Rosnąca moc niestabilnych odnawialnych źródeł energii, ograniczony zasięg bateryjnych pojazdów elektrycznych, dekarbonizacja sektora komunalno-bytowego – czy rozwiązanie wymienionych problemów leży na wyciągnięcie ręki? zastanawia się Patryk Rojek ze Studenckiego Koła Naukowego Energetyki w Szkole Głównej Handlowej, partnera merytorycznego BiznesAlert.pl.
Rozwój technologii ogniw paliwowych może zbliżyć nas do rozwiązania niedogodności wynikających z prowadzenia ambitnej polityki klimatycznej oraz przyczynić się do wzrostu gospodarczego. Opracowanie oraz komercjalizacja napędów wodorowych, wciąż niekonkurencyjnych wobec innych metod wytwarzania energii elektrycznej, jest szansą dla Starego Kontynentu. Europejski przemysł, który przespał rozwój baterii, może rozwinąć technologie, które wypracują przewagę konkurencyjną regionu – a wszystko to bez dodatku litu!
Tandem protonu z elektronem
Wodór to najczęściej występujący pierwiastek we Wszechświecie. W formie gazowej jest bezbarwny, bezwonny, nietoksyczny oraz bardzo łatwopalny – do zapłonu wystarczy 1/10 energii, którą rozpalimy metan. Ze względu na małe cząsteczki gazu, które mogą przenikać przez ścianki konwencjonalnych zbiorników oraz gazociągów, H2 wymaga wykorzystania specjalnych materiałów oraz technik składowania. Pomimo trzykrotnie większej od benzyny ilości energii przypadającej na jednostkę masy (120 MJ/kg), jest gazem o niskiej gęstości energetycznej (0.01 MJ/litr). Wymusza to składowanie pod wysokim ciśnieniem (od 350 do 700 barów), co przy okazji zmniejsza jego przenikanie przez ścianki zbiornika.
Światowe zapotrzebowanie na czysty wodór wynosi około 70 milionów ton. Gros gazu wykorzystywane jest w celu rafinacji ropy naftowej (38 Mt) oraz produkcji amoniaku (31 Mt), głównie na potrzeby wytwarzania nawozów sztucznych. Ponadto 45 Mt wodoru występuję jako składnik różnych mieszanin gazów. Taką mieszaninę wykorzystuje się w produkcji m.in. metanolu oraz stali.
Wytwarzanie wodoru
Rozróżniamy kilka sposobów pozyskiwania „paliwa przyszłości” – „czarny”, „niebieski” oraz „zielony”. Kolor czarny obejmuje metody bazujące na paliwach kopalnych (na węglu, gazie lub ropie naftowej), które odpowiadają za 98 procent produkcji na świecie. Trzy czwarte wodoru wytwarza się z gazu ziemnego, wykorzystując głównie reforming parowy. Jest to najtańszy sposób produkcji – na Bliskim Wschodzie i w Stanach Zjednoczonych cena wytworzenia kilograma H2 to około 1 USD. W Europie i Chinach cena oscyluje koło 2.5 USD za kilogram gazu.
Następne dwa kolory odnoszą się do zdekarbonizowanych metod produkcji. „Niebieski” wodór powstaje z wykorzystaniem instalacji wychwytu dwutlenku węgla (ang. Carbon Capture, Utilization and Storage). Wychwyt CO2 z reformingu gazu ziemnego może osiągać nawet 90 procent. Instalacja CCUS zwiększa nakłady kapitałowe o około 50 procent, co przekłada się na wzrost kosztu wytwarzania o 0.5 USD na kilogram gazu. „Zielony” gaz produkowany jest w elektrolizerach wykorzystujących energię elektryczną z odnawialnych źródeł energii. Wytwarzanie przy pomocy elektrolizy zaczyna być konkurencyjne przy cenach energii 10-40 USD za MWh oraz pracy z maksymalną mocą od 3000 do 6000 godzin w roku. Oczekuje się, że rozproszone instalacje do produkcji wodoru z prądu, będą miały istotny wpływ na bilansowanie systemu elektroenergetycznego o dużej mocy niesterowalnych źródeł alternatywnych.
Samochody napędzane wodorem
Głównym problemem BEV (ang. Battery Electric Vehicle, elektryczne samochody bateryjne) jest długi czas ładowania oraz ograniczony zasięg (większość obecnie dostępnych modeli pozwala pokonać średnio 200 km). Wykorzystując szybką infrastrukturę ładowania, podstawową wersję Nissan LEAF załadujemy w ciągu godziny. Widzimy zatem, że samochody elektryczne zasilane bateriami nie są pojazdami, które znajdą zastosowanie w długich podróżach – obszar ten zdominują pojazdy wodorowe. Toyota Mirai umożliwia pokonanie dystansu 550 km, a czas uzupełniania zbiorników wynosi tylko 4 minuty.
Tak jak samochody zasilane bateriami, samochód napędzany H2 jest pojazdem zeroemisyjnym. W ogniwach paliwowych występuje reakcja utleniania wodoru z tlenem, co skutkuje generacją energii elektrycznej oraz odpadu z procesu – wody. Sprawność ogniw paliwowych dochodzi do 60 procent, gdzie konwencjonalne silniki wewnętrznego spalania osiągają średnio 30 procent. Jest to istotna różnica pod względem oszczędności pierwotnego nośnika energii. Ciepło odpadowe z reakcji utleniania może zostać wykorzystane do ogrzewania kabiny kierowcy, co jest kolejną zaletą względem BEV.
Pierwsze firmy motoryzacyjne mają już w swojej ofercie osobowe samochody zasilane wodorem. Toyota planuje produkować po 2020 r. około 30 tys. FCEV (ang. Fuel Cell Electric Vehicle, samochody elektryczne napędzane wodorem), Hyundai szacuje swoją produkcję na 700 tys. samochodów w 2030 roku. Dostrzegamy więc, że koncerny azjatyckie widzą przyszłość ogniw paliwowych w transporcie. Warto zwrócić również uwagę na rozwijane projekty pojazdów ciężarowych. Hyundai, Scania, Toyota, Volkswagen, Daimler, Nikola oraz PSA opracowują pierwsze modele ciężarówek. Ze względu na wagę ogniwa paliwowego oraz zbiorników, branża widzi szanse na szybszą komercjalizację napędów wodorowych w transporcie towarowym, gdzie masa napędu nie będzie dominowała w całkowitej masie pojazdu.
Szybkie tankowanie pojazdów z ogniwami paliwowymi pozwala zachować obecnie panujący paradygmat funkcjonowania infrastruktury paliwowej. Autorzy raportu poświęconego przyszłości H2, który został przygotowany na szczyt G20 w Japonii, wskazują, że mimo wyższych początkowych kosztów inwestycyjnych, infrastruktura wodorowa umożliwia szybkie tankowanie pojazdów, ograniczając w ten sposób wymaganą przestrzeń pod stanowiska do ładowania, co ostatecznie przekłada się na niższe całkowite nakłady inwestycyjne. Stacje benzynowe będą mogły funkcjonować w obecnym modelu – zmieni się tylko oferowane paliwo.
Transport jeszcze w niewielkim stopniu wykorzystuje wodór, chociaż sytuacja może wkrótce wyglądać zupełnie inaczej. W 2018 roku wzrost sprzedaży FCEV względem roku poprzedniego, napędzany głownie przez popyt w Stanach Zjednoczonych i Japonii, wyniósł 56 procent. Rozwój w Unii Europejskiej wspierany jest m.in. przez program Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking. Budżet Horizon 2020, przewidziany na wspieranie badań naukowych i innowacji w technologii wodorowej na lata 2014-2020, wynosi 1.33 miliarda euro.
