Wodór – cudowne paliwo przyszłości?

Uważany za alternatywę dla paliw kopalnych, może stać się fundamentem energetyki przyszłości. Nie będzie to jednak takie łatwe, jak się niektórym wydaje… W jednym z poprzednich artykułów (patrz: NŚ 10/2022) pisałem o obecnych problemach związanych z energetyką, a konkretnie – z paliwami kopalnymi. Wniosek brzmiał, że jest to wynik realizacji planu, którego jednym z założeń jest zmuszenie ludzkości do szybszego odejścia od paliw kopalnych, a tym samym zatrzymanie procesu degradacji środowiska (to tylko jedno z założeń, ale rozwinięcie tego tematu pozostawiam innym). W konsekwencji można spodziewać się przyspieszenia poszukiwań i doskonalenia nowych rozwiązań energetycznych. Najprawdopodobniej stopniowo uwalniane będą również projekty iście fantastycznych technologii, także takich, będących źródłem tzw. wolnej energii . Pisząc o uwalnianiu mam na myśli fakt, iż pracowano już w przeszłości nad czymś podobnym, lecz pozostaje zagadką, kto jest dziś w posiadaniu tych patentów i wiedzy. W kontekście powyższego skupiłem się na nowych, wydajnych i ekologicznych źródłach, poświęcając najwięcej miejsca tzw. zimnej fuzji. Tym razem chciałbym przybliżyć głośny w ostatnich latach temat wodoru. Czy H 2 może stać się paliwem przyszłości? Ogniwo wodorowe Wodór na ogół kojarzony jest z paliwem rakietowym, czy też samochodami na wodór . Istnieje jednak zasadnicza różnica w sposobie wykorzystywania tego pierwiastka w obu tych przypadkach. W różnych konstrukcjach silników rakietowych stosuje się odpowiednie paliwa i ich domieszki. Jest to obszerna dziedzina inżynierii, natomiast jeśli chodzi o paliwo wodorowe to często znajduje zastosowanie w lotach kosmicznych. W komorze spalania silnika rakietowego dochodzi do prostej reakcji chemicznej, w której spontanicznie łączą się dwie cząsteczki wodoru (H 2 ) z jedną cząsteczką tlenu (O 2 ), tworząc dwie cząsteczki wody H 2 O. Wówczas następuje spalanie wodoru, czemu towarzyszy produkcja sporej ilości energii – ciepła, które rozpędza świeżo powstałą parę wodną wylatującą z dyszy silnika. Samochody napędzane wodorem są niczym innym jak autami o napędzie elektrycznym, gdzie źródłem prądu jest ogniwo wodorowe. Zasada jego działania jest (pomijając pewne szczegóły) dość prosta. Wodór w czystej formie wprowadza się do ogniwa na platynową elektrodę (anodę), pod wpływem której rozdzielany jest na proton oraz elektron (atom wodoru to w istocie proton i krążący po jego orbicie elektron). Elektrony te podróżują następnie przez obwód elektryczny do przeciwległej elektrody (katody). Właśnie ten ich przepływ stanowi pożądany prąd elektryczny napędzający auto. Jednak nie poruszałyby się one samoistnie w obwodzie, gdyby nie to, co jednocześnie dzieje się po drugiej stronie. Na przeciwnej elektrodzie (katodzie) źródłem siły wymuszającej przepływ prądu jest zachodząca tam reakcja tlenu pobranego z powietrza z elektronami przybyłymi od anody poprzez obwód elektryczny. Zredukowany (wzbogacony o elektrony) w ten sposób tlen może teraz przyciągnąć, a także przyłączyć protony, które powstały wcześniej z rozdzielenia wodoru na anodzie i które przypłynęły na katodę przez roztwór elektrolityczny znajdujący się w przestrzeni pomiędzy elektrodami. Produktem ostatniej reakcji jest woda. [caption id="attachment_11519" align="aligncenter" width="1140"] Tankowanie samochodu napędzanego wodorem (Fot. Ogidya, CC BY-SA 4.0/Wikimedia Commons)[/caption] Właściwości wodoru Na przykładzie opisanego ogniwa wodorowego łatwo się przekonać, że pierwiastek ten może być nośnikiem energii elektrycznej. Żartobliwie można by stwierdzić, iż nie jest wykluczone, że w niedalekiej przyszłości zaczniemy kupować prąd na kilogramy. Jako iż wodór stanowi podstawową cegiełkę materii i występuje w przyrodzie powszechnie, jego zasoby są wystarczające, aby pokładać w nim nadzieję na budowę przyszłego systemu energetycznego. Fakt ten stanowi chyba największą jego zaletę. Spośród innych ważnych właściwości trzeba też omówić wartość energetyczną mierzoną w megadżulach (MJ) na kilogram masy – wynosi ona 120. l MJ/kg, co stanowi trzykrotność takiej wartości dla benzyny. Brzmi to nader optymistycznie, jednak wodór, jako najlżejszy element materii, posiada stosunkowo małą gęstość i w związku z tym odpowiednio małą gęstość energii na jednostkę objętości – w stanie skroplonym wynosi ona 8.5 MJ/litr, co z kolei jest trzykrotnie mniejszą wartością w porównaniu do skroplonego gazu ziemnego (LNG). Zatem jednym z podstawowych wyzwań w kontekście wodoru okażą się kwestie logistyczno-infrastrukturalne, związane z transportem i magazynowaniem jego wielkich ilości. Transport, ciepłownictwo czy energetyka w ogóle mogłyby stać się ekologicznymi filarami ekonomii, ponieważ energia wodorowa nie emituje dwutlenku węgla (CO 2 ) i innych cząsteczek szkodzących środowisku, a niemal w stu procentach jedynym produktem ubocznym pozostaje czysta para wodna. Miasta stałyby się wolne od smogu, a zanieczyszczenie powietrza zostałoby zredukowane. Ale czy to wszystko? Czy mając na uwadze powyższe, należy bez dalszego zastanowienia się obrać ten kierunek? Oczywiście, że nie. Moim zdaniem technologia wodorowa wymaga jeszcze wielu poprawek i całkiem nowych rozwiązań, gdyż w przeciwnym razie… skazana jest na całkowitą porażkę. Dlaczego? Główne ograniczenie to sposób uzyskiwania czystego wodoru, ponieważ do jego produkcji potrzebny jest głównie… metan, węgiel i prąd. Wracamy zatem do punktu wyjścia. Produkcja błękitnego paliwa Do wytwarzania wodoru stosuje się różne techniki oraz procesy fizykochemiczne. Jednym z podstawowych jest proces odwrotny do tego, jaki zachodzi w opisanych wcześniej ogniwach – mowa tu o elektrolizie H 2 O, gdzie napięcie elektryczne rozdziela (dysocjuje) cząsteczkę wody na kation wodorowy (proton) oraz anion wodorotlenkowy. Ten pierwszy wędruje na elektrodę ujemną, gdzie przyłącza do siebie elektron i tym samym powstaje atom wodoru. Istnieje też bardziej sensowna metoda elektrolizy wody, wykorzystująca odnawialne źródła energii, takie jak promieniowanie słoneczne czy energia wiatrowa. Innym sposobem jest tzw. reforming węglowodorów (gazów ziemnych) parą wodną. Tutaj w warunkach wysokich temperatur i ciśnień (mocno kolidujące molekuły), łączą się cząsteczki metanu z cząsteczkami wody, tworząc wodór oraz tlenek węgla. W kolejnej fazie tlenek węgla w podobny sposób reaguje z wodą, dając dalsze ilości wodoru i… CO 2 . Można też gazyfikować węgiel, czyli podgrzewać go do postaci gazowej, by potem mógł reagować z parą wodną, dając m.in. wodór. Analogicznie, gdy dostatecznie podgrzejemy sam metan, rozbijemy go na atomy, uzyskując czysty węgiel oraz wodór. Drogą, która może wydawać się najlepszą, jest produkcja wodoru z biomasy. W procesie beztlenowej fermentacji z materii organicznej uzyskuje się biogazy, natomiast kwasy czy alkohole – w procesach fermentacji. Podlegają one dalszemu przetwarzaniu za pomocą opisanych technik gazyfikacji, czy reformingu, aby na końcu separować czysty wodór. [caption id="attachment_11522" align="aligncenter" width="1140"] Instalacja solarno-wodorowa (fot. J. Ronge, CC BY-SA 4.0/Wikimedia Commons)[/caption] Przyjęto nawet nieoficjalne nazewnictwo, używając nazw kolorów w odniesieniu do sposobu produkcji wodoru. Czarny , szary lub brązowy odpowiadają odpowiednio produkcji tego paliwa z węgla, gazu ziemnego i węgla brunatnego. Niebieskim powszechnie nazywa się wodór z paliw kopalnych, podczas wytwarzania którego zmniejszona została emisja CO 2 . Zielony to termin stosowany do określenia produkcji wodoru przy użyciu odnawialnych źródeł. Nie ma za to ustalonych kolorów dla wodoru z biomasy czy energii jądrowej. Z tego krótkiego przeglądu dostępnych metod wytwarzania błękitnego paliwa wynika jasno, że do czasu opracowania ekologicznych technologii jego produkcji, w całkowitym bilansie korzyści energetyka wodorowa nie może stanowić realnej alternatywy. Istotnym bowiem czynnikiem klasyfikującym dany system energetyczny jest współczynnik emisji CO 2 . Konkurencyjność i emisyjność Aby energetyczny system przyszłości spełniał założenia rozwiniętej cywilizacji, trzeba wyeliminować z niego dwie rzeczy: konkurencyjność oraz negatywną emisyjność. Konkurencyjność (lobby energetyczno-naftowe) nakręca spiralę energetyki emisyjnej. Opublikowane niedawno wyniki analiz naukowych wskazują, iż mamy czas do 2050 r. Jeżeli nic nie uda się nam zrobić, za 28 lat w statystycznym ujęciu 55% światowej populacji będzie przez 20 dni w roku narażone na warunki spoza progu ludzkiej przeżywalności – piszą naukowcy z Breakthrough National Centre for Climate Restoration w Australii. Jedna trzecia lądów stanie się pustynią, ekosystemy zaczną po kolei zanikać, a wraz z nimi rolnictwo. Uczeni z Melbourne piszą wprost: (...) to będzie koniec cywilizacji, jaką znamy . Takie więc jest drugie dno obecnego kryzysu energetycznego. Konkurencyjność w znacznym stopniu wywołała obecny kryzys. Nie może być więc tak, że społeczeństwa uzależnione są od wpływów i polityki krajów, za którymi stoją pseudoelity świata finansów – banki centralne czy biznes naftowy. W proponowanym systemie energetycznym, opartym na ogniwach wodorowych, konkurencyjność pełni znaczącą rolę z uwagi na fakt, iż platynę wydobywa się właściwie na terenie dwóch krajów na świecie – RPA oraz Rosji , a to ona właśnie stanowi surowiec bazowy dla produkcji tych źródeł energii. Oczywiście cały czas są prowadzone badania w kierunku doskonalenia alternatywnych technologii. Należy zatem spodziewać się postępów pod względem kosztów produkcji, bądź zastąpienia platyny innymi materiałami. Emisyjność technologii wodorowej wydaje się oczywistym wyzwaniem. Przekonaliśmy się, że produkcja wodoru to proces, w którym emisja CO 2 do atmosfery jest skutkiem nieuniknionym, do czasu opracowania ekologicznych metod jego produkcji. Najbardziej racjonalnym wyjściem wydaje się tu metoda elektrolizy wody przy udziale odnawialnych źródeł energii (solarnej, wiatrowej). Te jednak też nie są pozbawione wad, zwłaszcza jeśli rozłożymy na czynniki pierwsze zagadnienie utylizacji sprzętu, toksyczność oraz biodegradowalności materiałów stosowanych w urządzeniach uzyskujących prąd z energii przyrody. Ślepa uliczka? Od długiego czasu naukowcy alarmują, że światowy przemysł emitujący CO 2 przyczynił się w ostatnich dekadach do spontanicznego wzrostu średniej globalnej temperatury – tj. antropogenicznego efektu cieplarnianego. Odnoszę wrażenie, że o ile energetyka wodorowa może zminimalizować zanieczyszczenie środowiska, o tyle naukowcy nie dostrzegają innej pułapki – pary wodnej . Zgłębiając problem efektu cieplarnianego można się dowiedzieć, że jednym z głównych gazów wywołujących taki stan, w stopniu o wiele większym niż CO2, jest właśnie para. Moim zdaniem, ratunkiem dla naszej cywilizacji może być uwolnienie skrywanych źródeł wolnej energii. Zimna fuzja, energia przestrzeni, czy nawet ekologiczne i futurystyczne projekty elektrowni energii odnawialnej – są jedyną drogą. Nim to nastąpi, ludzkość musi przebyć drogę bolesnych przemian, które w końcu wzniosą nasz gatunek na wyżyny rozwoju. Polecana lektura : „ The Future of Hydrogen ”. Seizing today’s opportunities . Report prepared by the IEA for the G20, Japan, czerwiec 2019.

Wodór – cudowne paliwo przyszłości?

NŚ 01/2023

2027, 2029, 2032: zapamiętajmy te daty!

Kuriozalne przypadki w historii medycyny

Marcin Gibas

W numerze

Nieznany Świat 05/2025 (413)

Nieznany Świat 04/2025 (412)

Audiobook - Instrukcje Przebudzenia t. II (cz.2)

Witamy z powrotem!

Załóż nowe konto!

Zresetuj swoje hasło

Czy na pewno chcesz odblokować ten wpis?

Czy na pewno chcesz anulować subskrypcję?

Kolejka

Wodór – cudowne paliwo przyszłości?

NŚ 01/2023

Uważany za alternatywę dla paliw kopalnych, może stać się fundamentem energetyki przyszłości. Nie będzie to jednak takie łatwe, jak się niektórym wydaje…

PRZECZYTAJ TAKŻE

2027, 2029, 2032: zapamiętajmy te daty!

Kuriozalne przypadki w historii medycyny

Dalsza treść jest płatna

Czytaj bez ograniczeń

Marcin Gibas

W numerze

Nieznany Świat 05/2025 (413)

Nieznany Świat 04/2025 (412)

Audiobook - Instrukcje Przebudzenia t. II (cz.2)

Witamy z powrotem!

Załóż nowe konto!

Zresetuj swoje hasło

Czy na pewno chcesz odblokować ten wpis?

Czy na pewno chcesz anulować subskrypcję?

Kolejka