Wodór byłby w 100% ekologicznym paliwem, gdyby nie kilka problemów. Podstawowym wyzwaniem jest jego wydobycie. Zasoby wodoru na Ziemi są ograniczone. Wodór może być produkowany z wody, ale wymaga to zasobów i energii, co powoduje komplikacje.
Reakcja wodoru z powietrzem
Kiedy wodór (H) spala się w powietrzu (zawierającym tlen, O), po prostu tworzy wodę (H2O). Kilogram spalonego wodoru dostarcza prawie cztery razy więcej energii niż kilogram paliwa płynnego, takiego jak benzyna. Jego pozyskiwanie jest jednak wyzwaniem, ponieważ jego złoża na Ziemi są ograniczone, czasami towarzysząc rezerwom gazu ziemnego.
Dlaczego pod ziemią jest tak mało wodoru?
Miliardy lat temu część ziemskiego wodoru reagowała z azotem, tworząc amoniak, podczas gdy część łączyła się z węglem, tworząc metan. Oba te związki utworzyły później związki organiczne. Co ciekawe, większość dzisiejszej produkcji wodoru jest wykorzystywana do produkcji amoniaku – kluczowego prekursora nawozów azotowych.
Pozostały niezwiązany wodór szybko uciekł w przestrzeń kosmiczną. Będąc najlżejszym gazem, z łatwością wymyka się ziemskiej grawitacji. Podobny problem występuje w przypadku helu, innego lekkiego gazu o ograniczonych zasobach na Ziemi.
Wodór może być produkowany z wody, której na Ziemi jest pod dostatkiem. Proces ten wymaga jednak zasobów i energii. Wyzwanie zaczyna się od „brudnego” wodoru z gazu ziemnego.
„Brudny” wodór z gazu ziemnego
Wodór może być pozyskiwany z metanu (z gazu ziemnego) lub innych węglowodorów (takich jak ropa naftowa) w procesie zwanym reformingiem. Ten wysokotemperaturowy proces również wymaga energii – elektrycznej lub pochodzącej ze spalania paliwa.
Podczas reformingu powstaje tlenek węgla: CH4 + H2O → CO + 3 H2. Ten tlenek węgla jest później przekształcany w dwutlenek węgla i więcej wodoru: CO + H2O → CO2 + H2.
CH4 + H2O → CO + 3 H2 Przekłada się na: Metan + woda = tlenek węgla + diwodór
CH4 + H2O = CO + H2 to reakcja podwójnego wypierania (metatezy), w której jeden mol metanu [CH4] i jeden mol wody [H2O] reagują, tworząc jeden mol tlenku węgla [CO] i trzy mole wodoru [H2]
Ta metoda pozyskiwania wodoru nie jest jednak idealna. Jest energochłonna i wymaga pary wodnej o temperaturze co najmniej 360°C. Co więcej, proces ten emituje dwutlenek węgla, gaz cieplarniany, który chcemy ograniczyć.
Dopóki nie znajdziemy skutecznych sposobów zarządzania dwutlenkiem węgla, reforming pozostaje nieefektywną metodą produkcji wodoru. Z pewnością nie jest ona przyjazna dla środowiska. Wodór produkowany w ten sposób jest często nazywany „szarym”, aby odróżnić go od ekologicznego „zielonego” wodoru.
Elektroliza: wodór z wody
Wodór może być również produkowany z wody poprzez elektrolizę, rozkładając ją za pomocą napięcia elektrycznego. Obecne metody mają wydajność około 70-80%. Do wyprodukowania jednego kilograma wodoru (zapewniającego około 40 kilowatogodzin) potrzeba około 50-55 kilowatogodzin energii elektrycznej.
Ponownie, jeśli źródłem energii jest węgiel, ropa naftowa lub gaz, otrzymany wodór nie jest przyjazny dla środowiska. Pomimo szybkiego rozwoju odnawialnych źródeł energii w ostatnich dziesięcioleciach, tylko około 1% produkcji wodoru jest ekologiczne. Oszałamiające 95% globalnej produkcji wodoru pochodzi z reformingu gazu ziemnego lub ropy naftowej.
Wnikliwi czytelnicy mogą zauważyć pozostałe 4% produkcji. Wodór ten pochodzi z innych, często nieekologicznych źródeł. Niektóre wychwytują dwutlenek węgla (nazywany „niebieskim” wodorem), inne wykorzystują energię jądrową (czasami nazywany „fioletowym” lub „różowym”), a rzadki rodzaj pochodzi ze złóż towarzyszących rezerwom gazu ziemnego (czasami nazywany „złotym”).
Dylemat kury i jajka: konsumenci i infrastruktura
Wracając do wodoru produkowanego w procesie elektrolizy, mniej przeszkód pozostaje na drodze do produkcji „zielonego” wodoru z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna lub wiatrowa.
Niezależnie od tego, czy produkcja i instalacja ogniw słonecznych jest wspierana, czy też emisja dwutlenku węgla jest opodatkowana, przewiduje się, że do 2050 r.energia słoneczna będzie dominującym źródłem energii, według analityków, którzy niedawno opublikowali swoje ustalenia w „Nature Communications”. Transformację tę można przyspieszyć, dostosowując sieci energetyczne do zdecentralizowanej produkcji i inwestując w magazynowanie energii.
Jest jednak pewien haczyk. Jak powiedział magazynowi „Science” Keith Wipke, lider projektu ogniw paliwowych w amerykańskim Narodowym Laboratorium Energii Odnawialnej, wodór jako paliwo stoi w obliczu problemu „kury i jajka”. Produkcja nie wzrośnie bez konsumentów, a konsumenci nie pojawią się bez stałych, przystępnych cenowo dostaw wodoru.
Inni eksperci dodają – i to jest nadzieja – że to samo dotyczy energii odnawialnej. Początkowo rzadka i droga, stała się tańsza wraz ze wzrostem produkcji, przyciągając więcej nabywców.
Niezależnie od tego, tak właśnie działa wolny rynek. Czasami jednak potrzebuje on impulsu.
USA inwestują miliardy w wodór
Stany Zjednoczone planują właśnie to zrobić. W dniu 13 października 2023 r. administracja Joe Bidena ogłosiła inwestycję o wartości 7 miliardów dolarów w budowę siedmiu regionalnych „węzłów” wodorowych, głównie na potrzeby drogowego transportu towarowego, ponieważ elektryfikacja ciężarówek stanowi wyzwanie.
Wodór mógłby również zasilać energochłonne gałęzie przemysłu, takie jak produkcja nawozów i stali. Centra te, finansowane przez Departament Energii, mają na celu odejście od reformingu. Będą one łączyć producentów i konsumentów wodoru oraz wspierać rozwój infrastruktury, takiej jak rurociągi i zbiorniki.
Obejrzyj i dowiedz się więcej o produkcji czystego i ekologicznego wodoru, który pomoże zdekarbonizować nasz świat. Jim Leidel DTE Gas james.leidel@DTEenergy.com
Administracja Bidena ma na uwadze jeszcze jeden cel. Przemysłowe instalacje do produkcji wodoru są drogie, a dostawa sprzętu trwa 2-3 lata. Zwiększony popyt na wodór powinien obniżyć ceny i poprawić dostępność. Ponadto mieszkańcy mieszkający w pobliżu głównych autostrad, które transportują większość towarów w USA, powinni skorzystać na zmniejszonej emisji.
Plan nie jest jednak bezbłędny. Nie wszystkie węzły będą produkować wodór w procesie elektrolizy. Te położone z dala od linii brzegowych będą pozyskiwać go z reformingu metanu, wychwytując powstający dwutlenek węgla. Oznacza to, że wodór nie będzie „zielony”, ale „niebieski”, co budzi obawy wśród naukowców i ekologów. Metan, który często wycieka z instalacji, jest znacznie silniejszym gazem cieplarnianym niż dwutlenek węgla.
Ulgi podatkowe będą wspierać tylko ekologicznych producentów wodoru (zielonego i niebieskiego). Analitycy uważają, że może to zepchnąć cenę ekologicznego wodoru poniżej dolara za kilogram, czyniąc wodór nieekologiczny (z reformingu bez wychwytywania CO2) droższym i przestarzałym.
Biuro prasowe Białego Domu szacuje, że cały program przyciągnie 40 miliardów dolarów inwestycji i stworzy dziesiątki tysięcy miejsc pracy.
Wodór: paliwo wysokociśnieniowe
Ekologiczny wodór może być paliwem niedalekiej przyszłości. Do połowy stulecia większość energii będzie prawdopodobnie pochodzić ze źródeł odnawialnych, co czyni wodór potencjalnie ekologicznym paliwem.
Wodór ma najwyższy stosunek energii do masy spośród wszystkich paliw. Jedynie paliwa jądrowe zawierają więcej energii na jednostkę masy.
Ma on jednak swoje wady. Podczas gdy kilogram wodoru zawiera około 40 kilowatogodzin energii, zajmuje on 11 metrów sześciennych. Aby wodór stał się praktycznym paliwem, musi być przechowywany pod ciśnieniem.
Wiąże się z tym kolejny problem: sprężanie gazu pochłania znaczną ilość energii. Pojazdy napędzane wodorem zazwyczaj wykorzystują ciśnienie 350 barów (35 megapaskali) lub nawet dwukrotnie wyższe. Jest ono znacznie wyższe niż w przypadku innych gazów (np. zbiorniki LPG mają około 4 barów), co wymaga zastosowania lepszych środków bezpieczeństwa.
Zbiorniki zaprojektowane z myślą o wysokich ciśnieniach zazwyczaj ważą znacznie więcej niż wodór, który zawierają (zazwyczaj tylko około 5-6% całkowitej masy stanowi gaz). Nie można jednak ignorować fizyki: kilogram spalonego wodoru dostarcza 40 kWh energii, podczas gdy paliwa płynne, takie jak benzyna i olej napędowy, oferują prawie cztery razy mniej, około 12 kWh.
Wodór z… proszku?
Jest jeszcze jedna metoda, o której warto wspomnieć.
Lata temu odkryto, że gal tworzy stop z aluminium (AlGa). Jest on niezwykle kruchy i praktycznie bezużyteczny. Co ciekawe, przewożenie galu w samolocie jest zabronione ze względu na potencjalne uszkodzenia, jakie mógłby spowodować w kontakcie z aluminiowym kadłubem.
Stop ten ma jednak wyjątkową właściwość. Normalnie aluminium nie reaguje z wodą ze względu na warstwę tlenku na jego powierzchni. Gal zapobiega tworzeniu się tej warstwy, umożliwiając aluminium reakcję z wodą, wytwarzając wodorotlenek glinu i wodór. W 2022 r. naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz (UCSC) udoskonalili tę metodę, określając najlepsze proporcje aluminium i galu oraz mieląc cząstki stopu. Byli podekscytowani widząc „pęcherzyki wodoru wyłaniające się jak szalone”.
Aluminium jest powszechnym pierwiastkiem, a powstały wodorotlenek glinu rozkłada się w temperaturze 180°C na aluminium i wodę. Chociaż gal jest rzadszy i droższy, nie bierze udziału w reakcji i można go łatwo odzyskać. Woda do tej reakcji może pochodzić z dowolnego źródła, nawet ze ścieków.
Czy może to sprawić, że wodór będzie tańszy i bardziej dostępny? Naukowcy z UCSC, którzy opatentowali tę metodę w zeszłym roku, z pewnością mają taką nadzieję.
Nie jest całkowicie wykluczone, że pewnego dnia wlejemy wodę do naszych zbiorników, gdzie w reakcji z granulkami aluminium utworzy się wodór, który będzie zasilał silnik. Naukowcy z Purdue University zaproponowali podobny pomysł już w 2007 roku (i również go opatentowali).
Wnioski:
Potencjał wodoru jako czystego źródła paliwa jest oczywisty, ale nadal istnieją wyzwania związane z jego produkcją, przechowywaniem i dystrybucją. Podczas gdy Stany Zjednoczone i inne kraje inwestują znaczne środki w infrastrukturę wodorową i badania, przejście na gospodarkę wodorową będzie wymagało ciągłych innowacji i dostosowania rynku.
FAQ:
- Jakie jest główne wyzwanie związane z wodorem jako paliwem?
- Głównym wyzwaniem jest jego pozyskiwanie, ponieważ zasoby wodoru na Ziemi są ograniczone.
- Jak produkowany jest „brudny” wodór?
- Jest on uzyskiwany z metanu lub innych węglowodorów w procesie zwanym reformingiem, który emituje dwutlenek węgla.
- Jaka jest różnica między „zielonym” a „szarym” wodorem?
- „Zielony” wodór jest przyjazny dla środowiska, zwykle produkowany w procesie elektrolizy z wykorzystaniem energii odnawialnej. „Szary” wodór jest produkowany metodami, które nie są przyjazne dla środowiska, takimi jak reforming.
- Dlaczego Stany Zjednoczone inwestują w wodór?
- Stany Zjednoczone postrzegają wodór jako potencjalne źródło czystej energii, zwłaszcza w sektorach trudnych do elektryfikacji, takich jak transport ciężarowy. Inwestycja administracji Bidena ma na celu zwiększenie produkcji wodoru, obniżenie kosztów i tworzenie miejsc pracy.
- Jakie są wyzwania związane z przechowywaniem wodoru?
- Wodór musi być przechowywany pod wysokim ciśnieniem, co wymaga energii. Zaprojektowane w tym celu zbiorniki są ciężkie i często przewyższają masę zawartego w nich wodoru.
