Wodór czy pompy ciepła? Co jest efektywniejsze do ogrzewania domów?

Wprowadzenie

Dwa najczęściej proponowane sposoby ogrzewania budynków w przyszłości niskoemisyjnej Europie to: wodór do zasilania kotłów grzewczych ciepłej wody lub energia elektryczna do zasilania pomp ciepła. Co jest lepsze? W ostatnich dwóch latach w związku z kryzysem na Ukrainie przez Europę (szczególnie w Niemczech, Anglii i Holandii) przetoczyła się żywiołowa dyskusja o możliwości zastosowania kotłów wodorowych. Powstały pierwsze prototypy i instalacje pilotażowe. Spróbujmy zebrać przytaczane argumenty za i przeciw. Oczywiście należy sobie zdawać sprawę, że wynik tej analizy może się zmienić na przestrzeni lat. Wystarczy że drastycznie spadnie cena zielonego wodoru. Zatem zaczynamy [3][4][5][19].

Czy możemy już grzać domy wodorem? No pewnie!

Wodór często nazywany jest nośnikiem energii przyszłości. W rzeczywistości jest bardzo wszechstronny i może zaopatrywać w ciepło również nasze mieszkania i domy. Można tego dokonać poprzez ogrzewanie wodorem w oparciu o jego spalanie lub w bardziej zaawansowany sposób przez wytwarzanie skojarzonego ciepła i energii elektrycznej. Energia elektryczna jest wytwarzana wtedy w ogniwie paliwowym. Powstałe ciepło można wykorzystać do ogrzewania domu. W rzeczywistości zasada jest taka sama, jak w przypadku każdej innej jednostki kogeneracyjnej. Różnica w stosunku do konwencjonalnych CHP (combined heat and power) polega na tym, że przy stosowaniu ekologicznego wodoru nie powstają żadne emisje. To jednak jeszcze dość przyszłościowa technologia [9][20].

Wodór też oczywiście można spalać w kotłach gazowych. Kotły na 100% wodór nie są jeszcze często dostępne w Europie, ale kotły na mieszanki z różnym udziałem (nawet 20-30%) wodoru jak najbardziej. Jedną z korzyści płynących z wyboru ogrzewania wodorem jest to, że przejście na wodór gazowy w przyszłości powinno być łatwe dla tych, którzy mają kocioł przystosowany do wodoru, ponieważ można go przekształcić w wodór bez potrzeby stosowania całkowicie nowego systemu grzewczego [8].

W Wielkiej Brytanii wprowadzono już nawet nowe etykiety kotłów gazowych Nowe etykiety zawierają trzy odrębne kategorie urządzeń wodorowych:

• Kompatybilny z „Hydrogen Blend” - zdolny do pracy na mieszance zawierającej do 20% wodoru w sieci gazowej.

• Urządzenia „gotowe na wodór” – zdolne do pracy na mieszance 20%, ale z możliwością przekształcenia do pracy w sieci 100% wodoru

• Kocioł „100% Hydrogen” - możliwość pracy na wodorze bez konieczności konwersji.

W Wielkiej Brytanii w 2022 roku realizowano już dużą kampanię pod nazwą „Hello Hydrogen”. Kampanię promowały wiodące firmy z branży energetycznej, w tym Worcester Bosch i Cadent Gas, która podkreślały w jaki sposób kotły wodorowe mogą obniżyć emisję dwutlenku węgla z domów w Wielkiej Brytanii o 20 milionów ton rocznie po przejściu z gazu ziemnego. Firmy z branży kotłów gazowych albo przekwalifikowują się na pompy ciepła albo promują cały czas ze kotły mogą spalać wodór [1][4][5][8].

Rys. 1. Kotły wodorowe firm Baxi i Worcester Bosch promowane w Wielkiej Brytanii [11]

Koszt produkcji wodoru jest jednym z największych zarzutów dotyczących jego wykorzystania przez spalanie w kotłach w domach. Rachunki za to paliwo w gospodarstwach domowych mogą wg analiz wzrosnąć średnio o 70-90% w porównaniu z korzystaniem z gazu ziemnego. Poza kosztem oczywiście konstrukcja samego kotła będzie musiała zostać zmodyfikowana głównie w zakresie budowy palników (wodór spala się w tempie trzy razy szybszym niż gaz ziemny). Dodatkowo w przypadku wykorzystania wodoru do kuchenek gazowych konieczne są dodatki barwiące do wodoru aby płomień był widoczny. Mimo tych wyzwań technologicznych duzi producenci kotłów gazowych potwierdzili, że kotły na wodór nie będą kosztowały więcej niż ich obecne odpowiedniki na gaz ziemny. Te działania są zrozumiałe. Około 25 milionów domów – 85% całości w Wielkiej Brytanii – działa na kotłach gazowych. Zamiast likwidować całą istniejącą infrastrukturę gazową – która jest warta miliardy funtów – przemysł gazowy wierzy, że Wielka Brytania mogłaby po prostu zmienić paliwo. Wpisuje się to analizę ekologiczne: Argumentuje się, że wodór może zasilać domy, powodując znacznie mniej zanieczyszczeń niż gaz ziemny, ponieważ podczas spalania emituje tylko wodę i tlen [10][11][12].

Rys. 2. Prototypowe kotły wodorowe firmy Viessmann eksploatowane na stanowiskach testowych w centrum badawczo-rozwojowym w siedzibie firmy w Allendorf (Eder) w Niemczech na początku 2023 roku [12]

W Niemczech obserwujemy podobne działania. Firma Viessmann ogłosiła, że pierwsza instalacja w ramach programu kotłów w 100% gotowych na H2 została już uruchomiona na początku 2023 r. w ramach projektu sieci wodorowej SmartQuart w Kaisersech w Niemczech [12].

Viessmann również wskazywał, że główne modyfikacje nowych kotłów na wodór obejmowały dostosowanie palnika oraz rozbudowę systemu spalania, monitorowania i sterowania płomieniem [12][13][14].

Działania te wynikają z dyrektyw EU oraz ustawodawstwa krajowego. Wszystkie sieci na gaz kopalny w Niemczech, które są wykorzystywane do wytwarzania ciepła w budynkach, muszą zostać przekształcone na wodór do początku 2035 roku lub zostać wyłączone, zgodnie z nowym projektem ustawy przedstawionym przez niemiecki rząd. Widać zatem, ze Niemcy również chcą docelowo zastąpić gaz ziemny, zwłaszcza ten pochodzący z Rosji, i zbudować nowy łańcuch wartości dla zielonego wodoru, który będzie wykorzystywał zarówno importowany, jak i produkowany w kraju zielony wodór. Pierwsze będą oczywiście stosowane mieszanki wodoru z gazem ziemnym. Pierwsze pilotaże wskazują, że bojlery, grzejniki i płyty kuchenne mogą dostosować się do mieszanki bez konieczności rozległych wymian lub modyfikacji. 100% wodór może również funkcjonować w takich systemach funkcjonować jednak stanie się to dopiero za jakiś czas. Barierą jest cena samego wodoru. O tym powiemy więcej w dalszej części artykułu [13][14].

Koszt grzania wodorem a koszt innych technologii?

Widzimy więc, że pod względem technicznym możemy wodór spalać na cele grzewcze i technologicznie jest to możliwe do zrealizowania. Jaka zatem jest największa bariera? Zielony wodór (wytwarzany z OZE) jest dość drogim paliwem – zwłaszcza w porównaniu z tanimi paliwami kopalnymi. Kotły wodorowe mogą również działać na niebieskim wodorze (z wychwytywaniem i składowaniem dwutlenku węgla), który jest 2-3 razy tańszy niż zielony wodór, ale generuje więcej emisji dwutlenku węgla [17].

Pomimo wysokich cen wodór jest bardzo wydajny jeśli chodzi o wytwarzanie ciepła. Jeden kg wodoru zawiera taką samą ilość energii, jak 2,8 kg gazu ziemnego. Oznacza to, że kotły wodorowe nie będą musiały zużywać tyle paliwa, co kotły gazowe, aby ogrzać domy. Jednak i tak różnica kosztowa może być kilkukrotna [6][7][8][10][12].

Rys. 3. Koszty ogrzewania typowego jednorodzinnego gospodarstwa domowego w Wielkiej Brytanii i generowane emisje [15]

Na rysunku 3 przedstawiano symulowane koszty ogrzewania typowego jednorodzinnego gospodarstwa domowego w Wielkiej Brytanii i generowane emisje (wartości odniesiono do zakładanych cen w 2050 roku). Oszacowano koszt eksploatacji pomp ciepła oraz koszt użytkowania kotłów lub ogniw paliwowych z dwoma rodzajami wodoru: wytwarzanym w procesie reformingu parowo-metanowego (SMR) połączonego z wychwytywaniem i składowaniem dwutlenku węgla (CCS) oraz elektrolizy z wykorzystaniem odnawialnej energii elektrycznej o zerowej emisji dwutlenku węgla. Mimo, że są to oczywiście badania obciążone wieloma zmiennymi, pompa ciepła okazała się najbardziej opłacalną opcją [15]

Rys. 4. Koszty ogrzewania typowego wg analiz International Council on Clean Transportation [16]

Podobne badanie w swej istocie przeprowadziła Międzynarodowa Rada ds. Czystego Transportu (International Council on Clean Transportation ) – rysunek 4. Analiza wykazała, że powietrzne pompy ciepła będą najbardziej opłacalną technologią ogrzewania budynków mieszkalnych w 2050 r. i będą co najmniej o 50% tańsze niż technologie wykorzystujące wyłącznie wodór. W analizie stwierdzono również, że nawet gdyby koszty gazu ziemnego były o 50% niższe lub ceny energii odnawialnej byłyby o 50% wyższe w 2050 r. w porównaniu z założeniami analityków, pompy ciepła nadal byłyby bardziej opłacalne niż kotły wodorowe czy ogniwa paliwowe [16].

Należy zdawać sobie sprawę, że jak zawsze o wszystkim zadecydują koszty! Np. koszt utrzymania infrastruktury gazowej w przeliczeniu na klienta może być przecież coraz wyższy. Póki co planowane są mieszanki gazu ziemnego z wodorem, ale aby stosować w rurociągach 100% wodór będą potrzebne ogromne inwestycje aby zapewnić szczelność (straty wodoru)! Może się okazać, że w niektórych przypadkach transport wodoru ciężarówkami z butlami wodoru może być tańszy niż modernizacja istniejącej starej infrastruktury gazowej!

Efektywność energetyczna

Koszta oczywiście są związane z efektywnością energetyczną poszczególnych procesów. Pompy ciepła zużywają jedną szóstą ilości energii elektrycznej, aby dostarczyć taką samą ilość ciepła do budynku, jak ekologiczny kocioł wodorowy. W rezultacie koszty energii pomp ciepła stanowią jedną szóstą kosztów kotłów wodorowych. Pompy ciepła mogą zapewnić zatem natychmiastową, głęboką redukcję emisji dwutlenku węgla – redukują emisję dwutlenku węgla o 75% w porównaniu z istniejącymi kotłami na gaz ziemny, podczas gdy ekologiczne kotły wodorowe nie osiągną wydajności emisji kotła na gaz ziemny do 2029 r. lub wydajności z 2020 r. pompy ciepła do około 2040 roku – rysunek 5 [4][5].

Rys. 5. Porównanie kosztów ogrzewania budynków z zastosowaniem pomp ciepła oraz kotłów wodorowych wg International Council on Clean Transportation [16]

Rys. 6. Różnica wydajności między zielonym wodorem (długi i nieefektywny łańcuch produkcyjny) a pompą ciepła zasilaną z „zielonej” sieci na bazie OZE [5]

Zielony wodór do ogrzewania ma efektywność energetyczną na poziomie 46% — innymi słowy, na każde 100 kWh energii odnawialnej wykorzystanej do produkcji zielonego H 2 wytwarzane jest tylko 46 kWh ciepła budynków, ze względu na straty energii w produkcji , magazynowanie i transport gazu. Natomiast pompy ciepła zapewniają efektywność energetyczną na poziomie 270%, co oznacza, że na każde 100 kWh energii odnawialnej wytwarzane jest 270 kWh ciepła – rysunek 6 [18].

Ktoś powie, że przecież tak czy owak zakładamy, że do wytwarzania wodoru będziemy potrzebowali przewymiarowane źródła OZE! Jednak w przypadku grzania domów ta nadwyżka musi być bardzo duża. Posłużmy się analizą z Wielkiej Brytanii. Do wytworzenia 150 GW energii elektrycznej (taka energia jest potrzebna do wytworzenia 70 GW ciepła z wodoru w zimie w Wielkiej Brytanii) ze źródeł odnawialnych potrzebne byłoby około 385 GW zainstalowanej mocy wiatrowej na morzu. Wymagałoby to obszaru morskiego o powierzchni ok. 52 000 km2, pokazanych w skali jako niebieskie kwadraty na mapach na rysunku 7, z 32 000 12 MW turbin wiatrowych – rysunek 7 [2][3].

Rys. 7. Ogrzewanie domów w Wielkiej Brytanii przy użyciu zielonego wodoru lub pomp ciepła. Kolory strzałek wskazują rodzaj energii: elektryczność, zielony wodór lub ciepło. Szerokości strzałek są proporcjonalne do przepływów mocy (w jednostkach GW). Niebieskie pola przedstawiają na mapach obszary farm wiatrowych w skali [2][3]

Dolna połowa rysunku 7 przedstawia bardziej efektywny energetycznie sposób wykorzystania energii elektrycznej bezpośrednio do zasilania pomp ciepła, znajdujących się w domach konsumentów. Oczywiście 67 GW zainstalowanej mocy to wciąż bardzo duża ilość energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych, ale zaledwie 1/6 mocy wytwórczych potrzebnych zielonej ścieżce wodorowej [1][2][3].

Emisje

Powszechnie uważa się, że stosowanie zielonego lub niebieskiego wodoru do ogrzewania jest zeroemisyjne, a zatem „czyste”. Nawet gdyby dostępna była wystarczająca moc elektrolizerów do wytwarzania wodoru, konieczne byłoby wykorzystanie energii elektrycznej typu grid-mix, ponieważ przez dziesięciolecia w Europie nie będzie wystarczającej ilości odnawialnej energii elektrycznej. Do tego stanu będziemy dochodzili przez następne dekady, a przecież systemy wodorowe miały by być wprowadzane dość szybko. Co to oznacza przedstawiono na rysunku nr 8 [2][3].

Rys. 8. Emisje CO2 z różnych źródeł ciepła [2]

Wytwarzanie wodoru niebieskiego zamiast zielonego? Proces wytwarzania „niebieskiego” wodoru, który obejmuje CCS (wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla), nie jest procesem zeroemisyjnym, ponieważ wychwytywanie dwutlenku węgla nie jest procesem idealnym. Najbardziej efektywny dostępny proces CCS umożliwia wychwytywanie dwutlenku węgla w 90%, ale jego efektywność energetyczna wynosi tylko 69%.

Podsumowanie

Rynek ciepła będzie odgrywał kluczową rolę w osiąganiu celów klimatycznych do 2050 roku. Tylko poprzez wykorzystanie wszystkich możliwości technologicznych można osiągnąć niezbędną dekarbonizację w Europie. Celem niniejszego artykułu nie było wskazywanie wad wodoru w przypadku ogrzewania nim domów ale wskazanie problemów, które należy rozwiązać. Dlatego eksperci widzą niezawodne, bezpieczne, przystępne cenowo i neutralne dla klimatu rozwiązanie dostarczania ciepła w rozsądnym miksie energetycznym, który oprócz energii elektrycznej wykorzystuje paliwa odnawialne. Trudno tutaj być wizjonerem i wskazanie co wygra. To zależy od wielu czynników. A prawdopodobnie będziemy bazować na jakimś układzie mieszanym. Stosowanie danej technologii będzie zależeć od branży.

Zielony wodór może odegrać ważną rolę w osiągnięciu dekarbonizacji. Jego zastosowanie, zwłaszcza w istniejących budynkach, jest logicznym sposobem na neutralizację klimatu dostarczanego ciepła. Znaczące redukcje emisji CO2 można również osiągnąć natychmiast, stosując wodór do ogrzewania. Docelowo jedna wydaje się, że odegra on ważniejszą rolę w transporcie i przemyśle niż w ogrzewaniu budynków mieszkalnych – szczególnie jednorodzinnych.

Największym i najbardziej trudnym do pokonania wyzwaniem związanym z wykorzystaniem wodoru do ogrzewania w naszych domach jest infrastruktura rurociągów gazowych wewnątrz budynków – z których większość jest zabudowana – które należałoby zmodernizować, aby przesyłać wodór (o wiele mniejsze cząsteczki wodoru). Istniejące kotły gazowe i kuchenki również musiałyby zostać wymienione. Wielu specjalistów uważa, że wodór może potencjalnie stanowić dodatkową formę zasilania – zapewniając usługę ekologicznego „kotła szczytowego” dla tych domów, które są obsługiwane głównie przez pompę ciepła. Wiele domów o niewystarczającym poziomie energooszczędności w zakresie izolacji i jakości okien mogłoby korzystać z tego hybrydowego systemu, oferującego zadowalającą wydajność ogrzewania.

Jakąś drogą mogą być systemy kogeneracyjne. Ogniwa paliwowe są bardziej znane z tego, że mogą napędzać samochód i są nieco postrzegane jako nieco niepraktyczne. W rzeczywistości technologia wodorowych ogniw paliwowych to sposób, w jaki wodór jest przetwarzany na energię elektryczną i ciepło i jest jeszcze bardziej odpowiednia dla domu. Urządzenie tego typu są już dostępne, ale tutaj również barierą jest koszt wytwarzania dla nich wodoru jak i przede wszystkim koszt takiego domowego urządzania [20].

Oczywiście w ramach planowanej skali produkcji wodoru z OZE w przyszłości jego koszt może spaść. Czy tak będzie w rzeczywistości zobaczymy…

Źródła:

1. https://www.csrf.ac.uk/blog/hydrogen-for-heating/ (dostęp 07.2023r.)

2. https://h2sciencecoalition.com/blog/hydrogen-for-heating-a-comparison-with-heat-pumps-part-1/ (dostęp 07.2023r.)

3. https://h2sciencecoalition.com/blog/hydrogen-for-heating-a-comparison-with-heat-pumps-part-2/ (dostęp 07.2023r.)

4. https://boilerandwaterheater.com/hydrogen-boilers-future-of-heating/ (dostęp 07.2023r.)

5. https://energy-cities.eu/the-heated-debate-on-hydrogen-in-our-cities/ (dostęp 07.2023r.)

6. https://energysavingtrust.org.uk/the-future-of-heating-in-the-uk-heat-pumps-or-hydrogen/ (dostęp 07.2023r.)

7. https://theicct.org/publication/hydrogen-for-heating-decarbonization-options-for-households-in-the-european-union-in-2050/ (dostęp 07.2023r.)

8. https://www.homebuilding.co.uk/news/hydrogen-heating (dostęp 07.2023r.)

9. https://www.dilico.de/en/wasserstoffheizung.php (dostęp 07.2023r.)

10. https://inews.co.uk/news/can-the-uk-rely-on-hydrogen-to-save-its-gas-boilers-1014119 (dostęp 07.2023r.)

11. https://www.phamnews.co.uk/hydrogen-boilers-ready-to-go-on-field-trials/ (dostęp 07.2023r.)

12. https://www.renewableenergyinstaller.co.uk/2021/11/viessmann-develops-innovative-pure-hydrogen-boiler/ (dostęp 07.2023r.)

13. https://energynews.biz/germany-home-heating-gas-hydrogen-blending-test-30-on-target/ (dostęp 07.2023r.)

14. https://www.hydrogeninsight.com/policy/hydrogen-heating-germany-sets-2035-date-for-fossil-gas-networks-to-switch-to-clean-h2-or-switch-off/2-1-1430202 (dostęp 07.2023r.)

15. https://theicct.org/publication/hydrogen-for-heating-decarbonization-options-for-households-in-the-united-kingdom-in-2050/ (dostęp 07.2023r.)

16. https://www.treehugger.com/heat-from-hydrogen-cost-study-5116188 (dostęp 07.2023r.)

17. https://www.globalwitness.org/en/campaigns/fossil-gas/heating-homes-gas-expensive-heating-hydrogen-could-cost-double/ (dostęp 07.2023r.)

18. https://www.rechargenews.com/markets/why-using-clean-hydrogen-for-heating-will-be-too-difficult-expensive-and-inefficient-report/2-1-960777 (dostęp 07.2023r.)

19. https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/kotly-kotlownie/154599,kotly-na-wodor-badania-i-pilotazowe-instalacje (dostęp 07.2023r.)

20. https://www.euractiv.com/section/energy-environment/opinion/how-can-fuel-cell-micro-chp-help-us-to-decarbonize-buildings/ (dostęp 07.2023r.)