Przez większość dekady ogłoszonych mocy wodorowych było więcej niż faktycznie oddanych, a powodem nie jest elektroliza.
Luka między ogłoszeniami a stalą wbitą w ziemię
Wzorzec jest na tyle spójny, że można na nim planować. Projekty ogłasza się z liczbami mocy i datami. Mniejszość dochodzi do ostatecznej decyzji inwestycyjnej. Spora liczba jest po cichu anulowana albo bezterminowo odkładana, w tym kilka dużych i szeroko nagłośnionych.
Powody są ekonomiczne, nie techniczne.
Produkt kosztuje więcej niż dotychczasowy standard. Wodór z elektrolizy zasilanej niskoemisyjną energią zwykle kosztuje kilka razy więcej niż wodór z gazu ziemnego, a różnica mocno zależy od ceny energii elektrycznej i liczby godzin pracy elektrolizera w roku.
Przy takiej cenie brakuje kupujących. Projekty potrzebują zakontraktowanego odbioru, by się sfinansować, a odbiorcy przemysłowi niechętnie podpisują długoterminowe umowy z premią cenową bez regulacyjnego powodu, by to zrobić.
Problem jajka i kury jest realny. Produkcja czeka na popyt, popyt czeka na infrastrukturę, infrastruktura czeka na wolumen. Przełamanie tego wymaga albo polityki, albo klienta bez alternatywy.
Inżynieria została już w dużej mierze zademonstrowana. Nierozstrzygnięte pozostaje to, kto pokryje różnicę w cenie.
Dla planowania kadr uczciwa odpowiedź brzmi: warto budować kompetencje wodorowe, ale w skali dopasowanej do projektów, które faktycznie osiągnęły decyzję inwestycyjną, a nie do ogłoszonych planów. Każdy w tym sektorze powinien też umieć odczytać ogłoszenie projektu i rozpoznać, na jakim etapie naprawdę się znajduje – to samo w sobie jest umiejętnością.
Co obejmuje ten kierunek
Zakres: produkcja wodoru, elektroliza, ogniwa paliwowe, magazynowanie i transport wodoru oraz zastosowania przemysłowe.
Cztery obszary.
Produkcja. Technologie elektrolizy, reforming z wychwytem dwutlenku węgla oraz związane z nimi kwestie sprawności i trwałości.
Obsługa. Sprężanie, skraplanie, magazynowanie, rurociągi i zgodność materiałowa.
Zastosowanie. Ogniwa paliwowe, spalanie i zastosowania jako surowiec chemiczny.
Bezpieczeństwo i normy. Zajmujące w tym kierunku większe miejsce niż w większości innych.
Dlaczego z tą cząsteczką trudno pracować
Wodór zachowuje się w sposób, który zaskakuje inżynierów przyzwyczajonych do gazu ziemnego, i każda z tych właściwości ma swoją cenę.
Przecieka. Najmniejsza cząsteczka znajduje drogę przez uszczelnienia, złącza gwintowane i materiały, które bez problemu utrzymują inne gazy. Wykrywanie wycieków i projektowanie złączy to tu odrębne dyscypliny.
Powoduje kruchość wodorową stali. Wodór dyfunduje do wielu gatunków stali i obniża ich plastyczność, co może prowadzić do pękania pod naprężeniem. To centralny problem materiałowy dla rurociągów, zbiorników i sprężarek, ograniczający, którą istniejącą infrastrukturę można ponownie wykorzystać i na jakich warunkach.
Niesie mało energii na jednostkę objętości. W ciśnieniu atmosferycznym wodór ma w tej samej objętości mniej więcej jedną trzecią energii gazu ziemnego, dlatego magazynuje się go pod bardzo wysokim ciśnieniem, skrapla w ekstremalnie niskiej temperaturze albo zamienia na nośnik, taki jak amoniak. Każda opcja kosztuje energię: samo skraplanie zużywa znaczną część energii zawartej w samym wodorze.
Łatwo się zapala i płonie niewidocznie. Szeroki zakres palności, bardzo niska energia zapłonu i płomień niemal niewidoczny w świetle dziennym. Zagrożenie da się opanować i jest opanowywane na co dzień w przemyśle, ale to nie to samo zagrożenie co przy gazie ziemnym i nie da się go obsługiwać tymi samymi nawykami.
Sprawność cyklu zamkniętego jest niska. Droga od energii elektrycznej przez wodór z powrotem do energii elektrycznej traci zdecydowaną większość energii wejściowej. To niegroźne tam, gdzie alternatywą jest nic, i decydujące wszędzie tam, gdzie możliwa jest bezpośrednia elektryfikacja.
Miejsce tego kierunku w domenie
Technologia wodoru i ogniw paliwowych to piąty z dziewięciu kierunków w domenie energetyki, klimatu i energii jądrowej Astra Trainer. Łączy się z zarządzaniem węglem i dekarbonizacją przemysłu, gdzie wodór jest jedną z niewielu opcji dla ciepła procesowego wysokiej temperatury i pierwotnej produkcji stali, oraz z systemami ropy, gazu i petrochemii, gdzie obecnie skupia się niemal cała istniejąca wiedza wodorowa.
Łączy się też z ekonomią, rynkami i polityką energetyczną, bo opłacalność niemal każdego projektu w tym kierunku zależy od wsparcia politycznego i cen energii elektrycznej, a nie od inżynierii. Zobacz dziewięć kierunków tutaj.
Gdzie wodór ma sens, a gdzie argumenty są słabe
Konkret jest tu bardziej przydatny niż entuzjazm i chroni organizację przed inwestowaniem w niewłaściwe zastosowanie.
Mocne: istniejące przemysłowe zastosowania wodoru. Rafinacja i produkcja amoniaku już zużywają duże ilości wodoru z paliw kopalnych. Zastąpienie tej dostawy niskoemisyjnym wodorem nie wymaga nowego popytu, nowej infrastruktury ani zmiany zachowań. To najczystszy możliwy przypadek.
Mocne: pierwotna produkcja stali. Bezpośrednia redukcja żelaza wodorem to jedna z bardzo nielicznych dróg do znacznego obniżenia emisji w pierwotnej produkcji stali, a alternatyw jest niewiele. Kilka projektów już postępuje.
Prawdopodobne: surowiec chemiczny i ciepło procesowe wysokiej temperatury, gdzie elektryfikacja jest trudna, a proces potrzebuje cząsteczki, nie elektronów.
Prawdopodobne: długoterminowe magazynowanie energii i bilansowanie sezonowe, gdzie słaba sprawność cyklu zamkniętego ma mniejsze znaczenie niż zdolność do magazynowania energii przez miesiące, czego baterie nie potrafią.
Sporne: transport ciężki, żegluga i lotnictwo. Realni kandydaci, konkurujący z bateriami w transporcie drogowym oraz z paliwami syntetycznymi i biopochodnymi w żegludze i lotnictwie. Wynik nie jest rozstrzygnięty i rozsądni ludzie się tu różnią.
Słabe: ogrzewanie domów. Pompy ciepła dostarczają kilka jednostek ciepła na jednostkę energii elektrycznej. Wyprodukowanie wodoru, jego dystrybucja i spalenie dostarczają mniej niż jedną. Wiele niezależnych analiz doszło do niekorzystnych wniosków, a argumentacja opiera się głównie na ponownym wykorzystaniu istniejących sieci gazowych.
Słabe: większość lekkich pojazdów. Samochody elektryczne z bateriami są wydajniejsze, tańsze w eksploatacji i wspierane przez znacznie więcej infrastruktury.
Uczciwy program wodorowy skupia się na pierwszej grupie. Program, który zaczyna od samochodów i domowych kotłów, zwykle jest artefaktem politycznym, a nie planem inżynierskim.
Dobra wiadomość: umiejętności są przenośne
Obraz kadrowy jest tu korzystniejszy niż w większości tej domeny, i warto to powiedzieć wprost.
Wodór nie jest nową branżą w takim sensie, w jakim się go często opisuje. Jest produkowany i obsługiwany w skali przemysłowej od stu lat, w rafineriach, zakładach amoniaku i instalacjach gazów technicznych. Ludzie, którzy to robią, już istnieją.
To, czego potrzebują, to raczej warstwa niż przekwalifikowanie od zera: technologia elektrolizerów i ich charakterystyka pracy, zgodność materiałowa infrastruktury pierwotnie nieprojektowanej pod wodór, konkretne różnice bezpieczeństwa względem gazu ziemnego oraz ramy komercyjne i polityczne decydujące, czy projekt jest realny.
To problem szkoleniowy o krótkiej ścieżce, wyjątkowo dobrze pasujący do ustrukturyzowanej, przyrostowej nauki dostarczanej ludziom już pracującym.
Role po imieniu
Inżynierowie elektrolizerów. Projektowanie stosów ogniw, integracja systemu, wyposażenie towarzyszące.
Inżynierowie procesu do produkcji i oczyszczania wodoru.
Inżynierowie bezpieczeństwa wodoru. Odrębna i rosnąca specjalizacja.
Inżynierowie materiałowi do oceny kruchości wodorowej i zgodności materiałów.
Inżynierowie ogniw paliwowych, dla transportu i energetyki stacjonarnej.
Specjaliści od sprężania, magazynowania i skraplania.
Inżynierowie rurociągów i infrastruktury, w tym oceny konwersji istniejących sieci.
Operatorzy i technicy zakładów produkcyjnych.
Deweloperzy projektów i analitycy komercyjni, bo to odbiór i polityka decydują o tych projektach.
Kogo można przekwalifikować
Personel sektora gazów technicznych. Najbliższe możliwe dopasowanie. Produkcja, sprężanie, skraplanie, dystrybucja i obsługa butli to już ich codzienna praca.
Operatorzy i inżynierowie rafinerii oraz zakładów amoniaku. Już obsługują wodór w skali przemysłowej w ramach zarządzania bezpieczeństwem procesowym.
Inżynierowie procesowi i rurociągowi z ropy i gazu. Silne przeniesienie umiejętności, przy czym zgodność materiałową i różnice bezpieczeństwa trzeba uczyć wprost, a nie zakładać.
Inżynierowie chemicy z dowolnego przemysłu procesowego.
Inżynierowie elektrycy i energoelektronicy. W systemy zasilania elektrolizerów, które stanowią znaczną część instalacji elektrolizerowej.
Inżynierowie materiałowi i korozji. W ocenę kruchości wodorowej, gdzie brakuje ludzi, a rola jest kluczowa.
Specjaliści bezpieczeństwa procesowego. W bezpieczeństwo wodoru, gdzie istniejąca metodologia stosuje się wprost, tylko z nowymi danymi o zagrożeniach.
Wodór to substancja niebezpieczna podlegająca ścisłym regulacjom. Ma szeroki zakres palności, bardzo niską energię zapłonu i płomień trudny do dostrzeżenia, a obsługuje się go przy ekstremalnych ciśnieniach lub w temperaturach kriogenicznych. Instalacje podlegają reżimom dotyczącym poważnych awarii przemysłowych, urządzeń ciśnieniowych, towarów niebezpiecznych i bezpieczeństwa zakładu, różniącym się w zależności od jurysdykcji, a bezpieczna obsługa zależy od procedur właściwych dla danego obiektu, oceny kompetencji i upoważnienia. Astra Trainer buduje wiedzę techniczną. Nie zapewnia szkolenia z zagrożeń, upoważnienia ani żadnej zgody na projektowanie, eksploatację czy pracę przy instalacjach wodorowych.
Co warto z tego zapamiętać
Nierozstrzygnięta kwestia w wodorze jest komercyjna, nie techniczna, a duża część ogłoszonych projektów nigdy nie dochodzi do decyzji inwestycyjnej.
Obsługa tej cząsteczki jest trudnością inżynierską: przecieki, kruchość wodorowa, niska gęstość energii na objętość i inne niż w gazie ziemnym zagrożenie zapłonowe.
Mocne zastosowania to te, które już używają wodoru albo nie mają alternatywy. Słabe to te, gdzie bezpośrednia elektryfikacja po prostu wygrywa efektywnością.
Sprawność cyklu zamkniętego jest niska, co ma niewielkie znaczenie dla magazynowania sezonowego i decydujące dla wszystkiego, co dałoby się zamiast tego zelektryfikować.
A nietypowo dla tej domeny kadra w dużej mierze już istnieje, w rafinacji, amoniaku i gazach technicznych. To problem przekwalifikowania o krótkiej ścieżce.
Dlaczego tak wiele projektów wodorowych zostaje anulowanych?
Bo niskoemisyjny wodór zwykle kosztuje kilka razy więcej niż wodór z paliw kopalnych, przy tej cenie brakuje zakontraktowanych kupujących, a produkcja, popyt i infrastruktura wzajemnie na siebie czekają. Bariera jest ekonomiczna, nie techniczna.
Co utrudnia obsługę wodoru?
Przecieka przez złącza szczelne dla innych gazów, powoduje kruchość wodorową wielu stali, niesie mało energii na jednostkę objętości, więc wymaga ekstremalnego ciśnienia lub temperatury kriogenicznej, oraz łatwo się zapala niemal niewidocznym płomieniem.
Gdzie wodór ma wyraźny sens?
W zastąpieniu istniejącego wodoru z paliw kopalnych w rafinacji i produkcji amoniaku, w pierwotnej produkcji stali metodą bezpośredniej redukcji, w części zastosowań ciepła procesowego wysokiej temperatury i surowca chemicznego oraz w długoterminowym magazynowaniu sezonowym.
Dlaczego ogrzewanie wodorowe uznaje się za słabe zastosowanie?
Bo pompy ciepła dostarczają kilka jednostek ciepła na jednostkę energii elektrycznej, podczas gdy produkcja, dystrybucja i spalanie wodoru dostarczają mniej niż jedną. Wiele niezależnych analiz doszło do niekorzystnych wniosków.
Kto dobrze przekwalifikowuje się do ról wodorowych?
Najpierw personel sektora gazów technicznych, potem operatorzy rafinerii i zakładów amoniaku już obsługujący wodór w skali przemysłowej, inżynierowie procesowi i rurociągowi z ropy i gazu, inżynierowie chemicy, inżynierowie energoelektronicy w systemy elektrolizerów oraz inżynierowie materiałowi w ocenę kruchości wodorowej.