Pakiet Fit for 55 zmusza sektor transportu do rezygnacji z paliw kopalnych do 2035 roku. Po tej dacie pojazdy napędzane benzyną i ropą naftową przestaną być produkowane. Co jest zastąpi? Wiele wskazuje na wodór. W dłuższej perspektywie może stać się kluczowy nie tylko dla sektora transportu, ale całej gospodarki. To energia czysta i wydajna, której zasoby, w przeciwieństwie do paliw kopalnych, są niemal nieograniczone.
Wodór jest trzecim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem na Ziemi. Jest kluczowym składnikiem wody, ale też metanolu i gazu ziemnego. Co istotne, jego rozpad nie powoduje emisji żadnych szkodliwych substancji do atmosfery. Jedyny produktem ubocznym spalania wodoru jest para wodna.
Kosmiczna przeszłość wodoru
Wodór odkryto pod koniec XVIII wieku, jednak upowszechnienie go w roli paliwa nastąpiło stosunkowo niedawno. W latach 60. XX wieku stał się kluczowym elementem amerykańskiego programu kosmicznego Apollo. Służył nie tylko jako paliwo do wysyłanych kosmos rakiet, ale również do zasilania ogniw paliwowych. Dzięki nim pasażerowie statków byli zaopatrywani w energię elektryczną, ciepło oraz wodę.
Skazani na wodór?
Kolejne badania nad wodorem przyniosły odkrycia, dzięki którym dziś wielkie nadzieje pokłada w nim sektor energetyczny oraz transportowy. Z jednego kilograma wodoru uzyskać można 33kWh energii, a więc średnio trzy razy więcej niż z gazu ziemnego czy ropy naftowej. Wydajność energetyczna w połączeniu z bezemisyjnością czyni z niego wspomniane w tytule tekstu „paliwo przyszłości”. Przejście na wodór ma również bardzo prozaiczną motywację. W perspektywie kolejnych stu lat może być jednym z niewielu źródeł energii w naszym zasięgu.
Jak tłumaczył prof. Mariusz Krawiec, kierownik Katedry Fizyki Powierzchni i Nanostruktur w Instytucie Fizyki na Wydziale Fizyki, Matematyki i Informatyki UMCS w Lublinie w wywiadzie dla Radia Nauka, za około 50 lat skończą się światowe zasoby paliw kopalnych, takich jak gaz ziemny czy ropa naftowa, a węgla wystarczy nam tylko do początków przyszłego wieku. Tymczasem wodór jest nie tylko czystym, ale i wszechobecnym źródłem paliwa, które w transporcie można wykorzystywać już dziś.
Jak działa napęd na wodór?
Jak czytamy w publikacji Instytut Energetyki, „w transporcie wodór jest głównym konkurentem pojazdów elektrycznych zasilanych bateriami (BEV). Samochody napędzane wodorem (FCEV) mają większy zasięg (600 km i więcej), krótki czas napełniania (ok. 5 minut) i lepiej pracują w zimnych warunkach, kiedy występują znacznie mniejsze straty dojazdu, a jednocześnie mają mniejsze zużycie przy wyższych prędkościach”.
Pierwszym i obecnie najpopularniejszym sposobem zasilania pojazdów wodorem jest zastosowanie go w ogniwach paliwowych. Mogą one wytwarzać energię elektryczną w wyniku bezpośredniej reakcji elektrochemicznej wodoru i tlenu na wodę. Taka reakcja jest również bezemisyjna, ponieważ jej produktem ubocznym jest para woda.
Znacznie rzadziej stosowaną metodą jest wykorzystanie czystego wodoru jako paliwa na wzór gazu ziemnego czy wlewanej do baku benzyny. Ta metoda napotyka jednak na kilka przeszkód. Największą jest szybkie, wręcz wybuchowe spalanie wodoru i związanie z nim ryzyko. Prof. Krawiec zauważa jednak, że tę właściwość wodoru można zniwelować w stosunkowo prosty sposób.
– Jeśli do wodoru doda się konwencjonalne paliwo, czas jego zapłonu zostanie wydłużony, co zwiększa bezpieczeństwo. By tak się stało, wystarczy połączyć paliwo z wodorem w proporcji 1 do 9. To pozwoli uzyskać nie tylko wydajne i bezpieczne, ale również niskoemisyjne źródło energii do zasilania pojazdu.
Czyste paliwo w „brudnym” silniku
Naukowiec zwrócił również uwagę, że zastosowanie wodoru jako paliwa byłoby możliwe po niewielkiej modyfikacji silników spalinowych stosowanych obecnie. Problem leży jednak nie w technologiach zasilania, ale w magazynowaniu wodoru.
– By zapewnić porównywalną ilość paliwa (w stosunku do obecnie stosowanych – przyp. red.), zbiorniki na wodór musiałyby mieć kilka razy większą objętość i aż dziesięciokrotnie większą masę. Właśnie z tego względu wodór jako paliwo sprawdza się najlepiej w transporcie ciężkim. Instalacja większych pojemników w autobusach czy ciężarówkach nie powinna sprawić problemu.
Objętość wodoru można zmniejszać poprzez sprężanie, które jednak przy daleko idącej kondensacji uczyniłoby stosowanie go nieekonomicznym. Sprężanie wymaga wykorzystania energii pochodzącej z wodoru, co oznacza, ze im mocniej go skondensujemy, tym więcej energii tracimy na zmniejszenie jego objętości.
Jak uzyskać wodór?
W przyrodzie wodoru jest bez liku, jednak zazwyczaj występuje w formie związków, z których trzeba go wyodrębnić. Najpopularniejszą obecnie metodą pozyskiwania wodoru jest reforming parowy metanu, odpowiadający za 95 proc. jego produkcji. Metoda ta jest skuteczna, ale również bardzo obciążająca środowisko. Produkcja jednego kilograma tzw. szarego wodoru tą metodą powoduje uwolnienie aż 12 kilogramów dwutlenku węgla to atmosfery.
By ograniczyć emisję, stosowany jest również reforming parowy z wychwytem CO2. Ta metoda pozwala na magazynowanie i dalsze wykorzystanie wyemitowanego dwutlenku węgla. Mówimy wówczas o produkcji wodoru niebieskiego.
Zielony wodór
Najbardziej pożądana z perspektywy wpływu na środowisko jest natomiast produkcja zielonego wodoru. Wymaga zastosowania elektrolizy, czyli rozkładu wody przy wykorzystaniu energii ze źródeł odnawialnych. W procesie elektrolizy wody wiązanie chemiczne między wodorem i tlenem zostaje przerwane w roztworze, tworząc gazowy wodór i tlen. Do wyprodukowania 1 kg wodoru tą metodą potrzeba około 9 l wody i około 50 kWh energii elektrycznej.
Przeszkodą na drodze upowszechnienia produkcji zielonego wodoru jest między innymi brak dostatecznej ilości elektrolizerów powiązanych z generatorami czystej energii. Przyszłość upatruje się również w produkcji wodoru czerwonego, przy której wykorzystywana jest energia jądrowa.
Pojazdy na wodór: rewolucja tu i teraz
Napęd wodorowy w praktyce już teraz wykorzystywany jest w autobusach, które produkuje między innymi polski producent Solaris Bus & Coach. Model Solaris Urbino 12 hydrogen napędzany ogniwem wodorowym zdobywa coraz większą popularność. Pojazdy wielkopolskiego producenta spotkać można na ulicach Austrii, Holandii, Niemiec, Polski, Szwecji czy Włoch. W 2023 r. Solaris zdobył największy w Europie kontrakt na dostawę wodorowych autobusów do Bolonii i Ferrary. Docelowo trafić tam może nawet 140 pojazdów z logo Solaris.
Z kolei Chińczycy inwestują w wodorowe ciężarówki. Wiosną 2024 roku pomyślne testy przeszły dwa pojazdy produkcji firmy Yutong zasilane ogniwem wodorowym. Przebyły liczącą 1500 km trasę od Pekinu do Szanghaju. Miał to być oficjalnie najdłuższy przejazd ciężarówkami tego typu, choć nie na jednym ładowaniu. Zasięg pojazdów Yutong wynosi około 600 km.
Orlen rozszerza badania nad wodorem
Badania naukowe nad zastosowaniem wodoru toczą się od lat w wielu krajach, ale szczególnie istotne dla rozwoju technologii jest ich praktyczna aplikacja przez producentów. Do ich grona w tym roku dołączył polski koncern paliwowy Orlen. Pracownia Produktów Rafineryjnych w Trzebini została pierwszą w Polsce i trzecią na świecie placówka z akredytacją zaawansowanych metod badawczych wodoru jakości automotive. Badania nad wodorem docelowo mają być prowadzone również w laboratorium koncernu we Włocławku, gdzie powstać ma Hub wodorowy. Do 2030 roku Orlen planuje przeznaczyć 7,4 mld złotych na wodorowe inwestycje, prowadzone głównie z myślą o branży transportowej. W najbliższych latach można więc spodziewać się dalszego rozwoju sieci stacji wodorowych. Ww fazie testów prowadzonych przez Orlen znajduje się również wodorowa lokomotywa.
