Wodór może stać się kluczowym elementem transformacji energetycznej przedsiębiorstw przemysłowych i procesu zmniejszania ich negatywnego wpływu na środowisko naturalne. W zasadzie wodór może stać się paliwem przyszłości, które ze względu na swoją wysoką energetyczność zastąpią węgiel, ropę czy gaz ziemny. Żeby jednak paliwo, które spala się bez uwalniania dwutlenku węgla, było rzeczywiście całkowicie neutralne dla klimatu, powinno być również produkowane bez śladu węglowego. 
Taką opcją może być zielony wodór. W procesach wytwarzania tego paliwa wykorzystuje się bowiem czystą energię, która pochodzi ze źródeł odnawialnych. W teorii taka instalacja wodorowa może zaspokajać potrzeby energetyczne różnych obiektów, nawet jeśli czasowo pojawią się niekorzystne warunki do generowania energii np. z paneli fotowoltaicznych czy turbin wiatrowych.

Czym jest zielony wodór?

Wodór nie jest żadną nowością, jeśli chodzi o wykorzystanie tego pierwiastka w różnych sektorach gospodarki, w tym w przemyśle chemicznym czy petrochemicznym. Coraz częściej mówi się również o paliwie wodorowym do napędzania w przyszłości samochodów czy innych pojazdów. Problem jednak w tym, że obecnie wykorzystywany wodór prawie w całości (ok. 96% jego światowej produkcji) pochodzi z paliw kopalnych (głównie w wyniku reformingu parowego gazu ziemnego, rzadziej – zgazowania węgla).

Efektem ubocznym procesu wytwarzania wodoru jest dwutlenek węgla, który trafia do atmosfery. Pozyskiwany w ten sposób wodór (tzw. szary wodór) w żaden sposób nie będzie skuteczną opcją uzyskania neutralności klimatycznej. Nawet jeśli wykorzysta się instalacje do wychwytywania CO₂ i w ten sposób zmniejszy się emisję zanieczyszczeń do atmosfery (wytwarzany w ten sposób wodór określany jest mianem niebieskiego wodoru), nie będzie to całkowicie czyste paliwo.

Jeśli więc wodór ma być skutecznym sposobem redukcji gazów cieplarnianych, powinien być wytwarzany przy wykorzystaniu energii elektrycznej, która będzie pochodzić ze źródeł odnawialnych – takich jak energia słoneczna, wiatrowa, wodna, hydrotermalna czy geotermalna. W wielkim skrócie: pod wpływem energii ze źródeł odnawialnych woda w odpowiednim procesie rozkłada się na wodór i tlen. I tylko wtedy, gdy w procesie zostanie wykorzystana wyłącznie czysta energia, można mówić o zeroemisyjnym charakterze paliwa wodorowego.

Korzyści ze stosowania zielonego wodoru

Bezsprzecznie największą zaletą zielonego wodoru jest jego neutralność klimatyczna w procesie wytwarzania, a także możliwość uniezależnienia się od paliw kopalnych. W dobie transformacji energetycznej to ekologiczne paliwo może więc odgrywać znaczącą rolę – tym bardziej, że może mieć wiele różnych zastosowań.

I właśnie ta wszechstronność jest kolejną mocną stroną paliwa wodorowego. Już testuje się je jako alternatywę dla benzyny i oleju napędowego w pojazdach samochodowych. Docelowo może wyprzeć z rynku również węgiel czy gaz ziemny. Naturalnie wszystko zależy jednak od upowszechnienia rozwiązań zasilanych wodorem, a także od zwiększenia sprawności tego paliwa.

Zielony wodór może stać się też bardzo istotnym elementem zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego – nie tylko z punktu widzenia pojedynczego przedsiębiorstwa, ale również całej gospodarki. Wodór jest bowiem bardzo dobrym medium do długotrwałego przechowywania energii w sytuacji zwiększonej produkcji energii ze źródeł odnawialnych. Wtedy, gdy warunki środowiskowe nie będą pozwalały na wytwarzanie energii, wodór będzie można ponownie przekształcić w energię przy użyciu ogniw paliwowych.

Potencjalne zastosowania zielonego wodoru

Zielony wodór – jeśli uda się go bezpiecznie wytwarzać na masową skalę i obniży się związane z tym koszty – może zrewolucjonizować wiele branż. Wspomniana już wcześniej branża transportowa może zyskać wydajniejsze paliwo, które do tego będzie dużo bardziej ekologiczne niż tradycyjna benzyna czy olej napędowy.

Z całą pewnością duży potencjał ma wykorzystanie paliwa wodorowego w transporcie długodystansowym, w dużych ciężarówkach, w których użycie typowego napędu elektrycznego byłoby nieefektywne. Wodór (jeśli sprawdzi się w przypadku pojazdów ciężarowych) mógłby stać się paliwem także dla statków, pociągów czy nawet samolotów.

Bardzo ważnym sektorem gospodarki, w którym zielony wodór może odgrywać istotną rolę, jest też energetyka. Elektrownie wodorowe będą z jednej strony dostarczały czystą energię, a z drugiej – będą mogły być też wykorzystywane jako wydajne magazyny energii. Tak jak elektrownia wodorowa może w przyszłości dostarczać czystą energię, tak kotły wodorowe mogą zapewniać dostęp do czystego ciepła. Zielony wodór może bowiem również zrewolucjonizować branżę ciepłowniczą i być ekologicznym paliwem systemów grzewczych.

Niewątpliwie wodór będzie też paliwem pożądanym przez firmy z najbardziej energochłonnych branż, do których można zaliczyć m.in. przemysł chemiczny, petrochemiczny, stalowy, metalurgiczny, maszynowy i generalnie wszystkie gałęzie tzw. przemysłu ciężkiego. W różnych procesach, w których do tej pory dominują paliwa kopalne, będzie można zastąpić je ekologicznym paliwem.

Jak wytwarza się zielony wodór

Obecnie istnieje już dużo różnego rodzaju technologii produkcji zielonego wodoru i jego magazynowania. Niestety wciąż większość z nich albo jest nieopłacalna ekonomicznie, albo nie do końca sprawdzona jest dana technologia.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Chemia dla przemysłu

Produkcja wodoru – różne metody

Oczekuje się, że wodór będzie odgrywał istotną rolę w transformacji energetycznej przemysłu. Już dzisiaj to paliwo produkuje się w dużych ilościach (około 500 mld m³ na całym świecie), ale jego rola będzie szybko rosła. Wodór może być wytwarzany na różne sposoby. Przedstawiamy najpopularniejsze procesy produkcji wodoru i te, do których może należeć przyszłość.

Inne

Przełom w produkcji zielonego wodoru

Wodór jest bardzo obiecującym źródłem czystego paliwa, pod warunkiem, że proces jego wytwarzania jest ekologiczny.

Do najpopularniejszych metod należy proces elektrolizy, w którym energia elektryczna służy do rozbicia cząsteczek wody na wodór i tlen. Wadą jest to, że elektrolizery potrzebne do tego procesu są zazwyczaj dużymi, wysoce złożonymi systemami. Ten kosztowny i wymagający dużego zakresu konserwacji sprzęt jest obecnie coraz bardziej deficytowy, szczególnie w obliczu obecnych zmian w globalnej polityce klimatycznej.

Ciekawą alternatywą dla klasycznych elektrolizerów może być bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej do rozszczepiania wody za pomocą tzw. ogniw fotoelektrochemicznych (photoelectrochemical cell – PEC). W ramach projektu badawczego Neo-PEC naukowcy z trzech instytutów Fraunhofera opracowali rozwiązanie, które umożliwia wysoce elastyczne wytwarzanie wodoru przy użyciu energii słonecznej.

W tym celu stworzyli tandemowy moduł PEC, który jest podobny do tradycyjnego panelu fotowoltaicznego. Z jedną różnicą: energia elektryczna nie jest generowana w celu późniejszej elektrolizy, która odbędzie się gdzie indziej. Cały proces ma miejsce w tej samej jednostce.

Kiedy światło słoneczne pada na szkło, jedna strona modułu pochłania światło o krótkiej długości fali. Jednocześnie światło o długiej fali przechodzi przez górną warstwę szkła i jest pochłaniane po stronie odwrotnej. Moduł uwalnia wodór po stronie odwrotnej (lub katodowej), a tlen po stronie górnej (anodowej). Powstały w ten sposób reaktor o powierzchni czynnej 0,5 m² generuje wodór, który można bezpośrednio wychwycić. Obecnie moduły o powierzchni 100 m² wystawione na działanie promieni słonecznych mogą wytwarzać ponad 30 kg wodoru rocznie. Przy takiej wydajności samochód napędzany wodorem mógłby przejechać ok. 15–20 tys. km.

Gospodarka oparta na wodorze to naturalnie kwestia przyszłości (pytanie, jak odległej), ale już teraz warto inwestować w nowe technologie i stale je rozwijać. Państwa, a także przedsiębiorstwa, które już teraz zostaną liderami w tej nowo tworzącej się powoli rzeczywistości, będą miały niewątpliwie przewagę konkurencyjną i będą mogły czerpać z tego liczne korzyści.

Kompaktowa elektrownia H2

Na terenie niemieckiego instytutu Fraunhofera IWU w Chemnitz działa tzw. elektrownia H2, która składa się z elektrolizera, magazynu wodoru, ogniw paliwowych i dodatkowego magazynu akumulatorów. Ta kompaktowa stacja wodorowa ma mniej więcej wielkość garażu samochodowego na dwa pojazdy i już w kilku projektach badawczych zademonstrowała praktyczną przydatność wodoru jako technologii zdecentralizowanego magazynowania.

Zlokalizowana w pobliżu instalacja fotowoltaiczna dostarcza zieloną energię, przy użyciu której elektrolizer wytwarza wodór w wyniku rozkładu wody na tlen i wodór za pomocą przepływu prądu elektrycznego. W tym celu woda jest oczyszczana w specjalnym systemie, a następnie magazynowana w zbiorniku.

Wytworzony w ten sposób wodór jest sprężany przez kompresor do ciśnienia 300 barów i magazynowany w specjalnych zbiornikach. Jeśli fabryka potrzebuje prądu, kiedy słońce nie świeci, zmagazynowany wodór jest przekształcany w energię elektryczną w systemie ogniw paliwowych.

Żeby dodatkowo wykorzystać ciepło odpadowe, które powstaje w ogniwie paliwowym, stosuje się wymiennik ciepła. Energię elektryczną wygenerowaną w ogniwie paliwowym, która nie została natychmiast zużyta, można następnie (w razie potrzeby) magazynować w dodatkowym systemie magazynowania akumulatorów. Wszystkie te komponenty znajdują się w zwartej konstrukcji bezpośrednio przy testowej fabryce.