Czy wodór zastąpi węgiel? (cz. 2)

Pierwsze próby wykorzystania wodoru jako paliwa podejmowano już pod koniec XVIII w., a w kolejnym stuleciu stał się on w tej roli niezwykle popularny. Odwrót od tego zastosowania nastąpił na początku XX w., po katastrofie największego na świecie sterowca Hindenburg. Gdyby nie ta tragedia, to właśnie wodór mógłby być dzisiaj najbardziej popularnym paliwem. Jednak w ostatnich latach technologie bazujące na wodorze zyskują na znaczeniu. Przyjrzyjmy się bliżej jego aktualnym i prognozowanym zastosowaniom.

Wodór jako nośnik energii ma bardzo szerokie zastosowanie w wielu gałęziach gospodarki. Wykorzystuje się go w przemyśle, np. do produkcji stali, metali specjalnych i półprzewodników. Stosowany jest również bezpośrednio w procesach produkcyjnych (palniki do cięcia, lutowanie, spawanie metali). W procesach produkcyjnych ze względu na swoją zeroemisyjność coraz częściej zastępuje paliwa kopalne, jak np. węgiel i gaz ziemny –przykładem może być tu proces wyżarzania w hutach stali czy szkła. W przemyśle chemicznym wodór służy do produkcji amoniaku, a tym samym nawozów i metanolu. W przemyśle spożywczym stosuje się go jako dodatek do żywności (E949) – w szczelnych opakowaniach chroni ją przed zepsuciem.

Wodór i jego zastosowania

Niezależnie od tego, w jaki sposób ostatecznie wykorzystuje się wodór jako nośnik energii, we wszystkich przypadkach przekształcany jest w miejscu przeznaczenia z powrotem w wodę poprzez dodanie tlenu, generując energię elektryczną i cieplną. W przyszłości może być ona wykorzystana do transportu, ogrzewania domów prywatnych i budynków komercyjnych oraz na potrzeby przemysłu. 

Wodór do produkcji energii elektrycznej i cieplnej

Wykorzystanie wodoru do stacjonarnego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła to proces znany, wdrożony już w kilku krajach. Dobry przykład stanowi Japonia, gdzie obecnie wykorzystuje się wodorowe ogniwa paliwowe do zaopatrywania w prąd i ciepło 400 tys. gospodarstw domowych [1]. Rząd Japonii chce, aby do 2030 r. działało 5,3 mln takich farm energetycznych.

Wodór może odegrać znacznie ważniejszą rolę w systemie ogrzewania budynków. Aby jednak tak się stało, upowszechnić musi się produkcja tzw. zielonego wodoru. Dziś odbywa się ona przede wszystkim w rafineriach i innych dużych zakładach przemysłowych, w procesach zgazowania węgla, biomasy albo reformingu metanu. Niestety wiąże się to z emisją CO₂ do atmosfery.

Ma się to jednak niebawem zmienić, ponieważ technologia produkcji wodoru w procesie elektrolizy wody rozwija się niezwykle dynamicznie, głównie w Afryce, Australii, Chinach i Korei Południowej. Proces elektrolizy wody polega na przerwaniu wiązania chemicznego między wodorem i tlenem pod wpływem przepływającego prądu elektrycznego. Tym sposobem tworzy się gazowy tlen i wodór. Dzięki tej technologii może powstawać zeroemisyjny, a więc zielony wodór. Zgodnie z dyrektywą RED II Unii Europejskiej to właśnie ten rodzaj gazu ma się w najbliższych dekadach stać podstawowym źródłem wodoru w Europie. Warto więc już teraz przygotować się na tę rewolucję [2].

Transport lądowy

Ogniwa paliwowe znalazły także zastosowanie w seryjnej produkcji pojazdów osobowych, ciężarowych, autobusów, podciągów. Popularne w przemyśle stały się wózki widłowe napędzane ogniwami paliwowymi. Na ulicach polskich miast można już napotkać pojazdy wykorzystujące tę technologię. Kamieniem milowym w rozwoju technologii ogniw paliwowych w Europie jest rozpoczęcie eksploatacji pierwszego wodorowego samochodu ciężarowego REVIVE w rzeczywistych warunkach odbioru odpadów komunalnych. Ciężarówka, która weszła do użytku pod koniec 2020 r., to dowód znacznego postępu technicznego.

Technologia wodorowa na szynach

Podobnie jak na drogach technologia wodorowa jest wykorzystywana na kolei i ma być dalej intensywnie rozwijana, także w Polsce. Pisaliśmy w poprzednim numerze PP o rozpoczęciu produkcji lokomotyw i pociągów z napędem wodorowymi ogniwami paliwowymi. Celem jest istotne obniżenie emisji CO₂ do atmosfery. Zamiast sadzy, tlenku azotu i CO₂ pociągi takie emitują jedynie parę wodną.

Wodór w transporcie lotniczym

Transport lotniczy jest nadal uważany za zabójcę klimatu numer jeden. Żaden inny środek transportu nie wpływa na niego bardziej, kilometr po kilometrze, niż samolot [3]. Szacuje się, że transport lotniczy odpowiada za 5-7,5% globalnej emisji CO₂.

Niektóre linie lotnicze zamawiają już do obsługi lotów regionalnych wodorowe samoloty typu ATR-72. Co ciekawe, w samolotach tych stosuje się napęd wykorzystujący ogniwa paliwowe i kapsuły wodorowe. Zaletą tych ostatnich jest to, że lotniska nie muszą dostosowywać do nich swojej infrastruktury, co miałoby miejsce w przypadku użytkowania dużych systemów tankowania wodoru. Kapsuły muszą być jedynie bezpiecznie przechowywane i transportowane do samolotów pojazdami.

Należy obecnie przyjąć, że stosowanie wodoru jako paliwa dla samolotów różnego typu znajduje się w fazie doświadczeń i prób, dlatego prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia z udziałem statku powietrznego jest jeszcze minimalne.

Wodór jako paliwo rakietowe

Amerykańska Narodowa Administracja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) zaczęła w latach 50. używać ciekłego wodoru jako paliwa rakietowego. Wykorzystywała ona też jako jedna z pierwszych wodorowe ogniwa paliwowe do zasilania systemów elektrycznych na statkach kosmicznych.

Elektroenergetyka

Dostępnych jest wiele różnych typów ogniw paliwowych o szerokim zakresie zastosowań. Małe ogniwa paliwowe mogą zasilać laptopy, a nawet telefony komórkowe, sprawdzając się także w zastosowaniach wojskowych. Duże ogniwa paliwowe są w stanie dostarczać energię elektryczną na potrzeby zasilania awaryjnego w budynkach oraz w odległych od cywilizacji miejscach, które nie są podłączone do sieci elektroenergetycznych.

Zastosowanie wodoru w przemyśle

Wodór odgrywa ogromną rolę w wielu sektorach przemysłu. Należą do nich:

• Przemysł spożywczy

Wodór jest dopuszczony jako dodatek do żywności, a jego symbol to E949. Wykorzystuje się go do ochrony żywności przed utlenieniem w szczelnych opakowaniach. Jest także stosowany w procesie utwardzania tłuszczów, a w szczególności podczas produkcji margaryny. Częściowo uwodornione oleje to jeden z podstawowych jej składników.

• Przemysł chemiczny

Wodór jest niezbędny przede wszystkim do produkcji amoniaku. Ten pierwiastek chemiczny ma ogromne znaczenie w wytwarzaniu nawozów sztucznych. Bez niego trudno byłoby więc prowadzić nowoczesne gospodarstwa rolne.

• Przemysł petrochemiczny

Szacunkowe roczne zużycie wodoru w sektorze chemicznym i petrochemicznym w Polsce wynosi obecnie 7,4 mld Nm³. W przemyśle naftowym korzysta się z niego przede wszystkim w trzech istotnych procesach: reformingu – mającego na celu podniesienie liczby oktanowej paliwa; hydrorafinacji – pozwalającej na obniżenie zawartości związków siarki, azotu oraz tlenu i pozbycie się związków nienasyconych, które obniżają stabilność paliwa; hydrokrakingu – czyli przerobieniu ciężkich frakcji ropy naftowej, takich jak smary czy oleje ciężkie, na oleje lekkie oraz benzynę.

Z perspektywy energetyki wodór to bardzo obiecująca propozycja na przyszłość. Może zastąpić gaz ziemny w zapewnieniu mocy zapasowych odnawialnym źródłom energii, wesprzeć rozwój fotowoltaiki (PV) i energetyki wiatrowej. Jest także jedną z głównych opcji magazynowania energii ze źródeł odnawialnych. Wodór i paliwa na bazie wodoru mogą też służyć do przesyłu i dystrybucji energii ze źródeł odnawialnych na duże odległości [4].

• Przemysł metalurgiczny

Wodór jest wykorzystywany w produkcji stali – zastosowanie H₂ zamiast węgla przy wytapianiu i tworzeniu stopów pozwala na obniżenie emisji CO₂ do środowiska. Uznaje się go za wartościową alternatywę dla koksu.

Ze względu na cele klimatyczne Unii Europejskiej przemysł stalowy musi zostać istotnie zreformowany, a umożliwić może to wodór. Do 2030 r. emisja gazów cieplarnianych ma zostać zredukowana o 55% w porównaniu do 1990 r., a do 2050 r. UE chce być całkowicie neutralna dla klimatu. W tym kontekście szczególny nacisk kładzie się na energochłonne gałęzie przemysłu, przede wszystkim na przemysł stalowy, który jest jednym z największych producentów dwutlenku węgla, nie tylko w Polsce.

• Przemysł motoryzacyjny

Samochody na paliwo wodorowe to już rzeczywistość. Pierwszy taki pojazd produkowany seryjnie to Toyota Mirai – pojawił się w użytku w 2014 r. Obecnie popularność zyskują autobusy napędzane wodorem, wykorzystujące ogniwa paliwowe. Taki napęd coraz śmielej jest stosowany w samochodach ciężarowych, pociągach, wózkach widłowych, w statkach – w szczególności promach na krótkich dystansach, a także w samolotach.

Wodór może też posłużyć jako paliwo w tradycyjnych silnikach, jednak to rzadsze rozwiązanie.

Wodór a ogniwa paliwowe

Powszechne wykorzystanie wodoru wymaga bezpiecznej i efektywnej technologii ogniw paliwowych – generują one energię elektryczną i cieplną, gdy wodór i tlen są przekształcane w wodę. Jeżeli konwersja ta odbywa się z wykorzystaniem zielonego wodoru, pochodzącego w całości z odnawialnych źródeł energii, mamy do czynienia z całkowicie neutralnym dla klimatu systemem wodorowym. Certyfikat wodoru neutralnego dla klimatu dokumentuje w przejrzysty sposób przyjazną dla klimatu produkcję i wykorzystanie wodoru.

Zasada działania technologii ogniw paliwowych jest stosunkowo prosta. Energia chemiczna wodoru jest przekształcana bezpośrednio w energię elektryczną bez etapu pośredniego. Technologia ta ma szeroki wachlarz potencjalnych zastosowań – od zaopatrywania w energię elektryczną prywatnych domów po neutralne dla klimatu pojazdy w intralogistyce [5] oraz w transporcie drogowym, kolejowym, morskim, a w przyszłości nawet lotniczym.

Struktura ogniwa paliwowego

Pojedyncze ogniwo składa się z membrany elektrolitu, elektrody ujemnej i dodatniej oraz dwóch separatorów. Pod tym względem ogniwa paliwowe należą do ogniw galwanicznych.

Pojedyncze ogniwo paliwowe generuje energię elektryczną o napięciu jednego wolta. To za mało, by wprawić w ruch samochód. Dlatego do napędzania pojazdu potrzeba kilkuset ogniw paliwowych. Razem tworzą one zespół (stos) ogniw paliwowych.

Ogniwo paliwowe generuje energię elektryczną w procesie chemicznym. Jego podstawowymi elementami są wodór i tlen. Wodór dociera do elektrody ujemnej, gdzie jest aktywowany przez katalizator. Elektrony są uwalniane i wędrują do elektrody dodatniej. Uwolnione elektrony przekształcają atomy wodoru w jony wodoru, które przepływają przez polimerową membranę elektrolitu do elektrody ujemnej. Tam w toku reakcji chemicznej z tlenu, jonów wodoru i elektronów wytwarza się woda.

Źródło energii dla transportu

Zalety technologii ogniw paliwowych są szczególnie widoczne, gdy pojazdy z silnikami elektrycznymi, zasilanymi z akumulatorów, nie mogą być efektywnie i opłacalnie użytkowane. Dzięki stosunkowo krótkiemu czasowi ładowania lub tankowania oraz mniejszej masie ogniwa paliwowe są idealnym rozwiązaniem w przypadku konieczności pokonywania dłuższych dystansów z większą częstotliwością.

Funkcje samochodu z ogniwami paliwowymi

W uproszczeniu układ napędowy pojazdu wodorowego działa następująco:

1. Na zewnątrz podwozia pojazdu znajdują się specjalne zbiorniki, które przechowują wodór.
2. Przez rurę dostaje się on do ogniwa paliwowego, gdzie reaguje z tlenem.
3. Tlen dostaje się do sprężarki przez duże wloty powietrza.
4. Reakcja chemiczna zwana zimnym spalaniem wytwarza w membranie ogniwa paliwowego energię elektryczną potrzebną do zasilania samochodu.
5. Akumulator wysokonapięciowy magazynuje dodatkową energię hamowania i wykorzystuje ją podczas manewrów wyprzedzania.

Idea ogniw paliwowych polega więc na odwróceniu procesu elektrolizy. Ten proces chemiczny generuje energię elektryczną, która zasila silnik elektryczny. Różnica w stosunku do samochodu elektrycznego zasilanego z akumulatora polega na tym, że w pojazdach z ogniwami paliwowymi energia nie jest magazynowana, a jedynie przekształcana. Daje to kolejne korzyści: wodór i tlen reagują w ogniwie paliwowym, więc jedynymi produktami są energia elektryczna, ciepło i woda, a ponadto poza niewielką ilością pary wodnej samochód napędzany wodorem nie wydziela żadnych substancji, jest bezemisyjny, zatem bardzo przyjazny dla środowiska.

Zalety pojazdów z ogniwami paliwowymi

Obecnie pojazdy z ogniwami paliwowymi są sprzedawane jako możliwe uzupełnienie lub alternatywa dla samochodu elektrycznego. Mają następujące zalety:

• ogniwa paliwowe generują bezemisyjnie energię elektryczną z wodoru,
• ogniwa paliwowe działają dłużej niż konwencjonalny akumulator,
• pojazdy z ogniwami paliwowymi można tankować równie szybko lub nawet szybciej niż samochody benzynowe,
• ogniwa paliwowe są lżejsze od akumulatorów, mogą być więc również wykorzystywane w samochodach ciężarowych lub autobusach w transporcie dalekobieżnym – pojazdy zasilane wyłącznie akumulatorami osiągnęły w tej dziedzinie swoje granice,
• zasięg pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi jest większy,
• wodór jest dobrym nośnikiem energii – wartość opałowa jednego kilograma wynosi 33 kWh, co stanowi trzykrotność wartości energetycznej jednego litra oleju napędowego lub benzyny. Wodór może być przechowywany przez dowolnie długi czas, a jego zasoby są w zasadzie nieskończone.

Długość działania i bezpieczeństwo pojazdów wodorowych

Wodór jest pierwiastkiem gazowym o szczególnych właściwościach. Nie stanowi zagrożenia ani podczas tankowania, ani podczas jazdy. Dotyczy to również wypadków. Chociaż wyciek w zbiorniku jest bardzo mało prawdopodobny, czujniki wykrywają ewentualne ulatnianie się wodoru. Pojazd wyłącza się wtedy automatycznie, a wszystkie zawory bezpieczeństwa zamykają się. Trzecim poziomem bezpieczeństwa jest całkowite oddzielenie wnętrza pojazdu od układu wodorowego. Zapobiega to przedostaniu się gazowego pierwiastka do kabiny pasażerskiej. Ze względu na niską gęstość uwolniony wodór unosi się do atmosfery szybciej niż jakikolwiek inny gaz. Zawór nadciśnieniowy wydmuchuje wodór na zewnątrz w przypadku wysokich temperatur, które mogą być spowodowane pożarem po wypadku.

Przyszłość technologii wodorowych w Polsce [4]

To, które z poniższych rozwiązań technicznych, a ściślej – jakie połączenie tych rozwiązań upowszechni się w Polsce, nie jest jeszcze przesądzone. Niemniej jednak trwają już prace badawczo-rozwojowe mające na celu rozwój technologii wodorowych w transporcie ciężkim, magazynowaniu energii, zastosowaniu wodoru w przemyśle chemicznym, wytwarzaniu metanolu, węglowodorów, amoniaku, wykorzystaniu wodoru jako paliwa lotniczego, produkcji małych generatorów wodorowych, narzędzi poprawiających osiągi i zwiększających niezależność Coraz większe są możliwości, jakie daje zastosowanie wodoru w przemyśle, szeroko rozumianym transporcie lądowym, lotniczym i morskim, a także życiu codziennym. Głównym argumentem za jest redukcja powstającego podczas procesów technologicznych dwutlenku węgla, ale także szansa uniezależnienia się państw od dostawców paliw kopalnych, co uwidoczniło się szczególnie wyraźnie w kontekście wojny w Ukrainie. 

Zagadnień dotyczących stosowania wodoru i możliwości, jakie dają nowe technologie, nie sposób przedstawić wszechstronnie w tak krótkim opracowaniu. Dlatego zachęcamy zainteresowanych do śledzenia tych informacji w Internecie.

Przypisy

[1] https://www.expertentesten.de/news/japan-heizen-wasserstoff/ (dostęp: 28.12.2023).
[2] https://www.tuv.com/landingpage/pl/hydrogen-technology/main-navigation/application/ (dostęp: 28.12.2023).
[3] www.zdf.de/nachrichten/witschaft/klima-wasserstoff-verkerswende-100.html (dostęp: 28.12.2023).
[4] https://ptsp.pl/czy-polska-ma-potencjal-wodorowy/ (dostęp: 28.12.2023).
[5] Intralogistyka to określenie opisujące logistykę wewnętrzną, definiującą przepływ materiału
w łańcuchu logistycznym w obrębie jego wycinka z punktu A do punktu B.

Pozostała literatura

[1] Dyrektywa Unii Europejskiej RED II.
[2] https://swiatoze.pl/toyota-wprowadza-przenosne-pojemniki-na-wodor-jakie-maja-zastosowania (dostęp: 29.12.2023).
[3] European Train the Trainer Programme for Responders. Wprowadzenie do bezpieczeństwa wodorowego dla ratowników, http://www.hyresponse.eu (dostęp: 29.12.2023).
[4] Umair Yaqub Qazi, Przyszłość wodoru jako paliwa alternatywnego do zastosowań przemysłowych nowej generacji; wyzwania i spodziewane możliwości, Energies, 2022, 15 (13), s. 1-40.

st. bryg. w st. sp. Jan Kielin jest głównym specjalistą w CNBOP-PIB,
a Damian Bąk starszym specjalistą inżynieryjno-technicznym w CNBOP-PIB