Wodór – paliwo jutra?

Tekst opublikowany 14.11.2018 w Gazecie Wyborczej pod tytulem „Wodór zostanie paliwem jutra? Czy lubelski eksperyment ma sens”; tu wersja oryginalna.

Podczas dyskusji na temat rozwoju transportu i energetyki częstym tematem jest wodór. Jego zwolennicy zapewniają, że właśnie do niego należy przyszłość, mówią nawet o „wodorowej gospodarce”. A jak to wygląda w rzeczywistości?

„Wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie i ma największą właściwą gęstość energii ze wszystkich źródeł poza jądrowymi. Jest niewyczerpalny i nietoksyczny; można go pozyskiwać z różnych źródeł, dowolnie długo przechowywać i stosunkowo łatwo transportować”. To wszystko prawda, ale czy wystarczy, by stał się paliwem jutra?

Ściśle rzecz biorąc, wodór nie jest paliwem, a nośnikiem energii. Owszem, można go wykorzystywać jako paliwo, ale najpierw trzeba go wytworzyć, bo nie występuje na Ziemi w stanie wolnym. Metod wytwarzania wodoru jest wiele, a jako surowce do jego produkcji można wykorzystywać m.in. wodę, gaz ziemny, ropę naftową, odpady organiczne czy nawet węgiel.

Skąd wodór?

Z wymienionych powyżej metod jedyną naprawdę czystą, obojętną dla środowiska naturalnego jest elektroliza wody, czyli jej rozkład na wodór i tlen za pomocą prądu elektrycznego – oczywiście pod warunkiem, że prąd pochodzi ze źródeł odnawialnych, takich jak panele fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe czy stare, dobre elektrownie wodne.

Mało kto zdaje sobie sprawę z faktu, że wodór produkuje się w Polsce od dziesięcioleci na skalę przemysłową (niektóre źródła mówią nawet o milionie ton rocznie, jednak wielkość ta wydaje się zawyżona; globalna produkcja wynosi 40 mln ton). Stanowi on podstawowy surowiec do produkcji amoniaku, z którego potem wytwarza się nawozy azotowe, jest wykorzystywany przy przetwarzaniu ropy naftowej na benzynę i olej napędowy (hydrokraking), a także w produkcji margaryny przez uwodornianie olejów roślinnych. Przemysłowo wodór otrzymuje się metodą tzw. parowego reformingu metanu, działając bardzo gorącą parą wodną na gaz ziemny w obecności katalizatorów. Z każdej cząsteczki metanu i dwóch cząsteczek wody uzyskuje się osiem cząsteczek wodoru i cząsteczkę dwutlenku węgla. Wystarczy wiedza ze szkoły podstawowej, aby policzyć, że wyprodukowaniu tą metodą 1 kg wodoru towarzyszy wyemitowanie do atmosfery aż 5,5 kg dwutlenku węgla – a w istocie jeszcze więcej, bo składniki trzeba ogrzać do o temperatury aż 700-1100 °C .

Brudny gaz

Podobnie wygląda produkcja wodoru z ropy naftowej i węgla, z tym, że tu ilość emitowanego dwutlenku węgla jest jeszcze większa – w przypadku węgla aż dwukrotnie. Zwolennicy tych metod mówią o możliwości sekwestracji, czyli wyłapywania tego szkodliwego gazu i składowania go np. w wyrobiskach pozostałych po wydobyciu paliw kopalnych, ale takie rozwiązania praktycznie nie są wykorzystywane, więc dwutlenek węgla ulatuje do atmosfery, przyczyniając się do zwiększenia efektu cieplarnianego.

Wodór jest również składnikiem gazu koksowniczego, stanowiącego produkt uboczny przy wytwarzaniu koksu dla hutnictwa, jednak tu poważnym problemem jest oddzielenie wodoru od tlenku węgla i zanieczyszczeń.

Paliwo

Jak wykorzystać wodór jako paliwo? Najprostszym sposobem jest dodawanie go do gazu ziemnego w powszechnych sieciach gazowniczych, wykorzystywanego w gospodarstwach domowych i przemyśle, w tym do zasilania elektrowni gazowych. Anglicy oceniają, że w ten sposób Wielka Brytania może zmniejszyć roczną emisję dwutlenku węgla o sześć milionów ton. Oczywiście ma to sens jedynie przy wykorzystaniu wodoru otrzymywanego w drodze elektrolizy z wykorzystaniem nadwyżki energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych.

Zdecydowanie największe zainteresowanie budzą perspektywy wykorzystania wodoru w pojazdach zasilanych wodorowymi ogniwami paliwowymi. W ogniwach takich wodór poprzez specjalną membranę łączy się w obecności platynowego katalizatora „na zimno” z tlenem, w wyniku czego powstaje prąd, który zasila elektryczny. Jedynym produktem ubocznym jest czysta para wodna.

Tak, ale...

Wygląda na to, że wodorowe ogniwa paliwowe są receptą na doskonale ekologiczny środek transportu. Owszem, ale tylko jeżeli wykorzystywany wodór uzyskiwany jest wyłącznie z użyciem energii ze źródeł odnawialnych. Jeśli został otrzymany przez parowy reforming metanu, ropy lub węgla, korzystanie z wodorowego auta wiąże się z emisją dwutlenku węgla.

Zobaczmy to na przykładzie czteroosobowej Toyoty Mirai, która zużywając 5 kg wodoru może przejechać 502 km (rzeczywisty zasięg według badań homologacyjnych amerykańskiej agencji EPA). Gdy wodór został wytworzony z metanu, oznacza to emisję ponad 5,5 kg dwutlenku węgla na 100 km, czyli 55 g/km, a jeśli z węgla – ponad 110 g/km. To powyżej europejskiego limitu średniej emisji dla samochodów osobowych, który zacznie obowiązywać już za trzy lata!

Kilowaty nie na straty

Poważnym mankamentem pojazdów zasilanych wodorowymi ogniwami paliwowymi są bardzo duże straty energii na poszczególnych etapach procesu od pozyskiwania po wykorzystanie wodoru. Jak podają w pracy „Energetyka wodorowa – podstawowe problemy” z 2017 roku Tadeusz Chmielniak, Sebastian Lepszy i Paweł Mońka, całkowita sprawność procesu, z uwzględnieniem sprawności elektrolizy, sprężania wodoru i działania ogniwa paliwowego, to zaledwie 29 procent. Ulf Bossel, który w opublikowanej w „Proceedings of the IEEE” pracy „Does a Hydrogen Economy Make Sense?” uwzględnia jeszcze straty związane z transportem wodoru, mówi o sprawności 23 procent. Oznacza to, że z 1 kWh energii zużytej na elektrolizę, do napędzania pojazdu zostanie wykorzystane zaledwie 230 Wh – pozostałe 770 Wh rozproszy się w postaci ciepła. Sprawność samochodów akumulatorowych jest aż trzykrotnie większa, zatem ta sama ilość energii wystarczy im na pokonanie trzy razy większej odległości.

Tylko trzy minuty?

Orędownicy samochodów wodorowych chętnie szermują argumentem, że napełnienie zbiorników zajmuje tylko trzy minuty, a auto elektryczne trzeba ładować godzinami. Problem jednak polega na tym, że sieć stacji tankowania wodoru jest bardzo rzadka (w Polsce nie ma żadnej). Nawet, gdybyśmy kosztem 10 miliardów złotych wyposażyli po jednej stacji benzynowej w każdej z 2478 polskich gmin w jeden dystrybutor z wodorem (za ponad milion dolarów), każdy posiadacz auta na wodór musiałby co jakiś czas pokonywać średnio 12 km, by uzupełnić paliwo. Tymczasem w codziennej eksploatacji samochód elektryczny podłącza się po prostu na noc do gniazdka, a ze stacji szybkiego ładowania korzysta się sporadycznie, tylko podczas dłuższych podróży. Zasięg elektrycznej Tesli Model 3 z akumulatorem 75 kWh to (według homologacji EPA) 500 km, a doładowanie akumulatora w trasie trwa pół godziny – w sam raz na wizytę w toalecie, przekąskę i krótki odpoczynek.

Lubelski eksperyment

Na początku października Wyborcza poinformowała, że lubelskie MPK zamierza wprowadzić autobusy z wodorowymi ogniwami paliwowymi. Wodór mają dostarczać – cysternami – puławskie Azoty, które wytwarzają go obecnie dla własnych potrzeb metodą parowego reformingu metanu. W tym miejscu zdrowy rozsądek każe zapytać: czy nie lepiej wykorzystać gaz ziemny bezpośrednio, tankując nim autobusy zasilane CNG lub LNG? Przy znacznie niższych kosztach inwestycji i eksploatacji efekt ekologiczny będzie nawet lepszy. A docelowym rozwiązaniem będą tańsze oraz znacznie bardziej trwałe i niezawodne od wodorowych autobusy elektryczne – nota bene, już w tej chwili produkowane seryjnie przez lubelskiego Ursusa.