W wodorze wielka nadzieja

• Strona główna
• Artykuły
• W wodorze wielka nadzieja

2020-11-19  / Autor: Tom Rademacher, Evonik

Kiedy się spala, wówczas wytwarza tylko wodę; jego zapasy są niewyczerpane, a zastosowania wielorakie. Wodór – bo o nim mowa – ma wszystko, co konieczne, aby przekształcić nasz system ekonomiczny. Wielkie chemiczne firmy działają, aby tę wizję związaną z wykorzystaniem wodoru jak najszybciej urzeczywistnić.

W Duisburg-Bruckhausen wszystko jest gigantyczne. Na obszarze 22 razy większym od Watykanu Thyssenkrupp Steel Europe wytwarza około jednej czwartej całkowitej produkcji stali w Niemczech – około 11,5 miliona ton rocznie. Wielkie piece zakładu wznoszą się ponad 100 metrów w górę. Od dziesięcioleci wydają z siebie setki ton żarzącego się żelaza na godzinę.

Jednak pierwsze, na razie jeszcze malutkie i jak dotąd niewidoczne kroki, podejmowane z zamiarem transformacji technologicznej tego giganta już się rozpoczęły. Dzięki wsparciu ze strony kraju związkowego Nadrenia Północna-Westfalia Thyssenkrupp stawia ważny krok w kierunku neutralnej dla klimatu produkcji stali. Zamiast pyłu węglowego, wodór homeopatycznych”, jak to określa firma. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, to wtedy do końca 2021 r. zostanie przebudowany pierwszy z wielkich pieców. Ponieważ podczas spalania wodór wytwarza jedynie parę wodną zamiast dwutlenku węgla, to Thyssenkrupp może w ten sposób zmniejszyć swoją emisję o ponad trzy miliony ton CO₂ rocznie, co stanowi ilość przekraczającą emisję pochodzącą ze wszystkich lotów krajowych odbywających się w Niemczech.

To jednak dopiero początek.

Plan zakłada, że wodór stanie się paliwem przyszłości m.in. w sektorze stalowym. Społeczności biznesowe i decydenci na całym świecie intensywnie napędzają ten rozwój. Zgodnie z „Mapą drogową dotyczącą wodoru”, czyli dokumentem przygotowanym przez Komisję Europejską, prawie jedna czwarta zapotrzebowania UE na energię mogłaby zostać pokryta do 2050  r. przez wodór. Projekty przewidują utworzenie 5,4 mln miejsc pracy w gospodarce wodorowej, wykorzystującej ten bezwonny gaz w każdym możliwym obszarze. Wszelkiego rodzaju systemy, od pieców grzewczych po autobusy, ale też wielkie rafinerie naftowe i huty, mogą być eksploatowane w sposób neutralny dla klimatu przy użyciu zielonego wodoru wytwarzanego za pomocą energii odnawialnej, pozyskiwanej z wiatru i słońca. Większość elementów układanki pozwalającej zrealizować tę wizję przyszłości już istnieje. Wciąż jednak wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi. Koncern Evonik jest jednym z tych graczy, którzy chcą na te pytania znaleźć odpowiedzi.

„To woda będzie węglem przyszłości” napisał Juliusz Verne prawie 150 lat temu. Uważał on, że źródłem energii przyszłości będzie woda rozłożona na wodór i tlen za pomocą elektryczności. Ta idea nigdy nie straciła swojej atrakcyjności. Pod koniec lat 80. ubiegłego wieku na okładce magazynu Der Spiegel, zatytułowanego „Energia przyszłości” stwierdzono, że energia słoneczna i wodór zapewnią energię obiecaną przez energetykę jądrową, która to jednak nigdy jej nie dostarczyła.

Nadzieje pokładane w wodorze nieprzerwanie więc rosną. – Musimy jak najszybciej posuwać się naprzód w produkcji i utylizacji wodoru – mówi Svenja Schulze, niemiecka minister środowiska. – Jeśli chodzi o wodór, to nie możemy sobie pozwolić na więcej straty czasu – dodaje Anja Karliczek, minister edukacji i badań. Jej kolega z gabinetu Peter Altmaier, minister gospodarki i energii, nalega, aby Niemcy „stały się krajem numer jeden w dziedzinie wodoru”.

Jest wystarczająco dużo powodów, by ten entuzjazm był uzasadniony. W świetle naszych obaw o klimat właściwości wodoru brzmią niemal utopijnie. Jego spalanie wytwarza tylko wodę – żadnej sadzy, dwutlenku węgla ani tlenków azotu. To sprawia, że przynajmniej teoretycznie wodór rozwiązuje kluczowe problemy epoki ropy naftowej. Poza tym zapasy wodoru są prawie niewyczerpane. Dziewięć dziesiątych atomów w całym wszechświecie to atomy wodoru. Na Ziemi wodór występuje głównie w wodzie morskiej. Reszta jest chemicznie związana z prawie wszystkimi surowcami kopalnymi i biologicznymi. Jednak ekonomiczny potencjał wodoru jest wciąż daleki od pełnego odkrycia i wykorzystania.

Główny półprodukt dla przemysłu chemicznego

Do tej pory głównym użytkownikiem wodoru był przemysł chemiczny, który potrzebuje go do budowy cząsteczek. Ponad połowa wodoru produkowanego na świecie jest przetwarzana na amoniak, czyli na potrzeby przemysłu nawozowego. Również jednak rafinerie naftowe potrzebują ogromnych ilości wodoru, na przykład do krakowania i odsiarczania produktów ropopochodnych. Evonik wykorzystuje wodór do wytwarzania wielu produktów, zwłaszcza do syntezy nadtlenku wodoru (H₂O₂). Nadtlenek wodoru jest stosowany jako przyjazny dla środowiska środek wybielający w obszarze produkcji papieru i celulozy, ale także jako środek do sterylizacji pojemników na napoje oraz jako paliwo do podróży kosmicznych. Evonik to jeden z największych światowych wytwórców H₂O₂, o rocznej zdolności produkcyjnej przekraczającej milion ton. Wodór odgrywa również ważną rolę w produkcji aminokwasów do pasz dla zwierząt oraz w procesach produkcji silanów, zmatowionej krzemionki i specjalnych tlenków – wielopłaszczyznowych produktów stosowanych w klejach, tworzywach sztucznych i akumulatorach samochodowych. Ponadto wodór jest często wytwarzany jako produkt uboczny, który jest następnie używany w innych częściach sieci produkcyjnej.

Firma jest obecnie zaangażowana w projekty badawczo-rozwojowe we wszystkich ogniwach łańcucha wartości: od wydobycia, przez dystrybucję, po wykorzystanie, w celu lepszego zrozumienia przyszłych potrzeb klientów i związanego z nimi potencjału specjalistycznych chemikaliów.

– Ci, którzy chcą zobaczyć transformację energetyczną, nie mogą uniknąć łączenia sektorów za pomocą wodoru – ocenia Oliver Busch, dyrektor ds. zrównoważonego rozwoju w Creavis, strategicznej jednostce ds. innowacji firmy Evonik, która pracuje nad rozwojem nowych i zrównoważonych obszarów biznesowych. Busch, wraz z Axelem Kobusem, szefem linii biznesowej technologii i inżynierii procesowej w Evonik, od dawna promują program wodorowy.

– Jako potężna grupa przemysłowa mamy szczególnie dużą liczbę punktów, w których możliwy jest wzajemny kontakt. Na przykład Evonik produkuje wodór dla licznego grona użytkowników i obsługuje rurociągi wodorowe, które zaopatrują rozmaite przedsiębiorstwa przemysłowe. Dostarcza również innowacyjne technologie procesowe i produkty, które mogą wypełnić luki w gospodarce wodorowej – podkreśla Axel Kobus.

Zieleń to kolor nadziei

W Marl Chemical Park, czyli jednym z największych europejskich kompleksów chemicznych, szczególnie wyraźnie widać, jak różnorodne są już dziś zastosowania wodoru. W parku tym, w którym działa prawie 20 firm, wodór jest używany w prawie każdym laboratorium i w każdej fabryce. Nie zawsze w dużych ilościach, ale prawie zawsze w kluczowych procesach. Lokalny reformer parowy dostarcza kilkadziesiąt tysięcy metrów sześciennych czystego wodoru na godzinę. Większość tej wielkości jest wykorzystywana na własne potrzeby zakładów; reszta jest pobierana bezpośrednio przez dostawców gazu przemysłowego z regionu na ich własnych stacjach paliw. Marl posiada bowiem największą w Europie stację tankowania wodoru.

Reformatory parowe, takie jak ten działający w Marl, pokrywają ponad 95% światowego zapotrzebowania na wodór. Wykorzystują ciepło, ciśnienie i katalizatory do produkcji wodoru ze źródeł kopalnych, takich jak gaz ziemny. Proces ten generuje około 10 ton dwutlenku węgla na tonę wodoru. Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA), w ostatnich latach produkcja wodoru spowodowała na całym świecie około 830 milionów ton emisji CO₂ rocznie. To więcej niż emisje z Wielkiej Brytanii, Francji i Czech łącznie. To nie jest dobry bilans wodoru – światła nadziei dla zwolenników transformacji energetycznej.

Jednak możliwe jest również inne podejście. Wodór można wytwarzać bezpośrednio z wody za pomocą elektrolizy. Zasada jest prosta i dobrze znana: napięcie przyłożone między dwiema elektrodami rozdziela wodę na składniki, to jest tlen i wodór. W ogniwie paliwowym proces ten jest odwrotny: wodór i tlen z powietrza reagują bez spalania, tworząc wodę. Reakcja generuje prąd elektryczny i trochę ciepła odpadowego. W tym cyklu wodór jest nośnikiem energii elektrycznej.

Ten potencjalnie neutralny dla klimatu cykl, który ma pobudzić transformację energetyczną, przyciąga obecnie dużą uwagę i kapitał.

Magiczne słowa to „sprzężenie sektorów” i „moc do X”. Innymi słowy, celem jest magazynowanie „zielonej” energii, umożliwienie jej transportu i wykorzystanie w różnych zastosowaniach. Wodór to akurat umożliwia.

Można go wytwarzać bezpośrednio w miejscach, w których produkcja energii odnawialnej jest tania. Łatwo jest go przechowywać i transportować rurociągami do odległych konsumentów. W zależności od potrzeb użytkownika można go spalić, wykorzystać jako materiał lub ponownie przekształcić w prąd elektryczny.

Głodny rynek

Wodór ma wiele możliwych zastosowań. Na przykład samochody zasilane ogniwami paliwowymi mogą jechać dalej na jednym zbiorniku niż większość samochodów zasilanych bateriami i – w przeciwieństwie do pojazdów typu plug-in – można je całkowicie zatankować w ciągu kilku minut.

Jednak do tej pory nie odniosły one sukcesu komercyjnego. Nadal brakuje sieci stacji paliw, a technologia jest zbyt droga i nieporęczna dla rynku masowego. Najnowocześniejsze materiały mogą jednak pomóc zmienić tę sytuację. Na przykład, dzięki specjalistycznym środkom sieciującym, tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem można wykorzystać do produkcji bezpiecznych zbiorników wodoru dla pojazdów i stacji paliw, które są znacznie lżejsze i tańsze niż dostępne obecnie pojemniki na gaz. Taka technologia mogłaby zostać wprowadzona w pojazdach użytkowych wcześniej niż w samochodach.

Przykładowo autobusy zawsze korzystają z tej samej stacji paliw, ważą około 20 ton z pełnym ładunkiem pasażerów i kosztują ponad 200 tys. euro. Dlatego obecne wady ogniw paliwowych odgrywają mniejszą rolę. Sytuacja pociągów jest podobna: według badań przeprowadzonych przez Niemieckie Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki, pociągi napędzane wodorem są najlepszą opcją do zastąpienia lokomotyw napędzanych silnikiem Diesla, zwłaszcza na długich odgałęzieniach bez przewodów napowietrznych.

Także stocznie wypróbowują tę technologię. Norwegia zamierza zapewnić swoim promom eksploatację z ogniwami paliwowymi. Nawet przemysł lotniczy ma nadzieję, że wodór pewnego dnia będzie napędzał turbiny za pomocą ogniw paliwowych lub po przetworzeniu na metanol, a następnie naftę.

Największy głód wodoru można jednak znaleźć w przedsiębiorstwach przemysłowych, a zwłaszcza wśród producentów stali. Według stowarzyszenia branżowego, niemiecki przemysł stalowy może do 2050 r. działać całkowicie neutralnie pod względem emisji CO₂. Co więcej, prawdopodobnie będzie musiał to zrobić, jeśli nie chce zaostrzenia kar za emisje CO2 , które to kary całkowicie wyrugowałyby go z globalnego rynku. Thyssenkrupp planuje wykorzystanie wodoru w celu zmniejszenia emisji ze swoich wielkich pieców i uczynienia pozostałych gazów odpadowych przydatnymi do produkcji produktów chemicznych. Carbon2Chem to projekt rozwojowy, w którym Evonik bierze udział. Polega on na znalezieniu sposobów wytwarzania prekursorów chemicznych ze spalanego węgla. Jednak od dłuższego czasu prawie wszyscy producenci stali stawiają na proces bezpośredniej redukcji, który dzięki wodorowi działa całkowicie bez węgla i koksu.

Według ekspertów ta transformacja technologiczna będzie kosztować Thyssenkrupp około 10 miliardów euro w nadchodzących dziesięcioleciach. Co więcej, ilości wodoru potrzebne do tego przejścia są gigantyczne.

– Około 2050 roku będziemy potrzebować około ośmiu miliardów metrów sześciennych wodoru rocznie – mówi Jens Reichel, który kieruje jednostką Zrównoważonej Produkcji w Thyssenkrupp.

Według Reichela, aby wyprodukować taką ilość wodoru w drodze elektrolizy potrzeba 40 terawatogodzin energii. To przybliżona moc ośmiu największych elektrowni zasilanych gazem ziemnym w Irsching 5 (energetyczny kompleks nowoczesnych bloków gazowych w Niemczech – przyp. red.) lub około 3,8 tys. morskich turbin wiatrowych o mocy trzech megawatów.

*Tekst został po raz pierwszy opublikowany w języku angielskim i niemieckim w wydawanym przez koncern Evonik firmowym magazynie Elements.

CAŁY ARTYKUŁ ZNAJDĄ PAŃSTWO W NR 5/2020 DWUMIESIĘCZNIKA "CHEMIA I BIZNES". ZAPRASZAMY.