Wodór paliwem przyszłości?

W dobie katastrofy ekologicznej związanej z emisją gazów cieplarnianych wiele krajów podejmuje działania proekologiczne polegające na zastosowaniu neutralnych dla środowiska technologii w energetyce, transporcie i rolnictwie. Największy udział w zanieczyszczeniu powietrza w skali świata ma energetyka ok. 59%, na drugim miejscu jest transport z 21%, na trzecim rolnictwo z niewiele mniejszym udziałem procentowym. Gospodarkę europejską kosztuje to ok. 1,5 biliona Euro liczone w kosztach chorób i zgonów.

Jednymi z możliwych do zastosowania technologii neutralnych dla środowiska są technologie oparte na wodorze. Pod warunkiem, że wodór jest „zielony” czyli pozyskiwany przy wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii. Wodór w stanie wolnym w przyrodzie nie występuje. Najczęściej wodór otrzymywany jest technologią parowego reformingu gazu ziemnego (SMR), jest to metoda najtańsza, jednak powoduje emisję CO2, z gazu ziemnego produkuje się na świecie 48%, z węgla i biomasy 48%, natomiast technologią bez emisji czyli elektrolizą wody około 4%. Przy produkcji wodoru z węglowodorów, emitujemy w skali świata 500 mln ton dwutlenku węgla tj. ok. 2% całej emisji w energetyce. Nawet produkując wodór w procesie elektrolizy z zasilaniem z europejskiej sieci energetycznej emitujemy 13,76 kg CO2/kg H2. Na obecny stan technologii, jedyną w pełni zieloną technologią produkcji wodoru jest elektroliza oparta na energii elektrycznej z OZE. Największe na świecie instalacje do produkcji wodoru są budowane w spaceportach, tam gdzie wystrzeliwuje się rakiety wynoszące satelity, jak przylądek Canaveral na Florydzie.
Powinniśmy również pamiętać, że 95% wszechświata to wodór i hel, tak więc zasoby energetyczne wszechświata są gigantyczne, tylko musimy wymyślić sposoby pozyskania tego pierwiastka, które będą ekonomicznie opłacalne. Prace w tym zakresie są obecnie bardzo intensywnie realizowane i jesteśmy coraz bliżej „kopalni” wodoru w kosmosie.
Wodór jako nośnik energii jest pierwiastkiem o największej gęstości energetycznej, dzięki czemu wodór ma bardzo dużą energię na jednostkę masy to jest 33 kWh/kg. Dla porównania Diesel ma 10.7 kWh/kg, czyli ponad trzy razy mniej. Jednak wodór ma jedną wadę, dużą objętość, i tak 1 kg wodoru sprężonego do 35 MPa (typowe ciśnienie w zbiornikach pojazdów autobusowych i kolejowych) ma objętość około 40 litrów, nawet skroplony wodór ma objętość 1 kg wynoszącą 14,7 l, to oznacza, że jeden litr ciekłego wodoru waży około 7 dkg. Tak duża objętość wodoru sprawia problemy przy transporcie i przechowywaniu. Dodatkową trudnością w przechowywaniu wodoru jest jego dyfuzyjność oraz rozmiar cząsteczki wodoru. Cząsteczka wodoru jest tak mała, że może przenikać nawet przez stalowe ścianki zbiorników do jego przechowywania. Sprężanie wodoru to również zużycie energii i tak przy sprężaniu do 900 bar (największe ciśnienie jakie spotyka się w zbiornikach z wodorem, potrzebne jest około 13% (8% przy stosowaniu jednostopniowych sprężarek jonowych) energii zawartej w wodorze, natomiast skraplanie wodoru zużywa 40% energii zawartej w wodorze. Transport wodoru odbywa się za pomocą statków, rurowozów (naczep ze zbiornikami na wodór), jak również rurociągami bądź to dedykowanymi lub rurociągami do przesyłania gazu ziemnego po zmieszaniu wodoru z gazem ziemnym. W Polsce najpopularniejsze jest przewożenie wodoru za pomocą rurowozów, zabierających jednorazowo ok. 375 kg wodoru.
W energetyce stosuje się technologie oparte na spalaniu wodoru (częściej współspalaniu z gazem ziemnym) oraz reakcjach elektrochemicznych. Wynikiem spalania wodoru w obecności tlenu jest czysta woda i wytwarzana jest energia cieplna. Jednak przy spalaniu w obecności mieszaniny gazów, takich jak powietrze atmosferyczne, w szczególności zawierających azot, powoduje emisję znacznych ilości tlenków azotu (NOx). Mieszanina gazu ziemnego z wodorem, jest również rozważana jako paliwo dla energetyki, zawartość wodoru w gazie nie może przekroczyć 30%, dla wyższych zawartości spalanie staje się niestabilnym procesem i trudna jest jego kontrola. Współspalanie gazu ziemnego z wodorem obniża temperaturę spalania co powoduje, że mniejsza jest emisja tlenków azotu, jednak ilość generowanej w tym procesie energii jest mniejsza. Drugim sposobem energetycznego zastosowania wodoru są reakcje elektrochemiczne realizowane na ogniwach paliwowych. Reakcje te zachodzą w obecności katalizatorów. Wśród ogniw paliwowych stosowanych komercyjnie wyróżnia się ogniwa niskotemperaturowe membranowe (PEM) oraz ogniwa stało–tlenkowe wysokotemperaturowe (SOFC). Pierwsze mają sprawność elektryczną około 50% (max. 55%), drugie sprawność dużo wyższą, bo ponad 70%. W ogniwach PEM reakcja elektrochemiczna zachodzi w temperaturze ok. 650C natomiast w ogniwach SOFC temperatura procesu wynosi ok 8000C, a obecnie dąży się do obniżenia tej temperatury do 6000C, co w konsekwencji prowadzi do zwiększenia trwałości ogniwa i zmniejszenia emisji NOx. Ogniwa typu PEM oparte są na katalizatorze platynowym, natomiast SOFC na katalizatorze niklowym. Niemniej, wytwarzanie ogniw SOFC, które są głównie ceramiczne, jest bardziej skomplikowane i wymaga stosowania technologii cienkich warstw pochodzących z przemysłu układów scalonych. Jeśli chodzi o zastosowania to ogniwa typu PEM stosuje się do aplikacji mobilnych; w autobusach, lokomotywach i samochodach, rzadziej w zastosowaniach stacjonarnych jako zapasowe lub awaryjne generatory energii. Ogniwa typu SOFC stosuje się głownie w aplikacjach stacjonarnych, typu generatory energii elektrycznej do zasilania krytycznych elementów infrastruktury jak ważne serwery, ale też stosowane są do zasilania w energię elektryczną i ciepło domów jednorodzinnych i mieszkań, głownie w Japonii.
Podsumowując, technologie wodorowe w całym łańcuchu wartości rozwijają się i jest coraz większe zainteresowanie ich wykorzystaniem. Według mnie najszybciej rozwijają się zastosowania wodoru jako paliwa w transporcie, na drugim miejscu jest energetyka, w której poszukuje się bez emisyjnych technologii produkcji energii elektrycznej i ciepła. Niemniej, cały łańcuch wartości w technologiach wodorowych jest stosunkowo złożony począwszy od produkcji, przechowywania, transportu, przetwarzania wodoru na energię elektryczna i cieplną, a skończywszy na produkcji dedykowanych urządzeń do zastosowania w technologiach opartych na wodorze i ich eksploatacji. Wiele krajów i wiele firm wkłada duży wysiłek w ich rozwój i upowszechnienie, niemniej na dzień dzisiejszy koszty związane z zastosowaniem technologii wodorowych (głownie koszt wodoru, który w cenie detalicznej wynosi ok. 8 do 10 EURO/kg) zarówno w energetyce i transporcie są zbyt duże, aby można było je uznać jako akceptowalne z biznesowego punktu widzenia. Aby obniżyć te koszty potrzeba upowszechnienia zastosowania zielonego wodoru jako surowca, nie tylko w energetyce i transporcie, ale również w przemyśle chemicznym, metalurgicznym, petrochemicznym co zwiększy skalę produkcji, a tym samym obniży koszty. To się dzieje, ale moim zdaniem zbyt wolno.