Meandry świata odnawialnych źródeł energii. Co jest drogie, co zanieczyszcza, a co - skazane na porażkę?
Można zapytać, czy wielka Toyota nie popełniła przypadkiem błędu, inwestując jeszcze w latach 90. XX wieku w wodór i ogniwa paliwowe. Trzy dekady temu prawie nikt nie przewidywał, że akumulatory litowo-jonowe będą ewoluować tak szybko, jak to się potem stało. Postawienie na układy napędowe wykorzystujące wodór w 1992 roku wydawało się zatem rozsądne i przyszłościowe. Dekadę później ukazała się głośna książka Jeremy’ego Rifkina pt. "The Hydrogen Economy" i temat wodoru stał się modny. Toyota znacznie wyprzedziła modę. Dla jasności - Japończycy w tamtym czasie badali również możliwości produkcji i sprzedaży pojazdów elektrycznych. Model takiego pojazdu, Townace EV, Toyota zaproponowała w 1993 roku.
W 2013 r. stało się jasne, że kategoria ogniw paliwowych to ślepy zaułek, przynajmniej na razie, a liczyć się będą pojazdy elektryczne. Pierwotne postawienie na wodór nie było nietrafne, ale kontynuowanie tej pogoni po roku 2010 wielu ekspertów uważa za oczywisty błąd. Tymczasem Toyota idzie tą drogą, oferując np. od niedawna nowy wodorowy model Mirai (1). Według wielu recenzji w prasie motoryzacyjnej, to auto skazane jest na porażkę.
Albo nie. Choć panuje przekonanie, że przyszłością motoryzacji są wozy elektryczne, niektórzy producenci, nie tylko Toyota, uparcie nie wygaszają wodorowej alternatywy. Koreański Hyundai w ciągu ostatnich kilku miesięcy prowadził na całym świecie kampanię reklamową wychwalającą zalety ogniw paliwowych. Koreańska firma sprzedaje oczywiście pojazdy zasilane akumulatorami, ale zarazem aktywnie lansuje ścieżkę wodorową. Nexo, drugi samochód Hyundaia z ogniwami paliwowymi, został wprowadzony na rynek w zeszłym roku.
Na wodór stawiają też liczne startupy np. kalifornijska firma Hyperion zaprezentowała niedawno Hyperion XP-1, napędzany wodorowymi ogniwami paliwowymi z reklamowanym zasięgiem 1600 kilometrów. Zamiast polegać na niezwykle ciężkich zestawach baterii litowo-jonowych, XP-1 generuje energię z dużych zbiorników wodoru napędzających dwa potężne silniki elektryczne. Mniejsza masa własna, większa moc i większy zasięg. Do 100 km/h rozpędza się w zaledwie 2,2 sekundy.
Wodór być może, ale do cięższego transportu
Pomimo niegasnącego entuzjazmu Hyundaia i Toyoty, niewielu analityków wierzy w tę ścieżkę. Eksperci z Panelu Klimatycznego obliczyli, że samochód zasilany akumulatorem, ładowanym energią elektryczną z turbiny wiatrowej, przekształca 86 proc. mocy turbiny na jazdę po drodze. W przypadku samochodów napędzanych ogniwami paliwowymi jest to 40-45 proc. W przeciwieństwie do pojazdów zasilanych z akumulatorów, nie można ich tankować w domu, przydrożne stacje tankowania wodoru są rzadkie i prawdopodobnie szybko to się nie zmieni.
Liczba pojazdów zasilanych wodorowymi ogniwami jest znikoma w porównaniu do szybko rosnącej liczby samochodów zasilanych akumulatorami. Tych pierwszych w skali globalnej są najwyżej dziesiątki tysięcy. Tych drugich - dziesiątki milionów.
Wodór jednak promowany jest jako lepsze niż elektryczne źródło napędu dla pojazdów większych, autobusów i ciężarówek, pociągów, a nawet statków i samolotów. Duży problem z akumulatorami polega na tym, że mają one wciąż za niską gęstość energii - innymi słowy, muszą zajmować dużo miejsca, jeśli mają zapewnić większe odległości i zasięgi. Większa gęstość energii wodoru staje się bardziej atrakcyjna. Wodór sprężony do 700 atmosfer zawiera od dwóch do pięciu razy więcej energii użytecznej na litr niż bateria litowo-jonowa. Jeśli jest skroplony (co wymaga bardziej złożonej techniki), gęstość ta wzrasta jeszcze bardziej i potrzeba mniej nowych stacji tankowania.
Hyundai produkuje już ciężarówkę na ogniwach paliwowych (2), choć jej zasięg wynosi tylko 400 km. Niemiecka firma Daimler i szwedzka Volvo zainwestowały 1,2 mld euro w spółkę joint venture, która ma realizować ten pomysł.
Żegluga, która odpowiada za około 2,5 proc. światowej przemysłowej emisji gazów cieplarnianych, również interesuje się wodorem. Akumulatory dostarczają zbyt mało energii, aby zasilić duże statki oceaniczne. Inżynierowie zastanawiali się nad wieloma rozwiązaniami, od napędu jądrowego po zaawansowane technologicznie żagle. Jednak w badaniu opublikowanym w marcu 2020 r. przez International Council on Clean Transportation, amerykańską instytucję non profit, przeanalizowano istniejący szlak żeglugowy między Chinami a Ameryką i stwierdzono, że praktycznie wszystkie jednostki pływające po nim mogłyby być zasilane ogniwami paliwowymi, choć konieczna byłaby rezygnacja z części przestrzeni ładunkowej, aby zrobić miejsce dla zbiornika paliwa.
Jak twierdzi Michael Liebreich, konsultant ds. energii, wydajność można by poprawić, wiążąc wodór z azotem w celu wytworzenia amoniaku, związku chemicznego, który zajmuje mniej miejsca niż czysty wodór i który również może być wykorzystywany w ogniwach paliwowych.
Nowy gaz w sieci i w przemyśle
Wodór może również zastąpić gaz ziemny w tradycyjnych sieciach gazowych. Dużą zaletą tego rozwiązania jest to, że może ono wykorzystać obecną infrastrukturę w postaci rurociągów wykorzystywanych obecnie do transportu gazu ziemnego. Kilka krajów, w tym Australia, Wielka Brytania i Niemcy, eksperymentuje z tym pomysłem. Obecnie istniejąca infrastruktura nadaje się do wykorzystania gazu z domieszką wodoru.
Jednak producenci kotłów zaczynają oferować modele "gotowe na wodór", które są w stanie spalać gaz ziemny lub czysty wodór. Ponieważ kotły są wymieniane co 10-15 lat, uważa on, że sieć gazowa może być gotowa do przejścia na wodór już za kilkadziesiąt lat. W maju grupa niemieckich operatorów rurociągów przedstawiła plan budowy 1200-kilometrowej sieci wodorowej, opartej na przerobionych rurach gazu ziemnego, do 2030 roku.
Kolejną sugerowaną rolą dla wodoru jest magazynowanie energii na dużą skalę. Za pomocą nadwyżek energii można prowadzić produkcję wodoru i przechowywać go w podziemnych zbiornikach, tak jak to się dzieje obecnie z gazem ziemnym. Mogłoby to znacznie zwiększyć wydajność i radzić sobie nie tylko z wahaniami w dostawach.
Cytowany już Liebreich twierdzi, że wodór może się też dobrze sprawdzić w przemyśle. Ogrzewanie elektryczne nie zastępuje dobrze gazu ziemnego w wielu procesach przemysłowych, np. w produkcji stali, ceramiki i szkła, ponieważ trudno osiągnąć wymagane temperatury. Przykładem jest przemysłowa redukcja rudy żelaza (zwykle tlenku żelaza) do samego metalu poprzez reakcję rudy z tlenkiem węgla wytwarzanym z koksu. W ten sposób powstaje żelazo i dwutlenek węgla. Zamiast tego, ruda może reagować z wodorem, a produktem odpadowym jest woda. Kilka firm - w tym ArcelorMittal, międzynarodowy producent stali, oraz konglomerat SSAB, fińsko-szwedzkiego producenta stali, LKAB, szwedzkiego producenta rudy żelaza, oraz Vattenfall, spółki energetycznej, również szwedzkiej - rozważa tę możliwość.
Wszystko to zależy jednak od zdolności do wytwarzania wodoru na skalę, która nie powoduje emisji CO2 do atmosfery. A to jest trudne. W chwili obecnej praktycznie wszystkie z około 70 milionów ton wodoru produkowanego każdego roku jest wynikiem reformingu parowego. To powoduje emisję siedmiu ton dwutlenku węgla na każdą tonę uzyskanego wodoru. Z tego powodu wodór reformowany parą wodną jest znany ekologom jako "szary wodór". O innych "barwach" wodoru pisaliśmy niedawno w raporcie MT. To klasyfikacja opierająca się na poziomie emisji gazów cieplarnianych przy produkcji wodoru, np. "błękitny wodór" powstaje z konwersji metanu na wodór i dwutlenek węgla (CO2), czyli tak jak "szary wodór", ale proces idzie dalej, sekwestrując część dwutlenku węgla. Proces ten jest droższy, bo wymaga więcej energii i metod przechowywania CO2. Jest jeszcze m.in. "zielony wodór", który uzyskuje się przez elektrolizę wody z wykorzystaniem energii słonecznej, wiatrowej lub wodnej, ale to znikomy odsetek produkowanego wodoru.
Brudne sekrety turbin i paneli
Czymś, co stawia świat techniki wytwarzania odnawialnych źródeł energii w dwuznacznym, a z czasem wręcz jednoznacznie negatywnym świetle jest paląca kwestia surowców, materiałów i odpadów. Każda turbina wiatrowej kryje brudny sekret. Może czysto i wydajnie przetwarza poruszające się powietrze na energię elektryczną, ale mało kto wie dokładnie, z czego jest wykonana. Duża część materiałów, z których powstają turbiny wiatrowe, jest produktem bezpardonowej i mocno zanieczyszczającej ingerencji w środowisko. Każda jednostka ze śmigłami wymaga cementu, piasku, stali, cynku i aluminium. I tony miedzi - do generatora, do przekładni, do stacji transformatorowej i do niekończących się pasm kabli.
W średniej wielkości turbinie morskiej można znaleźć około 67 ton miedzi. Aby wydobyć taką ilość miedzi, górnicy muszą przemieścić prawie 50 tysięcy ton ziemi i skał, czyli około pięć razy więcej niż waży wieża Eiffla. Ruda jest rozdrabniana, mielona, nawadniana i wypłukiwana. Czyli dla odrobiny zielonej energii gwałci się naturę w dużym zakresie.
Neodym wzmacnia siły magnetyczne w generatorach wiatrowych. Kto wie, że podczas produkcji jednej tony neodymu, metalu ziem rzadkich, który jest używany w turbinach wiatrowych, emitowanych jest 77 ton dwutlenku węgla? Dla porównania - produkcja tony stali emituje tylko około 1,9 tony CO2.
Wiele turbin z początków istnienia tej branży nadaje się już do wymiany. Większość materiałów użytych w wieżach i obudowach turbin może być ponownie wykorzystana, ale nie jest to takie proste w przypadku łopat wirnika, ponieważ są one często wykonane z epoksydowanego włókna węglowego lub włókna szklanego. Trafiają one na wysypiska, na których raczej się nie rozkładają (3).
Przeciętny samochód elektryczny wymaga od 150 do 250 kilogramów specjalnych, rzadkich i drogich surowców. To grafit, nikiel i miedź, a ponadto mangan, lit, kobalt i wiele innych specjalnych surowców i materiałów. Jedna Tesla Model S zawiera tyle litu, co około dziesięć tysięcy telefonów komórkowych. Samochód elektryczny wymaga sześciokrotnie większej ilości surowców krytycznych niż silnik spalinowy - głównie miedzi, grafitu, kobaltu i niklu do systemu baterii. Kobalt i nikiel zwiększają gęstość energii w akumulatorze. Platyna przyspiesza procesy w ogniwach paliwowych, a iryd czyni to samo w urządzeniach do elektrolizy.
Wykaz tych cennych surowców w instalacjach OZE można kontynuować właściwie bez końca.
Choćby na farmie słonecznej o wymiarach tysiąc na tysiąc metrów znajduje się jedenaście ton srebra itd. Według wyliczeń Międzynarodowej Agencji Energii (IEA), globalne zapotrzebowanie na krytyczne surowce wzrośnie do 2040 roku czterokrotnie - w przypadku litu zapotrzebowanie to ma być aż 42-krotnie większe. Według szefa MAE Fatiha Birola, surowce te stają się "niezbędnymi składnikami przyszłego, czystego, globalnego systemu energetycznego". Wiele z tych kluczowych bogactw wydobywanych jest w niewielu miejscach. Indonezja i Filipiny kontrolują około 45 procent światowych dostaw niklu. Chiny dostarczają 60 proc. metali ziem rzadkich. Kongo odpowiada za dwie trzecie produkcji kobaltu. RPA dominuje na rynku platyny w około 70 procentach.
Wydobycie staje się coraz droższe, a jakość rud i zawartość surowców spada. Ponieważ ograniczona podaż spotyka się z gwałtownie rosnącym popytem, ceny gwałtownie rosną. Kruszenie i mielenie skał pochłania do 3 proc. światowego zapotrzebowania na energię elektryczną. To więcej niż wynosi całkowite zużycie energii elektrycznej w Niemczech. Przemysł wydobywczy określa się nawet jako "brudny, zapylony, niebezpieczny" biznes. Żadna inna branża nie jest tak niszcząca dla środowiska.
Po działalności górniczej pozostaje często księżycowy krajobraz, a także zbiorniki pełne skażonego szlamu, tzw. odpady poflotacyjne, w których gromadzone są pozostałości po przeróbce. Na całym świecie znajduje się około 32 tys. takich toksycznych jezior.
Producenci z zielonymi hasłami na ustach i rachunkiem za surowce w głowie dwoją się i troją, aby tę zależność od drogich ubywających zasobów zmniejszyć. Pierwsza generacja samochodu wodorowego Mirai firmy Toyota wymagała 40 gramów platyny na pojazd. W nowych modelach wymagana ilość spadła o jedną trzecią, a do 2040 roku Toyota chce ograniczyć ją do 5 gramów. Jednak nawet takie wyczyny inżynieryjne w najlepszym wypadku jedynie łagodzą uzależnienie od surowców.
Producenci samochodów elektrycznych pracują nad koncepcjami, które ułatwią recykling cennych materiałów, które są obecnie wykorzystywane do produkcji nowych pojazdów. Na przykład połowa aluminium, które BMW wykorzystuje w swoich silnikach i karoseriach, jest poddawana recyklingowi, ale w przypadku materiałów takich jak nikiel, kobalt i lit, które są wykorzystywane do produkcji akumulatorów, udział ten jest znacznie niższy.
Pionier samochodów elektrycznych Tesla ma nadzieję, że pewnego dnia będzie w stanie pokryć prawie całe swoje zapotrzebowanie na surowce ze starych akumulatorów. Jeffrey Brian Straubel, który od lat jest obok Elona Muska technicznym guru firmy, założył nawet w tym celu własną firmę recyklingową. Wierzy on, że nastąpi "radykalna zmiana" obniżająca ceny baterii, gdy będą mogły być poddane recyklingowi w 95-98 proc..
Volkswagen otworzył w Salzgitter pilotażowy zakład obok planowanej do uruchomienia w 2024 roku fabryki akumulatorów do samochodów elektrycznych. W dłuższej perspektywie firma ma nadzieję na recykling 97 proc. wszystkich wykorzystywanych surowców. Obecnie VW osiąga poziom około 50 procent, który dzięki nowemu zakładowi recyklingu ma wkrótce wzrosnąć do 72 procent. VW nie nazywa starych akumulatorów "niebezpiecznymi odpadami, lecz "cennym źródłem surowców".
Szukajmy nowego i nie zapominajmy o atomie
Branża OZE jest obszarem intensywnych badań i poszukiwania innowacji, co w kontraście do problemów surowcowych i związanych z odpadami napawa nadzieją. Spójrzmy na kilka przykładów osiągnięć uczonych, które mogą zrewolucjonizować i tak już rewolucyjną co do charakteru gałąź. Przy okazji ukazują one główne kierunki poszukiwań w tej dziedzinie.
Inżynierowie z Uniwersytetu Michigan i innych instytucji stworzyli niedawno oparty na węglu nie na krzemie prototyp panelu słonecznego, który jest na tyle przezroczysty (4), że może być stosowany do okien w budynkach. Oprócz tego, że są przezroczyste, nowe panele słoneczne są również bardzo wydajne i ich żywotność szacuje się na 30 lat.
Inżynierowie zbadali degradację niezabezpieczonego ogniwa słonecznego i odkryli, jak mogliby poprawić projekt. Udoskonalenia polegały na blokowaniu promieniowania UV poprzez dodanie warstwy tlenku cynku do strony przeciwsłonecznej szkła. Zintegrowano również cieńszą warstwę tlenku cynku przylegającą do obszaru ogniwa, który pochłania światło, ale musiano również dodać warstwę materiału o nazwie IC-SAM wykonaną z węgla, aby zapobiec zniszczeniu absorbera światła przez tlenek cynku. Na koniec dodano kolejną warstwę składającą się z fullerenów, aby chronić absorber światła. Obecnie przezroczystość modułu wynosi 40 proc., ale jest nadzieja na zwiększenie jej do 60 proc. Inżynierowie ustalili, że ich przezroczyste panele słoneczne utrzymają 80 proc. wydajności po 30 latach.
Natomiast naukowcy z Korei z powodzeniem opracowali wysokowydajne, wielkoobszarowe, organiczne ogniwa słoneczne z roztworu, kontrolując szybkość, z jaką roztwór surowców do produkcji ogniw słonecznych zestala się po pokryciu. Badacze z instytutu KIST, kontrolując szybkość odparowywania rozpuszczalnika po etapie powlekania w procesie tworzenia folii ogniw słonecznych, uzyskali wysokowydajne organiczne panele fotowoltaiczne o sprawności konwersji mocy o 30 proc. wyższej niż dostępne na rynku panele.
Mikrobiologiczne wytwórnie wodoru opracował z kolei międzynarodowy zespół badaczy z brytyjskiego uniwersytetu w Bristolu i chińskiego instytutu technologicznego z Harbinu. Uczeni użyli cukrowych kropli wypełnionych żywymi komórkami alg do generowania wodoru, zamiast tlenu, przez fotosyntezę, wystawiając komórki na światło dzienne w powietrzu.
W celu przeprowadzenia badań, w jednym mililitrze wody przygotowano około ćwierć miliona takich mikrobiologicznych fabryk, które zazwyczaj mierzą tylko jedną dziesiątą milimetra wielkości. Aby zwiększyć wydajność produkcji wodoru, zespół pokrył żywe mikroreaktory cienką powłoką z bakterii. Zwiększyło to liczbę komórek glonów przygotowanych do aktywności w wytwarzaniu wodoru.
Wodór to tylko jedna z alternatyw dla alternatyw i przykład na to, że energia słoneczna i wiatrowa nie są jedynymi sposobami na produkcję energii bez emisji CO2. Do OZE zaliczają się również hydroenergetyka i np. projekty geotermalne, energia z biomasy i projekty elektrowni pływowych. Duże znaczenie w wielu krajach ma energia wodna, ale i ona ma swoje minusy, takie jak szkodliwy wpływ na lokalne ekosystemy i ograniczenia geograficzne. Jest też oczywiście energetyka jądrowa, ale, choć nie emituje w procesie produkcji energii gazów cieplarnianych, budzi niegasnące kontrowersje.
Argumentacja przeciwko atomowi opiera się na założeniu, że zwiększenie produkcji energii jądrowej oznaczałoby zwiększenie ilości odpadów i zwiększyłoby szanse na kolejne wypadki podobne do tych w Fukushimie czy Czarnobylu. Dlatego zwolennicy energetyki atomowej coraz częściej mówią o małych reaktorach modułowych (SMR) jako przyszłości, która niweluje obawy związane z wielkimi kompleksami reaktorów. Dla nich energetyka jądrowa a zwłaszcza owe małe reaktory (5), są świetnym uzupełnieniem i swoistym wentylem bezpieczeństwa dla energetyki opartej na OZE, a nie dwoma wykluczającymi się ścieżkami rozwoju. Jest to z pewnością jeden z meandrów świata nowej energetyki, nie dla każdego jasny i oczywisty.
Mirosław Usidus
