Wodór coraz częściej jest typowany jako paliwo przyszłości. Jego niewątpliwe zalety, a także ogłaszane przez kolejne państwa i Unię Europejską strategię rozwijania technologii jego produkcji i wykorzystania, optymistycznie nastawiają do tych prognoz. Z tego artykułu dowiesz się czym jest wodór i jakie ma zastosowanie w energetyce.
Czym jest wodór?
Zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu, wodór był pierwszym pierwiastkiem który „wykrystalizował” się z „pierwotnej zupy”. Około 14 mld lat temu, gdy przestrzeń ochłodziła się na tyle by mogły zacząć powstawać cząsteczki jakie znamy dzisiaj, cały wszechświat był wypełniony wodorem.
Na tablicy Mendelejewa, wodór zajmuje pierwsze miejsce, z liczbą atomową równą 1 i jest oznaczony literą H. Ma najprostszą budowę ze wszystkich znanych pierwiastków. Składa się z zaledwie jednego dodatnio naładowanego protonu i krążącego wokół niego ujemnie naładowanego elektronu. Wodór w swojej naturalnej formie jest bezbarwny, bezwonny, nietoksyczny, nie ma smaku i jest łatwopalny. Jest nie tylko najpowszechniej występującym pierwiastkiem we wszechświecie, ale również najpowszechniej używanym paliwem we wszechświecie. Prawie każda gwiazda (poza tymi naprawdę dużymi), używa go do przeprowadzania fuzji termojądrowej. Proces ten jest przeciwieństwem rozczepienia jąder atomów promieniotwórczych używanych w elektrowniach i bombach jądrowych. Dzisiejsza technologia, co prawda pozwala nam stworzyć sztuczne słońce na ziemi i połączyć cząsteczki wodoru tworząc przy tym hel. Jednak koszt energetyczny utrzymania cząsteczek wodoru w stanie plazmy znacznie przekracza ilość energii, jaką możemy otrzymać z całego procesu. Dlatego jak na razie fuzja termojądrowa jako odpowiedz na kryzys energetyczny, pozostaje pieśnią przyszłości. Na całe szczęście nie potrzebujemy reaktorów termojądrowych, by wykorzystać ten najpowszechniej występujący pierwiastek.
Rodzaje wodoru i sposób jego otrzymywania
Pomimo, że wodór jak już wspomniałem, jest najpowszechniej występującym pierwiastkiem we wszechświecie, to ze względu na łatwość, z jaką łączy się z innymi elementami, bardzo rzadko występuje na Ziemi samotnie. Najczęściej można go spotkać w cząstce wody, czyli H20. Ta niechęć do pozostawania w swobodnej formie sprawia, że żeby móc go użyć, musimy go wcześniej „wydobyć”. W zależności od sposobu, w jaki to robimy, wodór będziemy nazywać innym kolorem. Wyprodukowany gaz, fizycznie jest oczywiście pozbawiony barwy, a nazwy, jakie mu nadajemy oznaczają tylko sposób jego produkcji.
Wodór szary:
Wodór szary jest to najpowszechniej występujący dzisiaj rodzaj wodoru. Otrzymuję się go na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest reforming parowy i jest on dominującą metodą produkcji wodoru. Polega na podgrzaniu wody i metanu do temperatury dochodzącej do 1000 stopni Celsjusza w obecności metalicznego katalizatora. Pod wpływem temperatury wytrąca się wodór i dwutlenek węgla. Drugim sposobem produkcji szarego wodoru jest zagazowywanie węgla. W procesie tym parę wodną wtłacza się do złoża węgla, gdzie dochodzi do reakcji chemicznej, której produktami są wodór i tlenek węgla. Przy użyciu obu metod produktem ubocznym są gazy cieplarniane. Wodór szary to dziś najtańszy rodzaj wodoru. Jego cena kształtuje się w granicach 1 USD za kg.
Wodór niebieski:
Do produkcji wodoru niebieskiego, podobnie jak wodoru szarego używa się nieodnawialnych źródeł energii. To, co odróżnia te dwie metody, to proces zmniejszenia emisyjności poprzez zastosowanie technologii wychwytu dwutlenku węgla w przypadku produkcji wodoru niebieskiego. Gazy cieplarniane są następnie składowane lub wykorzystywanie ponownie. Cena za kg jest trochę droższa od wodoru szarego i wynosi ok. 1,4 USD za kg.
Wodór zielony:
Wodór zielony, jak sama nazwa wskazuje, pozyskiwany jest wyłącznie za pomocą nieemisyjnych źródeł energii. Jest to zdecydowanie najbardziej pożądany rodzaj wodoru na rynku. Otrzymywany jest w procesie zwanym elektrolizą. W jego wyniku cząsteczki wody rozbijane są za pomocą energii elektrycznej na wodór i tlen. Proces produkcji w oczywisty sposób przekłada się na cenę zielonego wodoru, która wacha się na rynku w przedziale od 2,5 USD do ponad 8 USD za kg
Głównym zastosowaniem wodoru w energetyce są ogniwa paliwowe. Są to urządzenia, które energię chemiczną zamieniają w energię elektryczną. Do działania potrzebują paliwa i utleniacza. Ogniwa paliwowe w przeciwieństwie do tradycyjnych metod generowania energii elektrycznej do jej produkcji nie używają procesu spalania. Dzięki temu do atmosfery nie ulatniają się szkodliwe związki takie jak tlenki azotu, siarki, węglowodorów czy węgla odpowiedzialne za powstawanie dziury ozonowej i efekt cieplarniany. Proces, do którego dochodzi w ogniwach paliwowych to dokładnie ten sam proces, do jakiego dochodzi w znanych nam powszechnie bateriach i akumulatorach. To, co różni te technologie to proces dostarczania substancji elektroaktywnych (paliwo i utleniacz) do urządzenia. W tradycyjnych ogniwach substancje znajdują się już wewnątrz urządzenia. Po wykorzystaniu całego zasobu energii bateria jest do wyrzucenia. Akumulator można co prawda ponownie naładować, jednak jego efektywność spada z wiekiem. W ogniwach paliwowych paliwo i utleniacz dostarczane są z zewnątrz. Teoretycznie są więc w stanie działać, dopóki nie skończy im się paliwo, które można uzupełniać podobnie jak w silnikach spalinowych. Ogniwa paliwowe nie są oczywiście nieziszczalne i w dalszym ciągu podlegają uszkodzeniom takim jak korozja, czy urazy mechaniczne, które skracają czas funkcjonowania ogniw.
Ogniwa paliwowe znajdują szerokie zastosowanie. Ze względu na ich niezawodność i stosunkowo wysoką efektywność używa się ich do dostarczania energii w miejscach pozbawionych dostępu do sieci energetycznej. Ciekawym użyciem jest ich wykorzystanie jako napęd okrętów podwodnych, a także sond kosmicznych. Coraz częściej ogniwa paliwowe stosuje się do silników spalinowych. Trwają zaawansowane prace nad ich wykorzystaniem jako źródło energii do silników elektrycznych w samochodach, pociągach, a także na statkach i promach
Wodór jako magazyn energii.
Jednym z najciekawszych sposobów użycia wodoru są magazyny energii. Odnawialne źródła energii pomimo swoich niewątpliwych zalet, posiadają jedną dużą wadę – są niestabilne. Zarówno elektrownie słoneczne, jak i wiatrowe produkują energię elektryczną tylko wtedy, gdy panują odpowiednie ku temu warunki. Ta zależność od środowiska sprawia, że nie możemy w całości się na nich opierać i potrzebujemy innych — tradycyjnych źródeł energii, które będą stabilizowały sieć w momencie niedoboru energii. Można również pójść inną drogą i magazynować nadwyżkę energii elektrycznej w momencie, gdy OZE produkują ją w nadmiarze i oddawać z powrotem do sieci, gdy warunki atmosferyczne są gorsze. Tradycyjne sposoby magazynowania energii w tym akumulatory litowo-jonowe, są dzisiaj drogie i nie mają wystarczającej pojemności, dlatego dla wielu, wodór wydaje się tu bardzo dobrym rozwiązaniem.
Cała idea polega na użyciu znanego nam przy produkcji zielonego wodoru procesu elektrolizy. W momencie, gdy OZE produkują prąd w nadmiarze, jest on wykorzystywany do produkcji wodoru, który jest magazynowany. W momencie, gdy sieć wymaga dodatkowej energii, ogniwa paliwowe wytwarzają ze zmagazynowanego gazu energię stabilizując sieć. Technologia ta powoli już jest wykorzystywana, z pozytywnym skutkiem.
Duże inwestycje w wodór
Wodór znajduje swoje zastosowanie nie tylko w energetyce, ale również w innych gałęziach przemysłu. Wykorzystywany jest w chemii, w branży rafineryjnej, petrochemicznej, a ponadto pierwsze próby dowiodły, że może również być użyty do produkcji stali oraz cementu.
Ten potencjał nie mógł nie zostać niezauważony przez rządzących. W ostatnich latach swoje strategie dotyczące rozwijania technologii wodorowych przedstawiło już kilkanaście państw na świecie, w tym również Polska.
Projekt Polskiej Strategii Wodorowej zakłada, że do 2025 roku łączne inwestycje w technologie wodorowe mają przekroczyć 2 mld zł. Do 2030 roku ma to być już łącznie 17 mld zł. Środki mają zostać głównie przeznaczone na rozwijanie zdolności magazynowania, produkcji i wykorzystania wodoru w transporcie. Jednym ze sztandarowych pomysłów strategii jest użycie nadwyżek energii z planowanych morskich farm wiatrowych na Bałtyku do produkcji zielonego wodoru. Według twórców projektu wodór może być szansą na dekarbonizację polskiego przemysłu. Strategia jest w tej chwili na etapie konsultacji społecznych. Wejście jej w życie planuje się na drugą połowę bieżącego roku.