W artykule przyjrzymy się kilku wyzwaniom, z jakimi musi zmierzyć się sektor wodorowy. Choć temat jest szeroko omawiany, skupimy się na aspektach często pomijanych w debacie publicznej, które naszym zdaniem mogą mieć kluczowe znaczenie dla przyszłości rozwoju gospodarki wodorowej.
Koszt
Cena paliwa wodorowego na stacji tankowania dziś wynosi 69 PLN/kg. Oznacza to, że pojazd osobowy FCEV, wykorzystujący od 0,8 do 1 kg wodoru na przejechanie 100 km generuje koszt od 55 do 69 PLN. W innych krajach koszt 1 kg wodoru wynosi od 29 PLN/kg w Korei Południowej do ponad 100 PLN/kg w Austrii i USA.
Dla porównania pojazd napędzany benzyną, zużywający około 6,5 l/100km tego paliwa generuje koszt około 55 PLN. Przyjęty poziom konsumpcji stanowi po uwzględnieniu średniej sprawności i kaloryczności ekwiwalent energii zmagazynowanej w 0,8 kg wodoru. Ten sam silnik, przystosowany do zasilania wyłącznie paliwem LPG, bez dotrysku benzyny, generuje koszt około 30 PLN. Silnik wysokoprężny, chcąc wykonać tę samą pracę musi wykorzystać olej napędowy o przybliżonym koszcie 33 PLN. Szacowane koszty zostały określone dla hipotetycznej trasy przebytej przez rozpatrywane pojazdy w korzystnych warunkach ruchu drogowego. Dla przykładu, intensywne wykorzystanie pojazdu w warunkach miejskich, cyklu mieszanym lub podczas przejazdów drogami szybkiego ruchu i autostradami będzie skutkować zdecydowanie wyższymi kosztami przejazdów, sięgających nawet wartości dwukrotnie większych.
W przypadku pojazdu z silnikiem benzynowym, o sprawności najniższej z wszystkich wymienionych, koszt przejechania 100 km w podobnych warunkach jest niemal tożsamy do pojazdu wodorowego. Wraz z popularyzacją technologii ogniw paliwowych, spodziewany koszt paliwa wodorowego stanie się jeszcze bardziej przystępny. Wraz z wprowadzeniem podatku ETS2, który wpłynie na ceny paliw na stacjach benzynowych, wodór jako paliwo przyszłości wydaje się być coraz atrakcyjniejszą alternatywą.
Przenikalność wodoru
Wodór, jako najmniejsza stabilna cząstka w przyrodzie, cechuje się relatywnie niewielkimi, jak na atom, rozmiarami. Powoduje to stosunkowo szybką ucieczkę tego gazu ze zbiorników, w jakich mógłby być przechowywany.
Prędkość, z jaką wodór przenika przez strukturę ściany zbiornika zależy od powierzchni bocznej, ciśnienia magazynowanego wodoru oraz od budowy i struktury samego materiału. Różnice w tempie przenikania wodoru pomiędzy poszczególnymi materiałami w tym zakresie sięgają wielu rzędów wielkości. Począwszy na zbiornikach stalowych, poprzez materiały polimerowe, kończąc na materiałach porowatych i betonie, przenikalność wodoru będzie przybierała skalę od μm3 do tysięcy m3 w ciągu kilkudziesięciu dni dla podobnych poziomów ciśnień i powierzchni badanego zbiornika. Poszczególne materiały, z jakich wykonywane są zbiorniki, takie jak stal, aluminium, włókna węglowe, szklane mają wpływ nie tylko na przenikalność wodoru, ale także na koszt i masę otrzymywanego zbiornika.
Zbiorniki wodoru dzielimy na 5 typów:
| Typ: | Opis budowy, zastosowanie, maksymalne ciśnienie: |
| 1 | Wykonanie w całości ze stali lub aluminium. Stosowane jako zbiornik długoterminowy paliwa wodorowego. Ciśnienie magazynowanego gazu do 200 bar. |
| 2 | Metalowa konstrukcja, otoczona włóknem węglowym wokół środkowej sekcji zbiornika. Wykorzystanie stacjonarne. Ciśnienie wodoru do 300 bar. |
| 3 | Wykonanie z włókna szklanego lub węglowego, okładzina metalowa. Pojazdy FCEV. Ciśnienie gazu do 700 bar. |
| 4 | Wykonanie z włókna szklanego lub węglowego, okładzina z plastiku. Pojazdy FCEV. Ciśnienie gazu do 700 bar. |
| 5 | Wykonanie kompozytowe. Wykorzystywane do pojazdów FCEV, przemysł lotniczy i kosmiczny. Ciśnienie wodoru do 1000 bar. |
Długotrwałe przechowywanie paliwa wodorowego w zbiornikach kompozytowych może się okazać nie tylko nieefektywne kosztowo, ale również może prowadzić do ucieczki gazowego wodoru do atmosfery. Stąd stacjonarne magazynowanie długoterminowe będzie najefektywniejsze z wykorzystaniem zbiorników typu 1 i 2.
Emisja paliwa wodorowego w cyklu od jego wytwarzania do wykorzystania
W całym cyklu życia paliwa wodorowego, tj. od jego uzyskania, poprzez przechowywanie, transport i docelowe wykorzystanie, obserwuje się jego ucieczkę. Skala ucieczki, jej prędkość i całkowity wpływ na koszt końcowy wodoru będzie zależny od technologii wytwarzania wodoru, sposobu jego przechowywania, tankowania, transportu itd. Przykładowo, produkcja szarego bądź niebieskiego wodoru wiąże się z stratą sięgającą od 0,5 do 1,5%. Produkcja wodoru elektrolitycznego może się wiązać ze stratą sięgającą nawet 4%. Spośród metod transportu paliwa wodorowego najkorzystniejszym będzie odpowiednio przystosowany gazociąg, operujący na ograniczonym terenie, np. klastra energii, co pozwoli ograniczyć wyciek do 0,5% wodoru. Szacuje się, że transport drogowy sprężonego wodoru będzie cechował się największą stratą, sięgającą nawet 5%. Wykorzystanie wodoru bezpośrednio na miejscu jego produkcji, np. jako produkowany w niewielkich ilościach gaz chłodzący w elektrowniach, pozwoli uniknąć jego nadmiarowej przypadkowej emisji. Zastosowanie wodoru w różnych sektorach gospodarki, np. przemysł petrochemiczny, tankowanie pojazdów FCEV czy energetyki zawodowej również będzie wywoływać stratę sięgającą kolejnych kilku procent[1].
Strata wodoru dziś w skrajnych przypadkach może wynosić od kilku do nawet kilkunastu procent. Wraz z rozwojem i wzrostem dojrzałości technologii wodorowych niepożądana emisja wodoru będzie sukcesywnie ograniczana do minimum.
[1] ZHIYUAN FAN, HADIA SHEERAZI, AMAR BHARDWAJ, ANNE-SOPHIE CORBEAU, KATHRYN LONGOBARDI, ADALBERTO CASTAÑEDA, ANN-KATHRIN MERZ, DR. CALEB M. WOODALL, MAHAK AGRAWAL, SEBASTIAN OROZCO-SANCHEZ, DR. JULIO FRIEDMANN, HYDROGEN LEAKAGE: A POTENTIAL RISK FOR THE HYDROGEN ECONOMY, 2022
