envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Wąski Jar 9
02-786 Warszawa

Advertisement










6 09Nie ustają kontrowersje wokół planowanego na najbliższe lata odchodzenia od wykorzystania gazu ziemnego w ogrzewnictwie – na rzecz technologii pomp ciepła, a także możliwości stosowania w tym obszarze również tzw. czystego wodoru. Dlatego przedstawiamy kolejny ważny głos w tej dyskusji, zapraszając do wypowiedzi doktora Marka Miarę, długoletniego pracownika Instytutu Fraunhofera ISE w Niemczech.

Po zaprezentowaniu pod koniec ub.r. nowych założeń i celów „Europejskiego Zielonego Ładu” dotyczących transformacji energetycznej w budownictwie* , część osób z branży zwraca uwagę na różnorakie ograniczenia i ryzyka związane z przyznaniem technologii pomp ciepła, często w połączeniu z fotowoltaiką, swoistego monopolu na zaopatrywanie w energię cieplną budynków, zarówno nowych, jak i istniejących. Pada przy tym pytanie, co w tej sytuacji będzie z istniejącą infrastrukturą gazową oraz całą branżą gazowych kotłów grzewczych. Jako alternatywę dla kompleksowej elektryfikacji ogrzewnictwa proponuje się równoległe wykorzystywanie w ogrzewnictwie tzw. zielonego wodoru i odpowiednie dostosowanie kotłów gazowych do jego spalania, a istniejącej sieci gazowej – do dystrybucji wodoru. Czy takie wykorzystanie wodoru jest zakładane przez Komisję Europejską i czy jest ono przewidziane w projekcie „Polskiej strategii wodorowej”?
– Przed odpowiedzią na konkretne pytania, chciałbym wyjaśnić pewne ogólne kwestie. Działania i rozważania na temat technologii wykorzystywanych w przyszłości powinny być nieodłącznie związane z jednym celem – osiągnięcia w możliwie szybkim czasie neutralności klimatycznej. Lub mówiąc w uproszczony sposób: redukcji emisji dwutlenku węgla. Aby to się udało, musimy zacząć stosować inne rozwiązania niż do tej pory. Oznacza to, że rynek czekają znaczne zmiany. Wszelkie technologie oparte na spalaniu surowców kopalnych, takich jak gaz ziemny czy olej opałowy (nie wspominając o węglu), z perspektywy celów klimatycznych, długoterminowo po prostu nie mają racji bytu.

Pytaniem, na które wszyscy starają się znaleźć odpowiedź, jest: „Jakie technologie będą dominować w przyszłości?”.
– Jeśli można coś powiedzieć z bardzo dużą dozą prawdopodobieństwa, to fakt, że przyszły system energetyczny będzie bazował w znacznej części na energii elektrycznej. Wiąże się to z prostym faktem, że to właśnie energię elektryczną można pozyskać dzięki odnawialnym źródłom energii. Dzięki zastosowaniu różnych form energii solarnej (np. fotowoltaice), jak i technologii wiatrowych. Jednocześnie energia elektryczna jest bardzo „wysokogatunkową” formą energii, nadającą się do wielu zastosowań bezpośrednich, jak i pośrednich. Kluczową kwestią jest więc jej wykorzystanie w możliwie efektywny i oszczędny sposób. I tu dochodzimy do tematu wodoru. Dzięki energii elektrycznej oraz na przykład procesowi elektrolizy (czyli rozdzielenia wody na wodór i tlen), możemy uzyskać czysty i uniwersalny nośnik energii. Problem jest w tym, że pozyskiwanie wodoru w taki sposób niesie za sobą duże straty energetyczne, co z jednej strony podraża cały proces, a z drugiej robi go mało efektywnym. Z tego względu stosowanie wodoru w celach grzewczych jest mało rozsądne. Ogrzewnictwo to jeden z niewielu sektorów, w którym istnieje prosta, od lat sprawdzona oraz wysoce efektywna energetycznie alternatywa – pompy ciepła.

Wracając do Pani pytania, przeważająca większość najnowszych opracowań i analiz (np.: Energy Transitions Commission 2021, Fraunhofer IEE 2020, Fraunhofer ISE 2019, PIK – Potsdam Institute for Climate Imact Research 2021, European Environmental Bureau, IEA Internationl Energy Agency, Agora Energiewende i wiele innych) wskazuje jasno na bardzo ważną rolę wodoru w przyszłym systemie energetycznym. Jednocześnie jasna jest również druga kwestia – wodór nie powinien być (i raczej nie będzie) w znaczącym stopniu stosowany do ogrzewania budynków. Jego zastosowanie to przede wszystkim przemysł, który ciężko będzie w inny sposób zdekarbonizować (np. produkcja stali, aluminium czy cementu) oraz mobilność. Trzeba przy tym zaznaczyć, że już dla tych zastosowań trudno będzie zapewnić odpowiednią ilość wodoru, nawet uwzględniając import.

– Zakładając jednak możliwość wykorzystania czystego wodoru w ogrzewnictwie, na ile takie rozwiązanie byłoby dostępne od strony technicznej, praktycznej i finansowej?
– Teoretycznie grzanie wodorem jest możliwe na cztery sposoby. Po pierwsze bezpośrednie spalanie wodoru w kotłach gazowych przystosowanych do tej funkcji. Od strony technicznej samych kotłów jest to technologicznie możliwe i potencjalnie stosunkowo szybkie w realizacji. Branża gazowa widzi w swoich wizjach przyszłości właśnie ten sposób ogrzewania jako kluczowe rozwiązanie. Problem jednak w tym, że instalowane obecnie i w przyszłości kotły gazowe gotowe teoretycznie do spalania wodoru, w przeważającej ilości, jeśli nie całkowicie, dalej będą spalały jedynie gaz ziemny. Związane jest to z problemem dostarczenia wodoru do tych instalacji. Najprościej byłoby wykorzystać istniejące sieci gazowe. Nie są one jednak gotowe do takiego zadania. Analiza techniczna wskazuje, że zakładając „stosunkowo” niewielkie usprawnienia, sieci gazowe będą w stanie „wytrzymać” 20% udział wodoru. Warto wspomnieć, że nawet przy tej maksymalnej ilości, oznacza to zmniejszenie emisji CO2 jedynie o 7%. Tak więc nie zbliża nas to do wyznaczonych celów. Dodatkowo analizy kosztowe jasno wskazują, że producentom wodoru średnio- i długoterminowo po prostu nie będzie opłacać się zasilać sieci gazowych. Inaczej mówiąc, tezy o nadmiarze taniego wodoru w najlepszym razie można uznać za naiwne.

Drugi sposób to zastosowanie tzw. ogniw paliwowych wykorzystujących wodór do generowania ciepła i energii elektrycznej w małych instalacjach. Rozwiązania tego typu stosowane są dzięki znacznym dofinansowaniom na przykład w Japonii. Ich koszty są jednak bardzo duże. Obecnie koszt około 0,7 kW mocy grzewczej (czyli ok. jedna dziesiąta przeciętnego domu jednorodzinnego, poddanego termomodernizacji) to około 10 tysięcy euro. Aby to rozwiązanie stało się ekonomiczne, koszty musiałyby spaść do poziomu, który wydaje się niezbyt realny.
Trzecia metoda to zastosowanie kogeneracji zasilanej wodorem zamiast gazu ziemnego. Rozwiązanie to już teraz ma swoje ograniczenia przy wykorzystaniu w budynkach jednorodzinnych. Nie wchodząc w szczegóły, zastosowanie wodoru nie ułatwi tej sytuacji. Dodatkowo dochodzi ten sam problem, jakim charakteryzuje się pierwsze rozwiązanie, czyli dostarczenie wodoru do urządzenia.
Czwarta metoda to wykorzystanie ciepła odpadowego powstającego przy użyciu elektrolizerów dużej mocy, a więc pośrednie wykorzystanie ciepła w sieciach ciepłowniczych przy produkcji wodoru do użytku w przemyśle. To rozwiązanie wydaje się jedynym sensownym wykorzystaniem wodoru w ogrzewnictwie, będzie jednak możliwe w bardzo ograniczonym (lokalnym) zakresie.

Podsumowując, wykorzystanie wodoru w celach grzewczych jest możliwe od strony technicznej, ale bardzo trudne do zrealizowania od strony praktycznej. Decydująca będzie jednak strona finansowa. Produkcja i dystrybucja wodoru jest droga, i taka pozostanie jeszcze przez długi czas. W kolejnym kroku zadziałają prawa rynku, a rosnący popyt i ograniczona podaż nie będą prowadzić do „taniego” wodoru.

Czy wykorzystanie wodoru w ciepłownictwie jest brane pod uwagę przez stowarzyszenia branżowe w innych krajach europejskich?
– Rozwiązanie to jest brane pod uwagę jedynie przez stowarzyszenia branżowe zdominowane przez producentów kotłów gazowych. Moim zdaniem jest to działanie wysoce nieodpowiedzialne, tak pod względem składania mało realnych obietnic zarówno klientom końcowym, jak i politykom. Jak również pod względem świadomego zagrożenia osięgnięcia celów klimatycznych.

Wyjaśnijmy może pojęcie „czystego wodoru”, ponieważ pojawia się tutaj sporo niedomówień. W jaki sposób powstaje taki wodór i jakie są obecnie koszty jego wytworzenia? Jak dużo „zielonej” energii elektrycznej potrzeba do jego produkcji?
– Warto zauważyć, że obecnie 95% wodoru produkowanego w Europie to tzw. szary wodór. W większości wytwarzany jest on poprzez użycie gazu ziemnego, a więc powoduje emisję CO2. W zależności od źródła znaleźć można łącznie od pięciu do dziewięciu „kolorów” wodoru, odpowiednio do sposobu jego produkcji. Najczęściej stosowanym podziałem jest rozróżnienie na wodór „szary”, „niebieski”, „zielony”, „turkusowy” i „purpurowy”.

W przypadku pozyskiwania „szarego” wodoru stosowany jest taki sam proces jak dla wodoru „niebieskiego”. Dodatkowo wykorzystywana jest w tym przypadku technologia CCS (Carbon Capture and Storage), czyli wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla. Ten typ wodoru określa się mianem „wodoru niskoemisyjnego”. Wodór „turkusowy” produkowany jest poprzez rozkład gazu ziemnego na wodór oraz węgiel poprzez pyrolizę. W tym celu potrzebne są bardzo wysokie temperatury uzyskiwane dzięki zastosowaniu energii elektrycznej. Technologia ta jest we wczesnej fazie rozwoju. Z kolei wodór „purpurowy” produkowany jest z pary wysokotemperaturowej uzyskiwanej dzięki enegii atomowej lub poprzez elektrolizę, również z wykorzystaniem energii atomowej. I wreszczie dochodzimy do wodoru „zielonego”, który jako jedyny uważany jest przez wiele organizacji za „czysty”. Powstaje on dzięki procesowi elektrolizy z wykorzystaniem wody oraz energii elektrycznej pochodzącej z odnawialnych źródeł energii. Warto wspomnieć, że w tym kolorowym kodzie nie są uwzględnione inne aspekty, jak choćby ilość wody potrzebnej do przeprowadzenia opisanych procesów.

W temacie kosztów ciężko jest się wypowiadać już teraz, bo wszelkie potencjalne koszty wodoru w przyszłości bazują na całym szeregu założeń. Obecnie wysokie koszty produkcyjne nie pozwalają konkurować wodorowi z innymi nośnikami energii, w szczególności na rynku grzewczym (pomijając techniczne możliwości jego wykorzystania). W przyszłości koszty będą związane bezpośrednio z miejscem jego wytworzenia. Najtańsza produkcja będzie w miejscach o dużym nasłonecznieniu, czyli na przykład w krajach Afryki Północnej. Niestety, niesie to za sobą koszty transportu oraz inne typy ryzyka, pojawiają się też kwestie geopolityczne. Odpowiedź na ostatnią część pytania jest również najważniejszym argumentem na rzecz pomp ciepła. Z jednego kilowata energii elektrycznej pochodzącej z odnawialnych źródeł energii można uzyskać od około 6 do 8 razy więcej energii cieplnej, gdy korzysta się z pompy ciepła niż gdy stosuje się kocioł spalający wodór. Dla ogniw wodorowych stosunek ten jest jeszcze mniej korzystny. System energetyczny przyszłości nie będzie mógł sobie pozwolić na takie marnotrawstwo. Pojęcie „nadmiaru” energii elektrycznej z odnawialnych źródeł jest co najmniej wprowadzające w błąd. Aby dojść do neutralności klimatycznej, konieczna jest zarówno maksymalizacja produkcji „zielonej” energii elektrycznej, jak i możliwie efektywne jej wykorzystanie, a więc minimalizacja strat. Spalanie wodoru na cele grzewcze z pewnością nie wpisuje się w tę strategię.

Co w praktyce oznacza odchodzenie od stosowania gazu ziemnego w ogrzewnictwie? Czy chodzi o to, że właściciel/zarządca budynku nie będzie mógł zainstalować kotła zasilanego tym paliwem lub dłużej go eksploatować, czy też, że inwestycje w te urządzenia nie będą dofinansowywane (zgodnie z założeniami taksonomii), ale same urządzenia będzie można nadal stosować?
– Na to pytanie trudno jest udzielić jednoznacznej odpowiedzi. Myślę, że różne kraje będą przyjmowały rozmaite modele w kierunku odejścia od paliw kopalnych. Na przykład w Danii instalacja kotłów na olej opałowy w nowych budynkach zakazana jest już od 2013 roku. W Wielkiej Brytanii planowany jest zakaz stosowania kotłów gazowych w nowych budynkach od roku 2023. Nie znam przykładów zakazu eksploatacji istniejących instalacji. Tego typu przepisy byłyby bardzo trudne do zrealizowania z wielu powodów.

– Jednym z ograniczeń dla elektryfikacji ogrzewnictwa przy wykorzystaniu pomp ciepła i fotowoltaiki, na jakie się wskazuje, jest stan i obecne możliwości sieci elektroenergetycznej oraz brak synchronizacji produkcji energii elektrycznej z zapotrzebowaniem. Rozwiązaniem mogą być np. przydomowe magazyny energii elektrycznej – niestety, obecnie są one stosunkowo drogie i w polskich warunkach mało znane. Czy w tym przypadku wodór mógłby odegrać znaczącą rolę?7 09– Poruszyła Pani trzy ważne punkty. Po pierwsze, stan sieci elektroenergetycznych. Bez wątpienia będzie on musiał ulec polepszeniu i to nie tylko ze względu na elektryfikację ogrzewnictwa, ale także z uwagi na generalną elektryfikację systemu energetycznego. Jeśli potraktujemy poważnie plany elektryfikacji mobilności, a więc szerokie stosowanie samochodów elektrycznych, problem sieci elektroenergetycznej będzie musiał być rozwiązany tak czy inaczej. Moc, z jaką ładowane są akumulatory pojazdów elektrycznych, jest około dziesięciokrotnie większa od mocy przeciętnej pompy ciepła. To wskazuje wyraźnie na skalę problemu.
Po drugie, użycie pomp ciepła w połączeniu z fotowoltaiką. Zagadnienie to można rozważać na poziomie użytkowników indywidualnych oraz na poziomie systemu energetycznego. W tym pierwszym przypadku mówimy o optymalizacji pojedyńczych instalacji, która jest oczywiście ważna dla właścicieli takich instalacji, ale może być czasami kontrproduktywna dla całego systemu energetycznego. W skali globalnej ważne jest balansowanie całkowitej produkcji energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii (energii wiatrowej i słonecznej) oraz zapotrzebowania na energię elektryczną. Oba te poziomy można połączyć na przykład dzięki inteligentym taryfom energetycznym. W takim przypadku może zacząć się opłacać stosowanie przydomowych magazynów energii elektrycznej. Na marginesie mówiąc, ich zastosowanie, np. w Niemczech, rośnie z dużą prędkością przy jednoczesnej stałej redukcji ich cen. Posiadając pompę ciepła, instalację fotowoltaiczną, magazyn energii elektyrycznej oraz samochód elektryczny można optymalizować wspólne działanie wszystkich tych elementów, uzyskując równocześnie najlepsze wyniki ekonomiczne.

I wreszcie trzeci aspekt – synchronizacji produkcji energii elektrycznej z zapotrzebowaniem. Zarówno w Polsce, jak i w Niemczech, pierwsze dwa tygodnie lutego bieżącego roku należały do najzimniejszych w okresie ostatnich 50 lat. Jednocześnie udział energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii w całkowitej produkcji energii elektrycznej wyniósł w Niemczech dokładnie 45,2%! (https://energycharts.info/). Dominujący udział miała energia wiatrowa. Pokazuje to, że również w okresach niskich temperatur udział odnawialnych źródeł energii w produkcji energii elektrycznej może być bardzo znaczący. Nie zmienia to generalnej zależności rosnącego zapotrzebowania na energię cieplną przy malejących temperaturach. A przy postępującej elektryfikacji ogrzewnictwa, również rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną. Wiele opracowań wskazuje jednak, że problem ten jest zarówno ekonomicznie, jak i systemowo rozwiązywalny. Na przykład dzięki wysokosprawnym gazowym elektrowniom szczytowym. Odpowiadając wprost na ostatnią część pytania – „Czy wodór mógłby odegrać znaczącą rolę w magazynowaniu energii z odnawialnych źródeł?” – uważam, że nie, również w tym wypadku wodór w ogrzewnictwie indywidualnym nie odegra znaczącej roli.

Czy obecne założenia związane z realizacją nowych celów polityki klimatycznej Unii Europejskiej (w odniesieniu do zaopatrzenia budynków w energię) należy traktować jako sztywny schemat na najbliższe lata, czy też można zakładać ich modyfikację w miarę rozwoju innych technologii i doświadczeń zbieranych z rynków państw UE?
– Patrząc z perspektywy ostatnich lat, kierunek zmian był tylko jeden, mianowicie zaostrzanie celów klimatycznych. Myślę, że ten kierunek nie może ulec zmianie, jeśli chcemy osiągnąć konieczne cele klimatyczne. Doświadczenia zbierane z różnych rynków zawsze są pomocne, więc na pewno będą one uwzględniane. Jeśli chodzi o „inne technologie”, to nie widzę na horyzoncie jakichś przełomowych niespodzianek w najbliższych latach. Dalszy rozwój technologiczny nie jest moim zdaniem największym wyzwaniem. Zadaniem na przyszłość jest optymalne wykorzystanie technologii będących już dziś do dyspozycji.

Rozmawiała: Joanna Jania

* Założenia te zaprezentowaliśmy w zarysie w poradniku POBE „Boom dla „zielonych” i cyfrowych technologii w budownictwie – nowe cele polityki klimatycznej UE do 2030 r.”, poprzedzonym wywiadem z Pawłem Wróblem, prezesem Gate Brussels i ekspertem POBE („PI” 11-12/2020). Kontynuacją tematu były wypowiedzi i opinie przedstawicieli branży („PI” 1-2/2021 oraz „PI” 3/2021).


 

pi