Rynek kotłów kondensacyjnych wciąż zmierza w kierunku maksymalnej redukcji śladu węglowego – w związku z zieloną transformacją oraz coraz większą świadomością inwestorów. Jednym ze sposobów na dostarczanie ekologicznego ciepła jest produkowanie urządzeń zasilanych wodorem. Jak rozwija się technologia związana z kotłami, które docelowo mają być zasilane „paliwem przyszłości”?
Era paliw kopalnych dobiega końca w coraz szybszym tempie. Przyczyn jest wiele – od kończących się zasobów naturalnych, poprzez emisję szkodliwych gazów i globalne ocieplenie, aż do czynników geopolitycznych. Wszystko to sprawia, że Unia Europejska – a co za tym idzie – również Polska, wdrażają strategie mające na celu dekarbonizację oraz wdrożenie tak zwanej zielonej transformacji, która opierać się będzie na odnawialnych źródłach energii. Jednym z nich jest wodór, w którym dostrzega się ogromny potencjał. Obecnie jest wykorzystywany głównie w transporcie, jednak jego właściwości pozwalają na znacznie więcej. W czym tkwi jego siła? Skąd pomysł, aby wykorzystywać wodór jako paliwo?
Wodór: paliwo na miarę czasów?
Produkowanie gazowych kotłów kondensacyjnych, które są dostosowane nie tylko do zasilania gazem ziemnym, ale także wodorem, to nie chwyt marketingowy czy przejściowy trend, a uzasadnione działanie. Jest ono związane między innymi z zieloną transformacją, która zakłada odejście od paliw kopalnych i skupia się na maksymalnym wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii. Wodór (patrz rys.1) został wskazany przez Komisję Europejską jako czynnik, który pozwoli realizować założenia Europejskiego Zielonego Ładu, co zostało ujęte w “Strategii wodorowej dla neutralnej klimatycznie Europy”. Według niej do 2050 roku, zielony wodór będzie ogólnodostępnym źródłem energii.
Plany na wdrożenie wodoru jako paliwa dostępnego nad Wisłą zawarto natomiast w Polskiej Strategii Wodorowej. Co prawda, Polska jest obecnie trzecim co do wielkości producentem wodoru w Europie – jednak w większości jest to tak zwany “szary” wodór, którego pozyskanie emituje szkodliwe substancje. Celem jest wytwarzanie niskoi bezemisyjnego wodoru – tak zwanego “zielonego”, który powstaje w procesie elektrolizy, dzięki wykorzystaniu energii elektrycznej pozyskanej z odnawialnego, ekologicznego źródła – na przykład fotowoltaiki. W Polsce mają powstać tak zwane doliny wodorowe, które będą ośrodkami wspierającymi innowacje w zakresie wytwarzania i magazynowania pierwiastka. Polska Strategia Wodorowa zakłada stworzenie warunków do produkcji zielonego H2 do 2030 roku.
Paliwo wodorowe jest atrakcyjne nie tylko ze względów ekologicznych. Jego zaletą jest także gwarancja niezależności od dynamicznie zmieniającej się w ostatnim czasie sytuacji geopolitycznej, która w wielu konsumentach budzi niepokój związany z bezpieczeństwem energetycznym. Wodór, w przeciwieństwie do importowanych paliw kopalnych, takich jak węgiel, nie stwarza zagrożenia nagłego wzrostu cen, co czyni go pożądaną alternatywą dla tradycyjnych źródeł ciepła.
Co więcej – wodór to nie tylko przyjazne dla środowiska naturalnego i wydajne paliwo, ale również dobry sposób magazynowania nadwyżek energii, na przykład pochodzących z instalacji fotowoltaicznych. Aby nie tracić energii elektrycznej, która nie zostaje na bieżąco zużyta, można wykorzystać ją właśnie do produkcji zielonego, bezemisyjnego wodoru we wspomnianym wcześniej procesie elektrolizy.
Kotły gotowe na (r)ewolucję
Wielu ekspertów uważa, że zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju, aby przeprowadzić energetyczną transformację, nie trzeba całkowicie rezygnować z wypracowanych do tej pory rozwiązań. Obecnie istniejącą infrastrukturę gazową można wykorzystać także do przesyłu mieszanki gazu z wodorem (do 20% wodoru), która w przyszłości może zasilić urządzenia grzewcze w naszych domach. Na tej samej zasadzie, proponuje się płynne przejście na ogrzewanie wodorem dzięki tak zwanym kotłom “H2 ready”, które są już dostępne na rynku. Obecnie zasilane gazem, w przyszłości nie będą wymagały wymiany, jeśli strategia wodorowa zostanie zrealizowana. Tego typu rozwiązania są popularne w Niemczech, Wielkiej Brytanii, ale również w Polsce.
Przyszłość jest bliżej niż myślimy?
Producenci znad Wisły dostrzegają potencjał wodoru i już opracowują projekty zasilanych nim urządzeń. Przykładem może być firma Termet, która wraz z Politechniką Warszawską oraz spółką Fuel Cell Poland pracuje nad innowacyjną mikrokogeneracją dostosowaną do potrzeb domów jednorodzinnych oraz niewielkich budynków biurowych czy przemysłowych. Urządzenie początkowo będzie zasilane gazem, a docelowo – jego mieszanką z wodorem.
Celem projektu jest jednak nie tylko stworzenie kotła H2 ready – a pójście o krok dalej. Rozwiązanie będzie dostarczać energię elektryczną oraz ciepło, a stosunek wytwarzanej energii elektrycznej i cieplnej będzie można regulować w zależności od aktualnych potrzeb. Wysokosprawne urządzenie ma działać dzięki ogniwom paliwowym, które w procesie elektrochemicznym generują prąd oraz ciepło odpadowe. Technologia ta jest już obecnie wykorzystywana w skali przemysłowej. Innowacyjność projektu polega na downsizingu istniejących rozwiązań w celu ich dostosowania do potrzeb domów jednorodzinnych. Projekt urządzenia widoczny jest na rysunku nr 2.
Transformacja okiem eksperta
Profesor Jarosław Milewski, Zakład Maszyn i Urządzeń Energetycznych, Politechnika Warszawska, lider projektu związanego z innowacyjną mikrokogeneracją dostrzega w wodorze szansę na rozwój w kierunku zrównoważonego rozwoju urządzeń grzewczych:
Energia do dziś jest produkowana w oparciu o tzw. obiegi termodynamiczne – coś się musi kręcić w kółko – które mają swoje ograniczenia sprawnościowe. Ale doszliśmy do pewnych granic możliwości konstrukcyjnych i materiałowych, dalsze podnoszenie sprawności przetwarzania energii wymaga innej metody, odejścia od obiegów termodynamicznych na rzecz innych urządzeń, na przykład ogniw paliwowych. One nie mają takich ograniczeń, nie pracują w cyklu. Z drugiej jednak strony limitują je inne kwestie, np. czystość paliwa. Dopóki urządzenia pracują na obiegach, można użyć niespecjalnie czystego paliwa, będą działały może krócej, ale będą. W przypadku ogniw paliwowych najlepszym paliwem jest wodór, zresztą często na te ogniwa mówi się wodorowe, co nie jest do końca poprawne, ale dobrze obrazuje, o co w nich chodzi. Zatem dalszy wzrost sprawności jest możliwy właśnie poprzez wykorzystanie wodoru. To dla nas kolejny etap cywilizacyjny.
Ogniwa paliwowe – co warto o nich wiedzieć?
Początki technologii stosowanej w ogniwach sięgają XIX wieku. Wszystko zaczęło się od momentu, w którym William Nicholson i Anthony Carlise opisali zjawisko elektrolizy wody. Następnym krokiem było odkrycie zasady działania ogniw przez chemika Christiana Friedricha Schönbeina. Korzystając z jego publikacji, pierwsze ogniwo stworzył William Groove. Co ciekawe miało to miejsce już w 1839 roku. Jednak rozwój technologii nastąpił dopiero w latach 60. kolejnego stulecia – gdy temat zainteresował NASA. Od tamtej pory technologia ogniw jest stale rozwijana, znajduje zastosowania w motoryzacji, energetyce czy branży grzewczej. Dlaczego są tak atrakcyjne?
Otóż ogniwa paliwowe mają wiele zalet – głównie ze względu na prosty schemat budowy i działania. Po pierwsze – nie mają części ruchomych, po drugie – są ciche, po trzecie – pozwalają na bezemisyjną produkcję ciepła i prądu. Pozyskują one energię w procesie utleniania dostarczanego do niego paliwa, na przykład wodoru. Zasada działania takich ogniw jest bardzo prosta. Wodór utlenia się, oddając elektrony, które następnie wchodzą w reakcję z tlenem. W efekcie tego procesu uzyskiwana jest energia elektryczna oraz ciepło. Ogniwa paliwowe są wydajne, sprawne i pozwalają w prosty sposób pozyskiwać zieloną energię, która nie emituje do środowiska szkodliwych substancji (produktem ubocznym spalania wodoru jest para wodna).
Krok w stronę zielonej energii
Kotły H2 ready oraz inne innowacyjne technologie grzewcze oparte o wodór reprezentują istotny krok w drodze ku ekologicznym i zrównoważonym źródłom energii. Ich elastyczność, niska emisyjność oraz gotowość na wykorzystanie wodoru bez konieczności wymiany istniejącej infrastruktury służącej do przesyłu gazu stanowią istotny krok w transformacji sektora grzewczego. Warto jednak rozpatrywać rolę wodoru jako część większego, zdywersyfikowanego systemu, w którym znajdą się różnego rodzaju Odnawialne Źródła Energii, gwarantując bezpieczeństwo energetyczne i komfort użytkownikom o różnorodnych potrzebach. Choć z ich wprowadzeniem wciąż wiąże się wiele technologicznych wyzwań, perspektywy związane z rosnącym zainteresowaniem energią wodorową i ekologicznymi technologiami, pozwalają na optymistyczne prognozy w zakresie rozwoju tego źródła ciepła.
Źródła:
1. Komunikat komisji do Parlamentu Europejskiego, Rady, Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego I Komitetu Regionów: Strategia w zakresie wodoru na rzecz Europy neutralnej dla klimatu, Bruksela, dnia 8.7.2020 r., COM(2020) 301 final
2. Polska Strategia Wodorowa (https://www.gov.pl/web/klimat/polska-strategia-wodorowa-do-roku-2030)
3. Witryna www: Wikipedia.org, https://pl.wikipedia.org/wiki/Ogniwo_paliwowe Dostęp: 22.08.2023
