Technologia wodorowa w kotłach gazowych – kiedy wodór zastąpi gaz ziemny?
Eksperckim okiem
Anna Pawłowska-Kawa, Specjalistka z branży ekologicznych urządzeń grzewczych
Branża grzewcza spotyka się ostatnimi czasy z wieloma wyzwaniami, a konsumenci są zdezorientowani docierającymi do nich, często sprzecznymi informacjami o praktycznie każdym typie urządzeń grzewczych. Co jakiś czas jak bumerang wraca temat kotłów gazowych, tego czy i kiedy zostaną zakazane. Z drugiej zaś strony w Polsce cały czas kotły gazowe są objęte dofinansowaniami, między innymi z Programu Czyste Powietrze i stanowią drugie po pompach ciepła najchętniej wybierane urządzenie grzewcze kupowane w ramach wsparcia termomodernizacji.
Na początku grudnia 2023 r. osiągnięto porozumienie między Radą UE a Parlamentem Europejskim w sprawie dyrektywy EPBD. Wyznaczono m.in. konkretny harmonogram odchodzenia od wykorzystania paliw kopalnych do ogrzewania i chłodzenia budynków na rzecz upowszechnienia rozwiązań opartych o OZE, w szczególności pomp ciepła. Część ekspertów przekonuje jednak, że zbyt gwałtowne odejście od gazu może doprowadzić do dużych problemów na rynku energii. Gaz jest bowiem, obok energii atomowej, jednym z najbardziej stabilnych źródeł energii – oczywiście mowa tu o jego właściwościach fizycznych i fakcie, że nie jest pogodozależny, a nie o aspektach geopolitycznych.
Rozwiązaniem, które ma zapewnić zarówno bezpieczeństwo energetyczne, jak i przygotowanie się do odejścia od paliw kopalnych może być wodór, który coraz głośniej nazywany jest paliwem przyszłości. I to nie tylko do wykorzystywania w transporcie, ale także w ogrzewaniu. Jednak o ile w przypadku transportu jego zastosowanie jest stosunkowo łatwe i już dziś na naszych ulicach spotykamy auta czy autobusy wodorowe, to w przypadku upowszechnienia tego gazu dla ciepłownictwa systemowego czy instalacji domowych jest to bardziej skomplikowane.
Największe wyzwania dla technologii wodorowej w ciepłownictwie
Wodór już na starcie niestety “przegrywa” z gazem ziemnym jeśli porównamy ich wartości opałowe – wartość opałowa wodoru w ujęciu objętościowym jest trzykrotnie mniejsza, a szybkość propagacji płomienia o wiele większa. Podwyższone jest więc ryzyko samozapłonu. Potencjalnym zagrożeniem jest także tzw. flashback, czyli cofnięcie płomienia. Jest to jednak zjawisko znane także z innych urządzeń grzewczych – wszędzie gdzie jest płomień istnieje ryzyko jego cofnięcia. Niemniej, zjawisko takie w kotle gazowym (czy wodorowym) jest szczególnie niebezpieczne.
Aby móc dostarczać wodór za pomocą istniejących przesyłów konieczna jest też zaawansowana modernizacja systemu doprowadzania paliwa. Mając na uwadze parametry wodoru trzeba zapewnić zwiększony jego przepływ, a przy tym mamy do czynienia z tzw. kruchością wodorową, czyli nieuniknioną degradacją metalu, spowodowaną przenikaniem i gromadzeniem się w nim atomów wodoru. Kolejnym, ogromnym wyzwaniem jest stworzenie i rozwój wysoko wyspecjalizowanych kadr w zakresie technologii wodorowych.
Pionierskie projekty ogrzewania wodorem
Mimo tych wielu wyzwań technicznych w Europie już od lat prowadzone są pilotażowe programy oparte na kotłach zasilanych w 100% czystym wodorem lub mieszanką H2NG. Prym wiodą tutaj Wielka Brytania, Niemcy i Holandia. Wielka Brytania od dawna pokłada bardzo duże nadzieje w technologii wodorowej. Już od 2008 r. kampus Uniwersytetu Keele wykorzystuje sieć gazową, którą płynie mieszanina gazu ziemnego z dodatkiem 20% wodoru. Był to pilotażowy projekt, którym objętych zostało 30 budynków uczelnianych oraz 100 mieszkalnych. Z kolei w miejscowości Winlaton wdrożono projekt tego typu sieci obejmującej zasilanie niemal 700 domów oraz budynków użyteczności publicznej jak szkoła, kościół czy sklepy. Ciekawą inwestycją jest też ta w bazie wojskowej RAF (Royal Air Force) w Spadeadam, gdzie od 2020 r. 3 budynki zasilane są czystym wodorem. Wodór zapewnia tam nie tylko ciepło, ale zasila także urządzenia domowe np. kuchenki gazowe. Jednocześnie prowadzone są tam również zaawansowane badania dotyczące ryzyka ewentualnych wycieków wodoru oraz porównuje się je ze skutkami wycieków metanu.
Pod koniec 2022 r. po raz pierwszy w Wielkiej Brytanii zaczęto głośno mówić o możliwości całkowitego zakazu montażu tradycyjnych kotłów gazowych już od 2026 r. Miałyby je zastąpić te opracowane w technologii H2Ready – gotowe na przezbrojenie z gazu ziemnego wtedy, gdy siecią gazową popłynie wodór, najpierw w formie domieszki, a następnie jako jedyne paliwo. Spowodowało to niemałe poruszenie zarówno wśród polityków Królestwa, ekonomistów, ekologów oraz czywiście producentów kotłów i całej szeroko pojętej branży energetycznej. Ówczesny premier Boris Johnson był zadeklarowanym entuzjastą technologii wodorowych i upatrywał w nich upatrywał złoty środek do dekarbonizacji krajowego sektora energetycznego.
Obecnie zapał ten został nieco ostudzony przez nowego premiera Wielkiej Brytanii. Dla Rishiego Sunaka rezygnacja z paliw kopalnych póki co nie wchodzi w grę. Według niego i jego współpracowników OZE nie są w stanie w pełni pokryć zapotrzebowania gospodarki i ludności na energię elektryczną. Postanowił on opóźnić osiągnięcie neutralności klimatycznej i zadeklarował wydanie setek nowych koncesji na poszukiwanie i wydobycie ropy i gazu oraz złagodził wymogi dotyczące emisji gazów cieplarnianych do atmosfery.
W Holandii z kolei od 2019 r. pracuje eksperymentalna sieć oparta o osiedlową kotłownię wodorową (100% H2). Rozwiązania techniczne dostarczyły BDR Thermea Group i Beakert Heating (kotły), a także niemiecka firma Enapter (elektrolizery). Wodór produkowany jest przez osiem elektrolizerów (4m3H2/h) i zasila kotłownię gazową zlokalizowaną w piwnicy budynku. Kotły w 100% zasilane wodorem produkują wodę grzewczą kierowaną do 25 mieszkań. Na potrzeby tego pilotażowego projektu przebudowany został dotychczasowy rurociąg gazu ziemnego, który transportuje do kotłowni produkowany na miejscu zielony wodór. Ostatnia wizyta konserwacyjna przeprowadzona po 3 latach pracy wykazała, że kocioł zasilany w 100% wodorem nadal jest w doskonałym stanie, działa nieprzerwanie od czasu instalacji i to bez żadnych problemów czy straty wydajności. „Jesteśmy niezmiernie dumni, że nasz kocioł na wodór jest w tak dobrym stanie i działa dokładnie tak, jak w momencie instalacji. To dla nas doskonały wynik” – mówił Andrea Manini, szef programu wodoru i ogniw paliwowych w BDR Thermea Group.
Pokazuje to, że producenci są w stanie opracować urządzenie, które będzie wysokosprawne i w bezpieczny sposób spalające wodór. W ślad za BDR Thermea Group poszli inni producenci kotłów gazowych. Większość jednak obecnie stawia na tzw. formę H2Ready, która oznacza że dane urządzenie jest przystosowane do spalania gazu ziemnego z domieszką wodoru – zazwyczaj wynoszącą 20%, a niekiedy 30%. Ich konstrukcja pozwala na łatwe przezbrojenie z gazu ziemnego na spalanie gazu ziemnego domieszką wodoru, które może zostać wykonane przez autoryzowanego serwisanta. 20% domieszka wodoru wydaje się być mało znacząca – nic bardziej mylnego. Badania przeprowadzone w Wielkiej Brytanii dowodzą, że wykorzystanie gazu ziemnego z 20% wodoru, pozwala osiągnąć efekt dla środowiska tożsamy z tym, gdyby z ulic Wielkiej Brytanii nagle zniknęło 2,5 miliona samochodów. Pozwoliłoby to nam również zmniejszyć emisje gazów cieplarnianych o około 8% rocznie.
Czy Polska jest gotowa na wodór?
Aby “przejście na wodór” miało wartość nie tylko ekologiczną, ale również ekonomiczną należy dążyć do wykorzystywania i dostosowywania istniejących sieci przesyłowych i instalacji gazowych. W Polsce do sierpnia 2022 r. dopuszczalna zawartość wodoru w gazie ziemnym wynosiła 0%. Zostało to zmienione na mocy rozporządzenia Ministerstwa Środowiska w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu gazowego. Nowelizacja mówi obecnie o dopuszczalności maksymalnie 10% dodatku wodoru do gazu ziemnego. To niewiele, jednak jest to już pewien krok w kierunku możliwości stopniowego wprowadzania wodoru do użytkowania – przynajmniej na poziomie legislacyjnym.
Pojawiają się też pierwsze, konkretne projekty z tym związane. Spółka SES Hydrogen Energy ma w planach budowę pierwszej w Polsce kotłowni wodorowej dla budynków mieszkalnych wraz z całą niezbędną infrastrukturą. Powstanie ona przy ul. Farnej w Śremie i będzie obejmować instalację kotłowni wodorowej bazującej na spalaniu wodoru i tlenu oraz instalację grzewczą obejmującą gruntowe pompy ciepła typu solanka-woda.
Europejski Zielony Ład zobowiązuje samorządy do bycia samowystarczalnymi. W naszym kraju notujemy bardzo duży udział ciepłownictwa systemowego – i to na jego zmianach należy się skupiać. Wzorem może tu być Sanok – w 2021 r. powstała Podkarpacka Dolina Wodorowa. Sanockie Przedsiębiorstwo Gospodarki Komunalnej powołało spółkę wodorową, odpowiedzialną za dekarbonizację całego Sanockiego Przedsiębiorstwa Gospodarki Komunalnej, a w pierwszej kolejności ciepłownictwa. W na ten moment w mieście są dwie ciepłownie opalane węglem. Ma się to jednak zmienić. “Inwestujemy w kocioł biomasowy, przejściowo będziemy też korzystać z kotła gazowego, ale docelowo chcemy wykorzystywać wodór. Koncepcja zakłada postawienie fotowoltaiki, wybudowanie elektrolizerów, magazynów energii, kotła elektrodowego, pompy ciepła. Planujemy wykorzystać w systemie ciepłowniczym między innymi ciepło odpadowe z elektrolizera” – mówił Krzysztof Jarosz – prezes SPGK.
Wodór wodorowi nierówny
Wodór podlega klasyfikacji ze względu na sposób jego pozyskiwania i kategoryzowany jest kolorami. Najczęściej mówi się o wodorze:
– Szarym – produkowanym przez zgazowanie węgla czy biomasy lub reforming metanu (CH4). Podczas tego procesu do atmosfery uwalniany jest CO2.
– Różowym – wytwarzanym z wykorzystaniem energii elektrycznej lub cieplnej pozyskanej z kolei z energii jądrowej.
– Niebieskim – produkowanym z paliw kopalnych, ale z wychwytywaniem i ponownym wykorzystaniem lub składowaniem powstałego CO2.
– Turkusowym – produkowanym w procesie pyrolizy metanu. Energia do uzyskania ciepła do procesu pyrolizy musi jednak pochodzić ze źródeł odnawialnych.
– Białym – pochodzącym z naturalnych źródeł geologicznych.
– Zielonym – powstającym w procesie elektrolizy wody. Energia do zasilania elektrolizera musi pochodzić ze źródeł odnawialnych.
W chwili obecnej około 95% produkowanego na świecie wodoru to ten szary, wytwarzany przez przemysł chemiczny i petrochemiczny. Ten najbardziej ekologiczny – bo występujący naturalnie na całej planecie – biały wodór cieszy się coraz większym zainteresowaniem – kolejne kraje chcą skupiać się na jego wydobyciu. Złoża białego wodoru zostały znalezione w USA, Europie Wschodniej, Rosji, Australii, Omanie, a także we Francji i Mali. Pod koniec 2023 r. szczególnie głośno mówiono o nieoczekiwanie odkrytych pokaźnych złożach białego wodoru we Francji. CNN donosiła wtedy, że odkrycie to może “uratować świat”.
Szacuje się, że światowe złoża wodoru mogą sięgać dziesiątek miliardów ton. Do tej pory to wodór zielony traktowany był jako ten kluczowy dla energetycznej transformacji, jednak koszt jego wytwarzania jest bardzo duży, a sama podaż niewielka. Może się okazać, że tańsze okaże się wydobywanie białego wodoru, pod warunkiem odkrycia wystarczająco dużych i niezbyt głęboko położonych złóż.
Technologia wodorowa w kotłach gazowych –podsumowanie
Odchodzenie od paliw kopalnych jest nieuniknione. Polacy jednak nadal chętnie kupują kotły gazowe, widać to chociażby we wnioskach składanych w ramach Programu Czyste Powietrze. W 2022 r. większość wnioskodawców, postawiła na pompy ciepła. Trend ten jednak osłabł na początku 2023 r., a do łask powróciły kondensacyjne kotły gazowe, kosztem właśnie pomp ciepła. Póki co unijne przepisy stanowią, że od 2027 r. nie będzie można montować takich kotłów w nowych budynkach, a trzy lata później wejść ma zakaz instalowania kotłów gazowych w modernizowanych nieruchomościach.
Z kolei przepisy Dyrektywy Ekoprojekt, mówią o tym, że od 2025 r. wszystkie nowe urządzenia gazowe wprowadzane do obrotu będą musiały być dostosowane do spalania gazu ziemnego z 20% dodatkiem wodoru, a od 2029 r. mają być technicznie gotowe do przezbrojenia na 100% wodoru. Czy nasza infrastruktura będzie już wtedy gotowa do przesyłania wodoru? Czas pokaże. Niemniej, technologia wodorowa ma szansę stać się rozwiązaniem najpierw przejściowym, zapewniającym nam łagodniejszą i bezpieczniejszą transformację energetyczną, a docelowo będzie ona w stanie – przynajmniej częściowo – zapełnić lukę po gazie ziemnym, w czym mają również pomóc biopaliwa jak biometan czy bioLPG.
Anna Pawłowska-Kawa
Absolwentka Politechniki Świętokrzyskiej kierunków Zarządzanie i Inżyniera Produkcji oraz Mechanika i Budowa Maszyn. Specjalistka z branży ekologicznych urządzeń grzewczych. Zwolenniczka systemowego i zrównoważonego podejścia do zagadnienia transformacji energetycznej.