Czy wodór zastąpi węgiel? (cz. 1)

Wodór jest pierwiastkiem występującym we wszechświecie w największej ilości. Tylko dwa pierwiastki tworzą zresztą ponad 98% całości wszechświata, przy czym 75% zajmuje sam wodór, a 23% hel. Warto podkreślić, że niektóre planety składają się w znacznej części lub głównie z wodoru. Wodór pojawił się jako paliwo alternatywne w ostatnich latach i oczekuje się wzrostu zapotrzebowania na niego w przyszłości.

Ogólny wzrost emisji gazów cieplarnianych do środowiska na Ziemi spowodowany jest wzrostem populacji na całym świecie, ten zaś pociąga za sobą odpowiedni wzrost zapotrzebowania na energię. Zapotrzebowanie to rośnie intensywnie. Coraz więcej krajów poszukuje zasobów paliw kopalnych i ropy naftowej, aby utrzymywać swoje lotnictwo, zakłady energetyczne, przemysłowe i zaspokoić podstawowe potrzeby konsumentów. Coraz silniejsza jest tendencja dążenia do osiągania priorytetów przyjętego w 2015 r. podczas COP21 porozumienia paryskiego (dokument realizujący postulaty Ramowej Konwencji Klimatycznej) – w miarę postępu technologicznego w zakresie czystych technologii energetycznych. Oczekuje się, że wodór zostanie wdrożony w różnych zastosowaniach produkcyjnych jako podstawowe paliwo.

Rosnące tempo rozwoju technologii wodorowych pozwala na wyobrażenie sobie świata, w którym samoloty będą latały z wodorem w zbiornikach, statki będą pływały po morzach bez oleju napędowego, a samochody ciężarowe z silnikami Diesla znikną z autostrad. Po drogach będą się poruszały pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi, a zasilane wodorem grzejniki ogrzeją nasze domy. I nie są to fantazje ani mrzonki, potwierdzają to informacje, które możemy śledzić w fachowych czasopismach. Można postawić tezę, że w niedalekiej przyszłości te technologie ułatwią nasze codzienne życie.

Wodór miał być cudownym lekarstwem już pod koniec lat 70., kiedy to mieliśmy do czynienia z kryzysem naftowym, ale wówczas ropa naftowa nagle staniała i poniechano wizji użycia wodoru jako paliwa alternatywnego, ze względu na koszty rozwoju tej technologii.

Niekorzystne zmiany klimatyczne spowodowały konieczność globalnej redukcji emisji CO₂, która jest głównym wyzwaniem naszego stulecia. Nadzieje wielu państw, także Polski, opierają się na szybkim rozwoju alternatyw energetycznych wykorzystujących wodór. Ziszczenie się wizji, w której dotychczasowe napędy dla pojazdów zostaną zastąpione ogniwami paliwowymi neutralnymi pod względem emisji CO₂, a także przyjaznymi dla środowiska może być realne w najbliższej przyszłości.

Problem ten podnoszony jest często w mediach i wiele osób (czytelników „Przeglądu Pożarniczego” zapewne także) zadaje sobie pytania:

• Czym właściwie jest wodór i skąd się bierze?
• Dlaczego mówi się o nim coraz częściej?
• Czy wodór może być ratunkiem dla naszej planety przed globalnym ociepleniem?
• Czy wodór jest szkodliwy dla zdrowia i czy jest bardziej niebezpieczny niż inne źródła energii?
• Czy samochody będą wkrótce „tankowane” nabojami wodorowymi?
• Czy możliwe będzie latanie samolotami z napędem wodorowym?
• Czy wkrótce każdy będzie miał minielektrownię w swojej piwnicy?
• Czy możliwe jest już życie całkowicie samowystarczalne pod względem energetycznym?

Postanowiliśmy podjąć próbę przedstawienia na łamach PP odpowiedzi przynajmniej na niektóre z nich. Traktujemy te uproszczone często odpowiedzi jako wprowadzenie do interesującej nas problematyki zagrożeń, jakie niesie ze sobą stosowanie wodoru w otoczeniu każdego z nas. Preferujemy oczywiście zagadnienia związane z ryzykami dla użytkowników urządzeń, w których paliwem jest wodór, ale także dla służb ratowniczych, jakie coraz powszechniejsze stosowanie wodoru może powodować.

Podejmujemy próbę przedstawienia w pięciu kolejnych publikacjach następujących zagadnień:

• Czy wodór będzie w znaczącej skali alternatywnym źródłem energii w przyszłości i jakie argumenty za tym przemawiają?
• Jakie są aktualne i przyszłe zastosowania wodoru w przemyśle i naszym życiu codziennym?
• Jakie zagrożenia przyniesie powszechne stosowanie wodoru jako nośnika energii?
• Infrastruktura wodorowa – produkcja i transport wodoru, stacje paliw i związane z tym zagrożenia.
• Działania ratownicze – zagrożenia dla osób udzielających pierwszej pomocy, zagrożenia dla ratowników KSRG i ZRM, podstawowe zasady prowadzenia działań podczas zdarzeń z udziałem wodoru.

Czym jest wodór?

Wodór to najpowszechniej występujący pierwiastek chemiczny na Ziemi i w Układzie Słonecznym. Stanowi około trzech czwartych masy Słońca, pozostała część to głównie hel. Słońce jest źródłem energii dla Ziemi. Energia ta powstaje w wyniku reakcji zwanej syntezą termojądrową, w której jądra wodoru łączą się w jądra helu [1]. W procesie tym gwiazda ta zużywa blisko 620 mln ton wodoru na sekundę.

Jednak na Ziemi, w przeciwieństwie do Słońca, Saturna czy Jowisza, ten bezbarwny i bezwonny gaz występuje niemal wyłącznie w postaci związanej – nie tylko w surowcach kopalnych, takich jak gaz ziemny (metan – zawiera cztery atomy wodoru) i ropa naftowa, ale także w ponad połowie wszystkich znanych minerałów, a zwłaszcza, jak wskazuje jego nazwa i chemiczny symbol H₂, w wodzie: H₂O. Ponieważ jednak woda i inne materiały zawierające wodór, takie jak ropa naftowa, gaz, minerały, biopaliwa i osady ściekowe, są dostępne w niemal nieskończonych ilościach, to w nieograniczonych ilościach dostępny jest wodór jako nośnik energii.

Ciekawą planetą Układu Słonecznego jest Jowisz, który składa się mniej więcej w 71% z wodoru, w 24% z helu i w 5% z innych pierwiastków. Uproszczona struktura Jowisza pokazana jest na rys. 1. Ciekawe, że znaczna część tej planety to wodór metaliczny, nieosiągalny na Ziemi.

Jednak nie każdy wodór jest taki sam, ponieważ może być produkowany na różne sposoby, a każda metoda produkcji wiąże się z różnymi emisjami CO₂. Aby lepiej sklasyfikować wodór, podzielono go na różne kategorie kolorystyczne [2].

Wodór jest znany od ponad 200 lat i już w XX w. był wykorzystywany w wielu sektorach przemysłu, w tym w przemyśle chemicznym, produkcji włókien tekstylnych, przemyśle szklarskim, metalurgicznym i elektronicznym. Wodór znajduje także zastosowanie jako paliwo do wyrzutni rakietowych.

Potrzeba drastycznego ograniczenia emisji CO₂ i przejścia na odnawialne źródła energii oraz elektryfikację w celu przeciwdziałania zmianom klimatycznym zrodziła nowe, rosnące zainteresowanie wodorem – zwłaszcza zielonym, który ma ogromny potencjał jako przyjazna dla środowiska alternatywa dla paliw kopalnych. Jego spalanie uwalnia tylko wodę i może być on transportowany w postaci skroplonej rurociągami, ciężarówkami i statkami.

Większości czytelników jest on znany z lekcji chemii w szkole średniej, ale opisujemy go tytułem przypomnienia.

Cząsteczka wodoru ma średnicę zaledwie 0,000000031 mm, a jednak dysponuje ogromnym potencjałem. Wodór jest reklamowany jako źródło energii przyszłości – zwłaszcza w sektorze mobilności i szczególnie wodór zielony. Jednak obchodzenie się z wodorem nie jest pozbawione niebezpieczeństw. W układzie okresowym pierwiastków wodór znajduje się w lewym górnym rogu pod liczbą atomową 1 i symbolem H (rys. 2) i jest zaliczony do reaktywnych niemetali.

W warunkach normalnych wodór pozostaje bezbarwnym i bezwonnym gazem dwuatomowym (H₂). Jeśli wejdzie w reakcję z tlenem (O₂) w kontrolowany sposób, uwalnia dużo energii i nieco wody, ale nie wydziela dwutlenku węgla (CO₂).                

Gęstość energii wodoru (120 kJ/g) w odniesieniu do masy przewyższa wszystkie znane dotychczas opcje magazynowania energii elektrycznej o co najmniej dwa rzędy wielkości. Nadwyżki energii ze źródeł odnawialnych (np. energii wiatrowej i fotowoltaiki) mogą być magazynowane w postaci wodoru na dużą skalę. Wszystkie te właściwości sprawiają, że wodór jest bardzo interesującym pierwiastkiem z punktu widzenia transformacji energetycznej.

Zawartość wodoru w dostępnych dla człowieka częściach Ziemi (skorupa ziemska, atmosfera i hydrosfera) wynosi 0,87% wagowych. W organizmie człowieka stanowi on ok. 10% (ok. 7 kg) masy, w postaci wodoru zawartego w związkach chemicznych, głównie w wodzie, która odpowiada za ok. 70% masy organizmu.

Wodór stanowi przedmiot programów badawczo-rozwojowych mających na celu opracowanie technologii, dzięki którym urządzenia będą mogły być bardziej przyjazne dla środowiska. Do zainteresowanych nim branż należą:

• Transport publiczny: miasta takie jak Chicago, Vancouver, Londyn i Pekin wprowadziły do swoich flot autobusy napędzane wodorem; w Polsce trwają już próby z lokomotywą napędzaną wodorem oraz pociągiem dla Kolei Dolnośląskich.

• Motoryzacja: główni producenci samochodów opracowują pojazdy z wodorowymi ogniwami paliwowymi.
• Logistyka: wiele firm wykorzystuje obecnie wodorowe ogniwa paliwowe do zasilania swoich ciężarówek, wózków widłowych i innych pojazdów w magazynach i centrach dystrybucyjnych.
• Wytwarzanie energii: wodór jest już wykorzystywany jako chłodziwo w generatorach elektrowni. Energia elektryczna może być przekształcana w wodór w procesie elektrolizy, następnie wodór może być magazynowany i wykorzystywany np. w transporcie. Ponadto szpitale, centra danych i inne jednostki, w których kluczowa jest ciągła dostępność sprzętu, coraz częściej wykorzystują wodór do zapewnienia nieprzerwanego zasilania (UPS).
• Zaopatrzenie w ciepło i prąd dla gospodarstw domowych.

Dlaczego wodór może być alternatywą w transformacji energetycznej?

Niektórzy eksperci przedstawiają wodór jako „ropę jutra”, „szampana wśród nośników energii” lub „klucz do sukcesu transformacji energetycznej”. Ale na ile uzasadniony jest ten entuzjazm?

Najpierw kilka faktów, czyli ważna wiedza podstawowa:

• Wodór (H₂) jest najprostszym i jednocześnie najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem chemicznym we wszechświecie.
• Na Ziemi występuje on głównie jako woda, tj. w formie związanej.
• Ponieważ gazowy wodór dobrze się spala, pomysł wykorzystania tego tak obficie występującego pierwiastka do magazynowania i generowania energii nie jest niczym nowym.
• Pozytywną właściwością H₂ jest jego czyste spalanie bez pozostałości.
• Praktyczne wykorzystanie wodoru było testowane przez wiele lat.
• W wielu procesach w przemyśle chemicznym, a także w rafineriach, pierwiastek ten jest już wykorzystywany jako materiał podstawowy.

Wynika z tego zatem, że wodór może odegrać znaczącą rolę w dekarbonizacji gospodarki. Dotyczy to zwłaszcza obszarów, w których nie ma jeszcze realnych alternatyw dla stosowanych paliw kopalnych, takich jak lotnictwo i żegluga.

Produkcja wodoru

Wodór jest wytwarzany z zasobów odnawialnych (woda), co czyni go odnawialnym źródłem energii – nieszkodliwym produktem ubocznym procesu przekształcania wodoru w energię elektryczną jest… woda. Niewątpliwymi jego zaletami są wysoka gęstość energii i korzyści dla środowiska. Chociaż ma imponujące możliwości generowania energii, tylko niewielka jego część jest dziś wykorzystywana do takich celów. Znaczna jego ilość pojawia się w różnych sektorach, w tym w obróbce metali, rafinacji i recyklingu ropy naftowej, nawozach i przetwórstwie chemicznym. Wodór jest zużywany głównie przez branże, które wytwarzają go jako produkt uboczny w swoich procesach produkcyjnych – przykładowo w przemyśle chemicznym służy do produkcji nawozów, a w rafineriach ropy naftowej do krakingu węglowodorów. Do separacji/produkcji wodoru wykorzystywana jest również energia słoneczna. Przekształcona w wodór energia elektryczna z odnawialnych źródeł energii może być transportowana i wykorzystywana z opóźnieniem.

Wodór jako nośnik energii może być wykorzystywany do pokonywania znacznie większych odległości niż system zasilany wyłącznie elektrycznie. Jednak, mimo że wodór jest bardzo rozpowszechniony w przyrodzie i może być pozyskiwany na różne sposoby, produkcja tego paliwa wymaga zużycia dodatkowej energii. Kolejnym problemem jest wydajność i bezpieczeństwo jego stosowania w pojazdach. Obawy o bezpieczeństwo użytkowników może budzić łatwopalność wodoru w kontakcie z powietrzem.

Wodór wykorzystywany na dużą skalę w przemyśle nie nadaje się do stosowania w pojazdach napędzanych ogniwami paliwowymi (FCEV) i nie ma dobrych właściwości energetycznych. Jako alternatywne paliwo musi zostać najpierw przetworzony. By stanowić  paliwo dla pojazdów silnikowych, musi zostać wytworzony przy użyciu odpowiednich procesów, takich jak elektroliza wody. W procesie tym woda jest rozkładana na czysty wodór i jony tlenu pod wpływem napięcia przepływającego przez nią prądu. Chociaż obecnie dostępnych jest wiele technologii elektrolizy i są one wciąż udoskonalane, metoda ta nie jest uważana za optymalną, ponieważ wiąże się z zużyciem energii elektrycznej, nie zawsze „zielonej”. Możliwe jest zastosowanie małych urządzeń, jak ogniwa paliwowe, do przekształcania wodoru w cenne formy energii, np. energię elektryczną. Ponadto łatwiej i wydajniej jest wykorzystać energię potrzebną do produkcji, sprężania, a następnie transportu i przechowywania paliwa wodorowego bezpośrednio do ładowania akumulatorów samochodów elektrycznych. Szacuje się, że na każdy kilogram czystego paliwa wodorowego wyprodukowanego dla samochodu potrzeba od 40 do 70 kWh energii, co wystarcza na przejechanie 100 km. Dla porównania samochód elektryczny potrzebuje tylko 20-30 kWh, aby pokonać ten sam dystans na autostradzie.

Wodór jako paliwo przyszłości

Jak każda inna technologia, wodór jako paliwo ma wady i zalety. To, czy stanie się on realną alternatywą, zależy od kierunku, w jakim rozwinie się technologia produkcji zielonego wodoru i sposób dostarczania go do konsumentów.

Najważniejszą zaletą korzystania z ogniw wodorowych jest to, że nie emitują one żadnych zanieczyszczeń do atmosfery. Wyposażony w nie pojazd podczas jazdy wytwarza jedynie wodę, a zatem jest całkowicie nieszkodliwy dla środowiska. Ponieważ wodór ma wysoką wartość opałową jako paliwo, zasięg pojazdów napędzanych wodorem jest porównywalny z samochodami spalinowymi i można je szybko naładować, podobnie jak te napędzane gazem płynnym. Ponadto zasoby wodoru nie ulegną wyczerpaniu.

Największy problem związany z transportem i magazynowaniem wodoru wynika z występowania strat w tym czasie (niezależnie od stanu skupienia pierwiastka – gazowego lub ciekłego). Do sprężania lub skraplania wodoru konieczne jest dodatkowe zużycie energii elektrycznej. Wydajność energetyczna całego procesu nie przekracza 37%. Wodór stosunkowo łatwo transportować w postaci sprężonej lub ciekłej. Ciśnieniowe zbiorniki magazynowe są dostępne w różnych wersjach, od butli gazowych 10 l po duże zbiorniki, o pojemności 100 tys. m³. W dłuższej perspektywie do magazynowania ma być również wykorzystywana istniejąca sieć gazu ziemnego. Prowadzone są także intensywne badania nad alternatywnymi opcjami magazynowania.

1 tona wodoru zawiera 33 330 kWh energii. Odpowiada to średniemu rocznemu zużyciu energii elektrycznej przez siedem trzyosobowych gospodarstw domowych w budynku mieszkalnym (bez przepływowych podgrzewaczy wody). Jak już jednak opisano, ta energia chemiczna nie może być w 100% przekształcona w energię użytkową, ponieważ część energii jest tracona.

W ciągu najbliższych 30 lat światowe zapotrzebowanie na energię wzrośnie o 47%, głównie ze względu na wzrost liczby ludności i ekspansję gospodarczą w rozwijających się krajach azjatyckich. Będzie to wymagało zwiększenia produkcji ropy naftowej i gazu ziemnego. Około 28% światowego zapotrzebowania na energię zaspokoją paliwa płynne do 2050 r. – 27% odnawialne źródła energii. Oczekuje się 36% wzrostu zapotrzebowania na paliwa płynne i 165% wzrostu zapotrzebowania na odnawialne źródła energii w stosunku do wartości z 2020 r.

Informacje te, choć z konieczności ograniczone, świadczą dobitnie, że wodór jako nośnik energii wkracza z dużym impetem w nasze życie. Wkracza wraz z ryzykami, jakie powoduje i na te ryzyka musimy być przygotowani jako użytkownicy urządzeń zasilanych wodorem, ale przede wszystkim jako ratownicy.

W kolejnym materiale przedstawimy aktualne i przyszłe zastosowania wodoru w przemyśle i naszym życiu codziennym.

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

Literatura

[1] S. Hawking, Krótkie odpowiedzi na wielkie pytania, 2018, s. 62.
[2] Wasserstoff: Chemischer Winzling mit riesiger Bedeutung für eine erfolgreiche Energiewende, https://www.dke.de/de/arbeitsfelder/energy/wasserstoff (dostęp: 24.11.2023).
[3] Umair Yaqub Qazi, Przyszłość wodoru jako paliwa alternatywnego do zastosowań przemysłowych nowej generacji; wyzwania i spodziewane możliwości, Energies, 2022, 15 (13), s. 1-40.
[4] Hydrogen Basics, https://afdc.energy.gov/fuels/hydrogen_basics.html (dostęp: 24.11.2023).
[5] Wodór jako paliwo alternatywne, https://www.nga.org/publications/hydrogen-as-an-energy-source/ (dostęp: 24.11.2023).