O wykorzystaniu wodoru w gospodarce – Prof. Jan Szmidt, Rektor Politechniki Warszawskiej

Prof. Jan Szmidt, Rektor Politechniki Warszawskiej fot. mat. prasowe

Wodór jest najlżejszym, a zarazem naj­bardziej rozpowszechnionym pierwiast­kiem we Wszechświecie. W warunkach ziemskich występuje, niestety, prawie wyłącznie w postaci wody, związków orga­nicznych i nieorganicznych, co uniemożli­wia jego bezpośrednie pozyskiwanie jako paliwa. Traktowany jako paliwo wodór cząsteczkowy ma najwyższe ze wszystkich znanych paliw masowe ciepło spalania. Co więcej przy spalaniu wodoru nie dochodzi do bezpośredniej emisji dwutlenku węgla co stanowi ważny pro-środowiskowy aspekt rozwijającej się w XXI wieku ‘go­spodarki wodorowej’.

Pierwsze zastosowania wodoru jako paliwa sięgają swą historią początków XIX wieku kiedy to szwajcarski konstruktor Isaac de Rivaz zbudował pierwszy pojazd kołowy napędzany silnikiem wodorowym. W 1813 zakończył on budowę pojazdu o długości sześciu metrów i masie około tony. Jako ciekawostkę można tu podać, że każdy pojedynczy ruch tłoka w cylindrze przesuwał pojazd o około 5 metrów. Przez wiele lat silniki zasilane wodorem gościły głównie na kartach powieści fantastycz­no–naukowych takich jak „Tajemnicza Wyspa” Juliusza Verne’a , czy „Żelazny Pirat” Maxa Pembertona, by ponad stu latach wrócić na ulice i drogi choćby w postaci takich konstrukcji jak napędza­ne zasilanym wodorem dwunastocylin­drowym silnikiem tłokowym luksusowe BMW Hydrogen 7. Główną wadą tej jak i kilkunastu innych zbliżonych do niej konstrukcji jest ich relatywnie niewielki zasięg. W konsekwencji niskiej gęstości zasilającego silnik ciekłego wodoru jego zużycie wynosi około 50 dm3/100 km przejechanej trasy.

Zupełnie odrębną koncepcją transportu wodorowego jest „pośrednie” wykorzysta­nie wodoru poprzez jego przetworzenie w energię elektryczną w ogniwach paliwo­wych. Umożliwia to stworzenie konstruk­cji napędzanych silnikami elektrycznymi w sposób zbliżony do tego jaki wykorzy­stywany jest w pojazdach elektrycznych zasilanych ogniwami litowo-jonowymi. Wśród współczesnych konstrukcji tego typu znaleźć można zarówno wózki wi­dłowe zasilane ogniwami o mocy około 5 kW, jak i lokomotywy o mocach prze­kraczających 250 kW. Ogniwa paliwowe znajdują także zastosowanie w konstruk­cjach z obszarów transportu wodnego i lotniczego. Podstawowymi problemami tak rozumianego transportu wodorowego oprócz wysokiej ceny ogniw wynikającej z zastosowania w nich drogich materiałów takich jak katalizatory platynowe są: niska dostępność sieci dystrybucji wodoru, problemy z magazynowaniem paliwa oraz wysokie wymagania co do czystości wy­korzystywanego w ogniwach paliwowych paliwa wodorowego.

Zacytowani powyżej dwaj autorzy-wizjo­nerzy trafnie definiują aktualne dalej po ponad stu latach dwa podstawowe trendy w produkcji wodoru. O ile klasyczna elektroliza wody jest procesem drogim i energochłonnym wykorzystywanym w przemyśle praktycznie do produkcji wodoru ultra-czystego to jej aplikacje wykorzystujące chwilowy nadmiar energii elektrycznej pochodzącej na przykład ze źródeł odnawialnych stanowią jeden z częściej dyskutowanych sposobów maga­zynowania energii na poziomie krajowych sieci dystrybucyjnych. Jeśli od dodać do tego takie rozwijane obecnie warianty tego procesu jak foto-elektroliza i termo­-elektroliza pozwalające na zdecydowane obniżenie potrzebnych do pozyskania wodoru nakładów energetycznych oraz wysoką czystość otrzymywanego wodoru stawia to wodór elektrochemiczny w no­wej dużo bardziej korzystnej perspektywie długofalowej.

Alternatywą jest dużo tańsza produkcja wodoru metodami petro- i karbochemicz­nymi realizowana masowo w licznych zakładach wielkotonażowego przemysłu chemicznego wykorzystującego wodór nie jako paliwo, a jako półprodukt dla takich procesów technologicznych jak hydrora­finacja, hydrokraking, czy też produkcja nawozów azotowych. Z punktu widzenia gospodarki wodorowej metody te cechują się dwoma cechami ujemnymi. Produkcja wodoru jest w nich związana z emisją dwutlenku węgla wyższą w przeliczeniu na jednostkę energii mechanicznej niż w przypadku bezpośredniego wykorzysta­nia paliw (np. w silniku CNG, czy LNG). Drugim problemem są zawarte w tak po­zyskanym wodorze stanowiące ‘trucizny katalizatorowe’ zanieczyszczenia (tlenek węgla i związki siarki).

Kolejna grupa problemów związana jest z przechowywaniem wodoru. Pamięta­jąc o tym, że wodór jest najlżejszym ze wszystkich gazów, należy mieć na uwadze, że jego gęstość w każdym ze stanów sku­pienia jest najmniejsza w porównaniu z in­nymi gazami, cieczami lub ciałami stały­mi. Co więcej prędkość molekuł gazowego wodoru jest najwyższa w porównaniu z innymi gazami w każdej temperaturze, stąd wodór charakteryzuje się dużą war­tością współczynnika dyfuzji. Kolejnymi utrudniającymi magazynowanie wodoru w stanie gazowym jego cechami są naj­wyższa ze wszystkich gazów przewodność cieplna oraz najniższa lepkość.

Sprężanie wodoru jak i innych gazów technicznych odbywa się dzięki sprężar­kom tłokowym. Mała gęstość wodoru sprawia, iż nawet pod dużymi ciśnienia­mi (do 700 atm – dalsze podnoszenie ciśnienia nie zwiększa już praktycznie gęstości gazu) zgromadzona jest mała ilość energii użytecznej. Bardzo mały rozmiar cząsteczek wodoru sprawia, że mają one zdolność do przenikania przez materiały konstrukcyjne zwłaszcza pod zwiększo­nym ciśnieniem. Wymusza to stosowanie odpowiednich technologii przy konstru­owaniu butli. W zbiornikach ciśnienio­wych o sprężeniu 70 MPa wodór stanowi zaledwie 6 % masy całego układu.

Przechowywanie wodoru w postaci ciekłej pozwala na uzyskanie znacznie większej objętościowej gęstości energii. W jednym metrze sześciennym zbiornika można zgromadzić 70,8 kg skroplonego gazu. Jednakże duże objętości martwe zbiorni­ków wykonanych w tej technologii (za­stosowana izolacja próżniowa odpowiada swymi parametrami warstwie styropianu o grubości około 15m) prowadzą finalnie do tego, że uzyskuje się efektywną po­jemność zbiornika jedynie o 75% większą w porównaniu ze zbiornikiem ciśnienio­wym. Dodatkową wadą zbiornika krioge­nicznego są jego straty własne wynikające w wnikania ciepła z otoczenia do prze­chowywanego w temperaturze około -250 oC skroplonego wodoru. W przypadku zbiornika o pojemności 150 dm3 zastoso­wanego z opisanym wcześniej samocho­dzie BMW 7h prowadzą one do całkowitej samoistnej utraty paliwa w ciągu około dwóch tygodni od jego zatankowania.

Przechowywanie wodoru w postaci wodorków jest stosunkowo nową metodą, pierwsze prototypy takich zbiorników zostały wykorzystane w przemyśle mo­toryzacyjnym. Gazowy wodór może być zaabsorbowany na powierzchni metali głównie stopów niklu z domieszkom lantanu LaNi5 oraz chromu z cyrko­nem ZrCr2. Odpowiednie rozwinięcie powierzchni metali zwiększa pojemność zbiorników. Podczas adsorpcji wodoru wydziela się ciepło, natomiast w celu odzyskania zaadsorbowanego gazu należy dostarczyć odpowiednią ilość ciepła. Przy obecnym stanie technologii tego typu układy do magazynowania wodoru zdolne są do zmagazynowania 5% masy zbiorni­ka. Zbiorniki takie pracują pod ciśnie­niem zbliżonym do atmosferycznego, co zapewnia ich bezpieczeństwo eksploata­cyjne w razie ich awaryjnej dehermetyza­cji. W przypadku takim nie dochodzi do gwałtownego uwolnienia całości zawarte­go w nich wodoru gdyż proces ten jest po pierwsze powolny, a po drugie wymaga systematycznego dostarczania ciepła do materiału czynnego zawartego w zbior­niku.

Na końcu powyższych rozważań należy wspomnieć o względach społecznych jakie związane są z upowszechnieniem gospo­darki wodorowej, a zwłaszcza magazy­nowaniem wodoru. Na poziomie racjo­nalnym związane z tym obawy wynikają z palności wodoru i wybuchowości jego mieszanek z powietrzem znanych jako ‘mieszanina piorunująca’. Obawy te są powszechne w społeczeństwie kojarzącym dowolnego praktycznie typu zbiornik wo­doru i transport wodorowy z utrwalonymi w masowej pamięci filmowymi obrazami katastrof lotniczych jakie dotykały wypeł­nione wodorem sterowce okresu między­wojennego. Na poziomie nieracjonalnym gospodarka wodorowa kojarzona jest natomiast często z bronią termojądrową i energetyką przyszłości opartą o reakcję fuzji jądrowej. Przykładem mogą tu być protesty mieszkańców jednej z dzielnic Warszawy, którzy stojąc w obliczu budowy w swoim sąsiedztwie wodorowej stacji pa­liwowej protestowali przeciwko zamiesz­kiwaniu w pobliżu „bomby wodorowej”.

Jako trafne podsumowanie przedstawio­nego tematu można tu przywołać nadal aktualne po osiemdziesięciu latach słowa znanego konstruktora lotniczego Igora Sikorskiego: „Jeżeli rozwinięta zostałaby metoda bezpiecznej i oszczędnej produk­cji i magazynowania ciekłego wodoru na paliwo, skutkowałoby to wielką zmianą, szczególnie w dziedzinie lotnictwa długo­dystansowego. Umożliwiłoby to lot na oko­ło równika bez konieczności uzupełniania paliwa. Umożliwiłoby to również zwiększe­nie wydajności niemal każdego silnika.”

1 „Tak, moi przyjaciele, sądzę, że kiedyś woda będzie służyła za opał, że wodór i tlen, czy to każdy osobno, czy połączone razem, staną się niewyczerpalnym źródłem tak silnego ciepła i światła, jakiego nie może wydać węgiel!”, Juliusz Verne, Tajemnicza wyspa, 1874.

2 „Był to doprawdy wspaniały widok; trzy zestawy najpotężniejszych silników kiedykolwiek zainstalowanych w statku bojowym. Każdy z nich miał cztery cylindry o średnicy ośmiu cali; a każdy z nich był napędzany wodorem z ogromnych gazomierzy, które tworzyły uchwyty. Gaz był wytwarzany poprzez przepuszczanie pary ze względnie małego kotła przez złoże koksu i antracytowy piec.”, Max Pemberton, Iron