Gospodarka wodorowa, czyli wodór jako nośnik energii przyszłości

Wizja infrastruktury dostaw energii opartej na wodorze jako bezemisyjnym nośniku energii, gdzie ogniwa paliwowe wytwarzałyby energię elektryczną z wodoru, a produktami ubocznymi byłyby ciepło i para wodna jest tematem mocno poruszanym w obecnych czasach.

Koncepcja wykorzystania wodoru jako nośnika energii w celu zaspokojenia potrzeb energetycznych różnych dziedzin staje się co raz bardziej popularna. Wielu uważa, że to rozwiązanie nie przyjmie się na rynku. Inni dopatrują się w tej technologii – przyszłości.

Obecnie technologia wodorowa jest jeszcze w fazie rozwoju. Istnieją jednak powody do optymizmu co do jej przyszłości. Jednym z najważniejszych czynników sprzyjających rozwojowi technologii wodorowych jest rosnące zainteresowanie społeczeństwa ochroną środowiska. Wodór jest jednym z najczystszych nośników energii, co sprawia, że jest on atrakcyjną opcją dla osób, które chcą ograniczyć swój wpływ na środowisko.

Jak w takim razie będzie to wyglądać? Zapraszamy na nasz pogląd w tej sprawie. Postaramy się opisać kilka punktów, mających wpływ na rozwój tej technologii.

Wodór – paliwo przyszłości

Dlaczego temat wodoru i zastosowania go w różnych technologiach wypłynął i jest to tzw ‚buzzword” dzisiejszych czasów? Jak wszyscy wiemy oprócz tego, że klimat na naszej planecie się zmienia, my również dokładamy cegiełkę do ocieplania naszej planety poprzez spalanie paliw kopalnych i emisję gazów cieplarnianych. To już się dzieje, i wciąż przyśpiesza. Nie jest to nic nowego – naukowcy ostrzegają świat przed efektem cieplarnianym od ponad 60 lat. Ale nowością jest to, że niektóre rządy zaczęły traktować ten temat poważniej i podjęły pierwsze kroki, aby wyjść z uzależnienia od paliw kopalnych.

W końcu budujemy wiele farm fotowoltaicznych i wiatrowych i zasilamy już miasta, gospodarstwa i przemysł w sposób bardziej eko. Jednak produkcja energii odnawialnej w tych dwóch przypadkach stwarza także 2 fundamentalne problemy.

Pierwszy problem polega na tym, że nie możemy na nie liczyć na 100% bo są niepewnym źródłem generowania energii – po prostu nie działają przez cały czas. Drugim problemem jest to, że mogą dostarczać energię tylko do swojego lokalnego obszaru. Oczywistym rozwiązaniem jest magazynowanie energii z pięknych słonecznych i wietrznych dni i korzystanie z niej, w momencie gdy nie mamy wystarczającej ilości energii.

Żyjemy w czasach, w których mamy dostęp do wielu rozwiązań, które pomagają nam przechowywać energię. Magazyny energii bazujące na akumulatorach litowo-jonowych, elektrownie szczytowo pompowe czy baterie solne na ogromnych farmach fotowoltaicznych, to niektóre rozwiązania dające nam tę możliwość. Ta ostatnia koncepcja polega na wykorzystaniu soli, która jest zamknięta w niedużej przestrzeni przystosowanej do szybkiego uwolnienia energii, a następnie podlega zmianom fazowym. System magazynowania jest ładowany poprzez zamrażanie roztworu i rozładowywany poprzez jego topnienie. Jest to relatywnie tani sposób magazynowania, który jednocześnie zajmuje niewielki obszar w porównaniu do ilości możliwej do zgromadzenia energii.

Jednak wszystkie te rozwiązania mają swoje minusy. Akumulatory są najprostszym rozwiązaniem by przechowywać energię, są łatwe do przetransportowania, ale są o stosunkowo małej pojemności, a do wyprodukowania ich potrzebujemy ogromnych ilości surowców, aby móc magazynować spore ilości energii. Dodatkowo ulegają degradacji z czasem, która pomniejsza pojemność energetyczną ogniw.

Woda i stopione sole – są rozwiązaniami lokalnymi i działają tylko dla obszarów, które położone są w bliskości tych systemów. Na pewno są to rzeczy, które będą działać w przyszłości. Natomiast nie są stworzone do zastosowań globalnych.

Główna idea jaka przyświeca gospodarce opartej na wodorze polega na tym, że używamy energii odnawialnej do produkcji wodoru, a później, gdy go potrzebujemy, używamy już pozyskany wodór albo bezpośrednio do ogrzewania, albo do uzyskiwania elektryczności za pomocą ogniw paliwowych. Co więcej wodór możemy transportować wszędzie gdzie chcemy – wystarczy umieścić go w dużych zbiornikach i dystrybuować go na cały świat.

Właśnie dlatego ludzkość podejmuje temat gospodarki wodorowej, a nie słonecznej czy wiatrowej. To właśnie dlatego, że możemy produkować, przechowywać, kupować i sprzedawać wodór na całym świecie.

Ogromną zaletą wodoru jest skala jego wykorzystania. Może być używany do zasilania krajowych sieci energetycznych, jako zapas energii dla małych obszarów, albo do zasilania całych flot samochodów bądź samolotów.

Wodór nie jest konkurencją dla akumulatorów elektrycznych. Jest raczej elementem w puzzlach pt. gospodarka energetyczna

Dlaczego więc nie staramy się jak najszybciej włączyć wodoru do codziennego obiegu? Oczywiście że się staramy i to robimy, ale obecnie na bardzo małą skalę. Mamy już samochody, autobusy, pociągi i nawet stacje kosmiczne, które są zasilane tym paliwem. Ale dlaczego nie robimy tego w skali globalnej? Okazuje się, że jego produkcja, przechowywanie i używanie wiąże się z kilkoma problemami.

By wyjaśnić to bliżej zacznijmy od produkcji wodoru.

Produkcja wodoru: szary wodór, niebieski wodór, zielony wodór

Wodór w przyrodzie występuje wyłącznie w postaci związków chemicznych. Aby go pozyskać, należy go oddzielić od tych związków, wykorzystując energię elektryczną, chemiczną bądź cieplną, która służy za katalizator. Materiałami źródłowymi, z których pozyskamy wodór mogą być: gaz ziemny, ropa naftowa, biomasa, woda oraz inne związki zawierające wodór.

Najprostszym sposobem pozyskiwania wodoru jest proces reformingu parowego paliw kopalnych, w wyniku którego powstaje szary wodór. Problem w tym procesie polega na tym, że powoduje on wydzielanie dwutlenku węgla jako produktu ubocznego – dokładnie tego gazu, który staramy się usunąć z atmosfery. W procesie produkcji 1 tony wodoru powstaje ok. 10 ton CO2. Jeśli używamy paliw kopalnych do podgrzewania na początku, to ten dwutlenek węgla jest zdecydowanie trudny do przechwycenia.

Obecne technologie pozwalają nam na przechwytywanie tego CO2, jednak wtedy koszt produkcji wodoru jest znacznie wyższy. Niebieski wodór jest produkowany w taki sam sposób jak szary wodór. Jednakże wytworzone CO2 jest wychwytywane i trwale składowane. Technologia ta znana jest pod nazwą „wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS)”. Dzięki niej, dwutlenek węgla wytwarzany podczas reformingu parowego nie przedostaje się do atmosfery. Dlatego też metoda ta jest neutralna dla klimatu.

Technologia obejmuje przechwytywanie emisji CO2 u źródła, a następnie transportowanie go do bezpiecznego miejsca składowania głęboko pod ziemią w formacjach geologicznych bądź przekazywanie do zakładów przemysłowych, które wykorzystują dwutlenek węgla w swoich procesach produkcyjnych np. do zakładów produkujących nawozy, tworzywa sztuczne i gumę, do przemysłu spożywczego i napojów.

Innym sposobem na wytwarzanie wodoru jest pozyskiwanie go w procesie elektrolizy wody. Zasada działania procesu elektrolizy jest prosta. Poprzez przyłożenie napięcia elektrycznego do elektrolizera, woda (H2O) zostaje rozdzielona na dwa składniki: wodór (H2) i tlen (O2).

W ten sposób nie produkujemy żadnego dwutlenku węgla, a wodór uzyskujemy bezpośrednio z procesu – tzw zielony wodór. Elektroliza wody umożliwia uzyskanie wodoru o bardzo wysokiej czystości. Problem w tym procesie polega na tym, że jest bardzo niewydajny, jeśli używamy normalnych materiałów jako elektrod, czyli tych dużych płyt, które wkładamy do wody, które przewodzą prąd elektryczny.

Aby proces był choć trochę bardziej wydajny, potrzebujemy zastosować w procesie platynę bądź iryd, metale które są niezwykle drogie. Słyszeliście w ogóle kiedyś o irydzie?

Jest niezwykle cennym oraz jednym z najrzadszych pierwiastków na naszej planecie i kluczowym składnikiem w produkcji zielonego wodoru, który powoduje ż ecały ten proces jest bardziej wydajny. Zazwyczaj jest pozyskiwany jako produkt uboczny w procesie rafinacji niklu.

Z uwagi na ograniczoną ilość tego metalu na świecie, istotne jest by zminimalizować jego zużycie w tego typu katalizatorach. Jeśli naukowcy będą potrafili zredukować ilość zużywanego irydu podczas procesu elektrolizy będzie to na pewno skutkować efektywnym obniżeniem kosztów produkcji zielonego wodoru.

Gdy chcemy użyć zielonego wodoru do ponownego wytwarzania energii elektrycznej, koszty nam rosną, a my nadal potrzebujemy ciągle tych naprawdę drogich metali. Marzeniem oczywiście jest wykorzystanie naszej odnawialnej energii do bezpośredniego wytwarzania wodoru.

Oprócz całej problematyki związanej z produkcją wodoru, istotnym minusem tego pierwiastka jest to, że jest „wybuchowy”, więc musimy go przechowywać w bardzo wytrzymałych zbiornikach. Dodatkowo jest bardzo reaktywny, więc prawdopodobieństwo, że może zacząć korodować zbiorniki od środka jest również duże.

Dlaczego gospodarka wodorowa to przyszłość

Biorąc pod uwagę wszystkie problemy, które wynikają z procesu pozyskiwania wodoru, zadajmy sobie pytanie: dlaczego gospodarka wodorowa jest faktycznie nieunikniona? Wszelkie argumenty wskazujące na to, że wodór jest mniej wygodny do zastosowania lub droższy w produkcji niż paliwa kopalne, są tak naprawdę bez znaczenia. Paliwa kopalne to historia setek milionów lat. Są stosunkowo łatwe do przetwarzania i transportu, i nic nie będzie konkurować z nimi pod względem ceny i wygody zastosowania.

Niezależnie od tego, jakie rozwiązanie wybierzemy, będzie ono droższe i mniej dla nas wygodne niż paliwa kopalne. Z drugiej strony wiemy, że paliwa kopalne niezwykle zanieczyszczają, są toksyczne, a także że niszczą naszą planetę w kontekście emisji gazów cieplarnianych.

Chyba nie mamy po prostu innej opcji, niż je porzucić na rzecz czegoś droższego tak szybko, jak to tylko możliwe. Nie ma nic nietypowego w tym, że płacimy za lepsze środowisko.

Jeśli chcemy niebieskiego nieba i czystego powietrza, musimy przestać zanieczyszczać, a to kosztuje. Życie w czystych miastach zawsze jest droższe niż w tych zanieczyszczonych, a ludzie mieszkający w tych czystych właśnie płacą tę cenę, ponieważ lepsze środowisko prowadzi do lepszej jakości życia i tym samym lepszej, produktywnej gospodarki. Wydawanie pieniędzy w celu zapobiegania zanieczyszczeniu jest konieczną inwestycją, a nie marnowaniem ich jak to niektórzy się wypowiadają.

Czy w takim razie gospodarka wodorowa jest w ogóle możliwa do przyjęcia? Oczywiście, że tak. Po prostu jeszcze nie wiemy, jak złożyć wszystkie elementy tej układanki w jedną całość by to wszystko działało jak dobrze naoliwiona maszyna. Wiele problemów jest natury inżynieryjnej. Wodór z paliw kopalnych na pewno nie jest dobry, ale ten proces jego wytwarzania ma ogromną zaletę. Tym sposobem możemy uzyskać duże ilości wodoru, aby wspierać infrastrukturę, którą budujemy.

Wydajność elektrolizy wody, nie jest zachwycająca, ale na początku tego wieku panele fotowoltaiczne również nie były tak bardzo wydajne. Niemal wszyscy mówili wtedy, że nigdy nie będą konkurencyjne wobec paliw kopalnych. Czy więc proces dzielenia wody przechodzi przez podobny proces? Prawdopodobnie.

W połowie zeszłego roku ogłoszono, że zespół badawczy zainicjowany przez dr Ewę Wierzbicką z Wydziału Nowych Technologii i Chemii Wojskowej Akademii Technicznej uzyskał bardzo dobrą wydajność fotoelektrokatalitycznego rozkładu wody. Więcej opisuje artykuł opublikowany na stronie Wojskowej Akademii Technicznej pt: Technologia fotoelektrokatalitycznego rozkładu wody zrewolucjonizuje pozyskiwanie czystego wodoru

Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Materials Horizons” w artykule pt: „Ultra-stable self-standing Au nanowires/TiO2 nanoporous membrane system for high-performance photoelectrochemical water splitting cells”. Współautorami artykułu są: dr Thorsten Schultz, dr Karolina Syrek, prof. dr hab. Grzegorz Dariusz Sulka, prof. dr Norbert Koch oraz prof. dr Nicola Pinna.

Transport i magazynowanie wodoru

Na pewno transport wodoru jest jednym z największych wyzwań dla rozwoju gospodarki wodorowej. Jej wdrożenie wymaga opracowania przyjaznych cenowo technologii transportu wodoru i z pewnością jest to jeden z kluczowych kierunków badań i rozwoju w tej dziedzinie.

Obecnie istnieją różne obiecujące technologie transportu wodoru, ale żadna z nich nie jest jeszcze w pełni rozwinięta i konkurencyjna cenowo. W małej skali na krótkich odcinkach, zbiorniki ciśnieniowe są zdecydowanie najlepsze pod kątem przechowywania tego paliwa i już teraz są stosowane w samochodach i autobusach.

Oczywiście niemałe koszty jakie obecnie generuje ta technologia z czasem znacznie spadną, gdy produkcja wodoru będzie rosnąć, ale do tego potrzebujemy większej świadomości ludzi w zakresie przyszłości tej technologii, którzy będą korzystać z samochodów zasilanych wodorem i z transportu publicznego.

W przypadku transportu na duże odległości – np. na inne kontynenty, ciekły wodór wydaje się być najlepszym wyborem. Firma Kawasaki Industries już tworzy prototyp statku przystosowanego do jego transportu w stanie ciekłym.

W przypadku długotrwałego przechowywania lub transportu wodoru, interesującym rozwiązaniem w zakresie bezpieczeństwa mogłoby być coś co pełniłoby funkcję „transportera wodoru” w postaci nowego związku chemicznego. Jak to mogłoby działać? Wodór reaguje z czymś innym, tworząc trzeci związek chemiczny, który jest znacznie mniej niebezpieczny i mniej „korozyjny” niż sam wodór. Może jest to jakaś opcja, którą powinniśmy obrać?

W taki sposób moglibyśmy ten związek chemiczny łatwo transportować, nawet za pomocą rurociągów. Na drugim końcu, w zależności od potrzeb, reakcję można byłoby odwrócić i odseparować wodór by mógł być kierowany do ogniwa paliwowego, które wytwarzałoby energię, lub w zależności od potrzeb umieścić ten związek w zbiornikach do późniejszego wykorzystania.

Atom – szansą na mocny rozwój?

Technologia, która może zmienić wszystko w zakresie gospodarki wodorowej jest bardzo znana i bardzo dobrze rozwinięta, a wykorzystanie jej mogłoby przyczynić się znacznie do produkcji zielonego wodoru. Mówimy tutaj o energetyce jądrowej.

Elektrownie jądrowe nieustannie generują ogromne ilości ciepła jako odpad podczas wytwarzania energii elektrycznej, i przede wszystkim działają przez 24 godziny na dobę, każdego dnia. Oznacza to, że moglibyśmy wykorzystać energię jądrową jako źródło energii odnawialnej.

Taka elektrownia mogłaby dostarczać energię elektryczną, która mogłaby być używana do rozszczepiania wody, aby produkować zielony wodór, który moglibyśmy przechowywać a później móc z niego skorzystać.

Oznacza to, że energia wytwarzana z wodoru byłaby częścią miksu energetycznego. Mielibyśmy źródła odnawialne, energię jądrową, która zawsze jest dostępna i zielony wodór.

Energia wodorowa – nieunikniona rzeczywistość w energetyce

Czy wodór zastąpi paliwa kopalne? Odpowiedź na to pytanie jest trudna. Niewątpliwie wodór ma ogromny potencjał, aby stać się ważną częścią globalnego systemu energetycznego. Jednak w najbliższych latach paliwa kopalne będą nadal dominować. Aby wodór mógł zastąpić paliwa kopalne, konieczne jest rozwiązanie wielu problemów, związanych z jego produkcją, transportem i magazynowaniem.

Na obecnym etapie trudno powiedzieć, czy technologia wodorowa stanie się dominującą technologią energetyczną w przyszłości. Istnieje jednak wiele czynników, które sprzyjają jej rozwojowi. W najbliższych latach technologia wodorowa będzie prawdopodobnie nadal zyskiwać na popularności, a jej wykorzystanie będzie się zwiększać.

Oto kilka punktów, które będą miały wpływ na rozwój technologii wodorowych w najbliższych latach:

• rozwój technologii produkcji wodoru z odnawialnych źródeł energii,
• zmniejszenie kosztów produkcji i transportu wodoru,
• rozwój infrastruktury do dystrybucji i magazynowania wodoru,
• wzrastające zainteresowanie społeczeństwa ochroną środowiska.

Jeśli te czynniki będą się rozwijać, to technologia wodorowa z pewnością ma szansę stać się bardzo ważnym elementem globalnego systemu energetycznego.

Podsumowując, pomimo jasnych ostrzeżeń naukowców, że musimy przestać używać paliw kopalnych, do tej pory nie było zbyt wiele zachęt do rozwoju alternatywnych technologii, takich właśnie jak energia wodorowa.

Prawdziwa gospodarka wodorowa jako część miksu energetycznego pozwoli na tanie i bogate źródło stosunkowo czystej energii. Działania w tym kierunku są już podejmowane, tylko wszystko to po prostu rozwija się jeszcze zbyt wolno. Natomiast ten kierunek rozwoju jest nieunikniony by przeciwstawić się kryzysowi klimatycznemu.

Jeśli wcześniej nie spustoszą nas wojny o wodę i żywność, z pewnością wodór jest tym elementem w naszym świecie, który odegra ogromną rolę w światowej gospodarce energetycznej.

Dziękujemy, że przeczytałaś/eś nasz artykuł do końca. Obserwuj nas także w Wiadomościach Google.

Jeśli spodobał Ci się artykuł i uważasz, że prezentowane przez nas treści są ciekawe i wartościowe – udostępnij dalej swojej społeczności. Dziękujemy.