„Innowacje w OZE” to cykl artykułów, w którym staramy się przybliżyć Wam futurystyczne i nieco abstrakcyjne rozwiązania naukowe – idee nie zaadaptowane jeszcze do komercyjnego użytku, postrzegane w kategoriach eksperymentu i pozornie dalekie od wdrożenia, tak jak tytułowy “Zielony wodór”.
Choć dziś wszystkie te pomysły rodem z laboratorium wciąż jeszcze wydają się luźno związane z rynkiem fotowoltaiki, to za kilka lat mogą z powodzeniem stać się uniwersalnym standardem.
W ramach naszej serii, poznaliśmy już budowę i właściwości perowskitów, które mają szansę wyprzeć kiedyś atomy krzemu z ogniw słonecznych, a tym samym pozwolą osiągnąć o 10 % wyższą wydajność konwersji światła na prąd, niż dzisiejsze, najbardziej efektywne panele solarne.
W innym tekście, mówiliśmy o technologii Blockchain, która mogłaby posłużyć jako bezpieczny system rozliczeń za energię, skonstruowany tak, by wyeliminować potrzebę pośrednictwa ze strony spółki energetycznej.
Zielony Wodór
Dziś zaś skierujemy uwagę na zielony wodór i możliwości jego wykorzystania w roli zamiennika paliw kopalnych. Wodór, który w roli „paliwa” samochodowego może stanąć wkrótce w szranki z przeżywającą właśnie rozkwit elektromobilności.
Choć samochody elektryczne szturmem podbijają rynek motoryzacyjny, wielu krytyków takiego napędu podnosi argument, iż nie jest to rozwiązanie do końca ekologiczne.
Szczególnie widać do na przykładzie Polski, gdzie udział węgla w krajowym miksie energetycznym stanowił w poprzednim, 2019 roku, przytłaczające 73,6%. Co więcej, w „Krajowym planie na rzecz energii i klimatu na lata 2021-2030”, opracowanym przez (nieistniejące już) Ministerstwo Energii w styczniu ubiegłego roku, rząd zakładał, że za dziesięć lat, 60 % energii elektrycznej, która miałaby m.in. zasilać samochody elektryczne, będzie wciąż pochodzić ze spalania węgla.
Jeżdżąc „elektrykiem” nie trujemy już środowiska sposób bezpośredni, bo samochód nie wyziewa toksycznych spalin. Pośrednio jednak, jako konsumenci produktów pochodzących z przemysłu wydobywczego, nadal jesteśmy sprawcami degradacji środowiska.
Dlatego nim postęp technologiczny uczyni kolejny krok do przodu, a my zaczniemy snuć wizje o samochodach napędzanych wodorem, byłoby rozsądnie przemyśleć kwestię jego otrzymywania.
Tak, aby wodór był autentycznie zielonym paliwem – również w rafinerii, a nie tylko w momencie użytkowania przez odbiorcę końcowego. Dopiero wtedy będziemy mogli mówić o całkowitej dekarbonizacji przemysłu.
„Paleta kolorów” wodoru
Gdy w latach ’60, Gary Brooker uderzał w klawisze organów Hammonda i w psychodelicznych słowach śpiewał o „zanurzaniu się i napieraniu na dno oceanu”, zapewne nie był to efekt inspiracji turbinami wodnymi, które wykorzystuje się do produkcji energii odnawialnej.
Podobnie jak „Bielszy odcień bieli” został ostatecznie hymnem tamtych odległych czasów, tak symbolem nadchodzących dekad może stać się kwestia odcieni wodoru – brązowy, szary, niebieski i zielony.
W każdym przypadku mówimy o tym samym, bezwonnym i bezbarwnym gazie, który jednak można otrzymywać w wyniku kilku różnych procesów technologicznych. Pokrótce omówimy każdy z nich, a lepsze zrozumienie tego czym nie jest tzw. zielony wodór, pozwoli docenić jego rolę w rozwoju technologii jutra.
Brązowy wodór
Brązowy wodór to ten, który powstaje w wyniku zgazowywania węgla. Polega to na ogrzewaniu „czarnego złota” do temperatury sięgającej ponad 1000 stopni Celsjusza, czego efektem jest wydzielenie tzw. gazu koksowniczego.
Składniki gazu to rozmaite połączenia zawartych w surowcu pierwiastków – węgla (C), tlenu (O) i wodoru (H), m.in. dwutlenek węgla, tlenek węgla, metan, etylen oraz cenny wodór, stanowiący ok. połowę puli wszystkich uwolnionych związków.
Metan i dwutlenek węgla to gazy cieplarniane, których nadmierna emisja przemysłowa powoduje coraz bardziej odczuwalne w ostatnich latach zmiany klimatyczne. Tlenki węgla nie mają też realnego zastosowania w produkcji energii, więc zwykle po oddestylowaniu wodoru, toksyczne produkty uboczne traktuje się jako odpad.
Firma nastawiona wyłącznie na produkcję energii, nie zainteresowana adaptowaniem tlenków węgla np. do celów hutniczych, pozbędzie się kłopotliwego balastu, uwalniając go do atmosfery.
Szary wodór
Szary wodór powstaje najczęściej w procesie spalania gazu ziemnego, co pozwala rozszczepić ten naturalny surowiec na szereg rozmaitych, lotnych produktów. Pod działaniem pary wodnej o temperaturze 700-1000 °C, w warunkach ciśnienia rzędu 3-25 bar i z użyciem katalizatora, gaz ziemny rozkłada się na wodór i tlenek węgla. Ten ostatni w kolejnej reakcji daje dwutlenek węgla i dodatkową pulę wodoru.
CH4 + H2O (+ energia cieplna) → CO + 3H2
CO + H2O → CO2 + H2 (+ niewielka ilość ciepła)
W roku 2020, koszt produkcji wodoru tą metodą oscyluje wokół zaledwie 1 $/kg, a stosunek otrzymywanego wodoru do tlenków węgla (produktów ubocznych) jest korzystniejszy niż w przypadku wytwarzania opartego na węglu.
Dostajemy więcej, za mniej. Fakt uwalniania gazów cieplarnianych, wciąż jednak czyni szary wodór nieobojętnym dla środowiska. Ponad 70% produkcji światowego wodoru ogółem to wodór szary, przez co nominalnie, to właśnie „szary” typ wyrobu jest największym trucicielem środowiska z tu omawianych.
Niebieski wodór
Błękitny/niebieski wodór to rozwiązanie analogiczne, jak w przypadku wodoru szarego, ale z jedną znaczącą modyfikacją. W tym przypadku, nawet 90 % powstających tlenków węgla jest wychwytywane, aby następnie zostać ponownie przetworzone lub poddane bezpiecznemu składowaniu pod powierzchnią ziemi.
Pod względem jego produkcji, błękitny wodór jest więc paliwem czystszym, ale wymagającym wyższych nakładów, rzędu 1,40 $/kg. Jako rozwiązanie droższe, a przy tym znacznie mniej praktyczne, cieszy się ono małą popularnością i uchodzi za technologię, której znaczenie będzie dopiero wzrastać.
Obecnie na świecie funkcjonuje tylko 19 obiektów, które spełniają funkcję wychwytywania, zagospodarowania i magazynowania związków węgla, powstałych podczas produkcji wodoru.
Skoro przytłaczająca większość rynku należy do metod szarej i brązowej, a skądinąd mało rewolucyjny błękitny wodór jest dziś uznawany za awangardową metodę produkcji, to ostatni z prezentowanych tu „odcieni” przemysłowego wytwórstwa tego gazu, należy traktować w kategoriach odległej i niezwykle ambitnej futurologii.
No właśnie – czym konkretnie jest tzw. zielony wodór?
Zielony wodór – proces produkcji
Energię elektryczną z paneli fotowoltaicznych nazywamy “zieloną”, bo przy jej produkcji, środowisko naturalne nie odnosi żadnej szkody. Analogicznie jest z zielonym wodorem.
Ten wartościowy gaz powstaje w procesie elektrolizy, prowadzonej w urządzeniach zasilanych energią odnawialną. Źródłem pierwiastka jest zaś coś znacznie bardziej ekologicznego, niż węgiel czy gaz ziemny.
To monotlenek diwodoru, czyli… zwykła woda. Związek chemiczny o znanym wszystkim dobrze wzorze H2O. Niemal niewyczerpane źródło wodoru na Ziemi.
Elektroliza polega na wykorzystaniu energii elektrycznej do rozszczepienia cząsteczki wody na wodór i tlen. Aby lepiej zrozumieć to zjawisko, będziemy musieli zacząć od kilku naukowych definicji, ale bez obaw – podamy je w możliwie przystępny sposób.
Elektryczność może „poruszać się” przez ciała stałe (np. miedziane przewody w ścianie), ciecze (znamy z filmów grozy sceny, w których włączona suszarka ląduje nagle w wannie) oraz gazy (np. rozchodzenie się błyskawicy w powietrzu atmosferycznym). Jeśli przewodnictwo prądu odbywa się w cieczy, nośnikiem ładunku elektrycznego są atomy tworzące tę ciecz.
Przykładowo, woda składa się z atomów wodoru i tlenu. Wodny roztwór soli kuchennej (rozpuszczone NaCl), zawiera oprócz tego atomy sodu i chloru. Gdy dany atom funkcjonuje w formie obojętnej, ma wówczas tyle samo ładunków dodatnich i ujemnych, które nawzajem się równoważą.
Jeśli jednak przyjmie choćby jeden nadprogramowy ładunek ujemny (w postaci mobilnej cząstki zwanej elektronem), stanie się wówczas naładowanym ujemnie jonem. Jeśli atom jest w równowadze, a pozbędzie się elektronu – przyjmie on wtedy postać jonu z dodatnim ładunkiem.
Niektóre pierwiastki w postaci jonowej lepiej przewodzą prąd, inne – nieco gorzej (charakteryzują się mniejszą ruchliwością). Ciecz (zwana elektrolitem), w zależności od składu chemicznego, może być znakomitym medium do ruchu ładunków.
Nie wystarczy jednak rozpuścić soli w wodzie, aby w garnku popłynął prąd. Potrzeba jeszcze źródła tych ładunków, które mają przepływać przez roztwór.
Dlatego też w elektrolicie (w naszym przypadku – w wodzie) zanurzamy dwie elektrody. Pierwszą jest katoda, czyli metalowy element, będący nośnikiem elektronów. Drugim jest dodatnio naładowany akceptor elektronów, czyli anoda.
Najprostszy schemat technicznej realizacji elektrolizy wody prezentuje się następująco.
W sąsiedztwie dodatnio naładowanej anody, cząsteczka wody (H2O) oddaje swoje ujemnie naładowane elektrony. Dzieje się tak w myśl uniwersalnej zasady, według której „plus” zawsze będzie przyciągał do siebie „minusa” – wie to każdy, kto w dzieciństwie bawił się magnesami. Z pary (obojętnych) cząsteczek wody zabierane są w sumie cztery ujemne elektrony.
Usunęliśmy z cząsteczki ujemne elementy, więc woda „nabiera” ładunku dodatniego. Tym samym, woda rozpada się na dwa komponenty – gazowy tlen (o ładunku obojętnym), który ulatnia się w postaci widocznych pęcherzyków, oraz pozostały w cieczy wodór w postaci dodatnio naładowanych jonów (H+).
2H2O – 4e– → O2↑ + 4H+
Ten sam jonowy wodór (naładowany dodatnio, bo „ma” niedomiar elektronów), zgodnie z zasadą przyciągania się różnoimiennych biegunów („plus” dąży do „minusa”), dyfunduje w pobliże ujemnie naładowanej katody.
Tam też przyjmuje odpowiednią pulę elektronów, co przywraca go do stanu elektrycznej równowagi. Sumaryczny ładunek znów wynosi zero. Tym samym, jonowy wodór przechodzi do postaci gazowej (naładowanej obojętnie) i opuszcza układ w postaci obserwowalnych w cieczy pęcherzyków.
4H+ + 4e– → 2H2↑
Jak to się dzieje, że z katody cały czas wypływają ładunki ujemne, a anoda wciąż pozostaje naładowana dodatnio?
Obie elektrody połączone są w zamknięty obwód elektryczny, zasilany energią z zewnątrz. Źródło tego zasilania jest dowolne, ale najlepiej, aby dostarczało ono czystą, ekologiczną energię elektryczną, bez emitowania toksycznych produktów ubocznych.
Taką właśnie rolę mogą odegrać panele fotowoltaiczne, które sprzężone z odpowiednim elektrolizerem, pozwolą produkować paliwo wodorowe ze zwykłej wody.
Z uwagi na wysokie wymagania aparaturowe i ograniczoną wydajność ich pracy, aktualny koszt zielonego wodoru dochodzi do 5 $/kg. Jednakże, w miarę postępu technologicznego oraz systematycznie malejących cen prądu z OZE, dostępność i popularność paliwa wodorowego, zwłaszcza produkowanego w sposób bez emisyjny, będzie stopniowo rosnąć.
Obecna skala produkcji zielonego wodoru w skali światowej to skromne 200 tys. ton rocznie. Szacuje się, że zielony wodór może w perspektywie stać się realną konkurencją dla szarego wodoru, ale najwcześniej pod koniec lat ’30 obecnego wieku.
Zielony wodór w przemyśle
Potencjalnych zastosowań dla zielonego wodoru wymyślono już bardzo wiele, choć zdecydowana większość pozostaje na etapie koncepcyjnym i dopiero za jakiś czas doczeka się wdrożenia w skali przemysłowej.
Pierwszym z takich rozwiązań jest możliwość „magazynowania” nadwyżek energii elektrycznej w postaci wodoru.
W polskich warunkach, gdzie przez pół roku tęsknimy za upalnym słońcem, nie jest to może kwestia najwyższej rangi. Sprawa jest jednak bardzo istotna w kontekście takich miejsc, jak usiane wiatrakami Morze Północne, zimową porą regularnie doświadczające sztormowych wiatrów.
Albo też południowo-zachodnie terytoria USA, gdzie klimat sprzyja fotowoltaice przez okrągły rok, a długie letnie dni pozwalają zgromadzić pokaźną rezerwę energii. Dziś jest ona gromadzona w bateriach, bądź to w warunkach przydomowych (off-grid), bądź w ramach zasobów sprzętowych operatora sieci elektroenergetycznej (on-grid).
Część tej puli nigdy nie zostaje wykorzystana i marnuje się. Według szacunków, do roku 2030, byłby to zasób energii rzędu 250-300 TW, który z powodzeniem mógłby zostać spożytkowany do produkcji wodoru.
Wyprodukowany z użyciem paneli fotowoltaicznych, zielony wodór, mógłby z kolei posłużyć jako paliwo, którym zasilone zostałyby m.in. zakłady produkujące prąd elektryczny.
Przechodząc na paliwo wodorowe, spółki energetyczne przestałyby być zależne od paliw kopalnych. Tym samym, ekologiczny prąd nie byłby już tylko domeną prosumentów, ale wszystkich użytkowników energii elektrycznej – również tych, którzy kupują go w sposób tradycyjny od swojego operatora sieci.
Proces dekarbonizacji
Wodór ma też ogromną rolę do odegrania w procesie dekarbonizacji poszczególnych gałęzi przemysłu, które dziś są mocno zależne od surowców kopalnych.
Choć brzmi to jak paradoks, przemysł stalowy produkuje niemal dwa razy więcej CO2 niż stali. Na paliwach produkowanych z ropy naftowej bazuje dziś cały tradycyjny przemysł transportowy – lądowy, morski i powietrzny. Ponad połowa produkowanej na świecie energii jest zużywana do celów związanych z ogrzewaniem (pomieszczeń, wody, etc.). Jest więc ogromny rynek dla innowacyjnych rozwiązań opartych na wodorze.
Ta rewolucja już się zaczęła, choć na tym etapie rozwoju, trzeba mocno wytężyć wzrok, aby ją dostrzec.
Po drogach świata jeździ już ponad 11 tys. wodorowych samochodów, tzw. FCEV, czyli fuel cell electric vehicles. W ich produkcji przodują japońskie i południowokoreańskie koncerny. Samochody na wodór charakteryzują się dłuższym zasięgiem (do 500 km) i krótszym czasem ładowania, rzędu 3-5 minut, aniżeli ich elektryczne odpowiedniki (EV, czyli electric vehicles), które w zależności od obsługiwanej mocy potrzebują nawet półtorej godziny do pełnego uzupełnienia baterii.
W Polsce aktualnie zarejestrowany jest jeden samochód z ogniwami wodorowymi, a obsłużyć go może zero stacji tankowania – bo właśnie tyle mamy do dyspozycji w naszym kraju. Budowę pierwszej stacji przewidziano rok 2021.
We Francji działa już tzw. projekt Hype, który udostępnił dla Paryżan flotę zasilanych wodorem taksówek. Do końca 2020 roku planowane jest osiągnięcie liczby 600 pojazdów. Niestety, firma do swojej działalności używa aktualnie szarego wodoru, co w pewnym stopniu osłabia zachwyt nad tą nowatorską inicjatywą.
Z kolei Toyota testuje właśnie 12 prototypowych, ponad 600-konnych ciągników siodłowych. Te maszyny miałyby w przyszłości wyjechać na drogi Kaliforni, gdzie zastąpią kiedyś konwencjonalne ciężarówki.
Niemiecki Alstom chce produkować pociągi napędzane paliwem wodorowym. W miejsce tradycyjnego diesla, maszyna o wdzięcznej nazwie Coradia iLint, zaopatrzona została w silnik złożony z ogniw wodorowych, wspomagany dodatkowo energią elektryczną z baterii litowo – jonowej.
Ta ostatnia pozwala na bardziej dynamiczny rozruch pojazdu oraz rekuperację energii podczas hamowania. Do końca 2021 roku, firma planuje zbudować 12 takich pociągów. Każdy z nich będzie w stanie osiągnąć prędkość maksymalną 140 km/h i zasięg rzędu 1000 km. Zielony wodór do zasilania pociągów, ma być produkowany przy pomocy turbiny wiatrowej, w ośrodku firmy w mieście Bremervörde.
Podsumowanie
Uważa się, że rok 2043 będzie tym, kiedy bezpowrotnie skończy się era paliw kopalnych.
Coraz bardziej ewidentne jest to, że energetyka oparta na surowcach odnawialnych, takich jak światło słoneczne, energia prądów wodnych czy wiatru, nie wystarczy, aby całkowicie zrekompensować straty związane z tą transformacją.
To wodór jest dziś nadzieją na zachowanie wystarczająco wysokiego poziomu produkcji energii, który pozwoli pokryć wciąż rosnące zapotrzebowanie ludzkości na prąd i ciepło.
Jako metoda komplementarna do rozmaitych technik OZE, zasilanie wodorem może nie tylko wybawić nas od nieuchronnego kryzysu surowcowego, ale i przy okazji wpłynąć pozytywnie na stan środowiska naturalnego.