Wodór – przyszłość światowej energetyki i transportu

Wodór – hasło które rozpala umysły wielu. Coraz częściej pojawia się w nagłówkach artykułów. I słusznie, bo perspektywy są kuszące. Jednak na drodze do tego El Dorado stoi kilka przeszkód, których rozwiązanie jest kluczowe do osiągnięcia zakładanych wodorowych celów.

Spis treści:

1. Nieuchwytny wodór?
2. Wodór we Wszechświecie
3. Fuzja jądrowa
4. Aktualne źródła wodoru
5. Właściwości wodoru
6. Wodór jako paliwo przyszłości
7. Kolorowy wodór
8. Przyszłość wodoru w Europie
9. Polska wodorową potęgą?

Nieuchwytny wodór?

Wodór jest dziwnym pierwiastkiem. Z jednej strony jest najczęściej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie oraz bardzo często występującym na Ziemi. Z drugiej jednak – trudno go na Ziemi pozyskać w stanie wolnym. W tej postaci znajdziemy go m.in. w gazach wulkanicznych, a także jako element gazu ziemnego. Na tyle nie lubi być sam, że w warunkach standardowych występuje w postaci cząsteczkowej. W powietrzu również nie jest zbyt rozpowszechniony. Najwięcej jest go w górnych warstwach atmosfery, gdzie jego stężenie wynosi maksymalnie 0,5 ppm (czyli części na milion).

Skoro tak, to dlaczego pisałam, że często występuje na Ziemi? Otóż wodór na naszej planecie jest bardzo towarzyski i lubi łączyć się w związki chemiczne z innymi pierwiastkami. Wchodzi w skład m.in.: wody, materii organicznej (wiele związków organicznych ma w swoim składzie wodór), paliw kopalnych (czyli gazu ziemnego, ropy naftowej, węgli kopalnych).

W ostatnich latach coraz częściej mówi się o wodorze w kontekście idealnego paliwa, które pozwoli odejść od paliw kopalnych i umożliwi osiągnięcie neutralności klimatycznej. Sprawa wydaje się mieć potencjał. Jest jednak pewien problem, a mianowicie proces produkcji i magazynowania wodoru. Jednak w kontekście przyszłości zmiany technologiczne będą musiały nadejść, bo wodorowa gra naprawdę jest warta świeczki.

Zanim jednak przejdę do kwestii wytwarzania wodoru i perspektyw rozwojowych, chcę dodać kilka słów wstępnych.

Wodór we Wszechświecie

Na wstępie wspomniałam, że wodór jest najczęściej występującym pierwiastkiem w kosmosie. Tworzy nawet 75% masy materii we Wszechświecie. Był pierwszym pierwiastkiem, który pojawił się po Wielkim Wybuchu. Stanowi budulec wszystkich gwiazd i to m.in. dzięki niemu gwiazdy świecą. Najpierw wodór skupiał i skupia się zresztą nadal w wielu miejscach kosmosu w chmury wodorowe in. zwane mgławicami wodoru cząsteczkowego. Następnie chmura zapada się i powstaje gwiazda. Pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia panujących w jądrze gwiazdy dochodzi do fuzji termojądrowej, w wyniku której wodór przekształca się w hel. W dalszej kolejności łączą się ze sobą coraz cięższe pierwiastki.

Fuzja jądrowa

Skoro gwiazdom tak dobrze idzie wykorzystanie wodoru i jest on w stanie podtrzymać ich życie przez tak długi czas, to dlaczego nie wykorzystać tego samego zjawiska do produkcji energii elektrycznej na Ziemi? Niestety, na dzisiejszym poziomie technologicznym jest to niemożliwe lub mało opłacalne. Fuzja jądrowa czyli łączenie albo bardziej – zderzanie jąder pierwiastków lub ich izotopów w celu uzyskania energii, jest procesem wymagającym specyficznych warunków. W przypadku gwiazd są to wysokie ciśnienie i temperatura. Jądra atomowe mają dodatni ładunek, a więc w normalnych  warunkach się odpychają. Żeby zechciały się zderzać, trzeba je specjalnie przyspieszać. Uzyskuje się to w bardzo wysokich temperaturach (rzędu 100 mln stopni Celsjusza) lub przyspieszając cząstki w specjalnych akceleratorach, np. komorach typu tokamak. Ale o tym kiedy indziej.

Aktualne źródła wodoru

Wodór, jak już wcześniej wspomniałam, występuje m.in. w węglowodorach czyli związkach węgla z wodorem. Są to np. gaz ziemny, węgiel, ropa. Już teraz wydobywamy te związki i uzyskujemy z nich energię elektryczną. Jednak to nie wodór jest w ich przypadku związkiem, na którym nam zależy w tym procesie. I to nie o takie wykorzystanie wodoru chodzi w perspektywie przyszłości. Energia z powyższych węglowodorów jest możliwa do uzyskania w procesie spalania. A jak wiadomo, spalanie odpowiada za produkcję dwutlenku węgla, tlenków siarki, azotu i innych szkodliwych dla klimatu i organizmów żywych substancji.

Ludzkości zależy (a w każdym razie powinno zależeć) na ekologicznym i zeroemisyjnym wykorzystaniu wodoru. Jednakże obecnie to właśnie z węglowodorów pozyskiwane jest około 95% wodoru na Ziemi. Jest to tak zwany wodór szary. Chcąc osiągnąć neutralność klimatyczną i uniezależnić się od wydobycia i importu paliw kopalnych, musimy znaleźć drogę do zielonego wodoru. O kolorach wodoru opowiem za parę chwil.

Właściwości wodoru

Wodór jest pierwszym pierwiastkiem na tablicy Mendelejewa, co oznacza, że ze wszystkich znanych nam obecnie pierwiastków jest najlżejszy. To właśnie ta cecha znalazła zastosowanie w aeronautyce. Wypełnione wodorem balony i sterowce wzbiły się w niebo już w drugiej połowie XVIII w. Zwieńczeniem tego trendu i zarazem swoistym zakończeniem ery komercyjnego wykorzystania podniebnych maszyn wypełnionych wodorem była katastrofa sterowca Hindenburg w maju 1937 roku. Nie zastopowało to jednak dalszych prac nad komercyjnym wykorzystaniem wodoru, ponieważ zalety tego pierwiastka są liczne. Wiedzą o tym agencje kosmiczne i od lat wodór jest używany jako paliwo rakietowe.

Co czyni wodór tak obiecującym? Przede wszystkim jego ekologiczność. W tym momencie nie mam na myśli sposobu pozyskania wodoru, a proces uzyskiwania z niego energii. Spalanie wodoru, czyli inaczej utlenianie jest procesem bardzo ekologicznym, którego produktem jest woda w postaci ciekłej lub parowej:

Niestety rozmiar cząsteczki wodoru jest również dla nas jego wadą. Wiąże się to ze stratami magazynowanego wodoru, ponieważ ma on tendencję do uwalniania się. Obecnie wodór magazynowany jest w formie gazowej bądź ciekłej. Stan ciekły wymaga jednak utrzymania wodoru w temperaturze -253°C w kriogenicznych zbiornikach. Każdy wzrost temperatury wiąże się z parowaniem i stratami paliwa. Dlatego najefektywniejsze wydaje się magazynowanie wodoru w formie sprężonej.

Wodór jako paliwo przyszłości

Czy można wykorzystać wodór jako paliwo w pojazdach?  Oczywiście że tak! Wartość opałowa wodoru jest wysoka na tle innych komercyjnych paliw i wynosi ponad 33 kWh/kg. Dla porównania, wartość opałowa benzyny to 12 kWh/kg. W takim razie, jak wykorzystać wodór w pojazdach? Opcje są dwie:

• ogniwo wodorowe – pojazd napędzany jest energią elektryczną wytworzoną z wodoru w specjalnym ogniwie,
• silnik wodorowy – zasada działania przypomina nieco samochody z silnikiem benzynowym, w którym następuje spalenie paliwa.

Oczywiście żadna nowa technologia samochodowa się nie przyjmie, jeśli jej użytkowanie będzie drogie lub niekomfortowe. Pomyślmy np.o samochodach elektrycznych, które obecnie mają słabe zasięgi, a ich ładowanie na standardowej stacji ładowania jest długie w porównaniu np. z tankowaniem samochodu spalinowego.

To ile w takim razie kosztuje wodór? Dane naszego niemieckiego sąsiada mówią, że cena detaliczna jednego kilograma wodoru to obecnie jakieś 10 euro, czyli około 45 zł. Porównując to z ceną litra benzyny wydaje się dużo. Wróćmy więc teraz do informacji z początku tego punktu.

Badania pokazują, że samochód wodorowy na przejechanie 100 kilometrów będzie potrzebował około 0,8 kilograma wodoru. Daje nam to niecałe 40 zł za 100 kilometrów. Jak na tym polu wypada samochód benzynowy? Zakładając średnie spalanie na poziomi 7 litrów na 100 kilometrów i aktualnej średniej cenie paliwa wynoszącej 6,5 zł, otrzymujemy podobną kwotę za przejechanie analogicznego dystansu.

Kolorowy wodór

No dobrze, to skoro ten wodór jest taki świetny, powróćmy do kwestii z początku artykułu – jego pozyskiwania. Okazuje się, że obecnie wyróżniamy aż 9 rodzajów kolorów wodoru odpowiadających technologii jego wytworzenia bądź surowcom, z których jest pozyskiwany. Niech Cię nie zmyli to nazewnictwo – niezależnie od sposobu otrzymania wodoru jest on cały czas tym samym bezbarwnym gazem. A więc mamy takie kolory wodoru:

• zielony wodór – powstaje w wyniku elektrolizy z wykorzystaniem energii pochodzącej z odnawialnych źródeł energii. To właśnie na zwiększeniu udziału tego wodoru w ogólnym bilansie zależy nam najbardziej. Jak nietrudno zgadnąć, produkcja wodoru w tej technologii nie generuje gazów cieplarnianych. Jest jednak stosunkowo droga. Według danych Parlamentu Europejskiego wytworzenie jednego kilograma zielonego wodoru kosztuje od 2,5 do 5,5 euro. Według założeń Zielonego Ładu, ma on wypełnić lukę po stopniowo eliminowanych z rynku europejskiego paliwach kopalnych,

• żółty wodór – podobnie jak wodór zielony wytwarzany jest z OZE, lecz tylko z wykorzystaniem energii słonecznej. Najczęściej zaliczany jest po prostu do poprzedniej kategorii,

• szary wodór – powstaje w wyniku reformingu, czyli procesu chemicznego węglowodorów. W ten sposób wytwarza się obecnie najwięcej wodoru w Europie, także w Polsce. Na ostateczną cenę wytworzonego w ten sposób wodoru wpływają m.in. ceny gazu ziemnego. Dlatego w perspektywie najbliższych lat udział tej technologii będzie ograniczany, wraz z jednoczesnym rozwojem gałęzi zielonego wodoru. Ma to swoje odzwierciedlenie w założeniach programu Fit for 55. Produkcja kilograma wodoru w ten sposób powoduje emisję około 9,3 kg CO2,

• niebieski wodór – bazuje na tej samej technologii co produkcja szarego wodoru. Różnica polega jednak na wzbogaceniu procesu o wychwytywanie, składowanie lub przetwarzanie wytworzonego CO2. Kontrowersje budzi obecnie zastosowanie technologii CCS (sekwestracja CO2) i CCU (utylizacja CO2). Wysokie są również same koszty sprzętu i energii niezbędnych do wychwytywania i sprężania gazu,

• fioletowy wodór – tu również wykorzystuje się proces elektrolizy wody. Energia elektryczna pochodzi jednakże z elektrowni atomowych,

• turkusowy wodór – produkcja wodoru następuje na drodze pirolizy gazu ziemnego, czyli jego przejścia przez płynny metal. Produktem ubocznym procesu jest czysty węgiel, możliwy do wykorzystania w innych gałęziach przemysłu. Technologia ta jest obecnie na wczesnym stadium zaawansowania,

• brązowy wodór – wytwarzany w procesie gazyfikacji węgla brunatnego,

• czarny wodór – wytwarzany w procesie gazyfikacji węgla kamiennego,

• biały wodór – czerpany z naturalnych źródeł geologicznych,

Przyszłość wodoru w Europie

Europa jest kontynentem zorientowanym na osiągnięcie neutralności klimatycznej, redukcję gazów cieplarnianych oraz na odejście od wydobycia i importu paliw kopalnych. Dlatego w ostatnich latach podnosi się wiele inicjatyw mających doprowadzić nas do tego celu. Jedną z nich jest Europejski Zielony Ład. Wśród jego założeń jest poprawa dostępności energii oraz stworzenie wspólnego systemu energetycznego. Żeby sprostać temu wyzwaniu, Komisja Europejska już w 2020 roku zaproponowała strategię wodorową dla Europy. Według tej strategii wodór (i to ten czysty, zielony) ma być podstawą osiągnięcia neutralności klimatycznej do 2050 roku.

Polska jako państwo członkowskie również musi dostosować się do odgórnych wytycznych. W ten właśnie sposób powstała Polska Strategia Wodorowa do roku 2030 z perspektywą do roku 2040 (PSW). Jest to dokument strategiczny określający cele rozwoju gospodarki wodorowej, wpisującej się w globalne trendy budowy gospodarek zeroemisyjnych. W dokumencie określono główne cele i wskaźniki przybliżające ich osiągnięcie. Znajdziemy tam więc:

• cel 1: wdrożenie technologii wodorowych w energetyce i ciepłownictwie,
• cel 2: wykorzystanie wodoru jako paliwa alternatywnego w transporcie,
• cel 3:wsparcie dekarbonizacji przemysłu,
• cel 4: produkcja wodoru w nowych instalacjach,
• cel 5: sprawny i bezpieczny przesył, dystrybucja i magazynowanie wodoru,
• cel 6: stworzenie stabilnego otoczenia regulacyjnego.

Polska wodorową potęgą?

Jak to z realizacją pomysłów jest w naszym kraju, wiadomo nie od dziś. Jednak w tym przypadku gra toczy się o bardzo wiele. Obecnie Polska jest liderem w produkcji wodoru. Jesteśmy trzecim krajem w Europie i piątym na świecie. Istnieje jednak pewne „ale” – jest to w przeważającej większości wodór szary. Pora więc wykorzystać część posiadanej infrastruktury i rozpoczęcie prac nad zwiększeniem udziału wodoru zielonego.

A szanse są i to bardzo duże. Już teraz zdarzają się okresy, w których w naszym kraju występuje nadprodukcja energii elektrycznej, głównie za sprawą OZE. W tym momencie zamiast wyłączać farmy fotowoltaiczne i zatrzymywać turbiny wiatrowe, należałoby przeznaczyć tę „niepotrzebną” energię na produkcję czystego wodoru. Mądrym pomysłem będzie budowa lokalnych ośrodków produkcji wodoru z wykorzystaniem dostępnego na danym terenie OZE. Odciąży to w pewnym stopniu nasz i tak niewydolny system elektroenergetyczny.

Poza tym wodór nadaje się jako magazyn energii. W chwilach nadprodukcji energii elektrycznej, jej nadwyżki są przeznaczane na produkcję wodoru.  Z kolei kiedy zapotrzebowanie wzrasta proces można odwrócić i generować energię elektryczną z wodoru. Albo przeznaczyć ten wodór na cele transportowe.  Może kiedyś w przyszłości, każdy prosument będzie zobligowany do posiadania prywatnej wytwórni i magazynu wodoru. Ciekawa perspektywa.