Lipka: Wielokierunkowość rozwoju, czyli wodór obok a nie zamiast atomu

23 marca 2020, 16:30 Atom

– Trzeba równolegle rozwijać wiele technologii wytwarzania energii. W jednej branży postęp techniczny będzie wolniejszy, w innej szybszy, co da krajowi bezpieczeństwo energetyczne – pisze mgr. inż. Jerzy Lipka.

Wielokierunkowość rozwoju

Ekspert podkreśla, że rozłożenie ryzyka rozwoju sektora energetycznego wymaga inwestowania w wiele różnych jego kierunków, a nie koncentrowanie środków na jednym względem dwóch wybranych z przyczyn politycznych, bo akurat opowiada się za tym wpływowe lobby. Monolityczny rozwój tylko i wyłącznie sektora węglowego przez ostatnie dziesiątki lat, uzupełnionego energetyką wiatrową po 2000 roku, do dziś odbija się czkawką w naszym kraju, nie zapewniając energetycznego bezpieczeństwa i powodując nadmierną, szkodliwą emisję niespotykaną nigdzie indziej w Europie. Nie zostało rozłożone ryzyko poprzez wielokierunkowość rozwoju. Nie zostały zbadane przyczyny polityczne, a nie dlatego, że technicznie nie było można.

Analizując procesy produkcji energii elektrycznej i ciepła, nietrudno zauważyć, że każdy z tych sposobów posiada jakieś ujemne strony. Spalanie węgla jest w pełni sterowalne i stabilne, lecz wiąże się z zatruciem środowiska naturalnego. Wymaga przy tym ogromnych ilości surowca – z uwagi na bardzo niską wydajność procesu spalania, co ogranicza umiejscowienie elektrowni węglowych w niedalekiej odległości od źródeł surowca. Podobne wady ma również spalanie gazu czy biomasy.

Z kolei energetyka wiatrowa i słoneczna same w sobie są bez-emisyjne, lecz powodują dużą niestabilność w systemie energetycznym i jego zależność od warunków atmosferycznych. Nie można więc zbudować systemu złożonego wyłącznie z elektrowni wiatrowych i słonecznych, potrzebne jest magazynowanie energii, a to z kolei łączy się na dzień dzisiejszy z wysokimi kosztami. Bardziej opłacalne jest więc uzupełnianie OZE energią pochodzącą ze spalania paliw kopalnych bądź elektrowni jądrowych.

Z kolei bezemisyjne elektrownie jądrowe i wodne mają duże koszty inwestycyjne, dodatkowo budowa hydroelektrowni ingeruje w dużym stopniu w środowisko wodne (konieczność budowy tam i spiętrzania wody). Dodajmy przy tym jednak, że specyficzny typ hydroelektrowni będący de facto odbiorcą energii elektrycznej czyli elektrownie szczytowo-pompowe są najlepszym znanym sposobem magazynowania energii – największa jest skala tego zjawiska. Największym, jednak nie wystarczającym w stosunku do potrzeb. W przypadku Polski nasze szczytowe elektrownie wystarczą zaledwie na 4 godziny ciszy wiatrowej, która jednak może trwać i kilkanaście dni.

Wywindowane koszty

Koszty budowy elektrowni jądrowych są wywindowane przez bardzo rygorystyczne wymogi bezpieczeństwa – pasywne, lub zwielokrotnione systemy bezpieczeństwa, potężne kopuły ochraniające reaktor przed uderzeniem samolotu pasażerskiego, lub zatrzymujące potencjalny wybuch wodoru wewnątrz budynku reaktora, bez żadnej konieczności ewakuacji ludzi w razie cięższej awarii. Koszty te, choć znacznie wyższe niż w przypadku reaktorów generacji II budowanych w latach 70 i 80 tych XX wieku, są możliwe jednak do zmniejszenia, w wyniku zmniejszenia ryzyka i mniejszego oprocentowania kredytów na budowę. Mogą to być np. rządowe gwarancje.

Do problemów może nie samej technologii energetyki jądrowej, ale branych pod uwagę przy jej rozwoju pozostaje ciągle bardzo zły pijar, tworzony za wielkie pieniądze ze strony grup interesu popierających konkurencyjne technologie wytwarzania energii. Z tym pijarem można sobie poradzić poprzez odpowiednie i rzetelne technicznie informacje.

Sto procent OZE

Narażę się na kontrę wyznawców poglądów, że system energetyczny można w stu procentach zbudować na OZE, którzy przedstawią argument, że przecież postęp techniczny nad coraz bardziej wydajnymi magazynami energii jest faktem, a najbardziej obiecujący wydaje się tu być wodór. Czy mają rację?

Przyjrzyjmy się temu bliżej. Wodór nie występuje w przyrodzie w sposób naturalny, trzeba go wpierw pozyskać. Znane są dziś dwie metody produkcji wodoru. Pierwsza z nich (tzw. wodór błękitny) jest oparta na konwersji metanu czyli CH4, w wyniku której otrzymujemy oprócz wodoru także duże ilości dwutlenku węgla, z którym nie wiadomo co robić. O metodzie tej głównie obecnie stosowanej ze względu na opłacalność, da się wszystko powiedzieć, tylko nie to, że jest ekologiczna.

Wodór można też otrzymywać z węgla a także biomasy. Jeśli chodzi o zgazowanie węgla, to odpowiednia reakcja wygląda następująco: C + H2O = CO + H2. Ale jeśli po wydobyciu na powierzchnię tlenek węgla CO może być łatwo konwertowany parą wodną więc: CO + H2O = CO2 + H2.

Widać więc, że oprócz wodoru wydziela się w tym procesie dwutlenek węgla, z którym nie wiadomo co robić, a jest gazem cieplarnianym. Pojawia się ten sam problem, który występuje przy spalaniu paliw kopalnych. Przy zgazowaniu biomasy z kolei produktem ubocznym będzie tlenek węgla.

Druga metoda (wodór zielony) wykorzystuje rozbicie wody na wodór i tlen, poprzez elektrolizę. Wykorzystuje się tu znaczne ilości energii elektrycznej, którą przecież trzeba wytworzyć wpierw. Sposób ten to ok. dwa do czterech procent światowej produkcji wodoru. Metoda elektrolizy powoduje konieczność rozwoju elektrolizerów, obecnie w przygotowaniu jest kilkadziesiąt instalacji, z których największa w Niemczech mająca ok. 100 MW.

„Wodór zielony” nie jest jeszcze opłacalny w zastosowaniu na dużą skalę. Na mniejszą owszem np. dla pojazdów samochodowych. Tyle, że nierozwiązanych technicznie problemów jest więcej, na poziomach innych niż produkcja paliwa.

Ogniwa paliwowe i spalanie wodoru

Energię można dwojako produkować z wodoru. Pierwszym sposobem są ogniwa paliwowe, te dostępne komercyjnie mają od kilku do kilkunastu kW. A więc nie na skalę w przypadku dużej elektrowni i produkcji prądu na wielką skalę. Może i kiedyś się to zmieni, lecz na dziś problemy z koncepcjami budowy ogniw, temperatura, materiały elektrolizerów, skład paliw, predysponuje raczej do budowy małych jednostek.

Wyróżnić możemy:
– ogniwa alkaliczne – do 250 kW mocy, o sprawności 50 procent, początkowych kosztach inwestycyjnych na poziomie 200–700 USD/kW, i o trwałości 5–8 tys. godzin (niecały rok),
– ogniwa polimerowe – 0,5 do 400 kW mocy, sprawności 32-49 procent, początkowych kosztach inwestycyjnych 3000–4000 USD/kW, trwałości 60 tys. godzin (niecałe siedem lat),
– ogniwa tlenkowe – do 200 kW mocy, o sprawności 50-70 procent, początkowych kosztach inwestycyjnych 3000–4000 USD/kW, trwałości 90 tys. godzin (trochę ponad 10 lat),
Ogniwa fosforowe – do 11 MW mocy, sprawność 30-40 procent, kosztach początkowych 4000 – 5000 USD/kW, trwałości 30–60 tys. godzin (3,4 do niecałych siedmiu lat).

Sprawność procesu wytwarzania energii elektrycznej z energii chemicznej wodoru to nie wszystko. Jeżeli przyjąć, że sprawność samego ogniwa to średnio ok. 43 procent, to całkowita sprawność procesu z uwzględnieniem podziemnego magazynowania wodoru to 29-33 procent. Technologia ta ma na razie zbyt wysokie koszty i zbyt niską sprawność, by stanowić konkurencję dla technologii opartych na procesie spalania paliw kopalnych czy rozszczepienia jąder atomów uranu. Wadą jej jest również niska trwałość ogniw. Uzyskanie postępu w tym zakresie wymagać będzie dalszych badań podstawowych i rozwojowych w całym łańcuchu procesów konwersji. Przede wszystkim wymagane jest tu udoskonalenie samego procesu elektrolizy.

Innym sposobem pozyskiwania energii z wodoru jest jego spalanie, w turbinach wodorowych. Sprawność takiej turbiny, zakładając że spalałaby wyłącznie wodór wynosiłaby ok. 25–29 procent. Jednakże dzisiejsze turbiny gazowe spalają jedynie 30 procent wodoru jako paliwa, reszta to gaz ziemny. A więc i emisja CO2, NOx. Aby turbina mogła spalać w 100 procentach wodór, potrzebne jest przekonstruowanie układów palników, występują problemy ze spalaniem stukowym i z przemieszczaniem się płomienia w palniku także w tył, po linii zasilania. Zdecydowanie inżynierowie mają z tą technologią jeszcze sporo pracy, choć bez wątpienia problemy te i inne będą kiedyś rozwiązanie. Jednakże nie ma mowy o stwierdzeniu, że mamy na dziś do czynienia ze sprawdzoną dostępną, gotową technologią do masowej produkcji energii elektrycznej, czy bilansowania systemu z dużym udziałem OZE, którymi są atom, spalanie paliw kopalnych, czy elektrownie wodne.

Transport i magazynowanie wodoru

Do tego wszystkiego dochodzą trudności w kwestii transportu i magazynowania wodoru, który bardzo łatwo dyfunduje, przenikając przez ścianki naczynia, a materiały szybko korodują. Dzisiaj istniejącymi rurociągami można przepuścić od dwóch do ośmiu procent wodoru, w żadnym razie nie 100 procent. Najtańsze i najlepsze magazyny do przechowywania wodoru na skalę przemysłową stanowią podziemne komory po wyrobiskach solnych. Stosowane są również (w USA) podziemne przestrzenie skalne po wydobyciu gazu ziemnego oraz ropy naftowej. Ile takich miejsc jest w Polsce do dyspozycji, pozostawiam do samodzielnego wglądu czytelników.

Dużo droższe i mniej bezpieczne jest magazynowanie wodoru w naziemnych zbiornikach. Niebezpieczeństwo polega na skłonności wybuchowych wodoru – pamiętamy los niektórych sterowców w okresie międzywojennym, a przede wszystkim niemieckiego Hindenburga, któremu wodór zapewniał siłę nośną. W 1937 roku doszło do straszliwej katastrofy w wyniku zapłonu wodoru tuż nad ziemia, w czasie wizyty sterowca w USA. To właśnie ta katastrofa przekreśliła dalszy rozwój sterowców jako statków transportowych dalekiego zasięgu, poruszających się w powietrzu na dużych wysokościach. Ciekawe, co powiedzieliby radykalni wyznawcy 100 procent udziału OZE w systemie energetycznym + magazynowania energii, gdyby ich przeciwnicy z taką intensywnością przywoływali katastrofę wypełnionego wodorem Hindenburga, jak oni sami przywołują w nieskończoność Czarnobyl lub Fukushimę.

Zieloni i obudowany magazyn energii

Również ciekaw jestem, czy środowiska „Zielonych” będą domagały się obudowywania magazynów wodoru gigantycznymi kopułami z betonu i stali, zatrzymującymi ewentualny wybuch wewnątrz takiej kopuły. Podobnie jak to ma miejsce z budynkami reaktorów jądrowych. Pytanie chyba jednak retoryczne, bo środowiska te nie przykładają takiej samej miary do bezpieczeństwa w różnych sektorach.
Nawiasem mówiąc, branża jądrowa już podjęła wysiłki, by zneutralizować ewentualne niebezpieczeństwo, poprzez zastąpienie stopów cyrkonu z jakich zbudowane są koszulki prętów paliwowych (pierwiastek ten po reakcji z wodą prowadzi do wydzielania się wodoru) innym materiałem, lub też zastosowanie swoistej izolacji cyrkonu od wody. Wówczas jakakolwiek możliwość wybuchu wodoru (jedynego możliwego w EJ) przestałaby istnieć. Realizowane jest to obecnie np. w USA.

Wodór, atom i magazyny energii

Reasumując, można i trzeba równolegle rozwijać wiele technologii wytwarzania energii. Jeśli w jednej branży postęp techniczny będzie wolniejszy, w innej będzie szybszy, co da krajowi energetyczne bezpieczeństwo. I przestać wreszcie głosić teorie, że jedna technologia musi koniecznie eliminować drugą. Tak więc wodór i magazyny energii obok atomu a nie zamiast niego. Rozwój wielokierunkowy.

Lipka: Atom zamiast węgla brunatnego to rozsądna alternatywa