Wodór – nowe cudowne rozwiązanie wszystkich problemów energetycznych?
Nasz świat zaczyna szybko chodzić na „skróty”. Każdego dnia ogłaszane są cudowne recepty i wynalazki, które już, już i mają rozwiązać wszystkie nasze problemy. Nowe formy transportu (kiedyś mieliśmy mieć kolej magnetyczną z Krakowa do Zakopanego!), nowe lekarstwa (kiedyś miała być pasta zamiast borowania zębów), nowe wielkie imprezy sportowe (kiedyś mieliśmy mieć tor Formuły 1 koło Białej Podlaskiej!!), czy przełomowe technologie energetyczne (kiedyś CCS miał eliminować całą emisję CO2 z paliw kopalnych). Dziennikarze i media, a przede wszystkim politycy i ich wyborcy – oczekują prostego i szybkiego lekarstwa, potwierdzenia, że będzie już dobrze i wszystkie problemy zostaną rozwiązane, czegoś na miarę wielkiego i radosnego hasła i optymistycznego pomysłu i idei… żeby potem wszystko przycichło i o wszystkim można było powoli zapomnieć (a cały pomysł schować gdzieś do szuflady).
Nie mówię, że stanie się tak całkowicie z wodorem, ale renesans technologii wodorowych (w informacjach i obietnicach) w ostatnich 2-3 latach jest niesamowity. Wodór staje się rozwiązaniem na wszystko – kolejna wielka nadzieja rewolucji energetycznej i wspaniałym panaceum na pytania niedowiarków. Technologie wodorowe (niektóre znane od prawie 200 lat) są odświeżane, przemalowywane w radosnych prezentacjach power pointa i wprowadzone do nowych grantów i programów badawczych. Mając nadzieję, że coś z tego wyjdzie – bądźmy jednak realistami i miejmy realne oczekiwania.
Dlaczego wodór i gospodarka wodorowa?
Wodór staje się bardzo optymistycznym rozwiązaniem problemów nowej polityki klimatycznej „New Green Deal” i pojawiających się coraz większych aspiracji używania tylko zielonej energii i eliminacji paliw kopalnych (całkowicie). Wodór rozwiązuje (koncepcyjnie) właściwie wszystkie problemy:
– wodór jest potencjalnie doskonałym magazynem energii (Power to Gas) dla niestabilnych źródeł OZE. Nadwyżki energii odnawialnej mogą służyć dla produkcji wodoru – zwykle w procesie elektrolizy, a następnie wodór może być składowany, transportowany aby w końcu być użyty energetycznie (produkcja energii w szczycie lub przy brakach pogodowych wpływających na mniejszą produkcję z wiatraków). Wraz z coraz bardziej ekspotencjalnym wzrostem produkcji ze źródeł odnawialnych rośnie konieczność magazynowania, jeśli jeszcze wyeliminujemy źródła z paliw kopalnych potrzeba magazynowania rośnie jeszcze bardziej i przy 100-procentowwym systemie OZE – gdzieś 25-30% energii trzeba jakoś magazynować – a wodór na dzień dzisiejszy (przynajmniej koncepcyjnie) jest jedynym potencjalnym magazynem energii w takiej skali.
– wodór jest „eleganckim” producentem energii w gospodarce zamkniętej – produkcja w ogniwach paliwowych czy też w turbinach wodorowych (odpowiedników obecnych turbin gazowych) nie ma właściwie żadnych produktów ubocznych (produkujemy wodę) – wobec czego staje się idealnym (koncepcyjnie) pomysłem na energetykę, a zwłaszcza na ciepłownictwo.
– wodór można stosować zarówno w energetyce, w przemyśle jak i w transporcie. Wykorzystanie wodoru prowadzi także (koncepcyjnie lub w pilotowych rozwiązaniach) do czystych zastosowań przemysłowych (m.in. przemysł stalowy i eliminacja koksu) oraz do czystego transportu (samochody, kolej, statki). Energetyka łączy się z przemysłem i na jednym slajdzie wodór jest kołem zamachowym całej gospodarki.
– wodór w gazowych systemach przesyłowych i dystrybucyjnych. Na rysunkach już tylko jeden krok do pokazania obecnych systemów gazowniczych (w końcu istniejących) zasilanych jednak … wodorem. Wydaje się, że nadzwyczaj kuszące jest wprowadzanie na początek małych domieszek wodoru do gazu ziemnego aby stopniowo całkowicie przejść na sieci wodorowe. Wówczas cała gospodarka pracowałaby w obiegu zamkniętym na wodorze, a sieci (koncepcyjnie) przecież (prawie) takie same.
Gdzie są więc problemy gospodarki wodorowej?
Jeśli jest tak technicznie dobrze i ekologicznie czysto – dlaczego więc nie przerzucić się na wodór jak najszybciej? Rysujemy kolorowe obrazki i nową futurystyczną wizję czystego świata , a politycy już szykują nowe regulacje przeciw paliwom kopalnym, a sceptykom odpowiadają, że jest przecież… WODÓR. I tylko inżynierowie muszą rozwiązać jeszcze kilka drobnych (a może i większych !!!) problemów technicznych.
– skąd wodór ? dziś mówi się o tym, że produkcja wodoru jest opanowana i nawet Polska jest znaczącym graczem (przynajmniej na rynku europejskim). Zapominamy, że dzisiejsza światowa produkcja wodoru oparta jest o…metan (CH4), a więc paliwo kopalne. Najtańsze technologie to reforming i konwersja CH4 do wodoru (niestety przy szkodliwej wg. europejskich regulacji produkcji dużej ilości CO2). Sama „czysta” metoda produkcji wodoru – elektroliza – czyli rozbicie wody przy wykorzystaniu energii elektrycznej – to ok. 2-4 % światowej produkcji i konieczność rozwoju technologii elektrolizerów (zwłaszcza dużej mocy). Tu rozpoczęto projekty pilotowe i semikomercyjne (w przygotowaniu instalacje kilkanaście, kilkadziesiąt i jedną ok. 100 MW w Niemczech) – ale na efektywną i „czystą” (w rozumieniu emisji CO2) produkcję trzeba poczekać jeszcze kilka lat. Koszty też muszą znacznie spaść – tu przewiduje się, że dopiero lata po 2025, a bliżej 2030 mogą pokazać coś atrakcyjnego -oczywiście przy skierowaniu dużych nakładów inwestycyjnych. Dla bardziej dociekliwych i liczących na węgiel – nie sprawdziły się też technicznie do końca wstępnie zachęcające koncepcje produkcji wodoru skojarzone z usuwaniem CO2 (CCS) – technologie te nie weszły do komercji.
– jak produkować energię z wodoru? Tu mamy dwie główne technologie – znane już od prawie 200 lat ogniwa paliwowe i znane ponad 200 lat turbiny gazowe, które musiały by spalać wodór zamiast gazu. W obu przypadkach cały czas występują problemy techniczne i tzw. „game changery” – konieczność rozwiązania kluczowych problemów. Ogniwa paliwowe dostępne są komercyjnie, ale pokrywają raczej poziomy mocy kilku, kilkunastu kW i nie bardzo mogą przebić się do wielkoskalowej energetyki. Rozwiązania zarówno dla transportu jak i dla domowej produkcji energii i ciepła, ale wciąż nie jako duże elektrownie (istnieją obiekty rządu MW, ale nie są konkurencyjne cenowo i technicznie). Dodatkowo problemy z wieloma koncepcjami samej budowy ogniw (materiały elektrolizerów, skład paliwa) ich tak naprawdę różna koncepcja pracy (temperatura), predestynuje na razie do mniejszych instalacji. Może więc turbiny na wodór? Tu najwięksi producenci rozpoczęli intensywne prace i być może doczekamy się spalania wodoru w elektrociepłowniach lub w elektrowniach gazowych (wodorowych). Na dzień dzisiejszy wiodące firmy ogłaszają, że jest możliwość spalania paliwa z domieszką do 30% wodoru, a nowe projekty badawcze umożliwiają wprowadzenie 100% turbin na wodór do 2030. Problem nie jest wcale banalny, bo mimo że na obrazku sama turbina wygląda tak samo to proces spalania wodoru przebiega odmiennie (szybciej) i należy przekonstruować całe układy palników. Jest problem i z NOx (podobno rozwiązany), jest problem ze spalaniem stukowym i szczególnie z tzw. flashbackiem (płomień w palniku wodorowym zaczyna przemieszczać się też „w tył” po linii zasilania). Producenci są optymistyczni, ale na razie możemy podpisać kontrakt na 30% a sama instalacja elektrociepłowni wodorowej – dopiero około 2030.
– jak przesyłać wodór siecią? Tu na rysunku wszystko wydaje się proste. Jest linia (żółta) z gazem, zamieniamy na zieloną (wodór) i gotowe. Jest rura i gaz – będzie rura i gaz. Diabeł jak zwykle tkwi w szczegółach, tu w tych technicznych. Wodór dyfunduje łatwo, przenika przez ścianki i uszczelnienia a poza tym ma bardzo niekorzystny wpływ na materiały (korozja, obniżenie wytrzymałości). Puszczenie 100% wodoru w obecnych sieciach przesyłowych i dystrybucyjnych gazu to fikcja, według różnych norm i badań różnych krajów ograniczenia na dziś to 2-8% (niekiedy hipotetycznie 10%). Nie wydaje się możliwe abyśmy w ogóle te sieci kiedyś użyli tylko do wodoru (są budowane z różnych materiałów i maja różne charakterystyki), prawdopodobnie możemy tylko trochę wodoru domieszać. Nasze końcowe urządzenia (kuchenki, itp.) też nigdy wodoru miały nie spalać – więc nie ma żadnych norm/badań i atestów – a we współczesnym świecie drapieżnych prawników, tylko czekać na jakiś domowy wypadek z odszkodowaniem. Wodór więc w sieciach nie zagości długo, a na pewno nie w większych ilościach chyba, że trzeba będzie budować nowe sieci (a tu więc co najmniej dekada badań i koszty) i nowe urządzenia wykorzystujące go.
– jak wreszcie używać wodór w transporcie? Tu problem chyba nie tyle techniczny (choć też i taki jest), ale dynamicznej konkurencji elektrycznych samochodów. Samochody z akumulatorami trakcyjnymi (bateriami) są już powszechne, a stacje ładowania spotykane są coraz częściej, pozostaje jedynie skrócić czas ładowania. Wodór ogranicza swoją rolę jednak tylko do cięższych pojazdów (pomimo wysiłków niektórych producentów jak Toyota – to jednak prognozowane miliony elektryków wobec tysięcy wodorowców robią swoje). Pamiętajmy też o roli PR we współczesnym świecie, wodór w transporcie jest bezpieczny (producenci są wręcz przeczuleni), ale łatwo jest powiedzieć o zagrożeniu stacją wodorową w mieście (zasilanie to 350 lub 750 bar!) albo o potencjalnej bombie „wodorowej” w zbiorniku samochodu. Internet i memy i domorośli komentatorzy na pewno „pomogą”. Na razie przyszłość to raczej nisza w specjalizowanych pociągach, statkach lub urządzeniach specjalnych.
W polityce i prezentacjach wszystko wydaje się proste. W technice – inżynierowie robią problemy. Potrzeba wciąż badań, pilotów, atestów i kolejnych badań. I to wszystko idzie wolno, a czasami jeszcze z niesatysfakcjonującym wynikiem. Bądźmy więc …optymistami, ale i realistami. Oczekujmy wyników, ale dajmy trochę czasu na dopracowanie technologii. Nie liczmy na niemożliwe i podchodźmy ostrożnie, inaczej może być tak jak z CCS-em – miało być usuwanie CO2 z bloków węglowych, a skończyło się na eliminacji w ogóle. Teraz wodór ma ratować i zastępować gaz – osobiście widzę wielką szansę w ciepłownictwie (wielkim), bo tu nie mamy żadnej technologii, która obecnie zasili nasze wielkie sieci jeśli by wyeliminować paliwa kopalne, a ten problem nie jest widziany z perspektywy zachodu.
Ostrożnie jednak dozujmy emocje. Powściągajmy polityków przed szybką ścieżką na skróty. Choć co ja mówię – przecież i tak zaraz będą strategie wodorowe, zielone systemy, zamknięte gospodarki i inne wodorowe cuda.
Autor: prof. Konrad Świrski
Źródło: Konrad Świrski – blog
