Pojazdy elektryczne z ogniwem paliwowym są wg. wielu badaczy najbardziej rozwojowym ekologicznym rozwiązaniem dla transportu, w szczególności w przypadku autobusów, pojazdów ciężarowych i komunalnych. Mają korzystny stosunek masy do ładowności, duży zasięg oraz można je szybko zatankować.

W Polsce pojawiły się możliwości uzyskania dotacji na zakup autobusów wodorowych i budowę stacji do ich tankowania. Wiele Zakładów Komunikacji Miejskiej zastanawia się, czy warto zainwestować, lecz mają problemy z oszacowaniem wydatków i obawiają się trudności. W mediach pojawiają się mało precyzyjne informacje o kosztach budowy stacji, co nie ułatwia decyzji.  

Specjaliści twierdzą, że podczas planowania wystarczy zadać sobie kilka podstawowych pytań i dobrze przemyśleć odpowiedzi. To pozwoli na oszacowanie wstępnego budżetu z błędem na poziomie +/-20% i dobre zaplanowanie projektu. Oto lista najważniejszych kwestii:

1.     Jakie pojazdy chcemy tankować?

Innymi słowy, czy mają to być pojazdy osobowe, czy ciężarowe, a może inne pojazdy komunalne lub robocze? To pytanie ma podstawowe znaczenie dla obliczenia kosztów stacji. Paradoksalnie taniej może być zbudować stację tylko dla dużych pojazdów. Wprawdzie ciężarówki i autobusy tankuje się większą ilością paliwa (30- 40 kg zamiast 4-6 kg w przypadku osobówek), ale samochody osobowe wymagają wyższego ciśnienia wodoru (700 bar zamiast 350 bar) z uwagi na mniej miejsca na zbiorniki paliwa w pojeździe. To determinuje użycie znacznie droższych elementów stacji, w tym zbiorników, dystrybutorów, systemu chłodzenia i kompresorów.

Posiadacz stacji musi też zdecydować, czy chce tankować tylko swoje pojazdy, czy też sprzedawać wodór na zewnątrz. To drugie zwiększa koszty budowy zaplecza i obsługi.

2.     Jak chcemy tankować?

Inwestorzy rzadko zadają sobie to pytanie, a jest ono kluczowe dla określenia wydajności komponentów stacji. Przyjmuje się, iż tankowanie wodorem samochodu osobowego zajmuje 3-5 min, a ciężarowego i autobusu 10 min. Problem w tym, że im szybsze tankowanie, tym droższa instalacja. Szybkość tankowania wpływa znacząco na wydajność systemów chłodzenia, rozmiary zbiorników oraz koszty sprężania. Można wiele zaoszczędzić, jeżeli np. tankowanie autobusu będzie trwało 15 min. Przecież alternatywne autobusy elektryczne ładuje się 1.5 h przy zastosowaniu szybkich ładowarek, co zresztą zapewnia im tylko 150 km zasięgu, a i to w sprzyjających warunkach pogodowych. Co parę cykli i tak trzeba stosować wolne, np. całonocne ładowanie by ochronić baterię.

Zatankowany do pełna autobus wodorowy ma 400 km zasięgu, a dziennie autobusy miejskie przejeżdżają od 100 do 300 km. Oznacza to, że autobus wodorowy będzie statystycznie tankowany co ok. 1.5 dnia, a nie codziennie. Czyli gdy zamówimy 15 autobusów wystarczy nam stacja o wydajności dostosowanej do 10 takich pojazdów. Producenci stacji kontenerowych stosują pewnego rodzaju typoszeregi, należy więc dokładnie wyliczyć oczekiwaną wydajność, by zoptymalizować budżet.

Warto też zastanowić się, czy autobusy będą tankowane równolegle, czy też jeden po drugim. Przy równoległym tankowaniu musimy przewidzieć więcej pistoletów, a to oznacza wyższy koszt dystrybutorów i elementów z nimi współpracujących. Powinniśmy się także zastanowić, czy będziemy tankowali tylko w ciągu dnia i w wybranych godzinach, czy też także w nocy.

W wielu MZK zwyczajowo stosuje się ten drugi model tankowania, co obniży rozmiar komponentów stacji.

3.     Gdzie chcemy postawić stację?

To pytanie ma znaczenie z kilku powodów. Oczywiście musi być wystarczająco dużo miejsca na elementy stacji (zbiorniki wysokiego, średniego i niskiego ciśnienia, dystrybutory, systemy chłodzenia, kompresory). Z drugiej strony zbytnie oddalenie od siebie tych elementów może oznaczać dodatkowe koszty. Na przykład gdy odległość pomiędzy zbiornikami a dystrybutorem przekracza 50 m niezbędne jest stosowanie dodatkowych chłodnic wodoru. Musimy mieć też miejsce na wjazd i wyjazd, dostępność odpowiedniej ilości energii elektrycznej, a w przypadku stawiania elektrolizera wody o czystości wody pitnej. Przy modelu działania ze sprzedażą wodoru na zewnątrz należy oszacować popyt i być może postawić stację w miejscu skrzyżowania głównych dróg krajowych lub lokalnych.

Najważniejsze jednak są zagadnienia formalne. Czy na danym terenie wolno budować stacje paliw? Czy w sąsiedztwie nie ma takich podmiotów, które mogą utrudnić budowę, a nawet ją zablokować?

Pamiętajmy, że wodór jest ciągle czymś nowym, co oznacza że wiele osób może obawiać się takiego sąsiedztwa. Z uwagi na brak jasnych przepisów urzędnicy mogą wydawać negatywne decyzje tylko z chęci uniknięcia ryzyka. Ograniczeniem może być wymagany udział powierzchni biologicznie czynnej, specjalne wymogi na danym terenie (np. tereny objęte nadzorem konserwatora zabytków), drzewa rosnące na działce itd.

Właściwy wybór terenu pozwoli wybudować stację szybko i po optymalnych kosztach. Dobrym rozwiązaniem jest wybranie kilku lokalizacji i przeprowadzenie analizy porównawczej.

Warto przy tym dodać, że w realiach eskploatacyjnych wodór nie jest bardziej niebezpiecznym paliwem niż benzyna. Dla przykładu tzw. strefy bezpieczeństwa ATEX wokół stacji wodorowej są wprawdzie rozległe, jednak znajdują się na wysokości powyżej 4 m.

 4.     Czy chcemy zbudować jedną stację, czy kilka?

Wbrew pozorom nie jest to pytanie pozbawione sensu. Jak podano powyżej, stacje są i tak budowane w formie modułowej w pewnych typoszeregach. Dlatego od strony kosztów instalacji nie ma wielkiej różnicy pomiędzy jedną stacją na dwadzieścia autobusów, a dwoma stacjami na dziesięć autobusów każda. Oczywiście dochodzą dodatkowe koszty budowlane lub operacyjne. Jednak jeżeli inwestor dysponuje dwoma mniejszymi działkami, zamiast na siłę budować dużą stację w jednym miejscu, powinien rozważyć budowę dwóch, położonych w różnych punktach miasta, co ułatwi tankowanie taboru. Poza oszczędnościami logistycznymi może to zmniejszyć ryzyko w przypadku problemów z uzyskaniem pozwolenia na budowę dla jednej z lokalizacji, lub w przypadku awarii jednej z nich. 

5.     Kiedy chcemy rozpocząć tankowanie?

To jedna z najważniejszych kwestii przy planowaniu przedsięwzięcia. W zarządzaniu projektami kluczowy jest trójkąt; czas, koszty, jakość. Udowodniono, że nie da się poprawić wszystkich tych elementów jednocześnie. Innymi słowy przyspieszenie inwestycji oznacza albo wzrost kosztów, albo obniżenie jakości. W Niemczech, gdzie wybudowano najwięcej stacji w Europie, dopracowane są wszystkie procedury i przepisy, a jednak kompletny projekt budowy stacji wodorowej trwa minimum 1.5 roku. I to przy założeniu, że nie ma żadnych utrudnień. W Polsce znacznie dłuższe są tak procedury związane z uzyskiwaniem zgody na budowę (szczególnie gdy brak planu zagospodarowania na danym obszarze), jak i pozwolenia na użytkowanie po zakończeniu budowy. Nawet 18 miesięcy może zająć samo wykonanie przyłącza prądu o wymaganej mocy. Dlatego należy zakładać, iż budowa stacji wodorowej będzie trwała minimum 2 lata, a przy braku planu zagospodarowania 2.5 roku.

Ponadto w ostatnim czasie w całej Europie zapotrzebowanie na urządzenia do stacji wodorowej wzrosło tak gwałtownie, że standardowe terminy dostaw wzrosły z 6 do 14 miesięcy. Jeżeli chce się zamówić urządzenia dopiero po uzyskaniu zgody na budowę (co byłoby bezpieczniejsze), trzeba projekt wydłużyć o następne kilka miesięcy. 

Oczywiście można sobie wyobrazić wyjątkowo sprzyjające warunki, w których wszystkie urzędy i instytucje są pozytywne nastawione i zaangażowane oraz podejmują decyzje błyskawicznie. Dużo zależy od samej lokalizacji. Inny będzie proces budowlany w centrum miasta, a inny na terenie zakładu przemysłowego.

Gdy inwestor założy w przetargu zbyt krótki termin wykonania inwestycji w połączeniu z wysokimi karami umownymi, może się spodziewać albo bardzo wysokich cen ofertowych przekraczających budżet, albo w ogóle braku ofert. W efekcie straci on wiele czasu na powtarzanie procedury.

Jeżeli podobnie krótkie terminy będą założone w systemie dotacji do tego typu inwestycji, to można spodziewać się braku wniosków i fiasku programu.

6.     Skąd weźmiemy wodór?

Powodzenie inwestycji zależy od dostępu do taniego wodoru. Polska jest trzecim co do wielkości producentem tego gazu w Europie. Niestety nie jest to wodór o wymaganej w transporcie czystości 99,999%. Europa zamierza promować dotacjami tzw. wodór zielony, to jest wytworzony z prądu pochodzącego ze źródeł odnawialnych. Nie jest jeszcze zdecydowane, czy dotacjami będzie objęty oczyszczony wodór odpadowy np. z procesów rafineryjnych, co byłoby szansą na tani polski wodór w dużych ilościach. Dlatego potencjalny inwestor powinien niewątpliwie uzyskać deklaracje dostaw wodoru oczyszczonego od jednego z potencjalnych dostawców, lub zaplanować zbudowanie własnego elektrolizera.

Niestety elektrolizer o odpowiedniej wydajności oznacza podniesienie kosztów budowy stacji o ok. 50 – 70%. Elektrolizer wymaga dodatkowego miejsca, dostaw wody pitnej oraz regularnego profesjonalnego serwisu. Zwiększa to koszty operacyjne, jednocześnie jednak obniżając ryzyko braku dostaw wodoru. Inwestycja w elektrolizer może być połączona z fotowoltaiką lub inną lokalną instalacją OZE. Należałoby wtedy poszukiwać możliwości uzyskania dotacji na cały projekt z funduszy UE. W trakcie elektrolizy produkowany jest tlen, który również można sprzedawać.

Są dwie podstawowe technologie elektrolizerów, które mogą być zastosowane na stacjach. Elektrolizery alkaiczne są tańsze, ale mniej wydajne i wymagające regularnego dodawania elektrolitu. Nowsza, mniej sprawdzona choć obecnie stosowana standardowo konstrukcja elektrolizerów suchych PEM zapewnia większą wydajność oraz wyższe ciśnienie wodoru niż w przypadku elektrolizerów alkaicznych (30-50 bar zamiast ok. 5 bar w przypadku alkaicznych). Ma to znaczenie, ponieważ niektóre kompresory nie mogą pracować na ciśnieniu wlotowym poniżej 30 bar.

Producenci elektrolizerów również stosują typoszeregi produkcyjne co potwierdza konieczność dokładnego wyliczenia wydajności.

 7.     Jak wodór będzie dostarczany do stacji?

Jeżeli zdecydujemy się na dostawy zewnętrzne, należy bardzo dokładnie przemyśleć sposób wyładowywania wodoru i uzgodnić to z dostawcą. Standardowo handlowy wodór o czystości 99,999% dostarczany jest naczepami na których są zamontowane butle lub cylindry z gazem o ciśnieniu 50-200 bar. Planuje się zwiększenie ciśnienia transportowanego wodoru nawet do 500 bar, gdyż to poprawi opłacalność transportu (szczególnie na większe odległości) i zmniejszy koszty samych stacji. Jednak zbiorniki na wyższe ciśnienia są droższe. Osobny temat stanowi wytrzymałość zbiorników wysokociśnieniowych na wstrząsy w transporcie. Nie chodzi tu o bezpieczeństwo, lecz o trwałość tych drogich urządzeń. Z pewnością w budowanych obecnie stacjach warto rozważyć transport pod ciśnieniem 350 bar. Oczywiście im wyższe ciśnienie transportowanego wodoru, tym wyższą cenę poda dostawca, gdyż będzie musiał wliczyć koszty sprężenia wodoru.

Gdy naczepa dojedzie do stacji, wodór musi być z niej przepompowany do zbiorników stacji z pomocą kompresora. Ta operacja może trwać dość długo, pamiętajmy przy tym, że zawsze zostawia się część wodoru w zbiornikach transportowych.

Czas pozostawania naczepy ze zbiornikami na stacji jednak kosztuje, więc im większe zbiorniki na stacji i bardziej wydajny kompresor, tym mniej płacimy za postój. Czas postoju może wynosić kilka godzin, dlatego trzeba przewidzieć miejsce na stacji.

Wygodnym rozwiązaniem jest zastosowanie specjalnych systemów dokujących, umożliwiający przemienne pozostawianie i odbieranie samych zbiorników. Naczepa pozostawia pełne zbiorniki ze stelażem, które są zawieszane na specjalnej konstrukcji. Naczepa wyjeżdża spod nich, a potem odbiera już opróżnione, stojące na stanowisku obok.

To rozwiązanie jest optymalne, gdyż obniża czas postoju naczepy na stacji, jednoczenie zmniejszając objętość zbiorników zabudowanych na stałe, a co za tym idzie koszty inwestycyjne. Zbiorniki transportowe stają się same bankiem niskiego ciśnienia stacji.

Zastosowanie tego rozwiązania wymaga zamontowania odpowiedniej konstrukcji na stacji, oraz dostosowanej do tego systemu naczepy transportowej.

8.     Na jak długo będzie mogła stacja być wyłączana podczas serwisu?

Stacja wodorowa musi być regularnie serwisowana. Najbardziej wrażliwym elementem stacji są niewątpliwie wielostopniowe kompresory, najczęściej membranowe lub tłokowe. Obie technologie mają swoje silne i słabe strony. Kompresory membranowe lepiej pracują przy stabilnym obciążeniu. Dlatego częściej obecnie się stosuje kompresory tłokowe, choć z powodów konstrukcyjnych w ich przypadku istnieje potrzeba pozostawienia niewielkich nieszczelności pomiędzy stopniami sprężania, co może, choć nie musi obniżyć ich sprawność w stosunku do kompresorów membranowych. To w kompresorze zużywana jest lwią część zapotrzebowania stacji na energię. Dobrze dobrana charakterystyka kompresora jest kluczowa dla właściwej pracy stacji oraz kosztów obsługi.

Przegląd kompresora jest dłuższy w przypadku kompresorów membranowych, ale nawet w ramach danej technologii są bardzo różne konstrukcje. W niektórych przypadkach serwis może trwać cały dzień, a w innych konstrukcjach mniej niż pół godziny.

Zwykle zalecane jest zamontowanie na stacji zapasowych kompresorów, które przejmą pracę podczas przeglądu kompresorów podstawowych. Jednak zwiększa to znacznie koszt budowy stacji. Alternatywnym rozwiązaniem jest zbudowanie większych zbiorników, które pozwolą na dłuższy przegląd kompresorów, i/ lub wybór kompresorów o konstrukcji umożliwiającej szybką wymianę elementów podlegających zużyciu eksploatacyjnemu.

9.     Kto będzie wykonywał serwis i regularną obsługę techniczną stacji?

 Z uwagi na palność wodoru i wysokie ciśnienia pracy urządzeń, a także na ich stopień zaawansowania technicznego serwis musi być przeprowadzany przez wyszkolonych fachowców dysponujących odpowiednimi narzędziami, dokumentacją serwisową i oryginalnymi częściami zamiennymi.

Dlatego standardem powinny być umowy serwisowe typu 24/7 zapewniane przez autoryzowanych serwisantów, nie tylko w okresie gwarancyjnym, lecz także przez cały okres eksploatacji stacji.

Dostawcy urządzeń często dysponują systemami zdalnej kontroli stacji bazującymi na informacji z kilkunastu lub kilkudziesięciu czujników. Serwis wyposażony w takie narzędzie jest w stanie znacznie lepiej planować i wykonywać naprawy przy jak najmniejszym zaburzeniu pracy stacji. 

 10. Czy planujemy rozbudować stację w przyszłości?

Przy obecnych terminach dostawy pojazdów wodorowych nie ma sensu budowanie stacji „na wyrost”. Wystarczy tylko zaplanować na stacji odpowiednią przestrzeń na lokalizację dodatkowych komponentów i je dokupywać w miarę rosnącego zapotrzebowania. Zmiany mogą dotyczyć większej liczby pojazdów lub rodzajów pojazdów obsługiwanych na stacji (np. przestawienie dystrybutorów z 350 bar na 350+700 bar).

Nie powinno się natomiast oszczędzać na jakości stosowanych komponentów, gdyż to może negatywnie wpłynąć na bezpieczeństwo i koszty eksploatacji.

Optymalizacja kosztowa oparta powinna być przede wszystkim na bardzo dokładnym bieżącym i przyszłym oszacowaniu wydajności poszczególnych elementów stacji przy uwzględnieniu zmiany zapotrzebowania na wodór. Producenci kompletnych stacji dysponują arkuszami obliczeniowymi pozwalającymi na doskonałe zbilansowanie poszczególnych zbiorników, kompresora, systemów chłodzenia i dystrybutorów. 

Odpowiedź na 10 powyższych pytań będzie podstawą dla właściwego przygotowania przez nich budżetowej oferty. Dobrze ją mieć przed składaniem wniosku o dotację.

Marek Pinkas

Autor jest wizeprezesem GZOG Sp. z o.o., polskiego lidera w zakresie budowy stacji CNG, LNG, realizującego pierwszy w Polsce projekt budowy stacji wodorowej dla PGNiG S.A.

Zdjecia z archiwum własnego autora wykonane na stacji paliw w St. Gallen, Szwajcaria.