Biowodór realistycznie: fermentacja ciemna, reforming biogazu i elektroliza przy biogazowni

Wodór bywa przedstawiany jako rozwiązanie, które zastąpi wszystko, albo jako technologia, która nigdy nie będzie się opłacać. Prawda leży pośrodku i zależy od zastosowania. Wodór z biomasy i odpadów, zwany biowodorem, jest jednym z elementów układanki energetycznej, który może mieć sens tam, gdzie istnieje odbiorca, a surowiec jest tani i lokalny. W dniu poświęconym samodzielności energetycznej wypada ocenić go bez entuzjazmu i bez uprzedzeń, na podstawie bilansu.

Trzy różne rzeczy pod jedną nazwą

Pojęcie „biowodór” obejmuje trzy odrębne drogi, o różnej dojrzałości. Ogólny przegląd znajdziesz we wpisie Biowodór: co naprawdę oznacza i jakie są ścieżki produkcji. Poniżej omawiamy je pod kątem przydatności w pobliżu biogazowni.

Fermentacja ciemna: ciekawa, ale wczesna

W fermentacji ciemnej bakterie rozkładają cukry bez światła i tlenu, wytwarzając wodór i lotne kwasy tłuszczowe. Teoretyczna granica to cztery mole H₂ z mola glukozy i odpowiada szlakowi z kwasem octowym; przy szlaku z kwasem masłowym jest to dwa mole. W praktyce, gdy powstają także inne produkty (np. mleczany, etanol) i część wodoru jest zużywana w reakcjach ubocznych, uzysk jest wyraźnie niższy, orientacyjnie rzędu jednego do dwóch moli. Pozostają kwasy, w których wciąż siedzi większość energii substratu, dlatego koncepcja dwustopniowa łączy etap wodorowy z drugim etapem, metanowym. Zaletą jest wykorzystanie odpadów bogatych w łatwo rozkładalne cukry, wadą niestabilność procesu, niskie stężenie wodoru w gazie i koszt jego oczyszczenia. Szczegóły opisano we wpisie Fermentacja ciemna: wodór z odpadów organicznych, wydajność i ograniczenia. Technologia jest na etapie badań i pilotaży; w skali przemysłowej na dziś nie jest powszechnie stosowana.

Reforming biogazu i biometanu

Reforming parowy zamienia metan i parę wodną w wodór i CO₂. Technicznie jest to proces dojrzały, znany z przemysłu gazu ziemnego, a zasilany biometanem lub biogazem daje wodór ze źródła odnawialnego. Jednak każdy mol metanu, który zamieniamy na wodór, tracimy jako biometan, a sprawność przemiany jest niższa niż 100%. Sens takiego procesu pojawia się, gdy:

• odbiorca potrzebuje wodoru, a nie metanu, na przykład w procesie przemysłowym,
• można wychwycić i zagospodarować powstający CO₂, który jest pochodzenia biogenicznego,
• brak dostępu do sieci gazowej uniemożliwia sprzedaż biometanu.

Bilans opisuje wpis Reforming parowy biogazu i biometanu do wodoru: bilans i CO₂. Przykład integracji gnojowicy, biometanu i wodoru z Japonii pokazuje wpis Shikaoi na Hokkaido.

Elektroliza przy biogazowni

Elektrolizer rozkłada wodę na wodór i tlen przy użyciu energii elektrycznej. Przy biogazowni daje trzy dodatkowe możliwości: wykorzystanie tlenu (np. do mikrotlenowania odsiarczania lub dooczyszczania wody), ciepła odpadowego z elektrolizera, oraz połączenie wodoru z biogenicznym CO₂ w metanizacji, co opisaliśmy w tekście Metanizacja i power-to-gas z biogenicznym CO₂. Jednak wodór z elektrolizy jest tak odnawialny, jak odnawialny jest prąd, a rozporządzenie delegowane 2023/1184 stawia warunki dla paliw odnawialnych pochodzenia niebiologicznego (RFNBO), takie jak dodatkowość i korelacja czasowa. Zużycie energii przez elektrolizer to orientacyjnie rząd 50–55 kWh na kilogram wodoru (wartość przybliżona, zależna od technologii i warunków pracy), przy wartości opałowej wodoru ok. 33 kWh/kg. Oznacza to, że koszt energii elektrycznej i liczba godzin pracy decydują o opłacalności. Przy rzadkiej pracy w okresach tanich nadwyżek koszt kapitału rozkłada się na małą ilość produktu.

Gdzie wodór ma sens, a gdzie jeszcze nie

Zasada przewodnia: wodór ma sens tam, gdzie jest konkretny odbiorca, a nie jako cel sam w sobie. W większości biogazowni rolniczych biometan lub prąd i ciepło zapewnią lepszy wynik, a wodór pojawi się, gdy rynek i technika dojrzeją.

Zależność i niezależność

Wodór nie jest paliwem pierwotnym: trzeba go wytworzyć, a to wymaga energii lub surowca. Jego wkład w samodzielność kraju zależy więc od tego, skąd pochodzi ten wsad. Wodór z krajowych odpadów i krajowej energii odnawialnej może być elementem lokalnej niezależności; wodór wytworzony z importowanego gazu ją osłabia. Uczciwie trzeba podkreślić, że do kluczowych rozstrzygnięć brakuje jeszcze długiego doświadczenia eksploatacyjnego. Dlatego warto obserwować projekty pilotażowe, uczyć się z ich wyników i nie obiecywać więcej, niż potwierdziły pomiary.

Wpisy serii, do których warto wrócić: Niepodległość energetyczna zaczyna się lokalnie oraz Biometan jako krajowe paliwo.