Kotły na „zielony” wodór jako element dekarbonizacji ogrzewania

W 2050 roku Unia Europejska ma osiągnąć neutralność klimatyczną, a jednym ze środków do osiągnięcia tego celu jest dekarbonizacja ogrzewania budynków, czyli odchodzenie od spalania paliw kopalnych, gdyż produktem spalania jest m.in. CO₂, główny gaz cieplarniany powodujący zmiany klimatyczne. Strategia dekarbonizacji ogrzewania opiera się na jego elektryfikacji, w praktyce oznacza to rosnący udział pomp ciepła i innych rozwiązań grzewczych zasilanych energią elektryczną.

Unia Europejska ocenia, że w 2030 roku udział energii elektrycznej w ogrzewaniu budynków mieszkalnych wyniesie maksymalnie 34% [1]. Nie jest jednak możliwe i ekonomicznie uzasadnione ani bezpieczne pod względem energetycznym oparcie całej przyszłości sektora grzewczego na ogrzewaniu elektrycznym. Produkcja energii elektrycznej z OZE wymaga tworzenia mocy zapasowych i magazynów energii. Wodór jest nośnikiem energii wytwarzanej ze źródeł odnawialnych, który można stosunkowo łatwo uzyskiwać, gdy jest jej nadmiar i przy niedużych kosztach sezonowo magazynować [2]. Zatem obok elektryfikacji ogrzewania ważną rolę w przyszłym europejskim miksie energetycznym mają odegrać tzw. gazy zdekarbonizowane, czyli niezawierające węgla i niepowodujące powstania CO₂ w procesie spalania. „Zazielenienie” (greening up) i dekarbonizacja gazu przeznaczonego do ogrzewania oznaczają przede wszystkim zastąpienie gazu ziemnego (CH₄) czystym wodorem. Prawidłowo zbilansowany miks energetyczny, łączący wytwarzanie ciepła z energii elektrycznej i „zielonych” gazów (czyli głównie wodoru), jest bardziej opłacalny i bezpieczny niż strategia „tylko energia elektryczna” [3].

W wielu budynkach dekarbonizacja umożliwiająca zachowanie ogrzewania gazowego może być jedynym akceptowalnym ekonomicznie sposobem transformacji energetycznej. Wystarczy wspomnieć, że w 1/3 europejskich budynków przemysłowych, także do procesów technologicznych, zużywa się ok. 1/3 gazu wykorzystywanego w UE. Około 70% budynków mieszkalnych w UE z wodnymi instalacjami c.o. ma urządzenia wykorzystujące spalanie gazu (głównie ziemnego) [4]. Dlatego bardzo ważnym elementem przechodzenia na ogrzewanie wodorowe jest zachowanie istniejącej infrastruktury gazowej i dostosowanie jej do transportu i dystrybucji wodoru – zarówno jako domieszki do „klasycznego” paliwa gazowego, jak i jako czystego paliwa gazowego.

Wodór jako „paliwo przyszłości” – wyzwania

W europejskiej strategii osiągnięcia neutralności klimatycznej [5] zakłada się, że udział wodoru w europejskim miksie energetycznym wzrośnie z obecnych 2% do 13–14%. W UE produkcja wodoru ma się odbywać z wykorzystaniem bezemisyjnej energii odnawialnej, czyli z energii elektrycznej z instalacji wiatrowych i słonecznych.

W Polsce rocznie produkuje się ok. 1 mln ton wodoru, co plasuje nasz kraj na 5. pozycji w globalnym rankingu producentów [6]. Do roli lidera może urosnąć rejon wschodniej Wielkopolski (obecnie przetwórstwo węgla brunatnego), gdzie w 2019 roku powołano Wielkopolską Platformę Wodorową. Jej celem jest wzajemne wspieranie rozwoju technologii wodorowej, z rozwojem infrastruktury produkcyjnej na czele [7].

Zasadniczym problemem związanym z dostępnością wodoru i opartych na tym gazie rozwiązaniach jest koszt jego produkcji – szczególnie w przypadku tzw. wodoru zielonego, który według dyrektywy RED II [8] powinien być głównym rodzajem tego gazu stosowanym w Europie.

„Kolory” wodoru zależą od poziomu emisji CO₂ związanej z jego produkcją. Obecnie większość (ok. 95%) wodoru na świecie powstaje w wyniku zgazowania węgla czy biomasy lub reformingu metanu (CH₄). Ponieważ proces taki obciążony jest emisją dwutlenku węgla, powstały wodór określa się jako „szary”. Wodór produkowany z paliw kopalnych, ale z wychwytywaniem i ponownym wykorzystaniem lub składowaniem powstałego CO₂ określany jest jako „niebieski”. Wreszcie wodór, przy którego produkcji wykorzystywane są OZE, tj. powstaje w procesie elektrolizy wody, a energia do zasilania elektrolizera pochodzi ze źródeł odnawialnych, nosi nazwę „zielonego” (emisja CO2 jest znikoma – niższa od 1 kg CO2 eq/kg H2) [6, 7, 9]. Metoda ta stanowi niewielki procent produkcji wodoru – w całej Unii pracuje ok. 300 elektrolizerów odpowiadających za mniej niż 4% całkowitej produkcji wodoru. W Polsce obecnie występują tylko instalacje prototypowe [6].

Urządzenia i instalacje

Kotły „gotowe na wodór” są kondensacyjnymi kotłami grzewczymi gazowymi, które przystosowane są do spalania mieszanki metan+wodór lub czystego (100%) wodoru. Zastosowanie już dziś kotła „gotowego na wodór” może zapewnić właścicielom budynków brak konieczności wymiany urządzenia za kilka lat, gdyby nastąpiła dekarbonizacja ich sieci gazowej. Przestawienie kotła gazowego z pracy na tradycyjnym metanie na pracę na mieszance lub na czystym wodorze będzie dla autoryzowanego serwisanta prostym zadaniem [10].

Obecna technologia już dostępnych na rynku kotłów gazowych z oznaczeniem „H2 Ready” pozwala na spalanie w nich mieszanki z udziałem do 20% wodoru. Istnieją także rozwiązania pozwalające na spalanie mieszanek z maksymalnie 30-proc. zawartością wodoru [4]. Producenci pracują także nad urządzeniami, które przystosowane są do zasilania wodorem w 100% – są to przede wszystkim kotły kondensacyjne jedno- i dwufunkcyjne, ale także instalacje do mikrokogeneracji oraz zasilane cieplnie pompy ciepła [4].

Co ważne, do zasilania kotła gotowego na wodór nadaje się istniejąca infrastruktura gazowa – instalacje domowe i sieci. Sieć przesyłowa i dystrybucyjna gazu jest już dziś technicznie przygotowana do transportu gazu z domieszką 10% wodoru. Większość europejskich sieci dystrybucyjnych można bez większych kosztów przystosować do przesyłania gazu z domieszką do 20% wodoru [4].

20% H₂ w mieszance gazowej – testy praktyczne

Wodór wykazuje pewne podobieństwa do metanu, ale nie jest dokładnie taki sam. Dlatego w Europie pojawia się coraz więcej projektów badawczo-rozwojowych oraz powstają instalacje pilotażowe i testowe, sprawdzające zarówno skuteczność urządzeń i instalacji, jak i ich bezpieczeństwo. Badania dotyczą urządzeń i instalacji pracujących na mieszance (gaz ziemny i 20% H2) oraz na czystym wodorze (100% H2).

W ramach brytyjskiego projektu HyDeploy (prowadzonego przez dystrybutorów gazu oraz Health and Safety Executive – brytyjski urząd nadzorujący zdrowie i bezpieczeństwo w miejscach pracy) testowano pracę istniejących sieci i instalacji gazowych po wprowadzeniu do nich metanu z domieszką 20% wodoru. W 2018 roku Uniwersytet w Keele uzyskał od Health and Safety Executive zgodę na zasilenie własnej sieci gazowej mieszanką metanu z domieszką wodoru o wartości 20% – przy dopuszczalnym poziomie wodoru w sieci gazowej wynoszącym 0,1%. Lokalna sieć gazowa kampusu w Keele obsługuje 30 budynków uczelnianych oraz 100 budynków mieszkalnych. W 2019 roku w ramach pilotażu zbadano zachowanie tej sieci. Po sukcesie pilotażu, na początku 2021 roku, rozpoczęto podobne próby w niedalekiej miejscowości Winlaton. Gaz ziemny z domieszką 20% wodoru zasila 670 domów, kościół, szkołę podstawową i kilka budynków komercyjnych [11,12].

Eksperymentalna kotłownia osiedlowa – 100% H2

Od 2019 roku w miejscowości Rozenburg w gminie Rotterdam w Holandii działa eksperymentalna sieć oparta na kotłowni wodorowej (100% H₂). Pięcioletni projekt Power2Gas (2018–2023) współtworzą operator sieci gazowej Stedin, spółdzielnia mieszkaniowa Ressort Wonen oraz odpowiedzialna za bezpieczeństwo i zarządzanie firma DNV [13,14]. Rozwiązania techniczne dostarczyły: Remeha (BDR Thermea Group) i Beakert Heating (kocioł wodorowy) oraz niemiecka firma Enapter (elektrolizer do miejscowej produkcji „zielonego” wodoru). W ramach projektu badana jest praca w warunkach rzeczywistych systemu grzewczego opartego na wodorze „od produkcji do użytkownika końcowego”. Źródłem „zielonego” wodoru jest mieszczący się na terenie osiedla mały, zautomatyzowany i samoobsługowy zakład elektrolityczny, zasilany m.in. energią z paneli fotowoltaicznych, oparty na ośmiu elektrolizerach produkujących wodór z wody w procesie elektrolizy z zastosowaniem membranowej wymiany anionów (4 m³ H2/h). Produkowany wodór kierowany jest przez istniejącą wcześniej osiedlową sieć gazową do kotłowni gazowej znajdującej się w piwnicy budynku. Kotły, w 100% zasilane wodorem, produkują wodę grzewczą kierowaną do 25 mieszkań. Jako rozwiązanie wspierające w kotłowni znajduje się kocioł gazowy, który działa w przypadku zapotrzebowania na ciepło większego niż wydajność grzewcza zapewniana przez elektrolizę [13,14].

Do 2023 roku mają potrwać badania dotyczące m.in. sprawności i bezpieczeństwa zastosowanego rozwiązania. Na 2025 rok operator Stedin planuje kolejny, szerszy projekt – ogrzewanie na wodór ma zasilić 550 domów we wsi Stad aan 't Haringvliet w Holandii Płd., z wykorzystaniem istniejącej sieci gazowej na gaz ziemny. Rozwiązanie wymaga jednak zmiany prawa – obecnie w Holandii nie można wykorzystywać istniejących sieci gazowych do transportu czystego wodoru. Licząca 27 podmiotów holenderska Koalicja Wodorowa postuluje, by do 2024 roku produkcja „zielonego” wodoru wzrosła do 500 MW z 1 MW (2019 r.), a do 2030 r. – 3,4 GW [14].

Testowe wodorowe instalacje domowe

Pod względem zasilania czystym wodorem (100% H2) badane są także urządzenia domowe. W bazie RAF w miejscowości Spadeadam (Wlk. Brytania) znajdują się trzy budynki testowe HyStreet, reprezentujące typowe domy występujące w tym kraju. Zasadnicza różnica polega na tym, że zainstalowano w nich kotły wodorowe (100% paliwa wodorowego) wyprodukowane przez Baxi Heating (BDR Thermea Group) i Worcester Bosch oraz urządzenia domowe (np. kuchenki) przystosowane do pracy z wodorem. W listopadzie 2020 roku rozpoczęto tam badania domowych urządzeń wodorowych pod kątem bezpieczeństwa i skuteczności współpracy z istniejącą instalacją gazową [15,16]. Badano m.in. możliwości wycieków w porównaniu do istniejącego ryzyka wycieków metanu, zależnie np. od kondycji instalacji, oraz zachowanie wodoru po wycieku. Jednocześnie w celu zwiększenia bezpieczeństwa prowadzona jest wymiana rur gazowych z metalowych na polietylenowe, co ogranicza ryzyko wycieku. Do maja 2021 r. wymieniono już 60 tys. km takich rur, co daje niemal 2/3 całej przewidzianej inwestycji [17,18]. Trwają także prace nad prototypem domowego czujnika wodoru, porównywalnego do znanych już czujników dymu czy tlenku węgla (projekt H2GO). Urządzenie ma zapewniać zarówno alarm głosowy, jak i wizualny za pomocą lampek LED – te ostatnie mają także wskazywać prawidłową pracę urządzenia. Czujka będzie wykrywać stężenie wodoru w powietrzu w powiązaniu z temperaturą i wilgotnością [19].

Z kolei 300 domów w szkockim mieście Fife pod koniec 2022 roku będzie zasilanych czystym (100%) zielonym wodorem, który zastąpi gaz ziemny stosowany do tej pory do ogrzewania, przygotowania c.w.u. czy zasilania urządzeń kuchennych. Dostawy gazu mają być realizowane przez istniejącą infrastrukturę gazu ziemnego. Przez cztery lata „eksperymentalna dzielnica” będzie badana m.in. pod kątem wpływu na środowisko [20].

Literatura

1. A Clean Planet for all. A European strategic long-term vision for a prosperous, modern, competitive and climate neutral economy, COM(2018) 773 final
2. Frontier Economics, The importance of the gas infrastructure for Germany’s energy transition, Berlin 2018
3. Navigant Consulting, GAS FOR CLIMATE. The optimal role for gas in a net-zero emissions energy system, Chicago 2019
4. Starościk Janusz, Wykorzystanie zielonych gazów w tym wodoru jako jednego ze sposobów do dekarbonizacji ogrzewnictwa. Informacja prasowa SPIUG, 15 marca, 2021 (dostęp: 13.05.2021)
5. Strategia w zakresie wodoru na rzecz Europy neutralnej dla klimatu, COM/2020/301 final, https://eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/TXT/?uri=CELEX:52020DC0301 (dostęp: 13.05.2021)
6. Polska Strategia Wodorowa do roku 2030 z perspektywą do 2040 r. (projekt), https://bip.mos.gov.pl/strategie-plany-programy/polska-strategia-wodorowa-do-roku-2030-z-perspektywa-do-2040-r/ (dostęp: 13.05.2021)
7. Wolska Anna, Jakubowska Joanna, Wodór: Paliwo przyszłości, które przyczyni się do transformacji gospodarki? https://www.euractiv.pl/section/polityka-regionalna/news/wodor-paliwo-przyszlosci-unia-europejska-polska-niemcy-h/ (dostęp: 13.05.2021)
8. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/2001 z dnia 11 grudnia 2018 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych, https://eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/TXT/HTML/?uri=CELEX:32018L2001&from=PL (dostęp: 13.05.2021)
9. Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Trzy kolory – niebieski, http://www.ichpw.pl/blog/2020/08/28/trzy-kolory-niebieski/ (dostęp: 13.05.2021)
10. Why hydrogen boilers?, materiał firmy Worcester/Bosch, https://www.worcester-bosch.co.uk/hydrogen (dostęp: 13.05.2021)
11. An exciting next step in tackling climate change, https://hydeploy.co.uk/winlaton/ (dostęp: 13.05.2021)
12. Energy Network Asscociation, H2Explainer: How do we start safely blending hydrogen to reduce our household emissions? (dostęp: 13.05.2021)
13. BDR THERMEA zaprezentowała pierwszy kocioł domowy bez emisji dwutlenku węgla, kwiecień 2019, https://dedietrich.pl/blog/bdr-thermea-zaprezentowala-pierwszy-kociol-domowy-bez-emisji-dwutlenku-wegla/ (dostęp: 13.05.2021)
14. Knijp Johan, Heating Dutch homes with hydrogen, https://www.dnv.com/oilgas/perspectives/heating-dutch-homes-with-hydrogen.html (dostęp: 13.05.2021)
15. Allason Daniel, Heating homes with hydrogen: proving the safety case, https://www.dnv.com/oilgas/perspectives/heating-homes-with-hydrogen-proving-the-safety-case.html (dostęp: 13.05.2021)
16. UK’s first hydrogen heating demonstration takes place, https://www.baxiheating.co.uk/news/uk%27s-first-hydrogen-heating-demonstration-takes-place (dostęp: 13.05.2021)
17. Harwood Tim, Safety is our number one priority, https://h21.green/news/safety-is-our-number-one-priority-by-tim-harwood/ (dostęp: 13.05.2021)
18. Wookefield Jack, Hydrogen Heating Plans Need to be More Ambitious, Says Expert, https://www.homebuilding.co.uk/news/hydrogen-heating (dostęp: 13.05.2021)
19. H2GO – Domestic Hydrogen Detector, https://www.smarternetworks.org/project/nia_ngn_292 (dostęp: 13.05.2021)
20. Ambrose Gillian, Scottish homes to be first in world to use 100% green hydrogen, https://www.theguardian.com/environment/2020/nov/30/scottish-green-hydrogen-fife (dostęp: 13.05.2021)
21. Materiały techniczne firm: Bosch, DeDietrich, Enapter, Remexa, Viessmann