiliśmy przyjrzeć się temu, jak wykorzystanie wodoru może pomóc nam w ograniczaniu zmiany klimatu i na co trzeba uważać, jeśli zacznie zyskiwać na popularności. 

Wodór: efekty troposferyczne i stratosferyczne

Pośredni wpływ wodoru na ocieplenie klimatu jest znany już od ponad 20 lat (m.in.: Derwent i in., 2001; Derwent i in., 2020; Warwick i in., Raport “Atmospheric implications of increased Hydrogen use”, 2022). Okres życia wodoru w atmosferze wynosi kilka lat (4–7). Szacuje się, że po wydostaniu się do atmosfery około 70–80% wodoru jest usuwane przez gleby w wyniku pochłaniania przez bakterie glebowe, zaś pozostałe 20–30% jest utleniane w reakcji z naturalnie występującymi w powietrzu rodnikami hydroksylowymi (OH): 

H₂ + OH → H + H₂O. 

Ta reakcja prowadzi do wzrostu koncentracji gazów cieplarnianych zarówno w troposferze, jak i stratosferze. Jak to się dzieje? Spójrzmy na Ilustrację 2. Po pierwsze, w troposferze reakcje wodoru z OH powodują, że koncentracja rodników spada (są „zużywane”). To z kolei wydłuża czas życia metanu, bowiem reakcje z rodnikami OH to główny sposób usuwania z atmosfery również tego gazu. Gdy rodników robi się mniej, takie reakcje zachodzą rzadziej. Ten mechanizm odpowiada za około połowę pośredniego wpływu wodoru na klimat (Paulot i in., 2021, Ocko i Hamburg, 2022). 

Dodatkowo, pojawienie się wodoru atomowego prowadzi do serii reakcji, które ostatecznie tworzą ozon troposferyczny. Ten dodatkowy gaz cieplarniany odpowiada za około 20% ocieplającego wpływu wodoru na klimat (Ocko i Hamburg, 2022). 

W stratosferze zaś reakcja wodoru z OH zwiększa ilość pary wodnej, która również jest gazem cieplarnianym i zwiększa zdolności stratosfery do emitowania promieniowania podczerwonego (o tym, jak sposób działania gazów cieplarnianych zależy od wysokości przeczytasz w tekście Mit: CO2 chłodzi atmosferę). To prowadzi do wychłodzenia stratosfery, a im jest ona chłodniejsza, tym słabiej promieniuje (patrz: Efekt cieplarniany – ABC) a na Ziemi i w atmosferze w sumie pozostaje więcej energii. Szacuje się, że ten efekt odpowiada za około 30% oddziaływania wodoru na klimat (Ocko i Hamburg, 2022). 

Opisany mechanizm jest pewnym uproszczeniem, jednak pełniejszy opis zjawisk wymaga specjalistycznej wiedzy i wprowadzenia matematycznych modeli interakcji wodoru z innymi składnikami atmosfery (Warwick i in., Raport “Atmospheric implications of increased Hydrogen use”, 2022).

Jak duży jest wpływ wodoru na klimat?

Wpływ danego gazu lub innej substancji na klimat można ocenić podając na przykład tzw. potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP, ang. global warming potential). Porównuje on ilość energii zatrzymywanej w systemie klimatycznym przez dany gaz lub substancję do energii zatrzymywanej przez taką samą masę dwutlenku węgla. Na przykład GWP = 10 oznacza, że dany gaz zatrzymuje 10 razy więcej energii niż dwutlenek węgla. Ważny jest też czas, dla którego określa się ten wskaźnik. Jeśli jakiś gaz jest szybko usuwany z atmosfery, to jego GWP może być niskie, nawet gdy każda cząsteczka pochłania znacznie więcej energii niż cząsteczka CO₂.

Z uwagi na to, że wpływ wodoru na bilans radiacyjny Ziemi jest pośredni, określenie jego GWP jest trudne i zależne od przyjętej metodologii. Jeden z najnowszych raportów na ten temat, opracowany przez naukowców z uznanych ośrodków naukowych: University of Cambridge, National Centre for Atmospheric Science i University of Reading, powstał na zamówienie władz Wielkiej Brytanii i został opublikowany w 2022 r.

Do przygotowania raportu wykorzystano niezwykle zaawansowany model systemu klimatycznego Ziemi UKESM1 (Sellar i in., 2020), który zawiera szczegółowy matematyczny opis zarówno troposferycznych, jak i stratosferycznych procesów chemicznych oraz „sprzęga” procesy chemiczne i radiacyjne od powierzchni Ziemi do szczytu modelu (85 km). Uwzględniono w nim łącznie 291 reakcji (w tym: termicznych i fotolitycznych) zachodzących wśród 81 substancji, znajdujących się w atmosferze, przy różnych założeniach dotyczących wycieków wodoru (1–10%). 

W efekcie uzyskano dla wodoru GWP-20 = 33 (20–44), zaś GWP-100 = 11±5, przy czym liczby po myślnikach oznaczają horyzont czasowy, dla którego wyznaczono GWP. Wartość 11, uzyskana dla horyzontu 100 lat okazuje się być około dwukrotnie wyższa niż wcześniejsze szacunki z 2020 r. Na Ilustracji 5 przedstawiono skumulowane wymuszenie radiacyjne wodoru, opublikowane w innej pracy.

Skąd się bierze wodór?

Wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we Wszechświecie, jednak w atmosferze Ziemi jego koncentracja jest niewielka i wynosi około 550 ppb (ang. parts per billion, cząsteczek na miliard), bowiem emisje tego gazu w wyniku procesów naturalnych są na niskim poziomie. 

Naturalne źródła wodoru

Główne naturalne źródła wodoru w atmosferze to: 

• utlenianie fotochemiczne metanu i innych prostych związków węgla, zwanych ogólnie lotnymi związkami organicznymi (ang. volatile organic compounds), 
• spalanie biomasy,
• oraz emisje towarzyszące wiązaniu azotu przez mikroorganizmy (bakterie). 

Oprócz tych zjawisk zaobserwowano kilka procesów geologicznych, które wpływają na koncentrację H₂ w atmosferze. Na przykład, w reakcji Na przykład, w reakcji wody morskiej lub deszczowej ze skałami (diageneza), zawierającymi żelazo Fe²⁺ (dwuwartościowe) powstają związki trójwartościowe, zawierające Fe³⁺, a przy tej okazji także cząsteczki H₂ . Inny mechanizm to radioliza, czyli rozkład wody na wodór i tlen w wyniku naturalnej radioaktywności skorupy ziemskiej. Wodór jest także uwalniany z magmy w czasie aktywności wulkanicznej, a nawet podczas reakcji wody z pękającymi skałami krzemianowymi. Istnieje także pierwotny wodór uwięziony wewnątrz Ziemi, pochodzący z czasu, gdy tworzyła się planeta. Te oraz inne szczegółowe dane i procesy są podsumowane np. w pracach Ehhalt i Rohrer, 2008; Klein i in., 2020; Zgonnik, 2020.

Wodór produkowany przez człowieka

Antropogeniczne (związane z działalnością człowieka) emisje wodoru są obecnie głównie wynikiem wydobycia, przetwarzania i spalania paliw kopalnych. Jednak im szerzej będziemy korzystać z wodoru jako nośnika energii, tym znaczenie innych źródeł może rosnąć.

Wodór może być produkowany wieloma metodami, które różnią się m.in. oddziaływaniem na klimat i środowisko. Powstały gaz można zgrubnie przyporządkować do czterech klas:

1. wodór „szary” – produkowany z gazu ziemnego; co jest obecnie najbardziej powszechną metodą, skutkującą dużymi emisjami CO₂ do atmosfery. 
2. wodór „zielony” – pozyskiwany w sposób, który nie powoduje emisji gazów cieplarnianych, np. poprzez elektrolizę; wymaga dużej ilości energii, przez co jest kosztowny, a obecnie ma niską efektywność. 
3. wodór „niebieski” – pozyskiwany podobnie jak wodór „szary”, ale bez emisji gazów cieplarnianych, np. dzięki wychwytywaniu i magazynowaniu powstałego CO₂; wymaga dużej ilości energii, nie likwiduje innych wad produkcji z paliw kopalnych (np. zniszczenia środowiska), jest kosztowny.
4. wodór „złoty” (lub „naturalny”) – wydobywany z pokładów geologicznych; hipotetycznie najbardziej neutralny dla środowiska i klimatu; obecnie jeszcze nie stosowany na skalę przemysłową.

Powyższy podział nie jest jedyny. Czasami pojawiają się inne umowne kolory wodoru, np. „biały” (elektroliza z użyciem energii elektrycznej z dowolnego źródła, w odróżnieniu od zielonego, gdzie energia elektryczna pochodzi ze źródeł odnawialnych lub niskoemisyjnych), a także „brązowy” (powstający ze zgazowania węgla) (Hunt i in., 2022). 

Kolor zielony może także ogólnie oznaczać energię pochodzącą ze źródeł tzw. odnawialnych. Z kolei, wodór wytwarzany dzięki energii z elektrowni atomowych bywa klasyfikowany jako „różowy”, przy czym Komisja Europejska proponuje włączenie go do kategorii „zielonej” (Dyrektywa PE i RE w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych, 2018–2022). Można także spotkać się z pojęciem „żółtego” wodoru, produkowanego z energii słonecznej. 

Wodór jako magazyn energii

Warto zwrócić uwagę, że wodór może być wykorzystany do magazynowania nadwyżki energii elektrycznej, która często powstaje podczas działania np. elektrowni słonecznych lub wiatrowych. Nadwyżkę tę można zużyć na produkcję gazu, a później, w okresach mniejszego nasłonecznienia lub słabszego wiatru, można utlenić/spalić wodór w odpowiedni sposób (np. w ogniwach paliwowych lub silnikach) i wytworzoną energię elektryczną ponownie wprowadzić do sieci. Na razie jest to jednak tylko koncepcja z uwagi na relatywnie niewielkie nadwyżki energii z OZE w stosunku do potrzeb i brak w związku z tym instalacji o skali przemysłowej. Dodatkowo, z uwagi na niską sprawność całego procesu zamiany energii elektrycznej na wodór i z powrotem, prawdopodobnie będzie to rozwiązanie niszowe, stosowane w tych obszarach gospodarki, gdzie nie ma lepszej alternatywy, np. w procesach przemysłowych wymagających wysokich temperatur.

Obecnie problemem przy produkcji wodoru za pomocą elektrolizy jest też konieczność wykorzystania bardzo czystej wody, której pozyskanie także wymaga energii, co zmniejsza sprawność i w rezultacie opłacalność tej technologii.

Kiedy wodór wycieka

Wodór powinien być wykorzystywany w gospodarce obiegu zamkniętego, czyli takiej, w której nie powstają żadne odpady, a wszystkie zużyte materiały i substancje są na nowo przetwarzane. To jednak w praktyce nie jest możliwe w 100% i nie można uniknąć dodatkowych wycieków wodoru na każdym etapie wykorzystania, głównie z uwagi na to, że jest najmniejszą cząsteczką, która łatwo przenika przez większość materiałów. Wodór może wyciekać m.in.: z elektrolizerów, sprężarek, skraplaczy, zbiorników magazynowych, magazynów geologicznych, rurociągów, samochodów-cystern, pociągów, statków i stacji paliw.

Ponadto część wodoru jest celowo uwalniana do atmosfery z tych systemów, np. podczas czyszczenia instalacji (Cooper i in., 2022; Frazer-Nash Consultancy, 2022). Dodatkowo, podczas produkcji wodoru „niebieskiego”, następuje także emisja „gotowych” gazów cieplarnianych (głównie CH₄ i CO₂) (Howarth i Jacobson, 2021). 

W raporcie Frazer-Nash Consultancy, opracowanym na zlecenie władz Wielkiej Brytanii, ocenia się, że największe wycieki H₂ mają miejsce podczas transportu ciekłego wodoru tankowcami (13,2% ładunku), kolejne w trakcie magazynowania sprężonego gazu (6,52%), dalej zaś z ogniw paliwowych (2,64%) oraz stacji paliw (0,89%). W przypadku wszystkich innych rodzajów produkcji, transportu, przechowywania i zastosowań wodoru wycieki powinny być mniejsze niż 0,53%.

Wycieki wodoru to utrudnienie na drodze do obniżenia wpływu gospodarki na klimat, jednak dokładne ustalenie ilości wycieków i ich znaczenia dla ocieplenie jest sporym wyzwaniem. Po pierwsze, nie ma pewności, ile wodoru zostanie ostatecznie wyemitowane z instalacji. Całkowita ilość emisji nawet w obecnych systemach jest nieznana, szczególnie w przypadku mniejszych wycieków, które łatwo przeoczyć i dokładnie zmierzyć (Mejia, 2020). Po drugie, infrastruktura wodorowa nie została jeszcze praktycznie opracowana i zbudowana, zaś budowa kolejnych rurociągów (w tym nawet pompowanie wodoru do domów mieszkalnych jest nadal w planach.

Podsumowanie

Wykorzystanie wodoru jako źródła lub nośnika energii jest ważnym elementem ograniczenia emisji gazów cieplarnianych, pochodzących z paliw kopalnych (Azevedo i in., 2021). Jest to jeden ze sposobów transformacji najbardziej emisyjnych sektorów gospodarki: energetyki, transportu, przemysłu ciężkiego (6. Raport IPCC – Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change). Jeżeli wodór będzie produkowany w sposób czysty, przyniesie to znaczną korzyść dla klimatu, nie tylko ze względu na redukcję emisji dwutlenku węgla i metanu, dwóch głównych gazów cieplarnianych, ale również ze względu na możliwość redukcji innych emisji, w tym tlenku węgla, lotnych związków organicznych i tlenków azotu, co dodatkowo poprawi jakość powietrza i zdrowie. 

Według danych Międzynarodowej Agencji Energii moce instalowanych elektrolizerów osiągnęły blisko 8 GW rocznie, zaś a realizacja wszystkich planowanych projektów prowadzi do uzyskania sumarycznej zainstalowanej mocy 134–240 GW do 2030 r. (IEA, Hydrogen. Energy system overview, 2022) To jest dobra informacja, bo jeszcze w 2021 r. jedynie 1% wodoru było produkowane z użyciem technologii niskoemisyjnych.

Zarówno szacunki IPCC udziału wodoru w produkcji energii (IPCC, Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change), jak i dane IEA świadczą o tym, że w perspektywie 2050 r. wykorzystanie wodoru jest w stanie zmniejszyć emisje gazów cieplarnianych o co najmniej kilka procent (IEA, Hydrogen. Energy system overview, 2022), jednak czy to się uda, to zależy od przebiegu wypadków i wielu kolejnych decyzji. 

Potencjalne wycieki wodoru do atmosfery mogą jednak mieć duży wpływ na jej skład, co może częściowo zniwelować korzyści z przejścia na gospodarkę wodorową, choć na szczęście nie całkowicie.

Jacek Pniewski, konsultacja merytoryczna: dr inż. Paweł Gajda, dr Aleksandra Kardaś