Wodór już od kilku lat jest przewodnim tematem szeroko dyskutowanym w świecie polityki, biznesu, przemysłu i nauki. Choć sam wodór, jak i jego technika wytwarzania i zużycia nie jest żadną nowinką technologiczną, znajduje się on aktualnie na ustach wszystkich i jest przedstawiany jako nośnik energii przyszłości. Dlaczego tak się dzieje? Przyjrzyjmy się chociażby kilku wybranym aspektom, dla których ma to miejsce.
Wodór, jak i jego technologia wytwarzania znana jest już od bardzo dawna. Ten najmniejszy i najprostszy element od wielu już lat jest również kluczowym surowcem przede wszystkim dla przemysłu chemicznego. Jego znaczenie jednak szczególnie w ostatnich latach znacznie wzrosło, co więcej przez wielu fachowców traktowany jest jako jedyna odpowiedź na wyzwania stojące przed ludzkością. Dzieje się dlatego, ponieważ zmiana klimatu na świecie i związana z nią konieczność redukcji gazów cieplarnianych poprzez odstąpienie od kopalnych źródeł energii i zastąpienie ich odnawialnymi (OZE), jak również transformacja przemysłowa wymaga zmian w całych szeregach łańcuchów produkcyjnych, a wodór ze względu na jego unikalne jak i wielorakie własności jest w stanie być tego najistotniejszym ogniwem. Integracja źródeł OZE ze względu na ich fluktuacyjny charakter generowania energii elektrycznej stawia operatorów sieci elektroenergetycznych przed nie lada wyzwaniem. Dzieje się tak ponieważ w celu zachowania stabilności systemu elektroenergetycznego (wymagane wartości skuteczne napięcia oraz częstotliwości) wytwarzanie energii musi ciągle znajdować się w równowadze z jej podażą. Wcześniej ten bilans był gwarantowany poprzez zmianę wytwarzania w termicznych, opartych na paliwach kopalnych elektrowniach. Z oczywistych powodów generacji ze źródeł OZE nie da się w ten sposób regulować, aby możliwym było szybkie i dokładne dopasowanie do aktualnego obciążenia sieci. Szczególnie dobitnie ten problem widać we wschodnich Niemczech, gdzie w celu uniknięcia systemu przed kolapsem tzw. blackout operator sieci od dawna już zmuszony jest sięgać po wiele drastycznych środków zaradczych m.in. wyłączanie turbin wiatrowych. Energii elektrycznej niestety nie można skutecznie zmagazynować w systemie, a użycie kondensatorów i akumulatorów jest co najwyżej pomocne do chwilowej poprawy sytuacji ze względu na ich niewielką pojemność, nie wspominając o innych problematycznych aspektach np. ekonomicznych.
Technologia wodorowa zaś może stać się „narzędziem” bilansującym. System oparty na odnawialnych źródłach energii, w którym to nadwyżka energii może być w prosty sposób zmagazynowana w postaci energii chemicznej (wodoru) na bazie procesu elektrolizy. Z drugiej jednak strony w przypadku niedoboru mocy w systemie wesprzeć go poprzez reakcje odwrotną mianowicie-rekonwersję wodoru w ogniwach paliwowych. Magazynowanie wodoru z technicznego punktu widzenia nie stanowi już żadnego problemu, a badania nad jego nowymi innowacyjnymi sposobami zorientowanymi na poprawę ekonomiczność jak i wielopostaciowość pozwalają przypuszczać na jego jeszcze szersze spektrum zastosowania np. w postaci płynnej (eng. Liguid Organic Hydrogen Carrier LOHC lub e-Fuels). Wodór w przeciwieństwie do wspomnianych już innych magazynach energii potrafi magazynować ogromne ilości energii w bardzo długim czasie. Polska jest trzecim co do wielkości producentem wodoru głównie dla przemysłu chemicznego w tym produkcji nawozów (amoniak) tudzież paliwowego w Europie. Wodór ten jednak, to tak zwany „wodór szary” uzyskiwany z paliw kopalnych w procesie reformacji parowej i obarczony wysoką emisją dwutlenku węgla. Chcąc zredukować emisję gazów cieplarnianych należy zainwestować w tzw. „wodór zielony”, który uzyskuje się w procesie elektrolizy wody, gdzie źródłami energii elektrycznej niezbędnej do rozszczepienia wody na jego fundamentalne składniki, czyli wodór i tlen, stanowią wyłącznie źródła OZE. Proces ten nie przyczynia się do zmian klimatu podobnie jak i rekonwersja wodoru zielonego w ogniwie paliwowych, w którym to zachodzi proces zimnego spalania wodoru z tlenem, w wyniku którego generowany jest prąd eklektyczny, a jedynym produktem ubocznym tej reakcji jest czysta woda.
Co stoi więc na przeszkodzenie w procesie transformacji energicznej na zielony wodór? Niestety wodór ma również kilka negatywnych właściwości, które to spowalniają integrację tej technologii. Po pierwsze wodór, aczkolwiek stanowi największą część wszechświata oraz nie brakuje go również na naszej planecie, występuje niestety przeważnie nie w czystej postaci, lecz z uwagi na jego tendencje chemiczne, w postaci związków z innymi pierwiastkami. Powoduje to, iż w celu stworzenia jego w czystej postaci nieodzownym jest pewien dodatkowy nakład energii. Wodór cechuje się co prawda bardzo dużą gęstością energii w przeliczeniu na masę (1kg H2 zawiera w sobie trzykrotnie więcej energii niż 1 kg benzyny), lecz niestety jego gęstość energii w normalnych warunkach, w odniesieniu do objętości, jest już znacznie mniejsza. Kolejną barierą do pokonania są aspekty ekonomiczno socjalne. Wytwarzanie przede wszystkim zielonego wodoru jest na dzień dzisiejszy znacznie droższe niż szarego. Ciągle brakuje infrastruktury w celu zwiększenia jego zużycia. Co prawda stosunkowo szybko i ekonomicznie można wodór przesyłać poprzez istniejącą infrastrukturę gazu zielnego, po dokonaniu na niektórych jego odcinkach modyfikacji materiałowej, lecz ich szybkie przekształcenie jak i wybudowanie nowych tras „wodorociągów” z wielu względów ciągle znajduje się tylko w planach. Wspomnieć należy również, że wodór w niektórych środowiskach ciągle kojarzy się jako bardzo niebezpieczny, łatwo wybuchowy gaz (technicznie ten aspekt został już rozwiązany), co skutkuje bardzo niską akceptacją jego użycia.
Niestety nie da się w skrócie opisać wszystkich aspektów z tym związanych. Chciałbym jednak państwu zwrócić uwagę na ogromy potencjach wodoru. Warto wspomnieć chociażby o takich zagadnieniach jak: silniki spalinowe na bazie wodoru (silnik Wankla), elektryczne samochody (osobowe, ciężarowe) wodorowe na bazie ogniw paliwowych, wykorzystanie ciepła odpadowego w procesie elektrolizy dla celów grzewczych, zastąpienie węgla wodorem np. w produkcji stali i wiele więcej.
Zielony wodór jest odpowiedzią na współczesne wyzwania wielu branż i wpisuje się w strategię Unii Europejskiej, mającej na celu przeciwdziałanie zmian klimatu. Obecnie na całym świecie realizowanych i planowych jest dużo przedsięwzięć. Inwestowanych jest dużo środków i pracy w celu dalszego rozwoju i implementacji technologii wodorowych, m.in. trwają intensywne badania naukowe, przygotowywane i przeprowadzane są projekty pilotaże, studia wykonalności oraz szkolenia. W Polsce w tym kontekście należy wspomnieć chociażby o dolinach wodorowych, a u nas w województwie lubuskim bardzo interesująco zapowiadają się chociażby lubuska izba klastrów oraz planowana ponadgraniczna sieć wodorowa.
dr inż. Artur Napierała
prof. dr inż. Hans Joachim Krautz
dr inż. Artur Napierała
Centrum Technologii Energetycznych
CEBra w Cottbus (Niemcy), Łużyckiej
Sieci Wodorowej „Durch2atmen”, Projekt
„Zainicjowanie Transgranicznej Sieci
Wodorowej w regionie Sprewa-Nysa-Bóbr,
z uwzględnieniem regionu Nysa”.
