Polska może znacząco zwiększyć wykorzystanie wodoru odnawialnego w przemyśle i transporcie, a także trudnych do dekarbonizacji sektorach, jak hutnictwo i ciepłownictwo. W obliczu przyrastających mocy ze źródeł odnawialnych wzrośnie też rola H2 jako magazynu energii w elektroenergetyce.
16 listopada 2023 roku podczas trzeciej edycji HydrogenConference.pl na Uniwersytecie Warszawskim zaprezentowano Raport pt.: „Prognoza zapotrzebowania na wodór odnawialny RFNBO w Polsce do 2030 r. zgodnie z celami regulacyjnymi wskazanymi w: Dyrektywie RED III, Rozporządzeniach – FuelEU Maritime, REFuelEU Aviation i AFiR”.
Raport przygotowany przez zespół naukowców w składzie: Filip Targowski (Wydział Zarządzania UW), Piotr Mikusek (Wydział Prawa i Administracji UW), Michał Grzybowski (Wydział Zarządzania UW), Maksymilian Matraszek (Wydział Zarządzania UW) pod kierunkiem dra hab. Grzegorza Tchorka, profesora Instytutu Energetyki dokonano szacowania popytu na wodór w poszczególnych sektorach w dwóch scenariuszach – bazowym (zakładającym użycie wodoru RFNBO w dotychczasowych sektorach – przemysł i transport) oraz rozszerzonym (zakładającym użycie wodoru RFNBO w dotychczasowych sektorach oraz nowych zastosowaniach-hutnictwo, ciepłownictwo, nowoczesna petrochemia).
RFNBO – era nowych paliw
Dyrektywa RED III oraz Rozporządzenia: 2a FuelEU Maritime, 2b. REFuelEU Aviation 2c. AFiR wyznaczają cele ilościowe w zakresie dekarbonizacji sektorów trudnych do elektryfikacji narzucając wykorzystania wodoru odnawialnego i paliw pochodnych (RFNBO – Renewable fuels of non-biological origin (Według definicji RFNBO jedynymi źródłami energii, które mogą służyć do ich produkcji mogą być źródła „pochodzenia niebiologicznego”, czyli energia elektryczna pochodząca z wiatru, słońca i wody zasilająca instalację elektrolizy do produkcji wodoru.):
- w sektorze przemysłowym udział RFNBO w wykorzystywanym wodorze na poziomie co najmniej 42%,
- w sektorze transportu udział RFNBO w końcowym zużyciu energii na poziomie 1%,
- w transporcie morskim udział RFNBO w końcowym zużyciu energii na poziomie 1,2%,
- w transporcie lotniczym udziału syntetycznych paliw lotniczych w końcowym zużyciu paliw na poziomie 0,7%.
W sektorze przemysłowym, gdzie w 2022 r. największym konsumentem wodoru był sektor rafineryjny oraz chemiczny (produkcja nawozów), popyt na wodór odnawialny może wynosić w 2030 r. odpowiednio ok. 190 000 ton wodoru w scenariuszu bazowym oraz w scenariuszy rozszerzonym ok 211 000 ton.
W sektorze transportowym, w scenariuszu bazowym popyt na wodór RFNBO w 2030 r. może wynosić ok 6 900 ton a w scenariuszu rozszerzonym ok 22 000 ton.
Łącznie popyt na wodór RFNBO w 2030 r. może wynosić w scenariuszu bazowym ok 227 000 ton wodoru oraz ok 250 000 ton wodoru w scenariuszu rozszerzonym.
Produkcja i zużycie wodoru w sektorze przemysłu w Polsce w 2022 roku
Obecnie produkowany wodór w Polsce jest wytwarzany z gazu ziemnego w ilości ok 1 mln ton, co czyni Polskę jednym z największych producentów i konsumentów wodoru w UE (3 pozycja) i na świecie (5 pozycja).
Sektor nawozowy
Sektor nawozowy (amoniak) – odpowiada za około 374 kt produkcji i jednoczesnego zużycia wodoru na potrzeby produkcji amoniaku (reakcja Habera-Boscha). Należy wskazać, że w przeciwieństwie do wielu innych państw UE, sektor nawozowy był największym konsumentem wodoru w Polsce w ostatniej dekadzie, przewyższając zużycia nawet w sektorze rafineryjnym, jednak w 2022 r. zużycie wodoru w tym sektorze było mniejsze z racji na otoczenie makroekonomiczne i wojnę w Ukrainie (historycznie wysokie ceny gazu ziemnego).
Sektor rafineryjny
Sektor rafineryjny (przerób paliw) – odpowiada za około 381 kt produkcji i zużycia wodoru na potrzeby oczyszczania ropy naftowej (hydrokraking, odsiarczanie). Należy pamiętać, że oczyszczanie ropy naftowej odbywa się w dwóch dalszych kierunkach: 1) na potrzeby produkcji paliw konwencjonalnych, 2) na potrzeby produkcji chemikaliów (wpływa to na sposób wyliczenia celu RFNBO).
Sektor chemiczny
Sektor chemiczny (poza amoniakiem) – odpowiada za około 14 kt produkcji i zużycia wodoru rocznie, głównie na potrzeby dalszego wytwarzania takich chemikaliów jak m.in.: chlorek winylu, cykloheksan, toulen. Trudno dokładnie zweryfikować i wskazać wszystkie procesy technologicznie w tym sektorze, w których wodór występuje jako bazowy surowiec produkcyjny.
Pozostałe sektory
Pozostałe sektory – odpowiadają za około 6 kt produkcji i zużycia wodoru, składają się na nie głównie: sektor gazów technicznych, wodór wykorzystywany w przemyśle spożywczym, wodór używany jako chłodziwo.
Wodór jako produkt uboczny
Wodór będący produktem ubocznym (tzw. by-product) – produkcja około 235 kt wodoru rocznie*. W Polsce jest generowany głównie w koksowniach w postaci tzw. gazu koksowniczego (CoG). Nie wlicza się w mianownik wzoru przemysłowego RFNBO.
Nowe zastosowanie wodoru
Pomimo zasadniczych wyzwań wynikających ze stosowania RFNBO w przemyśle wynikających z m.in.: mniejszej efektywności energetycznej względem bezpośredniej elektryfikacji czy zastosowania bezpośrednio węglowodorów, stosunkowo wyższych kosztów wytworzenia RFNBO oraz potrzeby poczynienia nakładów inwestycyjnych
na dostosowanie infrastruktury transportowej i odbiorczej – prognozowany jest, zarówno przez organizacje międzynarodowe (IEA, IRENA) i organy unijne, znaczący wzrost wykorzystania RFNBO nie tylko w sektorach obecnie wykorzystujących wodór oraz jego pochodne, lecz także w nowych obszarach zastosowania przemysłowego.
Sektor hutnictwa stali
Sektor hutnictwa stali jest jednym z sektorów, w których obecnie wykorzystanie wodoru ma marginalny charakter (ok. 3% światowego zużycia). Posiada przy tym znaczny potencjał dekarbonizacyjny dzięki wykorzystaniu wodoru o obniżonej emisyjności.
Cechą charakterystyczną sektora hutnictwa stali jest możliwość wykorzystania wodoru jako surowca do redukcji rudy w procesach technologicznych. Wykorzystanie odnawialnego wodoru może znacznie zmniejszyć emisyjność procesu produkcji stali.
Do procesu DRI-EAF potrzebna jest ruda żelaza o większej czystości niż BF-BOF. Obecnie tylko ok. 13% rudy żelaza ma jakość pozwalającą na wykorzystanie procesu DRI-EAF. Tym samym niezbędne jest wydobycie rud o wyższej jakości, bardziej zaawansowana obróbka wstępna rud niższej jakości lub rozwój technologii topnienia (DRI-melt-BOF). W przypadku wykorzystania w 100% wodoru niezbędne jest wdmuchiwanie węgla.
Prognozowany poziom emisyjności wskazanych technologii w perspektywie 2050 r. wynosi: BF-BOF + H2 injection – 1,47 tCO2/t surowej stali, DRI-EAF + 50% H2 – 0,69 tCO2/t surowej stali, DRI-melt-EAF + 100% H2 – 0,05 tCO2/t surowej stali.
Wodór w ciepłownictwie przemysłowym
Największy potencjał wykorzystania wodoru w ciepłownictwie przemysłowym występuje w sektorach obecnie wykorzystujących wodór np.: naftowym oraz chemicznym, a także dodatkowo w sektorach wymagających wysoko temperaturowego ciepła (≥ 400 ̊C) np. produkcja metali (np. huty stali), produkcja metali nieżelaznych (np. huty miedzi) czy w hutach szkła, zakładach ceramicznych i cementowniach.
Pomimo mniejszej efektywności energetycznej wykorzystania wodoru (o ok. 35%) i technicznej możliwości elektryfikacji wytwarzanie wysokotemperaturowego ciepła, ze względu na nieproporcjonalnie wysokie koszty przeprojektowania instalacji ciepłowniczych i całych ciągów produkcyjnych, opłacalne może okazać się wykorzystanie wodoru.
Poza wyzwaniami regulacyjnymi wskazanymi dla ciepłownictwa zawodowego istotnym bodźcem dekarbonizacyjnym będą wymogi wynikające z systemu ETS np. ograniczanie podaży bezpłatnych EUA dla instalacji objętych CBAM.
Scenariusz bazowy został oparty o założenie wykorzystania ~5% wytworzonego wodoru w przemyśle bezpośrednio w ciepłownictwie wysokotemperaturowym, np. w projektach demonstracyjnychi w sytuacji krótkookresowych nadpodaży wodoru związanych z sytuacją występowania nadmiarowych mocy w systemie.
Wodór w ciepłownictwie zawodowym
Dla ciepłownictwa zawodowego dostarczającego ciepło systemowe, a także ciepłownictwa zawodowego nisko- i średniotemperaturowe, nie przewiduje się do 2030 r., aby wodór odgrywał w nich większą rolę ze względu na możliwość wykorzystania alternatywnych tańszych rozwiązań oraz występowanie bardziej priorytetowego popytu w innych sektorach.
W okresie po 2035 r., ze względu na zaostrzające się wymogi dotyczące efektywnych systemów ciepłowniczych przewidziane w dyrektywie w sprawie efektywności energetycznej (EEDII) oraz utrudnione pozyskiwanie finansowania dla instalacji niespełniających wymogów emisyjności ustanowionych w ramach Taksonomii, mogą spowodować pojawienie się lokalnego zastosowania wodoru lub jego derywatów w ciepłownictwie zawodowym.
Wykorzystanie wodoru w ciepłownictwie zawodowym będzie silnie zależne od lokalnych uwarunkowań, w szczególności od wkomponowania ciepłowni w regionalne systemy energetyczne i w ich specyfikę np. wynikającą z funkcjonowania doliny wodorowej, a także dostępności odnawialnych źródeł energii oraz stanu technicznego infrastruktury energetycznej.
Scenariusz bazowy został oparty o założenia Polskiej Strategii Wodorowej w zakresie wykorzystania wodoru w ciepłownictwie.
Wodór w energetyce zawodowej
W odniesieniu do elektroenergetyki zawodowej wodór może występować w dwojakiej roli: jako domieszki do gazu zimnego w turbinach gazowych oraz w roli magazynu energii.
Ze względu na wyższą efektywność energetyczną, gotowość infrastruktury energetycznej oraz brak konkurencyjności kosztowej do 2030 r. wodór nie będzie pełnił żadnej istotnej roli w bezpośrednim spalaniu gazów w celu wytwarzania energii elektrycznej (w tym w kogeneracji). Po 2035 r., ze względu na wymogi Taksonomii i obowiązek projektowania nowych jednostek dostosowanych do wykorzystania odnawialnych i niskoemisyjnych paliw gazowych rola wodoru może się stopniowo zwiększać.
Rola wodoru jako magazynu energii, jako pośredniego etapu pomiędzy konwersją, a następnie rekonwersją do energii elektrycznej, będzie rosnąć wraz ze zwiększaniem się w systemie liczby niesterowalnych źródeł wytwórczych. Takie lokalne magazynowanie energii może służyć do realizacji usług elastyczności i zmniejszać potrzebę wdrażania redysponowania źródeł wytwórczych.
Scenariusz bazowy zakłada wykorzystanie do produkcji wodoru nadmiarowej energii elektrycznej (założenie: 1,5 TWh) powstającej w okresie występowania nadwyżek w systemie elektroenergetycznym.
Potrzebne nowe moce OZE i zwiększone nakłady finansowe
Realizacja celów RED III w zakresie RFNBO spowoduje konieczność rozwoju około 9,4-10,3 GW fotowoltaiki lub 4,7 – 5,2 GW wiatru na lądzie lub 3,1-3,4 GW wiatru morskiego (prawdopodobny będzie mix tych źródeł).
Do zasilenia instalacji produkcji wodoru RFNBO konieczne będzie zabezpieczenie 10,6-11,8 TWh energii elektrycznej tylko w 2030 r. (wartości te będą rosnąc od 2035 r. wraz z kolejnymi celami RFNBO).
Dla realizacji produkcji wymaganych wolumenów wodoru RFNBO w 2030 r. niezbędne będą inwestycje na poziomie 37,6 – 41,2 mld zł w fotowoltaikę lub 32,69 – 36,19 mld zł w wiatraki lądowe lub 38,4-40,8 mld zł (według cen z 2022 r.).
Przy założeniu 10-letniego okresu wsparcia (2027-2037 r.) dla projektów realizujących cele RFNBO na 2030 r. wymagany poziom pomocy publicznej może wynieść 31– 34 mld zł, a dla realizacji kolejnych celów RFNBO na 2035 r. i dalej wymagane będzie prawdopodobnie zabezpieczenie kolejnych środków budżetowych.
Luka finansowa w wysokości 31–34 mld zł nie uwzględnia szeregu kluczowych inwestycji systemowych np. nakładów niezbędnych na sieci energetyczne (wodorowe, gazowe i elektroenergetyczne), infrastrukturę magazynową, rozbudowę oraz dostosowanie infrastruktury odbiorczej. Tym samym ostateczny poziom nakładów na rozwój gospodarki wodorowej w Polsce może być kilkukrotnie wyższy.
