Wodór przyszłością energetyki?

Dla potencjału energetycznego w ostatnim czasie ważnym ogniwem stał się wodór. Można go magazynować w formie gazowej, gazowej sprężonej, ciekłej, wodorków metali i związków organicznych. Dodatkowo pozwala on na przechowywanie energii odnawialnej w dużych ilościach oraz przez długi okres.

Minusem są właściwości fizyko-chemiczne wodoru. Wodór ze względu na mały rozmiar cząsteczki ma tendencje do utleniania się. Zbiorniki do jego przechowywania są wykonywane ze szczelnych i mocnych materiałów, dla zachowania minimalnych strat zmagazynowanego paliwa.

Magazyny wodoru

Wodór w warunkach normalnych, a więc przy temperaturze równej 0 [°C] i ciśnieniu 1013 [hPa], jest gazem bezwonnym, bezbarwnym. Dodatkowo wodór w podwyższonej temperaturze przenika przez metale i szkło kwarcowe. Jest prawie nierozpuszczalny w wodzie, ale doskonale rozpuszcza się zarówno w palladzie i niklu oraz stopach, takich jak na przykład stop niklu.

Wodór ze względu na swoją specyfikę można magazynować w powierzchniowych zbiornikach, gdzie jest przechowywany w formie ciekłej bądź gazowej. Przekształcenie wodoru w stan ciekły nakłada utrzymywanie wodoru w temperaturze -253 [⁰C] w kriogenicznych zbiornikach.

Podczas składowania wodoru w tej formie dochodzi do strat zgromadzonego paliwa w wyniku parowania wodoru. Aby zminimalizować starty jakościowe zmagazynowanego wodoru, najbardziej efektywną metodą jest jego sprężanie.

Wodór jako paliwo

Wodór przez ostatnich kilkanaście lat z powodzeniem stosuje się jako paliwo w różnych procesach technologicznych i napędowych.Jest on najlżejszym gazem na świecie. Gęstość wodoru jest mniejsza od gęstości powietrza, a więc jest on w stanie unieść do góry balon nim napełniony.

Wartość opałowa wodoru jest bardzo wysoka i wynosi 33,3 [kWh/kg]. Porównując te wartości z wartością opałowa benzyny czy gazu ziemnego wynoszą one kolejno 12,0 [kWh/kg] oraz 10,6-13,1 [kWh/kg].

Dodatkową zaletą wodoru jest to, iż stanowi on obecnie najczystsze paliwo napędowe. W czasie wytwarzania energii elektrycznej przy pomocy wodoru, służącej do napędu powstaje jedynie woda (2H₂ + O₂ => 2H₂O). Wodór także stosowany w ogniwie paliwowym (ogniwie wodorowym) cechuje się wysoką sprawnością spalania, brakiem wibracji i cichą pracą.

Napęd pojazdów.

Obecna technologia pozwala na napędzanie pojazdów paliwem, jakim jest wodór. Wyróżnia się napęd poprzez:

• Ogniwo wodorowe, które daje możliwość produkcji energii elektrycznej dla elektrycznych jednostek napędowych. Dzięki temu ogniwo może być stosowane jako samodzielne źródło napędu dla silnika elektrycznego.
• Silnik wodorowy o wewnętrznym spalaniu. Jest to odpowiednio przygotowany silnik napędzany wyłącznie wodorem lub wodorem i etyliną (benzyną).

Już pod koniec lat 90. XX wieku rozwój w zastosowaniu silników wodorowych testowała
i rozwijała m.in. firma MAN z konstrukcją H 2866 UH. Obecnie wiele prac z tym związanychprzerwano, koncentrując się na rozwoju ogniw wodorowych, które znakomicie uzupełniają się z silnikami elektrycznymi.

Tankowanie wodoru

Aby móc zatankować wodór do pojazdów nim napędzanych, musi on spełniać wymogi bezpieczeństwa. Wymogi takie dla wodoru jako paliwa określa amerykańska norma SAE J2601 oraz międzynarodowa norma ISO 17268 E.

Amerykańska norma SAE J2601 wskazuje jako zestandaryzowane ciśnienia tankowania 350 [bar] (35 [MPa]) i 700 [bar] (70 [MPa]). Nakłada także na dostawcę odpowiednie oznaczenia pistoletu dla maksymalnego ciśnienia i minimalnej temperatury pracy.

W przypadku wodoru sprężonego (H35 lub H70) paliwo może być tankowane samodzielnie przez kierowcę. Pistolety do tankowania wodoru oraz złącza do tankowania wodoru w pojazdach produkuje m.in. OPW (Stany Zjednoczone) oraz WEH (Niemcy). Technologicznie są spokrewnione ze złączami do tankowania sprężonego gazu ziemnego.

Dla samochodów osobowych oraz małych samochodów dostawczych zalecany jest wodór sprężony – H70, który magazynowany jestw formie lotnej pod ciśnieniem 700 [bar] (70 [MPa]) i temperaturze 15[^oC].

W pojeździe przechowywany jest w fazie gazowej w specjalnych zbiornikach wysokiego ciśnienia wykonanych z materiałów kompozytowych i polietylenu. Tak zatankowany i przechowywany wodór wykorzystywany jest do produkcji energii elektrycznej w ogniwie paliwowym.

Dla pojazdów napędzanych silnikami wodorowymi, z zamkniętą komorą spalania, zalecany jest wodór ciekły – LH2. Jest on magazynowany w formie ciekłej pod ciśnieniem 350 [bar].Dodatkowo wymaga stosowania zbiorników kriogenicznych, gdzie płynny wodór znajduje w temperaturze -233[^oC].

W Polsce planowana jest budowa stacji wodorowych głównie dla potrzeb tankowania wodoru do autobusów komunikacji miejskiej. Pierwsze miasta, w których zostały one uruchomione to Warszawa i Gdańsk. Na obu z nich możliwe jest zatankowanie wodoru H35 lub H70, a dystrybutory ilość paliwa wodorowego w kilogramach.

Ile kosztuje wodór?

Na terenie Polski trudne jest przeprowadzenie kalkulacji dotyczącej rynkowej ceny wodoru dla napędu pojazdów. Od 1 listopada 2022 roku koszt 1 kilograma wodoru na stacjach tankowania w Polsce to 24,99 dolara, czyli równowartość około 119,90 złotych.

Dostępne są także informacje z rynku niemieckiego, gdzie w wyniku testów wykazano, że dla klientów detalicznych na stacjach Clean Energy Partnership cena 1 kg wodoru to ok. 9,50 EUR (ok. 39,9 [zł/kg]). Duże floty pojazdów mogą liczyć na znacznie lepsze ceny wodoru, na przykład zakład autobusowy w Hurtch, który kupuje wodór za 3,80 [EUR/kg] (ok. 15,96 [zł/kg]).

Obecne badania pokazują, że samochody na wodór, a więc pojazdy, które mają napęd zasilany energią elektryczną pozyskiwaną z wodoru, są w stanie, przy założeniu średniego zużycia samochodu 0,8 kilograma na 100 kilometrówpokonać ten dystans za około 10,28 euro.

Nasuwa się także ogólne pytanie,jaki nakład surowcowy jest niezbędny do produkcji wodoru? Przy ogólnej wydajnościz zakresu 50-60%, wahającej się w zależności od zastosowania technologii ogniw, do wyprodukowania 1 kilograma wodoru potrzeba około 9 litrów wody i około 50 [kWh] energii elektrycznej.

Wodór jest jednym z najprostszych pierwiastków chemicznych. Wchodzi w skład między innymi wody, a jego ilość na ziemi można szacować na nieograniczoną. Jako paliwo cechuje się wysokim poziomem kaloryczności energetycznej, dzięki czemu zatankowanie kilku kilogramów wodoru umożliwia przejechanie kilkuset kilometrów. Dla porównania, by przejechać kilkaset kilometrów na benzynie trzeba zatankować kilkadziesiąt kilogramów tego paliwa.

Gospodarka wodorowa w Polsce

Polska jest 3 producentem wodoru na świecie. Gospodarka wodorowa od 2022r. zakłada cztery główne cele. W ich realizacji biorą głównie udział przedsiębiorstwa i grupy przedstawione poniżej. Największy udział ma Grupa Azoty. Należy zwrócić uwagę na fakt, iż od 1 sierpnia 2022 roku Grupa lotos i PKN Orlen stały się jedną spółkę. Ich łączne udziały w rynku wodoru wynoszą około 15 %.

Pierwszy cel gospodarki wodorowej w Polsce obejmuje wdrożenie technologii wodorowych w energetyce i ciepłownictwie. Zapewniłoby to rozwój magazynów energii opartych o wodór oraz prace badawczo-rozwojowe w zakresie kompaktowych układów P2G i G2P (power-to-gas i gas-to-power).

Systemy te umożliwiłyby konwersję i magazynowanie energii elektrycznej. Cel ten będzie także realizowany poprzez rozbudowę instalacji fotowoltaicznych o elektrolizery (urządzenia do rozkładu wody na jej podstawowe składniki za pomocą energii elektrycznej).

Drugi cel obejmuje wykorzystanie wodoru jako paliwa alternatywnego w transporcie. Pozwoliłoby to na zastąpienie paliw kopalnych w transporcie miejskim, drogowym, a także kolejowym tam, gdzie linie nie są zelektryfikowane.

W przyszłości z wodoru także skorzystać mogłyby statki morskie i powietrzne. Zakłada się także, że do 2025 roku wsparcie uzyskają przedsięwzięcia dotyczące eksploatacji zeroemisyjnych autobusów, budowy sieci tankowania oraz konstruowania pociągów i lokomotyw napędzanych wodorem.

Plan na koniec dekady to 800-1000 autobusów w Polsce i stopniowe zastępowanie maszyn w kolejnictwie. Do najtrudniejszych celów zalicza się osiągnięcie neutralności klimatycznej w przemyśle ciężkim. Odpowiada on za 22% całkowitych emisji, przy czym największy udział mają: produkcja paliw, minerałów niemetalicznych, środków chemicznych i stali.

Jako trzeci cel określa się jako wsparcie dekarbonizacji przemysłu. Zadania wyznaczone do 2025 roku dotyczą pozyskiwania i stosowania niskoemisyjnego wodoru w procesach petrochemicznych, chemicznych oraz nawozowych.

Obecnie w Polsce można mówić o siedmiu działających dolinach wodorowych. Działają one na terenie województwa śląskiego i małopolskim, dolnośląskiego, mazowieckiego, pomorskiego, podkarpackiego, wielkopolskiego, oraz zachodniopomorskiego. Celem tego typu dolin wodorowych jest przede wszystkim  integracja sektorów oraz optymalizacja procesów i kosztów.

Na terenie naszego kraju planowane jest także stworzenie Centralnej Doliny Wodorowej (CDW). Ma ona powstać w Kozienicach, a jej zadaniem będzie produkowanie elektrolizerów. Są to magazyny wodoru oraz systemy pozwalające produkować z niego energię elektryczną.

Czwarty cel odnosi się do produkcji surowca w nowych instalacjach, którą ułatwią prace badawczo-rozwojowe dla niskoemisyjnych technologii pozyskiwania wodoru. Strategia przewiduje także uruchomienie instalacji wykorzystujących elektrolizę, zgazowanie, pirolizę oraz reforming parowy, aby móc wytwarzać wodór z wody, biomasy, biogazu i biometanu.

Realizowane inicjatywy

Zakłada się, że do 2024 roku na regionalne trasy kolejowe w Polsce wyjadą pociągi napędzane wodorem. Natomiast polski startup Ampere Life pracuje nad wytwarzaniem samochodów wodorowych – zgodnie z zapowiedziami pierwszym może być SUV o zasięgu 800-1000 kilometrów. Działający prototyp ma powstać około 2030 roku.

PESA, największy polski producent pojazdów szynowychma już lokomotywę zasilaną wodorem. Lokomotywa SM42 6Dn jest manewrową lokomotywą 4-osiową z silnikami trakcyjnymi o mocy 4×180 [kW].

Za wytwarzanie energii w pojeździe odpowiedzialne są dwa ogniwa wodorowe. Ogniwo o mocy 85 [kW] jest układem wytwarzającym napięcie elektryczne w reakcji chemicznej wodoru z tlenem z powietrza atmosferycznego.

Wodór pobierany jest ze zbiorników o pojemności 175 [kg] każdy. Jedno tankowanie takiej lokomotywy pozwala na jej dobową pracę manewrową. Dodatkowo PESA została wyposażona w system jazdy autonomicznej, umożliwiając w ten sposób maszyniście sterowanie radiowe pojazdem w czasie ustawiania składów oraz system rozpoznawania przeszkód.

PESA pracuje także nad elektrycznymi zespołami trakcyjnymi, które mają być przygotowane do zasilania z paliwowych ogniw wodorowych. Pierwszy pasażerski pojazd bydgoskiego producenta napędzany wodorem miałby wyjechać na tory na przełomie 2025 i 2026 roku.

Kursowanie lokomotyw napędzanych wodorem w szczególności można zauważyć między Bremerhaven, Bremervoerde i Buxtehude, zastępują one tam konwencjonalne pociągi spalinowe. Jest to sześć pociągów napędzanych wodorem,a dzięki ogniwu paliwowemu pociągi jeżdżą całkowicie bezemisyjnie.

Oprócz przemysłu kolejowego ważny aspekt stanowi przemysł motoryzacyjny. Coraz intensywniej testuje się i projektuje samochody wodorowe, które zaliczane są do grupy aut elektrycznych.

Ogniwo paliwowe jest elementem, który pozwala na konwersję wodoru na energię elektryczną. Dlatego samochody wodorowe określane są za pomocą skrótowca FCV (Fuel Cell Vehicle).

Ogniwa paliwowe składają się z dwóch elektrod – ujemnej (anody) oraz dodatniej (katody). Wodór dostarczany jest do anody, a powietrze do katody. Katalizator odpowiedzialny jest za rozbicie atomów wodoru na protony i elektrony, które trafiają do katody różnymi drogami. W procesie jako odpad nie powstaje szkodliwy dwutlenek węgla, lecz ciepło oraz woda destylowana.

Auta z napędem wodorowym nie są masowo produkowane. Ukierunkowane jest to wysokim zapotrzebowaniem na energię, ale nie do napędu samochodu, ale do wyprodukowania wodoru. W kwietniu 2021 roku w salonach Toyoty pojawił się wodorowy sedan Mirai.

Produkcja prądu w tym samochodzie odbywa się bezpośrednio na pokładzie auta, za pomocąreakcji chemicznej wodoru z tlenem. Instalacja nie wymaga rozbudowanej sekcji akumulatorów. Czas tankowania skrócony jest do zaledwie kilku minut, a samochód utrzymuje zasięgi znane samochodom konwencjonalnym.

Wodór przyszłością gospodarki

Przedstawione inicjatywy na terenie Polski dla wykorzystania wodoru ukazują jego perspektywiczne wykorzystanie w branży paliwowej. Przyszłościowe oraz coraz bardziej rozwojowe staje się wprowadzanie na rynek wodorowych lokomotyw, czy też samochodów.

Kluczowe jest rozwinięcie infrastruktury stacji wodorowych na terenie naszego kraju oraz rozwój dolin wodorowych. Wodór wspomaga dekarbonizację przemysłu, dzięki pozyskiwaniu i stosowaniu niskoemisyjnego wodoru w procesach petrochemicznych, chemicznych oraz nawozowych. Udoskonalenie wykorzystania wodoru oraz jego spopularyzowanie, udostępnienie na szeroką skale, byłoby rewolucyjnym rozwiązaniem dla branży paliwowej oraz energetycznej.