Świt epoki wodoru. Jeden z najważniejszych klocków w energetycznej układance przyszłości
Źródła odnawialne nie są w stanie zapewnić stałych dostaw energii, ponieważ wiatr nie zawsze wieje, a słońce nie zawsze świeci. Gdy przekształcamy nadwyżkę energii wytworzonej w wietrzne lub słoneczne dni w wodór, gaz działa jako środek do magazynowania energii, z którego możemy korzystać, gdy podaż energii ze źródeł odnawialnych jest mała lub gdy zapotrzebowanie jest wyższe niż zwykle.
Termin "gospodarka wodorowa" (1) został ukuty przez Johna Bockrisa podczas wykładu, który wygłosił w 1970 r. w Centrum Technicznym General Motors (GM). Koncepcja ta była zresztą proponowana wcześniej, m.in. przez genetyka J.B.S. Haldane’a. Współczesne rozumienie gospodarki wodorowej oparte jest w dużym stopniu na raporcie Lawrence’a W. Jonesa z Uniwersytetu Michigan opublikowanym również w 1970 roku.
Nagły wzrost zainteresowania tą koncepcją na początku pierwszej dekady XXI w. był przez niektórych krytyków i zwolenników alternatywnych technologii wielokrotnie określany jako szum informacyjny. Na początku XXI wieku zwolennicy wodoru sądzili, że zdominuje on rynek ekologicznych samochodów. Jednak obietnica ta nigdy się nie zmaterializowała z kilku zasadniczych powodów.
Po pierwsze, napęd wodorowy wymagał nowej infrastruktury, podczas gdy konkurencyjne samochody na baterie mogły być ładowane z wszechobecnej sieci elektrycznej. Po drugie, akumulatory o dużej mocy były już wtedy dobrze rozwinięte i znane w innych zastosowaniach, takich jak komputery, a wodór nie. Zainteresowanie opadło po pierwszej fali entuzjazmu.
Tak więc wodór przegrał (pierwszą) bitwę o samochód. Jednak teraz znów jest brany pod uwagę przy zadaniach związanych z transportem, przemysłem i ogrzewaniem, które przekraczają zdolności akumulatorów; np. według szacunków duża koparka potrzebowałaby baterii ważącej pięć ton, a jej tankowanie trwałoby godzinami. Napełnienie zbiornika z wodorem zajmuje kilka minut.
Optymizm rozpisany na dekady
Zainteresowanie tym nośnikiem energii powróciło w drugiej połowie ubiegłej dekady, zwłaszcza dzięki utworzeniu w 2017 roku Rady Wodorowej (Hydrogen Council) w Paryżu. Kilku producentów wprowadziło na rynek samochody napędzane wodorowymi ogniwami paliwowymi, a firmy takie jak Toyota i grupy branżowe w Chinach planują zwiększenie liczby samochodów do setek tysięcy w ciągu tej dekady.
Według badania McKinseya, do 2030 roku gospodarka wodorowa w USA może wygenerować 140 miliardów dolarów i zapewnić 700 tys. miejsc pracy. Inne kraje i regiony już zdążyły sporo zrobić w tej dziedzinie. Rada Wodorowa ma nadzieję, że zgodnie z celami porozumienia paryskiego do 2050 r. "wodór będzie zasilał ponad 400 milionów samochodów, 15 do 20 milionów ciężarówek i około 5 milionów autobusów", a także zaspokajał 12 proc. całkowitego światowego zapotrzebowania na energię.
Unia Europejska ogłosiła swoją strategię wodorową dla Europy, twierdząc, że wodór to ważny element rozwiązania pozwalającego osiągnąć cel neutralności klimatycznej do 2050 r. w ramach Europejskiego Zielonego Ładu. Chce też wprowadzić euro jako globalną walutę referencyjną dla handlu wodorem, tak jak dolar amerykański jest walutą dla ropy naftowej.
Japonia, która może pochwalić się największą na świecie liczbą stacji tankowania wodoru (2), chce być liderem w produkcji samochodów na wodór. Plan gospodarki wodorowej Korei Południowej zakłada, że do 2040 r. 30 proc. miast w tym kraju będzie w całości napędzanych wodorem. Chiny są największym producentem wodoru na świecie. Australijska Narodowa Strategia Wodorowa chce "wykorzystać rosnące globalne zainteresowanie czystym wodorem i uczynić z niego nasz kolejny energetyczny towar eksportowy". Obecnie na różnych etapach rozwoju znajduje się blisko ćwierć tysiąca dużych projektów wodorowych - głównie w Europie, Azji i Australii.
Niektóre kraje podejmują działania zakrojone na bardziej radykalną skalę niż inne, bo panujące u nich szczególne warunki sprzyjają wodorowej gospodarce. Przykładem jest Islandia, która zobowiązała się, że do 2050 roku stanie się pierwszą na świecie gospodarką wodorową. Islandia jest w wyjątkowej sytuacji. Importuje wszystkie produkty naftowe niezbędne do zasilania swoich samochodów i floty rybackiej. Zarazem Islandia posiada duże zasoby geotermalne, tak duże, że lokalna cena energii elektrycznej jest niższa niż cena węglowodorów, które mogłyby być użyte do jej produkcji. W tej szczególnej sytuacji produkcja wodoru staje się opłacalną alternatywą dla źródeł kopalnych i Islandczycy z tego korzystają.
Polska może nie należy do grupy takich krajów jak Islandia ze szczególnie korzystnymi uwarunkowaniami, ale też stara się wejść do głównego wodorowego nurtu. PGNiG podpisało w ubiegłym roku umowę z konsorcjum firm z Polski i Wielkiej Brytanii dotyczącą rozwoju technologii wodorowej w Polsce. W ramach porozumienia zostanie wybudowana pilotażowa stacja tankowania wodoru. Ogłoszony wcześniej program badawczy PGNiG w zakresie wodoru przewiduje produkcję wodoru, w tym wodoru ekologicznego z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii, magazynowanie i dystrybucję wodoru oraz zastosowania przemysłowe.
Także wielkie koncerny ogłaszają plany włączenia się w wodorową rewolucję. Potentat lotniczy Airbus ma ambicję, aby do 2035 r. stworzyć pierwszy na świecie komercyjny samolot o zerowej emisji, a napęd wodorowy postrzega jako drogę do zrealizowania tego zamierzenia. Zaś niejako, a propos HyPoint, amerykańska firma specjalizująca się w projektowaniu ogniw paliwowych dla samolotów, zaprezentowała pierwszy działający prototyp swojego wodorowego ogniwa paliwowego chłodzonego powietrzem. Kalifornijski startup, który planuje wprowadzić swoje ogniwa paliwowe na rynek w 2022 roku, ogłosił, że stosunek mocy do wagi (2000 watów na kilogram) jest znacznie lepszy niż w modelach, które opracował do tej pory.
HyPoint zaopatruje już ZeroAvia, która opracowała prototyp Pipera M napędzanego wodorem, a także Urban Aeronautics, firmę pracująca nad latającą taksówką na ogniwa paliwowe.
Niemiecki koncern BMW poinformował w ostatnim czasie, że jego wodorowe rozwiązania, znane jako Hydrogen Next, wejdą na rynek w 2022 roku, a nowy model samochodu, oparty na obecnym X5 (3), stanie się pierwszym wyposażonym w ten układ napędowy. Producent samochodów współpracuje z Toyotą, liderem w rozwoju wodorowych układów napędowych, w celu opracowania technologii dla swoich pojazdów. Od lata 2015 roku BMW Group testuje pojazdy rozwojowe, bazujące na BMW serii 5 GT, wyposażone we wspólnie opracowany system ogniw paliwowych.
Wschodząca gospodarka wodorowa stoi wciąż przed wieloma wyzwaniami technicznymi i logistycznymi. Na przykład, mimo że koszty szybko maleją, wodór jest nadal drogi w porównaniu z innymi formami energii. Poza tym, choć o wodorze często mówi się w kontekście paliw niskoemisyjnych, należy pamiętać, że sam wodór niekoniecznie jest ekologiczny, a jedynie na tyle ekologiczny, na ile ekologiczny jest sposób jego wytworzenia. To samo jednak dotyczy energii elektrycznej. Może pochodzić z obciążającego środowisko procesu spalania węgla albo z OZE.
Kiedy pada dziś słowo "wodór", zwykle myślimy o transporcie, samochodach, autobusach, może pociągach lub ciężarówkach z osiemnastoma kołami. Wodór ma jednak wiele zastosowań i lepsze zrozumienie jego innych aplikacji oraz wyzwań, jakie się z nimi wiążą, jest niezbędne, aby wejście w wodorową gospodarkę miało sens. Jest już intensywnie wykorzystywany w rafineriach ropy naftowej oraz przez producentów stali, chemikaliów, nawozów na bazie amoniaku i biopaliw. Jest również mieszany z gazem ziemnym i dostarczany gazociągami.
Magazynowanie energii w wodorze (4) ma kluczowe znaczenie dla rozwoju energii odnawialnej, a większe wykorzystanie wodoru w magazynowaniu energii odnawialnej może obniżyć koszty obu tych rodzajów źródeł. Jednakże przeprowadzenie opłacalnego i dobrze uregulowanego przejścia jest kwestią złożoną, a koszt produkcji wodoru z odnawialnych źródeł energii jest obecnie wysoki. Wodór może stabilizować z natury zmienne moce wyjściowe odnawialnych źródeł energii, takie jak fotowoltaika i wiatr, mając zdolność przechowywania ogromnych ilości energii elektrycznej w ciągu dni, tygodni i miesięcy.
Obecnie każdego roku produkuje się 80 milionów ton wodoru. Wiele prognoz przewiduje, że w dłuższej perspektywie, do 2050 roku, produkcja wzrośnie do około 500 milionów ton. 95 proc. produkowanego wodoru pochodzi z paliw kopalnych - głównie z procesu zwanego reformingiem parowo-metanowym (SMR). Niewielka jego część jest produkowana w procesie elektrolizy, w którym do rozdzielenia wodoru i tlenu wykorzystuje się energię elektryczną. Jeszcze mniej powstaje z energii odnawialnej.
Zależnie od poziomu emisji, które wiążą się z wytwarzaniem wodoru, gaz ten opisuje się różnymi barwami. I tak np. wodór szary jest wytwarzany z paliw kopalnych, które powodują emisje, a wodór niebieski jest wytwarzany z nieodnawialnych źródeł, których emisje dwutlenku węgla są wychwytywane i sekwestrowane lub przekształcane. Wodór zielony jest wytwarzany z energii odnawialnej.
Transport wodoru w postaci gazowej odbywa się rurociągami, a w postaci skroplonej - statkami, podobnie jak w przypadku skroplonego gazu ziemnego LNG (5). Po przekształceniu wodoru w energię elektryczną i metan może on być wykorzystywany do zasilania domów i przemysłu, a także jako paliwo w transporcie drogowym (samochody, ciężarówki), morskim (statki), kolejowym i lotniczym.
Jednak wciąż w przemyśle energetycznym wodór odgrywa minimalną rolę i odpowiada za mniej niż 0,2 proc. produkcji energii elektrycznej. W najbliższym czasie możliwa jest szybsza zmiana tego stanu rzeczy, dzięki różnego rodzaju rozwiązaniom hybrydowych. Współspalanie z udziałem amoniaku może zmniejszyć udział węgla w istniejących konwencjonalnych elektrowniach węglowych, turbinach gazowych na wodór i turbinach gazowych pracujących w cyklu kombinowanym (CCGT).
Jeśli chodzi o długoterminowe i wielkoskalowe magazynowanie energii, wodór, w postaci sprężonego gazu, amoniaku lub syntetycznego metanu, ma do odegrania rolę w równoważeniu sezonowych wahań podaży i popytu na energię elektryczną z odnawialnych źródeł energii. Przetwarzanie wodoru w paliwa na bazie wodoru, takie jak syntetyczny metan, metanol i amoniak, oraz syntetyczne paliwa ciekłe, sprawdza się w sektorze transportu w postaci syntetycznego paliwa do silników odrzutowych oraz w żegludze (jako amoniak).
w 2020 roku w Japonii
Gospodarka wodorowa to obecnie wciąż bardziej wizja przyszłości, w której wodór jest wykorzystywany jako paliwo do ogrzewania i pojazdów napędzanych wodorem, do magazynowania energii oraz do transportu energii na duże odległości, niż realia. Na jej drodze stoi jeszcze sporo wyzwań.
Należą do nich przede wszystkim trudności w opracowaniu wydajnej i ekonomicznej techniki wytwarzania tego gazu, długoterminowego taniego magazynowania, rurociągów i wyzwania konstrukcyjne, zwłaszcza w dziedzinie bezpieczeństwa silników wodorowych. Pod względem wybuchowości mieszaniny z powietrzem jedynie acetylen, silan i tlenek etylenu są groźniejsze niż wodór. Oznacza to, że wyciek wodoru z instalacji najprawdopodobniej doprowadzi do eksplozji, a nie do zwykłego palenia się.
Stosowanie wodoru jest szczególnie niebezpieczne w zamkniętych przestrzeniach, takich jak tunele czy parkingi podziemne. Płomienie czystego wodoru i tlenu spalają się w zakresie ultrafioletowym i są prawie niewidoczne gołym okiem, więc do wykrycia wycieku wodoru potrzebna jest specjalna detekcja. Podobnie jak gaz ziemny, wodór jest bezwonny, więc wycieków nie można wykryć za pomocą zapachu.
Gaz wszechobecny, ale nie tak łatwo dostępny
Choć początkowo sądzono, że wodór gazowy nie występuje naturalnie w dogodnych zbiornikach, z czasem wykazano, że nie ma zbyt wielu zdatnych do eksploatacji "złóż" wodoru. W ostatnich latach dokonano kolejnych odkryć naturalnie występującego wodoru w kontynentalnych, przybrzeżnych środowiskach geologicznych, co stwarza szanse na zaspokojenie potrzeb lokalnych. Większość wodoru w litosferze jest związana z tlenem w wodzie. Wytworzenie wodoru wymaga zatem zużycia nośnika wodoru, którym może być paliwo kopalne lub woda.
W 2019 r. prawie wszystkie (95 proc.) wodoru zużywanego rocznie na świecie w przetwórstwie przemysłowym pochodziło z produkcji w procesie parowego reformingu metanu (SMR), który uwalnia również dwutlenek węgla.
W 2019 roku cała produkcja wodoru wyemitowała 830 milionów ton dwutlenku węgla rocznie. Jednak stosowane coraz częściej instalacje sekwestracji CO2 towarzyszące SMR znacznie polepszają bilans emisyjny tej metody. Około połowy produkowanego wodoru jest wykorzystywana w procesie Habera do produkcji amoniaku (NH3), który jest następnie wykorzystywany bezpośrednio lub pośrednio jako nawóz. Amoniak może być wykorzystany jako bezpieczniejsza i łatwiejsza, w porównaniu z gazem sprężonym i skroplonym, metoda transportu wodoru. Transportowany amoniak może być następnie przekształcony z powrotem w wodór przy dystrybutorze za pomocą technologii membranowej.
Możliwą mniej emisyjną niż reforming alternatywą jest stosunkowo nowa technika pirolizy metanu. Piroliza metanu (gazu ziemnego), w której metan jest przepuszczany przez stopiony metalowy katalizator, to "nieemitujące gazów cieplarnianych" podejście do produkcji wodoru, które zostało udoskonalone w 2017 r. i obecnie jest testowane na coraz większą skalę. Proces jest prowadzony w wysokich temperaturach (1065°C).
Jak wspomniano wyżej, niewielkie ilości wodoru są produkowane z wody (elektroliza), zwykle jako produkt uboczny procesu generowania chloru z wody morskiej. Znane są procesy wysokociśnieniowej lub niskociśnieniowej elektrolizy wody lub szereg innych nowych procesów elektrochemicznych, takich jak elektroliza wysokotemperaturowa lub elektroliza wspomagana węglem.
Elektrolityczne metody, jeśli nie ma naprawdę taniej energii elektrycznej, są zbyt kosztowne. Nawet obecnie uznawane za najlepsze procesy elektrolizy wody nie zapewniają zrównoważonego bilansu energii. Wyprodukowanie kilograma wodoru (który ma energię właściwą 143 MJ/kg lub około 40 kWh/kg) wymaga 50-55 kWh energii elektrycznej. W niektórych częściach świata koszt reformingu metanu parą wodną wynosi średnio 1-3 USD/kg, nie licząc kosztów sprężania wodoru. To sprawia, że produkcja wodoru za pomocą elektrolizy jest już tu i ówdzie konkurencyjna pod względem kosztów.
To są główne techniki pozyskiwania wodoru. Od lat prowadzone są eksperymenty nad innymi metodami. Jednak to wciąż sfera badań i eksperymentów naukowych. Zaliczyć do nich należy np. fermentacyjną produkcję wodoru, czyli konwersję substratów organicznych do biowodoru, zachodzącą dzięki bakteriom i enzymom. Jest wiele odmian tych procesów, wśród nich choćby elektrohydrogeneza, stosowana w mikrobiologicznych ogniwach paliwowych, gdzie wodór jest produkowany z materii organicznej (np. ze ścieków lub materii stałej) przy napięciu 0,2-0,8 V.
Biologiczny wodór może być produkowany także w bioreaktorze algowym. W późnych latach 90. odkryto, że jeśli algi zostaną pozbawione siarki, przestawią się z produkcji tlenu, czyli normalnej fotosyntezy, na produkcję wodoru. W procesie tym bakterie żywią się węglowodorami i wydzielają wodór oraz CO2, który można z powodzeniem sekwestrować kilkoma metodami, pozostawiając wodór w postaci gazowej.
Mikroby mogą też dostarczyć nowej formy elektrolizy. W przypadku elektrolizy biokatalizowanej wodór jest wytwarzany po przepuszczeniu przez mikrobowe ogniwo paliwowe i można do tego celu wykorzystać różne rośliny wodne. Należą do nich trzciny, ryż, pomidory, łubin i algi.
Chociaż energia elektryczna wytwarzana w elektrowniach jądrowych może być wykorzystywana do elektrolizy jak każda inna, można też wykorzystać ciepło jądrowe bezpośrednio. Wysokotemperaturowe (950-1000°C) reaktory jądrowe chłodzone gazem mogą termochemicznie wydobywać wodór z wody. Badania nad wysokotemperaturowymi reaktorami jądrowymi mogą ostatecznie doprowadzić do tego, że źródło to będzie konkurencyjne cenowo w stosunku do reformingu parowego gazu ziemnego.
Wysokotemperaturowa elektroliza została zademonstrowana w laboratorium, przy 108 MJ (cieplnych) na kilogram wyprodukowanego wodoru, ale nie na skalę komercyjną. Jest to jednak wodór niższej jakości, nie nadaje się do ogniw paliwowych.
Wykorzystanie energii elektrycznej wytwarzanej przez systemy fotowoltaiczne stanowi najczystszy sposób produkcji wodoru. Woda jest rozbijana na wodór i tlen w procesie elektrolizy - ogniwie fotoelektrochemicznym (PEC), który jest również nazywany sztuczną fotosyntezą. William Ayers z Energy Conversion Devices zademonstrował i opatentował pierwszy wielozłączowy, wysokowydajny system fotoelektrochemiczny do bezpośredniego rozszczepiania wody w 1983 r. Na uniwersytetach i w przemyśle fotowoltaicznym kontynuowane są badania w kierunku opracowania technologii wysokowydajnych ogniw wielozłączowych. Jeśli proces ten jest wspomagany przez fotokatalizatory zawieszone bezpośrednio w wodzie, zamiast stosowania fotowoltaiki i systemu elektrolitycznego, reakcja przebiega tylko w jednym etapie, co może poprawić wydajność. W 2015 r. poinformowano, że Panasonic Corp. opracował fotokatalizator oparty na azotku niobu, który może pochłaniać 57 proc. światła słonecznego, pozyskując energię do rozbicia wody w celu wytworzenia wodoru.
Ścisnąć, skroplić czy związać?
Kolejnym z wyzwań stojących przed gospodarką wodorową jest trudność magazynowania tego gazu. Znane są cztery główne grupy rozwiązań magazynowania wodoru: geologiczne, sprężanie, skraplanie oraz szeroki wachlarz rozwiązań polegających na wiązaniu wodoru w sposób chemiczny lub fizyczny z innymi substancjami, który można objąć zbiorczym terminem - magazynowanie materiałowe.
Jeśli chodzi o magazynowanie geologiczne, to niedawno ogłoszono największy na świecie projekt magazynowania energii odnawialnej, nazwany Advanced Clean Energy Storage, który będzie zlokalizowany w Utah w Stanach Zjednoczonych. W ramach projektu wodór produkowany z nadwyżki energii odnawialnej będzie przechowywany w kompleksie podziemnych kawern solnych. Pojedyncza kawerna pomieści wystarczającą ilość odnawialnego wodoru, aby zapewnić 150 tys. MWh czystej energii.
Mitsubishi Hitachi Power Systems dostarczy technologię przekształcania nadwyżek energii odnawialnej w zielony wodór. Niemieckie studium dotyczące magazynowania wodoru w kawernach solnych wykazało, że jeśli niemiecka nadwyżka mocy (7 proc. całkowitej zmiennej generacji odnawialnej do 2025 roku i 20 proc. do 2050 roku) zostałaby zamieniona na wodór i zmagazynowana pod ziemią, to ilości te wymagałyby około 15 kawern po 500 tys. metrów sześciennych każda do 2025 roku i około 60 kawern do 2050 roku, co odpowiada około jednej trzeciej liczby kawern gazowych eksploatowanych obecnie w Niemczech.
Inne możliwości geologicznego magazynowania obejmują wyeksploatowane pola naftowe i gazowe oraz warstwy wodonośne. W USA laboratoria Sandia prowadzą badania nad magazynowaniem wodoru w wyeksploatowanych polach naftowych i gazowych, które mogłyby z łatwością wchłonąć duże ilości wodoru produkowanego w sposób odnawialny, ponieważ istnieje około 2,7 miliona wyeksploatowanych odwiertów.
Kolejna z metod to sprężanie. Jeśli ma być stosowany jako paliwo, np. przechowywane w pojeździe, czysty wodór musi być przechowywany w postaci gęstej energetycznie, aby zapewnić wystarczający zasięg jazdy. Zwiększenie ciśnienia gazu poprawia gęstość energii w przeliczeniu na objętość, co pozwala na zastosowanie mniejszych zbiorników.
Standardowym materiałem do przechowywania wodoru pod ciśnieniem w naczepach rurowych jest stal. Zbiorniki wykonane z tworzywa sztucznego wzmacnianego włóknem węglowym i szklanym, takie jak montowane w autach Toyota Mirai i ciężarówkach Kenworth, muszą spełniać normy bezpieczeństwa (6). Niewiele materiałów nadaje się na zbiorniki, ponieważ wodór będący małą cząsteczką ma tendencję do dyfuzji przez wiele materiałów polimerowych. Najpopularniejszym sposobem przechowywania wodoru na pokładzie dzisiejszych pojazdów jest wodór pod ciśnieniem 700 b=70 MPa. Koszt energetyczny sprężania wodoru do tego ciśnienia jest znaczny.
Następny sposób to skraplanie. Przemysł kosmiczny od wielu lat wykorzystuje skroplony wodór do napędzania rakiet. Jednak przechowywanie ciekłego wodoru jest technicznie skomplikowane i bardzo kosztowne. Wodór musi być schłodzony do temperatury -253°C i przechowywany w izolowanych zbiornikach, aby utrzymać tak niską temperaturę i zminimalizować parowanie. Jednakże oczekiwane rozpowszechnienie zastosowań wodoru odnawialnego może wygenerować korzyści skali, dzięki którym skraplanie stanie się bardziej opłacalną opcją magazynowania. Skraplanie można również łączyć z techniką sprężania. Na magazynowanie w postaci skroplonej stawia m.in. Japonia, gdzie w Kobe zbudowano największe tego rodzaju zbiorniki na świecie.
Alternatywą dla magazynowania wodoru sprężonego i skroplonego jest magazynowanie materiałowe. Technika ta wykorzystuje materiały, ciała stałe lub ciecze, które ze względu na swoje właściwości chemiczne mogą absorbować wodór lub reagować z nim. W tej chwili karierę jako nośnik wodoru w tym rozumieniu robi amoniak (7), który oferuje możliwość przekształcenia wodoru w paliwo ciekłe w sposób łatwiejszy niż poprzez skraplanie.
Wodór może być również przechowywany jako wodorek chemiczny lub w innym związku zawierającym wodór. Wodór gazowy jest poddawany reakcji z innymi materiałami w celu wytworzenia materiału do przechowywania wodoru, który można stosunkowo łatwo transportować. W miejscu zastosowania materiał do przechowywania wodoru można rozłożyć, uzyskując wodór gazowy. Francuska firma McPhy Energy pracuje nad produktem przemysłowym, opartym na wodorku magnezu, który jest już sprzedawany do kilku głównych klientów, takich jak Iwatani i ENEL.
Inne podejście polega na adsorpcji wodoru cząsteczkowego przez stały materiał magazynujący. Rozważane materiały to węgiel aktywny, węgle nanostrukturalne (w tym CNT), struktury metaloorganiczne (MOF) i wodorowe klatraty. Trwają badania nad wykorzystaniem grafenu, nanorurek węglowych oraz innych nanostruktur, które mogą fizycznie lub chemicznie wiązać, a potem uwalniać wodór. Pojawiają się również także koncepcje jak przechowywanie w szklanych mikrokapilarach.
Z nowszych osiągnięć warto wymienić opracowane przez naukowców z Instytutu Fraunhofera w Dreźnie "paliwo" na bazie wodoru, które, ich zdaniem, jest idealne dla małych pojazdów - powerpaste, "paście" wodorowej (8) opartej na wodorku magnezu.
"Powerpaste magazynuje wodór w formie chemicznej w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem atmosferycznym, aby następnie uwolnić go na żądanie", wyjaśniał na początku lutego 2021 dr Marcus Vogt, pracownik naukowy Fraunhofer IFAM.
A ponieważ powerpaste zaczyna się rozkładać dopiero w temperaturze około 250°C, pozostaje bezpieczna nawet wtedy, gdy e-hulajnoga stoi godzinami w piekącym słońcu. Ponadto tankowanie jest niezwykle proste. Zamiast jechać na stację benzynową, użytkownik musi jedynie wymienić pusty kartridż na nowy, a następnie napełnić zbiornik wodą z sieci. Można to zrobić zarówno w domu, jak i w drodze. Dzięki ogromnej gęstości magazynowania energii, powerpaste jest również interesującą opcją dla samochodów, pojazdów dostawczych i w systemach wydłużających zasięgi w pojazdach elektrycznych zasilanych z akumulatorów.
Jest też w końcu metoda "power to gas", która co do zasady przekształca energię elektryczną w paliwo gazowe. Istnieją dwie metody, pierwsza polega na wykorzystaniu energii elektrycznej do rozbicia wody i wtłoczeniu powstałego w ten sposób wodoru do sieci gazu ziemnego. Druga (mniej wydajna) metoda jest stosowana do przekształcania dwutlenku węgla i wody w metan przy użyciu elektrolizy i reakcji Sabatiera. Nadwyżka mocy lub moc poza szczytem generowana przez generatory wiatrowe lub baterie słoneczne jest następnie wykorzystywana do równoważenia obciążenia sieci energetycznej.
Technika ta jest bliska praktycznej realizacji na dużą skalę. Na przykład Wielka Brytania zakończyła badania i przygotowuje się do rozpoczęcia wtłaczania wodoru do sieci gazowej. Wykorzystując istniejący system gazu ziemnego dla wodoru, producent ogniw paliwowych Hydrogenics i dystrybutor gazu ziemnego Enbridge połączyli siły w celu opracowania takiego systemu zasilania gazem w Kanadzie. W wielu krajach sieci gazownicze, zanim przeszły na gaz ziemny, transportowały "gaz miejski", w którego składzie było 60 proc. lub więcej wodoru. Magazynowanie i transportowanie tego gazu nie jest więc dla nich niczym nowym.
Silnik, który wytwarza wodę
Większość ogniw paliwowych do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje wodór na anodzie oraz tlen na katodzie. Podstawowym rodzajem ogniw paliwowych są ogniwa wodorowo-tlenowe z membraną do wymiany protonów (elektrolit polimerowy).
Cienka warstwa polimeru przewodzącego protony rozdziela anodę i katodę. Zwykle elektrody mają postać nawęglonego papieru pokrytego platyną w charakterze katalizatora reakcji. Gazowy wodór wprowadzany jest w obszar porowatej anody, gdzie ulega utlenieniu (oddaje elektrony, e−), w wyniku czego powstają kationy wodorowe (protony), H+. Na katodzie tlen reaguje z elektronami, redukując się do . Półprzepuszczalna membrana pozwala tylko na dyfuzję protonów (od anody do katody), nie przepuszcza natomiast innych jonów, w tym anionów tlenowych (od katody do anody). Kationy wodorowe po dotarciu do przestrzeni katodowej reagują z anionami tlenkowymi, dając wodę (w postaci pary lub ciekłej). Elektrony z anody docierają do katody poprzez obwód elektryczny, wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie urządzeń (9).
Istnieją odmiany ogniw paliwowych, w których gaz ten jest produkowany w ogniwie na skutek spalania związków chemicznych bogatych w wodór, jak metan czy metanol. Wodór zgromadzony w postaci związanej jest łatwiejszy do transportu, zajmuje mniejszą objętość i nie musi być skraplany w bardzo niskiej temperaturze. Jednak sprawność takich ogniw jest mniejsza i często oprócz pary wodnej produkują one dwutlenek węgla. Niemniej są i tak "czystsze" oraz bardziej wydajne od tradycyjnych silników spalinowych.
W odróżnieniu od baterii i akumulatorów, ogniwa paliwowe nie gromadzą w sobie energii. Bez dostarczania paliwa proces produkcji prądu się zatrzymuje. Są jednak urządzenia, w których z ogniwem paliwowym łączy się baterie słoneczne, produkujące wodór przez elektrolizę. W takim układzie wodór jest produkowany w ciągu dnia z energii słonecznej, a w nocy ulega spaleniu w ogniwie. Sprawność takiego procesu (prąd → wodór → prąd) jest rzędu 30-40 proc. Podobne rozwiązanie może zostać zastosowane w elektrowni wiatrowej. Kiedy wieje silny wiatr, nadmiar energii magazynowany jest w postaci wodoru. Kiedy wiatr słabnie, niedobór prądu pokrywa produkcja energii w ogniwie paliwowym.
Zasada działania ogniw paliwowych jest odwrotnością procesu elektrolizy, podczas której prąd elektryczny jest przepuszczany przez wodę, w celu rozdzielenia więzów między atomami tlenu i wodoru. Sprawność ogniwa paliwowego zależy od pobieranej mocy. Im pobierana moc jest większa, tym niższa jest sprawność ogniwa. Większość strat przejawia się jako spadek napięcia ogniwa, tak więc sprawność można przedstawić jako funkcję napięcia zależną od obciążenia ogniwa. Typowe ogniwo pracujące przy napięciu 0,7 V ma sprawność około 50 proc., co oznacza, że 50 proc. energii paliwa wodorowego jest zamieniane na energię elektryczną, pozostałe 50 proc. zamieniane jest na ciepło.
W układach napędowych pojazdów elektrycznych z ogniwami paliwowymi (FCEV), energia elektryczna wytwarzana w wyniku przepływu elektronów w ogniwie paliwowym może być wykorzystywana do napędzania silnika elektrycznego, generowania mocy mechanicznej, napędzania akcesoriów i ładowania akumulatorów wysokiego napięcia. Poprzez łączenie wielu ogniw paliwowych w stosy można zwiększyć napięcie elektryczne, zaś przez doprowadzenie do ogniw większej ilości powietrza i wodoru lub poprzez zwiększenie powierzchni czynnej ogniw można uzyskać większy prąd, a tym samym większą moc do danego zastosowania.
Moduł ogniwa paliwowego można następnie zintegrować w kompletny system zasilania elektrycznego z odpowiednimi jednostkami chłodzącymi, takimi jak chłodnice, wraz z elektroniką zasilania, zbiornikami magazynowania wodoru i akumulatorami hybrydowymi, które mogą być wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań.
Ogniwa paliwowe wymagają wodoru o wysokiej czystości, ponieważ zanieczyszczenia szybko skróciłyby żywotność stosu ogniw. Stosowany jest w nich "wodór techniczny" (o czystości pięciu dziewiątek, 99,999 proc.), produkowany w procesie pirolizy metanu lub elektrolizy. Trzeba go odróżniać od "wodoru handlowego", który zawiera zanieczyszczenia, węgiel i siarkę, ale który może być produkowany w nieco tańszym procesie reformingu parą wodną.
Cena wciąż boli, ale optymizm rośnie
Jedną z kluczowych cech gospodarki wodorowej byłoby to, że w zastosowaniach mobilnych (przede wszystkim w transporcie samochodowym) wytwarzanie i wykorzystanie energii można by oddzielić od siebie. Podstawowe źródło energii nie musiałoby już podróżować z pojazdem, jak to ma miejsce obecnie w przypadku paliw węglowodorowych. Zamiast z rur wydechowych, które powodują emisje rozproszone, energia (i zanieczyszczenia) mogłaby być wytwarzana ze źródeł punktowych, takich jak duże, scentralizowane instalacje o zwiększonej wydajności. Pozwoliłoby to na zastosowanie technologii takich jak sekwestracja dwutlenku węgla, które w przypadku zastosowań mobilnych są niemożliwe. Alternatywnie można by wykorzystać systemy rozproszonego wytwarzania energii (takie jak małe odnawialne źródła energii), ewentualnie powiązane ze stacjami wodorowymi.
Ad van Wijk, profesor w Future Energy Systems TU Delft, przekonuje w swoich publikacjach, że wodór jest lepszy dla większych pojazdów - ciężarówek, autobusów i statków - niż akumulatory elektryczne. Dzieje się tak dlatego, że kilogramowy akumulator, według stanu na 2019 r., mógł przechowywać 0,1 kWh energii, podczas gdy 1 kg wodoru ma pojemność użytkową 33 kWh.
Wciąż jednak problemem jest cena wodoru. W 2020 r. zielony wodór kosztował 2,50-6,80 USD/kg, wodór turkusowy 1,40-2,40 USD/kg, a błękitny 1,40-2,40 USD/kg. Zaś emisyjnie skażony wodór szary kosztuje 1-1,80 USD/kg. Dla porównania przeciętna baryłka ropy WTI w obrocie jest obecnie warta około 0,31 USD/kg. Konsumenci płacą około 9 euro za kg wodoru na stacjach tankowania, jeśli takie znajdą. Cenę tę należy obniżyć o co najmniej jedną trzecią, aby gra ta zaczęła mieć sens.
Analitycy z Bank of America twierdzą, że ceny zielonego wodoru musiałyby spaść o 85 proc., aby stać się konkurencyjne w stosunku do zwykłego wodoru, co według ich szacunków może nastąpić do 2030 r. Z tego głównie powodu zielony wodór jest nadal tylko drobnym ułamkiem całkowitej produkcji wodoru i w zasadzie nie istnieje w porównaniu z innymi źródłami paliwa.
Dlaczego więc jest tyle optymizmu, jeśli chodzi o wodór? Jak mówi dyrektor wykonawczy Międzynarodowej Agencji Energetycznej, IEA, Fatih Birol, jego organizacja przewiduje niemal sześciokrotny wzrost produkcji zielonego wodoru w latach 2020-2030. Analitycy Bank of America przewidują, że do roku 2050 zielony wodór może zaspokoić jedną czwartą naszego globalnego zapotrzebowania na energię, co uczyni go krytycznym elementem energetyki światowej.
Po pierwsze ma być tak dlatego, że jest to nad wyraz obiecujące paliwo zastępcze dla takich branż jak żegluga i lotnictwo, w których szczególnie trudno jest ograniczyć emisje. Po drugie, ekologiczny wodór może być produkowany, gdy w systemie występuje nadmiar energii ekologicznej, na przykład w szczególnie wietrzny dzień, co w miarę rozwoju OZE zdarza się coraz częściej. Wodór jest realną szansą na osiągnięcie ambitnych celów redukcji emisji CO2, jeśli połączony zostanie z sekwestracją tego gazu.
Warto pamiętać również, że w przypadku nowych technologii, początkowe koszty prawie zawsze były wysokie. Ale w miarę jak technologia dojrzewa i zwiększa się jej zastosowanie, koszty się zmniejszają. W miarę upływu czasu wodór może stać się tak znaczący w energetyce jak energia wiatrowa i słoneczna. Dziś wciąż, pod względem dojrzałości rynku i technologii, jest 15 do 20 lat za uznanymi OZE. Z czasem należy się spodziewać podobnej redukcji kosztów, jaką zaobserwowano w sektorze fotowoltaicznym.
Obecnie dostępnych jest znacznie więcej modeli samochodów elektrycznych, a dla niektórych konsumentów możliwość ładowania ich w domu jest wielkim plusem. Jednak samochody zasilane ekologicznym wodorem mają przewagę zarówno pod względem czasu ładowania, jak i zasięgu jazdy. Na przykład, do przejechania 100 kilometrów średniej wielkości samochodem potrzeba mniej niż 1 kg wodoru, a tankowanie trwa tylko od trzech do pięciu minut. Jeszcze ważniejszy jest sektor transportu średniego i ciężkiego, w którym ekologiczny wodór jest najbardziej obiecującym paliwem o zerowej emisji. Mała masa, duży zasięg i szybkie ładowanie wodoru są szczególnie istotne w przypadku pojazdów ciężarowych i pociągów (10).
Zatem, choć przeprowadzany tu i teraz rachunek ekonomiczny wypada dla wodoru wciąż niezbyt korzystnie, to jednak, gdy uwzględnimy kierunek i logikę zmian energetyki, gaz ten staje się niezwykle interesującym elementem układanki, z rosnącym w kolejnych dekadach znaczeniem.
Mirosław Usidus
