Wodór to paliwo przyszłości, które jest nam znane od dawna, a w przemyśle wykorzystywane od ponad 200 lat. Dziś jednak jego znaczenie mocno wzrasta, bowiem wodór jako paliwo ma cechy, które idealnie pasują do bardzo trudnej układanki, którą wytworzyła cywilizacja – jak pogodzić bezpieczeństwo klimatyczne z rozwojem przemysłu i transportu? Wodór zdaje się być najlepszym rozwiązaniem, tylko trzeba go dobrze wykorzystać.
Wodór w energetyce nie jest czymś tak nowatorskim, jak mogłoby się wydawać. Tak naprawdę było to jedno z podstawowych paliw pierwszego przemysłowego boomu. Już ponad 200 lat temu wodór napędzał pierwsze silniki spalinowe i stał się integralną częścią przemysłu rafineryjnego.
Podobnie w przypadku ogniwa wodorowego, wytwarzającego prąd z samej obecności tego gazu. Schemat działania ogniw paliwowych został opracowany już w 1838 r. przez niemiecko-szwajcarskiego chemika Christiana Friedricha Schönbeina i na tej samej zasadzie działa on w obecnych autach z elektrycznym napędem wodorowym, co szerzej omówimy w dalszej części artykułu.
Tymczasem dziś specjaliści przewidują, że do 2030 r. 20 proc. ciężarówek będzie napędzanych wodorem. W tym samym czasie wartość rynku elektrolizy zielonego wodoru, która ma stawać się coraz ważniejszym sposobem pozyskiwania tego surowca, wynosić może nawet 26 mld euro, a więc ponad 115 mld zł.
Problemem wodoru jest nadal jego niewielka popularność w użyciu pozaprzemysłowym. Chociaż wodór do aut tankuje się tak szybko, jak chociażby LPG, to w Polsce „z ulicy” wodór kupimy w zaledwie kilku miejscach w całym kraju. Innym problemem jest też cena. W zależności od kraju, za kilogram wodoru zapłacimy od ok. 10 do ponad 20 euro, a więc od 45 do nawet 90 zł. To jednocześnie koszt przejechania ok. 100 km. W tym momencie może to być więc znacznie więcej niż w przypadku aut benzynowych i z silnikami Diesla. Gorzej, że im bardziej ekologiczny jest to wodór, tym jego pozyskanie jest mniej opłacalne, ale do tego jeszcze przejdziemy.
„Bez wodoru nie ma neutralności klimatycznej”
Wodór jest niezwykle lekki (to najlżejszy pierwiastek we Wszechświecie), łatwy do przechowywania, energochłonny i nie powoduje bezpośrednich emisji substancji zanieczyszczających ani gazów cieplarnianych. Jest go też pełno wokół nas. Po prawdzie jest to najbardziej rozpowszechniony pierwiastek w całym Wszechświecie.
Właściwości wodoru wskazują jasno, że jest to idealny kandydat do stania się paliwem przyszłości. Trzeba go jednak zacząć wdrażać tam, gdzie w tym momencie jego obecność jest znikoma lub żadna – w transporcie, budownictwie, a także przy wytwarzaniu energii. Obecnie niemal cały wodór wykorzystuje się do produkcji amoniaku i przy rafinacji. Już teraz mówi się o uruchamianiu bezemisyjnej produkcji stali z użyciem wodoru.
O znaczeniu wodoru wiedzą już naukowcy i prezesi wielkich firm. Dyrektor Międzynarodowej Agencji Energetycznej, dr Fatih Birol, raport na temat potencjału wodoru podsumował następująco: Wodór cieszy się dziś niespotykanym dotąd impetem. Świat nie powinien przegapić tej wyjątkowej szansy, aby wodór stał się ważną częścią naszej przyszłości w zakresie czystej i bezpiecznej energii.
Podobnego zdania jest także dr Stefan Hartung, prezes zarządu spółki Robert Bosch GmbH, który podczas konferencji Bosch Tech Day 2023 przyznał wprost: Bez wodoru nie ma neutralności klimatycznej. Jak wskazują sondaże, dla Polaków zmiany klimatyczne są także tematem ważnym.
Zapotrzebowanie na wodór
Obecnie największym konsumentem wodoru jest przemysł, a konkretniej sektory chemiczne i petrochemiczne. Większość wytwarzanego wodoru zużywa się do produkcji amoniaku lub w procesach petrochemicznych m.in. rafinacji ropy naftowej. Zapotrzebowanie to stale rośnie. Od 1975 r. zwiększyło się już czterokrotnie i jest tak duże, że do produkcji wodoru zużywa się znaczne ilości paliw kopalnych – w 2018 r. było to 6 proc. rocznego zużycia gazu ziemnego i 2 proc. zużycia węgla.
Wobec stale rosnącego zapotrzebowania pojawia się potrzeba przestawienia procesów produkcyjnych wodoru na metody znacznie bardziej ekologiczne. Samo przejście na wodór jest bowiem tylko jedną stroną medalu. Podobnie, jak w przypadku aut elektrycznych trudno mówić o ekologii, jeżeli prąd do ich naładowania pochodzi z elektrowni węglowych. Tak samo z wodorem – dopóki do jego wytwarzania zużywać będziemy głównie gaz i węgiel, nie nazwiemy tego paliwem w pełni ekologicznym.
Gdzie jeszcze można wykorzystać wodór?
W mniejszym stopniu, ale nadal powszechne jest wykorzystywanie wodoru w przemyśle spożywczym. W składzie produktów oznaczony jest on symbolem E949. Służy m.in. do produkcji margaryny, ale jest także środkiem zabezpieczającym. W paczkach czipsów wodór często dodawany jest do „nadmuchanej” paczki, co z jednej strony chroni kruche plastry ziemniaka przed uszkodzeniami fizycznymi, a z drugiej – właściwości wodoru pozwalają zachować świeżość jedzenia na dłużej, chroniąc ją przed utlenianiem.
Wodór znaleźć można także jako paliwo do palników wodorotlenowych (HHO). Służą one głównie do topienia i lutowania metali w skali mikro. Znajdują dzięki temu zastosowanie m.in. w jubilerstwie i protetyce.
Na szczęście do pociągu z napisem „rewolucja wodorowa” wchodzi coraz więcej firm, co sprawi, że proporcje sektorów, w których korzysta się z wodoru, będą się zmieniać. Co ważne, są to marki globalne, znane i mające realny wpływ na to, jak wygląda świat wokół nas. Począwszy od Toyoty, przez Hyundai i Renault, aż po marki niezwiązane bezpośrednio z motoryzacją, jak niemiecki Bosch.
Najbardziej złożone plany dążą do wplecenia wodoru do niemal każdej dziedziny życia, w której wykorzystuje się energię. Wodór ma bowiem potencjał nie tylko w przemyśle i do napędzania aut. Już teraz istnieją plany wykorzystania wodoru, chociażby do ogrzewania wody, jak i całych osiedli. Na rynku obecne są już bojlery „H2 ready”, które możemy dziś wykorzystywać w sposób „konwencjonalny”, ale w momencie doprowadzenia instalacji wodorowej, będą w stanie wykorzystywać nowe paliwo.
Prąd z wodoru – ogniwa wodorowe w autach i nie tylko
Samochody elektryczne znane są ludzkości jeszcze dłużej niż ich spalinowe odpowiedniki. To również rodzaj pojazdu określanego mianem „ekologicznego”, ale u wielu osób ta ekologiczność budzi sporo wątpliwości. Przede wszystkim ze względu na baterie, które stały się nieodzownym elementem aut elektrycznych.
Produkcja akumulatorów nie jest tania i — wraz z utylizacją — także pozostawia swój ślad węglowy. Baterie, o czym wspomnieliśmy wcześniej, to nadal także pięta achillesowa elektryków, przez którą wiele osób nie zdecydowało się jeszcze na takie rozwiązanie. Akumulatory są bowiem ciężkie, stwarzają duże zagrożenie podczas pożaru auta, a ich ładowanie może trwać całe godziny. Gdyby tylko dało się z auta elektrycznego je wyeliminować…
Otóż da się! I to na co najmniej kilka sposobów. Są te mniej skuteczne, jak chociażby doprowadzanie energii z paneli słonecznych na dachu pojazdu. Ze względu na ich niską wydajność, nie stosuje się tego komercyjnie, a jedynie w ramach naukowych projektów ultralekkich pojazdów lub też jako dodatek do innego systemu zasilania. Drugim, znacznie skuteczniejszym i powszechnie już stosowanym rozwiązaniem, jest generowanie prądu z ogniw paliwowych — nie składujemy energii napędzającej silnik elektryczny w bateriach, a wytwarzamy ją na bieżąco z paliwa, które mamy w baku. I wodór jest w tej roli świetny. Jak to działa?
Schemat działania ogniw paliwowych znany jest od 1838 r., kiedy to opracował je niemiecko-szwajcarski chemik Christiana Friedricha Schönbeina. Ogniwo zbudowane jest z dwóch elektrod — katody i anody — rozdzielonych elektrolitem lub membraną elektrolityczną. Zwykle elektrody mają postać nawęglonego papieru pokrytego platyną w charakterze katalizatora reakcji.
Po doprowadzeniu wodoru do ogniwa ulega on utlenieniu, a więc oddaje elektrony, co w efekcie wytwarza kationy wodorowe. Na katodzie tlen reaguje z elektronami, redukując się do anionów tlenowych. Znajdująca się wewnątrz membrana umożliwia przepływ protonów od anody do katody, natomiast blokuje inne jony, w tym powstałe aniony tlenowe. Kationy wodorowe po dotarciu do katody reagują z tymi anionami tlenkowymi, dając w rezultacie wodę, a elektrony z anody docierają do katody poprzez obwód elektryczny, wytwarzając energię.
Mówiąc w skrócie — ogniwo rozbija wodór na kationy i aniony. Te pierwsze swobodnie przechodzą przez ogniwa, ale te drugie muszą szukać drogi na około. W tym wypadku biegnie ona przez obwód, w którym powstaje napięcie.
Nie znajdowano jednak powszechnego zastosowania ogniw wodorowych aż do lat 60. XX w., kiedy stały się one częścią statków kosmicznych NASA, w tym Gemini 5 i programu Apollo. Za ich pomocą nie tylko wytwarzano prąd w kosmosie, ale korzystano również z efektu ubocznego — wody pitnej, powstałej w procesie wytwarzania prądu.
Zalet takiego rozwiązania jest co najmniej tyle, co w akumulatorowych autach elektrycznych, a dodatkowo dochodzą wszystkie plusy związane z brakiem rozbudowanego systemu baterii. Ponadto bak wodoru jest bardzo lekki. Ponad 120 l sprężonego wodoru może ważyć (w zależności od ciśnienia) nawet ok. 5 kg.
Wodorowe auta… spalinowe? Czemu nie?
Wodór może być jednak nie tylko paliwem wykorzystanym w ogniwie, ale jego właściwości pozwalają spalać go w komorze silnika o budowie znanej nam od dekad. Co jednak, gdyby zamiast benzyny albo gazu w samochodzie zamontować zbiornik z wodorem? Kilka firm na świecie opracowało już pierwsze spalinowe silniki o zapłonie iskrowym, działające właśnie w oparciu o wodór. To m.in. Toyota, Deutz i Aquarius Engines.
Podobnie jak w przypadku innych silników na paliwa gazowe, czy to LPG, czy CNG, tak wodór również musi być przetrzymywany w zbiorniku pod wysokim ciśnieniem. Następnie jest on wstrzykiwany do komory silnika, gdzie następuje eksplozja, a w wyniku rozprężenia, tłok jest odpychany, kręci wałem korbowym i wytwarza się ruch obrotowy, który następnie — w dużym skrócie — jest przekazywany na koła.
Dlaczego mielibyśmy zastąpić benzynę wodorem w tym wypadku? Jak wskazują pierwsze testy Toyoty, silnik (w tym wypadku jednostka trzycylindrowa o pojemności 1,6 l) w wyniku spalania wodoru pracuje ciszej i mniejsze są jego drgania. Ogromną zaletą jest także wpływ na środowisko. Podobnie, jak w przypadku gazu ziemnego (CNG), znanego m.in. z naszych domowych kuchenek, w wyniku spalania wodoru nie wydzielają się żadne trujące lub zanieczyszczające środowisko substancje, w tym dwutlenek węgla. W teorii wynikiem spalania wodoru z tlenem jest wyłącznie woda. To znacznie czystszy związek chemiczny, który za kilka lat może wylatywać z rur wydechowych wielu samochodów na świecie.
Skąd brać wodór?
Jak wspomniałem kilka akapitów wyżej, o wysokim stopniu „ekologiczności” wodoru nie będzie można mówić do czasu, gdy jego wydobycie lub wytworzenie nie będzie obciążające dla środowiska. Dziś, niestety, większość światowych zasobów wodoru gotowego do wykorzystania, wytwarza się z użyciem paliw kopalnych.
Źródło: komputerswiat.pl
