Kiedy wodór zastąpi ropę, gaz i węgiel

Wodór jest często nazywany paliwem przyszłości. Choć popularyzacja jego zastosowań zajmie jeszcze kilkanaście lat, ale już dziś można zaprezentować liczne przykłady praktycznych zastosowań i komercyjnych produktów.

Airbus przygotowuje modele ekologicznych, bezemisyjnych samolotów zasilanych wodorem. Źródło: Airbus.

Międzynarodowa organizacja IRENA (International Renewable Energy Agency) zajmująca się promocją i wsparciem rozwoju odnawialnych, ekologicznych źródeł energii szacuje, że wodór pokryje do 2050 roku 12% światowego zużycia energii, a ponad 30% procent jego produkcji będzie przedmiotem handlu transgranicznego, co oznacza większy udział niż obecnie w przypadku gazu ziemnego.

Analitycy z IRENA twierdzą, że zielony wodór zmieni światowy handel i dwustronne stosunki energetyczne wraz z pojawieniem się nowych eksporterów i użytkowników wodoru, a rozwój światowej gospodarki wodorowej przyniesie znaczące zmiany ekonomiczne i geopolityczne. Na arenie światowej pojawi się wielu nowych producentów, a handel wodorem nie będzie mógł być wykorzystany jako broń lub kontrolowany przez kartele w przeciwieństwie do obecnych geopolitycznych wpływów producentów ropy naftowej i gazu.

Zobacz również:

  • Ogniwa paliwowe będą zasilać centra danych

Dlaczego właśnie wodór

Ważnym argumentem jest możliwość ograniczenia emisji gazów cieplarnianych, ale przede wszystkim to, że wodór jest najpopularniejszym we wszechświecie pierwiastkiem i jego zasoby są praktycznie nieograniczone. Stanowi on ponad 70% znanej materii. Jest to bezbarwny, bezwonny gaz, który na Ziemi występuje głównie w postaci wody, ale wykryto też źródła czystego wodoru w formie gazu ulatniającego się z różnych warstw geologicznych na lądach oraz dnie oceanów.

Wodór można wykorzystać do uzyskania energii w reakcjach chemicznych, na przykład w procesie łączenia z tlenem. Mieszanka wodoru i tlenu jest silnie wybuchowa i ma niską temperaturę zapłonu, ale w sposób kontrolowany reakcję można przeprowadzić przy wykorzystaniu znanych od dawna ogniw paliwowych, w których proces łączenia wodoru i tlenu umożliwia wytworzenie energii elektrycznej i tylko niewielkiej ilości ciepła, a produktem ubocznym jest woda.

Tu warto zauważyć, że silniki elektryczne są bardziej wydajne niż spalinowe. W tych drugich około 50% wytworzonej energii jest zamieniane na ciepło, natomiast w elektrycznych układach napędowych tylko około 10%.

Jednocześnie ogniwa paliwowe są skalowalne. Można je łączyć tworząc stosy i systemy o różnej mocy, od układów zastępujących silniki spalinowe w pojazdach po duże instalacje dostarczające moc wielu megawatów.

Zaletą wodoru jest wysoka gęstość energii wynosząca około 120 MJ/kg (megadżula na kilogram). Jest ona prawie trzy razy większa niż w przypadku oleju napędowego (45,5 MJ/kg) lub benzyny (45,8 MJ/kg). W jednostkach elektrycznych jest to 33,6 kWh/kg (wodór) oraz 12-14 kWh/kg (olej lub benzyna).

Popularyzacja paliwa wodorowego

Popularyzacja wodoru jako paliwa wymaga pokonania wciąż istniejących barier ekonomicznych i technologicznych. Przede wszystkim chodzi tu o obniżenia ceny wytworzenia, przechowywania i dystrybucji wodoru, a także ogniw paliwowych. Należy tu podkreślić, że chodzi tu o wodór zielony czyli produkowany bez emisji CO2.

W ostatnich latach szybko rosną inwestycje rządów we wsparcie rozwoju ekologicznych technologii wodorowych. "Nie możemy polegać na jednej technologii, podobnie jak na jednej drodze dostaw źródeł energii i dlatego przeznaczamy miliardy dolarów na rozwój technologii związanych z wykorzystaniem wodoru jako nośnika energii. To technologia zmieniająca reguły gry, która już wkrótce może stanowić duże wsparcie dla energii jądrowej, gazu i źródeł odnawialnych” powiedziała Anna Shpitsberg, zastępca sekretarza ds. transformacji energetycznej w Departamencie Stanu USA.

Amerykańskie Ministerstwo Energii DOE (U.S. Department of Energy) uruchomiło program Hydrogen Energy Earthshot. To inicjatywa mająca na celu osiągnięcie w ciągu 10 lat kosztu kilograma wodoru na poziomie 1 dolara. Aby osiągnąć ten cel, DOE przyznaje znaczące środki finansowe wybranym projektom demonstrującym bezemisyjne wytwarzanie wodoru, systemy magazynowania ciekłego wodoru oraz testowanie kluczowych systemów wodorowych, w tym elementów bezpieczeństwa, a także projektów zastosowań czystego wodoru.

Z kolei w Polsce w listopadzie 2021 roku rząd przyjął Polską Strategię Wodorową, która określa plan działań w obszarze technologii wodorowych. Pod koniec bieżącego roku pod obrady Sejmu ma trafić ustawa zwana Konstytucją dla wodoru. Nie jest to przypadek, bo Polska jest trzecim za Niemcami i Holandią producentem wodoru w Unii Europejskiej (11 procentowy udział w europejskim rynku), a jednocześnie piątym na świecie.

W Polsce większość wodoru jest zużywana do produkcji amoniaku lub w petrochemii. Jest to tzw. wodór przemysłowy o czystości około 95-99 proc., która nie jest wystarczająca, by używać go w wodorowych ogniwach paliwowych. Oprócz tego jest on wytwarzany z gazu ziemnego, a więc w nieekologicznym procesie generującym gazy cieplarniane.

Gdzie wodór już zaczyna mieć zastosowanie

Pomysłów na wykorzystanie wodoru jako paliwa jest wiele, a niektóre z nich już znajdują praktyczne zastosowania. Najczęściej mają one ograniczony zasięg i służą praktycznym testom poprzedzającym masowe wdrożenia.

Holenderska firma NorthC mająca sieć centrów danych wymieniła w obiekcie znajdującym się w Groningen generatory dieslowskie służące do awaryjnego zasilania systemu na zasilany wodorem moduł ogniw paliwowych o mocy 500 kW. Przewidywana żywotność tych ogniw wynosi ponad 20 lat. NorthC szacuje, że pozwoli to zmniejszyć emisję CO2 o 78 ton rocznie. Bo generatory zasilane olejem napędowym są uruchamiane nie tylko w przypadku awarii zasilania, ale również w tygodniowym cyklu testowania ich gotowości do pracy.

System wykorzystujący zasilane wodorem ogniwa paliwowe jest obecnie droższy niż urządzenia zasilane olejem napędowym, ale przedstawiciele firmy sądzą, że wraz z rozwojem produkcji wodoru i wzrostem cen paliw kopalnych kalkulacja zasadniczo się zmieni. Firma zamierza praktycznie sprawdzić tę nową technologię przed jej wdrożeniem w innych obiektach, a w nieco dalszej perspektywie celem jest wykorzystanie ekologicznego wodoru jako podstawowego źródła zasilania centrów danych.

Z kolei konsorcjum siedmiu firm, w ramach projektu E2P2 (EcoEdge PrimePower), opracowuje technologię produkcji ogniw paliwowych nowej generacji przeznaczonych do zastosowań w centrach danych. Projekt E2P2 jest inicjatywą typu proof-of-concept, której celem jest opracowanie ogniw paliwowych zapewniających ekonomiczny system podstawowego zasilania centrów danych, a także ich wykorzystania jako niezawodnych, wydajnych i zdecentralizowanych źródeł energii w innych zastosowaniach przemysłowych. Projekt uzyskał finansowanie w wysokości 2,5 mln euro w ramach europejskiego programu Horizon 2020. W jego realizację zaangażowane są firmy Equinix, InfraPrime, RI.SE, Snam, SolidPower, TEC4FUELS oraz Vertiv.

Kiedy wodór zastąpi ropę, gaz i węgiel

Opracowany przez Toshibę zestaw wodorowych ogniw paliwowych o mocy 100 kW został wprowadzony do komercyjnej oferty już w 2017 roku. Źródło: Toshiba.

Przedstawiciele konsorcjum planują opracować otwarty standard produkcji i zastosowania ogniw paliwowych, który utoruje drogę do komercjalizacji tej technologii. W planach jest opracowanie do 2023 roku prototypu uniwersalnego modułu o mocy 100 kW, a następnie stworzenie finalnego systemu, który będzie mógł obsłużyć krytyczne obciążenia wymagające mocy wielu megawatów.

Kalifornijska firma BLT (Boundary Layer Technologies) opracowała projekt dużego, transportowego wodolotu Argo zasilanego przez ogniwa paliwowe wykorzystujące ciekły wodór. W założeniach ma on konkurować z klasycznymi kontenerowcami, ale także transportem lotniczym.

Jest to projekt wykorzystujący różnego rodzaju zaawansowane technologie. Skrzydła wodolotu są zbudowane z włókna węglowego co istotnie zmniejsza jego wagę i hamujące ruch opory, a w efekcie zużycie energii. Aby uniknąć potencjalnych kolizji z innymi obiektami znajdującymi się na i w wodzie Argo korzysta z radaru oraz sonara skanującego i wykrywającego zanurzone obiekty w odległości do 1500 metrów. Jest wyposażony w zbiorniki wodoru o pojemności 370 m3 umieszczone w dwóch kadłubach wodolotu. Układ napędowy składa się z czterech silników o mocy 2,5 MW zasilanych przez stos ogniw paliwowych o mocy 10 MW.

Kiedy wodór zastąpi ropę, gaz i węgiel

Zasilany wodorem wodolot Argo do transportu kontenerów ma już wkrótce wejść do komercyjnej eksploatacji. Źródło: Boundary Layer Technologies.

Wodolot umożliwia przenoszenie ładunku o wadze do 200 ton, czyli o 70% więcej niż typowy samolot transportowy np. Boeing 747-400. Zasięg Argo to prawie 2800 kilometrów przy prędkości przelotowej 40 węzłów. Wodowanie Argo jest planowane na III kwartał 2024 roku. Początkowo wodolot ma obsługiwać wewnątrzazjatyckie szlaki handlowe.

BLT planuje też zwodowanie w pierwszym kwartale 2024 roku elektrycznego promu Electra, który będzie mógł przewozić do 150 pasażerów z prędkością 40 węzłów przy zasięgu 185 km.

W 2020 roku po 530 dniach i ponad 180 000 przejechanych kilometrów w Niemczech oficjalnie zakończono próbną eksploatację dwóch pierwszych na świecie pociągów zasilanych przez wodorowe ogniwa paliwowe. Prototypowe pociągi Alstom Coradia iLint były wykorzystywane do transportu pasażerów od września 2018 roku. W 2022 roku 14 takich pociągów ma zostać wprowadzonych do regularnej obsługi ruchu pasażerskiego w Niemczech i Austrii.

Kiedy wodór zastąpi ropę, gaz i węgiel

Alstom Coradia iLint to pociąg zasilany przez wodorowe ogniwa paliwowe, który już w tym roku wchodzi do regularnej eksploatacji w niektórych krajach europejskich. Źródło: Alstom.

Z kolei w Bawarii regionalne linie kolejowe Bayerische Regiobahn zawarły z Siemens Mobility kontrakt na dostarczenie pociągów zasilanych wodorem. Pierwszy prototypowy skład ma rozpocząć pracę w połowie 2023 roku na linii Augsburg - Füsse, a oficjalna inauguracja regularnych połączeń jest planowana na początek 2024 roku. Składające się z dwóch wagonów pociągi są oparte na opracowanej przez Siemens Mobility platformie Mireo Plus.

Produkcję modeli samochodów osobowych zasilanych przez wodorowe ogniwa paliwowe rozpoczęły już Toyota (modele Mirai), Honda (Clarity) i Hyundai (crossover Nexo), a także kilka mniej znanych firm. Na razie ich ceny są bardzo wysokie - 50-80 tys. USD za taki samochód. Wynika to jednak nie z bezpośrednich kosztów wodorowej instalacji zasilającej, a z mało seryjnej produkcji oraz luksusowego wyposażenia oferowanych modeli. Zasilane wodorem pojazdy znajdują nabywców głównie w Kalifornii i Niemczech, gdzie infrastruktura stacji ładowania jest obecnie najbardziej rozwinięta.

Firma Airbus ujawniła we wrześniu 2020 roku szczegóły dotyczące trzech samolotów koncepcyjnych o napędzie hybrydowo-wodorowym, które mają wejść do regularnej eksploatacji do roku 2035. Jednocześnie dyrektor generalny Airbus powiedział, że w perspektywie średnio- i długoterminowej zasilane wodorem samoloty staną się w transporcie lotniczym rozwiązaniem standardowym.

W celu komercyjnej reprodukcji treści Computerworld należy zakupić licencję. Skontaktuj się z naszym partnerem, YGS Group, pod adresem [email protected]

TOP 200