Autor: Maciej Witkowski

 

Zamienianie nadwyżek energii elektrycznej w wodór i z powrotem — oraz zaskakująco duża różnica, jaką robi wybór odpowiedniej maszyny

 

Świat w pewnym sensie rozwiązał już swój problem energii odnawialnej. Na Ziemię dociera wystarczająco dużo światła słonecznego, by zasilić ludzką cywilizację ponad stokrotnie, a sam wiatr mógłby z łatwością zaspokoić globalne zapotrzebowanie. Problemem jest czas. Słońce zachodzi, wiatr cichnie, a panel słoneczny nie potrafi przechować słonecznego popołudnia na ciemny wieczór, nie mówiąc już o zachowaniu lata na zimę. Ta rozbieżność między tym, kiedy czysta energia jest wytwarzana, a tym, kiedy jest potrzebna, stanowi największą pojedynczą przeszkodę stojącą między nami a niskoemisyjną siecią elektroenergetyczną.

Mamy magazyny energii. Elektrownie szczytowo-pompowe, sprężone powietrze i baterie od dekad bilansują sieci elektroenergetyczne. Jednak wszystkie mają to samo ograniczenie: myślą w kategoriach godzin i dni, a nie miesięcy i lat. Bateria litowo-jonowa znakomicie wygładza popołudniowe wahania, ale beznadziejnie nadaje się do przeniesienia wietrznego października w bezwietrzny styczeń. Żadna z tych technologii nie może też zbyt wiele zrobić dla sektora transportu długodystansowego: ciężarówek, statków i samolotów, które — wraz z przemysłem ciężkim — odpowiadają za około jedną czwartą globalnych emisji CO2. Aby zbilansować dłuższe rytmy wiatru i pogody oraz dotrzeć do części gospodarki, do których nie docierają przewody, potrzebujemy prawdziwie sezonowego magazynu czystej energii.

 

Na scenę wchodzi wodór

 

W tym miejscu pojawia się wodór. System power-to-gas wykorzystuje nadwyżkową energię elektryczną — taką, jaką farma wiatrowa produkuje w obfitości w porywistą noc, gdy większość kraju śpi — do rozszczepiania wody w procesie elektrolizy. Efektem jest wodór: gaz, który można magazynować przez miesiące, transportować, spalać albo przekształcać w paliwa neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla dla tych właśnie sektorów transportu, do których bateriom trudno dotrzeć. Jeżeli energia elektryczna używana do rozszczepiania wody sama pochodzi ze źródeł odnawialnych, wodór jest w praktyce całkowicie odłączony od paliw kopalnych.

Wodór nie jest paliwem doskonałym. Jest kłopotliwy w magazynowaniu: w stanie ciekłym utrzymuje się go wyłącznie w temperaturze -253°C, albo w innej formie spręża do setek razy większego ciśnienia niż atmosferyczne; a zbiornik wodoru mieszczący taką samą ilość energii jak zbiornik oleju napędowego ważyłby około sześć razy więcej i zajmowałby osiem razy więcej miejsca. Mimo to pozostaje jedyną praktyczną opcją dla magazynowania w skali tygodni i miesięcy, którego wymaga wygładzanie produkcji z wiatru, i właśnie ten jeden fakt utrzymuje go w centrum badań nad energią.

Technologia wykonująca tę pracę stale się poprawia. W szczególności stałotlenkowe ogniwa elektrolityczne (SOEC) pracują w wysokiej temperaturze, między 400 a 800°C, w porównaniu z 60–160°C w bardziej konwencjonalnych ogniwach, a to ciepło sprawia, że chemia procesu jest wyraźnie bardziej wydajna. Ich parametry poprawiły się mniej więcej dwuipółkrotnie w ciągu ostatnich piętnastu lat, a buduje się je z materiałów występujących na Ziemi w obfitości. Kontrast z bateriami jest uderzający: zmagazynowanie energii odpowiadającej jednemu dniowi pracy jednego terawata mocy w ogniwach litowo-jonowych pochłonęłoby mniej więcej 160 lat obecnej globalnej produkcji litu.

 

Odwracalny zwrot

 

A gdyby maszyna mogła działać w obie strony?

Odwracalny system power-to-gas (rPtG) nie tylko wytwarza wodór, gdy energia elektryczna jest tania. Może też spalać ten wodór, aby ponownie wytwarzać energię elektryczną, gdy ceny gwałtownie rosną. Wodór przestaje być produktem końcowym i staje się w istocie baterią — taką, która może utrzymać ładunek przez sezon, a nie przez dzień.

Taki system można zbudować na dwa sposoby

System modułowy wykorzystuje dwie oddzielne maszyny: jednokierunkowy elektrolizer do wytwarzania wodoru oraz osobne ogniwo paliwowe albo turbinę gazową do zamieniania go z powrotem w energię elektryczną. System zintegrowany wykorzystuje jedno urządzenie — odwracalne ogniwo stałotlenkowe — które po prostu pracuje w tym kierunku, jakiego wymaga dana chwila. Konstrukcja modułowa ma oczywistą wadę: kupuje się dwie maszyny, a gdy jedna pracuje, druga zwykle stoi bezczynnie. Konstrukcja zintegrowana unika tej redundancji, ale przez długi czas była odrzucana jako zbyt niedojrzała, by traktować ją poważnie.

Zestawiliśmy oba rozwiązania ze sobą i dodaliśmy jeszcze jeden pomysł. Oba systemy połączyliśmy z turbiną wiatrową. Dzięki podaniu mocy z turbiny bezpośrednio do maszyny rPtG system może całkowicie ominąć narzut cenowy otwartego rynku energii elektrycznej. Płaci cenę rynkową tylko wtedy, gdy musi.

 

Obserwując, jak myśli maszyna

 

Aby przetestować konkurencyjne rozwiązania, uruchomiliśmy je na danych obejmujących lata rzeczywistych, godzinowych cen energii elektrycznej z rynku niemieckiego. Dla każdej pojedynczej godziny model ustalał, co zrobiłby operator maksymalizujący zysk: sprzedał energię z wiatru, pozostał bezczynny, produkował wodór z taniej energii albo — w najbardziej skrajnym przypadku — kupił wodór i spalił go, ponieważ energia elektryczna stała się tak cenna. Ta ostatnia opcja, przypadek, w którym ceny rosną na tyle wysoko, by uzasadnić pracę całego systemu w trybie odwrotnym, jest nowym wkładem: piątą „fazą” pracy dodaną do ramy, która wcześniej miała tylko cztery.

Najważniejszy wniosek jest jednoznaczny. Zintegrowany system wygrywa — niemal wszędzie.

We wszystkich testowanych zbiorach danych pojedyncze odwracalne ogniwo stałotlenkowe dawało znacznie wyższą wartość w całym cyklu życia niż modułowa alternatywa składająca się z dwóch maszyn. Dla najbardziej reprezentatywnych danych cenowych wartość bieżąca netto systemu zintegrowanego wyniosła około 10,3 mln euro wobec 6,5 mln euro dla systemu modułowego. Ta różnica nie jest osobliwością jednego konkretnego roku; utrzymywała się, gdy zmienialiśmy wielkość systemu, jego sprawność, cenę wodoru, czas życia instalacji oraz koszt zakupu. Zintegrowana maszyna ma trzy ciche przewagi: wydajniej przekształca energię elektryczną w wodór, dłużej działa w trybie wytwarzania wodoru i jest tańsza w zakupie. Razem te czynniki składają się na przewagę, której system modułowy po prostu nie jest w stanie odrobić.

 

Pieniądze są w wodorze

 

Jeden wynik okazuje się naprawdę nieintuicyjny. Cecha odwracalności — zdolność spalania wodoru w celu produkcji energii elektrycznej — okazuje się niemal przypisem. To produkcja wodoru jest miejscem, w którym znajduje się prawie cała wartość, i przyćmiewa ona wszystko, co można zarobić na wytwarzaniu energii elektrycznej.

Dowody są uderzające. Porównajmy dwa rekordowe lata 2021–2022, gdy niemieckie ceny energii elektrycznej potroiły się i osiągały nawet szczyty powyżej 0,60 euro za kilowatogodzinę, ze spokojniejszymi latami 2019–2020. Można by oczekiwać, że drogie lata będą bardziej dochodowe — w końcu energia elektryczna jest tym, co się sprzedaje. W rzeczywistości oba systemy zarobiły mniej w latach wysokich cen. Droga energia elektryczna świetnie nadaje się do sprzedaży, ale jest dotkliwa w zakupie jako surowiec wsadowy, a presja na wytwarzanie wodoru z nawiązką niweluje zysk z okazjonalnej produkcji energii elektrycznej.

W latach umiarkowanych cen systemy zasadniczo w ogóle nie pracowały w trybie odwrotnym. Ani jedna godzina nie była na tyle droga, by spalanie wodoru się opłaciło — cena musiałaby osiągnąć około 0,60 euro za kilowatogodzinę w przypadku systemu zintegrowanego albo 0,54 euro w przypadku modułowego, zanim odwrócenie kierunku zacznie się opłacać. W zwykłym roku zatem słynna „odwracalność” odwracalnego systemu power-to-gas byłaby po prostu niewykorzystaną, opłaconą zdolnością.

Niesie to zgrabny wniosek pochodny: odwracalność staje się bardziej cenna, nie mniej, gdy wodór jest tani. Kiedy wodór jest wart niewiele, równowaga częściej przechyla się ku spalaniu go w celu produkcji energii elektrycznej.

 

Kiedy wygrywa słabszy gracz?

 

Istnieje dokładnie jeden scenariusz, w którym system modułowy wysuwa się na prowadzenie. Jego moduł wytwarzania energii elektrycznej zaprojektowano tak, by działał dłużej niż zintegrowane ogniwo, więc gdy produkcja energii elektrycznej staje się głównym wydarzeniem, ta długowieczność wreszcie się opłaca. Aby jednak wyprzedzić zintegrowanego rywala, ceny energii elektrycznej musiałyby wzrosnąć mniej więcej dziesięciokrotnie.

Nie jest to niemożliwe. Ceny wzrosły siedmiokrotnie między 2019 a 2022 rokiem, a dzisiejszy klimat geopolityczny utrzymuje presję wzrostową na rynkach energii. Jednak dziesięciokrotny, trwały skok — bez równoległego wzrostu cen wodoru — jest konkretnym zakładem i trudno powiedzieć, jak prawdopodobna jest taka przyszłość.

Jeszcze jedna praktyczna uwaga dla każdego, kto miałby ochotę obsesyjnie patrzeć na cenę zakupu: ma ona niewielkie znaczenie. Zmiana kosztu sprzętu aż o 60% w dowolnym kierunku przesuwała wynik końcowy jedynie marginalnie. Tym, co naprawdę napędza ekonomikę systemu, jest to, jak długo system działa i jak sprawnie przekształca energię elektryczną w wodór.

 

Werdykt

 

Dochodzimy do pewnego wniosku. Technologia odwracalnych ogniw stałotlenkowych nie jest już laboratoryjną ciekawostką ograniczoną do projektów pilotażowych; jest gotowa do szerszego wdrożenia, a na podstawie tych liczb już dziś jest bardziej opłacalnym wyborem. Pozostałe przeszkody nie są tak naprawdę techniczne; są ekonomiczne i legislacyjne — znajome tarcie długich okresów zwrotu, wysokich kosztów początkowych i decyzji politycznych potrzebnych, by uruchomić inwestycje.

Długoterminowa obietnica jest jeszcze większa. Odwracalny system power-to-gas może działać jako pomost między siecią elektroenergetyczną, siecią gazową i paliwami, które przemieszczają towary przez oceany i kontynenty. Może absorbować nadwyżkę, która w przeciwnym razie zostałaby zmarnowana, i uwalniać ją, miesiące później, tam, gdzie jest potrzebna. Na horyzoncie widać nawet kuszący kolejny krok: amoniak, tańszy niż wodór, neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla i w pełni wystarczający jako paliwo dla tych samych ogniw.

Okazuje się, że wiatr można zamknąć w butelce. Pytanie, na które odpowiadamy, brzmi: którą butelkę kupić — i na razie wygrywa ta prostsza.