Ostatnio coraz więcej mówi się o energii wodorowej lub gospodarce wodorowej. O wykorzystaniu wodoru jako głównego nośnika energii dla różnych urządzeń. Dlaczego się o tym dyskutuje?
Ponieważ głównymi problemami, które pojawiają się obecnie w produkcji energii elektrycznej, ciepła i w transporcie, są problemy środowiskowe.
Wodór, wydawać by się mogło, jest dobry, bo jedynym produktem jego spalania jest woda. Więc cokolwiek robisz, masz całkowicie czyste środowisko. Niestety to nie do końca prawda. Wodór sam w sobie jest uważany za bardzo czyste paliwo, które jest wygodne w użyciu. I to też nie jest do końca prawda. Uważa się, że wodór może być tani, a posiadanie systemu z wodorem jako jedynym nośnikiem energii może być ekonomicznie uzasadnione. Uważa się także że, wodór jest najlżejszą i najbardziej energochłonną substancją, jaką można wykorzystać.
Czy wodór rzeczywiście jest idealnym źródłem energii.
O wykorzystaniu wodoru jako źródła energii.
Czy wodór jest rzeczywiście czystym źródłem energii?
Może, ale nie musi, być czystym źródłem energii.
Dlaczego nie?
Zależy to od tego, w jakim urządzeniu będziemy przetwarzać wodór.
Jeśli sprawimy, że wodór będzie się palił, co w rezultacie otrzymamy? Wygląda na to, że to tylko woda. A to nieprawda, bo powietrze zawsze zawiera azot.
Z jakimi głównymi emisjami z konwencjonalnego samochodu mamy do czynienia?
Są to tlenki azotu, ponieważ w podwyższonej temperaturze cząsteczki azotu i cząsteczki tlenu w powietrzu zaczynają reagować ze sobą, tworząc dość toksyczne substancje. Powodują one, między innymi, kwaśne deszcze, które przyczyniają się do bardzo dużego zanieczyszczenia środowiska. Nie zależy to od tego, co spalasz. Cokolwiek spalasz, jeśli temperatura jest wyższa niż 600 stopni, to powoli, powoli azot będzie reagował z tlenem.
Czy można się pozbyć tlenku azotu i czy jest to konieczne?
Tak, absolutnie. I z tym też nie ma problemu, bo istnieją urządzenia zwane ogniwami paliwowymi. Mogą one pracować w niskich temperaturach. Są to urządzenia, które przetwarzają energię chemiczną wodoru lub wodoru bezpośrednio na energię elektryczną, omijając etap ogrzewania.
Jakie są tego zalety?
Jest wysokowydajny, ponieważ poddawany jest bezpośredniemu recyklingowi. I naprawdę nie ma tu absolutnie żadnej emisji. Wodór możemy więc wykorzystywać na różne sposoby. I w zależności od tego zastosowania, możemy uzyskać ogromne korzyści dla środowiska lub nie. Spalanie wodoru nadal powoduje znacznie mniejszą emisję niż spalanie paliw węglowodorowych, ale emisja nadal istnieje. W przypadku jego zastosowania w urządzeniach elektrochemicznych w ogniwie paliwowym, po prostu nie ma. Tzn. absolutna czystość tego produktu.
Jeśli uzyskujemy energię elektryczną z energii cieplnej, konsekwentnie przechodzimy przez kilka etapów, którym towarzyszy nie tylko zanieczyszczenie środowiska, ale także dramatyczny wzrost złożoności konstrukcji. To ruchome części, to wysokie temperatury, to różnorodne smarowanie, to wszystko, co jest potrzebne do funkcjonowania. Jest to również konwersja energii mechanicznej na energię elektryczną, co jest dość skomplikowaną technicznie konstrukcją.
Ogniwa paliwowe, jak każde urządzenie elektrochemiczne, jest dość prostą konstrukcją. Nie ma w nim ani jednej ruchomej części. Wszystkie części są nieruchome, wszystkie części są dobrze wymienialne. Nadal jest drogi, ale to chyba bardziej wynika z faktu, że nie ma ich zbyt wiele w sprzedaży. Jest to wciąż rodzący się rynek. I jest szansa, że będą tańsze. A koszt energii elektrycznej wytwarzanej przez ogniwo paliwowe będzie porównywalny, a może nawet lepszy niż energii elektrycznej wytwarzanej w sposób konwencjonalny.
Czy wodór jest rzeczywiście najczystszym paliwem?
A gdzie są wady? W rzeczywistości jest wiele wad. I to jest często wykorzystywane przez przeciwników energii wodorowej.
Źródła elektryczne są lepsze niż spalinowe.
Dlaczego to nie prawda? Ponieważ jeśli używamy energii elektrycznej, najpierw ją skądś pobieramy. Wszystko, o czym mówimy, to nie są pierwotne źródła energii. To sprawa drugorzędna. Jest to magazyn i generator energii. Innymi słowy, najpierw musimy uzyskać albo energię elektryczną, albo wodór.
Porozmawiajmy o elektryczności. Pobieramy ją z sieci. Większość z nich może być generowana na różne sposoby. Jeśli przyjrzymy się krajom słabo rozwiniętym, większość energii pochodzi z węgla. Gdy pozyskujemy energię elektryczną, zanieczyszczamy środowisko w taki sam sposób, a nawet gorzej, niż gdy używamy węglowodorów bezpośrednio w naszych samochodach lub z innego lokalnego źródła.
Tak samo jest z wodorem. Aby uzyskać wodór, prawdopodobnie będziemy musieli zużywać energię elektryczną. Jeśli zużyjemy brudną energię elektryczną, na końcu otrzymamy brudny wodór. Jest czysty tam, gdzie go używamy, ale jest brudny tam, gdzie go dostajemy.
W rzeczywistości czystość zależy to od tego, jak skonfigurowane są sieci energetyczne w tym czy innym kraju. Jeśli większość dostarczanej energii jest czysta, tzn. pochodzi z elektrowni wodnych lub jądrowych, to produkując zarówno energię elektryczną, jak i wodór, nie zanieczyszczamy środowiska. To znaczy, zależy to od tego, kto jest głównym źródłem energii.
Czy produkcja wodoru musi być brudna?
Istnieje wiele sposobów, ale najtańsze dwa. Metal reaguje z kwasem, wytwarzając wodór. Wiele związków chemicznych, po rozpuszczeniu w wodzie, wydziela wodór. Są to jednak drogie metody produkcji. A co najważniejsze, nie jest to ani uzasadnione ekologicznie, ani ekonomicznie. Chociaż pierwszy wodór w dużych ilościach uzyskano przepuszczając podgrzaną wodę przez dyszę żelaznej armaty. Innymi słowy, jest to rozkład wody na wodór i tlen. Jak się ją teraz produkuje? Główną metodą jest oddziaływanie węgla z parą wodną lub oddziaływanie dowolnego węglowodorowego surowca z parą wodną. Nazywa się to reformingiem lub przemianą gazowo-parową. Mamy tu wszystkie uroki konwencjonalnej energii węglowodorowej. Jeśli mówimy o wodorze jako nośniku energii, chcielibyśmy, aby był on nie węglowy, tzn. nie tylko nie powodował emisji CO2, ale w szczególności tlenków azotu, ale także nie zanieczyszczał naszego środowiska w inny sposób.
Mówiąc obecnie o ekologii i przyjazności dla środowiska zastosowania wodoru, nie mamy na myśli jedynie bezpośredniego zanieczyszczenia środowiska chemikaliami. Mamy również na myśli zanieczyszczenie gazami cieplarnianymi. Przede wszystkim mamy na myśli dwutlenek węgla lub metan. Jeżeli będziemy stosować surowce węglowodorowe, to oczywiste jest, że będziemy zanieczyszczać środowisko tymi samymi substancjami. Jeżeli produkujemy konwersję z węgla, to węgiel będzie nadal emitowany na końcu w postaci dwutlenku węgla, bez względu na to, jak się z nim obchodzimy. Jaki byłby tu zysk w postaci emisji gazów cieplarnianych, a nie zwykłych toksycznych, niebezpiecznych dla środowiska substancji? Po pierwsze, ma to związek z wydajnością. Jeśli spalimy metan, uzyskamy wydajność energetyczną na poziomie 30%. A co za tym idzie, na każdą jednostkę energii otrzymamy taką samą ilość dwutlenku węgla.
Czy możemy się pozbyć CO2?
Musimy tylko zwiększyć wydajność rafinacji. Jeśli przekształcimy metan w CO i H, wydajność tego procesu jest bardzo wysoka. Jeżeli będziemy przetwarzać wodór na energię elektryczną z wysoką wydajnością, a ta wydajność w przemyśle energetycznym wynosi 80-90%, to całkowita wydajność od początku do końca wyniesie ponad 60%. W związku z tym emisja dwutlenku węgla zmniejszy się co najmniej o połowę. Istnieją inne sposoby na pozbycie się dwutlenku węgla i CO. Jest to przekształcanie ich w paliwa płynne. CO jest w rzeczywistości dobrym produktem chemicznym, który może być wykorzystany do produkcji metanolu i innych użytecznych substancji. To znaczy, można z tego zrobić wiele. Można je poddać recyklingowi, zamiast wyrzucać. I to zmienia ten obraz bardzo radykalnie.
Sytuacja z węglem jest nieco bardziej skomplikowana, ponieważ sam węgiel, jako węgiel naturalny, jest dość zanieczyszczony. I tu również będziemy musieli wychwytywać zanieczyszczenia, które były zawarte w pierwotnym węglu. Substancje te, które można uzyskać z CO, są również źródłem energii. Oznacza to, że metan może być rozkładany na całkiem czysty wodór oraz na paliwa płynne, które mogą być wykorzystywane w innych gałęziach przemysłu. A to z jednej strony zmniejsza emisję gazów cieplarnianych. A z drugiej strony umożliwia tanią produkcję innych wyrobów.
Elektroliza
Inną metodą produkcji jest elektroliza. Jest prawdopodobnie najbardziej znana, ponieważ najwięcej się o niej mówi. Jest droga. Jest to metoda znacznie droższa niż produkcja węglowodorów, ale całkowicie przyjazna dla środowiska. Ponieważ rozkładając wodę otrzymujemy osobno wodór, a osobno tlen. Jest czysty, nie jest niczym skażony. Wadą jest to, że do produkcji wodoru marnujemy sporo energii elektrycznej. Prawo zachowania energii mówi, że więcej energii wkładamy w rozkładanie wody niż otrzymujemy podczas jej spalania. Większość instalacji w środowisku miejskim to instalacje elektrolizy.
Jeśli otrzymujesz energię elektryczną z odnawialnych, alternatywnych źródeł energii. Słońce świeci tylko przez pół dnia, ale świeci tak mocno, że można uzyskać energię na całą noc. Można ją naładować do akumulatora lub wykorzystać nadmiar energii elektrycznej do wytworzenia wodoru. Z drugiej strony jeśli spojrzeć na nasze elektrownie, pracują one z mniej więcej stałą wydajnością. Jednocześnie moc ta jest wyższa niż zapotrzebowanie konsumentów. Jest on zaprojektowany dla maksymalnych obciążeń, a nie dla obciążeń normalnych. Typowy przykład. Zużywamy o wiele więcej energii elektrycznej w ciągu dnia niż w nocy. Śpimy w nocy. A elektrownia produkowała i nadal produkuje wymaganą ilość energii elektrycznej. Jest to obciążenie szczytowe, kiedy zużywamy znacznie więcej niż wynosi średnie obciążenie. I są chwile, kiedy musimy gdzieś pozbyć się tych nadmiarów.
Oczywiście, przy scentralizowanej sieci energetycznej, jest ona konwencjonalnie pompowana do innych obszarów, choć z niską wydajnością. Można ją jednak gromadzić i wykorzystywać do produkcji tego samego wodoru. Dotyczy to w szczególności elektrowni jądrowych, gdzie trudno jest modyfikować ilość wytwarzanej energii . A sama ich pojemność jest ogromna. Dlatego wodór może być warunkowo darmowy, ponieważ mamy warunkowo darmową energię elektryczną, tzn. w momencie, gdy jest jej nadmiar i nie ma gdzie jej zutylizować.
Czy wodór może być przyjazny dla środowiska?
Może być, jeśli jest produkowany przez elektrolizę, wykorzystując nadwyżkę energii elektrycznej, która jest już wytwarzana.
Czy wodór może być tani, jeśli nie mamy nadmiaru energii elektrycznej?
Może być.
Może być produkowany z różnych lokalnych źródeł węglowodorów. Ale aby było to tanie, musimy poddać recyklingowi wszystkie te produkty, które są produkowane w tym samym czasie.
Jest jeszcze jedna technologia. Obecnie prace w tej dziedzinie, tj. prace naukowe, a nie jak dotąd praktyczne prace w zakresie produkcji wodoru, zaczęły się rozwijać bardzo aktywnie. Metan, czyli nasz gaz ziemny, to CH4. Patrząc na wzór, możemy już zrozumieć, że jeśli podgrzejemy tę substancję bardzo mocno, rozpadnie się ona na węgiel lub grafit, lub dowolną modyfikację węgla i wodoru. I nie będziemy mieli żadnych zanieczyszczeń CO2. Jest to tzw. krakowanie, czyli rozkład temperaturowy. I jest on obecnie bardzo aktywnie wykorzystywany, ponieważ możemy używać tego węgla, który jest wykorzystywany w różnych produkcjach. To również jest produkt. Ale najważniejsze jest to, że pozostawiliśmy, a nie wyemitowaliśmy, dwutlenku węgla do środowiska.
Wodór może być więc stosowany bez zanieczyszczeń. Wodór może być produkowany bez zanieczyszczeń. W związku z tym wodór może być produkowany dość tanio. Przy okazji mogę powiedzieć, że nawet teraz jest to dość niedrogi produkt. Wodór jest substancją produkowaną w zakładach produkcyjnych na dużą skalę.
Gdzie obecnie masowo stosuje się wodór?
Zacznę od czegoś, co jest nam wszystkim bliższe. To jest produkcja margaryny. Margaryna to zwykły olej roślinny poddany specjalnej obróbce z użyciem wodoru. Jest produkowany masowo. Jest to bardzo tani olej, który ma swoje wady, jak twierdzą dietetycy, ale to już osobny problem. Po drugie, mamy do czynienia z bardzo dużą produkcją tonażu. Są to substancje przeznaczone dla rolnictwa. Przede wszystkim jest to nawóz azotowy. Produkujemy amoniak w ilościach hurtowych. Amoniak to NH3. Jest to związek azotu i wodoru. A tego właśnie w pierwszej kolejności brakuje glebie. Bardzo szybko wypłukuje się z gleby. A bez nawozów azotowych gleba bardzo szybko staje się jałowa. W przyrodzie z tego samego powodu praktycznie nie ma naturalnych związków azotu, które znajdują się w glebie. Znajdowały się tam złoża, np. azotanu sodu, azotanu potasu. Wyspa, na której je wydobywano, nosi nazwę Guano. A znając etymologię tego słowa, łatwo się domyślić, skąd pochodzi ta nazwa.
W przyrodzie nie ma azotu. W przyrodzie nie ma nawozów azotowych. Zawsze otrzymujemy go tylko syntetycznie. To miliony i miliardy ton produkowanych każdego roku z wodoru i azotu. Nawet obecnie w niektórych lokalnych zakładach produkcyjnych wodór jest produktem niezbędnym, produkowanym w dużych ilościach. Jeśli popyt na niego wzrośnie, istnieje duże prawdopodobieństwo, że stanie się on jeszcze tańszy w porównaniu z obecną ceną. Ponieważ udział produkowanego wodoru do nawozów jest jego własną ceną, nie jest to cena hurtowa i nie jest to cena detaliczna, po której otrzymujemy wodór. A cena za produkcję jest niższa niż to, za ile kupujemy.
Druga trudność, która pojawia się przy stosowaniu wodoru. Dobrze jest, gdy go produkujemy i wykorzystujemy tutaj. Nie musi być transportowany. Nie musimy go przechowywać. Mamy go – wykorzystaliśmy go. Jest to dość prosty proces.
Jeśli mówimy o energii wodorowej lub transporcie wodorowym, to musimy dostarczyć wodór do użytkownika. I tu właśnie pojawia się drugi poważny problem. Takie jest obecnie zastosowanie wodoru. Wodór jest bardzo lekkim gazem, bardzo słabo skraplającym się. Teraz musi być transportowany albo w postaci związanej chemicznie, albo w butlach pod wysokim ciśnieniem, albo w postaci płynnej.
Jakie są sposoby transportowania wodoru?
Jest oczywiste, że najłatwiejszym sposobem jest transportowanie go w butli wysokociśnieniowej. Obecnie istnieją lekkie i bardzo niezawodne butle z tworzywa węglowego, które nie potrafią same eksplodować i które po prostu się otwierają, czyli są wystarczająco bezpieczne.
Wodór może być transportowany w takich butlach pod ciśnieniem powyżej 700 atmosfer. Gdy jest go dużo w butli, transport staje się całkiem opłacalny.
Jakie są wady? Gaz musi być sprężony. Jeśli sprężamy gaz, zużywamy dodatkową energię, nie tylko tę, która idzie na wytworzenie wodoru, ale także tę, która idzie na przekształcenie go w stan sprężony.
W związku z tym, jeśli prawidłowo obliczymy, ile energii otrzymamy z wodoru, musimy odjąć tę wartość, a jest ona dość duża. Ale możemy ją przechowywać w takich butlach w nieskończoność i zużywać wystarczająco szybko. Przykładowo, jest to bardzo dobry sposób transportu wodoru do wykorzystania na stacjach tankowania.
Drugą metodą jest przechowywanie i transport w stanie ciekłym. W stanie ciekłym nie ma dużo więcej wodoru niż w stanie gazowym. Są to ilości porównywalne.
Pojawiają się jednak inne problemy. Są to problemy związane z bardzo niskimi temperaturami. Ponieważ temperatura skraplania wodoru jest bardzo niska, różni się tylko o kilka stopni od zera absolutnego.
Ponadto w tych temperaturach odparowuje wodór. Oznacza to, że nadmiar tego wodoru musi zostać gdzieś zutylizowany. Chociaż, pamiętając o rosyjskim przemyśle kosmicznym, okazuje się, że wodór można transportować w nowoczesnych urządzeniach. A straty są niewielkie i ekonomicznie okazuje się to całkiem opłacalne.
Mogę powiedzieć, że technologie transportu LNG i wodoru są podobne. Owszem, temperatura różni się o kilkadziesiąt stopni, ale technologia jest ta sama. Koszty są nieco inne. Wydamy więcej energii na skraplanie wodoru niż na skraplanie gazu ziemnego.
Przechowywanie wodoru
Przechowywanie w stanie chemicznym. Obecnie istnieje wiele projektów lub małych gałęzi przemysłu, które mówią: “Dlaczego musimy przechodzić przez te wszystkie kłopoty, skoro możemy transportować wodór związany chemicznie?”. Mamy metan. To już jest chemicznie związany wodór. Umieść na końcu konwerter, o którym Ci mówiliśmy. I tu właśnie pojawia się wodór. To jedno z rozwiązań. W przypadku stacji benzynowej lub stacji, gdzie transportuje się lub zużywa LNG, można obok niej umieścić konwerter, który będzie przetwarzał ten sam LNG na wodór. To jest jakieś rozwiązanie problemu i jakieś rozwiązanie transportowe.
Jest to o tyle złe, że zanieczyszcza środowisko. Przy produkcji na dużą skalę łatwo oczyszczamy zanieczyszczenia, tzn. o wiele łatwiej jest umieścić urządzenie czyszczące na dużej jednostce. A duża produkcja jest o wiele łatwiejsza do uporządkowania niż produkcja lokalna.
Drugi sposób. Istnieją chemicznie powiązane substancje, które mogą absorbować i uwalniać wodór. Z lekcji chemii organicznej pamiętasz związek, który nazywasz toluenem. Jest to pierścień benzenowy z przyłączoną do niego grupą CH3.
Jeśli dodamy do niego kilka cząsteczek wodoru, zamieni się on w związek, w którym wszystkie wiązania podwójne są nasycone wodorem. Ostatecznym węglowodorem jest węglowodór cykliczny, którym byłby cykloheksan.
Proces ten może być odwracalny. Jeśli obliczyć, ta ilość wodoru jest proporcjonalna do ilości, którą nosimy w zbiorniku. Ale ta substancja jest płynna, więc w zwykłym ładunku olejowym można przewozić nie olej, ale wodór w związanym związku organicznym.
Masowo syntetyzowany amoniak jest obecnie bardzo szeroko dyskutowany, choć moim zdaniem jest to trochę ślepy zaułek. Amoniak jest związkiem azotu i wodoru. I który, jeśli jest silnie ogrzewany, rozkłada się z powrotem na wodór i azot.
Ogniwo paliwowe
Wszystkie te metody mają jedną wielką wadę. Jeśli użyjemy, jak powiedzieliśmy, wodoru jako źródła, aby ogniwo paliwowe było naprawdę przyjazne dla środowiska, musimy mieć bardzo czysty wodór. Oznacza to, że zanieczyszczenie związkami organicznymi musi być mniejsze niż 5 ppm, czyli mniej niż 5 milionowych części tego zanieczyszczenia organicznego lub CO w wodorze. Tak więc głównym elementem produkcji wodoru nie będzie sama jednostka produkująca wodór, ale jednostka oczyszczająca wodór do bardzo dobrej czystości.
Drastycznie pogarsza to ekonomiczne podstawy produkcji wodoru w takim cyklu. I, jak już powiedzieliśmy, łatwo jest oczyszczać wodór w dużym zakładzie produkcyjnym, a dość trudno w lokalnym miejscu, gdzie produkcja nie jest zbyt duża.
Ale takie projekty rozwijają się obecnie dość aktywnie. Na przykład w Japonii, i to jest jasne, dlaczego. Japonia stara się zmniejszyć ilość energii jądrowej. Nie posiada własnych zasobów energetycznych, więc stara się szukać wszelkich sposobów produkcji i sprowadzania energii czystej ekologicznie, naturalnie. Oni naprawdę nie chcą zanieczyszczać swojej wyspy zanieczyszczeniami, jak my to robimy lub jak czasami robią to Chiny.
Z jednej strony, przestawiają się na gaz ziemny. A transport LNG jest wystarczająco dobrym sposobem, aby to osiągnąć. Jest to sposób bardziej przyjazny dla środowiska niż transport węgla czy innych nośników energii. Ale dostawy wodoru są obecnie bardzo aktywne. Japońska infrastruktura stara się obecnie stać infrastrukturą wodorową dla energii wodorowej.
I czas pokaże, czy to się w coś takiego przerodzi, czy nie. Myślę, że za 10 lat przekonamy się, jak przyjazne dla środowiska i opłacalne może być to rozwiązanie.
