Wodór regularnie pojawia się w dyskusjach o transformacji energetycznej jako paliwo, które ma pomóc ograniczyć zużycie węgla, gazu ziemnego i ropy. Na pierwszy rzut oka pomysł wydaje się bardzo atrakcyjny: podczas wykorzystania wodoru w ogniwie paliwowym produktem reakcji jest przede wszystkim woda, a nie dwutlenek węgla. Problem zaczyna się jednak wtedy, gdy spojrzymy na cały proces – od produkcji wodoru, przez jego sprężanie i transport, aż po ponowne przekształcenie zgromadzonej energii.
Z perspektywy inżynierskiej wodór nie jest bowiem źródłem energii, lecz jej nośnikiem. Trzeba go najpierw wyprodukować, zużywając do tego energię. Dlatego jego rzeczywista ekologiczność zależy przede wszystkim od sposobu wytwarzania oraz od tego, gdzie zostanie później wykorzystany.
Skąd właściwie bierze się wodór?
Wodór jest jednym z najpowszechniejszych pierwiastków we Wszechświecie, ale na Ziemi rzadko występuje w postaci czystego gazu. Zazwyczaj jest związany z innymi pierwiastkami, między innymi w cząsteczkach wody czy węglowodorach.
Oznacza to, że aby uzyskać wodór możliwy do wykorzystania przemysłowego, trzeba najpierw rozdzielić odpowiednie związki chemiczne.
Jedną z tradycyjnych metod jest produkcja wodoru z gazu ziemnego. Technologia ta jest dobrze rozwinięta i stosunkowo efektywna, lecz wiąże się z emisją dwutlenku węgla.
Alternatywą jest elektroliza wody.
W elektrolizerze energia elektryczna powoduje rozdzielenie cząsteczek wody na wodór i tlen. Jeżeli energia elektryczna pochodzi ze źródeł odnawialnych, mówi się o tzw. zielonym wodorze.
Właśnie ten wariant jest szczególnie interesujący z punktu widzenia transformacji energetycznej.
Dlaczego nie używać po prostu energii elektrycznej?
To jedno z najważniejszych pytań dotyczących gospodarki wodorowej.
Jeżeli mamy energię elektryczną z farmy wiatrowej lub fotowoltaicznej, możemy przesłać ją przewodami bezpośrednio do odbiornika. Produkcja wodoru oznacza dodatkowy etap konwersji, a każdy taki etap wiąże się ze stratami.
Najpierw energia elektryczna zasila elektrolizer. Następnie wodór trzeba oczyścić, sprężyć albo skroplić. Potem należy go przetransportować lub magazynować. Jeśli na końcu ponownie zamieniamy wodór w energię elektryczną w ogniwie paliwowym, pojawia się kolejna strata.
Z punktu widzenia sprawności energetycznej bezpośrednie wykorzystanie prądu jest więc w wielu przypadkach korzystniejsze.
Nie oznacza to jednak, że wodór jest niepotrzebny.
Jego przewaga pojawia się przede wszystkim tam, gdzie bezpośrednia elektryfikacja jest trudna albo gdzie trzeba magazynować duże ilości energii przez długi czas.
Wodór jako magazyn energii
Produkcja energii z wiatru i słońca zależy od pogody.
W niektórych godzinach system elektroenergetyczny może otrzymywać więcej energii, niż jest w stanie natychmiast wykorzystać. Innym razem produkcja gwałtownie spada.
Akumulatory dobrze sprawdzają się w magazynowaniu energii przez kilka godzin, jednak magazynowanie sezonowe jest znacznie trudniejsze.
Tu pojawia się potencjalna rola wodoru.
Nadwyżkę energii elektrycznej można wykorzystać do elektrolizy wody, a wyprodukowany wodór przechować na później. Energia zgromadzona latem mogłaby teoretycznie zostać wykorzystana zimą.
Skala takich instalacji może być znacznie większa niż w przypadku typowych akumulatorów.
Wodór można przechowywać w zbiornikach, instalacjach podziemnych albo wykorzystywać do produkcji innych paliw i związków chemicznych.
Magazynowanie wodoru nie jest łatwe
Wodór jest niezwykle lekkim gazem.
Aby zgromadzić wystarczającą ilość energii w niewielkiej objętości, trzeba go sprężać do bardzo wysokich ciśnień albo schładzać do temperatury, przy której staje się cieczą.
Oba rozwiązania wymagają energii i specjalistycznej infrastruktury.
Zbiorniki wysokociśnieniowe muszą być wytrzymałe mechanicznie i szczelne. Wodór ma bardzo małe cząsteczki, dzięki czemu może przenikać przez materiały znacznie łatwiej niż wiele innych gazów.
Dodatkowym problemem jest oddziaływanie wodoru na niektóre metale.
Może dochodzić do zjawisk prowadzących do pogorszenia właściwości materiału, dlatego rurociągi, zawory, uszczelnienia i zbiorniki muszą być projektowane z uwzględnieniem specyfiki medium.
Czy istniejące gazociągi można wykorzystać do wodoru?
To jeden z kierunków rozważanych przy budowie infrastruktury wodorowej.
Teoretycznie część istniejącej sieci gazowej mogłaby być dostosowana do transportu mieszaniny gazu ziemnego i wodoru, a w niektórych przypadkach również wodoru o dużym stężeniu.
Nie oznacza to jednak, że można po prostu wprowadzić wodór do dowolnego gazociągu.
Trzeba ocenić materiał rur, uszczelnienia, armaturę, sprężarki oraz urządzenia odbiorców.
Inne są również właściwości energetyczne gazu.
Ta sama objętość wodoru zawiera mniej energii niż gaz ziemny, co oznacza, że dla dostarczenia podobnej ilości energii konieczne są odpowiednie przepływy.
Transformacja infrastruktury gazowej będzie więc zadaniem wymagającym wielu analiz technicznych, a nie wyłącznie decyzji administracyjnej.
Gdzie wodór ma największy sens?
Najbardziej racjonalne wydaje się wykorzystywanie wodoru tam, gdzie alternatyw niskoemisyjnych jest niewiele.
Przykładem może być przemysł ciężki.
Niektóre procesy hutnicze wymagają nie tylko wysokiej temperatury, ale również odpowiednich reakcji chemicznych. Wodór może w takich zastosowaniach pełnić rolę reduktora, zastępując część surowców opartych na węglu.
Kolejnym obszarem jest przemysł chemiczny.
Wodór już dziś jest wykorzystywany jako surowiec, między innymi do produkcji amoniaku. Zastąpienie wodoru wytwarzanego z paliw kopalnych wodorem produkowanym z energii odnawialnej może więc zmniejszyć emisje bez konieczności tworzenia zupełnie nowych zastosowań.
Interesujące są również paliwa syntetyczne.
Wodór może reagować z dwutlenkiem węgla, tworząc związki nadające się do wykorzystania jako paliwa dla sektorów, w których bezpośrednie zastosowanie akumulatorów jest trudne.
Samochód wodorowy czy elektryczny?
Wodór często przedstawiany jest jako konkurencja dla samochodów akumulatorowych.
W przypadku typowego samochodu osobowego sytuacja nie jest jednak oczywista.
Energia elektryczna może zostać bezpośrednio zmagazynowana w akumulatorze i wykorzystana przez silnik elektryczny. W przypadku wodoru konieczna jest elektroliza, sprężanie, transport i ponowna zamiana energii w ogniwie paliwowym.
Oznacza to większą liczbę etapów i wyższe straty.
Wodór może natomiast znaleźć zastosowanie w wybranych segmentach transportu ciężkiego, przemysłowego lub dalekobieżnego, szczególnie tam, gdzie masa i czas ładowania dużych akumulatorów byłyby problemem.
Nie oznacza to jednak, że jest rozwiązaniem automatycznie najlepszym. O wyborze technologii powinien decydować bilans energetyczny, koszty infrastruktury oraz charakter pracy pojazdu.
Zielony wodór potrzebuje ogromnych ilości energii
Największym wyzwaniem gospodarki wodorowej jest skala.
Jeżeli wodór ma zastępować paliwa kopalne w dużych sektorach gospodarki, trzeba będzie wyprodukować ogromne ilości energii elektrycznej potrzebnej do zasilania elektrolizerów.
Nie wystarczy więc zbudować samych instalacji wodorowych.
Równolegle potrzebne są nowe farmy wiatrowe, fotowoltaiczne, sieci przesyłowe, magazyny i infrastruktura przemysłowa.
To ważny argument przeciwko traktowaniu wodoru jako prostego sposobu na rozwiązanie wszystkich problemów energetycznych.
Jeżeli energię elektryczną można wykorzystać bezpośrednio, zazwyczaj warto najpierw rozważyć właśnie takie rozwiązanie.
Wodór powinien być wykorzystywany przede wszystkim tam, gdzie jego szczególne właściwości dają rzeczywistą przewagę.
Wodór nie jest cudownym paliwem, ale może być ważnym narzędziem
Przyszłość wodoru prawdopodobnie nie będzie wyglądała tak, że każdy samochód, dom i urządzenie zacznie korzystać z tego paliwa.
Znacznie bardziej prawdopodobny jest model, w którym wodór stanie się specjalistycznym nośnikiem energii dla konkretnych sektorów.
Może pomagać w magazynowaniu nadwyżek energii odnawialnej, dekarbonizacji przemysłu ciężkiego oraz produkcji paliw i związków chemicznych.
Jego ekologiczność zależy jednak od sposobu produkcji.
Wodór wytwarzany przy wykorzystaniu paliw kopalnych nie rozwiązuje automatycznie problemu emisji. Dopiero połączenie elektrolizy z niskoemisyjną energią tworzy możliwość wykorzystania go jako elementu transformacji energetycznej.
Z inżynierskiego punktu widzenia najważniejsze jest więc odejście od prostego pytania: „czy wodór jest ekologiczny?”. Właściwe pytanie brzmi: gdzie wykorzystanie wodoru pozwala osiągnąć lepszy efekt niż dostępne alternatywy?
Dopiero taka analiza pokazuje jego rzeczywistą rolę w energetyce przyszłości.
