Wodór jako paliwo przyszłości – czy da się nim zastąpić ropę naftową?

• Strona główna
• Artykuły
• Wodór jako paliwo przyszłości – czy da się nim zastąpić ropę naftową?

2023-01-09  / Autor: Artur Szczelina, ekspert w obszarze inżynierii chemicznej i współautor opracowanego przez Multiconsult Polska raportu na temat transformacji energetycznej.

Wodór występuje na Ziemi powszechnie, jednak jego właściwości sprawiają, że nie jest dostępny w postaci wolnej. Trzeba go pozyskać ze związków, które tworzy, czyli z wody, ropy naftowej czy gazu ziemnego. W celu pozyskania energii z wodoru, konieczne jest jednak najpierw jej wydatkowanie na pozyskanie pierwiastka w czystej postaci. Niestety obecnie do wytworzenia energii z wodoru potrzebujemy więcej energii, niż jesteśmy w stanie z niego otrzymać.

To jednak niejedyne wyzwanie, przed jakim staje sektor energetyczny, rozważając szerokie wykorzystanie wodoru, jako źródła energii. Jedno z największych wynika wprost z właściwości wodoru, który jako gaz, charakteryzuje się wyjątkowo niską gęstością. Metr sześcienny wodoru w stanie lotnym waży zaledwie 84 g, czyli dwunastokrotnie mniej od powietrza. Bardzo niska gęstość wodoru sprawia, że jego transport i magazynowanie są mało efektywne, a przez to zdecydowanie bardziej kosztowne. Wodór jest bowiem w stanie przeniknąć przez każdy rodzaj materiału. Jest zatem wyłącznie kwestią czasu, kiedy napełniony wodorem zbiornik stanie się pusty. Gaz ten z łatwością przenika przez gumowe uszczelki czy rury z tworzyw sztucznych.

Wodór jest też ekstremalnie łatwopalny. Ulega zapłonowi w bardzo szerokim zakresie stężenia (4-75% w powietrzu), przy bardzo niewielkiej energii (0,02 mJ). Płonie niewidocznym płomieniem i praktycznie nie da się go ugasić. Niska energia zapłonu może spowodować wybuch już podczas wypływu z nieszczelnego zbiornika, co stwarza ogromne zagrożenie przy obsłudze urządzeń wodorowych.

Poza problemami wynikającymi z właściwości chemicznych wodoru, mamy jeszcze do czynienia z wyzwaniami związanymi z jego pozyskiwaniem. Obecnie najtańszą metodą produkcji wodoru jest Parowy Reforming Metanu (SMR), polegający na katalitycznym rozkładzie gazu ziemnego w obecności pary wodnej. Produktem rozkładu jest wodór i CO₂ (lub CO).

Jeśli chcielibyśmy w całości zastąpić paliwa kopalne wodorem Reformingu Parowego, Polska musiałaby zwiększyć zużycie gazu ziemnego dziewięciokrotnie. W przypadku przejścia na zasilanie wodorem wyłącznie samochodów osobowych, Polska musiałaby zwiększyć zużycie gazu o 51%. Poza oczywistymi problemami z dostępnością takiej ilości surowca, spowodowałoby to szereg wtórnych kłopotów, jak choćby wzrost cen żywności. Gaz ziemny jest przecież cennym surowcem do produkcji nawozów sztucznych.

Produkcja wodoru w procesie rozkładu gazu ziemnego pozostawia znaczące ilości produktu ubocznego w postaci dwutlenku węgla. Przestawienie polskiej energetyki na wodór wymagałoby więc zatłoczenia pod ziemię ok. 300 mln ton CO_2. Odpowiadałoby to zawróceniu pod ziemię 80 mln ton węgla, czyli ok. 130% rocznego wydobycia. Samo zatłaczanie CO₂  również wymaga energii.

Podobne wyzwania rodzi próba zastąpienia paliw kopalnych wodorem produkowanym z elektrolizy. Jeżeli oprzeć produkcję wodoru o źródła odnawialne (w przypadku Polski głównie elektrownie wiatrowe), to ich liczba musiałaby wzrosnąć ponad 66 razy.

Na dziś najbardziej realne wydaje się zastąpienie wodorem benzyny oraz oleju opałowego. Obecnie moc zainstalowania energii wiatrowej (250 PJ) odpowiada ilości energii niezbędnej do napędu części pojazdów osobowych w Polsce. Zastosowanie wodorowych ogniw paliwowych w gospodarstwach domowych pozwoliłoby na wytwarzanie prądu i ciepła w systemie kogeneracji, w wyniku której ogniwo paliwowe dostarczałoby 60% energii elektrycznej i około 30% ciepła ze spalanego w nim wodoru. System ten sprawdziłby się jeszcze lepiej w dużych jednostkach mieszkalnych (wieżowce, osiedla) w oparciu o ogniwo wysokotemperaturowe. Obecnie takie rozwiązania są stosowane w dużych hotelach.

Wodór zdecydowanie przegrywa jednak w kosztach napędu samochodów osobowych w stosunku do energii elektrycznej. Brak jest zarówno sieci produkcji wodoru, magazynowania, jak i dystrybucji. Ponadto, energia niezbędna do produkcji wodoru może przecież z powodzeniem służyć ładowaniu samochodów elektrycznych.

Część ciężkiego transportu samochodowego nadal będzie korzystała z paliw płynnych, jak olej napędowy, dla którego nie ma obecnie alternatywy w postaci wodoru lub napędu elektrycznego. Tą alternatywą jest za to bio-diesel i prawdopodobnie to paliwo przejmie rynek transportu ciężkiego. Póki co, również samoloty będą korzystały z obecnego paliwa.

Zastępowanie paliw kopalnych będzie jednak sukcesywnie postępowało wraz z wyczerpywaniem się tych zasobów. Już w ciągu najbliższych lat Unia Europejska będzie musiała zdecydować czym zastąpić gaz ziemny przy braku własnych źródeł. Wielu z nadzieją patrzy w kierunku wodoru, jednak aby myśleć o nim, jako o paliwie przyszłości, musielibyśmy najpierw uporać się z ograniczeniami, jakie wiążą się z jego produkcją, magazynowaniem i wykorzystaniem na skalę przemysłową. Te zaś wydają się na obecną chwilę wykluczać wodór, jako paliwo wykorzystywane na skalę masową.

wodórenergetykapaliwadekarbonizacjaMulticonsult