Dołącz do czytelników
Brak wyników

PROGNOZY

13 kwietnia 2022

NR 2 (Marzec 2022)

Czy wodór będzie paliwem przyszłości?
Trzy kolory wodoru

0 147

To pytanie zadaje sobie wielu. Odpowiedzi nie zna nikt, choć niektórzy są pewni, że ta przyszłość jest świetlista. Jednak najczęściej twierdzą tak osoby zupełnie niezorientowane w temacie.

Od kilku lat często można usłyszeć, że „tylko wodór” albo „tylko samochody elektryczne” są przyszłością. Choć takie stwierdzenia padają najczęściej z ust ludzi niemających większego pojęcia o tych zagadnieniach. Wiele osób dzisiaj nie wie nawet, że „samochód wodorowy” to samochód elektryczny, w którym prąd do napędzania silnika lub silników uzyskuje się w wyniku połączenia wodoru z tlenem (upraszczając), zamiast z naładowanych akumulatorów. Skąd bierze się ten optymizm? Zacznijmy od przypomnienia.

POLECAMY

Powtórka z chemii i fizyki

Wodór ma symbol chemiczny H i liczbę atomową 1 (najmniejsza ze wszystkich). Najbardziej „znany” jest ze wzoru H2O, czyli chemicznego zapisu niezbędnej nam do życia wody. To najczęściej występujący pierwiastek na Ziemi i we wszechświecie. Ten argument pewnie najbardziej przemawia do optymistów widzących w wodorze paliwo przyszłości.
Już w XVI w. udało się pierwszy raz sztucznie otrzymać wodór. Pod koniec XVIII w. brytyjski uczony Henry Cavendish odkrył, że po spaleniu wodoru powstaje woda. 
Obecnie ponad 90% światowej produkcji przemysłowej wodoru odbywa się metodą reformingu gazu ziemnego, czyli reakcji wykorzystującej metan i parę wodną. W tym procesie produktem ubocznym jest CO₂. 
Ale jest to sposób stosunkowo tani i dlatego tak często stosowany. W raporcie „Zielony wodór z OZE w Polsce 2021” czytamy, że uśrednione koszty produkcji 1 kg wodoru metodą reformingu parowego wynoszą w USA, Rosji i na Bliskim Wschodzie ok. 1 dol., podczas gdy w UE jest to 1,7 dol., a w Chinach 1,75 dol. W Polsce koszt ten oscyluje w granicach 7 zł za 1 kg wodoru (przy cenie gazu 1200 zł za 1000 m³).
Drugą, powszechnie znaną metodą otrzymywania czystego wodoru jest elektroliza wody. Sam proces jest prosty, jednak największa wada tej metody, to spore zużycie prądu elektrycznego. Potrzeba w niej 40–60 kWh do wyprodukowania 1 kg wodoru. Dla porównania lodówka w mieszkaniu zużywa, w zależności od wielkości i warunków eksploatacji, od 200 do 450 kWh rocznie. Dlatego elektroliza może być opłacalna, gdy korzystamy z odnawialnych źródeł energii. Spełnia też wówczas normy klimatyczne.

Kolorowy wodór

Biorąc pod uwagę produkt końcowy w produkcji wodoru, mówi się o „trzech kolorach”. Zielony, otrzymywany przez elektrolizę wody, gdy w 100% energia elektryczna użyta w tym procesie pochodzi ze źródeł odnawialnych (bez emisji CO₂), takich jak wiatr czy słońce. O niebieskim wodorze mówimy, gdy jest produkowany bez powstawania dodatkowej emisji, czyli np. używając energii jądrowej. Gdy produkcja przebiega w sposób tradycyjny i towarzyszy jej emisja CO₂ i innych szkodliwych substancji, mówimy o wodorze szarym. 
Polska jest obecnie 3. producentem wodoru w Europie (według Polskiej Strategii Wodorowej, o której niżej). Przed nami są tylko Niemcy i Holandia. Wielkość naszej rocznej produkcji wodoru wynosi ok. 1,3 mln t. Ale udział pozyskiwania wodoru w drodze elektrolizy wody jest znikomy. Produkcja odbywa się głównie w dużych zakładach przemysłowych, gdzie wodór jest wykorzystywany w procesach przemysłowych.
W tym miejscu ważna informacja techniczna: do napędu silników elektrycznych potrzebny jest czysty wodór. Kiedyś jeden z przedstawicieli rządu wypowiedział jakże optymistyczną tezę: „przecież mamy tyle wodoru”. Owszem, ale związanego z innymi pierwiastkami. Niewykluczone, że w przyszłości będzie wykorzystywana metoda otrzymywania wodoru z węgla kamiennego lub brunatnego. Australia i Japonia już eksperymentują w ten sposób. Z 1 t węgla brunatnego można uzyskać ok. 50 kg wodoru, zaś z kamiennego ponad 160 kg. Być może jest to sposób na wykorzystanie naszych złóż, które przypomnijmy, według deklaracji prezydenta na szczycie klimatycznym COP24 w Katowicach, mają być eksploatowane do 2049 r. Oczywiście wszystko rozbije się w przyszłości o koszt produkcji 1 kg wodoru.

Magazynowanie wodoru

To druga przeszkoda, związana z potencjalnym „paliwem przyszłości”. Wodór nadaje się do przechowywania w stanie gazowym lub ciekłym. Jako gaz może być magazynowany pod wysokim ciśnieniem (200–800 barów), lecz nawet w takiej postaci jego gęstość objętościowa jest ok. 10 razy mniejsza niż benzyny. W przypadku samochodów to duży problem. Przy magazynowaniu wodoru pod ciśnieniem 700 bar, gaz stanowi zaledwie 12% masy zbiornika. Lekkie, kompozytowe zbiorniki na wodór są dopiero na etapie rozwoju. Ich cena także nie jest niska. Większą kompresję wodoru można uzyskać przez obniżenie jego temperatury od -120 do niespełna -200°C, ale samo oziębienie i utrzymanie takiej temperatury również sporo kosztuje. 
Nie lepiej jest z ciekłym wodorem, który może być magazynowany w temp. ok. -250°C, ale nie wyższej niż -240°C (temp. krytyczna H). Mamy więc tu ten sam problem, schłodzenia i utrzymania takiej temperatury. Dzienne straty płynnego wodoru w zbiorniku wahają się w przedziale 1–3%. 
Dla zobrazowania różnicy: samochód osobowy potrzebuje ok. 70 l benzyny, aby przejechać 500 km. Do przebycia tego samego dystansu potrzeba 184 l skroplonego wodoru lub 650 l sprężonego (250 atm) wodoru w temp. 20°C. To obrazuje, jak duży musi być zbiornik paliwa w aucie osobowym. Zaletą w porównaniu do ładowania akumulatorów samochodu elektrycznego (od 30 min. do kilku godzin) jest pełne zatankowanie zbiornika wodoru w ok. 3-5 min. W przypadku dużych zbiorników może się nieco wydłużyć, ale i tak jest nieporównywalnie krótsze.

Polska Strategia Wodorowa do roku 2030

Ministerstwo Klimatu i Środowiska pod koniec sierpnia 2021 r. ogłosiło nasz plan wykorzystania wodoru w najbliższych latach. 2 listopada 2021 r. Rada Ministrów przyjęła dokument. „Jest dokumentem strategicznym, który określa główne cele rozwoju gospodarki wodorowej w Polsce i kierunki interwencji, jakie są pożądane dla ich osiągnięcia” – czytamy we wstępie. Określa trzy główne obszary wykorzystania wodoru: energetyka, transport i przemysł. Program sam w sobie nie przedstawia alternatywnych propozycji, a jedynie na przyjętym w nim poziomie szczegółowości definiuje cele i działania w zakresie rozwoju niskoemisyjnej gospodarki wodorowej w Polsce.
Dalej czytamy, że „W polskich warunkach geograficznych i pogodowych szacuje się, że produkcja odnawialnego wodoru najszybciej osiągnie rentowność przy wykorzystaniu energii elektrycznej z morskich farm wiatrowych, jednocześnie potencjalnie zwiększając konkurencyjność morskiej energetyki wiatrowej. Pozyskiwanie odnawialnego wodoru w efektywny sposób zbilansuje produkcję energii elektrycznej pozyskiwanej z farm fotowoltaicznych (zwłaszcza wielkoskalowych), multiplikując potencjał szybko rosnącego sektora inwestycji PV.
Morskie farmy wiatrowe charakteryzują się stosunkowo wysokim współczynnikiem efektywności działania w ciągu roku (tzw. Capacity Factor), która w polskiej strefie Morza Bałtyckiego oscyluje w granicach 45–50%”. Mówimy więc docelowo o „zielonym” wodorze.
Dokument zawiera dużo ogólników, chwilami przypominających minioną epokę. Niewiele jest w nim konkretów. Jednym z wyjątków jest fragment mówiący o transporcie: „Ocenia się, że w horyzoncie czasowym do 5 lat zapotrzebowanie na wodór w sektorze transportu w Polsce wynie...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • sześć numerów magazynu „Logistyka a Jakość”,
  • dodatkowe artykuły niepublikowane w formie papierowej,
  • dostęp do czasopisma w wersji online,
  • dostęp do wszystkich archiwalnych wydań magazynu oraz dodatków specjalnych...
  • ... i wiele więcej!
Sprawdź szczegóły

Przypisy