Wodór jako paliwo przyszłości – czym jest, jak powstaje i czy rzeczywiście jest bezemisyjny?

Nie budzi dziś wątpliwości konieczność ograniczenia emisji gazów cieplarnianych do atmosfery, w celu przeciwdziałania zmianom klimatu. Rozpatrywaną szansą na redukcję emisji tych gazów, szansą częściowo już realizowaną, jest wykorzystanie paliwa wodorowego.

Aktualne dane określające światową strukturę źródeł emisji gazów cieplarnianych (zwłaszcza CO₂) wskazują, że aż trzy czwarte tej emisji pochodzi z procesów wytwarzania i wykorzystania energii. Istotnym tego powodem jest fakt stale jeszcze znacznego wykorzystania w tym celu paliw kopalnych.

Skoro wykorzystanie paliw jest tak istotnym źródłem emisji  CO₂ to właśnie wykorzystanie wodoru jako paliwa jest nadzieją na zastąpienie paliw kopalnych. Będzie to szansą na uzyskanie znaczącej obniżki emisji gazów cieplarnianych do atmosfery, a więc jednocześnie szansą na utrzymanie wzrostu globalnych średnich temperatur na poziomie mniejszym niż 2 st. Celsjusza.

Dlaczego wodór jest rozważany jako paliwo przyszłości?

Dlaczego wykorzystanie wodoru jest taką szansą?

Jeszcze z lekcji chemii pamiętamy, że:

produktem spalania wodoru jest woda oraz energia; proces spalania wodoru, prowadzony z czystym tlenem, nie daje oprócz wody żadnych innych substancji, zapewniając jednocześnie uzysk znacznej ilości energii.

Wymienione zalety procesu spalania wodoru, zwłaszcza jego zerowa emisyjność CO₂ powoduje, że przez wielu specjalistów wodór wskazywany jest jako paliwo przyszłości, pomimo, że jego energetyczne wykorzystanie stwarza jednak istotne techniczne problemy, nie mówiąc o ekonomicznych aspektach wykorzystania tego gazu jako paliwa.

Wodór jako źródło i magazyn energii

Zaletą wodoru jest też fakt, że oprócz wykorzystania go jako źródła energii, może być też magazynem energii (ten ważny element jego zastosowania zasługuje jednak na oddzielne omówienie, przy innej okazji). Dodatkowo ważnym argumentem praktycznego wykorzystania wodoru jest jeszcze to, że jego zasoby, zwłaszcza jako składnika cząsteczki wody, są praktycznie niewyczerpalne.

Jest tu jednak istotna przeszkoda dotycząca jego wydzielenia do postaci cząsteczkowej: wydzielenie wodoru wiąże się z koniecznością dostarczenia energii. Czyli – aby otrzymać wodór w celu wykorzystania go jako paliwo, musisz dysponować innym źródłem energii.

Jak powstaje wodór? Różne kolory wodoru

Rozpatrując metody otrzymywania wodoru, pod kątem traktowania go jako paliwa przyszłości, chodzi oczywiście o wielkotonażową skalę produkcji tego nośnika energii. W praktyce  produkcja znacznych ilości wodoru jest już realizowana od dawna, jednak obecnie wodór jest prawie w całości (około 95%) wytwarzany z gazu ziemnego i węgla. Aby zaznaczyć, że bazą otrzymywania tego gazu są, niestety, paliwa kopalne, to nazwy wodoru otrzymywanego z tych surowców opatrzono odpowiednią nomenklaturą.

Wodór czarny – produkcja z węgla

Nazwą wodór czarny określany jest wodór otrzymywany z węgla, w procesie jego zgazowania.

Wodór niebieski – produkcja z gazu ziemnego

Gaz ziemny, ponieważ w jego składzie metan ma największy udział, to bardzo dobry surowiec do otrzymywania wodoru.

Zdj.1

Z przeróbki gazu ziemnego uzyskiwany jest wodór niebieski. Nazwę taką otrzymuje jednak tylko wtedy, gdy w procesie jego produkcji wykorzystywana jest sekwestracja CO₂, czyli wychwytywanie i magazynowanie tego gazu, zapobiegając jego emisji do atmosfery.  

Wodór szary – najczęściej produkowany, ale emisyjny

Obecnie najtańszy i najczęściej produkowany jest wodór szary, którego surowcem są paliwa kopalne. Problemem jest jednak fakt, że w procesie jego produkcji emitowane są znaczne ilości gazów cieplarnianych. Obecnie największym światowym producentem i konsumentem wodoru otrzymywanego z paliw kopalnych są Chiny, produkujące rocznie około 24 miliony ton wodoru szarego i niebieskiego.

Wodór zielony, różowy i inne rodzaje wodoru

Duża ilość CO₂ generowanego w procesach produkcji wodoru jest główną przyczyną poszukiwań metod jego wytwarzania z pominięciem paliw kopalnych. Szansą jest tu proces elektrolizy z wykorzystaniem energii ze źródeł odnawialnych (OZE). Gdy źródłem energii są OZE (najczęściej farmy wiatrowe lub fotowoltaika) to produktem takich procesów jest wodór zielony. 

Również nadwyżki energii wytwarzanej w elektrowniach jądrowych mogą być wykorzystane w procesach elektrolizy. Wodór otrzymany w takim procesie otrzymuje w nazwie różne kolory (najczęściej różowy); oczywiście w Polsce, wobec braku siłowni jądrowych, taki wodór długo jeszcze nie będzie produkowany.

Wymienione kolory wodoru mają znaczenie czysto nomenklaturowe, gdyż pierwiastek ten jest gazem bezbarwnym. Ważna uwaga podsumowująca powyższe informacje o „różnych” wodorach:

wszystkie „różnokolorowe rodzaje” wodoru odnoszą się do jednego, konkretnego pierwiastka 1H (Hydrogenium); różni je tylko: rodzaj surowca z jakiego jest otrzymywany, sposób produkcji i związany z tym poziom emisji CO2

Właściwości wodoru jako paliwa

Ważną jego cechą, jako paliwa, jest wartość opałowa: jest bardzo wysoka, gdyż ponad dwukrotnie wyższa od metanu i prawie trzykrotnie wyższa od benzyny i oleju napędowego. Taka wysoka wartość opałowa wodoru świadczy o wysokiej wydajności tego paliwa.

Oznacza to, że można uzyskać większą ilość energii przy zużyciu znacznie mniejszej ilości wodoru, w porównaniu z paliwami wymienionymi powyżej.

Trzeba jednak dodać tutaj ważny aspekt techniczny związany z procesem spalania wodoru: problemem jest bardzo wysoka szybkość procesu spalania. Szybkość ta jest około 10-krotnie wyższa niż w przypadku gazu ziemnego, co może prowadzić do spalania wybuchowego. W mieszaninie z tlenem, w stosunku 2 : 1, tworzy mieszaninę wybuchową.

Wodór jest gazem bezwonnym, najlżejszym ze wszystkich pierwiastków. Wśród jego właściwości warto jeszcze dodać przynajmniej dwie: dzięki swoim możliwością przekształcania energii chemicznej w elektryczną, pierwiastek ten ma kluczowe znaczenie w technologii ogniw paliwowych. W kontaktach z metalami wodór może być przez nie pochłaniany, co stwarza problemy techniczne. W wyniku pochłaniania metal staje się niestety kruchy, co stwarza problemy z jego przechowywaniem w zbiornikach metalowych.

Czym jest biowodór i jego otrzymywanie?

Innym jeszcze rodzajem wodoru jest biowodór - inny jeszcze rodzaj odnawialnego nośnika energii.

Biowodór powstaje m.in. w procesach biologicznych. Pomimo, że procesy takie znane są od prawie 100 lat, to prace na biologiczną produkcją biowodoru są prowadzone obecnie jedynie w skali laboratoryjnej. Oznacza to, że umiemy już otrzymywać biowodór, ale niestety z małą wydajnością i w małych ilościach.  

Obecnie biowodór otrzymywany jest w wyniku następujących procesów:

•  biologicznych, wykorzystujących organizmy żywe (bakterie, algi, sinice),

•  biologiczno-chemicznych, wykorzystujących biomasę,

• fotosyntetycznych, czyli wykorzystujące energię słoneczną do rozkładu wody.

Dzieląc te metody z uwzględnieniem strony technicznej, to tworzą je następujące grupy: metody elektrochemiczne, biologiczne i termiczne.

Metody elektrochemiczne

Dosyć łatwo przedstawić grupę metod elektrochemicznych, gdyż stosowanym tu procesem jest dobrze znane zjawisko elektrolizy. Procesy elektrolizy różnią się czynnikiem powodującym rozkład: może to być prąd z OZE lub prąd wytwarzany w elektrowniach jądrowych. Surowcem jest tu oczywiście woda. Obecnie procesem optymalnym jest produkcja wodoru zielonego wykorzystująca energię farm wiatrowych i farm fotowoltaicznych.

Przyszłością, w grupie metod elektrochemicznych, jest testowane obecnie zjawisko rozkładu fotoelektrochemicznego, w którym cząsteczki wody rozpadają się na tlen i wodór bezpośrednio pod wpływem energii słonecznej. Wykorzystuje się tu fotoelektrody absorbujące światło słoneczne. Zachodzi więc tutaj konwersja energii słonecznej na energię chemiczną.

Zarówno w metodach elektrochemicznych jak i w procesie rozkładu fotoelektrochemicznego wody wytwarzanemu biowodorowi nie towarzyszy emisja niepożądanych gazów.

Metody biologiczne

Surowcem dla biologicznych metod produkcji biowodoru jest materiał biomasowy.

Wyróżnia się tu 3 rodzaje procesów:

• rozkład beztlenowy,

• fermentację z wykorzystaniem mikroorganizmów

• proces fotobiologiczny.

W dwu pierwszych procesach mikroorganizmy rozkładają związki organiczne, typu cukry czy kwasy tłuszczowe, w warunkach beztlenowych, produkując wodór i inne związki chemiczne (kwasy, alkohole). Oprócz biomasy surowcem mogą być również ścieki.

Zdj.2

Zwykle tworzy się metan, ale można ten proces powstrzymać, wprowadzając do środowiska reakcji takie mikroorganizmy, które umożliwiają tworzenia wodoru, jako produktu końcowego.

W grupie metod biologicznych produkcji biowodoru jest pewien szczególny proces: proces fotobiologiczny. Rozkład wody zachodzi tu w obecności glonów, a energia potrzebna w tym procesie dostarczana jest przy użyciu promieni słonecznych. Okazało się, że można biologicznie tak „przesterować” przemiany zachodzące w glonach, że zamiast produkować tlen będą produkować wodór.

Metody termiczne

Kolejną grupą metod otrzymywania biowodoru są metody termiczne. Surowcem w tych metodach jest biomasa.

Zdj.3

Poddawana jest ona procesom zgazowania i pirolizy, procesy te prowadzone są w przedziale temperatur 400-800 st. Celsjusza. Niestety, oprócz wodoru tworzy się CO₂, tlenek węgla oraz metan. Przyszłościowym warunkiem w tej metodzie otrzymywania biowodoru, będzie konieczność pełnego wychwytu CO₂ z gazów procesowych.

Wodór w Polsce – aktualny stan i perspektywy

A co u nas w kraju? W Polsce jest już realizowane praktyczne wykorzystanie wodoru jako nośnika energii.

Zdj.4

Niestety, wodór jest na razie, otrzymywany z węglowodorów pochodzących z grupy paliw kopalnych. Trwają już jednak badania prowadzące do sytuacji, kiedy wodór będzie paliwem przyjaznym środowisku. Taki wodór będzie wykorzystywany jako paliwo konwencjonalne, zwłaszcza w transporcie – w samochodach, autobusach. Badania trwają, praktyczne zastosowania wodoru mają już miejsce – można więc już mówić o narodzinach tworzenia bezemisyjnej gospodarki wodorowej.

Tekst i zdjęcia:

Stanisław Hławiczka