Z okazji Międzynarodowego Dnia Wodoru i Ogniw Paliwowych obalamy 3 mity na temat wodoru, które nadal jeszcze budzą wątpliwości co do atrakcyjności jego zastosowania jako nowego paliwa w gospodarce światowej.
Już od kilku lat, 8 października obchodzimy Międzynarodowy Dzień Wodoru i Ogniw Paliwowych. Nie bez powodu. W nomenklaturze międzynarodowej data ta trafnie nawiązuje do masy atomowej tego wyjątkowego pierwiastka (1.008). Z roku na rok popularność wodoru jako „paliwa przyszłości” wzrasta. Pomimo rosnącej świadomości społeczeństwa i przedstawicieli przemysłu, w debacie publicznej nadal utrwalane są mity, które intensyfikują obawy przed jego powszechnym stosowaniem. Dziś chcemy podjąć rozważania nad kilkoma z nich i spróbować przekonać Cię, że wodór nie jest wcale taki straszny, jak go malują.
Mit 1. Wodór jest zbyt wybuchowy i niebezpieczny, by mógł być powszechnie stosowany
To najczęściej powtarzany mit dotyczący wodoru. Nie ukrywamy, że temat jego wybuchowości poruszaliśmy nie raz. Bezpieczeństwo technologii jest dla nas bowiem aspektem kluczowym (więcej na ten temat dowiesz się tutaj). Ale od początku…
Od dawna podkreślamy, że wodór nie jest paliwem ani mniej, ani bardziej niebezpiecznym niż znane i od lat powszechnie eksploatowane paliwa węglowodorowe. Różni się jednak od nich określonymi właściwościami. To ich poznanie i dogłębne zrozumienie umożliwią powszechne wykorzystanie paliwa w sposób świadomy i bezpieczny.
Niezaprzeczalnym faktem jest, że jeśli chodzi o projektowanie i bezpieczeństwo instalacji wodór pozostaje paliwem wymagającym. W standardowych warunkach (temperaturze i ciśnieniu) przyjmuje postać gazu bezwonnego, bezbarwnego i jest ok. 14 razy lżejszy od powietrza, przez co szybko unosi się w otwartej przestrzeni. Z jednej strony jest to wyzwanie dla projektantów, gdyż wycieki z instalacji nie są łatwo wykrywalne ludzkimi zmysłami, a niewielkie rozmiary cząsteczek wodoru przyczyniają się do jego przenikania przez materiały i powstawania tzw. zjawiska kruchości wodorowej. Z drugiej, dyfuzyjność wodoru możemy potraktować jako znaczny walor nowego paliwa. W przypadku wystąpienia awarii i uwolnienia, będzie się on szybko unosił i rozpraszał w otwartej przestrzeni, dzięki czemu stosunkowo szybko ulegnie rozcieńczeniu w powietrzu.
Jest to szczególnie istotne z perspektywy zakresu palności wodoru. Do jego zapłonu dochodzi, jeśli zawartość w powietrzu jest poniżej Górnej Granicy Palności (UFL) oraz powyżej Dolnej Granicy Palności (LFL) oraz jeśli dodatkowo wystąpi katalizator stanowiący źródło zapłonu, np. w postaci iskry. Bez wątpienia, zakres palności wodoru jest dużo szerszy niż w przypadku pozostałych paliw i wynosi ok. 4-77% w mieszaninie z powietrzem, przy czym jeszcze szerszy jest w mieszaninie z czystym tlenem. Jedną z form ochrony przed niekontrolowanym spalaniem paliwa jest eliminacja potencjalnych źródeł zapłonu (katalizatorów). To właśnie odpowiednie projektowanie instalacji i dobór komponentów oraz staranne zarządzanie wodorem sprawiają, że nie objawia się on wyższym ryzykiem niż pozostałe paliwa węglowodorowe, których stosowanie, o czym często zapominamy, również wymaga spełnienia określonych norm i standardów bezpieczeństwa.
Mit 2. Wodór jest paliwem ekologicznym i odnawialnym
To mit szczególnie podchwytliwy. Nie dlatego, że nieprawdziwy, ale dlatego, że często niesłusznie wykorzystywany w debatach jako promocja wodoru z paliw konwencjonalnych. O ile samo spalanie wodoru można traktować jako przyjazne środowisku (nie zawiera węgla ani siarki, a podczas spalania nie są wytwarzane CO, CO2, SOx, sadza oraz inne cząstki stałe), o tyle kwestią kluczową dla określenia paliwa mianem ekologicznego pozostaje źródło jego pochodzenia. Obecnie ok. 96% łącznej produkcji wodoru na świecie opiera się na paliwach konwencjonalnych, głównie gazie ziemnym i węglu, i jest zdominowana przez metodę zwaną reformingiem parowym metanu (Steam Methan Reforming). Według szacunków, tak wytwarzany wodór (szary) może odpowiadać za globalną emisję nawet 830 mln t CO2e rocznie, przez co przyczynia się do pogłębienia problemów środowiskowych.
Rozwiązaniem tego problemu ma być m.in. wykorzystanie metod wychwytu i utylizacji dwutlenku węgla (CCUS), których zastosowanie w procesie produkcji wodoru z paliw kopalnych (w tym wypadku określanego mianem niebieskiego) ma znacznie redukować emisje – w zależności od technologii o 50-90%. W 2021 r., w raporcie „How green is blue hydrogen?” naukowcy Uniwersytetów Stanford i Cornell udowadniali jednak, że jeśli weźmiemy pod uwagę pełen cykl życia paliwa, produkcja wodoru niebieskiego może generować nawet o 20% wyższy ślad gazów cieplarnianych niż produkcja bez uwzględnienia wychwytu CO2. Jedną z przyczyn tego stanu rzeczy jest konieczność zapewnienia dodatkowej energii do napędzania aparatury do wychwytu.
Odnawialnym wodorem będzie więc jedynie taki, który został wyprodukowany z wykorzystaniem energii z OZE. W potocznej nomenklaturze określany jest mianem wodoru zielonego. Wytwarza się go za pomocą elektrolizy wody w specjalnych urządzeniach zwanych generatorami wodoru lub po prostu elektrolizerami. Jeśli do procesu wykorzystamy energię ze źródeł odnawialnych – słonecznych, wiatrowych czy wodnych, otrzymujemy bezemisyjne paliwo w całym łańcuchu jego produkcji i eksploatacji.
Mit 3. Produkcja odnawialnego wodoru wymaga zbyt dużych nakładów energetycznych i finansowych, by nazwać go efektywnym i atrakcyjnym paliwem
Energia może być zamieniana z jednej postaci w inną, przy czym konwersja zawsze związana jest z powstawaniem określonych strat energetycznych. Dotyczy to nie tylko przemiany energii elektrycznej w chemiczną wodoru w procesie elektrolizy i odwrotnie, ale nawet wykorzystywanych obecnie paliw konwencjonalnych.
Średnio do produkcji 1kg wodoru za pomocą elektrolizy potrzeba ok. 9l wody oraz ok. 55-65 kWh energii elektrycznej, przy czym efektywność jest ściśle uzależniona od stosowanej technologii. Obecnie, wśród najbardziej obiecujących typów elektrolizerów wymienia się elektrolizery alkaliczne, elektrolizery z membraną elektrolitowo-polimerową (PEM), elektrolizery stałotlenkowe (SOEC) oraz elektrolizery z membraną anionową (AEM). Pierwsze z nich cechują się najwyższą dojrzałością technologiczną oraz stosunkowo niskimi kosztami zakupu i eksploatacji ze względu na brak konieczności wykorzystania materiałów szlachetnych. Elektrolizery PEM są na etapie szybkiego rozwoju i komercjalizacji. Posiadają prostą konstrukcję oraz szybszą reakcję dynamiczną w porównaniu z elektrolizerami alkalicznymi, a także szeroki zakres regulacji. W ich produkcji wykorzystuje się platynę oraz iryd, przez co charakteryzują je wyższe koszty inwestycji oraz krótszy okres eksploatacji. Elektrolizery stałotlenkowe są obecnie w fazie badań i rozwoju, jednak już teraz wykazują szczególnie wysoką sprawność na poziomie ok. 80-90%.
W odniesieniu do produkcji barierą dla atrakcyjności wodoru z elektrolizy pozostają potencjalnie wysokie koszty energii elektrycznej (z naciskiem na odnawialną) i zakupu urządzeń (stosunkowo niewielka liczba producentów) oraz żywotność komponentów. Mitem jest jednak twierdzenie, że technologie pozostaną zbyt drogie, aby mogły być powszechnie stosowane już na przestrzeni końca dekady. Jak udowadniają prognozy, wraz z rozwojem rynku i efektem skali, koszty zakupu i eksploatacji elektrolizerów będą znacząco maleć, przyczyniając się do zwiększenia opłacalności produkcji w sposób bezemisyjny. Tym bardziej, że maleć mają również ceny energii pochodzącej z OZE. Przyczyną będzie m.in. wzrost liczby instalacji związany z koniecznością spełnienia celu 45% udziału OZE w łącznym koszyku energetycznym UE.
Malejące ceny będą wpływać bezpośrednio na koszt produkcji, a przez to cenę wodoru. Dla przykładu, analizy koalicji Green Hydrogen Catapult zakładają możliwość obniżenia ceny wodoru do 2 USD/kg do 2026 r., a w ramach planu „Earthshot” administracja Prezydenta Bidena celuje w osiągnięcie ceny 1 USD/kg wodoru do 2030 r.[1]. W Europie z kolei, organizacja Hydrogen Europe prognozuje możliwość osiągnięcia ceny wodoru na poziomie 2 EUR/kg już w 2030 r.
Nie ukrywamy, że ponowne przetworzenie wodoru w energię elektryczną za pomocą ogniw paliwowych jest obarczone znacznymi stratami, gdyż z 1 kg wodoru uzyskujemy średnio ok. 16 kWh energii elektrycznej. Jednak podobnie jak w przypadku elektrolizerów i tu znacząca jest technologia wykorzystana w procesie. Na rynku dostępne są bowiem różne typy ogniw paliwowych, charakteryzujących się określoną sprawnością:
- alkaliczne (60-70%)
- z membraną protonową (40-60%)
- z membraną protonową, zasilane metanolem (20-30%)
- z kwasem fosforanowym (55%)
- ze stopionym węglanem (65%)
- ze stałym tlenkiem (60-65%)[2].
Warto zaznaczyć, że cały czas prowadzone są prace oraz ogłaszane całkowicie nowe projekty nad technologią ogniw paliwowych, które mają na celu zwiększenie ich sprawności, a przez to efektywności konwersji i opłacalności wykorzystania wodoru jako nośnika i magazynu energii w różnych sektorach i zastosowaniach.
Wodór w użyciu końcowym cechuje się wysoką wydajnością, wynikającą z jego gęstości energetycznej, która jest ponad dwadzieścia razy większa niż w przypadku węgla brunatnego i ponad trzy razy niż oleju opałowego czy ropy naftowej. Dodatkowo, w momencie eksploatacji wodoru wydzielane jest ciepło, które również może zostać wykorzystane. Biorąc pod uwagę wskazaną efektywność paliwa, będącą dodatkową wartością dla użytkowników, można uznać, że jest ona w stanie rekompensować straty oraz koszty konwersji. Tym bardziej, że choć bezpośrednia elektryfikacja byłaby bardziej wydajna energetycznie, nie jest możliwa w niektórych sektorach. Szczególnie utrudniona jest w transporcie długodystansowym i przemyśle ciężkim (stalowym), który wymaga stosowania wysokich temperatur i cechuje się wysoką energochłonnością. Ta, biorąc pod uwagę obecne ceny rynkowe energii konwencjonalnej przestaje być opłacalna.
[1] sciencefocus.com
[2] P. Grygiel, H. Sodolski, Laboratorium Konwersji Energii, 2014
