Jak można wykorzystać wodór w energetyce?

Wodór – paliwo (bliskiej) przyszłości. Jak można je wykorzystać w energetyce?

2% - mniej więcej tyle energii na ten moment jest pozyskiwane w Europie z wodoru. Ale to powoli zaczyna się zmieniać i można się spodziewać, że w kolejnych latach czeka nas kolejna po słonecznej energetyczna rewolucja. Dowiedz się, dlaczego kładzie się coraz większy nacisk na wodór i do czego można wykorzystać to paliwo.

Wodór jako paliwo – skąd wzrost jego popularności?

Wykorzystanie wodoru jako paliwa nie jest niczym nowym. Pierwsze silniki wodorowe pojawiły się już… na początku XIX wieku, a napęd wodorowy w XX wieku i na początku naszego stulecia zaczął być kojarzony z torpedami i rakietami. Również te, które były wystrzeliwane w kosmos, były zasilane właśnie wodorem. Nie ma się czemu dziwić – wodór jest paliwem o największych wartości opałowej oraz cieple spalania w stosunku do swojej masy.  

Pytanie jednak, czemu właśnie teraz zaczęło się tak dużo mówić o wykorzystaniu wodoru w energetyce? Otóż ten, który jest przyszłością energetyki, nie jest uwalniany jako nośnik energii w procesie spalania, a np. z wykorzystaniem ogniw paliwowych.

Jakie rodzaje wodoru wyróżniamy? 

Wodór może być pozyskiwany na kilka sposobów – od metody wytwarzania zależy zarówno jego „czystość”, jak również koszt pozyskania. Dziś mówi się o czterech typach wodoru jako paliwa.

Szary wodór

Obecnie najpowszechniej wytwarzany ze wszystkich (stanowi ok. 96% całego produkowanego wodoru), ale zarazem najbardziej szkodliwy dla środowiska naturalnego. Powstaje w wyniku reformingu metanu bądź zgazowania węgla, z wykorzystaniem nieodnawialnych paliw kopalnych.

W procesie produkcyjnym następuje wysoka emisja gazów cieplarnianych – 9,3 kg na 1 kg wodoru, co sprawia, że, mimo bardzo niskich kosztów produkcji paliwa w ten sposób, odchodzi się od tej technologii.

Niebieski wodór

Niebieski wodór powstaje w tym samym procesie co wodór szary, jednak większość CO2, który powstaje w jego trakcie, jest wychwytywana i składowana, co znacznie zmniejsza emisyjność. Koszt produkcji jednak rośnie i nadal konieczne jest wykorzystanie paliw kopalnych. Ponadto wyzwaniem są kwestie związane z miejscem, sposobem i czasem składowania dwutlenku węgla.

Turkusowy wodór

Turkusowy wodór powstaje w procesie pirolizy gazu ziemnego, a produktem ubocznym jest czysty węgiel, a nie szkodliwy dwutlenek węgla. Pozyskany w ten sposób węgiel może być wykorzystany np. do produkcji tuszów i tonerów do drukarek, a także smarów, opon itp. Ta technologia jest jednak na bardzo wczesnym stopniu rozwoju, dlatego na ten moment trudno jest oszacować koszty wytwarzania oraz praktyczność zastosowania omawianej metody.

Zielony wodór

Zielony wodór, nazywany jest inaczej czystym wodorem lub wodorem ekologicznym.To właśnie ta odmiana budzi największe zainteresowanie oraz nadzieje. Nie ma się czemu dziwić. Proces jego produkcji jest zeroemisyjny i w pełni przyjazny dla środowiska. Dlaczego? Ponieważ taki wodór powstaje w procesie elektrolizy.

Na czym on polega? Mówiąc najprościej, woda jest poddawana działaniu prądu elektrycznego, przez co następuje jej rozpad na cząsteczki tlenu (O2) i wodoru (H2). Tak powstały wodór może zostać zmagazynowany, a później wykorzystany jako źródło energii.

Zielony wodór a energetyka odnawialna – jak to działa?

Zielony wodór, jak już wspomniano, powstaje w procesie elektrolizy wody, a sam proces jest stosunkowo prosty oraz bezpieczny, a przede wszystkim ekologiczny. Stąd też wzbudza on ogromne zainteresowanie w kontekście energetyki odnawialnej.

Dlaczego? Powód jest prosty: produkcja prądu z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii, a więc przede wszystkim słońca oraz wiatru, jest uzależniony w ogromnej mierze od warunków pogodowych.

W sąsiedztwie dodatnio naładowanej anody, cząsteczka wody (H2O) oddaje swoje ujemnie naładowane elektrony ("plus” zawsze będzie przyciągał do siebie „minusa”. Z pary (obojętnych) cząsteczek wody zabierane są w sumie cztery ujemne elektrony. Oznacza to, że woda „nabiera” ładunku dodatniego. Tym samym, woda rozpada się na dwa komponenty – gazowy tlen (o ładunku obojętnym), który ulatnia się w postaci widocznych pęcherzyków, oraz pozostały w cieczy wodór w postaci dodatnio naładowanych jonów (H+).

2H2O – 4e– → O2↑ + 4H+

Ten sam jonowy wodór (naładowany dodatnio) zgodnie z zasadą przyciągania się różnoimiennych biegunów, dyfunduje w pobliże ujemnie naładowanej katody. 

Sumaryczny ładunek znów wynosi zero. Tym samym, jonowy wodór przechodzi do postaci gazowej (naładowanej obojętnie) i opuszcza układ w postaci obserwowalnych w cieczy pęcherzyków. 

4H+ + 4e– → 2H2↑

Obie elektrody połączone są w zamknięty obwód elektryczny, zasilany energią z zewnątrz. Źródło tego zasilania jest dowolne, ale najlepiej, aby dostarczało ono czystą, ekologiczną energię elektryczną, bez emitowania toksycznych produktów ubocznych. 

Taką właśnie rolę mogą odegrać panele fotowoltaiczne, które sprzężone z odpowiednim elektrolizerem, pozwolą produkować paliwo wodorowe ze zwykłej wody. 

W przypadku fotowoltaiki występują duże różnice w ilości wytwarzanej energii elektrycznej w zależności od poziomu nasłonecznienia. Najwięcej prądu panele słoneczne wytwarzają wiosną i latem, natomiast jesienią i zimą, gdy dni są krótsze, a zachmurzenie większe – wydajność instalacji PV spada.

Oczywiście to wyzwanie znalazło już swoje rozwiązanie – jest nim magazynowanie energii. Dziś najczęściej stosowanymi rozwiązaniami są:

• przekazywanie energii do sieci i jej odbiór (ze stratą ok. 20-30%), gdy bieżące zasoby dostarczane przez fotowoltaikę nie są wystarczające,
• korzystanie z własnych magazynów energii – dziś są to przede wszystkim te na bazie litu. Jednak użytkowanie ich również wiąże się z pewnymi stratami.

Alternatywą – zarówno na większą, jak i mniejszą skalę – może być wykorzystywanie nadwyżek energii z instalacji OZE do elektrolizy wody. Powstały w tym procesie wodór może być magazynowany w dużych ilościach i przez długi czas – np. w specjalnych zbiornikach czy kawernach solnych. Następnie wodór można ponownie wykorzystać do produkcji energii elektrycznej – z wykorzystaniem wodorowych ogniw paliwowych. Proces wytwarzania prądu w ten sposób również jest zeroemisyjny.

Ogniwa paliwowe wodorowe – już stosowane w motoryzacji

Wodorowe ogniwa paliwowe nie są „pieśnią przyszłości”. Już dziś stosuje się je na coraz szerszą skalę – przede wszystkim w samochodach z napędem wodorowym. Warto wiedzieć, że takie auta są w rzeczywistości pojazdami elektrycznymi – ich silniki są zasilane prądem, który powstaje właśnie w ogniwach paliwowych z wodoru w postaci płynnej lub gazowej.

Liderem rynku pojazdów z napędem wodorowym jest Japonia, jednak odgrywają one coraz większą rolę także na rynkach europejskim czy amerykańskim. Coraz chętniej produkowane są np. autobusy komunikacji miejskiej zasilane wodorem, ale także pojazdy osobowe.

Czy wodór można wykorzystać do ogrzewania domu?

Wykorzystanie wodoru ma się również przyczynić do dekarbonizacji ogrzewania, a zatem ograniczenia, a następnie zupełnego wyeliminowania wykorzystania paliw kopalnych do celów grzewczych. I to na dwa sposoby.

Z jednej strony mówi się o zasilaniu ogrzewania elektrycznego prądem produkowanym przez ogniwa paliwowe wodorowe. Chodzi zatem o połączenie już dziś wykorzystywanych fotowoltaiki czy energetyki wiatrowej z magazynami wodorowymi. Pozwoli to również na zwiększenie autokonsumpcji energii produkowanej z OZE, a co za tym idzie – na zwiększenie niezależności energetycznej odbiorców indywidualnych.

Z drugiej strony coraz więcej nowych kotłów gazowych jest oznaczana jako „H2Ready”. Oznacza to, że są one gotowe do spalania gazu ziemnego z domieszką wodoru (która ma wzrastać na przestrzeni kolejnych dekad). Trwają też prace nad rozwojem kotłów na czysty wodór – dziś są one dostępne jedynie do celów komercyjnych, i to w niewielkiej liczbie. Jednak w przyszłości można liczyć na ich szersze rozpowszechnienie się.

Energetyka wodorowa – przyszłość świata?

Zeroemisyjność produkcji zielonego wodoru, łatwo dostępna technologia jego wytwarzania, wysoki potencjał energetyczny tego paliwa oraz możliwość przystosowania już istniejącej infrastruktury gazowej do transportu i magazynowania go – oto czynniki, które sprawiają, że rozwój energetyki wodorowej jest jednym z priorytetów polityki neutralności klimatycznej Unii Europejskiej. Dlatego przewiduje się, że, przy wsparciu dla tej technologii, do 2050 roku, zielony wodór może stanowić do 20% europejskiego koszyka energetycznego OZE (źródło: https://www.europarl.europa.eu/news/pl/headlines/society/20210512STO04004/odnawialny-wodor-jakie-sa-korzysci-dla-ue)

Można się więc spodziewać, że w kolejnych latach rozwinie się nie tylko już coraz popularniejsza produkcja samochodów elektrycznych z napędem wodorowym, ale proces wytwarzania magazynów wodorowych i inne technologie sprzyjające produkcji i użytkowaniu zielonego wodoru. Warto zatem już teraz przyjrzeć się bliżej temu ekologicznemu paliwu i jego rosnącemu potencjałowi.

Jeśli chcesz obniżyć swoje rachunki za prąd, zadzwoń i dowiedz się więce na temat instalacji dopasowanej do Twoich potrzeb!

FORMULARZ