Wodór w stanie stałym – przyszłość wodoru jako źródła energii?

W dzisiejszych czasach, gdy tak ważne jest poszukiwanie i rozwój czystych źródeł energii, jednym z proponowanych rozwiązań jest wykorzystywanie wodoru jako paliwa. Wynikiem spalania tego pierwiastka jest powstawanie wyłącznie wody, co oznacza brak emisji do atmosfery szkodliwych substancji. Niemniej jednak przed naukowcami wciąż stoi wiele wyzwań związanych z ekonomicznym i ekologicznym wytwarzaniem tego gazu oraz jego przechowywaniem. Czy wykorzystywanie wodoru jako paliwa na szeroką skalę jest możliwe?

Aspekty ekologiczne wykorzystania wodoru jako źródło energii

Wodór stanowi czyste oraz niewyczerpane źródło energii – można go ponownie uzyskiwać w procesie elektrolizy wody. Problemem jest jednakże jego produkcja.

Większość obecnie wykorzystywanego wodoru powstaje w procesie reformingu gazu ziemnego. Tak uzyskany pierwiastek określamy jako „szary wodór”. Ten sposób wytwarzania nie jest przyjazny środowisku, gdyż wiąże się z emisją gazów cieplarnianych do atmosfery. Możliwe jest także wytworzenie tzw. wodoru niebieskiego, w ten sam sposób, jednak powstałe gazy cieplarniane są wtedy wychwytywane.

Inną metodą jest elektroliza wody. Jeżeli nie wiąże się ona zupełnie z emisją gazów cieplarnianych, to wyprodukowany wodór nazywany jest wodorem zielonym. Jeśli do przeprowadzenia elektrolizy wykorzystana zostanie energia słoneczna, to jest to wodór żółty. Jeżeli energia nuklearna – różowy (nazywany także czerwonym lub fioletowym).

Możliwe jest także wytworzenie „turkusowego wodoru” – poprzez pirolizę metanu. Jest to technologia w początkowych stadiach rozwoju. Naturalnie występujący w skorupie ziemskiej wodór to wodór biały. Obecnie nie odbywa się jego eksploatacja. Najgorsza dla środowiska jest produkcja „czarnego” i „brązowego” wodoru – wykorzystuje się do niej odpowiednio węgiel kamienny i brunatny.

Możemy mówić, że wodór jest ekologicznym źródłem energii, tylko w przypadku, gdy cały jego cykl życiowy, począwszy od wytworzenia, nie wywiera znaczącego wpływu na środowisko.

Przechowywanie wodoru

Wodór jest najlżejszym pierwiastkiem. Choć jego wartość energetyczna (energia jaką można uzyskać ze spalenia jednostki masy) jest bardzo wysoka, to aby uzyskać wysoką gęstość energii z jego jednostki objętości, potrzebne jest sprężenie go pod bardzo wysokim ciśnieniem. Obecnie możliwe jest przechowywanie wodoru pod ciśnieniem 200-350 barów. W tym stanie jednak w dalszym ciągu jego objętościowa gęstość energii jest ok. 10 razy niższa niż w przypadku benzyny.

Alternatywą jest skraplanie wodoru. Pozwala ono na znaczne zwiększenie jego gęstości energetycznej. Jednak aby skroplić go przy ciśnieniu normalnym, potrzebna jest temperatura -240,18°C. Doprowadzenie wodoru do stanu ciekłego i utrzymanie go w nim wymaga ogromnych ilości energii. Skroplony wodór jest stosowany m. in. jako paliwo rakietowe. Trwają także badania nad wykorzystaniem go w samochodach.

Wykorzystanie wodoru w postaci gazowej lub ciekłej jako źródło energii jest trudne, zwłaszcza w niewielkich urządzeniach. Dlatego też prowadzone są intensywne badania nad ogniwami paliwowymi, zwanymi również wodorowymi. Wykorzystywane są w nich związki wodoru, które w warunkach normalnych są ciałami stałymi. Wodór może połączyć się z metalami na sposób adsorpcji i absorpcji. Adsorpcja polega na wiązaniu się cząsteczek lub atomów wodoru na powierzchni metalu. Absorpcja natomiast na wnikaniu ich do wnętrza fazy.

Poniższa grafika przedstawia porównanie objętości jednostki masy wodoru przechowywanego w stanie gazowym, ciekłym oraz w postaci stałych wodorków.

Przechowywanie wodoru w stanie stałym

Firma Plasma Kinetics opatentowała rozwiązanie, które może zrewolucjonizować przyszłość uzyskiwania energii z wodoru. Wykorzystuje ono nanofotonowy filtr wychwytujący wodór. Jest on potem przechowywany w stanie stałym, zajmując mniejszą przestrzeń i ważąc mniej niż baterie litowo-jonowe. Jego cena również jest niższa (o ok. 30%). Ten sposób przechowywania wodoru nie wymaga skomplikowanych instalacji dystrybucyjnych. 19-litrowe pojemniki można sprzedawać w zwykłych sklepach. Uzupełnianie zużytych zbiorników zajmuje zaledwie między 5 a 30 minut. W przypadku wykorzystania do zasilania pojazdów, można je wymieniać bez konieczności wyłączania silników. Dodatkowo, ten sposób pozyskiwania wodoru nie emituje dwutlenku węgla.

Wykorzystanie wodoru jako źródło energii niesie ze sobą wiele wyzwań, jednak przełomy takie jak ten dokonany przez Plasma Kinetics pokazują, że ma on szansę odegrać znaczącą rolę w transformacji energetycznej.