Osiągnięcie w perspektywie kilku dekad neutralności klimatycznej to nieprawdopodobnie trudne wyzwanie. Sprowadzenie bilansu emisji do zera oznacza radykalną transformację całej gospodarki. Energooszczędność i odnawialne źródła energii (OZE) mogą nie wystarczyć. Mimo coraz większej sprawności i coraz niższych kosztów instalacji OZE są wątpliwości, czy farmy wiatrowe i fotowoltaiczne będą w stanie zabezpieczyć odpowiednią ilość, a co ważniejsze stabilność dostaw energii dla nowej, „zielonej” gospodarki.
Zwolennicy transformacji marzą o „świętym graalu energetyki” – czystym bezemisyjnym paliwie. Bardzo wielu ekspertów twierdzi, że nie trzeba go daleko szukać – bo jest to wodór.
Reklama

Paliwo idealne

Wodór ma olbrzymi potencjał. Jego wartość opałowa jest niemal trzykrotnie większa niż benzyny. Może być stabilnym źródłem energii, podobnie jak paliwa kopalne, w przeciwieństwie do energetyki słonecznej i wiatrowej uzależnionej od warunków atmosferycznych.

Jest paliwem prawie idealnym pod względem wytwarzania smogu, a raczej jego niewytwarzania, ponieważ nie zawiera węgla ani siarki, a podczas spalania nie są wytwarzane CO, CO2, SOx, sadza oraz inne cząstki stałe. Stosunkowo niska temperatura spalania oznacza również niższy poziomem emisji NOx. Oznacza to, że jest jednym z najbardziej efektywnych paliw, jakie do tej pory znamy.
Ponadto wodór to pierwiastek powszechny – jest więc łatwo dostępny, a technologia jego uzyskiwania jest znana od lat i nie należy do specjalnie skomplikowanych.
A skoro tak, to dlaczego dopiero dzisiaj świat czyni pierwsze poważniejsze podchody do wodoru? Powody są takie same jak w przypadku większości nowych przełomowych rozwiązań – technologia i pieniądze.

Wygrać z ekonomią

Dziś połowa wytwarzanego na świecie wodoru powstaje z pomocą reformingu parowego metanu, czyli reakcji katalitycznej z parą wodną, która odbywa się przy temperaturze ok. 800 stopni Celsjusza. Można go też uzyskiwać – tak jak podczas doświadczeń szkolnych, tyle że na znacznie większą skalę – na drodze elektrolizy. Oba te procesy są wciąż dość energochłonne. Wyzwaniem jest też magazynowanie – a to w sumie sprawia, że komercyjne wykorzystanie wodoru jako paliwa było dotąd nieopłacalne. Postęp technologiczny sprawia jednak, że pozyskiwanie i wykorzystywanie wodoru staje się coraz bardziej uzasadnione ekonomicznie.
Prace nad wykorzystaniem wodoru jako paliwa transportowego rozpoczęto w latach 90. ubiegłego wieku. Można go stosować na dwa sposoby: jako paliwo, które ulega spalaniu w komorze silnika lub w ogniwach paliwowych napędzających silnik elektryczny.
Obecnie trwają intensywne badania i wdrożenia, których autorzy liczą, że nowe rozwiązania technologiczne i efekt skali sprawią, że wodór będzie paliwem nie tylko czystym, ale i ekonomicznym. Nie są to nadzieje bezpodstawne – pamiętajmy, że energia odnawialna też była wspierana przez różnego rodzaju państwowe programy i dotacje. Dzięki temu rozwinęła się na taką skalę, że technologie stały się coraz tańsze i dziś prąd z paneli fotowoltaicznych czy wiatraków jest już konkurencyjny cenowo wobec energii wytwarzanej z paliw kopalnych. Dlaczego w przypadku wodoru miałoby być inaczej?

Dwa kolory

Nie można jednak rozpatrywać rozwoju technologii wodorowych w oderwaniu od rozwoju innych bez emisyjnych źródeł, bo jak wspomnieliśmy – do wytworzenia tego pierwiastka potrzebne są spore ilości energii. Jeżeli więc będziemy wytwarzać wodór dzięki energii uzyskanej np. z węgla (tzw. wodór czarny), to efekt środowiskowy będzie znikomy. Rozwój technologii wodorowych uzależniony jest zatem od rozwoju odnawialnych źródeł energii (lub energetyki atomowej) – dzięki którym powstanie tzw. wodór zielony.
Ponieważ jednak wiele wskazuje na to, że przez jakiś czas zasoby OZE będą jeszcze niewystarczające, by zaspokoić energetyczne potrzeby całej gospodarki, pojawia się pomysł, by w okresie przejściowym stosować do wytworzenia wodoru gaz – paliwo wprawdzie kopalne, ale znacznie mniej emisyjne niż węgiel.

Jak to działa?

Jak na razie najpopularniejszym zastosowaniem wodoru jest napęd pojazdów. W samochodzie wodorowym określanym skrótem FCV (Fuel Cell Vehicle) prąd wytwarza na bieżąco ogniwo paliwowe. Takie auta również są wyposażone w akumulatory, ale o małej pojemności. Pełnią one podobną funkcję jak w autach hybrydowych. Pośredniczą w przekazywaniu energii elektrycznej i dostarczają prąd od razu po uruchomieniu auta, zanim ogniwo paliwowe zdąży się rozgrzać.
Schemat działania ogniwa paliwowego i galwanicznego (akumulatora) też jest podobny. W jednym i drugim prąd jest generowany przez uwolnienie z anody elektronów, które swobodnie przepływają do drugiej elektrody, czyli katody.
Podstawowa różnica jest taka, że w akumulatorach trzeba zgromadzić energię wcześniej, ładując je zewnętrznym źródłem prądu, a w ogniwie paliwowym jest wytwarzana na bieżąco. Katalizator na anodzie rozbija dostarczany wodór na protony i elektrony, które przemieszczają się do katody. Tam wodór łączy się z tlenem i tworzy jedyny produkt uboczny tej reakcji – wodę. Ogniwo paliwowe generuje elektryczność bez spalania paliwa i utleniacza, dlatego nie wytwarza żadnych szkodliwych dla ludzi i środowiska substancji.
Na razie technologia ta – przede wszystkim ze względu na koszty – jest dopiero na początku drogi rozwoju. Chociaż kilka koncernów produkuje już auta wodorowe, na koniec 2019 r. na świecie zarejestrowanych było jedynie niespełna 25 tys. takich aut (chociaż biorąc pod uwagę szybki rozwój tej technologii, dziś może być ich 40–50 tys. Wciąż rzadka jest sieć stacji ładowania.
Producenci liczą jednak na szybki rozwój tej technologii. Z raportu Hydrogen Council (Rada została powołana w 2017 r. podczas Forum Ekonomicznego w Davos i zrzesza m.in. przedstawicieli Toyoty, Audi, BMW, Daimlera, General Motors, Hondy, Hyundaia, Mitsubishi, Royal Dutch Shell, Statoilu i Totalu) i McKinseya wynika, że w 2030 r. wodór może napędzać 10–15 mln samochodów osobowych oraz 500 tys. ciężarowych.

Statki, pociągi, samoloty

Do 2050 r. gaz zasili nawet 400 mln samochodów osobowych, 15 mln autobusów (po 25 proc. ogólnej liczby) oraz 5 mln ciężarówek (30 proc.). Poza pojazdami drogowymi z wodoru korzystać mają również statki pasażerskie i towarowe oraz pociągi i samoloty. Prace już trwają.
Od marca przyszłego roku wodorowe pociągi wyruszą na niemieckie tory – 14 składów pasażerskich Alstom Coradia iLint będzie kursować na linii regionalnej między Buxtehude na obrzeżach Hamburga a nadmorskim miastem Cuxhaven. Oprócz niemieckiego projektu ten drugi co do wielkości na świecie dostawca sprzętu kolejowego na początku tego miesiąca zdobył zamówienie od francuskiej kolei krajowej na podwójny pociąg wodorowo-elektryczny oraz inne kontrakty w Niemczech i we Włoszech.
Analitycy Morgan Stanley mówią o obiecujących perspektywach rozwoju pociągów wodorowych w Europie. Jak wynika z szacunków, w połowie wieku sektor ten może być wart od 24 do 48 mld dol. Do 2030 r. więcej niż co dziesiąty nieelektryczny pociąg będzie napędzany wodorem.
O wodorze myślą również Polskie Koleje Państwowe. W połowie stycznia 2021 r. PKP Intercity podpisały z Ministerstwem Infrastruktury umowę na świadczenie usług przewidującą uruchomienie pociągów z ogniwami wodorowymi. Na razie nie jest jeszcze wiadoma dokładna data wdrożenia. Jako potencjalny dostawca składów na wodór wskazywana jest PESA, która już pracuje nad lokomotywami wodorowymi dla transportu towarowego. Pierwszy taki pojazd ma pojawić się na torach w ciągu dwóch lat i trafić do floty kolejowej Orlenu.
Powstają już także pierwsze wodorowe projekty morskie. Norweskie biuro projektowe Ulsten pracuje nad pierwszym statkiem wyposażonym w ogniwa wodorowe i nieemitującym żadnych spalin poza wodą, a przeznaczonym do obsługi platform elektrowni wiatrowych. Ulstein SX190 Zero Emission DP2 ma wypłynąć w morze w 2022 r. Jednostka będzie mogła pływać bez tankowania przez cztery dni (pierwszy etap), a po dopracowaniu wykorzystującej wodór instalacji jej konstruktorzy mają nadzieję zwiększyć autonomię statku do 14 dni.
Wiele firm prowadzi prace nad zastosowaniem wodoru w lotnictwie. Np. koncern Airbus chce jako pierwszy z branży lotniczej wprowadzić do użytku samolot wodorowy. Ma on powstać do 2035 r. Powstały trzy projekty takiej maszyny. Pierwszy to turboodrzutowy samolot pasażerski na 120–200 osób, drugim jest samolot 100-osobowy turbośmigłowy, a trzecim projektem jest latające skrzydło dla 200 pasażerów, którego płat ma być zintegrowany z kadłubem.

Świat idzie w tę stronę

Wodór może np. posłużyć także do zasilania całych budynków. W Londynie przy 20 Fenchurch Street znajduje się taki właśnie wieżowiec, gdzie za zasilanie całości odpowiadają zainstalowane na dachu panele fotowoltaiczne oraz ogniwa paliwowe zasilane wodorem, będące w stanie wygenerować 300 kW. Ich zastosowanie pozwoliło na ograniczenie emisji CO2 o 270 ton rocznie.
Chociaż czysty wodór nie stanowi dziś paliwa w produkcji energii (obecnie odpowiada za mniej niż 0,2 proc. wytwarzania), istnieją wyjątki na małą skalę. Na przykład turbina gazowa pracująca w układzie kombinowanym o mocy 12 MW we Włoszech wykorzystuje wodór z pobliskiego kompleksu petrochemicznego, natomiast w japońskim Kobe turbina gazowa zasilana wodorem dostarcza ciepło i elektryczność (1,1 MWe) do lokalnych gospodarstw domowych. Nieco bardziej powszechne jest stosowanie bogatych w wodór gazów z hut, zakładów petrochemicznych i rafinerii.
Są kraje, które jasno określają swoje wodorowe strategie. np. Japonia dąży do osiągnięcia 1 GW mocy opartej na wodorze do 2030 r. (co odpowiada rocznemu zużyciu wodoru w ilości 0,3 Mt) oraz do 15-30 GW w dłuższej perspektywie (co odpowiada rocznemu zużyciu wodoru w ilości 15-30 Mt).
W planach Korei Południowej wykorzystania wodoru w sektorze energetycznym określono docelową moc zainstalowanych ogniw paliwowych na 1,5 GW do 2022 r. i 15 GW do 2040 r. W Japonii, Niderlandach i Australii prowadzone są badania i projekty pilotażowe mające na celu wprowadzenie wodoru i amoniaku jako paliw do turbin gazowych i elektrowni węglowych.
Widać zatem, że ze względu na swoje zalety – brak emisji szkodliwych substancji i powszechność, a także uniwersalność pod względem możliwości zastosowania wodór może stać się – o ile pokonamy technologiczne i ekonomiczne bariery – prawdziwym „gamechangerem” rozpoczynającej się zielonej transformacji gospodarki.
Partner dodatku
Materiały prasowe